Методы исследовательских испытаний на надежность (ГОСТ 16504)

 

Исследовательские испытания используются для изучения физики и механизма изменений функциональных состояний элементов и их систем с целью разработки методов повышения их надежности. Исследовательские испытания можно разделить на разрушающие и неразрушающие. При разрушающих испытаниях нагрузку увеличивают до тех пор, пока испытываемый объект не выходит из строя. После чего путем разборки устанавливают причину отказа и усиливают слабые места. Увеличение коэффициента запаса нагрузки обеспечивает повышение надежности испытываемых объектов. Увеличение нагрузки (жесткости испытательных режимов) при разрушающих испытаниях может про2исходить и не до выхода объекта из строя, а лишь до предельного состояния. После определенной выдержки в предельных режимах объект разбирается и исследуется на предмет обнаружения изменений, приводящих в последующем к появлению отказов.

При исследовательских испытаниях для исследования надежности машин и приборов большое значение имеют неразрушающие методы испытаний. К основным методам неразрушающих испытаний относятся:

— Метод акустической эмиссии, который заключается в исследовании акустических колебаний, возникающих в твердых телах при пластическом деформировании или изломе.

— Метод ультразвуковой спектроскопии, базирующийся на исследовании свойств контролируемых объектов и параметров дефектов по изменению спектрального состава.

— Методы, базирующиеся на визуализации ультразвуковых изображений, которые используют ультразвуковые системы контроля с фотографическими, тепловыми, оптическими и другими способами визуализации нарушений целостности конструкции исследуемого объекта.

- Методы, базирующиеся на отражении ультразвуковых в олн, которые исследуют состояние поверхности по коэффициенту отражения продольных упругих волн, падающих из жидкости на поверхность контролируемой детали.

— Методы ультразвуковой голографии, использующие способы ультразвуковой дефектоскопии, а также электронное сканирование поля ультразвуковой голограммы.

— Методы оптической голографии и когерентной оптики, использующие анализ картины бликов лазерного излучения при контроле механических, тепловых и вибрационных нагрузок.

— Методы, базирующиеся на визуализации рентгеновского и гамма-излучения, которые применяются при контроле толстостенных деталей и сварных швов с использованием телевизионных установок, фотографирования или видеозаписи.

— Методы нейтронной радиографии, основанные на регистрации изображения, получающегося в результате различного ослабления потока нейтронов отдельными участками контролируемого объекта.

— Методы, базирующиеся на волновых процессах, применяемые для обнаружения мест дефектов (раковин, трещин), когда и в качестве волновых процессов используют распространение ультразвуковых и электромагнитных волн в среде без затухания.

— Радиотехнические СВЧ-методы контроля, использующие взаимодействие СВЧ-диапозона с исследуемым материалом.

— Методы теплового излучения, основанные на изучении инфракрасного излучения исследуемого объекта.

Исследовательские испытания являются испытаниями, которые проверяют качество функционирования испытываемого объекта принятого схемно-конструктивного исполнения и устанавливают оптимальное соотношение всех входных параметров.

К исследовательским испытаниям относятся:

— лабораторные испытания для установления работоспособности объекта при выбранных значениях входных параметров;

— лабораторные испытания для установления предельных значений схемно-конструктивных параметров при предельных значениях внешних воздействий;

— граничные испытания;

— ступенчатые испытания и др.

 

27. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Лабораторные испытания проводятся с целью определения работоспособности и установления соответствия конструкции машин и приборов требованиям ТЗ. Лабораторные испытания обычно начинаются с проверки правильности монтажа и соединения функциональных блоков.

Проверка работоспособности машин и приборов в целом производится вначале в нормальных условиях. В случае несоответствия какого-либо параметра машины или прибора требованиям ТЗ производится корректировка характеристик схемных или конструктивных элементов. Произведенные изменения записываются в специальный журнал по форме, установленной нормативной документацией.

После установления работоспособности машин и приборов в нормальных условиях испытания продолжаются в более жестких эксплуатационных условиях. Режимы испытаний, их продолжительность устанавливаются в соответствии с требованиями ТЗ или ТУ.

Кроме обычных эксплуатационных условий в процессе лабораторных испытаний может проверяется работоспособность машин и приборов и в предельных условиях. В этом случае объекты испытаний подвергаются воздействию предельных значений механических и климатических воздействий, которые могут быть в условиях эксплуатации.

Выявленные в процессе испытаний отказы анализируются и разрабатываются мероприятия по совершенствованию схемных и конструктивных решений, обеспечивающих повышение надежности машин и приборов.

