Для преодоления проблемы малых вероятностей разработаны методы ускоренных испытаний . В рамках ускоренных испытаний можно выделить два подхода.

Первый подход предполагает испытания в условиях, когда используются факторы, ускоряющие процесс возникновения отказов, сбоев, ошибок, напримерповышение температуры, влажности, увеличение вибрации и т.п. При этом предварительно должны быть получены зависимости изменения показателей безопасности от изменения ускоряющего фактора в нормальных и форсированных режимах, что является задачей не меньшей сложности, чем обычные испытания. Эти зависимости часто имеют характер корреляционных связей, а это означает, что с их помощью можно установить не строго определенное значение показателя надежности, а область его возможных значений. Испытания в форсированных условиях могут привести к разрушению изделия, при котором возникают физико-химические процессы, не характерные для нормальных условий функционирования. Кроме того, использование ускоряющих факторов может не дать значительного ускоряющего эффекта. Поэтому целесообразен второй подход.

Второй подход предполагает использование методов понижения дисперсии, и в частности метода существенной выборки . Данный метод, как и другие методы понижения дисперсии, заключаются в искусственном повышении вероятностей ошибок и сбоев путем их генерации и последующего пересчета на реальный режим функционирования. Методы понижения дисперсии получили значительное распространение в имитационном моделировании систем, когда аналитические расчеты либо затруднительны, либо просто невозможны вследствие сложности анализируемых систем.

Как известно, моделирование есть средство изучения системы путем замены ее более удобной для экспериментального исследования системой (моделью), сохраняющей существенные черты оригинала, и испытания модели методом проб. Модель воспроизводит описание системы с большими или меньшими упрощениями. При этом должен достигаться разумный компромисс между точностью воспроизведения и сложностью необходимых для этого средств.

Методы программной имитации случайных процессов реализуют имитационное моделирование систем. При этом случайные воздействия искусственно воспроизводятся программными или физическими датчиками, включенными в общую схему моделирования.

Традиционный способ программной имитации случайных функций любой сложности сводится к генерации некоторых стандартных (базовых) процессов. Наиболее часто применяемым базовым воздействием при цифровом моделировании является последовательность чисел v 0 , ..., v n , представляющих собой реализацию независимых равномерно распределенных в интервале (0, 1) случайных событий. Фактически в силу ряда причин используется псевдослучайная последовательность равномерно распределенных чисел, так как она имеет циклический характер. На основе данной последовательности путем некоторых преобразований может быть получена квазислучайная последовательность случайных чисел (дискретных и непрерывных), имеющих любое распределение вероятностей. Так, для генерации непрерывных случайных воздействий наиболее распространенным методом является метод обратной функции, в соответствии с которым случайная величина w, имеющая распределение вероятностей с монотонной функцией F, генерируется из равномерно распределенной случайной величины v по формуле iv = F _1 (v). Например, случайная величина с экспоненциальным распределением имитируется по формуле w = -A _1 ln(v/A.), где X - интенсивность отказов.

Существуют и другие методы генерации случайных воздействий: метод исключения, метод композиции и т.п. Для некоторых распределений (например,для нормального распределения вероятностей и др.), используются специальные методы, ориентированные только на данный класс распределений. Так, при генерации нормально распределенных случайных чисел с математическим ожиданием т и среднеквадратическим отклонением а используется свойство сходимости сумм независимых случайных величин к нормальному распределению, т.е.

где п - количество реализаций равномерно распределенных в интервале (0, 1) случайных чисел, необходимое для получения одного нормально распределенного числа.

Таким образом, при имитационном моделировании генерируются случайные воздействия на модель системы с заданными законами распределения, в результате действия которых определяются значения случайного выходного параметра или параметров анализируемой системы.

В последние годы вопрос о приемочных испытаниях стоит очень остро. Многие считают, что стандарты в нашей стране используются на добровольной основе, а Технический регламент не дает прямых указаний на необходимость приемочных испытаний. Встречаются и такие суждения: зачем вкладывать лишние средства, если все равно нужно оформлять сертификат. Или: разрешение на применение можно не получать, приемочные испытания тоже лишняя процедура, и т. д.

Попробуем разобраться.

Технический регламент

С середины февраля 2013 года вступил в силу документ, который долго ждали: "О безопасности машин и оборудования" ТР ТС 010/2011. В нем прописаны прямые указания по гарантии безопасности при проектных работах и последующем изготовлении. То есть разговор идет о том, что необходимо определить и установить допустимый для машины и/или оборудования риск. При этом уровень безопасности должен быть обеспечен:

• комплексом расчетов и испытаний, которые основаны на проверенных методических разработках;
• полнотой опытно-конструкторских и научно-исследовательских работ;
• изготовление машины и/или оборудования должно сопровождаться испытаниями, прописанными в прилагаемой конструкторской (проектной) документации.

То есть понятно, что и проектная организация, и производитель обязаны произвести испытания объекта. Они предусматриваются проектной документацией, их необходимо осуществить до сертификации (процедуры, подтверждающей соответствие). Очевиден факт декларирования - наличия документа о собственных испытаниях, проведенных до процедуры подтверждения. Но непонятно, какие испытания имеются в виду.

Понятие «испытание»

Оно означает техническое действие, которое дает возможность проверить инженерные характеристики объекта (изделия), определить степень износа, качество и пригодность к длительному использованию. Испытывать опытный образец разрешено как по отдельным элементам, так и в комплексе.

Этапы испытаний

Выделяют ведомственные, межведомственные и государственные приемочные испытания. ГОСТ 34.601-90 устанавливает следующие их виды:

• предварительные;
• опытные;
• приемочные.

Любой из них требует соблюдения определенной процедуры, для которой разрабатываются специальный документ - программа приемочных испытаний. Ее должен утвердить заказчик. В программе прописывается объем испытаний, причем как необходимый, так и достаточный, обеспечивающий назначенную полноту получаемых результатов и их достоверность.

Предварительные испытания должны проводиться после тестирования и предварительной отладки оборудования.

Опытные испытания проходят с целью определения готовности оборудования (машины, системы) к постоянной эксплуатации. Без этих испытаний запрещено проводить приемочные тесты.

Завершающий этап

Это приемочные испытания. От них зависит путевка в жизнь разрабатываемого оборудования (машины, системы). Этот этап дает ответы на вопросы, поставленные перед проектировщиками. В первую очередь, это соответствие заданному назначению, производительности и технико-экономической эффективности, то, будет ли она соответствовать современным требованиям техники безопасности и способствовать улучшению труда рабочих.

Еще в ходе приемочных испытаний проверяют:

• оценку успешности пройденных опытных испытаний;
• принятие решения о возможности запуска оборудования (машины, системы) в промышленную эксплуатацию.

Проводятся приемочные испытания на объекте заказчика (причем уже действующем). Для этого издается приказ или распоряжение об исполнении необходимых работ.

Оба этих документа пишутся по действующим положениям и стандартам, разработанным для отдельных видов объектов. Утверждаются они министерствами, курирующими проектирующие организации.

В программе подробно прописываются:

• цель предстоящих работ и их объем;
• критерии приемки как объекта в целом, так и его частей;
• перечень объектов, подлежащих испытаниям, а также список требований, которым объект должен соответствовать (обязательно с указаниями на пункты технического задания);
• условия прохождения испытаний и сроки;
• материальное и метрологическое обеспечение предстоящих работ;
• средства проведения испытаний: технические и организационные;
• методика проведения приемочных испытаний и обработки полученных результатов;
• фамилии лиц, назначенных ответственными за проведение испытательных работ;
• перечень необходимой документации;
• проверка ее качества (в основном эксплуатационной и конструкторской).

В зависимости от технических и прочих характеристик объекта исследования, документ может содержать указанные разделы, но при необходимости они могут быть сокращены или введены новые.

Пакет документов для разработки Программы и методики

Требования к оформлению и содержанию этих документов регламентируются ГОСТ 13.301-79.

Перечень документов для создания Программы и методики не является постоянным. Он изменяется в зависимости от отношения тестируемого объекта к тому или министерству или организации. Но в общем случае потребуются следующие документы:

• руководство по эксплуатации;
• нормативно - техническая документация: технические условия, стандарты и пр.;
• паспорт принимаемого объекта;
• документы о пройденной регистрации от предприятия-изготовителя;
• чертежи и описания;
• протоколы заводских испытаний (для иностранных производителей).

Составленные и заверенные Программа и методика испытательных работ заказчиком и специалистами Ростехнадзора регистрируется в Федеральном Агентстве.

Комиссия

Для приемочных испытаний она формируется соответствующим указом по предприятию. В комиссию должны входить представители поставщика комплектующих частей, заказчика, проектной организации, разработчика, органов технадзора и организаций, занимающихся монтажными и Утверждается комиссия профильным министерством.

В своей работе комиссия использует следующие документы:

• техническое задание на создание оборудования (машины, системы);
• протокол предварительных испытаний;
• исполнительную документацию по проведению монтажа;
• программу приемочных испытаний;
• акты (при необходимости);
• рабочие журналы с опытных тестов;
• акты приемки с них и завершения;
• техническую документацию на оборудование (машину, систему).

