Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ и систематизация существующих конструкций МВТП и
1.1. Обзор и анализ работ в области разработки, применения МВТП и устройств для неразрушающего контроля промышленных изделий. Основные направления их совершенствования 11
1.2.Классификация МВТП 18
1.3.Типы конструкций многоэлементных МВТП и их систематизация 19
1.4.Выводы 29
2. Разработка способов повышения фукциональной надежности конструкции МВТП на основе исследования математических моделей воздействий на конструкцию МВТП дестабилизирущих факторов. Выбор оптимальных моделей МВТП 30
2.1.Причины изменения параметров элементов конструкции МВТП в процессе эксплуатации 30
2.2. Математическая модель механических воздействий на конструкцию МВТП 32
2.3.Математическая модель вариаций величин параметров элементов конструкции матричного ВТП 34
2.4.Математические модели температурных воздействий на конструкцию МВТП 36
2.4.1 .Математическая модель кондукции 36
2.4.2.Математическая модель конвекции 37
2.4.3.Математическая модель излучения 40
2.5.Разработка способов защиты конструкции МВТП от воздействия влаги 42
2.6.Разработка способов герметизации конструкции МВТП 45
2.7.Исследования по защите конструкции МВТП от воздействия температуры 47
2.8.Исследования по защите конструкции МВТП от воздействия электрических и магнитных полей 49
2.9.Выводы 55
3. Разработка алгоритма расчета требуемого уровня надежности конструкции мвтп, его остаточного ресурса и математискои модели прогнозирования эксплуатационной надежности МВТП 57
3.1.Исследования на прочность конструктивных элементов МВТП 60
3.2. Алгоритм расчета срока службы конструкции МВТП 61
3.3.Алгоритм расчета надежности элементов конструкции МВТП и способы ее повышения 69
3.4.Способы повышения надежности конструкции МВТП 72
3.5.Алгоритм расчета расчета требуемого уровня надежности МВТП 77
З.6.Математическая модель прогнозирования эксплуатационной надежности конструкции МВТП 79
3.7.Алгоритм расчета остаточного запаса срока службы конструкции МВТП 82
3.8.Выводы 83
4. Разработка аппаратных и програмных средств устройства самодиагностики МВТП 83
4.1 .Виды испытательных характеристик МВТП 83
4.2. Испытание работоспособности МВТП 84
4.3.Обнаружение дефектов МВТП 86
4.4.Прогнозирование изменения состояния МВТП 89
4.5.Разработка утройства самодиагностики МВТП 91
4.6.Устройство для температурной компенсации МВТП 98
4.7.Аппаратные средства автоматизации процессов технического диагностирования МВТП 103
4.8.Выводы 104
Заключение и основные выводы по работе 115
Библиографический список использованной
Литературы 118
Приложения 125
- Обзор и анализ работ в области разработки, применения МВТП и устройств для неразрушающего контроля промышленных изделий. Основные направления их совершенствования
- Математическая модель механических воздействий на конструкцию МВТП
- Алгоритм расчета срока службы конструкции МВТП
- Испытание работоспособности МВТП
Введение к работе
Неразрушающий контроль (НК) находит все большее признание потребителей как инструмент повышения качества выпускаемой продукции и гарантирует ее долговечность эксплуатации. Создание сложных высоконадежных средств НК в свою очередь немыслимо без объективного контроля правильности их функционирования в соответствии с требованиями, указанными в технических условиях на конкретное средство НК. В этой связи развитие систем диагностирования самих средств НК по определению их надежности и остаточного ресурса, особенно вновь создаваемых сложных средств НК, диагноза текущего состояния на всех этапах жизни становится важной и ответственной задачей.
В отечественной практике накоплен обширный материал и создан теоретический задел по определению остаточного ресурса производственных объектов, в том числе ответственного назначения [16].Однако подобных рекомендаций или технических указаний по расчету реального остаточного ресурса средств НК, используемых для диагностики указанных производственных объектов, нет.
