Кафедра электротехники и электрических машин Лекция № 6 по дисциплине «Надежность электрооборудования предприятий и учреждений»

для студентов направления подготовки:

13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Тема № 6. Испытания на надежность.

Краснодар 2015 г.

Цели: 1. Формирование следующих компетенций:

1. ПК-7. Готовность обеспечивать требуемые режимы и заданные параметры технологического процесса по заданной методике.

2. ПКД-2. Способность проводить экспериментальные исследования в профессиональной области и обрабатывать результаты экспериментов.

2. Формирование уровня обученности:

должны знать основы методов обеспечения требуемых режимов и заданных параметров технологического процесса по заданной методике.

Материальное обеспечение:

Проектор, ПК.

Учебные вопросы

Вводная часть.

Основная часть:

1. Классификация видов и методов испытаний.

2. Планы испытаний на надежность.

3. Испытание стойкости материалов.

4. Ускоренные испытания на надежность.

Заключение.

Литература

1. Шишмарев, В.Ю. Надежность технических систем [Текст]: учеб. для вузов / В.Ю. Шишмарев. – М.: Академия, 2010. – 304 с. 2. Александровская, Л.Н. Современные методы обеспечения безотказности сложных технических систем: Учебник / Л.Н. Александровская, А.П. Афанасьев, А.А. Лисов. – М.: Логос, 2013. – 208 с.

ИСПЫТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ

1. Классификация видов и методов испытаний

Цель испытаний на надежность. Основная цель испытаний на надежность — определить уровень надежности изделия и оценить его числовые показатели . Знание уровня надежности изделия н его зависимости от основных факторов позволит решить широкий круг вопросов, таких как подтверждение установленных характеристик надежности, выявление слабых мест изделия и разработка мероприятий по повышению его надежности, применению рациональной системы ремонта и ТО машины, определение эффективности и экономической целесообразности дальнейшей эксплуатации машины, а также произвести проверку расчетов и прогнозов, выполняемых при проектировании изделия, и оценить качество технологического процесса его изготовления.

Цель испытаний на надежность зависит от того, на каком этапе «жизненного цикла» ЭПС (проектирование, изготовление, эксплуатация) они проводятся.

В отечественной практике проектированию предшествует «заказ» — договор на создание опытного образца, а в дальнейшем установочной и промышленной серии ЭПС. В него обязательно включаются требования к надежности. Поэтому уже на первом этапе жизненного цикла (проектирование) решаются задачи создания конструкции деталей, узлов и агрегатов, надежность которых обеспечит соответствие нового локомотива заданным требованиям.

За расчетным этапом стадии проектирования следует этап определительных испытаний макетных образцов, корректировка конструкции, создание опытного образца, вновь испытания (контрольные, очные, квалификационные), формирование ТУ на поставку, выпуск и приемочные (а возможно и сертификационные), эксплуатационно-ремонтные испытания опытной партии, «доводка» конструкции по результатам таких испытаний, выпуск установочной, а затем и промышленной серии ЭПС. По результатам испытаний на этой стадии решаются задачи достоверной оценки фактических значений заданных по-

В 2000 г. МПС России поручил именно ОЦВ разработку АСУТ. В ОЦВ был создан отдел АСУТ, в котором трудятся программисты, не только разрабатывающие программное обеспечение АСУТ, но и координирующие разработки других коллективов, работающих над АСУТ.

ЦУП. На сети железных дорог созданы региональные центры управления перевозками (ЦУП), которые, управляя локомотивами и вагонным парком, имеют автоматизированную базу данных о переходах каждого локомотива из одного состояния в другое, об отказах, проявившихся в пути следования, о вызванных отказами отцепках локомотивов от транзитных поездов (с последующим заходом на ПТОЛ или в депо для восстановления работоспособности). В «Анализах», составляемых ЦУПом, отказы распределены по видам локомотивного оборудования. Данные о количестве таких отказов более достоверны, чем отчеты депо о неплановых ремонтах.