Перед приемочными испытаниями системную документацию и техническую дорабатывают согласно замечаниям протокола проведения предварительных испытаний и акта о завершении опытных тестов.

Предприятие-производитель и проектирующая организация должны предоставить приемочной комиссии:

• материалы проведенных предварительных испытаний;
• опытные объекты, удачно прошедшие предварительные испытания;
• рецензии, заключения экспертов, патенты, авторские свидетельства, оформленные в процессе приемочных испытаний на образец разработки;
• прочие материалы, утвержденные методиками испытаний для определенных видов объектов и типовыми программами.

Проверка

Это один из главных пунктов приемочных испытаний. Они не должны дублировать предыдущие этапы, а сроки их проведения сжаты.

Приемочные испытания включают в себя проверку:

• качества и полноты реализации функций оборудования (машины, системы) в соответствии с техническим заданием;
• работы обслуживающего персонала в диалоговом режиме;
• исполнения любого требования, относящегося к оборудованию (машине, системе);
• комплектности эксплуатационной и сопроводительной документации, и их качества;
• методов и средств, необходимых для восстановления работоспособности объекта после возможных отказов.

Если испытываются два и более объекта, обладающих сходными характеристиками, то для испытаний создаются одинаковые условия.

На протяжении приемочных испытаний не проводятся исследования на долговечность и надежность, но полученные по ходу тестов показатели должны заноситься в соответствующие акты.

Окончание испытаний

Приемочные испытания завершаются технической экспертизой. То есть, объект разбирается, и устанавливаются техническое состояние его элементов (узлов), а также трудоемкость разборки и сборки всего объекта исследования.

По окончании работ комиссия разрабатывает и составляет протокол проведённых испытаний. На его основе далее будет приемки. В случае необходимости комиссия определяет объем доработки оборудования (машины, системы) и/или технической документации, а также дает рекомендации по запуску тестируемого объекта в серийное производство.

Если это невозможно, то акт проведения приемочных испытаний дополняется предложениями по совершенствованию изделия, повторному приемочному испытанию или требованием по прекращению работ над объектом.

Акты и результаты

Акты о приемке объекта утверждает руководство предприятия, назначившее комиссию для проведения испытаний.

Методика приемочных испытаний рекомендует в случае необходимости рассмотреть результаты проведенных испытаний на научно-техническом совете профильного министерства или предприятия, разрабатывающего объект совместно с заказчиком (то есть еще до утверждения акта приемки).

Решение о запуске испытанных объектов в серию принимается на основании материалов и рекомендаций приемочной комиссии и/или научно-технического совета приказом по министерству. В нем обязательно указывается объем производства, и даются рекомендации по внедрению.

Акт приемочных испытаний

Четыре года назад были отменены унифицированные формы первичных документов. Это дало организациям право разрабатывать собственные шаблоны любого документа. Главное, при этом соблюдать следующие требования:

• Подписывается документ всеми лицами, его составившими. Если одно из них действует по доверенности, это необходимо отразить в акте.
• На законность акта не влияет, оформлен он на обычном листе писчей бумаги или на фирменном бланке. Как, кстати, и то, от руки написан документ или набран на компьютере (главное - «живые» подписи).
• Штампы и печати ставятся на документ, если это прописано в уставе и/или учетной политике организации.
• Логически акт имеет три части: начало (так называемую шапку - дата, название, место составления), основную часть и заключение.

Количество экземпляров документов равно количеству подписавших его сторон. Каждый из них имеет одинаковый правовой статус и идентичный текст. Информация об акте заносится в специализированный журнал учета документации организации.

Ошибок и описок в документе о проведении приемочных испытаний быть не должно. Потому как он может быть не только основанием для постановки объекта на баланс организации или его списания, но и основным подтверждающим документом при обращении с исковым заявлением в судебную инстанцию.

По центру страницы пишется название документа, ниже - место составления (город, поселок и т. д.) и дата.

Основная часть акта содержит следующую информацию:

• Состав комиссии . Указывается предприятие (организация, министерство), представители, которых будут подписывать документ, далее их должности и полные фамилия, имя и отчество.
• Наименование объекта и реальный адрес его монтажа.
• Подробно расписанный перечень испытательных работ (оформляется в виде списка или таблицы) с информацией об условиях прохождения испытаний.
• В случае обнаружения недостатков их, как и предложения по устранению, вносят либо ниже, либо оформляют приложение к акту.
• Акт приемочных испытаний (образец приведен ниже) заканчивается выводами комиссии о дееспособности или недееспособности испытуемого объекта.

Мнение какого-либо члена комиссии, отличное от остальных, обязательно прописывается либо в самом акте (отдельным пунктом), либо в приложении к нему. Все сопровождающие акт бумаги тоже перечисляются в нем.

И только после этого все участники составления документа ставят свои подписи и расшифровывают их.

Завершение работ

Подписанный акт входит в комплект объект, который проходит испытания. Хранится акт либо в соответствии с действующим законодательством, либо в порядке, установленном нормативными актами организации.

Ускоренными называются испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации. Ускоренные испытания бывают сокращенными и форсированными.

Сокращенные испытания - ускоренные испытания без интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения. В сокращенных испытаниях уменьшение сроков получения показателей надежности достигается за счет прогнозирования поведения объекта испытаний на период, больший, чем продолжительность испытаний.

Форсированные испытания - ускоренные испытания, основанные на интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения. При форсированных испытаниях проводится преднамеренное увеличение скорости утраты работоспособности изделия.

Ускоренные испытания разрабатываются с целью сокращения сроков проведения испытания по сравнению с нормальными испытаниями, т.е. испытаниями, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации в такой же срок, как и в предусмотренных НТД условиях и режимах эксплуатации для данного изделия /23/.

Основной характеристикой ускоренных испытаний является коэффициент ускорения - число, показывающее, во сколько раз продолжительность ускоренных испытаний меньше продолжительности испытаний, проведенных в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации (нормальных испытаний).

Коэффициент ускорения может исчисляться по наработке и по календарному времени. Коэффициент ускорения по наработке - отношение наработки изделия в нормальных испытаниях к наработке в ускоренных испытаниях. Коэффициент ускорения по к а лендарному времени - отношение календарного времени нормальных испытаний к календарному времени ускоренных испытаний.

При разработке ускоренных испытаний для конкретного вида изделий необходимо в первую очередь установить принцип ускоренных испытаний, затем на основании сформулированного принципа выбрать метод и режим ускоренных испытаний /22/. Принцип ускоренных испытаний - совокупность теоретических и экспериментально обоснованных закономерностей или допущений, на использовании которых основано проведение испытаний с сокращением их продолжительности. Метод ускоренных испытаний - совокупность правил применения принципов ускоренных испытаний для получения показателей надежности определенных групп или видов изделий. Режим ускоренных испытаний - режим, предусмотренный применяемым принципом и методом ускоренных испытаний и обеспечивающий сокращение продолжительности испытаний.

Режим ускоренных испытаний может быть нормальным (для сокращенных испытаний), форсированным (для форсированных испытаний), комбинированным при чередовании нормального и форсированного режимов (при форсированных испытаниях).

Нормальный режим - режим, при котором значения его параметров находятся в пределах, установленных в технической документации для нормальной эксплуатации испытуемого изделия. Частным случаем нормального режима является номинальный режим испытания, соответствующий установленным параметрам внешних воздействий, принимаемых обычно за начало отсчета допустимых отклонений.

Форсированный режим - режим испытаний, обеспечивающий увеличение интенсивности процессов утраты работоспособности по сравнению с нормальным режимом. Форсированный режим может достигаться за счет изменения одного или одновременно нескольких форсирующих факторов.

Форсирующим фактором называется составляющая режима испытаний, изменение параметров которой по сравнению с режимом нормальных испытаний приводит к интенсификации процессов, вызывающих отказ или повреждение. В качестве форсирующего фактора используют усилие (момент), скорость (частоту), температуру, влажность среды, абразивность среды, химическую агрессивность среды и т.д.

Показатели надежности, полученные по результатам ускоренных испытаний, можно пересчитать для нормального режима при условии, что физические процессы разрушения при форсированных и ускоренных испытаниях одинаковы. Поэтому режимы ускоренных испытаний и форсирующий фактор могут изменяться при ускорении процесса испытаний только до определенного предела, называемого предельной нагрузкой . Такой нагрузкой является предельно допустимый уровень форсирующего фактора, обеспечивающий максимально возможную степень форсирования испытаний при сохранении идентичности картины разрушения в условиях ускоренных и нормальных испытаний и выполнении предпосылок, положенных в основу выбранного принципа ускоренных испытаний.

Результаты нормальных и ускоренных испытаний будут сопоставимы, если при соблюдении идентичности природы разрушения получаемые значения показателей надежности будут одинаковы, т.е.

где R(t н), R(t y) - показатели надежности при нормальном и ускоренном режимах соответственно.

При экспоненциальном распределении для вероятности безотказной работы условие (7.26) запишется в виде

, (7.27)

где  н,  у - интенсивность отказов в нормальном и ускоренном режимах испытаний соответственно.