Исследование поведения объекта во время эксплуатации и оценка его качества определяет его надежность. Для количественного выражения надежности объекта и для планирования эксплуатации используются специальные характеристики - показатели надежности [15, 117].Они позволяют оценивать надежность объекта или его элементов в различных условиях и разных этапах эксплуатации.
Большой вклад в развитие теории надежности элементов и систем внесли зарубежные и отечественные ученые - Д.Ллойд, Р.Барлоу, Ф.Прошан, Б.Гнеденко, Ю.Беляев ,А.Колмогоров, И.Коваленко, И.Павлов, Ю.Руденко, А.Соловьев, И.Ушаков и др.[ 109-118].
Новые экономические условия, в которых оказалась Россия, разрушение научно - производственной инфраструктуры и появление на рынке электрооборудования зарубежных производителей существенно изменило цели и методы оценки и обеспечения надежности. Кроме того, появление, развитие и распространение сложных систем, компонентами которых являются технические средства, программное обеспечение, человек требуют новых подходов к оценке их надежности [15, 17].
Одним из важнейших вопросов теории и практики надежности является математическое моделирование функционирования систем, разработка методов и алгоритмов расчета, анализа и прогнозирования их надежности и остаточного ресурса [110, 113].
Сложность решения задачи анализа и прогнозирования надежности систем обусловлена отсутствием универсальных методов учитывающих неполноту и неоднородность исходной информации как о надежности самих элементов систем так и информации о реальной эксплуатации. Поэтому разработка новых математических методов и алгоритмов расчета, анализа и прогнозирования их надежности и остаточного ресурса систем при неполной информации является чрезвычайно важной задачей.
При выпуске новых стандартов для базовых узлов корпусных конструкций и электронных элементов восстанавливаемых средств НК предполагалось, что при выходе из строя этих средств или же при первой их модернизации механические узлы и электронные элементы быстро заменят на новые. Однако этого своевременно не происходит, поскольку нормативные документы, создаваемые в последнее десятилетие на вновь выпускаемые приборы, не могли быть разработаны из-за отсутствия рекомендаций потребителей контрольно-измерительных средств. Для невосстанавливаемых средств НК в процедуре замены элементов и модернизации нет необходимости, зато необходимо знать точное значение остаточного ресурса.
Имеющийся опыт проведения испытаний средств НК на механическую и метрологическую надежность показывает, что самым слабым звеном в аппаратуре НК является конструкция первичного измерительного преобразователя физических параметров. В качестве такого преобразователя в диссертационной работе рассматривается конструкция многоэлементного (матричного) вихретокового преобразователя (МВТП), включающая в себя корпусные детали, электронные компоненты, в том числе катушки индуктивности, а так же электрические связи и каналы передачи информации.
В настоящее время для повышения точности, разрешающей способности и прозводительности неразрушающего контроля (НК) в различных отраслях промышленности и транспорта широко используются приборы и автоматизированные комплексы с первичными многоэлементными электромагнитными преобразователями: - для диагностики газонефтепроводов (дефектоскопы-снаряды и интроскопы «КОД -2М,-4М», «КРОТ 1200», МИ-20В, МИ-31, Linalog и др. фирм: ЦТД «Интроско», ЦТД «Диаскан», «Саратовгазприборавтоматика», МНПО«Спектр», AMF Tuboscope США),-для дефектоскопии несущих конструкций самолетов и ракет (универсальные приборы MIZ -17ЕТ, MIZ -20, MIZ -40 фирмы Zetek США, Elotest -340 фирмы Rohmann Германия), -для контроля металлопроката в процессе производства (Defektomat-S фирмы Instit.dr Forster Германия), в атомной энергетике (Eddyscan-3D фирмы CMS Франциия), - для контроля теплопроводов ЖКХ (инроскопы МИ-10 МИ-20 фирмы ЦТД «Интроско», МНПО «Спектр»), - для контроля рельсового пути на железнодорожном транспорте (МНПО «Спектр») [1-Ю, 19-29, 95-98].
