Принципы ускорения контроля качества и надежности продукции

В зависимости от способа получения исходных данных методы контроля показателей надежности подразделяются на расчетные, экспериментальные и расчетно-экспериментальные. К расчетным относят методы, основанные на вычислении показателей надежности по справочным данным о надежности составных частей с учетом функциональной структуры и видов разрушения, по информации о надежности изделий-аналогов, по результатам экспертной оценки надежности, по данным о свойствах материалов, физической природе механизма отказа и по другой информации об изделии, имеющейся к моменту оценки надежности.
К экспериментальным относят методы, основанные на использовании статистических данных, получаемых при испытаниях изделий на надежность, в том числе в условиях нормальной эксплуатации или при экстремальных условиях.
К расчетно-экспериментальным относят методы, основанные на вычислении показателей надежности по исходным данным, определяемым экспериментальными методами. Исходные данные для расчетно-экспериментального метода контроля надежности изделий следующие.
1. Информация о надежности изделия, имеющаяся к моменту оценки надежности (результаты предшествующих испытаний, данные эксплуатации, технических обслуживаний и ремонтов и т. д.).
2. Экспериментальные оценки: единичных показателей, определяющих контролируемый комплексный показатель надежности; показателей надежности составных частей изделий, полученные при их автономных испытаниях или при испытаниях в составе изделия; параметров нагрузки и прочности изделия и его составных частей, используемых для расчёта показателей надежности на основе моделей «не превышения» (моделей «нагрузка— прочность», «нагрузка—изнашивание») .
3. Экспериментальные данные об изменении параметров, характеризующих работоспособное состояние изделий, используемые для прогнозирования их надежности на заданное время (заданную наработку);
4. Показатели надежности составных частей, содержащихся в технических’ условиях на эти изделия и т. п.
Испытания на надежность серийных изделий проводят в составе периодических и типовых испытаний или выделяют в самостоятельно проводимые испытания или наблюдения при подконтрольной эксплуатации.
Контрольные испытания на надежность проводят по методикам, содержащимся в стандартах и технических условиях, или по отдельно изданным методикам, согласованным, утвержденным и аттестованным в установленном порядке.
Периодичность контрольных испытаний на надежность устанавливают в зависимости от контролируемых показателей и числа выпускаемых изделий с учетом возможности завершения предыдущего цикла испытаний к началу очередного цикла и необходимого резерва времени для технического обслуживания и ремонта испытательного оборудования.
Контрольные испытания на ремонтопригодность проводятся с целью проверки соответствия показателей ремонтопригодности изделий значениям, установленным в нормативно-технической документации. Если специально организованные контрольные испытания на ремонтопригодность невозможны или экономически нецелесообразны при разработке изделий или при приемочных испытаниях, то контроль ремонтопригодности проводится в процессе эксплуатации при выполнении операций технического обслуживания и ремонта (например, для дорогостоящих изделий, разборка которых невозможна без нарушения работоспособности).
Контрольные испытания на ремонтопригодность, как правило, совмещаются с испытаниями по оценке других показателей надежности изделий.
При контроле ремонтопригодности применяются методы испытаний с возникающей необходимостью технического обслуживания (ТО) и ремонта, испытания с создаваемой необходимостью проведения ТО и ремонта и комбинированные.
Метод испытаний с возникающей необходимостью ТО и ремонта заключается в том, что изделия подвергают нормальным или ускоренным испытаниям на безотказность, долговечность или сохраняемость, а необходимую информацию о продолжительности или трудоемкости операций технического обслуживания и ремонта получают при выполнении операций плановых и неплановых ремонтов, выполняемых в процессе проведения испытаний.
Метод испытаний на ремонтопригодность с создаваемой необходимостью в проведении ТО и ремонтов основан на проведении ремонтных операций на работоспособном изделии в установленное для испытаний время или путем введения в изделие повреждений по заранее принятому плану. Такие испытания проводятся как самостоятельные испытания на ремонтопригодность.
Метод комбинированных испытаний на ремонтопригодность строится на комбинировании перечисленных выше методов.
