4. Ускоренные испытания на надежность

Актуальность ускоренных испытаний. Сокращение времени на проведение испытаний на надежность является проблемой, имею­щей первостепенное значение с точки зрения экономии средств, идущих на испытания, и сокращения сроков освоения новых из­делий. Высокие требования надежности, предъявляемые к совре­менным машинам, приводят к тому, что доведение изделия до от­каза при режимах работы, соответствующих эксплуатационным, требует весьма длительных испытаний, гораздо больших, чем ус­тановленный для изделия ресурс. Если же требуются также стати­стические данные по наработкам до отказа, то часто организация таких испытаний становится практически неосуществимой.

При ускоренных испытаниях изделий применяются такие мето­ды и условия их проведения, которые обеспечивают получение не­обходимого объема информации в более короткий срок, чем в пре­дусмотренных условиях и режимах эксплуатации (ГОСТ 16504-74). Различают форсированные испытания, основанные на интенсифика­ции процессов, вызывающих отказы или повреждения, и сокращен­ные испытания без интенсификации этих процессов.

Трудность разработки методов ускоренных испытаний заклю­чается в том, что всякая интенсификация процессов разрушения или старения приводит к искажению истинной картины потери изделием работоспособности .

Перед исследователем всегда встает вопрос—возможно ли на основании этих искаженных данных сделать суждение о по­ведении изделия в нормальных условиях эксплуатации, и если да, то как осуществить оценку надежности изделия?

Обычно положительный ответ на данный вопрос связан с объектом испытания, с его сложностью и теми задачами, кото­рые ставятся при испытании. При испытании стойкости материалов и надежности простых из­делий с одним ведущим процессом повреждения имеется, как пра­вило, больше возможностей для форсирования испытаний, чем для сложных изделий. Чем сложнее изделие, тем большее число его эле­ментов работает в различных динамических условиях и форсиро­вание процесса потери изделием работоспособности по-разному скажется на изменении состояния отдельных его частей и тем боль­ше будет искажение общей картины потери машиной работоспо­собности по сравнению с нормальными условиями эксплуатации.

Возможность проведения ускоренных испытаний осложняет­ся еще тем, что реальные условия нагружения любой машины при ее эксплуатации характеризуются спектром нагрузок веро­ятностной природы.

Поэтому при разработке методов проведения ускоренных ис­пытаний необходимо учитывать следующее:

• изменение условий испытания по сравнению с эксплуатацион­ными должно находиться в пределах, допускающих пересчет на нормальные условия работы изделия;

• при планировании режимов испытаний необходимо знать спектр эксплуатационных нагрузок и его вероятностные ха­рактеристики;

• чем сложнее изделие, тем меньше возможностей по интенси­фикации процессов, приводящих к отказам и повреждениям;

• испытание сложных изделий необходимо сочетать с расчета­ми и прогнозированием надежности, а также с использовани­ем априорной информации о надежности аналогов и комплек­тующих изделий.

Эффективность ускоренных испытаний можно охарактеризовать коэффициентом ускорения К_у, равным отношению вре­мени Т_у затраченному на получение требуемой информации о надежности при испытаниях в условиях, аналогичных эксплуатационным, ко времени Ту, в течение которого эта информация получена методом ускоренных испытаний:

Сокращенные испытания. Сокращение длительности испыта­ний без интенсификации процессов старения и разрушения мо­жет быть достигнуто различными методами.

Наиболее простой метод заключается в уплотнении испыта­ний по времени — в сокращении холостых ходов и простоев, в круглосуточной непрерывной работе изделия и т.п. Однако ис­пользовать этот простой метод ускорения испытаний можно только после анализа влияния перерывов в работе изделия на интенсивность процесса разрушения. Здесь могут встретиться различные случаи. Например, увеличение частоты циклов на­грузки при усталостных разрушениях в большинстве случаев не влияет на конечный результат, в то время как при изнашивании деталей наличие перерывов в работе может как увеличивать из­нос (например, при жидкостном трении в подшипниках сколь­жения), так и уменьшать его (например, при эксплуатации ме­таллорежущего инструмента, при перерывах в работе он охлаж­дается). Если при испытаниях ликвидированы все холостые ходы Т_х и имеет место непрерывная работа Т_р то:

Сокращение длительности испытаний будет также при одно­временном испытании возможно большего числа изделий, что до­стижимо для сравнительно простых изделий.

Для быстрейшего получения информации о надежности сложных машин без искажений условий эксплуатации часто выделяют лидера (применяемый в авиации термин) — машину, которая эксплуатиру­ется непрерывно в заданных, как правило, наиболее тяжелых усло­виях. При испытании производят измерение всех ее основных пара­метров и характеристик. В результате такого испытания данные о надежности машины-лидера накапливаются значительно быстрее, чем для аналогичных машин, находящихся в эксплуатации.

Непрерывные испытания лидера приводят к более быстрому накоплению информации об изменении выходного параметра X, чем при испытании с наличием перерыва в работе.