ДЦВ. Для ускорения внедрения перспективных технологий на дорогах в 2000 г. МПС России приняло решение о создании дорожных центров внедрения новой техники и технологий (ДЦВ). Под руководством ОЦВ такие центры созданы и успешно функционируют. ДЦВ принимают активное участие в разработке и внедрении АСУТ. Особо следует отметить ДЦВ Красноярской железной дороги, являющийся одним из основных соисполнителей разработки и внедрения АСУТ.

ГВЦ и ИВЦ. Для сопровождения программного обеспечения АСУЖТ России создан главный вычислительный центр (ГВЦ), а по сети дорог — дорожные информационно-вычислительные центры (ИВЦ). На ряде дорог имеются вычислительные центры и в отделениях дорог. ГВЦ и ИВЦ — эксплуатационные организации. Но вычислительные центры традиционно имеют группы разработчиков, многие из которых занимаются и задачами локомотивного хозяйства. ИВЦ играют важную роль в разработке и во внедрении АСУТ на дорогах.

Дорожные технологические организации. В 80-е гг. XX в. на железных дорогах были созданы конструкторско-технологические бюро (ДКТБ), сыгравшие важную роль в техническом перевооружении дорог, внедрении прогрессивных технологий. В кризисные времена середины 90-х ДКТБ были расформированы и преобразованы в другие организации и лаборатории, перешли в состав ИВЦ, служб и др. Тем не менее, коллективы и их наработки сохранились на многих дорогах. Одна из них — Красноярская железная дорога, где в ДКТБ осуществлялась разработка целого комплекса АРМ локомотивного хозяйства, до сих пор успешно эксплуатируемого на дороге. Часть коллектива ДКТБ теперь трудится в службе технической политики Красноярской железной дороги, являющейся одной из самых сильных но сети дорог.

На Западно-Сибирской железной дороге создана лаборатория информационных технологий при службе локомотивного хозяйства. В лаборатории разработан комплекс АРМ локомотивного депо. Программы оперативного управления локомотивными бригадами используются в АСУТ. Лаборатория входит в состав филиала ПКБ ЦТ.

На ряде дорог имеются лаборатории вычислительной техники. Например на Забайкальской железной дороге при депо Чита имеется лаборатория информационных технологий, принимающая активное участие во внедрении АСУТ.

В Омске (Западно-Сибирская железная дорога) в конце 80-х гг. создано малое предприятие «Транспорт», в дальнейшем переросшее в проектно-конструкторское бюро и еще позже — в институт. «Транспорт» разрабатывает и внедряет целый комплекс автоматизированных систем. Наиболее известные из них — это диагностические комплексы «Кипарис», «Прогноз» и др. В Омске работает лаборатория, разрабатывающая и выпускающая диагностические комплексы «Доктор».

Учебные заведения. Вузы страны традиционно принимают активное участие в разработке информационных технологий для локомотивного хозяйства. Например, в МИИТе на кафедре «'Электрическая тяга» разработана комплексная система управления надежностью тягового подвижного состава, разрабатываются автоматизированные системы управления, в том числе диагностические комплексы. На кафедре «Локомотивы и локомотивное хозяйство» разработана автоматизированная система реостатных испытаний локомотивов.

На стадии эксплуатации ЭПС задачи в области надежности несколько иные, поскольку конструкцию локомотива и материалы, из которых он изготовлен, эксплуатирующая организация в общем случае менять не должна. В течение этого периода главное — мониторинг надежности, выявление причин несоответствия уровня эксплуатационной надежности уровню надежности конструкционной, «заложенной» при создании локомотива, проведение факторного анализа, оценка влияния новых технологий на надежность, необходимая корректировка нормативов периодичности и объемов ТО, ремонтов, регламентов осмотра и восстановления, применяемых средств контроля, методов послеремонтных испытаний и т.д.

Испытания на надежность любого, а тем более сложного изделия являются весьма трудной задачей, поскольку они связаны со значительными затратами времени и должны учитывать широкий диапазон режимов и условий работы изделия. Результаты испытания, как правило, дают сведения о надежности изделий данного типа с большей или меньшей полнотой и степенью достоверности и позволяют получить одну из следующих характеристик.