Определение показателей ремонтопригодности во всех методах проводится по данным хронометража отдельных операций по техническому обслуживанию и ремонту (смазка, регулировка, сборка, разборка, восстановление изношенных элементов и др.).
Эксплуатационные испытания на надежность проводятся, как правило, в рамках работ по сбору и обработке информации о надежности изделий.
Типовые схемы организации работы по сбору и обработке информации о надежности изделий приведены на рис. 1.
Сбор информации заключается в составлении и передаче первичных сообщений о надежности в организацию, проводящую сбор информации, в обследовании или анкетировании. Составление и передачу первичных сообщений проводит опорный пункт или эксплуатационные и ремонтные предприятия, а обследование — организация, осуществляющая сбор информации; при этом изучается техническое состояние изделий на месте их эксплуатации, анализируются первичные формы учета информации; результаты обследования отряжают в формах-накопителях информации. Анкетирование проводит организация, осуществляющая сбор информации с помощью специальных опросных листов, направляемых в эксплуатационные и (или) ремонтные предприятия.
Выбор эксплуатационных предприятий должен производиться с учетом охвата всех типовых для данного изделия условий эксплуатации, предусмотренных нормативно-технической документацией.
Для получения информации о надежности следует также использовать ремонтные и эксплуатационные документы; акты расследования аварий и рекламаций; научно-технические отчеты по результатам анализа технического состояния и надежности изделий, находящихся в эксплуатации; материалы машиноиспытательных (научно-исследовательских) станций испытательных центров и полигонов.
Для сбора и обработки информации предусматриваются первичные формы ее учета; формы-накопители эксплуатационной информации и формы записи результатов анализа надежности.
Первичные формы учета, предназначенные для записи несистематизированной информации, заполняются на месте эксплуатации. К ним относятся журналы учета наработок, повреждений и отказов изделий, технического обслуживания и ремонта изделий; разовые документы эксплуатации изделия предприятием-потребителем (путевой лист, карточка на ремонт агрегата, донесение об отказе изделия и т. п.).
Фор мы-накопители, служащие для записи систематизированной по необходимому признаку информации, заполняются по данным первичных форм или в процессе наблюдения за эксплуатацией изделия специально выделенным персоналом. К ним относятся карты—накопители сведений о техническом обслуживании и ремонте изделия.
Формы записи результатов анализа надежности включают данные о количественных и (или) качественных результатах анализа надежности изделия и его составных частей, режимах работы, фактическом расходе запасных частей, причинах отказов, номенклатуре деталей и сборочных единиц, лимитирующих надежность изделия. К формам записи результатов анализа надежности относятся: сводный перечень оценок показателей надежности изделия и его составных частей; сводный перечень видов повреждений и отказов изделий; сводные ведомости расхода запасных частей, трудоемкости и стоимости технического обслуживания и ремонта.
Принципы ускоренных испытаний. Под испытанием понимается экспериментальное определение количественных или качественных характеристик свойств изделия как результата его функционирования, воздействий или моделирования воздействий. В отличие от контроля при испытании всегда осуществляются некоторые воздействия на изделия, которыми могут быть факторы внешней среды или взаимодействия, возникающие внутри изделия.
В тех случаях, когда цель испытаний — установление соответствия характеристик изделия заданным требованиям, испытания изделия сводятся к контролю. Такие испытания называются контрольными.
Испытания подразделяются на нормальные и ускоренные. К нормальным относятся испытания, которые обеспечивают получение необходимого объема информации о показателях качества изделий в такой же интервал времени, как и в предусмотренных условиях эксплуатации. К ускоренным относятся такие испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимой информации в более короткий срок, чем при нормальных условиях.
Ускоренные испытания могут проводиться в нормальном, форсированном или комбинированном режимах.
Ускорение испытаний в форсированном режиме достигается интенсификацией деградационных процессов, приводящих к отказам или повреждениям. Такие испытания называются форсированными. Ускоренные испытания без интенсификации процессов, приводящих к отказам или повреждениям, называются сокращенными.
Сокращение продолжительности испытаний при ускоренных испытаниях характеризуется коэффициентом ускорения, показывающим, во сколько раз продолжительность ускоренных испытаний меньше продолжительности испытаний, проведенных в условиях и режимах эксплуатации, регламентированных нормативно-технической документацией, т. е. при нормальных испытаниях.
