Статистические исследования наземного транспорта. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Институт транспортной техники и систем управления

Кафедра «Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы»

Л.А. СЛАДКОВА А.Н. НЕКЛЮДОВ

СТАТИСТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАЗЕМНОГО ТРАНСПОРТА

Учебное пособие

для направлений подготовки 15.03.01 «Машиностроение», 15.03.06 «Мехатроника и робототехника, 15.04.06 «Мехатроника и робототехника», 23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, 23.04.02 «Наземные транспортнотехнологические комплексы; 23.05.01 «Наземные транспортно-технологические средства»

МОСКВА - 2019

УДК: 620.1

С 47

Сладкова Л.А., Неклюдов А.Н. Статистические исследования наземного транспорта: Учебное пособие – М.: РУТ

(МИИТ), 2019. – 59 с.

Учебное пособие содержит теоретические сведения по теории испытаний транспортных средств, включая локомотивы. Приведены примеры по определению среднего времени наработки на отказ, вероятности безотказной работы, используемых в теории испытаний и исследований наземных транспортно-технологических систем и комплексов и ориентированы на подготовку магистров и специалистов Института транспортной техники и систем управления по направлениям подготовки:

15.03.01, 15.03.06, 15.04.06, 23.03.03, 23.04.02, 23.05.01.

Цель учебного пособия – довести до обучающихся практические методы решения задач в процессе проведения испытаний на надежность в соответствии с Постановлением Правительства РФ «Об утверждении правил и методов исследований (испытаний) и измерений, необходимых для применения и исполнения технического регламента о безопасности колесных транспортных средств и осуществления оценки соответствия».

Рецензенты: к.т.н, начальник 11 кафедры «Баллистические ракеты» ВА РВСН имени Петра Великого,

полковник Чемусов А.В.; д.ф.-м.н., заведующий кафедрой физики ВА РВСН имени Петра Великого, профессор Средин В.Г.

© РУТ (МИИТ), 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

ВВЕДЕНИЕ

Для объяснения закономерностей развития явлений необходимо проведение исследований, а для проверки установленных заранее (например, ГОСТом) свойств или качеств объекта необходимо проведение испытаний.

Ответы на возникшие перед ученым вопросы он получает в результате правильно спланированного эксперимента и испытаний, грамотная его обработка, включающая оценку и анализ полученных результатов, позволяет сделать вывод о работоспособности изделия. Выбранный метод исследования и испытания представляет собой совокупность способов и приемов, обеспечивающих получение достоверных и воспроизводимых результатов для построения эмпирических или регрессионных зависимостей, представляющие собой модель, отражающую структуру и поведение реального объекта или процесса. При этом исследователь должен разработать научную или рабочую гипотезу, выбрать границы исследований (испытаний), которые не должны противоречить физической природе исследуемого процесса.

Цель учебного пособия – довести до обучающихся практические методы решения задач в процессе проведения испытаний на надежность в соответствии с Постановлением Правительства РФ «Об утверждении правил и методов исследований (испытаний) и измерений, необходимых для применения и исполнения технического регламента о безопасности колесных транспортных средств и осуществления оценки соответствия».

Учебное пособие ориентировано на подготовку магистров и специалистов по направлениям подготовки:

15.03.01, 15.03.06, 15.04.06, 23.03.03, 23.04.02, 23.05.01.

4

1. Методология и методика

Исследование – это изучение закономерностей развития явлений и их объяснение, а испытания – это проверка установленных заранее (например, ГОСТом) свойств или качеств объекта [1].

Ответы на возникшие перед ученым вопросы исследователь получает в результате правильно спланированного эксперимента и грамотной его обработки, которая включает оценку и анализ полученных результатов. Выбранный метод исследования представляет собой совокупность способов и приемов проведения экспериментальных исследований, обеспечивающих получение достоверных и воспроизводимых результатов для построения эмпирических или регрессионных зависимостей, представляющие собой модель, отражающую структуру и поведение реального объекта или процесса. При этом исследователь должен разработать научную или рабочую гипотезу, выбрать границы исследований и определить ограничения (сделать допущения), которые не должны противоречить физической природе исследуемого процесса.

При создании моделей широкое применение нашла теория подобия, базирующаяся на принципе подобия реального объекта и разработанной модели. Другими словами, между оригиналом и моделью должно наблюдаться соответствие, определяемое критериями подобия – безразмерными комплексами параметров процесса, в котором он протекает.

Следует иметь в виду, что модели, полученные в результате проведения эксперимента можно аппроксимировать целым набором различных математических функций. Но из-за ограниченности интервалов варьирования наложенных ограничений на

5

действующие факторы, содержание модели не всегда соответствует реальному физическому смыслу исследуемого процесса. Примером могут служить известные эмпирические формулы физического процесса резания грунта элементалрным профилем [2 Зеленин], в которых погрешность по отношению к реальному процессу превышает 300%. Хотя в реальности они в полной мере производить инженерные расчеты усилий резания грунта рабочими органами землеройных машин.

Доказательной базой связи экспериментальных исследований с теоретическими являются математические доказательства.

Эксперимент не является только доказательством достоверности теоретических исследований, но и сам представляет собой источник объективной информации [1], позволяющий подтвердить выдвигающиеся гипотезы и теоретические исследования, либо опровергнуть их.

Одними из методов проверки гипотезы являются:

-алгоритмический, основанный на последовательности четких указаний;

-и эвристический, основанный на интуиции и ассоциациях. Здесь информация может быть представлена в виде отдельных несистематизированных данных об объекте исследования (процессе, устройстве) и его параметрах. Следствием этого является задача об определении границ исследований, допущениях и о выделении главных факторов.

