Методы обеспечения надежности изделий машиностроения

4.1. Номенклатура собираемых узлов, испытываемых на стендовом оборудовании

икритические нагрузки

4.2.Виды стендовых испытаний опытных образцов

Число опытных образцов, предназначенных для проведения стендовых испытаний, должно составлять 3—5 опытных образцов. Продолжительность испытаний каждого опытного образца сум-

91

мируется последовательно по каждому виду испытаний и учиты­ вается при проведении ресурсных испытаний, т. е. используются одни и те же опытные образцы.

Рассмотрим цель и назначение каждого вида испытаний, перечисленных в табл. 4.2.

Испытания на функционирование проводятся с целью оп­ ределения значений параметров объекта назначения. Они предназначены для проверки работоспособности сборочной единицы, узла, механизма в нормальных условиях окружающей среды и проверки соответствия выходных параметров заданным требованиям чертежа или техническим условиям.

Специальные испытания — это испытания, проводимые с целью проверки работоспособности опытного образца в составе стенда или изделия после воздействия на него критических возмущений (вибрации, пыли, влаги, биологическое воздействие

идр.).

Климатические испытания — это испытания на воздействие климатических факторов (атмосферного давления, температуры, влажности, атмосферных осадков, тумана, солнечного излу­ чения, ветра, пыли, песка и др.). Они предназначены для проверки работоспособности сборочной единицы, узла, меха­ низма после воздействия на них климатических факторов.

Ускоренные испытания — испытания, методы и условия про­ ведения которых обеспечивают получение необходимой инфор­ мации о характеристиках свойств объекта в более короткий срок, чем при нормальных испытаниях. Они предназначены для проверки работоспособности сборочной единицы, узла, меха­ низма при воздействии'на них некоторых факторов, ускоряющих процесс возникновения отказов. В качестве ускоряющих факторов может быть температура, увеличенная нагрузка, вибрации, влаж­ ность и т. д. Величина коэффициента нагрузки должна быть не менее 1,25 от номинальной, при этом в процессе испытаний коэффициент нагрузки может изменяться в сторону увеличения.

Ресурсные испытания — предназначены для проверки рабо­ тоспособности сборочной единицы, узла, механизма в условиях окружающей среды и проверки соответствия выходных параметров заданным требованиям чертежа или техническим условиям. Для сборочных единиц, узлов, механизмов, работающих в непре­ рывном режиме в нормальных условиях эксплуатации, допуска­ ется совмещать эти испытания в составе изделия на последующих этапах испытаний. Основная цель ресурсных испытаний состоит в доведении конструкции опытного образца до оптимальной.

При проведении стендовых испытаний, в случае появления отказа конструктивного характера, испытания необходимо оста­ новить и произвести доработку, а затем продолжить испытания по намеченной программе.

Предварительные (заводские) испытания изделий проводят­ ся в условиях цеха с целью проверки их технических и эксплу­ атационных характеристик на соответствие требованиям техни­ ческого задания. Основными задачами этих испытаний являются:

92

оценка прочности сборочных единиц, узлов и механизмов в процессе стационарных и транспортных испытаний;

проверка работоспособности сборочных единиц, узлов и механизмов до проведения транспортных испытаний и после них; проверка выполнения временных нормативов работы сбороч­

ных единиц, узлов и механизмов; проверка удобства доступа к узлам, механизмам, сбороч­

ным единицам при проведении обслуживания, осмотра, замене блоков, узлов;

проверка безопасности и удобства работ; оценка работоспособности узлов, механизмов и сборочных

единиц при предельных значениях температур в термокамерах.

Программа предварительных (заводских) испытаний разра­ батывается предприятием-разработчиком изделия и согласу­ ется с заказчиком. Испытания проводятся на каждом опытном образце в условиях завода-изготовителя.

