7.2. Определительные испытания

Результатом определительных испытаний на надежность являются количественные значения показателей надежности объектов, установленные с заданной точностью и (или) достоверностью.

Определительные испытания классифицируют по следующим признакам:

1. 1. По характеру оценок показателей надежности различают:

- испытания с целью определения точечных оценок средних значений показателей надежности (средняя наработка до отказа, средний ресурс, среднее время восстановления и пр.); точечной оценкой определяемого показателя в этих испытаниях является среднее арифметическое значение показателя, наблюдаемое при испытаниях выборки из партии однородных объектов;

- испытания с целью определения доверительного интервала возможных значений показателя надежности, который с заданной доверительной вероятностью накрывает математическое ожидание этого показателя;

2. По исходным данным различают:

- прямые испытания, основанные на использовании информации об отказах объекта;

- испытания, основанные на использовании косвенных признаков отказа (перегрев, уровни вибрации, шума и пр.);

3. По планам испытаний.

План испытаний – правила, устанавливающие объем выборки, порядок проведения испытаний и критерии их прекращения.

Планы испытаний имеют условные буквенные обозначения по типу /13, 22/:

Расшифровка признаков восстанавливаемости объекта испытаний:

U - объекты невосстанавливаемые и незаменяемые в случае отказа;

R - невосстанавливаемые, но заменяемые в случае отказа новыми идентичными отказавшим экземплярами объекты;

M - восстанавливаемые в случае отказа объекты.

Расшифровка признаков окончания испытания:

T - устанавливается время или наработка;

T_ - устанавливается суммарная наработка всех объектов;

N - до отказа всех испытываемых объектов;

r - устанавливается число отказавших объектов;

(r, T) - испытание прекращается при числе отказавших объектов r или по достижении наработки T каждого работоспособного объекта, независимо от того, какое условие выполнено раньше;

(r, T_) - испытание прекращается при числе отказавших объектов r или по достижении суммарной наработки всех испытываемых объектов T_, независимо от того, какое условие выполнено раньше;

(r₁, n₁), (r₂, n₂) … (r_k-1, n_k-1), r_k - после r₁ отказов снимают n₁ работоспособных объектов и т. д. до достижения r_k отказов;

(T₁, n₁), (T₂, n₂) … (T_k-1, n_k-1), T_k - после достижения наработки T₁ снимают n₁ работоспособных объектов и т.д. до достижения наработки T_k;

z - каждый объект испытывают в течение наработки z_i=min(t_i,_i) i=1,2…N,

где t_i - наработка до отказа i -го объекта; _i - наработка до снятия с испытаний работоспособного i -го объекта;

S - принятие решения при последовательных контрольных испытаниях (см. разд.7.3).

Согласно /13/ возможно 17 вариантов планов испытаний на надежность:

[N U T], [N U r], [N U N], [N U (r, T)], [N R T], [N R r], [N R (r, T)], [N M T], [N M T_], [N M r], [N M (r, T_)], [N U (r₁, n₁), (r₂, n₂) … (r_k-1, n_k-1), r_k],

[N U (T₁, n₁), (T₂, n₂) … (T_k-1, n_k-1), T_k], [N U z], [N U S], [N R S], [N M S].

Для определительных испытаний наиболее употребимыми являются планы [N U T], [N U r], [N U N], [N R T], [N R r].

При планировании определительных испытаний определяют объем наблюдений и длительность испытаний. При этом задаются показатели достоверности результатов (доверительная вероятность) и их точность (предельная величина относительной погрешности оценки исследуемого показателя надежности).

Методы планирования разработаны для каждого из планов.

План [N U N]. Для определения объема наблюдений (объема выборки N) при оценке средних показателей надежности (средняя наработка до отказа, средний ресурс и т.п.) считаются известными следующие исходные данные:

- относительная ошибка оценки соответствующего показателя надежности ;

- односторонняя доверительная вероятность оценки ;

- предполагаемый коэффициент вариации ;

- вид закона распределения исследуемой случайной величины (наработка до отказа, ресурс, срок службы и т.п.).

Относительная ошибка  представляет собой меру точности оценки показателя надежности и составляет

,

где  - оценка показателя надежности; ^* - односторонняя доверительная граница показателя надежности (наиболее далеко отстоящая от ).

Относительную ошибку  выбирают из ряда: 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; одностороннюю доверительную вероятность  - из ряда: 0,8; 0,9; 0,95; 0,99.

