9. Испытания мс: с применение прогнозирования, с применением статического моделирования, по экстремальному уровню.

4. Испытания на надежность с применением методов прогно­зирования и моделирования. Пусть необходимо испытать на надеж­ность сложную машину, работоспособность которой определяется выходными параметрами. Эти параметры изменяются при экс­плуатации машины под влиянием процессов старения и разруше­ния (см. рис. 62). Для каждого из параметров техническими ус­ловиями установлено предельное состояние, достижение которого означает отказ машины.

П оэтому получение статистического ряда значений как при по­следовательном испытании одной или нескольких машин, так и при одновременном испытании их большого числа, невозможно из-за длительности испытаний и больших затрат на их проведение. Выход сводится к сочетанию испытания с прогнозированием, причем в основу кладется определенная модель отказа (см. гл. 3). Так, при наличии параметрического отказа можно за более ко­роткий промежуток времени, чем время, необходимое для дости­жения отказа, определить скорость процесса изменения пара­метра у_х и по ней прогнозировать время (наработку) до отказа.

Длительность испытания при этом зависит от характера про­текания процесса изменения выходного параметра X (/) и от чувствительности (точности) тех методов, при помощи которых производится измерение.

Чем точнее примененный метод измерения, тем быстрее можно

оценить скорость процесса. Для прогнозирования t_Hl

по значению t_и2 необходимо знать закон изменения.

При таком методе возможно накопление статистических дан- ных, получение ряда значений t_и2, .... (t_и2)k> прогнозирование по нему ряда t_и1, . . и оценка закона распределения f (t).

Конечно, любая модель для прогнозирования хода процесса изменения параметра должна быть обоснована, а в ряде случаев и экспериментально апробирована (например, на одной-двух реализациях, которые доведены до значений X = Х_шах). Не­обходимо выяснить также, влияет ли износ на скорость проте­кания у_х (имеется ли обратная связь), каков период приработки, с какими факторами связано рассеивание значений у_х, и ряд дру­гих вопросов. Многие из них выявляются только в процессе испытания, однако получение даже ориентировочной информации о надежности на ранних стадиях испытания имеет огромное зна­чение при создании новых машин. По мере продолжения испыта­ний эта информация, а также принятые вначале методы испытания и прогнозирования должны все время уточняться и корректиро­ваться. Полученные результаты должны подтвердить правиль­ность методики, принятой при испытании и прогнозировании.

При прогнозировании следует заранее определить, для какой области состояний и для какой модели осуществляется прогноз — для всей генеральной совокупности машин и различных условий эксплуатации или для конкретных условий (см. гл. 4, п. 4). Если необходимо учитывать вариацию условий и режимов экс­плуатации, то надо знать их характеристики (законы распреде­лений) при назначении условий испытаний, например по методу, изложенному в гл. 11, п. 2.

При выборе метода испытаний на надежность, как правило, конкурируют две возможности получения быстрейшей информа­ции — за счет ускоренных испытаний или за счет дополнения обычных испытаний прогнозированием. При испытании сложных изделий на параметрическую надежность во многих случаях большее искажение результатов будет из-за форсирования режимов и условий работы машины, чем за счет прогнозирования хода процесса.

При большой трудоемкости испытаний информацию о потере работоспособности, полученную уже на первой стадии испытаний, следует использовать для построения формализованной модели отказа сложного изделия. На этой основе можно осуществить моделирование, например, с применением метода статистических испытаний (см. гл. 4, п. 4). Моделирование позволяет с помощью ЭВМ получить оценку надежности за сравнительно короткий срок с учетом разнообразных режимов и условий работы изделия.

Моделирование сложных систем представляет собой самостоя­тельную область [21 ], имеющую большую перспективу для оценки надежности машин и комплексов. Модель должна отражать ре­альные физические процессы, происходящие в изделии при его эксплуатации, имитировать их развитие. Для построения мо­дели необходимо иметь априорную информацию по испытаниям или исследованиям свойств объекта или его частей с последую­щим уточнением ее вида и самих результатов моделирования. При моделировании применяются математические, физические, комбинированные и другие модели. Математическая модель уста­навливает зависимость между входом системы (режимы, условия эксплуатации, внешние воздействия) и ее выходом (параметры, характеризующие работоспособность системы).

В этом случае физическая модель исключается из сферы ис­следования и служит лишь источником информации для опреде­ления параметров модели и уточнения ее вида, а само моделиро­вание осуществляется на ЭВМ.

Варьируемыми факторами являются давления на входах в двигатель по линиям горючего и окислителя, температуры ком­понентов топлива, давление в камере сгорания и др. Искомые коэффициенты определяются из натурных испытаний с примене­нием методов факторного планирования [2191, а затем осуществ­ляется моделирование на ЭВМ. Такой метод позволил оценить область работоспособности и состояния при различных режимах работы изделия и определить запас надежности по данному пара­метру.

