Экспериментальное определение надежности птм и их элементов

Надежность ПТМ и их элементов может определяться экспериментальным путем, для чего проводятся различные испытания. Машины целиком испытываются на стендах, полигонах или в эксплуатационных условиях. Отдельные системы, узлы и детали проходят испытания на специальных стендах. Подъемно-транспортные машины, предназначенные для работы в тяжелых режимах эксплуатации, должны проходить ускоренные испытания на надежность. Испытания этого типа проводятся на заводских полигонах. Цель испытаний – в возможно короткий срок определить износостойкость, циклическую прочность и теплостойкость элементов ПТМ.

Статистические данные по ряду машин длительного использования показали, что большинство характерных отказов происходит при наработке первых 2000 – 4000 ч. Сократить срок выявления слабых узлов возможно при работе с перегрузками. В каждом случае степень допустимой перегрузки при ускоренных испытаниях на надежность должна быть определена соответствующими расчетами устойчивости, прочности и выносливости как машины в целом, так и ее наиболее ответственных элементов. Перегрузки достигают увеличением массы поднимаемого груза, ускорений механизмов при пуске и торможении и рядом других мероприятий.

Ускоренные испытания на надежность делятся на два этапа. На первом этапе проводятся тензометрические измерения нагрузок и напряжений в ответственных элементах при предварительно назначенных перегрузках. Измеряются токи, давления и пр. В результате расчетов прочности, выносливости и изнашивания, выполненных с использованием тензометрических данных, уточняется степень допустимой перегрузки, а для машин циклического действия – характеристики цикла работы.

На втором этапе проводятся длительные испытания с уточненной нагрузкой и последовательностью включений механизмов. Использование машины по времени при испытаниях должно быть максимальным. Расчеты по портальным кранам показали, что время испытаний с перегрузками можно сократить до 1000 машино-часов. Это объясняется тем, что между напряжениями (нагрузками) в деталях и их циклической долговечностью существует степенная зависимость. В связи с этим малые перегрузки могут вызвать значительное уменьшение долговечности ответственных элементов. При испытаниях этого типа желательна установка аппаратуры, частично или полностью автоматизирующая работу и учет наработки машины, а также ее отдельных механизмов. Особенно тщательно должны соблюдаться правила техники безопасности.

Надежность опытных образцов ПТМ определяется при эксплуатационных испытаниях. Продолжительность испытания 2000 – 4000 ч работы. В процессе испытаний выявляется большинство недостатков, связанных с возможными ошибками проектирования и изготовления. В этот период машина должна работать в наиболее тяжелом режиме эксплуатации под особым наблюдением инженерно-технического персонала. На основе статистических данных по потокам отказов и восстановлений производится оценка показателей надежности, которые обычно имеют заниженные значения, так как машины находятся в периоде приработки. Дальнейшие испытания опытных образцов в течение одного-трех лет эксплуатации позволяют определить показатели надежности в период установившейся эксплуатации.

За машинами установочной серии, работающими в наиболее тяжелых режимах, также организуется специальное наблюдение. Собираются и обрабатываются статистические данные по отказам и восстановлениям (ремонтам). В результате определяются показатели надежности этих ГПМ, выявляются узлы и детали, лимитирующие надежность машины в целом, разрабатываются мероприятия по повышению надежности. Испытания проводятся в течение одного–трех лет. Если в результате испытаний необходимо определить закономерности изменения показателей надежности, то проводятся испытания в течение более длительного срока. В процессе испытаний фиксируется наработка в тоннах и (или) в часах машинного времени, регистрируются отказы, проводится их описание, устанавливаются причины отказов и время ремонта. Одновременно должны вестись наблюдения не менее чем за 2-8 машинами. С увеличением количества наблюдаемых машин растет точность определяемых характеристик.

В общем случае планирование испытаний на надежность включает отбор машин, определение объема выборки, продолжительность испытаний. В соответствии с требованиями математической статистики отбираемые для испытаний машины или их узлы и детали должны принадлежать к исследуемой совокупности. Для опытных образцов и образцов установочной серии эти требования сводятся к качественному соответствию машин, так как вообще этих объектов весьма мало. Это означает, что не следует в одну совокупность сводить машины, отличающиеся конструкцией узлов и работающие в различных условиях эксплуатации.

Определительные испытания на надежность могут проводиться по нескольким планам (ГОСТ 1751—79). Планы отличаются условиями, при которых прекращаются наблюдения. Так, план [N_и, И, N_и] означает, что наблюдения ведутся до отказа всех N_и наблюдаемых объектов. План [N_и, R, Т] означает, что наблюдения над N_и объектами ведутся в течение заданного времени Т при условии, что отказавшие образцы заменяются новыми или ремонтируются. План наблюдений выбирается в зависимости от вида объекта, условий эксплуатации и экономической целесообразности.