Если коэффициент ускорения по наработке
, то из (7.27) получаем, что интенсивность отказов в нормальном режиме должна составлять

. (7.28)

Для распределения Вейбулла с плотностью
условие равной вероятности безотказной работы при нормальном и ускоренном режимах испытаний (7.26) принимаетвид

. (7.29)

Отметим, что в этих выражениях параметр масштаба  (или Т 1 =1/ , см. разд.4.5, формулы (4.33)-(4.35)) не является интенсивностью отказов; интенсивность отказов при распределении Вейбулла является функцией времени (наработки) и описывается формулой (4.35).

Из условия (7.29) следует, что параметр масштаба в нормальном режиме должен составлять

. (7.30)

Если ускоренные испытания проводятся с целью определения средней наработки, которая для распределения Вейбулла

, (7.31)

то из условия
будем иметь

(использовано одно из свойств гамма-функции: Г(x+1)=xГ(x)).

Отсюда параметр масштаба в нормальном режиме при испытаниях с целью определения средней наработки до отказа (среднего ресурса) в случае распределения Вейбулла должен составлять

. (7.33)

К основным принципам ускоренных испытаний относятся /22/:

Уплотнение рабочих циклов;

Экстраполяция по времени;

Усечение спектра нагрузок;

Учащение рабочих циклов;

Принцип сравнения;

Экстраполяция по нагрузке;

Принцип «доламывания»;

Принцип «запросов».

Уплотнение рабочих циклов применяется при испытании изделий, которые в эксплуатации имеют большие перерывы в работе. На сокращении этих перерывов основано ускорение испытаний. Примером использования принципа уплотнения рабочих циклов могут служить испытания машин с сезонной загрузкой. В этом случае, сокращая или совсем ликвидируя известные перерывы в эксплуатации, связанные с ночным временем, нерабочими климатическими периодами и т.п., можно добиться значительного коэффициента ускорения по календарному времени.

Экстраполяция по времени основана на гипотезе о возможности достаточно достоверной оценки закономерностей процесса накопления повреждений по начальным этапам процесса. При этом испытания в нормальном режиме проводятся лишь на некотором начальном участке работы изделия, включающем выход в стационарный режим повреждения, измеряется параметр, определяющий накопленное повреждение, а затем эти результаты экстраполируются до перехода в неработоспособное (предельное) состояние. Экстраполяция проводится графически или аналитически.

Практически при всяком детерминированном изменении накопленного повреждения  (например, величины износа) во времени t путем соответствующего преобразования координат стационарный процесс его накопления можно отобразить в линеаризованном виде.

Выравнивание методом наименьших квадратов в этом случае сводится к отысканию коэффициентов а и b уравнения линейной регрессии

. (7.34)

Значение этих коэффициентов определяется на основе результатов испытаний по значениям повреждения  i (величины накопленного износа), соответствующим определенным моментам времени t i .

При этом искомые коэффициенты уравнения (7.34) могут быть определены по формулам:

;

, (7.35)

где m - число парных значений t i и  i .

Для каждого момента времени t i вычисляется статистическая оценка дисперсии
по формуле

. (7.36)

где m i - число экспериментальных точек, полученных в момент времени t i , (число реализации процесса); j - порядковый номер экспериментальных точек, полученных в момент времени t i (1 < j ≤ m i);
- оценка математического ожидания (среднее арифметическое) процесса(t), определяемая по всем реализациям процесса, наблюдаемым в момент t i , т.е.

.

Для стационарного процесса повреждения (изнашивания) результаты испытаний по дисперсии выравниваются квадратической зависимостью вида

.

Если величина a 2 t 2 в пределах изучаемого интервала времени оказывается незначительной по сравнению с a 1 t, то последним слагаемым можно пренебречь. Если a 1 t << a 2 t 2 , то считают, что процесс характеризуется доминирующим влиянием начального качества образцов. Экстраполяция для такого процесса может быть осуществлена на основе испытаний как минимум нескольких образцов.

Для эргодического процесса оценка ресурса может быть получена испытаниями даже одного образца, но достаточно большой продолжительности.

Практически можно считать, что экстраполяция по времени дает удовлетворительную оценку долговечности при продолжительности испытаний не менее 40…70% ресурса изделия. Этот принцип может применяться для изделий, процессы исчерпания ресурса которых достаточно хорошо изучены. Вообще, проблема экстраполяции по времени требует решения в каждом конкретном случае трех основных задач /22/:

1) выбора уравнения состояния, достаточно надежно описывающего экспериментальные результаты в области изменения параметров испытаний;

2) исследования поведения выбранного уравнения вне области эксперимента, что сводится к определению оценки точности прогнозирования;

3) выбора объема экспериментальных данных, обеспечивающих надежный прогноз на заданный срок службы.

Так, в результате многочисленных исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом, для прогнозирования длительной прочности конструкционного металла на сроки службы более 100 тыс. час. рекомендована температурно-временная зависимость типа

,

где a, n, b, c - параметры-константы, отражающие индивидуальные особенности материала; Т - абсолютная температура;  - напряжение.

Усечение спектра нагрузок заключается в отбрасывании определенной части нагрузок, не оказывающих заметного повреждающего воздействия на объект испытаний. Большинство реальных машин и их элементов подвержены в условиях эксплуатации воздействию определенного спектра случайных или периодически повторяющихся нагрузок. Точное воспроизведение этого спектра нагрузок представляет значительные технические трудности, поэтому в большинстве случаев проводят статистический анализ повторяемости нагрузок различных уровней в эксплуатационном спектре нагружения объекта и составляют программный блок нагрузок, имитирующий с той же степенью приближения спектр эксплуатационных нагрузок.

При испытаниях изделия многократно воспроизводят программный блок нагрузок, а ресурс, полученный в результате программных испытаний, считают оценкой ресурса изделия в эксплуатационных условиях. Недостаток такого подхода - большая длительность испытаний для изделий высокой надежности. С целью сокращения длительности программных испытаний в определенных случаях может быть использован принцип усечения спектра нагрузок.

Частным случаем усечения спектра нагрузок является использование из всего рабочего цикла, состоящего из пуска, установившегося движения и останова, только двух элементов - пуска и останова. Целесообразность применения этого принципа основана на свойствах некоторых механизмов сохранять высокую износостойкость при установившемся движении, которое характеризуется гидродинамическим трением. Во время пуска или останова наблюдается граничное или даже сухое трение, приводящее к значительному износу рабочих поверхностей.

Исходя из предположения, что установившееся движение не приводит к существенному износу, в испытаниях воспроизводят режим пусков и остановов. Ресурс при этом пересчитывают по следующей формуле, пренебрегая временем пусков и остановов:

,

где N - число пусков-остановов; - средняя продолжительность интервала между пусками, определяемая по данным эксплуатации или расчетным методом с учетом функционального назначения испытываемого объекта.

Испытания по этому принципу дают несколько завышенную оценку ресурса, но в большинстве случаев вполне приемлемую для практического использования.

Форсирование пусками-остановами применяется при ускоренных испытаниях коробок передач, муфт сцепления, электродвигателей и других механизмов и агрегатов, работающих в циклических режимах эксплуатации.

Принцип учащения рабочих циклов основан на увеличении частоты циклического нагружения или скорости движения под нагрузкой испытуемого элемента изделия. Предполагается, что долговечность изделия, выраженная в количестве циклов до предельного состояния, не зависит от частоты приложения нагрузки. При этом коэффициент ускорения определяется заранее из выражения

,

где f y , f н - частота приложения нагрузки соответственно при ускоренных и нормальных испытаниях.

Принцип учащения рабочих циклов используется при стендовых испытаниях изделий и их элементов. Коэффициент ускорения ограничивается скоростными возможностями испытательного оборудования, а иногда и возникновением сопутствующих процессов (например, повышением температуры), искажающих прямой переход к нормальным условиям по частотам.

Модификацией принципа учащения рабочих циклов является проведение испытаний подвижных сопряжений деталей машин на изнашивание при повышенных скоростях скольжения v.

Выражая ресурс по износу в виде накопленного пути трения L и считая в первом приближении, что L y = L н (это условие может быть корректно применено к процессу изнашивания лишь в очень ограниченном диапазоне изменения скоростей скольжения), можно определить коэффициент ускорения: k y = V y /V н.

Для практической реализации этого принципа необходимо сохранение параметров, определяющих физические условия трения, в тех же пределах, что и при нормальных испытаниях. Так, для поддержания заданного температурного режима необходимо в ускоренных испытаниях использовать охлаждение поверхностей трения. Кроме того, увеличение частоты вращения, например, для подшипников скольжения может замедлить процесс изнашивания благодаря переходу от граничного к гидродинамическому трению.

Вообще, применение принципа учащения рабочих циклов требует экспериментального обоснования режимов ускоренных испытаний во избежание получения несопоставимых результатов.

Принцип сравнения основан на проведении испытаний изделия в форсированном режиме и пересчете полученных результатов с помощью известных данных по эксплуатации аналогичных изделий.