Совокупность теоретических и экспериментальных закономерностей или обоснованных допущений, на основе которых достигается сокращение продолжительности испытаний, называется принципом ускоренных испытаний. Сокращенные испытания строятся на основе принципов уплотнения рабочих циклов или экстраполяции по времени (наработке). Уплотнение рабочих циклов достигается сокращением перерывов в работе, устранением простоев, сокращением времени на вспомогательные работы и т. п. Сокращение рабочих циклов допускается только в тех случаях, когда перерывы в работе не влияют на скорость процессов, приводящих к отказам. Экстраполяцию по времени (наработке) осуществляют на основе модели отказов. Наработку до отказов оценивают по результатам кратковременных (усеченных) испытаний. Различают модели отказов, основанные на изучении закономерностей изменения выходных параметров или статистики отказов.
При использовании принципов сокращенных испытаний последние проводятся в нормальных режимах или в режимах, максимально приближенных к ним. При использовании этих принципов соблюдается эквивалентность разрушающих воздействий при сокращенных испытаниях и в условиях эксплуатации. При разработке полигонных или стендовых испытаний, основанных на данных принципах, основной задачей является обеспечение эквивалентности режимов испытаний. Эта эквивалентность должна оцениваться при выборе (назначении) режимов испытаний и при получении фактических характеристик нагруженности.
Первая оценка эквивалентности, сводящаяся к уточнению передаточной функции от задающего к исполнительному элементу нагружающего устройства, проводится при разработке стенда, а также во время периодических проверок его параметров, вторая оценка сводится к сравнению параметров стендового и эксплуатационного режимов нагружения. В зависимости от формы задания нормального режима проводится сопоставление (для стендовых и эксплуатационных режимов) средних значений нагрузок и дисперсии (при задании постоянного уровня нагрузки); тех же параметров и закона распределения (при задании нагрузок, распределенных по некоторому закону); тех же характеристик и корреляционной функции или спектральной плотности (при задании случайного процесса нагружения); аналитического вида зависимости параметров детерминированного нагрузочного режима от времени.
Принципы форсированных испытаний по способу пересчета их результатов на условия нормального режима подразделяются на две группы:
с пересчетом по известному до испытаний численному значению коэффициента ускорения;
с оценкой показателей надежности без предварительного определения коэффициента ускорения для заданного режима форсированных испытаний.
К первой группе относятся принципы усечения спектра нагрузок, учащения рабочих циклов, сравнения, ко второй — принципы экстраполяции по нагрузке, «доламывания», запросов и др.
Совокупность правил применения принципов ускоренных испытаний для определения или контроля показателей надежности групп или видов изделий образует метод ускоренных испытаний. В одном методе может быть использовано несколько принципов ускоренных испытаний.
Усечение спектра нагрузок заключается в исключении части нагрузок, не оказывающих существенного повреждающего воздействия на объект испытаний, что приводит к повышению среднего уровня нагрузок и, следовательно, к более быстрому наступлению отказа или предельного состояния.
Использование этого принципа обусловлено тем, что большинство машин и их элементов подвержены в нормальных условиях эксплуатации воздействию определенного спектра случайных и ли периодически повторяющихся нагрузок, точное воспроизведение которых представляет большие трудности. Поэтому в большинстве случаев проводят статистический анализ повторяемости нагрузйк различных уровней и составляют программный блок нагрузок, в котором учитываются только нагрузки, влияющие на рассматриваемый процесс разрушения. Частным случаем усечения спектра нагрузок является исключение установившейся (постоянной) части рабочего цикла, например в случаях, когда при установившемся движении имеет место гидродинамическая смазка и, как следствие, малая величина износа, а во время пуска-остановок возникают условия граничной смазки или даже полного отсутствия смазки. Исходя из предположения, что установившееся движение не приводит к существенному износу, испытания проводят только в режиме «пуск-остановка».
Принцип учащения рабочих циклов основан на увеличении частоты циклического нагружения или скорости движения под нагрузкой. Его применение допустимо только в тех случаях, когда долговечность изделия, выраженная в количестве циклов, зависит от количества приложенных циклов воздействий, но не зависит от частоты их приложения или когда скорость скольжения не изменяет природу изнашивания поверхностей.