 

28. ГРАНИЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Граничными испытаниями называются испытания, позволяющие экспериментально определить границы устойчивой работы элементов, узлов, блоков, приборов, машин при изменении входных параметров и внешних воздействий.

Граничные испытания позволяют:

1) установить оптимальный режим работы элементов, узлов, блоков и т.д., а также оценить границы возможных допусков входных параметров;

2) проверить соответствие параметров функциональных преобразователей требованиям ТУ при предельных значениях внешних воздействий, параметров применяемых элементов и деталей, источников питания, предельных значений измеряемой величины (для приборов) и параметров выходной нагрузки;

3) обеспечить наиболее устойчивое функционирование машин и приборов в реальных условиях их изготовления и эксплуатации.

Проведение граничных испытаний состоит из следующих основных этапов:

а) предварительный анализ работы объекта испытания и составление программы испытаний;

б) экспериментальное проведение и построение графиков граничных
испытаний;

в) проведение анализа граничных испытаний и разработка
предложений по повышению устойчивости функционирования
испытываемого объекта;

г) реализация разработанных предложений и проверка их эффективности.

Различают два основных вида граничных испытаний:

1) граничные испытания устройств в процессе их проектирования;

2) граничные испытания устройств в процессе их эксплуатации. Существуют несколько практических способов выполнения граничных испытаний.

Аналитический способ

Для несложных схем, имеющих простое математическое описание, границы области безотказной работы могут быть определены расчетным путем с помощью уравнений типа:

 

 

где y_imin =const, y_imax =const — граничные значения выходных параметров, х1…x_n - входные параметры. Это возможно, например, для пассивных линейных четырехполюсников.

Графический способ

Для сложных схем, работу которых математически нельзя удовлетворительно описать, аналитический способ неприменим. Границы области безотказной работы таких схем могут быть определены экспериментально.

Если число входных параметров n>3 (а в сложных схемах всегда n>3), то уже невозможно представить себе конфигурацию области безотказной работы. О ней можно получить некоторое представление, если рассматривать проекции сечений области безотказной работы плоскостями, параллельными координатным плоскостям.

К получению подобных проекций и сводятся на практике выполнение граничных испытаний. На оси абсцисс откладывают относительное изменение напряжения питания, t° окружающей среды и т.п. от номинального значения Хв. На оси ординат - относительное изменение исследуемого параметра Ха. По результатам исследований строятся графики граничных испытаний, представляющие собой сочетание относительных изменений исследуемых параметров, приводящее к отказу испытываемого объекта. Все графики накладывают на один рисунок. Если выходные параметры испытываемого объекта находятся в средней части образованной области устойчивого функционирования и имеют достаточный запас устойчивости, считается, что заложенные схемно-конструктивные параметры обеспечивают достаточную надежность испытываемого объекта. В случае, когда требуемое значение выходных параметров машины или прибора не имеет достаточного запаса устойчивости (по образованной зоне устойчивости), необходимо произвести корректировку номинального значения соответствующего исследуемого параметра.

 

 

28.3. Графо-аналитический способ

Дает возможность значительно уменьшить трудоемкость граничных испытаний и ускорить их проведение.

Для этого необходимо математическое описание исследуемого объекта:

y=F(x₁,x₂,...,x_n), где x₁...x_n — входные параметры. Значения выходного параметра будут находиться в пределах:

У_min ≤ У ≤ У_max

Разложим функцию F в ряд Тейлора в окрестности номинальной рабочей точки Н и ограничимся членами первого порядка, тогда можно записать:

y=y_н+( F/ x₁)_н𝛥x₁+ F/ x₂)_н𝛥x₂+…+ F/ x_n)𝛥x_n или

 

 

 

где 𝛥x — приращения входных параметров;

y_н— номинальное значение i-гo выходного параметра.

Записанное ранее неравенство можно теперь записать:

 

 

 

Условия функциональной устойчивости можно записать в следующем виде:

 

 

 

 

Очевидно, что если эти неравенства выполняются, то можно утверждать, что рабочая область не выходит за пределы области безотказной работы. Если неравенства не выполняются, то исследуемая схема ненадежна. В этом случае повышение надежности можно обеспечить:

а) путем уменьшения допусков на параметры элементов;

б) изменением номинальных значений отдельных параметров,
увеличивающих зону функциональной устойчивости.

Указанные мероприятия обеспечивают выполнение неравенств еще с большим запасом.

Экспериментальная часть метода сводится к нахождению частных производных. Частные производные заменяются отношениями приращений выходного параметра при конечном приращении каждого входного параметра. Влияние каждого параметра на значение выходного параметра исследуют при номинальном значении остальных параметров.