Межведомственные испытания являются более обширными и проводятся с целью всесторонней проверки технических и экс­ плуатационных характеристик изделия на соответствие техни­ ческого задания условиям реальной эксплуатации изделий. В задачу этих испытаний входят:

проверка работоспособности сборочных единиц во взаимо­ действии в составе изделия;

оценка принятой в документации периодичности и объема регламентных работ;

оценка достаточности номенклатуры и количества состава запасных инструментов и принадлежностей (ЗИП), его размещания на изделии и использования;

проверка достаточности мер по обеспечению безопасности при работе с изделием;

проверка удобства эксплуатации и технического обслужи­ вания изделия;

оценка соответствия изделия требованиям технической эсте­ тики, инженерной психологии;

проверка транспортабельности; оценка достаточности средств пожаротушения;

оценка простоты отыскания и устранения характерных неисправностей;

оценка достаточности и номенклатуры горючесмазочных ма­ териалов, спецжидкостей и расходных материалов;

оценка полноты и качества эксплуатационной документации; оценка надежности изделия с учетом всей статистической

информации, полученной по результатам испытаний; разработка рекомендаций по устранению конструктивных

недостатков, выявленных в ходе межведомственных испытаний, и оценка эффективности доработок по результатам предыдущих испытании.

Программа межведомственных испытаний должна предусмат­ ривать проведение испытаний на отдельных изделиях в объеме гарантийного ресурса по отдельным комплектующим элементам,

93

узлам, механизмам и сборочным единицам, входящим в состав изделия. Программа межведомственных испытаний составляется предприятием-разработчиком изделия, согласуется со смеж­ ными организациями и заказчиком.

Ресурсные испытания предназначены для проверки работо­ способности изделия в реальных условиях эксплуатации. Про­

грамма ресурсных испытаний разрабатывается предприятием:разработчиком изделия, согласуется с заказчиком и заинтере­ сованными смежными предприятиями. Ресурсные испытания явля­ ются завершающими, на основании которых дается заключение о пригодности изделия к серийному производству.

Организация, порядок и объем каждого этапа испытаний определяются соответствующими программами, разработанными и согласованными с заинтересованными предприятиями. Отработку и подтверждение основных эксплуатационных характеристик, из­ делия, а также корректирование документации и подтвержде­ ние основных эксплуатационных характеристик изделия проводят на всех этапах испытаний.

В процессе всех видов испытаний ведутся журналы, в ко­ торых фиксируются виды работ и их результаты. Результаты предварительных (заводских) и межведомственных испытаний оформляются отчетами по испытаниям с рекомендациями по со­ вершенствованию конструкции изделия. Отчеты согласуются с заказчиком и смежными предприятиями-разработчиками сбо­ рочных единиц.

На основании конструктивных замечаний, выявленных в ходе всех видов испытаний, составляется «План мероприятий по уст­ ранению недостатков», в котором указываются характер замеча­ ний и мероприятия по их устранению с конкретными исполни­ телями и сроками исполнения.

Перед запуском в серийное производство проводятся конт­ рольные испытания (табл. 4.3) опытной партии изделий. Эти испытания предназначены для решения вопроса о целесообраз­ ности постановки изделия на производство, а также для оценки серийной технологии изготовления с учетом последующего ее корректирования.

постановкой на производство

Допускается использовать одни и те же образцы, представ­ ленные на испытания для оценки серийной технологии, и приемоч­ ные испытания. По результатам контрольных испытаний проводят

94

Обобщенные данные о видах испытаний, числе опытных

образцов изделий и продолжительности испытаний приведены в табл. 4.4.

Перечисленные в табл. 4.4 виды испытаний допускается проводить как на опытных образцах, изготовленных для каждого вида испытаний, так и применять одни и те же опытные образцы для различных видов испытаний. В программах заводских, меж­ ведомственных, ресурсных и других видов испытаний изделий должны быть предусмотрены проверки технических параметров на соответствие их требованиям технического задания. Для объек­ тивной оценки каждый проверяемый параметр должен подвергать­ ся не менее 3-кратному повторению, например, проверка аварий­

ной ситуации, безопасности работы и др.