Сегодня развитие и совершенствование электромагнитных методов и средств обусловлено ростом объемов контроля, сложностью изделий и объектов контроля, высокими требованиями к информативности и достоверности результатов, производительности контроля. Все это привело к созданию многоэлементных преобразователей, потенциальные возможности которых значительно выше, чем у одноэлементных преобразователей или системы из этих преобразователей, подключенных к многоканальному устройству [19,30-39].
Основной задачей диагноза аппаратуры НК является систематическая проверка технического состояния конструкции многоэлементного ВТП (МВТП) с целью: выявления отклонений его эксплуатационных характеристик от предельно-допустимых значений, указанных в технических условиях на данное средство, отыскания мест неисправности при отклонении показателей этого средства, определения характера и причины возникновения неисправности и выработки рекомендаций по реанимации конструкции МВТП.
Для того, чтобы лучше понять основные принципы многопараметрового контроля, чаще всего техногенных объектов, используются два метода - это многочастотный способ многопараметрового контроля и одночастотный или комбинированный способ контроля одновременно несколькими как правило параметрическими ВТП. Наиболее простая в математическом представлении, надежная и развитая в последние годы является вторая схема контроля физических параметров - это электромагнитная матрица, состоящая из набора параметрических ВТП.
При эксплуатации МВТП его располагают непосредственно в зоне исследуемого участка объекта контроля, эксплуатируемого часто в тяжелых экстремальных условиях, а иногда в агрессивных средах. При этом конструкция МВТП так же испытывает на себе те же внешние воздействия как и объект контроля. Изменение механической жесткости и прочности, а так же понижение помехоустойчивости МВТП существенно ухудшают метрологию всей аппаратуры НК до определенного предела, после которого дальнейшее ужесточение требований к средству НК, в том числе и модернизация конструкции восстанавливаемого МВТП и его узлов, на первый взгляд нецелесообразна. Однако практика показывает, что обновление конструктивных и электронных узлов и компонентов МВТП всегда благоприятно влияет на его работоспособность в пределах первоначально заданных технических требований, дешевле, чем покупка нового МВТП, а следовательно экономически оправдано.
Потребителю средства НК всегда важно знать наряду с так называемой предысторией его метрологических показателей -эксплуатационный ресурс и остаточный запас срока службы МВТП. Данное исследование позволяет обоснованно рассчитать по статистической информации, а затем предсказать на основе адекватных критериев (примерах), стратегию надежности и остаточного ресурса комплексных средств НК, в частности первичных средств преобразования измеряемых параметров.
В связи с вышеизложенным тема диссертации, направленная на решение задач повышения надежности и эксплуатационного ресурса многоэлементных вихретоковых преобразователей, является актуальной и имеет большое научно-практическое значение. І.Цель и задачи диссертации.
Целью данной диссертации является разработка методов и средств повышения динамической надежности как отдельных элементов конструкции МВТП, так и конструкции в целом, разработка математического аппарата для расчета требуемого уровня надежности и остаточного эксплуатационного ресурса МВТП, математической модели прогнозирования его надежности и на этой основе - разработка устройства автоматической самодиагностики МВТП.
2.Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи.
Проанализировать существующие типы конструкций МВТП, исследовать основные факторы влияющие на их надежность и выбрать методы и пути повышения надежности и ресурса работы МВТП.
Разработать математическую модель для расчета и анализа надежности элементов конструкции МВТП и предложить способы ее повышения.
Разработать алгоритмы расчета требуемого уровня надежности МВТП и его остаточного эксплуатационного ресурса, исследовать их параметры.
Разработать математическую модель прогнозирования надежности МВТП.
Разработать рекомендации по повышению надежности и ресурса работы МВТП, а также аппаратные и программные средства для устройства автоматической самодиагностики МВТП.
3.Методы решения задач и исследований.