Для моделирования параметрической надежности необходимо установить зависимость, аналогичную (7), но описывающую ско­рость изменения выходного параметра в функции процессов ста­рения, т. е. оценить изменение входных параметров во вре­мени Z_t (г). Эта задача отличается большой сложностью и может быть решена, опираясь на закономерности процессов поврежде­ния и их влияния на выходные параметры изделия

5 . Испытания по методу экстремального уровня. Определение закона рассеивания времени достижения выходным параметром предельного состояния f (t), который является полной характе­ристикой надежности изделия (по данному параметру), даже при применении методов прогнозирования и моделирования, сопря­жено с весьма трудоемкими испытаниями, которые часто вообще невозможно осуществить в желаемом объеме.

Однако во многих случаях, особенно, когда объектом служит изделие с высокими требованиями к его надежности, нет необхо­димости выявлять всю область существования параметров и ее изменение во времени. Необходимо в первую очередь оценить те экстремальные условия эксплуатации, а также состояния машины, при которых имеется наибольшая вероятность достиже­ния выходными параметрами предельных значений.

Обычно взятая для испытания машина представляет собой слу­чайную выборку в возможной совокупности изделий данного типа.

Полученные в результате испытания данные характеризуют одну из реализаций, находящуюся в некоторой неизвестной пока области состояний машины; по этой реализации нельзя судить о всей генеральной совокупности. Поэтому надо выявить не произ­вольную, а вполне определенную реализацию, которая позволила бы оценить пределы области состояний машины.

Такой реализацией будет изменение выходных параметров машины при экстремальных , условиях работы (рис.164). Она будет определять границу области состояний и определять запас надежности и его изменение в процессе эксплуатации. Испытание по выявлению границы области состояний назовем испытанием по экстремальному уровню.

Обычной ошибкой при испытании машины является такая ее подготовка, когда исследуемый объект имеет не только среднее, но лучшее состояние и значения начальных параметров, чем большая часть объектов, выполненных на заводе в соответствии с ТУ. Надо поступать наоборот — подготовить к испытанию машину, которая имела бы крайние (наихудшие) начальные пара­метры, но находящиеся в пределах ТУ.

Испытание по экстремальному уровню должно вестись при находящихся в допустимых пределах, но таких сочетаниях ре­жимов и условий работы машины, когда возникает наибольшая скорость изменения выходного параметра. Поэтому, с одной сто­роны, не будет форсирования нагрузок, с другой — создаются условия для потери работоспособности в наиболее короткое время.

Таким образом, для выбранного объекта испытания (можно иметь всего один или два объекта) устанавливаются экстремаль­ные условия испытания по следующим факторам:

а) по режимам работы (скорости, нагрузки, температуры) — выбираются максимальные из допустимых по условиям эксплуа- тации машины или наиболее тяжелые области (например, область возможных резонансных явлений) или их сочетание;

б) по условиям работы — осуществляется загрязнение масла или поверхностей трения, наложение вибраций, температурные воздействия и другие наибольшие для допустимых или существую- щих в эксплуатации значений;

в) по начальному состоянию машины — точность монтажа, раз- меры и форма элементов, зазоры в сопряжениях, жесткость узлов и другие параметры выполняются по крайним значениям (или с ве- роятностной оценкой экстремальных величин) в пределах допуска.

Первый этап испытания машины заключается в определении запаса надежности по выбранным выходным параметрам. Если этот запас незначителен (близок к единице), то необходимо из­менить ТУ на начальные характеристики объекта в сторону их ужесточения.

Дальнейшее испытание должно выявить процесс изменения выходных параметров. При установившемся процессе, особенно при линейном изменении параметров во времени, возможно про­гнозирование процесса потери работоспособности, что значи­тельно сократит период испытания.

Полученный при данном испытании ресурс будет минималь­ным, рассчитанным на наиболее тяжелые условия работы машины. Оценка среднего ресурса может быть проведена расчетом и при некоторых дополнительных исследованиях. Однако главный пока­затель, который дает гарантию успешной эксплуатации машины в любых условиях — это минимально допустимый ресурс, полу­ченный при испытании по методу экстремального уровня.

Для прогнозирования среднего ресурса необходимо оценить рассеивание выходных параметров в начальный период работы машины и определить математическое ожидание параметра Х₀ (см. рис. 164). Для этого следует провести испытание машины во всем диапазоне применяемых режимов и условий. Данное испыта­ние не является, как правило, продолжительным, так как отно­сится к начальному периоду работы машины и не ставит своей целью оценку изменения выходных параметров в результате мед­ленно протекающих процессов (износа).

Однако при испытании по методу экстремального уровня нет необходимости в выявлении всего закона f (X), а достаточно знать ту его часть, которая находится в пределах допустимой вероятности отказа F (X) = F (t) (рис. 164), так как для оценки безотказней работы изделия необходима именно эта часть кривой / (t).

Поэтому при известных законах распределения входных пара­метров при проведении серии испытаний производится выборка лишь из соответствующих зон экстремальных режимов. Получен­ные в результате испытания реализации относятся к тому участку закона- f (t), который определяет возможность отказа изделия.

Таким образом, сокращение длительности испытаний дости­гается здесь за счет направленного выбора лишь тех условий испы­тания, которые определяют формирование необходимой для оценки надежности зоны закона распределения.