Принцип сравнения основан на использовании данных об аналогичных изделиях. В зависимости от имеющейся информации оценка надежности проводится следующими способами:
сравнением показателей надежности двух видов изделий по результатам только форсированных испытаний, а также изделий в форсированном режиме с результатами испытаний в этом же и нормальном режимах изделия-аналога;
пересчетом результатов испытаний изделия в форсированном режиме к нормальному режиму по имеющейся зависимости показателей надежности от уровня нагрузки.
К группе принципов форсированных испытаний, не требующих предварительного определения коэффициента пересчета, относят: экстраполяцию по нагрузке, принцип «доламывания» и принцип запросов. Примерами принципа экстраполяции по нагрузке (Служат ускоренные методы оценки предела выносливости. При использовании принципа «доламывания» изделия, имеющие различную наработку в нормальном режиме, доводят затем до отказа в форсированном режиме («доламывают»). Одновременно с этим по результатам испытаний только на форсированном режиме определяют показатели надежности новых изделий на этом режиме. На основании этих данных определяют показатели надежности применительно к нормальным режимам эксплуатации. Этот принцип используется при испытании дорогостоящих изделий (за время наработки в условиях эксплуатации они частично окупают свою первоначальную стоимость).
Принцип запросов применяется в тех случаях, когда возможно измерение параметра, выход которого за допустимые пределы означает отказ. В ходе испытаний нормальные и форсированные режимы нагружения чередуются (например, при испытаниях на износостойкость).
Разработка методов ускоренных испытаний, основанных на принципах форсирования, должна начинаться с изучения структуры изделия, т. е. характеристик взаимосвязи элементов, а также характера внешнего воздействия. Наиболее простыми по структуре являются изделия с одним видом разрушения и нагрузки. Такие изделия можно рассматривать как один элемент и использовать для них методы ускоренных испытаний на усталость (например, изделия типа валов и осей), износостойкость (например, режущий инструмент), электрическую прочность, коррозионную стойкость и т. п.
Изделия со слабой взаимосвязью между элементами можно рассматривать как систему, состоящую из несвязанных по критерию надежности элементов. Для таких изделий входное воздействие может задаваться избирательно, применительно к каждому элементу. Схемы проведения ускоренных испытаний таких изделий могут строиться двояко. В первом случае испытания планируют таким образом, чтобы получить показатели надежности изделия по критериям отказа каждого элемента. Для испытания должна браться партия изделий объема не меньшего, чем количество элементов в изделии. Режим испытаний устанавливается для каждого элемента. При такой схеме испытаний общая длительность испытаний тем больше, чем больше число элементов в изделии. Наиболее часто применяется другая схема испытаний, при которой показатели надежности изделия контролируются по надежности слабого элемента (лимитирующего работоспособность изделия в целом). В этом случае само изделие используется как стенд для наиболее точного воспроизведения воздействия на его испытываемый элемент.
Для изделий с сильной взаимосвязью между элементами (по критерию надежности) метод испытаний должен планироваться с учетом специфических особенностей этих взаимосвязей и вида разрушающих воздействий. Однако коэффициенты ускорения для различных элементов изделий в этом случае не будут равными. Для их выравнивания могут испрль-зоваться методы, основанные на периодическом снятии нагрузки с наименее долговечных элементов, на замене отдельных элементов другими, имеющими предварительную эквивалентную наработку, и т. п.
Способы определения коэффициентов ускорения и пересчета. Коэффициент ускорения испытаний при использовании принципа уплотнения рабочих циклов, где М — математические ожидания срока службы объекта в выборке объема N (упорядоченной по возрастанию) соответственно при нормальных и ускоренных испытаниях.