В процессе проведения всех видов испытаний изделия, в случае выявления конструктивного отказа, влияющего на выпол­ нение работы, проводится доработка отказавшего элемента, уз­ ла, механизма, сборочной единицы. После этого доработанный элемент, узел, механизм или другая сборочная единица под­ вергаются испытаниям на стенде или в составе изделия в объеме, равном объему до доработки, а затем испытания продолжаются

по намеченной программе.

Эффективность доработки подтверждается, если после повто­ рения объема испытаний отказов по данной причине не появля­

95

ется. В случае повторного появления отказа по установленной причине отказавший элемент, узел, механизм или сборочная еди­ ница подвергаются глубокому анализу и всесторонним конструк­ тивным изменениям.

4.3. ПЛАНИРОВАНИЕ ИСПЫТАНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ

НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ЭТАПЕ ЕЕ СОЗДАНИЯ

Под сложной технической системой понимается из­ делие, которое в процессе отработки при появлении неисправ­ ностей не бракуется, а подвергается всесторонней доработке с целью доведения технических характеристик до заданных значе­ ний. Планирование испытаний на этапе создания изделия ос­ новывается на заданных количественных показателях надеж­ ности и назначенном гарантийном ресурсе. Количественные по­ казатели надежности позволяют определить необходимый объем испытаний на функционирование, а гарантийный ресурс опре­

циклов. Вместе с тем гарантийный ресурс изделия по техническому заданию составляет 100 циклов работы, следовательно, для подтверждения надежности потребуется не менее пяти изделий. При выявлении отказов в процессе отработки объем испытаний увеличивается и соответственно должно увеличиваться число опытных образцов. В общем виде число опытных образцов нахо­ дят из соотношения

где птр— требуемый объем испытаний для подтверждения задан­ ного показателя надежности; пгар — заданный объем испытаний за гарантийный срок эксплуатации.

Для обеспечения надежности сложных небракуемых изделий на этапе создания в первом приближении можно использовать

метод планирования испытаний изделий одноразового использова­ ния (типа ракет). Математическое выражение требуемого объема испытаний для подтверждения заданной вероятности безотказной

где а = (0,7-^0,95) — параметр отработки; Я0 = (0,05-=-0,3) — на­

чальное значение надежности; Яо = (0,9-М,0)— максимальное значение надежности.

96

Значения перечисленных выше параметров взяты из статис­ тических данных испытаний опытных образцов ракет.

Рассмотренный метод нахождения объема испытаний может быть использован при планировании испытаний сложных техни­ ческих систем, если имеются статистические данные параметров по аналогичным изделиям. К недостаткам этого метода следует от­ нести то, что разброс параметров может быть существенным, а это приводит к неоднозначному определению объема испытаний. Ниже приведены различные методы планирования испытаний по обеспечению надежности сложных технических систем на этапе их создания.

4.4. ПЛАНИРОВАНИЕ ИСПЫТАНИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ, ОСНОВАННОЕ НА СТАТИСТИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Статистический метод по своей природе предназна­ чен для контроля качества изделий серийного и массового произ­ водства. В основу этого метода положен принцип браковки или принятия партии изделий по результатам проверки некоторой выборки. Достаточно полное описание статистического метода анализа и контроля качества продукции дано в работе [25]

Ввиду того что рассматриваемые в настоящей работе слож­ ные технические системы браковке не подвергаются, для при­ менения статистического метода его необходимо видоизменить, учитывая особенности создания изделий.

В основу статистического метода планирования испытаний сложных технических систем многократного действия положен контроль качества изделия, основанный на проверке его работо­ способности по числу циклов функционирования. Такой подход позволяет избавиться от изготовления большого числа опытных образцов, так как при появлении неисправности ее можно устра­ нить й повторить испытания изделия на функционирование. При планировании испытаний статистическим методом можно при­ менить схему двойной выборки с той лишь разницей, что вместо дефектных изделий рассматриваются отказы изделия. Так, по дан­ ной схеме назначается определенный объем испытаний пi, а затем в зависимости от числа выявленных отказов т\ прини­ мается решение закончить испытания, если где С\ — за­ ранее назначенное допустимое число. В этом случае изделие будет соответствовать заданному уровню надежности.