Решение поставленных задач основывается на использовании методов теории вероятности, теории надежности, неироматематики, теории анализа и планирования эксперимента. Экпериментальные данные анализировались с помощью аналитической платформы «Deduktor» и современных автоматизированых средств измерений.
4.Научная новизна основных результатов работы.
Разработан математический аппарат и алгоритм расчета эксплуатационной надежности как отдельных элементов и узлов конструкции МВТП, так и конструкции в целом, используя принципы вероятностного представления нестационарных случайных процессов.
Получены формулы и алгоритмы расчета требуемого уровня надежности и остаточного эксплуатационного ресурса МВТП, используя математический аппарат теории надежности.
Предложена математическая модель прогнозирования надежности МВТП, используя математический аппарат искусственных нейронных сетей.
Разработаны принципы построения устройств самодиагностики МВТП.
5.Практическая ценность и значимость.
Даны рекомендации по разработке конструкций МВТП высокого уровня надежности, обеспечивающие их эксплуатацию в экстремальных условиях.
Разработаны методика инженерного расчета остаточного ресурса МВТП и алгоритмы прогнозирования его эксплуатационной надежности.
Разработаны аппаратные и программные средства для устройства автоматической самодиагностики МВТП.
4. Применение програмно-алгоритмических и аппаратных средств позволило повысить надежность МВТП на 20% и увеличить ресурс на 15-20%. б.Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты диссертационной работы используются и внедрены в ФГУП «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» при разработке новых портативных приборов для автоматического контроля качества элементов и узлов космических аппаратов, в ГП «Научно-исследовательский машиностроительный институт» для разработки средств неразрушающего контроля физико-механических свойств и толщины тонкометалических элементов специзделий с повышеной эксплуатационной надежностью и ресурсом.
7.Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на XVII Росийской научно-технической конференции «Неразрушающий контроль и диагностика» (г. Екатеренбург, 2005г.), 4-й и 5-й Международной выставке и конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (г.Москва, 2005 и 2006 г.г.), на НТК и семинарах МГУПИ, НИИИН, НИМИ.
8.Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Получен патент на изобретение № 2248565 от 20.03.2005 г.: «Способ определения метрологических показателей и надежности матричного вихретокового преобразователя в динамических условиях эксплуатации».
9.Структура и объем диссертации .
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографии из 128 наименований, и приложений общим объёмом 111 стр. м.п. текста и 25 иллюстраций.
В первой главе приводится обзор и анализ типов конструкций многоэлементных преобразователей, во 2-ой главе исследуются факторы влияющие на надежность конструкции МВТП, в третьей главе излагаются методика аналитического расчета эксплуатационной надежности МВТП, алгоритмы расчета остаточного ресурса МВТП и модель прогнозирования его эксплуатационной надежности, в четвертой главе излагаются схемотехнические принципы построения устройства автоматической самодиагностики МВТП.
Ю.На защиту выносятся:
Математический аппарат, формулы и алгоритмы расчета требуемого уровня надежности и остаточного эксплуатационного ресурса МВТП.
Математическая модель и алгоритм прогнозирования надежности МВТП.
Алгоритмы, програмные средства и схемотехнические решения, для разработки устройств самодиагностики в приборах и системах неразрушающего контроля, обеспечивающих требуемую эксплуатационную надежность.
Обзор и анализ работ в области разработки, применения МВТП и устройств для неразрушающего контроля промышленных изделий. Основные направления их совершенствования
Широкое использование электромагнитных средств для неразрушающего контроля и диагностики промышленных изделий, транспортных средств, оборудования и др. продукции стало возможным благодаря развитию теоретических, методологических и прикладных проблем и методов электромагнитного и вихретокового контроля, в разработку и развитие которых значительный вклад внесли отечественные и зарубежные учёные — Абакумов А,А.,Сапожников А.Б., Бюллер Г.А., Зацепин Н.Н., Клюев В.В., Дорофеев А.Л., Герасимов В.Г., Покровский А.Д., Мужицкий В.Ф., Пустынников В.Г., Шкарлет Ю.М., Шатерников В.Е., Шкатов П.Н., Федосенко Ю.К., Сухоруков В.В., Стеблев Ю.И., Ф. Фёрстер, Ф. Шарп, Р. Хохшильд, С. Додд, П. Вайделих, Р. Ноймаер и др. [44-61].