Коэффициент пересчета показателей надежности, полученных при ускоренных испытаниях, в показатели надежности для нормальных режимов, выраженные в единицах календарной продолжительности, определяют по методу равных вероятностей (рис. 2). 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 /Су, р (см. рис. 2) как геометрическое место точек, соответствующих равным вероятностям Р не достижения предельного состояния. Для этого задается ряд значений вероятности Р и определяются соответствующие им пары значений Ср и Ср, которые являются координатами точек искомой функции /Су, р. Для подтверждения инвариантности полученной функции испытания могут быть проведены на нескольких партиях. Результаты ускоренных испытаний любой другой выборки пересчитывают к нормальным условиям с определением коэффициента ускорения по кривой /Су, р.
Если показатель надежности при ускоренных испытаниях и в эксплуатации подсчитывается в единицах наработки, то коэффициент пересчета равен единице.
Принцип экстраполяции по времени (наработке) основан на гипотезе о возможности достаточно достоверного прогнозирования надежности изделия по результатам усеченных или кратковременных испытаний. Прогнозирование может осуществляться на основе изучения закономерностей изменения выходных параметров, определяющих работоспособное состояние, и статистических данных об отказах изделий.
Параметрическая модель отказов представлена на рис. 3. Вероятность отказа Р (I) характеризует вероятность выхода параметра х за установленную границу. В начальный момент (I = 0) имеет место рассеяние
х — предельное допустимое значение выходного параметра; ^ (х0) — плотность распределения выходного параметра в начале испытаний; /в — начало старения, изнашивания и т. д.; I (1) — плотность распределения наработок до отказа; Р Ц) — 1 — Р Ц) — вероятность отказа; ^ (х, ?) — плотность распределения выходного параметра; / (ух) — плотность распределения скорости изменения выходного параметра; / — наработка; Ау — наработка на момент усечения испытаний параметра х, определяемое функцией Л (жо) при среднем значении х0. По мере увеличения наработки выходной параметр х изменяется. В большинстве случаев существенное изменение параметра х начинается после некоторой наработки /в и протекает со случайной скоростью Vx = <1x1 <Н. Измеряя значение параметра х в момент усечения испытаний /у, можно получить плотность распределения значений выходного параметра / (х, (), который определяет вероятность выхода параметра х за границу хтах. т. е. вероятность отказа Р (/).
Цензурированная (усеченная) модель отказов основана на регистрации отказов до момента усечения испытаний, что приводит к получению выборки, представляющей собой наработки всех N объектов испытаний как отказавших, так и оставшихся работоспособными.
Различают два вида цензурирования (усечения): прекращение испытаний при заданной наработке и при заданном количестве отказов, где М (Сдг,лг)> -М (СЛ лг) — математические ожидания продолжительности испытания, соответствующие наработкам //V, ^ и             последнего объекта в упорядоченной (по возрастанию наработки) выборке объема ТУ; Су — продолжительность испытания, соответствующая наработке на момент усечения испытаний.
Если показатель надежности подсчитывают в эксплуатации по календарной продолжительности, а при испытаниях — по наработке, то коэффициент пересчета определяют по методу равных вероятностей.
Можно считать, что экстраполяция по наработке дает удовлетворительные результаты по точности при продолжительности испытаний не менее 40—70 % ресурса изделий при нормальных испытаниях.
При известных характеристиках случайного процесса I (() изменения во времени основного параметра экстраполяция сводится к определению вероятности безотказной работы до момента времени Т, рассматриваемой как вероятность первого пересечения , установленной границы изменения параметра, где т0 — начальное значение параметра (центр настройки); Т] (/) — изменения параметра, обусловленные деградационными процессами, протекающими со средней скоростью; х (I) — флуктуация параметра, обусловленная медленно протекающими процессами. Флуктуация параметра может быть представлена в следующем виде: х (0 = г (0 + с (/), где г (0 — периодическая составляющая, являющаяся детерминированной, по выражению (1); в качестве Сд, ^ в этом случае принимается продолжительность форсированных испытаний. Коэффициент пересчета показателей надежности также определяют по методу равных вероятностей.
Для изделий, испытываемых в нескольких различных нормальных и форсированных режимах, коэффициент пересчета показателей надежности определяется как средневзвешенный: где <%{, ау — доли наработки в 1-м (нормальном) и /-м (форсированном) режимах; /С/г = 1 /Кг], Кг} — коэффициенты пересчета соответственно от /-го форсированного режима к 1-му нормальному и наоборот.