Лекция 12

ЛЕКЦИЯ 12

ИСПЫТАНИЯ НА НАДЕЖНОСТЬ ЭМС. КОНТРОЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

Основные методы оценки надежности

Рисунок 1 – Классификация методов оценки надежности

Под экспериментальным методом понимается метод опытного определения надежности реальных объектов, когда объект и условия, в которых он функционирует, известны исследователям с достаточной полнотой и при необходимости могут целенаправленно изменяться.

Показатели надежности экспериментальными методами могут быть получены по результатам либо испытаний – специальных или совмещенных, либо наблюдением за функционированием объекта в условиях эксплуатации.

Методы испытаний организуются специально с целью определения показателей надежности, объем их обычно заранее планируется, условия функционирования объектов устанавливаются исходя из требований оценки конкретных показателей. Такие испытания, как правило, применяются для изделий, выпускаемых в достаточно большом количестве. Проводить специальные испытания для сложных объектов, систем во многих случаях не предоставляется возможным, так как объем выпуска обычно ограничен единицами экземпляров, а процесс изготовления, отладки, проверки функционирования и доводки занимает слишком много времени и дорогостоящий. Показатели надежности таких объектов оцениваются в основном либо по результатам совмещенных испытаний, при которых определение показателей согласовывается с экспериментальным исследованием других параметров объекта, либо по наблюдениям на этапе эксплуатации.

Методы испытаний на надежность подразделяются на определительные  и контрольные.

Рекомендуемые материалы

Определительные испытания на надежность проводятся для выявления фактических значений показателей надежности.

Контрольные испытания – для проверки соответствия показателей надежности объектов требованиям (стандарта, технического задания, технических условий).

Определительные и контрольные методы имеют существенные отличия. При сопоставимых требованиях к точности и достоверности необходимый объем испытаний при контрольной постановке может быть значительно меньше, чем при определительной, в случае, если истинное значение показателя надежности объекта мало отличается от необходимого уровня. Кроме того, у этих методов заметно различаются этапы планирования эксперимента.

Планирование при контрольных испытаниях опирается на требуемое значение показателя надежности. В результате планирования определяют необходимый объем испытаний и оценочный норматив – решающее правило, по которому принимается решение о соответствии или несоответствии объекта заданному требованию. Следовательно, ошибка в планировании контрольной процедуры в принципе не может быть выявлена в результате испытаний, и, таким образом, корректность планирования непосредственно определяет достоверность искомого заключения.

Требуемый объем испытаний – число изделий (или число опытов) и продолжительность испытаний – зависит от фактической надежности объекта, которая до испытания не известна. Следовательно, необходимый объем испытаний при планировании определительной процедуры может быть определен лишь ориентировочно, исходя из предполагаемого уровня надежности объекта. Однако ошибки в планировании объема испытаний выявляются в процессе испытаний при обработке их результатов и могут быть скорректированы.

Контрольные испытания на надежность проводят­ся с целью определения соответствия количественных по­казателей надежности требованиям стандарта, технических условий или технического задания. Контрольные испытания проводятся периодически в сроки, установленные стандартами на данное техническое изделие. Ресурс современных электрических машин составляет 20 000—50 000 ч, в связи с чем проведение испытаний мо­жет затянуться на 5—10 лет. Для сокращения сроков ис­пользуются форсированные методы испытаний, однако при этом должно быть найдено соответствие между испытаниями в нормальных условиях и форсированными (ускоренными). Этой цели служат исследования по определению коэффициентов ускорения.

Коэффициент ускорения есть отношение времени испытаний в обычных условиях () ко времени испытания в форсированных режимах () при условии равенства значений вероятностей безотказной работы в обоих случаях: .

Основное требование, предъявляемое к ускоренным испытани­ям, это идентичность процессов старения и износа по отношению, к нормальным условиям, что в свою очередь означает идентичность законов распределения. В общем случае целью испытаний является нахождение функциональных зависимостей, связывающих коэффициенты ускорения  и факторы форсировки , и значения максимально возможного (с точки зрения сохранения адекватности физики процессов старения) коэффициента ускорения.

Итак, в зависимости от поставленных сроков и возможностей можно проводить контрольные испытания в нормальных условиях, а также, базируясь на знании коэффициентов ускорения, ускоренные испытания.