В зависимости от имеющейся информации оценка надежности изделий производится тремя способами:

1) сравнением долговечности двух изделий по результатам только форсированных испытаний;

2) сравнением долговечности изделий, испытываемых в форсированном режиме, с результатами испытаний в этом режиме изделия-аналога и данными его эксплуатации;

3) пересчетом результатов испытаний изделий в форсированном режиме применительно к нормальному режиму по имеющейся зависимости ресурса от уровня нагрузки.

Первый способ применяется в чисто сравнительных испытаниях двух изделий при выявлении более долговечного из них. При этом считается, что изделие, проработавшее больше в форсированном режиме, имеет больший ресурс и в нормальных условиях. Это правомерно при условии, что зависимости ресурса от уровня форсирующего фактора для сравниваемых изделий не пересекутся в интервале от номинального до форсированного уровней форсирующего фактора.

Второй способ предполагает наличие информации о долговечности изделия-аналога в форсированном и нормальном режимах. Определяемый из этой информации коэффициент ускорения для аналога умножается на значение наработки до предельного состояния, полученной при испытании нового изделия в форсированном режиме. Такая оценка производится в предположении, что физические свойства, определяющие зависимость ресурса от уровня форсирующего фактора, у нового изделия и изделия-аналога близки. Этот способ наиболее приемлем для испытания новых изделий массового производства, по которым имеется обширная информация о надежности предыдущих модификаций.

Третий способ основан на пересчете результатов форсированных испытаний посредством имеющейся зависимости ресурса изделия от нагрузки.

Принцип «доламывания» является достаточно универсальным принципом ускорения испытаний, который применяется при ресурсных испытаниях элементов машин и конструкций на усталость, изнашивание и длительную прочность.

Для пояснения этого принципа в применении к задачам ускоренной оценки ресурса изделия при некотором эксплуатационном режиме нагружения представим себе, что мы имеем несколько однотипных изделий с различными наработками при эксплуатационном режиме нагружения. В общем случае эти изделия в результате различной продолжительности эксплуатации получают различную степень повреждения в зависимости от той доли, которую составляет их эксплуатационная наработка от всего ресурса при том же эксплуатационном режиме нагружения. Однако, не зная ресурса изделия при эксплуатационном нагружении, невозможно оценить эту долю в предположении о линейном суммировании повреждений, когда доля вносимого в единицу времени повреждения постоянна и не зависит от начала отсчета по шкале времени.

Принцип «доламывания» предполагает для оценки степени повреждения объекта испытаний за время эксплуатационной наработки подвергнуть объект испытаний воздействию форсированного режима нагружения и на этом режиме довести объект до предельного состояния («доломать» его).

В результате «доламывания» объекта оценивается его остаточный ресурс на форсированном режиме. Путем сравнения полученного остаточного ресурса объекта с полным ресурсом нового (без предварительной эксплуатационной наработки) объекта того же типа на форсированном режиме нагружения оценивается степень повреждения (степень исчерпания ресурса) объекта за время его эксплуатационной наработки. Если полный ресурс объектов испытаний на форсированном режиме нагружения не известен, необходимо несколько новых объектов из той же партии испытать на этом режиме до предельного состояния и оценить таким образом средний ресурс объектов при форсированной нагрузке, что не займет много времени при правильном выборе коэффициента форсирования нагрузки.

Принцип «запросов» применяется при ускоренных испытаниях изделий машиностроения, отказ которых обусловливается постепенным накоплением износных повреждений, проявляющихся в монотонном изменении уровня контролируемого выходного параметра (износа лимитирующего элемента, производительности, расхода энергии и др.).

Ускоренные ресурсные испытания по принципу запросов предназначены для ориентировочной оценки ресурса испытываемого образца изделия до достижения заданного предельного износа или оценки износа, соответствующего заданной наработке изделия в нормальном режиме. Под износом здесь понимается изменение любого параметра, характеризующего степень постепенной утраты испытуемым изделием ресурса. Износ отсчитывается от начала испытаний.

Принцип «запросов» применим для объектов со стационарным и нестационарным изнашиванием в нормальном режиме. Наиболее эффективно использование данного метода для нестационарного изнашивания, когда интенсивность изнашивания (или скорость размерного износа) зависит от величины накопленного износа. При наличии информации о стационарности изнашивания объекта в эксплуатации целесообразнее использование методов сокращенных испытаний (ускоренных испытаний, не связанных с форсированием режимов).

Испытания по принципу «запросов» проводятся при последовательном ступенчатом чередовании нормального и форсированного режимов в процессе испытаний каждого образца. В процессе испытаний устанавливается зависимость интенсивности изнашивания в нормальном режиме от уровня накопленного изделием износа при условии, что эта зависимость, полученная по результатам ступенчатых испытаний, справедлива для процесса изнашивания в нормальном режиме в интервале от момента окончания приработки до накопления предельного износа. Ускоренное получение всего необходимого ряда уровней накопленного износа обеспечивается испытаниями на ступенях с форсированным режимом (форсированных ступенях).

Достоверность результатов испытаний кроме прочих факторов (погрешности измерений и т.п.) определяется правильностью выбора вида функции изменения интенсивности изнашивания от уровня накопленного изделием износа (или соответствующей функции накопления износа от времени). В процессе обработки результатов испытаний возможна корректировка с целью выбора функции, отличной от предварительно выбранной и приводящей к меньшей по сравнению с ней погрешностью результатов.

При испытаниях по данному методу в качестве нормального режима на соответствующих ступенях применяют любой режим, по отношению к которому оценивается ресурс изделия: постоянный режим, режим с циклическим или стационарным случайным изменением уровня внешних нагрузочных воздействий и др. Параметры нормального режима должны задаваться нормативно-технической документацией, отражающей требования к надежности изделия. При отсутствии таких требований параметры нормального режима назначают в соответствии с требованиями работы изделия в эксплуатации по общим правилам выбора режимов нормальных ресурсных испытаний.

Форсированный режим должен быть выбран таким, чтобы скорость изнашивания на каждой ступени с нормальным режимом (нормальной ступени) при данном значении износа (или в данном диапазоне износа) не зависела от того, при каком режиме был накоплен этот износ - форсированном или нормальном.

К возможным причинам невыполнения этого требования относятся следующие:

а) форсированный режим обладает свойством избирательности по отношению к отдельным элементам изделия, что приводит к изменению относительного распределения износа:

Между отдельными деталями и узлами изделия;

Между поверхностями трения сопряжения;

По отдельным участкам одной и той же поверхности трения и т.п.;

б) форсированный режим приводит к значительным изменениям физико-химического состояния поверхностей трения по отношению к условиям работы в нормальном режиме или изменениям, совершенно не свойственным таким условиям, например, пластическому деформированию поверхностных слоев, шаржированию абразивных частиц на поверхности трения, образованию дополнительных вторичных структур и др.

Отсутствие последействия режима в отношении скорости изнашивания на последующей нормальной ступени можно подтвердить непосредственно в процессе испытаний нескольких образцов изделия по настоящему методу. С этой целью испытания двух образцов строятся так, что износ, накопленный в одном из.образцов в нормальном режиме после первой форсированной ступени, достигается другим образцом путем испытаний только в нормальном режиме. При этом скорость изнашивания в нормальном режиме после форсированной ступени для одного образца сопоставляется с аналогичной скоростью изнашивания для второго образца.

Испытания каждого испытуемого образца методом запросов начинают с приработочной ступени, проводимой в режиме, установленном для приработки данного изделия. После окончания ступени производят измерение приработочного износа.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО СТАНДАРТАМ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

НАДЕЖНОСТЬ В ТЕХНИКЕ. УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

РД 50-424-83

Москва

ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ

РАЗРАБОТАНЫ Государственным комитетом СССР по стандартам ИСПОЛНИТЕЛИ

В.Ф. Курочкин, А.И. Кубарев, Е.И. Бурдасов, И.З. Аронов, Ж.Н. Буденная, К.А. Криштоф, Н.А. Сачкова, Т.Н. Дельнова, А.И. Кусков, Р.В. Кугель, В.П. Важдаев, К.И. Кузьмин, Л.Я. Подольский, Л.П. Лозицкий, А.Н. Ветров, В.Ф. Лопшов, В.Н. Любушкина, В.К. Медвежникова

ВНЕСЕНЫ Государственным комитетом СССР по стандартам

УТВЕРЖДЕНЫ И ВВЕДЕНЫ В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 10 октября 1983 г. № 4903

РУКОВОДЯЩИЙ НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ

Утверждены Постановлением Госстандарта от 10 октября 1983 г. № 4903, срок введения установлен с 1 января 1985 г.

Настоящие методические указания распространяются на изделия машиностроения и приборостроения и устанавливают основные принципы ускорения испытаний на надежность, которые рекомендуется применять при разработке нормативно-методической (программы и методики) и технической (испытательное оборудование) основ системы государственных испытаний продукции по ГОСТ 25051.0-81.

Основные понятия в области ускоренных испытаний на надежность и их определения приведены в справочном приложении.

. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

где CN,N и - срок службы N -гo объекта в выборке объема N , упорядоченной по возрастанию, при нормальных и ускоренных испытаниях, соответственно;

М - оператор математического ожидания.