Минимальный объем наблюдений N для оценки средних показателей надежности определяется /22/:

а) для экспоненциального закона распределения с плотностью f(x) = e^-t из выражения

, (7.1)

где - квантиль распределения хи-квадрат с 2N степенями свободы, соответствующая вероятности 1 - .

Это трансцендентное уравнение, допускающее только численные решения, которые табулированы (табл. 7.2 при V = 1).

Таблица 7.2

Объем наблюдений для распределения Вейбулла и экспоненциального

распределения (при V = 1)

		N для плана [N U N] при распределении Вейбулла при V, равном
		0,4	0,5	0,6	0,8	1	1,2	1,5	1,8	2	3
0,05	0,80 0,90 0,95 0,99	50 100 150 315	65 200 250 500	100 250 400 800	200 500 650 1000	315 650 1000 -	500 1000 - -	650 - - -	800 - - -	1000 - - -	- - - -
0,10	0,80 0,90 0,95 0,99	13 32 50 100	25 50 80 150	32 65 100 200	50 125 200 400	100 200 400 650	150 315 650 800	200 400 800 1000	250 500 800 -	315 500 800 -	400 1000 1000 -
0,15	0,80 0,90 0,95 0,99	6 15 25 40	10 25 40 65	15 32 50 100	25 65 100 200	40 80 150 315	80 150 200 500	80 200 315 800	125 250 400 1000	125 315 500 -	200 500 800 -
0,20	0,80 0,90 0,95 0,99	5 10 15 25	8 15 25 40	10 20 32 65	20 40 50 125	25 50 100 150	40 80 150 250	50 125 200 315	65 150 250 400	80 200 250 500	125 315 400 1000

Прогнозируемая продолжительность испытаний t может быть определена из выражения /14/

,

где T - ожидаемая средняя наработка до отказа; Q(t) - минимальная вероятность отказа объекта за время испытаний.

;

б) для распределения Вейбулла с плотностью

из выражения

. (7.2)

Решения уравнения (7.2) приведены в табл. 7.2.

в) для нормального распределения с плотностью

из выражения

, (7.3)

где t_{, N – 1} - квантиль распределения Стьюдента с N–1 степенями свободы, соответствующая вероятности .

Решения уравнения (7.3) табулированы и для определения N можно воспользоваться табл. 7.3.

Таблица 7.3

Объем наблюдений для нормального распределения

		N для плана [N U N] при нормальном распределении при V, равном
		0,10	0,15	0,20	0,25	0,30
0,05	0,80 0,90 0,95 0,99	4 8 13 25	6 15 25 50	13 25 40 100	20 40 65 150	25 65 100 200
0,10	0,80 0,90 0,95 0,99	- 3 5 8	3 5 8 15	5 8 13 25	8 13 20 32	10 15 25 50
0,15	0,80 0,90 0,95 0,99	- - 3 5	- 3 5 8	3 4 6 13	4 6 10 15	5 8 13 25
0,20	0,80 0,90 0,95 0,99	- - - 4	- - 4 6	- 4 5 8	- 5 6 10	3 6 8 15

Следует отметить, что испытания по плану [N U N] требуют значительного времени (особенно при экспоненциальном законе распределения) и количества изделий.

План [N U r]. Число объектов наблюдений N для оценки -процентных показателей надежности (или вероятности безотказной работы P(t)) определяется из выражения /22/

, (7.4)

где F_(m₁, m₂) - квантиль распределения Фишера с m₁ и m₂ степенями свободы, соответствующая вероятности ; m₁=2(r+1); m₂=2(N–r).

Для нахождения N необходимы следующие исходные данные:

- односторонняя доверительная вероятность ;

- регламентированная вероятность  (или предполагаемое значение P(t));

- установленное число отказов (или предельных состояний) r.

Решения уравнения (7.4) табулированы и приведены в табл. 7.4.

Таблица 7.4

Объем наблюдений для плана [N U r]

 или P(t)		N для плана [N U r] при оценке -процентных показателей надежности при r, равном
		0	1	2	3	4	5	6	8	10	20	40	50
0,80	0,80 0,90 0,95 0,99	8 10 13 20	8 10 13 20	13 15 20 25	20 25 32 32	25 32 40 40	32 40 40 50	40 40 50 50	50 50 65 65	65 65 80 80	125 125 125 150	200 - -	- - - -
0,90	0,80 0,90 0,95 0,99	15 20 20 32	15 20 25 32	32 32 40 50	40 50 50 80	50 65 65 80	65 80 80 100	80 80 100 125	100 100 125 125	125 150 150 150	200 200 - -	- - - -	- - - -
0,95	0,80 0,90 0,95 0,99	32 50 50 65	32 50 65 65	50 65 80 100	80 100 125 150	100 100 150 150	125 125 200 200	150 150 - -	150 200 - -	200 - - -	- - - -	- - - -	- - - -

Примечание. Прочерк означает, что испытанию подлежит вся партия изделий.