Трудности для суждения о надежности всей генеральной со­вокупности машин заключаются в том, что испытываются одна- две машины, которые обладают индивидуальными особенностя­ми, и методы статистики здесь неприменимы.

Уплотнение испытаний по времени не искажает в большинстве случаев процесса потери изделием работоспособности, но дает за­метный эффект лишь для тех изделий или их элементов, которые мало загружены в процессе нормальной эксплуатации. Напри­мер, механизм подъема и опускания токоприемника работает только при пусках и остановках электровоза, система управления быстродействующим выключателем — при пусках и остановках, а также при возникновении аварийных режимов, что занимает незначительную долю в балансе рабочего времени электровоза.

Все эти устройства испытываются в режиме непрерывной ра­боты, что позволяет за сравнительно короткое время получить необходимую информацию об их надежности без интенсифика­ции процессов повреждения. Поэтому такие узлы и механизмы целесообразно испытывать отдельно от машины.

Однако для многих устройств с высокой загрузкой при эксп­луатации (например, устройства СЦБ работают круглосуточно) п для механизмов, работающих в течение основного времени цикла машины — колесные пары, экипажная часть, указанный метод ускорения не пригоден.

При испытании сложных изделий сокращенные испытания проводятся только для некоторых характеристик надежности, например запаса надежности. В этом случае испытание изделия сводится к оценке его области состояний без определения ее из­менения в процессе эксплуатации. Поэтому время, затрачиваемое на испытание изделия, включает лишь оценку его работоспособ­ности при различных режимах и условиях работы и не учитыва­ет процессов старения. Для более полного суждения о надежно­сти изделия здесь необходимо прогнозирование процесса изме­нения выходных параметров или моделирование этих процессов.

Достоинство перечисленных методов — малое искажение тех явлений, которые имеют место в машине при ее эксплуатации. Однако достоверность суждений о надежности изделий в сильной степени зависит от правильности построения модели отказов и от совершенства методов прогнозирования и моделирования.

Форсирование режимов испытания. Применение при испыта­нии более высоких нагрузок, скоростей, температур и других режимов работы изделия по сравнению с эксплуатационными интенсифицирует процессы повреждения и ускоряет наступле­ние отказа.

Однако этот метод ускоренных испытаний следует применять весьма осторожно, так как работа изделия при форсированных режимах может вызвать новые явления в процессах старения и разрушения, не характерных для применяемых условий эксплу­атации, и качественно изменить картину отказов. В этом случае приведение показателей надежности к нормальным условиям ра­боты изделия будет иметь формальный характер и может выз­вать грубые ошибки.

Форсирование режимов допустимо лишь в пределах извест­ного закона старения или разрушения материала изделия .

Предельные значения факторов, ускоряющих процесс, долж­ны выбираться, в первую очередь, исходя из условия сохране­ния физической природы отказа, т.е. чтобы вид и характер раз­рушения при нормальной эксплуатации и при работе на повы­шенных режимах были идентичны. Для определения коэффици­ента ускорения надо знать функциональную зависимость процес­са разрушения от данного параметра (скорости, нагрузки).

Например, при испытании изделий, которые выходят из строя в результате износа, для форсирования испытаний можно увели­чивать нагрузку р и скорость относительного скольжения ν.

Максимально допустимые значения p_mах и v_max определяют­ся условием сохранения данного вида изнашивания.

При линейной зависимости износа от р и v коэффициент уско­рения будет:

Обычно испытание при форсированных режимах более эффек­тивно для оценки стойкости материала к тому или иному виду разрушения и при знании закономерностей этого процесса.

Так, широко применяются методы испытания образцов на вы­носливость (усталость) с использованием известного уравнения, связывающего число циклов до разрушения N с действующим на­пряжением σ(уравнение кривой Велера):

Поэтому испытание при повышенных напряжениях приводит к сокращению числа циклов до разрушения. При известной кон­станте (для контактных напряжений обычно т = 3) возможен пересчет с более тяжелого режима работы σ₁ на облегченный с более высоким значением N₂>N₁ (в пределах ниспадающей ветви кривой усталости).

Существуют различные методы ускоренной оценки пределов выносливости, например метод ступенчатого нагружения (ГОСТ 19533-74).

Различные методы форсирования нагрузок при испытании ма­териалов и изделий часто базируются на принципах линейного накопления повреждений и независимости последующего израс­ходования ресурсов от предыстории .

На этом основан, например, так называемый «метод дола­мывания», когда вначале к объекту испытания прикладывается эксплуатационная нагрузка Р_н и он работает в течение некото­рого времени Т₁. Затем образец работает при повышенной на­грузке P_mах до тех пор (в течение времени Т₂), пока не достиг­нет предельного состояния (т. е. он «доламывается» на повы­шенных нагрузках). Поэтому время Т₁ задано, а период време­ни Т₂— случайная величина с математическим ожиданием М(Т₂). Суждение о работе до предельного состояния Т_н при эксплуатационной нагрузке можно сделать из условия, что при каждом режиме работы используется какая-то доля потенциаль­ной долговечности объекта (образца). Поскольку в результате испытания объект полностью теряет свою работоспособность, можно записать:

где М(Т_тах) — средняя наработка до отказа образца при действии толь­ко повышенной нагрузки Р_mах.