Разработкой теоретических и прикладных проблем элетромагнитных методов неразрушающего контроля занимается большое количество научно-исследовательских организаций и фирм в России и зарубежом -МНПО «Спектр», ЦТД «Интроско», ЦТД «Диаскан», «Саратовгазприборавтоматика», МЭИ, МГТУ им. Н. Баумана, МГУПИ, НПО «ЦНИИТМАШ», ИФМ УО РАН (г. Екатеринбург), ТГТУ (г. Томск), ФНЦ «ВИАМ», НИИЭРАТ, Институт прикладной физики БАН (г. Минск), ВНИИНК и ПО «Волна» (г. Кишинёв), Физико-технический институт УНАН (г. Львов), фирмы «Фёрстер», «Романн», «Фишер» (Германия), «Зетек», «Нортек», «НДТ технолджи», «ЕСТ» (США), «Хёкинг», «Тектроникс» (Великобритания), «Интерконтроль» (Франция), «Эддио» (Япония) и др. [1-22,31-47].
В результате многолетней работы этих организаций и учёных решены основные проблемы в теории электромагнитного контроля с применение одноэлементных трансформаторных и параметрических датчиков и созданы на их основе современные приборы и системы для дефектоскопии, структуроскопии, толщинометрии и др. [19-53, 73-90].
В настоящие время развитие и совершенствование электромагнитных методов контроля обусловлено значительным ростом объёма контроля, расширением их функциональных возможностей, требованиям к повышению производительности, информативности и достоверности контроля. Это привело к разработке и созданию многопараметровых, многочастотных, переменночастотных и многоканальных методов и средств контроля с использованием в них одноэлементных классических преобразователей различного типа [1-Ю, 57-89]. Наиболее перспективным и эффективным для решения вышеуказанных задач представляет использование многоэлементных преобразователей и систем, потенциальные возможности которых значительно выше и шире чем у известных одноэлементных [16-28].
Известны устройства с большим количеством преобразователей, применяемые для магнитного [16-28], вихретокового [21-48, 44] и электромагнитного контроля [48].В магнитных многоэлементных и матричных преобразователях в качестве чувствительных элементам используются магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотриоды, датчики Холла, феррозонды и доменные преобразователи [16-21].Следует отметить, что магнитодиоды и магнитотриоды обладают температурной нестабильностью и большими габаритами. Феррозондовые преобразователи и датчики Холла обладают большой чувствительностью и стабильностью, они могут объединяться в многоэлеменные матрицы [16-20] и широко используются в магнитной дефектоскопии и дефектометрии [16-20], также перспективно применение доменных преобразователей для контроля трубопроводов и другой металлопродукции [16-20].
В работе [19, 20] описаны многоэлементные преобразователи индукционного типа для магнитной дефектоскопии на основе переходных процессов. Многоэлементные преобразователи магнитных полей для магнитной диагностики широко используются в магнитных интроскопах, работающих в постоянных и переменных магнитных полях. В качестве чувствительных элементов в них используются индукционные, феррозондовые, холловские, вихретоковые, гальваномагнитные, мозаичные, доменные и др. [16-28].
В последние годы появилось новое направление миниатюризации магнитных устройств, использующее электромагнитные процессы на доменном уровне — матричные доменные преобразователи [18]. Они имеют определённые достоинства и недостатки, такие, как необходимость выполнения множества токоподводов, что приводит к усложнению устройства и снижению надежности работы. Основной недостаток матричных магнитных преобразователей состоит в ограничении области применения ферромагнитными изделиями, ограниченные возможности применения для контроля изделий сложной формы и сильное влияние на результаты контроля различного рода помех, неточности установки, зазоров и перекосов относительно контролируемой поверхности.