1. Законы распределения сроков службы (наработки) до отказа по каждому из выходных параметров изделия с учетом условий и режимов его работы. Эта характеристика является наиболее полной и позволяет определить все необходимые показатели надежности и, в первую очередь, вероятность безотказной работы за данный период времени P(t = Т). Однако получение законов распределения f(t) хотя и является весьма желательным, обычно трудно осуществимо. Оно требует большого статистического материала, который связан с длительными испытаниями и большими материальными затратами. Законы распределения могут быть практически получены лишь для простых изделий или образцов.

2. Случай, когда определены отдельные параметры законов распределения или получены данные, неполно характеризующие эти законы, является типичным результатом испытания на надежность. многих объектов. Например, может быть определена вероятность безотказной работы изделия в течение заданного периода времени.

по остается неизвестной характеристика безотказности для более длительного периода работы изделия, или закон распределения сроков службы и его параметры определены лишь с некоторой степенью достоверности. По этой ограниченной информации также надо сделать заключение об уровне надежности изделия.

3. Сложность и продолжительность испытаний может привести к невозможности оценки изменения выходных параметров изделия во времени. В этом случае показателем может служить запас надежности по каждому из параметров, который хотя и не связан со временем, но дает определенную информацию о надежности изделия. В сочетании с методами прогнозирования эти результаты испытаний могут быть использованы для определения уровня надежности изделия.

4. Наконец, во многих случаях из-за сложности задачи вообще невозможно оценить уровень надежности изделия в абсолютных значениях, а лишь сравнить его в относительных показателях применительно к прототипу или аналогичным изделиям. Испытание может дать ответ на вопрос, во сколько раз, например, возрастает безотказность или долговечность нового изделия, работающего в аналогичных условиях, что и прототип, но не позволяет судить о действительном уровне надежности изделия.

Таким образом, в результате испытаний на надежность могут ныть получены как полные характеристики изделия, позволяющие решить все основные задачи надежности, так и ограниченные данные, которые могут быть использованы лишь в сочетании с методами расчета и прогнозирования .

При планировании и проведении испытаний всегда борются дне противоположные тенденции: желанию получить наиболее полную характеристику надежности препятствуют длительность и стоимость испытания. Для высоконадежных изделий часто никакие затраты не могут ускорить получение информации о показателях надежности, и фактор времени является основным критерием при выборе метода и объема испытаний на надежность.

Виды испытаний на надежность. Информация о надежности может быть получена не только в результате испытаний, но и из сферы эксплуатации путем сбора и классификации соответствующих данных. В данной главе рассматриваются лишь специально проводимые испытания на надежность, которые могут быть исследовательскими, проводимыми для изучения факторов, влияющих на надежность, и контрольными, цель которых —оценка уровня надежности данного изделия (ГОСТ 16504-74). В зависимости от места проведения испытания могут быть стендовыми, полигонными и эксплуатационными.

Стендовые испытания обеспечивают постоянное наблюдение за процессом потери работоспособности машиной, узлом или сопряжением и дают возможность получать необходимые сведения о надежности и долговечности объекта испытаний.

На стендах испытываются как отдельные узлы и механизмы машины, так и машина в целом. При разработке методики испытаний нужно стремиться к тому, чтобы режимы и условия испытаний в наибольшей степени соответствовали эксплуатационным.

Наибольшая трудность при испытаниях на надежность и долговечность заключается в длительности их проведения. Стендовые испытания продолжаются обычно до тех пор, пока не возникнет отказ или пока изделие не проработало заданного срока без отказа.

Поскольку сроки службы деталей и узлов современных машин достаточно велики, то во многих случаях приходится проводить испытания в более тяжелых условиях, чем нормальные условия эксплуатации.

Эксплуатационные и полигонные испытания опытных и серийных образцов машин широко применяются для получения данных о надежности и долговечности изделий. При этом стремятся создать наиболее тяжелые условия эксплуатации, чтобы проверить работоспособность всех узлов и механизмов. Так, опытные образцы ТПС перед их серийным производством испытывают на специально построенных испытательных участках железных дорог, например, на испытательном кольце ВНИИЖТа в г. Щербинка Московской обл. Эксплуатационные испытания (ГОСТ 17509-72) позволяют выявить недолговечные элементы машины, правильность взаимодействия узлов и механизмов и их работоспособность в реальных условиях функционирования.