Если число зафиксированных отказов окажется больше неко­

работанная конструкция не обеспечивает требований по на­ дежности.

В целях сокращения объемов испытаний необходимо исполь­ зовать всю полученную информацию и при возможности ее объе­ динять. Объединение статистических данных проводится по кри­ териям значимости, если последние принадлежат к одной гене­ ральной совокупности [23]. Для обеспечения объединения двух выборок необходимо выполнение равенства

97

тх щ

(4.3)

п\ ~ " 2 ’

Достаточным условием окончания испытаний и принятия из­ делия с заданным требованием по надежности по двум выборкам (двум этапам испытаний) является выполнение условия

где qaon — допустимая вероятность отказа за один цикл функци­ онирования; гп\ и т2— числа отказов соответственно на первом и втором этапах; п\ и п2— числа циклов испытаний соответ­ ственно на первом и втором этапах.

В практике статистического контроля качества и надежности сложных технических систем с целью сокращения времени на отработку объем второго этапа испытаний назначается по полу­ ченному числу отказов на первом этапе испытаний, причем объем испытаний назначается из соблюдения условия появления не бо­ лее одного отказа, т. е. выполнение равенства вида

В случае отсутствия или появления только одного отказа на втором этапе испытания заканчиваются и изделие принима­ ется с требуемым уровнем надежности. При числе отказов на втором этапе т2^ 2 испытания заканчиваются и изделие дора­ батывается, т. е. принимается новое конструктивное решение.

При планировании испытаний методом многократной выборки

необходимым условием подтверждения требуемого уровня надеж­ ности является выполнение равенства на каждом этапе (в каждой выборке)

(4.6)

то проводится доработка и назначается дополнительный (Л + 1 )-й этап испытаний.

С целью сокращения объема испытаний при статистическом контроле качества методом многократной выборки объем после­ дующей выборки следует назначать таким образом, чтобы выпол­ нялось необходимое и достаточное условие приемки:

98

В общем случае условия окончания испытаний при много­ кратной выборке таковы:

условие приемки изделия с заданным требованием по надеж­ ности

Таким образом, в случае появления незапланированных отказов на k-м этапе испытаний объединять выборки нельзя. В этом случае необходимо назначить дополнительный объем испытаний rik+ \ с соблюдением условия

Таким образом, при создании сложных технических систем можно использовать этапное планирование испытаний, когда контроль уровня надежности практически осуществляется на каждом этапе. В случае несоответствия полученного показателя надежности на определенном этапе заданному значению преду­ сматривается доработка и соответственно дополнительный объем испытаний.

4.5. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ПЛАНИРОВАНИЯ ИСПЫТАНИИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В связи с поиском более эффективных методов ста­ тистического контроля качества изделии массового производства был разработан метод последовательного анализа. Однако этот метод непосредственно не может быть использован при пла­ нировании испытаний изделий мелкосерийного производства или единичного производства.

Суть метода последовательного анализа состоит в том, что на каждом этапе испытаний вычисляется отношение правдоподобия

99

На практике более удобным является вычисление логарифма отношения правдоподобия

Так как сложные технические системы при отработке не бракуют, а путем доработок доводят до заданных показателей надежности, то условием приемки является соотношение вида

заказчика.

Определим объем испытаний методом последовательного анализа с односторонней границей (приемки) для двух заданных уровней наработки на отказ и различных законов распределения.

0о — требуемое значение наработки на отказ.

где и1 _а, и1 _р — квантили нормированной нормальной функции распределения; находят по табл. 1 приложения. Так как при планировании испытаний сложных технических систем последние не подвергаются браковке, то риск поставщика принимается равным нулю; а = 0. В этом случае квантиль функции нормаль­ ного распределения принимает значение u \ - a = U\ «4,265.

Сравнительный анализ объемов испытаний, полученных ме­ тодом последовательного анализа и методом Неймана—Пирсона, показывает, что наиболее экономичным является метод после­ довательного анализа. Относительный средний выигрыш можно определить из соотношения вида

100