Коэффициент пересчета показателей надежности, выраженных через календарную продолжительность, определяют по методу равных вероятностей (черт. 1), который заключается в следующем. На стадии предварительных исследований берут две случайные выборки из одной и той же партии изделий. Одна из них испытывается в нормальных условиях, другая - в режиме ускоренных испытаний. В процессе испытаний фиксируются моменты отказа изделий. По полученным экспериментальным данным находится функция K 1,p (см. черт. ) как геометрическое место точек, соответствующих равным квантилям р. Чтобы убедиться, что функция K 1,p, будет инвариантом производства, необходимо повторить эксперимент на нескольких партиях. При наличии функции K 1,p результаты ускоренных испытаний любой другой выборки приводятся к нормальным условиям.

Если же показатель надежности подсчитывают по наработке, то коэффициент пересчета равен единице.

Пересчет показателей надежности по методу равных вероятностей

С и С* - срок службы при нормальных и ускоренных испытаниях, соответственно; Р - вероятность недостижения предельного состояния; K 1,p - функция пересчета

где αi , αj - доли наработки в i -м нормальном и j -м форсированном режимах, соответственно;

Kji = 1 / Kij - коэффициент пересчета от j -го форсированного режима к i -му нормальному;

Ki - коэффициент пересчета от комплексного форсированного режима к i -му нормальному;

Kj - коэффициент пересчета от j -го форсированного к комплексному нормальному.

480 руб. | 150 грн. | 7,5 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут , круглосуточно, без выходных и праздников

240 руб. | 75 грн. | 3,75 долл. ", MOUSEOFF, FGCOLOR, "#FFFFCC",BGCOLOR, "#393939");" onMouseOut="return nd();"> Автореферат - 240 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Трушин Евгений Иванович. Исследование и разработка методов и средств ускоренных испытаний трансмиссий угледобывающих машин: ил РГБ ОД 61:85-5/333

Введение

Глава I. Состояние вопроса. задачи и методология исследований

1.1. Долговечность трансмиссий режущих частей очистных комбайнов и методі ее определения 9

1.2. Опыт проведения стендовых ресурсных ускоренных испытаний зубчатых трансмиссий в других отраслях машиностроения 4S

1.3. Анализ конструкций стендов для ресурсных испытаний трансмиссий

1.4. Испытания трансмиссий режущих частей очистных комбайнов 50

1.5. Задачи исследования 57

1.6. Общая методология исследований 58

Глава 2. Совдание методики стендовых ресурсных ускоренных испытаний трансшссий режущих частей очистных комбайнов

2.1. Область применения и задачи ускоренных испытаний Q4

2.2, Расчет режимов нагружения при стендовых ресурсных испытаниях ^

2.3, Обоснование и разработка критериев предельного состояния объекта испытаний 54

2.4. Виды повреждений и методика дефектировки зубчатых передач трансмиссий очистных комбайнов $5

2.5. Определение эксплуатационного ресурса по результатам стендовых испытаний

2.6. Точность оценки эксплуатационного ресурса по результатам стендовых ускоренных испытаний 65

Глава 3. Универсального нагрузочного стенда для ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий резщих частей очистных комбайнов

3.1. Конструктивные особенности очистных комбайнов, обуславливающие компоновочные решения стенда 72

3.2. Принципиальные схемы стендов для ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов 76

3.3. Основные технические требования к универсальному нагрузочному стенду /

3.4. Разработка и создание универсального нагрузочного стенда

Глава 4. Экспериментальные исследования и ускоренные ресурсные испытания трансшссий рещих частей очистного комбайна

4.1. Методика экспериментальных исследований. 90

4.2. 97

4.3. Определение экспериментального коэффициента перехода от ресурса при стендовых испытаниях к эксплуатационному ресурсу 40$

Выводы №

Глава 5. Анализ результатов экспериментальных исследований

5.1. Развитие усталостного выкрашивания зубьев шестерен в процессе исчерпания ими ресурса МО

5.2. Сопоставление результатов расчета зубчатых колес комбайна IKI0I на контактную выносливость с их фактической долговечностью. /2о

5.3. Дальнейшее совершенствование конструкции испытательного стенда /30

5.4. Перспективы развития работ по ускоренным стендовым ресурсным испытаниям /32

5.5. Народнохозяйственный эффект от внедрения методики и средств для ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов. 435

Выводы /37

Общие выводы по работе /39

Литература

Введение к работе

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 г. намечено "ускорить разработку и освоение серийного производства высокопроизводительных комплексов оборудования для выемки угля в сложных горно-геологических условиях и проведения подготови -тельных выработок...Увеличить производственные мощности угольного машиностроения, с тем чтобы полностью удовлетворять потребности народного хозяйства в высокопроизводительном надеж -ном горно-шахтном оборудовании...".

Прогресс современного угольного машиностроения, предполагающий дальнейшее совершенствование технических параметров машин, невозможен без обеспечения их высокой долговечности, одним из основных показателей которой является технический ресурс

Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что долговеч -ность горных машин еще не соответствует требуемому уровню. Так, средний межремонтный срок службы основных серийных очистных комбайнов IKIOI, 2К52, ІГШ68 составляет 12 месяцев (1500 часов машинного времени, что значительно меньше их расчетной долговечности 5000 ч.) .

Долговечность очистного комбайна в значительной степени определяется ресурсом трансмиссии привода его исполнительного органа (режущей части); машина выдается в капитальный ремонт практически только после достижения трансмиссией предельного состояния. Это объясняется тем, что корпусные детали редукторов являются основным несущим элементом всей конструкции комбайна, а трудоемкость ремонта трансмиссии в лаве весьма велика.На простои режущих частей комбайна ІКІ0І приходится 19,1$, 2К52 -21,7^, НШЗМ - 9,9$ простоев комбайнов в целом, трудоемкость устране - ния отказов по трансмиссиям составляет соответственно 26,2$, 33,5$ и 12,7$ от общей трудоемкости (данные ИГД им.А.А.Скочин-ского)

В процессе создания новых и производства серийных машин, а также при проведении капитальных ремонтов, показатели долговечности машин должны проверяться экспериментальным путем. Получение данных о долговечности изделий угольного машиностроения базируется до настоящего времени на результатах наблюдений за их эксплуатацией. Из-за сложных условий эксплуатации для получения количественных характеристик долговечности с требуемой точностью требуется время, исчисляемое годами. Вследствие этого в серийное производство запускаются машины, долговечность которых определена практически только расчетным путем, т.к. наработка за время приемочных испытаний опытного образца составляет всего 5-10$ от заданного ресурса. Мероприятия по повышению качества серийной продукции, осуществляемые без достаточно представительной экспериментальной проверки, оказываются не всегда эффективными. Таким образом, одной из причин недостаточной долговечности трансмиссий очистных комбайнов является от -сутствие оперативного контроля качества их изготовления и ремонта.

В последние два десятилетия широкое применение для оценки ресурса деталей, сборочных единиц и машин в сборе получили стендовые ускоренные ресурсные испытания вероятностные методы расчета деталей машин на усталость позволили обосновать выбор запасов прочности и допускаемых напряжений на основе вероятностных аспектов о разрушении и надежности в условиях эксплуатации.

Применительно к горным машинам расчетные методы прямой или косвенной оценки долговечности наиболее полно представлены в работах А.В.Докукина, В.Н.Гетопанова, Ю.Д.Красникова, Е.З. Позина, П.В.Семенчи, В.И.Солода, Г.И.Солода, А.Г.Фролова, В.Н. Хорина, В.А.Дейниченко, Г.С.Рахутина, В.В.Солодухина, З.Я.Хур-гина и др. .

Так, в работах на основании обширных исследований режимов работы горных машин доказано, что действующие в трансмиссиях нагрузки носят стохастический характер, обусловленный свойствами процессов разрушения, погрузки и перемещения горной массы. Изучение и определение нагрузок в элементах горных машин базируется на вероятностных методах, в част -ности, на теории случайных функций. Следует отметить, что расчеты важнейших элементов горных машин (зубчатых и цепных передач валов, осей и др.) доведены до уровня отраслевых стандартов .

Метод статистического (вероятностного) моделирования заключается в разработке и исследовании функционирования математической модели динамической системы

Оценку долговечности машин можно производить в лабораторных условиях методом стендовых ресурсных испытаний, роль которых в современном машиностроении определяется ростом требований и надежности оборудования, вопросами стандартизации, растущей потребностью ускорения темпов проверки и реализации новых конструкций.

Особую остроту решение этих вопросов приобретает применительно к очистному оборудованию. Высокая стоимость простоев лавы предъявляет повышенные требования к надежности трансмиссий режущих частей очистных комбайнов. Стендовые испытания дают возможность в сопоставимых условиях и с меньшими затратами определять уровень качества изделия, установленный соответствующими стандартами.

Возможность определения ресурса при стендовых испытаниях в весьма короткие сроки позволяет значительно уменьшить расходы, связанные с отказами изделий при эксплуатационной проверке.

