Стендовые испытания на надежность

Изделия машиностроения ответственного назначения перед эксплу­атацией подвергают стендовым испытаниям на надежность, которые позволяют определить вероятность безотказной работы в заданный пе­риод времени, выявить наиболее слабые звенья и установить физические причины отказов. Однако следует иметь в виду, что такие испытания требуют значительных затрат времени и должны быть экономически оп­равданы. Поэтому часто объектом испытаний является не вся машина, а лишь ее отдельные узлы или детали, т. е. элементы конструкции, кото­рые оказывают доминирующее влияние на надежность машин.

В зависимости от характера нагружения испытуемых узлов и дета­лей создают и применяют самые различные стенды. Например, для испы­тания подшипников качения используют стенд, кинематическая схема которого приведена на рис. 3.32, а. На вращающийся в подшипниках 5 вал 2 установлены две пары подшипников. Одна пара в узле радиально­го нагружения 4, а две другие пары в узле осевого нагружения 7. На­грузка на подшипники регулируемая и создается гидравлическими ци­линдрами 3.

На рис. 3.32, б приведена кинематическая схема стенда для исследо­вания износостойкости пары винт—гайка, часто применяемых в стан­ках. Винт 1 получает ускорение при вращении, сдвигает и раздвигает гайки 2 и 4,между которыми установлена пружина 3, и создает в паре винт—гайка требуемую нагрузку. Гайки установлены на основании 5, которое удерживает их от проворота.

На рис. 3.32, в приведена кинематическая схема стенда для испыта­ния на термическую усталость материала валков, применяемых в про­катных станах. От электродвигателя 9 через редуктор 8, вариатор для регулирования скорости 7 и червячный редуктор 6 вращение передается на испытуемый образец 2 (или модель прокатного валка), который уста­навливается в захвате 5. При вращении часть образца окунается в воду (пассивное охлаждение) и продолжает охлаждаться струями воды 3 (ак­тивное охлаждение), затем нагревается от индуктора 4. Таким образом, в образце возникает переменное температурное поле, а следовательно, и температурные напряжения, которые вызывают термическую усталость.

На рис. 3.32, г приведена кинематическая схема стенда для испыта­ний на усталость при изгибе крупномодульных зубчатых колес, применя­емых, например, в приводах кривошипных прессов. Одновременно ис-пытывается восемь зубчатых колес. Нагружение зубьев производится Т-образным рычагом 3 со сменными шлифованными накладками 4, кото­рые крепятся в державке 5. Державка сидит на оси, что обеспечивает практически одинаковое распределение сил на зубья колес. Зубчатые колеса 6 расклинены прижимными планками 8 с помощью болтов 7. В вил­ке нижнего конца рычага 3 на оси 9 на двух радиальных шарикопод­шипниках насажан диск 2, ступицы которого служат ведомым шкивом клиноременной передачи 10. На диске 2 укреплен груз /, являющийся неуравновешенной массой, которая создает переменную силу на испы­тываемые зубья.

Для оценки надежности насосов и плунжерных пар служит стенд, упрощенная схема которого приведена на рис. 3.32, д. Стенд применяют для исследования работоспособности гидроагрегатов и пропускания через них загрязненной жидкости. Гидронасос 1 подает из бака 2 чистое масло к распределительному клапану 3 и оттуда — в полость гидравли­ческого разделителя 4. Разделитель представляет собой шаровой гидро­аккумулятор с резиновой разделительной диафрагмой. В одной полости находится чистое масло, в другой загрязненное. Давлением в разделите­ле загрязненное масло вытесняется и направляется в испытуемый эле­мент 5, откуда затем жидкость попадает в бак 6. Из бака насосом под­качки 7 заполняется второй разделитель 8, который приводится в состояние готовности к подаче загрязненного масла в испытуемый эле­мент 5. После того как из первого разделителя 4 вытеснена загрязненная жидкость, кран 3 переключается и питание начинает поступать к гидро­агрегату от разделителя 8, а разделитель 4 заполняется загрязненной жидкостью. Система обратных клапанов обеспечивает необходимое на­правление потоков масла.

Планирование испытаний

Главным вопросом планирования испытаний является установление требуемого количества испытуемых элементов — образцов, деталей, уз­лов и т.п. Соответствующая обработка данных об отказах должна обес­печить достоверность (с заданной вероятностью) количественной оценки надежности элементов. Такую оценку проводят на основе центральной предельной теоремы теории вероятностей. Допустим, имеется очень боль­шое, назовем условно «бесконечное», количество результатов испытаний. Например, бесконечное множество пределов выносливости

х_i = δ _-1 образцов, вырезанных из куска металла. Наиболее часто распределение х_i подчиняется нормальному закону, определяемому выражением

где f(х) —функция распределения переменной величины, называемая плот­ностью вероятностей; δ —среднеквадратичное (стандартное) отклонение «бесконечной» совокупности; μ —среднее значение «бесконечной» сово­купности (рис. 3.33).

Если из бесконечной совокупнос­ти взять несколько выборок по п в каждой (например, по 20-25), то ста­тические величины этих выборок бу­дут также случайными.

Пусть х — среднее значение слу­чайной совокупности размером п (вы­борочное, среднее), взятое из «беско­нечной» совокупности со средним зна­чением μи стандартным отклонением . Доказано, что распределение имеет среднее значение μ и стан­дартное отклонение . В этом суть центральной предельной теоре­мы.

Доказано также, что если бесконечная совокупность, из которой сде­ланы выборки, распределяется нормально, то и распределение выбороч­ных средних х также нормальное.