В [18] описаны некоторые конструкции матричных вихретоковых преобразователей с секционными измерительными и возбуждающими обмотками, а также с обмотками возбуждения в виде двухпроводных линий вдоль осей х и у. Основной недостаток этих преобразователей — наличие перекрёстных помех, сложность изготовлений таких матриц, применение большого числа коммутаторов в цепях обмоток возбуждения и измерительных обмотках, что вносит дополнительные помехи и снижает надёжность.Использование таких преобразователей в вихретоковых интроскопах для диагностики газонефтепроводах как указано в [18] выявило такие недостатки, как высокий уровень помех, температурная нестабильность, влияние зазора между датчиком и изделием, неидентичность характеристик элементов матрицы, что создаёт трудности при компенсации начального уровня.
Наиболее перспективным направлением совершенствования вихретоковых многоэлементных преобразователей является применения матричных металлоплёночных [21] и твердотельных элементов [44] на основе технологии получения обмоток способом напыления. Основной недостаток этих преобразователей — это жёсткость конструкции, что не позволяет контролировать изделия с различной формой поверхности, имеющих малые радиусы кривизны, а также очень сильное влияние на точность контроля зазоров и перекосов при сканировании контролируемой поверхности.
В КуАИ и МГУПИ разработка и совершенствование многоэлементных преобразователей ведётся в направлении унификации и оптимизации отдельных элементов как однотипных и одинаковых по всем параметрам устройств с самостоятельной системой их ориентации и установки на контролируемой поверхности независимо от её формы и радиуса кривизны с последующим объединением их в единый конструктивный многоэлементный электромагнитный преобразователь (МЭП) с N элементами и представлении его как самостоятельного многофункционального первичного электромагнитного преобразователя, используемого в одноканальных и многоканальных электромагнитных приборах для решения различного рода задач неразрушающего контроля качества продукции и оборудования.
Работы в этом направлении были начаты в КуАИ в 80-е годы и продолжены в МГАПИ под научным руководством профессора Шатерникова В.Е. [19-21, 23-29]. Особенно большой вклад в разработку различных систем ориентации и установки элементов МЭП был сделан к.т.н. Корнеевым Б.В. [31, 36, 75-80]. Он также предложил принципы построения матричных вихретоковых преобразователей, которые реализовал в многочисленных конструкциях многоэлементных ВТП [72-75]. Рассмотрим основные достоинства МЭП, способы улучшения их параметров, расширения их возможностей и области эффективного использования.
Математическая модель механических воздействий на конструкцию МВТП
На узлы, элементы и связи конструкции МВТП в процессе транспортирования и эксплуатации воздействуют внешние механические факторы (вибрации, удары, ускорения, акустические шумы), передающие ей механическую энергию. Количество переданной энергии определяет уровень и характер изменения конструкции. Допустимые уровни механического изменения конструкции определяются ее прочностью и устойчивостью к механическим воздействиям.
Под прочностью конструкции понимается способность аппаратуры выполнять функции и сохранять параметры после приложения механических факторов. Устойчивость конструкции - способность МВТП сохранять функции и параметры в процессе механических воздействий.
Откликом или реакцией конструкции МВТП на механические воздействия называют любые формы трансформации или преобразования энергии механического возбуждения. Разновидность откликов: - механические напряжения в элементах конструкции МВТП; - перемещения элементов конструкции и их соударения; - деформации и разрушения конструктивных элементов; - изменения свойств и параметров конструкции МВТП. Механические факторы могут приводить к непредусмотренным взаимным перемещениям деталей и узлов из-за возникающих инерционных сил и, как следствие, деформациям крепежных, несущих и других электронных элементов конструкции, их соударению. При незначительных механических воздействиях в элементах и узлах конструкции МВТП возникают упругие деформации, фактически не сказывающиеся на работоспособности аппаратуры. Увеличение нагрузки приводит к появлению остаточной деформации и при определенных условиях разрушению конструкции. Разрушение может наступить и при нагрузках, много меньших предельных значений статической прочности материалов, если конструкция окажется подверженной знакопеременным нагрузкам.