Важным достоинством этого метода является и то, что у исследователя появляется возможность видеть всю картину в целом. Действительно, каждый член ряда определяет то частичное изменение выходного параметра, которое вызвано изменением соответствующего входного параметра. Сразу можно оценить удельный вес влияния этого входного параметра. Открывается возможность обоснованного выбора допусков на отклонение тех входных параметров, которые зависят от воли разработчика.

 

29. Условия эксплуатации и их влияние на показатели надёжности.

29.1. Климатические зоны и факторы, влияющие на надёжность.

В зависимости от функционального назначения изделия используются в определённых эксплуатационных условиях: рабочих режимах, климатических и производственных условиях (температуре, влажности, радиации и т.д.).

В зависимости от изменения климатических и производственных условий можно различать ряд климатических зон:

1) Арктическая;

2) Умеренная, подразделяющаяся на влажную умеренную и сухую умеренную;

3) Тропическая, подразделяющаяся на влажную тропическую (джунгли, побережье морей, острова) и сухую тропическую зону (пустыни).

1. К арктическим и полярным зонам относятся: Арктика и Антарктида, Сибирь, Аляска, Северная Канада, северо-восточная часть Европы. Температура достигает зимой -40°С и даже -55°…-70°С, летом температура доходит до +30°С, а иногда даже до +35°С. Суточные изменения температуры t° - до 20°С. Наилучшая t° моря – 0°С. Абсолютная влажность мала, но вследствие низких температур относительная влажность часто оказывается высокой.

2. Зоны умеренного климата расположены между широтами от 40° до 65°. Условия в этой зоне постепенно переходят с одной стороны, к условиям арктической зоны, а с другой – к условиям субтропической зоны. Области, удалённые от морей и океанов, отличаются большим непостоянством значений температур, относительно высоких летом и низких зимой. Районы, лежащие вблизи морей и океанов, отличаются менее резкими изменениями температуры в течение года и повышенной влажностью. Это способствует увеличению коррозии материалов. Особенно высока коррозия материалов в промышленных районах, загрязняющих воздух и воду агрессивными примесями.

3. К тропическим сухим зонам (зоны пустыни) относятся Северная и Центральная Африка, Аравия, Иран, Средняя Азия и Центральная Австрия. Зоны характеризуются наличием высокой температуры и большими суточными её изменениями, а также низкими значениями относительной влажности. Максимальные дневные t° достигают 60°С, минимальные ночные доходят до -10°С. Вполне нормальным явлениям являются суточные изменения на 40°С. Вследствие поглощения интенсивного солнечного излучения t° машины приборов на поверхности земли может достигать 70°…75°С. Максимальная относительная влажность ночью достигает z=10%, минимальная z=5…3%. Вследствие низкого содержания влаги в атмосфере рассеивание и поглощение ультрафиолетовой составляющей в солнечном излучении мало. Наличие ультрафиолетового излучения вызывает активизацию ряда фотохимических процессов на поверхности изделия. Характерным является наличие движущихся потоков пыли и песка, возникающих под влиянием ветров или создаваемых транспортом. Частицы пыли обычно размером 0,05-0,02 мм имеют угловатую форму и обладают абразивными свойствами. Песок состоит, главным образом, из зерен кварца со средним диаметром примерно 0,4 мм.

Тропические влажные зоны расположены у экватора между 23° северной и 23° южной широты. Они характеризуются постоянным высокой t° с малыми суточными изменениями и высокими значениями относительной влажности. В течение значительной части года выпадают обильные осадки. Дневные t° до 40°С, ночные редко ниже 25°С, в дождливые периоды t° может снижаться до 20°С. Относительная влажность днём z=70-80%, а ночью повышается до z=90% и выше; часто ночью воздух насыщается водяными парами, т.е. z=100%.

В тропическую влажную зону входят Западная, Центральная и Восточная Африка, Центральная Америка, Южная Азия, Индонезия, Филиппины и архипелаги островов в Тихом и Индийском океанах. Характерным для прибрежных районов и островов данной зоны является наличие высокого содержания соли в атмосфере, что при наличие высокой относительной влажности и высокой температуры создаёт условия для интенсивной коррозии металлов.

В связи с развитием авиации и ракетной техники существенный интерес представляют условия в верхних слоях атмосферы. Для ближайшей к земной поверхности зоны (0-12 км) – тропосферы – характерно падение температуры примерно 6,5°С на каждый километр высоты, происходит уменьшение относительной влажности до z=5…2% у верхней границы тропосферы. В следующей зоне (12-80 км) – стратосфере - t° на участке 12…25 км высоты достигает -56,5°С, а затем начинает расти. В стратосфере находятся слои озона, которые имеют максимальную концентрацию на высоте 16…25 км. В тропосфере и стратосфере существуют ветры и течения. Сила ветров возрастает с высотой в тропосфере, а затем уменьшается в стратосфере. Ветры и воздушные течения имеют западное направление. Наиболее мощные течения (до 120 м/с и больше) лежат вблизи нижнего слоя стратосферы.