Из этого равенства определяется значение Т_н (его математи­ческое ожидание), поскольку все остальные величины известны из кратковременных испытаний.

В ряде случаев применим метод экстраполяции, если предпо­ложить, что имеется функциональная (обычно линейная) зависи­мость между нагрузкой и временем работы до отказа. Тогда проводят испытания при повышенных нагрузках Р₁, Р₂, ..., Р_k, соединяют наработки на отказ при каждом уровне нагрузок и продолжают линию до пересечения с абсциссой, соответствую­щей нормальной (эксплуатационной) нагрузке Р_н. Считают, что значение Т_н соответствует наработке на отказ при эксплуатаци­онных нагрузках. На точность метода значительное влияние оказывает значение максимальной нагрузки Р₁ = Р_тах, диапазон применяемых нагрузок и близость Р_к = Р _min к значению Р_к. Чем больше точность метода за счет увеличения числа испытаний и приближения Р_к к Р_H тем меньше эффект от форсирования.

При испытании сложных изделий форсирование нагрузок и скоростей приводит к неравномерному ужесточению условий работы отдельных элементов и поэтому искажает общую карти­ну потери изделием работоспособности. В этом случае часто ориентируются лишь на отдельные узлы и детали, находящиеся в наиболее напряженных условиях работы и в основном опре­деляющие надежность изделия — так называемые критичные де тали. По процессам старения, протекающим в этих деталях, су­дят о характеристиках надежности изделия.

Если же нельзя выделить такие детали и нужно испытать изделие в целом, то форсирование режимов допустимо обычно лишь в пределах диапазона допускаемых нагрузок, т.е. применяются не средние или типовые режимы, а экстремальные. Таким образом, здесь понятие «форсирование режимов» носит условный характер и ускорение испытаний будет иметь место лишь по отношению к номинальным (средним) режимам эксплуатации машины.

Ужесточение факторов внешней среды. Ужесточение факторов внешней среды способствует существенному сокращению време­ни испытания. Так, насыщение абразивом среды, в которой про­исходит износ трущихся пар, применение более агрессивных, чем при обычных условиях работы, сред при коррозионных испы­таниях, наложение вибраций на испытываемое изделие, повы­шенные радиационные, биологические и другие воздействия су­щественно интенсифицируют процессы разрушения материалов.

Ужесточение условий при испытании как материалов, так и изделий часто используют для ускорения получения необходи­мой информации, особенно о стойкости материалов. Например, при испытании материалов на абразивное изнашивание приме­няют подачу абразивной смеси в зону трения (при сухом трении) или производят погружение образцов в ванну со смазкой, в ко­торой находится во взвешенном состоянии абразив. Это значи­тельно ускоряет износ. Наибольшее абразивное воздействие на материал происходит при его трении об абразивную шкурку при постоянном изменении зоны контакта.

При ускоренных испытаниях на абразивное изнашивание не образцов, а отдельных узлов и механизмов часто создают усло­вия для более легкого попадания абразива на поверхность тре­ния. Например, при испытании автомобильных и тракторных двигателей специально загрязняют масло или снимают воздухо­очиститель, агрегаты очистки и охлаждения масла. В процессе испытания производят подачу в определенной концентрации ныли в засасываемый воздух и в масло. В результате испытания определяется износ гильз цилиндров, поршневых колец и дру­гих сопряжений.

Создания условий, при которых процессы, приводящие к по­зере работоспособности, интенсифицируются, могут еще в большей степени, чем повышение нагрузок и скоростей, исказить физическую картину отказа. Поэтому данным методом ускоре­ния надо пользоваться с большой осторожностью и лишь в тех случаях, когда известны закономерности, описывающие влияние отдельных факторов .

Часто испытания, связанные с усилением влияния окружаю­щей среды, используются для сравнительных испытаний на на­дежность с целью выявления более стойких конструкций и мате­риалов. Однако и здесь надо учитывать, что ряд материалов, рас­положенных по возрастанию стойкости к тому или иному воз­действию, может изменить последовательность их расположения при испытании в нормальных и в ужесточенных условиях. Это значит, что если одному материалу отдано предпочтение перед другим на основе испытаний в ужесточенных условиях, то ре­зультаты эксплуатационных исследований могут опровергнуть этот вывод.

Таким образом, форсирование режимов и ужесточение усло­вий испытания должно проводиться только на базе тщательного анализа физической природы отказов и разработки на основании этого моделей подобия для возможности пересчета на нормаль­ные условия эксплуатации