Эксплуатационные испытания образцов ЕТПС проводятся в депо в условиях рядовой эксплуатации и обычно длятся около года, что позволяет получить данные о надежности локомотивов на период от постройки до первого ТР-2.

Недостатком таких испытаний является, во-первых, не всегда достижимая длительность испытания, соответствующая реальным условиям эксплуатации (например, опытный образец тягового двигателя нельзя испытывать 15—20 лет), и, во-вторых, результат испытания, характеризующий параметры надежности избранного объекта (индивидуальная надежность), не дает представления о дисперсии сроков службы и даже об их средних знамениях для данной модели машины.

Поэтому большое значение имеют ускоренные испытания, при которых необходимый объем информации о надежности получается в более короткий срок, чем при нормальных условиях и режимах эксплуатации. При проведении контрольных испытаний на надежность в ряде случаев рекомендуют их подразделять на испытания на безотказность, ремонтопригодность, сохраняемость и долговечность (ГОСТ 20699-75).

Испытания изделий на безотказность сводятся к контролю вероятности безотказной работы за заданное время или к определению наработки на отказ (средней наработки до первого отказа). Испытания на ремонтопригодность (ГОСТ 19489-74) обычно проводятся дни определения среднего времени восстановления или вероятность восстановления работоспособности изделия за заданное время. Испытания на долговечность предназначаются для контроля среднего или гамма-процентного ресурса. Испытания на сохраняемость предусматриваются для контроля вероятности сохранения работоспособного состояния изделия в течение заданного срока. Часто требуется информация обо всех основных показателях надежности изделия, и проведенные контрольные испытания (ГОСТ 27.410-87) должны одновременно дать сведения о безотказности, долговечности, сохраняемости, ремонтопригодности и других показателях.

Объект испытания на надежность. Объектом испытаний могут быть:

• образцы, если испытываются свойства материалов, определяющие долговечность изделий (испытания на износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и т.п.);

• детали, сопряжения и кинематические пары — для учета влияния конструкционных и технологических факторов на срок службы данных сопряжений (испытание подшипников, зубчатых колес, направляющих, шарниров и т.п.);

• узлы машины, когда учитывается взаимодействие отдельных механизмов и элементов конструкции и их влияние на показатели работоспособности (испытание редукторов, двигателей, гидроагрегатов, систем управления, отдельных функциональных узлов ТПС);

• локомотив в целом, когда учитывается взаимодействие всех механизмов и узлов в ЕТПС, условия ее эксплуатации и режимы работы.

Таким образом, объектом испытания могут быть разнообразные изделия от очень простых, обладающих однородными свойствами и одним или несколькими выходными параметрами, до сложных машин и комплексов, а также специально изготовленные модели (изделие или его часть, выполненные в масштабе) или макеты (упрощенное воспроизведение изделия или его части). Методика испытаний на надежность и их объем зависят от сложности изделия и его специфических особенностей.

Характеристики, оцениваемые при испытании на надежность. Могут быть две основные группы характеристик изделия, которые являются объектом измерения и оценки при испытании на надежность.

1. Характеристики процессов старения и разрушения и определение соответствующей им степени повреждения изделия. Так, при испытании изучается протекание процессов изнашивания, коррозии деформации, усталостных разрушений, нагарообразования и других, которые являются основной причиной потери изделием работоспособности.

2. Характеристики изменения выходных параметров изделия (точности, КПД, мощности, силы тяги, скорости, несущей способности и т.д.), выход которых за допустимые пределы приводит к отказу. Хотя изменения параметров изделия и являются следствием процессов повреждения, но они могут зависеть oт нескольких процессов, с невыявленными функциональными связями и, в первую очередь, интересовать практику.

Оценка процессов повреждения или выходных параметров изделия или того и другого вместе зависит от объекта испытания и поставленных задач. В общем виде можно отметить, что чем сложнее объект испытания, тем большая доля общего объема испытаний приходится на оценку выходных параметров.

При испытании материалов исследуются те процессы, которые приводят к его разрушению или изменению свойств. Для деталей и сопряжений кроме процессов повреждения определяются, как правило, и их выходные параметры — точность движения (вращения), изменение взаимного положения (износ сопряжения), коэффициент трения и др.