В зоне, лежащей выше 80 км – ионосфере - t° снова начинает возрастать. На высоте 82 км находится так называемый слой Е, на высоте 150 км – слой F ионосферы, играющие важную роль в распространении коротких и ультракоротких радиоволн. В ионосфере большая часть газов находится в атомарном состоянии. Последняя зона – экзосфера – представляет почти идеальный вакуум.

Итак, как следует из анализа климатических зон, к категории климатических факторов относится действие t°, влажности и солнечной радиации.

Мы выяснили, что t° воздуха вблизи земной поверхности может колебаться от -70° до +60°С. Если оборудование не защищено от прямого воздействия солнечных лучей, то температура твёрдого тела у поверхности Земли может превышать температуру окружающего воздуха на 25°…35°С. t° внутри защищённого кожуха вследствие выделения тепла работающими приборами может повышаться до 150°С и выше. Т.о., диапазон температур, при котором работает оборудование, весьма значителен. Рассмотрим характерные примеры влияния:

- Белая модификация олова, переходя в серую, при = 13°С. При =-50°C резко возрастает процесс разрушения олова. Под влиянием изменяются геометрические размеры деталей, что может привести к возникновению зазоров, заклиниванию.

Изменяются также электрические и магнитные свойства материалов. Температурный коэффициент сопротивления меди равен 0,4% на 1°С. Величина сопротивления непроволочных резисторов меняется при изменении от -60°С до +60°С на 15…20%. Сталь с примесью 6% вольфрама теряет до 10% магнитной энергии при изменении температуры от 0° до100°С. Ёмкость конденсатора существенно меняется при изменении температуры (до 20…30%). При изменении окружающей среды от -60° до+60°С параметры полупроводниковых приборов меняются на 10…25%. Существует предельное значение , при котором могут работать полупроводниковые приборы, так, для германиевых диодов и транзисторов, предельно допустимое 70°…100°С, для кремниевых – 120°…150°С.

Влажность также влияет на работоспособность. Водные пары всегда находятся в воздухе, окружающем оборудование. Относительная влажность составляет при нормальных условиях 50…70%, среднее значение относительной влажности колеблется от 5% (в зоне пустынь) до 95% (в зоне тропиков). Влага изменяет механические и электрические свойства материалов. Проникновение влаги в поры диэлектрика повышает диэлектрическую проницаемость, что приводит к изменению ёмкости конденсаторов. Влажность уменьшает поверхностное сопротивление, сопротивление изоляции, электрическую прочность, уменьшает ёмкостную связь между проводами, оказывает существенное влияние на работоспособность полупроводниковых приборов, вызывает коррозию всех металлических деталей.

Существенным фактором для ухудшения работоспособности оборудования является наличие ультрафиолетового излучения и, наконец, высокая относительная влажность и высокая температура способствуют быстрому развитию бактерий и микроорганизмов, которые вызывают порчу органических, а в ряде случаев и металлических частей оборудования (изоляция проводов, изолирующие части конструкции, краски, лаки и другие покрытия).

Установлен ряд климатических исполнений (классы исполнений) изделий по условиям их эксплуатации в макроклиматических районах (ГОСТ 15150-69). Например: У (N) – для районов с умеренным климатом; УХЛ (NF) – с умеренным и холодным климатом; при эксплуатации только в холодном климате – ХЛ (F) и т.д.. Всего установлено 11 климатических исполнений. В зависимости от места размещения изделия при эксплуатации в воздушной среде (на высоте до 4300 м над уровнем моря, а также в подземных и подводных помещениях) установлен ряд категорий размещения:

1- На открытом воздухе;

2- Под навесом или в открытых помещениях;

3- В закрытых помещениях (не отапливаемых);

4- В закрытых отапливаемых помещениях;

5- В помещениях с повышенной влажностью (шахты, подвалы, цеха и т.д.).

Стандарт устанавливает нормы температуры, влажности и другие эксплуатационные параметры для данного вида условий эксплуатации (класса и категории). Например, для изделий исполнения УХЛ 4 рабочие температуры – от +1° до +36°, средняя рабочая температура +20°С, предельные температуры +1°С;+50°С. Предельная относительная влажность 80%.