Ускорение испытаний осуществляется за счет исключения технологических пауз, неизбежных в эксплуатации, т.е. за счет непрерывности испытательного процесса, а также за счет интенсификации различными способами процессов утраты ресурса изделиями.

Несмотря на то, что финальной проверкой всех свойств изделия является эксплуатация, на основании которой выносится окончательное суждение о его долговечности, стендовые ускоренные ресурсные испытания являются в настоящее время одним из наиболее перспективных средств оперативного контроля уровня долговечности; они применяются как для ускорения отработки опытных конструкций, обеспечивая им заданную долговечность на стадии освоения, так и для контроля качества серийной продукции в процессе изготовления, ремонта и после модернизации конструкции или внедрения более совершенных технологических процессов ее производства.

Анализ различных методов оценки долговечности машин позволяет сделать выводы:

I.Аналитический метод и метод статистического моделирования заключаются в совместном анализе действующих нагрузок и прочностных характеристик деталей, и дают косвенную оценку долговечности машин через коэффициенты запасов прочности их деталей и должны проверяться исследованиями работы машин в эксплуатационных или близких к ним условиях.

2.Статистически достоверная информация о долговечности машин может быть получена только по результатам промышленной эксплуатации изделий, однако большая длительность процесса снижает ценность этой информации,

3.Стендовые ускоренные ресурсные испытания позволяют получать информацию о долговечности машин в значительно более короткие сроки, чем по результатам эксплуатационных испытаний или наблюдений за эксплуатацией изделий.

1,2. Опыт проведения стендовых ускоренных ресурсных испытаний зубчатых трансмиссий в других отраслях машиностроения

Ускоренными испытаниями называются испытания продукции, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации в более короткий срок, чем в предусмотренных условиях и режимах эксплуатации .

Разработка общих положений, принципов и рекомендаций по методикам ускоренных испытаний в машиностроении нашла свое отражение в трудах Р.В.Кугеля, С.С.Дмитриченко, Г.И.Скундина, И.Н.Величнина, О.Ф.Трофимова, В.В.Гольда, А.Д.Левитануса, Х.И.Хазанова. Е.Гасснера, и других авторов

В процессе доводки ресурсным испытаниям подвергаются отдельные детали, сборочные единицы, а также машины в сборе.

Режимы и методы испытаний выбираются таким образом, чтобы были обеспечены минимальные продолжительность и стоимость испытаний. Наиболее распространенными способами ускорения испытаний являются: уплотнение рабочих циклов; учащение рабочих циклов; экстраполяция по времени; усечение спектра нагрузок; форсирование по нагрузке.

Уплотнение рабочих циклов осуществляется за счет исключения неизбежных в эксплуатации технологических пауз при непрерывном ведении испытаний и позволяет достигать высоких значений коэффициента ускорения по календарному времени Ку.

Принцип учащения рабочих циклов основан на увеличении скорости приложения действующих нагрузок и предполагает независимость (в определенных пределах) долговечности изделия от частоты приложения нагрузки. Коэффициент ускорения при этом пропорционален отношению частот приложения нагрузок при ускоренных и нормальных испытаниях fy и fn "

Экстраполяция по времени позволяет ускоренно оценивать долговечность по начальным результатам испытаний изделий,для которых достаточно хорошо изучены закономерности процессов исчерпания ресурса.

Усечение спектра нагрузок заключается в воспроизведении при испытаниях части эксплуатационных нагрузок, оказывающих наиболее повреждающее воздействие.

В тех случаях, когда запасы прочности деталей объектов испытаний достаточно велики, для ускорения испытания проводятся при увеличенных (форсированных) по сравнению с максимальными эксплуатационными,нагрузках.

В основе выбора того или иного способа лежит необходимость обеспечения тождественности видов и характера повреждений на стенде и в эксплуатации. Это достигается учетом сложности и многообразия, процессов разрушения деталей, каждый из которых имеет свою критическую область. При переходе этой области происходят его качественные изменения . Режимы испытаний выбираются так, чтобы эта критическая область не была достигнута и, следовательно, осталась неизменной качественная сторона процесса разрушения.

Различные изделия машиностроения как правило состоят в своей основе из нескольких групп наиболее широко применяемых элементов, выполняющих одинаковые функции, таких как валы, подшипники, зубчатые передачи, уплотнения и т.д. Несмотря на многообразие конструктивных решений, применяемых материалов и условий эксплуатации машин различного назначения в методическом подходе к ресурсным испытаниям этих элементов много общего.

Зубчатые передачи являются наиболее ответственными элементами конструкций ряда машин, определяющими их технические показатели и в первую очередь ресурс. Организацией и проведением стендовых ресурсных ускоренных испытаний зубчатых передач занимается ряд научно-исследовательских организаций и машиностроительных заводов: ЩИИТмаш, ШИИетройдормаш, НАТИ, ЗИЛ, ХТЗ и др., а в последние годы для горных машин -Гипроуглемаш и ИГД им.А.А.Скочинского /г

Большой опыт проведения стендовых ресурсных ускоренных испытаний трансмиссий накоплен в автомобильной промышленности. Чаще всего при испытаниях агрегатов на долговечность применяется постоянный либо по скорости, либо по нагрузке режим. Нагрузка выбирается по возможности близкой к максимально возможной, равной например, максимальному крутящему моменту двигателя. Коробку передач испытывают таким образом на всех ступенях передач, регистрируя число циклов до разрушения. При испытаниях по такой методике, в силу различия между испытательным режимом и эксплуатационным, нет строгого соответствия между долговечностью агрегата в стендовых условиях и в эксплуатации.

Пересчет долговечности в этом случае осуществляется путем сопоставления результатов испытаний с данными эксплуатации тех же моделей. Кроме того, при таком методе действи -тельная долговечность шестерен не выявляется, так как их долговечность в эксплуатации зависит от чередования нагрузочных режимов.

Несоответствие нагрузок модет влиять также на характер повреждений вследствие изменения деформаций конструкции.Иными словами, методика испытаний на долговечность должна учитывать весь диапазон эксплуатационных нагрузок. Это достигается программированием режимов испытаний. Реальные процессы нагружения элементов автомобильных трансмиссий весьма сложны и представляют собой в большинстве случаев нестационарные случайные процессы, воспроизведение которых в стендовых условиях весьма сложно. Кроме того, такие испытания, лишь воспроизводящие реальные нагрузки, не дают существенного сокращения продолжительности испытаний. Поэтому в практике ис- питаний идут по пути создания условного схематизированного процесса, эквивалентного по повреждающему воздействию реальному. Случайный характер чередования в эксплуатации нагрузок различной величины с достаточной точностью может быть заменен эквивалентным по повреждающему воздействию воспроизведением циклов напряжений, входящих в состав случайного процесса.

В основе программирования лежит гипотеза суммирования повреждений ["99] , записываемая в общем виде: ^- Mi ~ а > где Ґіі -число циклов действия напряжений данного уровня; /|/2 -число циклов до разрушения при напряжениях этого уровня; CL -величина, характеризующая сопротивляемость детали действующим нагрузкам в зависимости от ее материала, размеров, а также условий нагружения. При программных испытаниях может быть получена уточненная оценка интенсивности накопления усталостных повреждений для конкретного спектра нагрузок, присущего данной конструкции, а также объективно учтено влияние как высоких уровней нагружения, так и напряжений ниже предела выносливости.

Составление программ испытаний производится на основании результатов статистической обработки записей нагрузок в эксплуатации.

При последовательном воспроизведении нагрузочных блоков трансмиссию доводят до разрушения. Эксплуатационная долговечность определяется по формуле: где ^ -количество нагрузочных блоков; \ -временной эквивалент одного программного блока.

Проведением ускоренных ресурсных испытаний тракторных коробок передач, бортовых передач, ведущих мостов занимаются НАГИ, ХТЗ и другие организации отрасли.

Применяемые методы и режимы испытаний зависят от условий работы и видов повреждений зубчатых колес в эксплуатации. Ускорение испытаний достигается путем форсирования режимов нагру-жения.

Нагружение испытуемых колес осуществляется в тех же корпусах, что и в эксплуатации. При этом достигается воспроизведение основных эксплуатационных условий работы (смазочный и температурный режимы, влияние жесткости корпусов и валов и т.д.). Для испытания новых узлов, для которых не накоплен опыт эксплуатации, нагружающий момент задается обычно равным 1,3 от расчетного.

На ХТЗ выполнены исследования по определению предельно-допустимого нагрузочного режима при ускоренных испытаниях зубчатых передач. В качестве ограничительного критерия была принята температура масла в зоне контакта зубьев. На основании исследований была предложена зависимость, позволяющая определить величину максимально допустимого по заеданию нагружающего момента в зависимости от геометрии зацепления и скоростей скольжения.

На ХТЗ проводят также испытания зубчатых колес на контактную выносливость по методике, разработанной НАТИ. Испытаниям подвергаются три комплекта колес, которые перед обкаткой проходят контроль на соответствие требованиям чертежей. Обкатка испытуемых колес производится при следующих режимах нагружения: без нагрузки - 7 часов; с нагрузкой - 25$ - 7 часов; г* с нагрузкой 50$ - 7 часов.