Для механизмов узлов и тем более машин основным объектом измерения являются их выходные параметры. Процессы повреждения уже исследовались и оценивались при испытании отдельных элементов и узлов машины. При испытании всей машины процессы повреждения обычно регистрируются лишь для наиболее ответственных элементов, в основном определяющих работоспособность сложного изделия, например износ подшипников, зубчатых колес и т.д.

Задачи испытания и объекты измерения должны быть указаны в разрабатываемых для каждого случая методике и плане испытаний— совокупности правил для осуществления заложенных принципов, устанавливающих порядок проведения испытаний и критерии их прекращения.

Испытания опытных и серийных образцов. При проведении испытаний на надежность необходимо распределять их объем между опытным и серийным производством машины, установить основные виды испытаний и так спланировать их последовательность, чтобы быстрее получить необходимую информацию и внести соответствующие изменения в конструкцию изделия. Исходя из принципа скорейшего получения информации о надежности, максимум испытаний и исследований должно проводиться в период опытного проектирования и изготовления опытного образца изделия. Однако, как правило, этих испытаний оказывается недостаточно, так так при проведении испытания одного опытного образца изделия можно случайно получить такие результаты по надежности, которые не будут отражать действительной картины. Поэтому исследования проводятся также в процессе подготовки производства и в ходе серийного изготовления машины, тем более что технологический процесс изготовления опытного образца изделия всегда отличается от серийного, что не может не повлиять на показатели качества и надежности изделий. Кроме того, при испытании на надежность серийных образцов должно быть учтено следующее:

• экспериментально проверены те конструкционные изменения, которые внесены в машину в результате отработки на макете;

• расширены и углублены исследования условий и режимов работы элементов конструкции в реальных условиях эксплуатации, так как на опытном образце эти исследования, как правило, проводятся в небольшом объеме;

• выявлены причины отказов изделий в процессе производственных проверок и при эксплуатации первых экземпляров.

В процессе конструкционной доводки сложных машин обычно вначале проводятся лабораторные испытания на надежность (ресурсные испытания) элементов конструкции и отдельных систем.

В лаборатории прочности и надежности проводятся статические и динамические испытания узлов, деталей, систем, агрегатов и изделий в целом с целью определения общих запасов прочности силовых элементов; вибрационные и усталостные испытания деталей, узлов, систем, агрегатов с целью определения ресурса; испытания на износ отдельных сопряжений и механизмов; испытания на параметрическую надежность, при которых оценивается точность функционирования, динамические параметры, КПД и другие характеристики работоспособности узлов изделия и их изменение во времени.

Последний вид испытаний является, как правило, наиболее сложным и трудоемким. Это усугубляется тем, что часто необходимо исследовать поведение элементов систем при высоких и низких температурах, повышенной влажности и запыленности, при вибрациях, различных механических и электрических перегрузках и т.д.

После лабораторных испытаний проводятся комплексные испытания надежности (ресурса) систем на натурных стендах и эксплуатационные испытания машины.

Первые промышленные образцы машин (одно или несколько изделий) подвергаются эксплуатационным испытаниям на надежность. В процессе этих испытаний определяются технический ресурс и другие показатели надежности изделия, а также его эксплуатационные характеристики. Одновременно ведутся исследования условий и режимов работы всех комплектующих агрегатов и приборов для уточнения их технических условий и разработки методик и программ входного контроля.

Работы по повышению качества и надежности машины не заканчиваются с освоением ее серийного производства и продолжаются в течение всего периода производства и эксплуатации, когда более широко используется информация об отказах изделий, выявленных в процессе эксплуатации.

Следует иметь в виду, что на практике имеют место расхождения в оценке надежности, определенной на основании испытания изделия, и реального уровня надежности, полученного в процессе эксплуатации. Причины этих расхождений должны быть выявлены. Они связаны либо с испытанием (недостаточность данных, неправильная методика испытаний), либо с методами эксплуатации (нарушаются установленные ТУ или режимы работы, машина эксплуатируется в условиях, для которых не предназначена, не соблюдается система ремонта и ТО). Правильно построенные испытания могут дать объективную характеристику уровня надежности не только испытываемого образца, но и всей совокупности изделий данного типа.