Различают три основных метода проведения контрольных испытаний (вне зависимости от уровня форсировки): однократной (одиночный контроль) и двукратной (двойной контроль) выборки и последовательного анализа.

В некоторых случаях проводятся ускоренные контрольные испытания в нормальных условиях. Эти испытания базируются на времени известной математической модели процесса. Методы контрольных испытаний изложены в ГОСТ 27.410 – 83 «Надежность в технике. Методы и планы статистического контроля по альтернативному признаку» и ГОСТ 27.411 – 81 «Надежность в технике. Одноступенчатые планы контроля по альтернативному признаку при распределении времени безотказной работы по закону Вейбулла».

К основным способам получения данных о надежности относится обработка информации об отказах изделий в процессе эксплуатации, т. е. оценка надежности по данным эксплуатации. Это весьма длительный и сложный процесс, связанный с преодолением объективных трудностей в осуществлении правильной организации сбора статистических данных. Кроме того, вследствие изменения конструкций и технологии изготовления электромеханических изделий данные о надежности в какой-то степени устаревают. Однако и в этом случае обработка и анализ данных эксплуатации являются полезными для оценки надежности родственных по значению, конструкции и технологии изделий.

Специальные исследования проводятся с целью прогнозирования надежности и технического состояния машин.

При исследовании надежности используются специальные методы испытаний: шагового нагружения, матричный, граничный. По первому методу испытания проводятся с дискретным увеличением нагрузки. При использовании второго метода для испытаний технических изделий выбирают такие воздействующие факторы, которые связаны между собой так, что образуют матрицу. Третий метод используется в тех случаях, когда регламентируются такие параметры, как чувствительность, полоса частот, коэффициент усиления и др. Выход параметров за установленные пределы классифицируется как параметрический отказ элемента или устройства.

ТЕМА № 1. Общая характеристика контрольных испытаний

Контрольные испытания проводятся обычно выборочно, поэтому при принятии решения возможны ошибки первого рода, когда хорошая партия бракуется, и второго рода, когда плохая партия принимается. Вероятность ошибки второго рода называется риском заказчика (потребителя); вероятность ошибки первого рода – риском изготовителя.

1.1 Методы однократной и двукратной выборки

Легче всего планируются контрольные испытания по методу однократной выборки, однако с точки зрения объема выборки изделий, необходимых для проведения испытаний, этот метод наименее экономичен. Контроль по методу двукратной выборки более экономичен, но это преимущество проявляется лишь при контроле больших партий с очень низкой или очень высокой надежностью. Однако обработка результатов более трудоемка, чем при одиночном контроле, поэтому метод двукратной выборки используется редко. Наиболее экономичен метод последовательного анализа, при использовании которого средний объем выборки составляет 50-70% объёма при одиночном контроле, но при несколько большем времени работ (с этим недостатком можно успешно бороться путем рациональной организации испытаний).

Методика контрольных испытаний на надежность в самом общем случае должна содержать перечень показателей надежности, подлежащих контролю, а также по каждому конкретному показателю надежности следующие данные: приемочный  и браковочный   уровни вероятностей безотказной работы, риски заказчика  и изготовителя , метод проведения испытаний, план испытаний, перечень параметров, характеризующих состояние изделия, условия испытаний, решающее правило.

Возможен упрощенный план испытаний. Исходными данными в этом случае являются: число допустимых отказов с (приемочное число за время t испытаний); вероятность безотказной работы  за время t и риск заказчика . Перед испытаниями проводят приработку машин (обычно в течение 100 ч), причём отказавшие двигатели заменяют новыми. Иногда с целью сокращения объема выборки увеличивают продолжительность испытаний. Число с выбирают небольшим (0-2), чтобы не увеличивать объём выборки  n, который определяет по таблице.

Для экспоненциального закона распределения объём выборки

,                                                        (1)

где a – параметр распределения Пуассона.

В результате испытаний число отказов d должно быть не больше приёмочного числа, т. е. d < c (решающее правило).

Ускоренные испытания в нормальных режимах осуществляются следующим образом. Допустим, что изделие характеризуется параметрическими отказами и имеет непрерывную характеристику «вход - выход». В качестве примера представим зависимость выходного параметра в функции времени:

.                                  (2)

Если задано допустимое изменение параметра , то можно найти среднее время , необходимое для достижения отклонения . Обозначим , тогда из (2) получим

.                                             (3)

Для ускоренных испытаний устанавливают более узкие пределы отклонения , где m=1,5-5,0. Следовательно, среднее время необходимое для достижения , будет  и определяется из выражения (3).