За 100$ нагрузки принимается заданный методикой испытаний максимальный момент г/ц. Испытания проводят в течение 500 часов при постоянной нагрузке, при этом для увеличения удельной контактной нагрузки колеса смещены вдоль оси на половину ширины зуба. Температура масла во время испытаний с помощью охлаждающего устройства поддерживается в пределах 70-80С.

При определении изгибной выносливости зубьев испытуемые колеса устанавливаются в своих корпусах, а нагружающий момент составляет 1,3 от наибольшего момента в эксплуатации.

Продолжительность испытаний определяется по формуле: / -ШІ L 60пе? где /?

В случае поломки какого либо вала или шестерни они заменяются новыми и испытания продолжаются. Обычно испытывают параллельно 2-3 коробки передач одного типоразмера в течение 1500 ч. Если за это время не происходит поломок, их долговечность гарантируется в пределах 6000 ч.

Таким образом, ресурсные испытания трансмиссий в автотракторной промышленности являются, как правило, сравнительными.

Институт ВНИИСТРОДЦОРМАШ проводит ускоренные ресурсные испытания трансмиссий бульдозеров, скреперов и других машин . При ресурсных испытаниях отработанных конструкций, при наличии накопленного материала по результатам испытаний аналогичных конструкций или установленной на основании многочисленных наблюдений связи между результатами испытаний и данными эксплуатации, применяется режим испытаний с постоянной нагрузкой.

Для определения показателей долговечности новых или модер низированных конструкций, оценки эффективности мероприятий по увеличению долговечности выпускаемой продукции, при выборе оп- ^ тимального конструктивного варианта трансмиссии, испытания про- \ > водят при программированном режиме. \

Проведению испытаний предшествует: проведение инструментальных замеров нагрузок при типичных условиях эксплуатации; выбор на основании данных эксплуатации типичных условий нагружения; разработка.режима ускоренных испытаний.

В зарубежном автостроении стендовые ускоренные испытания занимают прочное место в технологической цепочке создания новых машин.

Так, фирма И//2: (ГДР) проводит комплексные испытания узлов автомобильных трансмиссий. Программа испытаний составляется на основе статистической обработки результатов дорожных испытаний. Для ускорения испытаний применяется метод увеличения нагрузок эксплуатационного спектра при сохранении распределения частот отдельных нагрузок. іирма "Детройт Дизел Аллисон" (США) перед постановкой на производство любой новой трансмиссии проводит в большом объе-еме ее стендовые испытания. Нормирование испытательного цикла осуществляется с помощью вычислительной машины, в которую вводятся прочностные параметры деталей и факторы их эксплуатационной нагруженности.

Критерии долговечности отдельных зубчатых передач в зависимости от материалов, видов и режимов термообработки, условий смазки, способов коррекции и пр. постоянно являются предметом исследований на специальных стендах в СССР и за рубежом.

В горном машиностроении большой вклад в решение этих вопросов внесли Я.Й.Альшиц, А.И.Петрусевич, П.В.Семенча, Г.И.Солод, Л.А.Молдавский, В.П.Онищенко, Ю.А.Зислин, В.В.Солодухин, М.Б. Блитштейн, В.А.Дейниченко

В ИГД им.А.А.Скочинского накоплен большой опыт проведения усталостных испытаний на прочность и изгибную выносливость зубьев зубчатых колес на гидропульсаторах. Результаты этих исследований изложены в работах П.В.Семенчи и Ю.А.Зислина. На основании проведенных исследований разработан комплекс предложений по повышению прочности, долговечности и совершенствованию методов расчетов зубчатых передач.

Следует отметить, что ресурсные испытания отдельных деталей трансмиссий при всей их важности не могут дать комплексной оценки долговечности редуктора в целом с учетом взаимного влияния деталей друг на друга вследствие различных причин: деформаций валов и корпусных деталей, неточностей изготовления и пр.

Из представленного обзора следует, что ресурсные испытания трансмиссий различных машин проводятся рядом организаций и фирм с целью прогнозирования их долговечности. Ресурсные испытания развиваются в направлении сокращения сроков испытаний, в чем достигнуты значительные успехи. Так коэффициент ускорения по календарному времени . При испытаниях трансмиссий с разветвленными кинематическими схемами (имеющих несколько выходных валов) иногда применяется комбинация упомянутых способов, при которой одни валы нагружаются замкнутым, другие - разомкнутым способами.

На стендах с замкнутым потоком нагружение испытуемых объектов осуществляется за счет внутренних сил сопротивления замкнутого силового контура с циркуляцией мощности. Преимуществом этих стендов является их высокая экономичность, т.к. мощность приводного двигателя определяется только потерями (механическими, электрическими и т.д. в зависимости от способа замыкания) в контуре. Однако наличие дополнительных устройств для замыкания усложняет конструкцию стенда и в известной степени снижает его надежность.

В стендах с разомкнутым потоком нагружение осуществляется с помощью различных тормозных устройств, превращающих в тепло передаваемую им энергию. Разомкнутые стенды не экономичны, но более универсальны и поэтому получили большое распространение.

Конструированием и изготовлением испытательных стендов занимаются различные машиностроительные предприятия, а также проектные и научно-исследовательские организации.

Как было показано в разделе 1.2, стендовые ускоренные ресурсные испытания зубчатых трансмиссий получили широкое распространение в автотракторной промышленности, все больше заменяя при решении ряда технических вопросов дорожные и полигонные испытания.

На рис.1.1 схематично представлен разработанный на ЗИЛе стенд для испытаний коробок передач замкнутым способом22 J

Замкнутый контур образован с помощью замыкающих редукторов 2 и коробки передач 4, аналогичной испытуемой 3. Привод системы осуществляется от электродвигателя б, нагружение - с помощью планетарного нагружателя I. Величина нагрузки в замкнутом контуре контролируется с помощью датчика крутящего момента 5,

Кинематическая схема стенда Минского автозавода для испытаний ведущих мостов автомобиля представлена на рис.1.2 ; очистные комбайны в ходе их производства подвергаются приемо-сдаточным, типовым и периодическим испытаниям на стендах предприятия-изготовителя. Аналогичным испытаниям должны подвергаться комбайны после капитального ремонта на рудоремонтных заводах. Ниже подробно рассмотрены испытания в той или иной степени связанные с проверкой долговечности трансмиссий режущих частей очистных комбайнов.

Стендовые испытания трансмиссий комбайнов проводятся в проектно-конструкторских и научно-исследовательских институтах, а также на машиностроительных предприятиях отрасли. Нагружение испытуемых трансмиссий на стендах производится либо с помощью среды, имитирующей эксплуатационный характер нагружения, либо с помощью специальных устройств. В качестве такой среды при испытаниях гомбайнов применяется углецементный блок. Испытания на углецементном блоке являются (функциональными и ввиду малой продолжительности резания блока, вследствие ограниченности его размеров, обусловленной высокой стоимостью изготовления, не позволяют судить о ресурсе трансмиссий.

Приемо-сдаточные и периодические испытания трансмиссий режущих частей очистных комбайнов проводятся в соответствии с ОСТ 24.070.26-73 . Нагружение испытуемых объектов на этих стендах осуществляется посредством электропорошковых тормозов ТЭП 4500, имеющих независимый от оборотов тормозной момент и не требующих поэтому наличия повышающих редукторов. Соединение выходных валов испытуемых объектов с тормозом производится с помощью карданных валов, упрощающих центровку.

ЛГИ им.Г.В.Плеханова разработал и внедрил на заводе "Красный Октябрь" стенд для испытания после ремонта комбайнов Ш-ІКГ, 2К-52, Ш0І На стенде с помощью нагрузочных машин постоянного тока, подсоединенных к выходным валам испытуемых объектов с помощью мультипликаторов, можно создавать переменные нагрузки и по механическим потерям в трансмиссии проверять качество ремонта приводов исполнительного органа.

Стенд ЛГИ является по своему назначению обкаточным стендом, о чем свидетельствуют проведенные на нем работы для исследования нагруженности зубчатых колес очистных комбайнов, при нагружении только статическим моментом.

В 1969 г. в Гипроуглемаше под руководством автора был разработан стенд CTI7, на котором были проведены ускоренные ресурсные испытания трансмиссии режущей части комбайна "Ш-Старт" к. В этом документе были представлены режимы испытаний, выбор их параметров, даны рекомендации по выбору количества объектов испытаний, организации и порядку их проведения. Составление нагрузочного блока производилось известным методом по накопленной (интегральной) кривой, построенной в соответствии х Научные руководители и исполнители работы -Ю.Д.Краеников. П.В.Семенча, Е7Е.Гольдбухт, Ю.А.Зислин, Э.В.Нулешова, Г.Е. Шевченко, Б.П.Грязнов, А.Н.Вигилев. с нормальным законом распределения действующих нагрузок. Определение параметров режима нагружения предлагалось выполнять в соответствии с математическим ожиданием, дисперсией и корреляционной функцией или спектральной плотностью нагрузок. Однако, как было показано в предыдущем разделе и подтверждено экспериментально в настоящей работе, при испытаниях зубчатых трансмиссий нет необходимости воспроизводить частотный нагрузочный спектр. Основные положения методики не подкреплены опытом, что придает ей несколько умозрительный характер. К числу ее недостатков следу- \ ет отнести также отсутствие конкретных инженерных рекомендаций і по расчету параметров режима нагружения, по выбору количества ] объектов испытаний, по определению продолжительности испытаний, а также по оценке ресурса испытуемого изделия по результатам испытаний.