Альтернативное решение задачи в зависимости от ее типа может быть выполнено:

-путем анализа источников научно-технической литературы;

-методами ранжирования или случайного баланса;

-экспериментально.

6

Экспериментальные исследования бывают качественные, когда определяется общая картина протекающего процесса, например, заполнение ковша экскаватора грунтом или формирование призмы волочения передповерхностью рабочего органа землеройной машины. Количественный эксперимент позволяет оценить происходящие процессы в цифровом выражении.

Анализ результатов экспериментальных исследований, позволяет раскрыть связи, взаимодействия, функциональные зависимости, протекающие при взаимодействии частей машины друг с другом и контактирующими элементами среды. Другими словами, в процессе экспериментального исследования выявляются главные связи и общие закономерности явлений всех других связей в объекте.

Таким образом, экспериментальные исследования:

–позволяют подтвердить или опровергнуть полученные теоретические положения;

–являются источником новых гипотез и теорий;

–служат накоплению объективной научной информации.

Результаты экспериментальных исследований могут быть представлены в виде таблиц, диаграмм, номограмм, гистограмм, графиков, математических моделей, блок-схем

ипр. Способ интерпретации результатов зависит от целей исследования. Например:

- наглядность может быть представлена в виде графикв

идиаграмм;

-интерполяционные расчеты – в виде таблиц, номограмм, математических моделей;

-раскрытие качественных характеристик объекта может быть представлена в виде блок-схемы, связей и т. п.

Основные этапы при реализации экспериментальных исследований включают:

7

1)постановку задачи;

2)выявление значимых факторов;

3)определение границ исследований;

4)наложение ограничений на параметры исследований;

5)проведение эксперимента;

6)анализ полученной информации по результатам эксперимента;

7)интерпретацию результатов эксперимента;

8)определение параметров модели;

9)оценка параметров модели.

Последний этап требует оценки точности проводимых исследований, определяемой дисперсией предсказаний.

Порядок проведения эксперимента подчиняется основным классификационным признакам, суть которых заключается в следующем:

-изучение входящих в него объектов и их связей;

-систематизация подхода к решению задачи экспериментальным путем осуществляется разделением всего множества связей на группы в соответствии с обобщающими и дифференцирующими признаками, например, по степени сложности объектов.

Первоначальным этапом классификации является формализация описания множества объектов путем установления базисов – подмножеств фактически необходимых признаков. Базисная таблица идентификации включает столбцы – объекты и строки – необходимые и достаточные признаки для отделения каждого объекта от всех остальных. Признаки легче выделить не путем их подробного описания, а путем сопоставления друг с другом.

Другими словами, классификация образуется единым обобщающим логическим признаком, располагая составляющие элементы по иерархическим уровням. Например, по массе, тяговому усилию, типу ходового оборудования, емкости ковша и т.п.

8

Основные типы связей включают следующее:

1)относительные связи, когда самостоятельные объекты объединяются взаимодействием. Например: сила гравитации между телами;

2)причинно-следственные связи. Например, нагрузка и напряжение, заработная плата и стоимость потребительской корзины;

3)взаимосвязь между явлениями, например: проминание колеса при взаимодействии с грунтом;

4)сравнение последующих показаний с предыдущими показаниями, например, показатели наработки на отказ элемента машины после капитального ремонта;

Грамотно составленная классификация позволяет математизировать результат классификации и получить взаимосвязь между отдельными классификационными параметрами, такими, как например:

- мощность силовой установки и емкость ковша экскаватора.

- емкость ковша экскаватора и геометрические характеристики длин рукояти, стрелы и т.п.;

- изменение массы рабочего оборудования в зависимости от его производительности.

При анализе результатов эксперимента важно выделение значимых факторов и коэффициентов эмпирической или регрессионной зависимостей. Для этих целей используются методы критериального оценивания этих величин с привлечением статистических методов и оперирование не единичным выходом, а выборкой (набором результатов). То есть при планировании экспериментов необходимо рассчитать требуемое количество повторений параллельных опытов (объем выборки).

Это выполняется на основе следующих данных: - требований к точности результатов;

9

-необходимой достоверности их оценки (для технических параметров обычно 95 %);

-знания типа дифференциальной кривой распределения определяемых величин.

Следует отметить, что при выборках объемом более 30

считают распределение параметров выхода близким нормальному. При меньшем объеме выборки оперируют квантилями распределения Стьюдента.

Поскольку оценка значимости факторов и коэффициентов уравнений регрессии не требуют высокой точности, гораздо чаще возникает обратная задача: рассчитать доверительный интервал полученной величины, т.е. определить с выбранной вероятностью ее минимальное

имаксимальное значения. Следует иметь в виду, что минимальное количество параллельных опытов равно трем, так как по двум точкам нельзя построить зависимость и узнать характер ее распределения. В этом случае необходимо статистически достоверно установить показатель существенной разницы средних результатов этих выходов, используя квантиль Стьюдента.

2. Метод экспертных оценок

Метод основан на привлечении экспертов к оценке полученной информации. Экспертами могут выступать специалисты в данной области проведенных исследований или различные литературные источники (отчеты, статьи, монографии и т. п.), в которых опубликованы результаты подобных или аналогичных исследований.

Один из методов экспертных оценок, используемых для упорядочения исходной информации, называется

априорным ранжированием [1]. Он используется при низкой достоверности информации. При этом экспертная оценка является вероятностной, основанной на способности

10