1.2 Основные положения методики контрольных испытаний на надёжность

Методика рассчитана на подтверждение вероятности P(t) , безотказной работы изделия за время t , заданной требованиями технических условий. Периодичность контроля количественных показателей надежности устанавливается в технических условиях; контроль производиться также при различных изменениях в конструкции, технологии и т.д. Комплектование выборки производиться методом случайных чисел. Для составления выборки используется таблица случайных чисел. Методика позволяет сократить время испытаний за счет форсировки режимов испытаний (в случае ускоренных испытаний).

Условия проведения испытаний. Образцы изделий для испытаний отбираются из числа принятых техническим контролем завода с обязательным прохождением приработки.

Испытания рекомендуется проводить круглосуточно  в форсированном режиме.

Во время испытаний проводятся регламентные и профилактические работы, предусмотренные соответствующими инструкциями.

Ускоренные испытания являются циклическими. Уровни воздействующих факторов выбираются такими, чтобы обеспечить заданный коэффициент ускорения. Значение коэффициента ускорения задается в зависимости от интервала варьирования факторов, предполагаемой продолжительности испытаний и корректируется возможностью его реализации на стендах предприятия.

1.3 Метод последовательного анализа

Особенность этого метода состоит в том, что при заданных  и  количество испытуемых изделий заранее не фиксируется, а зависит от исхода наблюдений. В процессе эксперимента принимается одно из трех решений: о приёмке, об отбраковке или продолжения испытаний.

На основании накопленного опыта установлены некоторые нормы, которые дают низкое значение риска изготовителя и не требуют чрезмерных затрат на испытания. В техническое задание при этом они включаются как нормы надёжности:  и  - средние времена наработки на отказ, которые соответствуют рискам соответственно изготовителя и заказчика (, где k=1,5-3).

Принятие решения основано на последовательном критерии отношения правдоподобия (отношения вероятностей):

.                               (4)

До тех пор, пока , решение о приёме партии изделий является необоснованным, и наоборот. Здесь (1-a) – вероятность приёма хорошей партии,  – вероятность отбраковки плохой партии. Итак, пока выполняется равенство

,                              (5)

испытания необходимо продолжать.

Если же неравенство так или иначе нарушается, то испытания прекращаются с принятием решения.

Рассмотрим организацию последовательных испытаний на примере экспоненциального закона распределения отказов во времени, при котором

,                                (6)

где r – число отказавших изделий.

Подставляя в неравенство (5) значение , получим неравенство для определения необходимого для испытаний значения времени t:

,                                    (7)

где

Рекомендация для Вас - 2. Структурная схема ИИС.

При выполнении условия  выносится решение о приемке, при  - решение об отбраковке.

Испытания продолжаются если (a+bt)< r < (c+bt).

Задачу можно решить графическим способом. Для этого строятся (рисунок  2) границы отбраковки  и приёмки  и ступенчатая линия 3 очередных отказов r=f(t). Если при испытаниях r=f(t) пересечет нижнюю границу 2, то исследуемая партия изделий принимается, а если верхнюю 1, то бракуется.

Рисунок 2 – График испытаний по методу последовательного анализа

При планировании испытаний стремятся к сокращению времени их проведения. Это объясняется тем, что если изделия (электрические машины) испытывать одно за другим, то суммарное время испытаний чрезвычайно возрастает. Поэтому для сокращения времени испытаний используются следующие приемы. Если за установленное время испытаний  (здесь k=10-12) не может быть принято решение, то либо изменяют (увеличивают) значения  и , либо принимают решение об оценке ситуации относительно прямой 4—bt  (рисунок 2). Если r=f(t)>bt, то выносится решение об отбраковке, а если r=f(t)<bt, то выносится решение о приемке. Заранее принимается решение об усечении (ограничении) последовательного анализа. При этом методика предполагает одновременное испытание всех образцов изделий с фиксацией отказов в моменты их возникновения. Параметры усечения  определяются по соответствующим таблицам ГОСТ 27.410—83. Если график последовательных испытаний г=f(t) достигнет отрезка АВ (рисунок 2), то выносится решение о несоответствии надежности партии изделий техническим требованиям. Партия изделий принимается, если указанный график достигнет отрезка ВС.