Для сравнения следует отметить, что в институте Главного угольного управления Великобритании (л/се) имеется уже более чем 15-летний опыт проведения стендовых ускоренных ресурсных испытаний различных редукторов горных машин, включая трансмиссии режущих частей очистных комбайнов fl25J . Опытные комбайны, в том числе выпускаемые частными фирмами, проходят всесторонние исследования на стендах, полигонах, а также на опытных участках в шахте. Для оценки долговечности,в соответствии с принятой методикой,испытания производятся при нагружении выходного вала испытуемой трансмиссии крутящим моментом, соответствующим номинальной мощности приводного двигателя, и радиальной силой, равной половине усилия подачи. Установлено, что редуктору, отработавшему без поломок 1000 ч. гарантирован ресурс в эксплуатации, равный 4000 ч. Такая оценка результатов ресурсных испытаний возможна только при условии стабильности и высокого качества изготовления трансмиссий, а также большого опыта проведения испытаний.

Зарубежные комбайны, закупаемые А/СВ для эксплуатации в угольных бассейнах Великобритании, также проходят стендовые ресурсные испытания в MRDE по приведенной выше методике.

Изложенное позволяет сделать вывод о том, что принятые в производстве испытания трансмиссий режущих частей очистных комбайнов необходимо усовершенствовать как в методическом плане, так и в части создания средствдля проведения ресурсных испытаний»

1,5. Задачи исследования

Приведенный выше анализ методов и средств для испытания различных трансмиссий позволяет сделать следующие выводы: получение данных о долговечности трансмиссий режущих частей очистных комбайнов, базирующееся до настоящего времени на результатах эксплуатационных наблюдений, является весьма длительным процессом, а отсутствие оперативной оценки долговечности приводит к постановке на производство машин с непроверенным ресурсом и затрудняет проведение работ по усовершенствованию конструкций и технологического процесса их производства и ремонта; в СССР и за рубежом во многих отраслях машиностроения получили широкое распространение стендовые ускоренные ресурсные испытания, позволяющие определять ресурс как опытных, так и серийных машин в приемлемые для практики сроки, что в значительной степени определяет их высокий качественный уровень.

Для реализации в отрасли стендовых ускоренных ресурсных испытаний трансмиссий режущих частей очистных комбайнов и в соответствии с целью настоящей работы сформулированы задачи исследования: разработать метод расчета режима нагружения; создать технические средства для проведения ресурсных ускоренных испытаний; установить критерий предельного состояния объектов испытаний и метод оценки степени повреждения зубьев; установить коэффициент перехода для оценки эксплуатационного ресурса по результатам стендовых испытаний; по результатам испытаний разработать рекомендации по повышению долговечности основных элементов трансмиссий.

1.6. Методология исследований

Для решения поставленных задач разработана методология, предусматривающая: обобщение отечественного и зарубежного опыта по исследуемому вопросу в различных отраслях машиностроения; аналитические исследования (методика расчета режимов нагружения, описание результатов испытаний и т.д.); разработку конструкции универсального нагрузочного стенда; экспериментальные исследования (проведение ресурсных испытаний) ; разработку предложений и рекомендаций по повышению долговечности и совершенствованию трансмиссий режущих частей очистных комбайнов, а также по дальнейшему совершенствованию конструкции стенда.

Работа проводилась в Гипроуглемаше и ИГД им. А.А. Скочинско-го в соответствии с Головной темой 01172 отраслевого плана НИР Минуглепрома СССР, а также в рамках соглашения между Минуглепро-мом СССР и Главным угольным управлением Великобритании по теме "Повышение надежности горношахтного оборудования",

В качестве объекта испытаний была выбрана режущая часть серийного комбайна IKI0I, являющейся одной из широко распро- страненных серийных моделей, по которой накоплен большой опыт эксплуатации и различных лабораторных исследований.

Схема методологии исследований представлена на рис.1.4. На основании аналитических исследований условий эксплуатации очистных комбайнов и особенностей конструкций их режущих частей производятся разработки методики проведения стендовых ускоренных ресурсных испытаний и средств для их проведения.

Обработка и анализ результатов проведенных стендовых испытаний режущих частей, количественное и качественное сопоставление видов повреждений деталей трансмиссий на стенде и в эксплуатации дадут возможность: проверить правильность основных положений методики; установить пригодность стендового оборудования и наметить пути его модернизации; определить коэффициент перехода для прогноза эксплуатационного ресурса и дать рекомендации по повышению долговечности испытанных трансмиссий.

Анализ услобий эксплуатации йнапиз конструкта ций комдайноб

Разработка конструкиии стенда

Пробедение ускоренных испытаний

Определение коэффц ииента перехода dm расчета эксплуатационного ресурса

Формиробоние режима ускоренных испытаний

Качественное и mum тбеннре сопоставление оищ повреждений на стенде и б эксплуатации

Обработка и анализ резупьтатоб испытаний

Разработка t предложений по повышению долговечности трансмиссий

Модернизация конструкции стенда І

Рис.1.4. Схема методологии исследований

Опыт проведения стендовых ресурсных ускоренных испытаний зубчатых трансмиссий в других отраслях машиностроения

Главным условием, которое должно выполняться при организации и проведении ускоренных испытаний на ресурс, является воспроизведение на стенде видов и характера повреждений аналогичных эксплуатационным. Наиболее просто это достигается воспроизведением на стенде спектра эксплуатационных нагрузок. Как было показано в разделе 1,2, ввиду технических сложностей на практике пользуются упрощенными способами нагружения. Между режимами стендовых испытаний и эксплуатационными, существует определенная связь, обусловленная необходимостью сравнения количественной и качественной сторон процессов разрушения,

Формирование нагрузок в трансмиссии режущей части очистного комбайна происходит на исполнительном органе машины и определяется сопротивляемостью резанию угля, конструктивными особенностями машины и кинематикой ее перемещения по лаве.

Институтом горного дела им.А.А.Скочинского на основании проведенных исследований разработана экспериментально-статистическая теория резания угля и горных пород. Основные положения этой теории изложены в трудах А.И.Берона, Л.И.Барона, Л.Б. Глатмана, Е.З.Позина .

Случайный характер изменения механических свойств угля, наличие твердых включений и трещин, динамическая структура привода комбайна, неравномерность перемещения комбайна вдоль забоя обуславливают неравномерность нагрузки на исполнительном органе.

Разброс нагрузки вокруг средней (спектр нагруженности) происходит с переменными частотой и амплитудами, которые могут достигать многократных значений от средней величины нагрузки.

Имитация эксплуатационной нагруженности комбайнов в условиях стенда весьма затруднительна. В целях упрощения, пространственная система сил на исполнительном органе может быть заменена осевой и радиальной силами и крутящим моментом, приложенными к выходному валу. Эквивалентная система нагружения выходного вала испытуемой трансмиссии обеспечивает напряженное состояние, а следовательно и деформации деталей аналогичное тому, которое имеет место в эксплуатации.

Основной задачей программирования ресурсных испытаний яв -ляется воспроизведение нагрузочного режима, эквивалентного по повреждающему воздействию спектру эксплуатационных нагрузок, определяемому величиной (амплитудой) действующих нагрузок, их чередованием и длительностью действия.

Проведенными исследованиями установлено, что замена спектра эксплуатационных нагрузок некоторым упорядоченным (нагрузочным блоком) должна производиться с таким расчетом, что бы каждый уровень нагрузок во время испытаний воспроизводился не менее 10-20 раз. Количество ступеней в блоке должно быть не менее 6-8.

Параметры нагрузочного блока - величины нагрузок и продолжительность их действия - определяют параметры приводного электродвигателя и статистические характеристики нагрузок на валу исполнительного органа.

Основными исходными данными для расчета параметров блока являются устойчивые моменты на валах приводного электродвигателя и исполнительного органа Муст и Ми уст, соответствующие эксплуатационному режиму работы и связанные соотношением:

Расчет режимов нагружения при стендовых ресурсных испытаниях

В настоящее время ресурс очистных комбайнов определяется ресурсом их режущих частей, в свою очередь лимитируемым в основном долговечностью зубчатых передач. Более 7($ всех средств, затрачиваемых на приобретение запчастей при капремонтах очистных комбайнов, расходуется на детали трансмиссий, в первую очередь - на зубчатые колеса и валы-шестерни.

Долговечность зубчатых передач, как правило, определяется прежде всего повреждениями их зубьев. Класси(йкация видов повреждений зубьев зубчатых передач в общем и угольном машиностроении приведена в ряде работ , а также с результатами специально организованных наблюдений за эксплуатацией десяти комбайнов