Объем выборки, т.е. количество испытываемых объектов, зависит от принятого плана наблюдений, требуемой достоверности и точности оценок и предполагаемых значений показателей надежности (ГОСТ 17510-79). Достоверность оценки определяется доверительной вероятностью, которая равна вероятности попадания оценки в принятый интервал. Дело в том, что экспериментальная оценка показателя надежности в связи с ограниченностью любого эксперимента всегда случайна. Однако она должна с принятой доверительной вероятностью лежать в определенном доверительном интервале, который расположен вокруг теоретического значения показателя надежности. Точность оценки характеризуется относительной шириной этого интервала. При незавершенных или так называемых усеченных испытаниях, когда не все наблюдаемые объекты отказали, объем выборки определяется приближением.

Важным вопросом является определение влияния различных эксплуатационных условий работы на показатели надежности. Испытания на надежность всегда длительны и требуют значительных средств. Поэтому важно при определении количества испытаний использовать теорию планирования эксперимента, которая позволяет получить максимум информации при минимуме экспериментов. Для того чтобы показать возможности этой теории, рассмотрим следующий пример. Предположим, что требуется определить влияние таких факторов, как технологический вариант работы (Х₁), квалификация управления (Х₃) и уровень технического обслуживания (Х₂), на коэффициент готовности (K_r) грейферных портальных кранов. Для определения значимости этих факторов надо собирать статистические данные по потокам отказов и восстановлению работающих кранов. Каждый фактор будем варьировать на двух уровнях. Это значит, что испытания проводятся при двух технологических вариантах работы кранов (например, варианты судно – вагон и склад – склад), при двух квалификациях крановщиков (I и III разряды), при двух уровнях технического обслуживания (высокий и низкий). Необходимое количество опытов при полном факторном эксперименте определяется по формуле

,

где - число уровней факторов; - количество факторов. В нашем случае = 2, = 3 и количество опытов . При этом реализуются все возможные сочетания уровней факторов.

В табл. 2 приведена соответствующая матрица эксперимента. Каждый опыт в данном случае состоит в наблюдении в течение года за двумя–восьмью кранами, работающими в определенных эксплуатационных условиях. Например, опыт 1 состоит в том, что ведется наблюдение за двумя–восьмью кранами, работающими по варианту судно – вагон. Эти краны управляются крановщиками III разряда. Уровень технического обслуживания машин высокий, что означает регулярное смазывание всех точек, предусмотренных заводской инструкцией, правильную и своевременную регулировку пусковой и тормозной аппаратуры и т.д. Опыт 2 заключается в том, что ведется наблюдение за двумя–восемью кранами, которые работают по тому же технологическому варианту и управляются крановщиками I разряда. Уровень технического обслуживания - низкий (нерегулярное смазывание, регулировка, нарушается график планово-предупредительных ремонтов и т.д.). Проведя все эти наблюдения, можно установить, пользуясь определенными правилами, какие из трех рассмотренных факторов значимы и, следовательно, какие из них надо учитывать при оценке коэффициента готовности. Если учесть, что каждый кран испытывается в течение года, а всего под наблюдением находится от 8  2 = 16 до 8  8 = 64 кранов, то становятся очевидным сложность и высокая стоимость этих испытаний. Применяя теорию планирования эксперимента, можно значительно сократить количество опытов. Для этого используются так называемые дробные факторные планы, позволяющие уменьшить число опытов в несколько раз и в то же время выявить главные закономерности, связывающие коэффициент готовности с тремя факторами. Так, если по предварительным соображениям можно пренебречь совместным влиянием факторов Х₁ (технологический вариант работы крана) и Х₂ (уровень технического обслуживания), то можно построить сокращенную в два раза матрицу эксперимента, которая обозначается 2^3-1 (табл. 3). В ней всего четыре опыта.

После предварительной оценки и анализа собранной информации по показателям надежности ПТМ осуществляется статистическая обработка экспериментальных данных. Обработка включает в себя оценку однородности статистических данных, определение параметров распределения исследуемых случайных величин (например, ресурс детали), проверку согласия экспериментального распределения с теоретическим и расчет показателей надежности. Анализ однородности статистических данных проводится для определения возможности объединения материалов, полученных из различных мест эксплуатации, в одну выборку. Проверка однородности выполняется по различным критериям (Смирнова, Стьюдента, Фишера и др.).

Таблица 2