Если по результатам наблюдений за N объектами получено значение вероятности безотказной работы больше заданного, то число отказов (предельных состояний) r пересчитывают по табл. 7.4 для найденного значения Р(t) и наблюдения продолжают.

План [N U T]. Число объектов наблюдений N для оценки средних показателей надежности при нормальном распределении может быть определено по табл. 7.5 /22/ при следующих исходных данных:

- относительная ошибка ;

- односторонняя доверительная вероятность ;

- предполагаемый коэффициент вариации V;

- предполагаемая величина - отношение продолжительности наблюдения к оцениваемому среднему значению исследуемого показателя надежности.

Если по результатам наблюдений за N объектами получено значение  меньше заданного, то число N пересчитывают для найденного значения  и наблюдения продолжают.

Данные табл. 7.5 могут быть также использованы для определения продолжительности наблюдения Т при заданном числе объектов наблюдений N. При этом исходными данными являются:

- относительная ошибка ;

- односторонняя доверительная вероятность ;

- предполагаемый коэффициент вариации V;

- число объектов наблюдения N;

- предполагаемое среднее значение исследуемого показателя надежности t_ср.

Продолжительность наблюдений T вычисляют по формуле T=t_ср, где величину  определяют по табл. 7.5.

Таблица 7.5

Объем наблюдений для плана [N U T]

при нормальном распределении

	V	N для плана [N U T] при нормальном распределении
		 = 0,05			 = 0,1			 = 0,15			 = 0,2
											
		0,90	0,95	0,99	0,90	0,95	0,99	0,90	0,95	0,99	0,90	0,95	0,99
0,6	0,1 0,2 0,3	- - 1000	- - -	- - -	- - 315	- - 500	- - 1000	- 100 125	- - 250	- - 500	- 500 80	- 800 125	- - 500
0,8	0,1 0,2 0,3	- 250 250	- 400 400	- 800 800	315 65 65	500 100 100	1000 200 200	125 25 32	200 40 50	400 100 100	80 15 15	125 25 25	250 50 50
0,9	0,1 0,2 0,3	65 80 150	100 125 250	200 250 500	15 20 40	25 32 65	50 65 125	- - 15	10 15 25	20 32 50	- - -	- - 13	13 20 32

Примечание. Прочерк означает, что испытанию подлежит вся партия изделий.

Рассмотрим примеры определения объема и длительности наблюдений при планировании определительных испытаний на надежность.

Пример 1. Для плана [N U N] определить число объектов наблюдений, чтобы с односторонней доверительной вероятностью  = 0,90 относительная ошибка  в определении среднего ресурса не превышала 0,10. Ресурс распределен нормально с коэффициентом вариации V = 0,2.

Решение. По табл.7.3 для V=0,20, =0,90 и =0,10 находим N=8.

По результатам наблюдений за объектами получен коэффициент вариации V = 0,30.

Так как 0,30 > 0,20, необходим дополнительный объем испытаний. Для V = 0,30;  = 0,90 и  = 0,10 по табл. 7.3 находим N = 15. Следовательно, под наблюдение необходимо дополнительно поставить 7 объектов.

Пример 2. Для плана [N U r] определить число объектов наблюдений N, чтобы с односторонней доверительной вероятностью  = 0,80 определить 90%-ный ресурс объектов. Установленное число предельных состояний r = 5.

Решение. По табл.7.4 для =0,90; =0,80 и r=5 находим N=65.

Пример 3. Для плана [N U T] определить продолжительность наблюдений Т за 25 объектами, чтобы с односторонней доверительной вероятностью  = 0,95 относительная ошибка  в определении средней наработки до отказа не превышала 0,15. Наработка до отказа распределена нормально с коэффициентом вариации V = 0,3; предположительно средняя наработка до отказа t_ср = 400 ч.

Решение. Для заданных N=25; =0,95; =0,15 и V=0,3 по табл.7.5 находим =0,9. Тогда Т= t_ср=0,9400=360 ч.