Отказы конструкции МВТП бывают восстанавливаемые после снятия или ослабления механического воздействия (чисто механическое проявление вибраций и ударов, изменение параметров компонентов МВТП, возникновение помехонесущих шумов) и невосстанавливаемыми (обрывы и замыкания электрических соединений, отслаивание проводников печатных плат, нарушение элементов крепления и разрушение несущих конструкций).
При необходимости построения более сложной модели, например для МВТП, можно воспользоваться моделью на рис.2.1, повторяя ее многократно. В этом случае получим систему с распределенными параметрами.
Важнейшим показателем любой механической системы является число степеней свободы, однозначно определяющим положение системы в пространстве в любой момент времени. Число степеней свободы реальной конструкции параметрического МВТП зависит от степени ее упрощения, т.е. модель должна отображать реальную конструкцию и быть достаточно простой для исследования.
Задача определения пределов вариаций (изменений) величины того или иного параметра элемента по заданным условиям его эксплуатации относится к общей теории точности, основы которой созданы академиком Н.Г. Бруевичем и его сотрудниками. Достаточно строгие методы теории точности базируются на применении теории вероятностей и требуют прежде всего предварительного статистического изучения законов распределения отклонения параметров деталей от номинала и влияния старения. Если бы эти законы были известны, то можно было бы решить основную задачу теории ошибок - определить пределы, за которые с заранее заданной вероятностью (так называемой надежностью результата) отклонение исследуемого параметра элемента не выходит. Однако в последние годы необходимые статистические материалы [2] имеются пока в недостаточном количестве. Опираться в расчетах на какое-нибудь теоретическое, например, гауссово распределение вероятностей не всегда возможно, так как действительные условия могут сильно отличаться от теоретических предпосылок. Поэтому часто идут по пути определения максимально возможных отклонений, так как предельные допуски на детали почти всегда бывают известны. К тому же этот путь по сравнению с вероятностными методами дает относительно завышенные, а потому и вполне надежные результаты.
Это выражение должно быть приведено к такому виду, чтобы фигурирующие в нем в качестве независимых переменных параметры были взаимно независимыми.
Максимальные отклонения параметра X от номинала можно определить, подставляя непосредственно в выражение (10) сначала номинальные значения параметров деталей и параметров эксплуатационного режима, а затем наибольшие и наименьшие значения последних в таких сочетаниях, чтобы один раз получилось наибольшее, а другой раз наименьшее значение параметра X. Такой прием является наиболее простым и естественным, но при этом иногда бывает трудно оценить количественное влияние отклонений параметров режима на отклонение исследуемого параметра элемента. При сложном характере функциональной зависимости (10) может возникнуть затруднение даже в нахождении указанных выше сочетаний, т.е. не исключена возможность ошибок при определении экстремальных значений параметра X.
В этом выражении отчетливо видно значение отклонения каждого параметра Ах,- , а наибольшие положительное и отрицательное отклонения исследуемого параметра элемента А X легко находятся соответствующим выбором знака перед отдельными слагаемыми, поскольку параметры х\, х2,...хп являются взаимно независимыми. Однако наблюдающиеся в действительности вариации Ах,- бывают не очень малыми и потому выражение (2) в общем случае из-за нелинейного характера зависимостей Х = /І(ХІ) будет давать ту или иную ошибку. Практически оказывается удобным отдельно определить погрешности от технологических причин и от эксплуатационного характера.
Ориентировка на максимальные отклонения обеспечивает полную надежность и потому, безусловно, целесообразна при определении погрешности эксплуатации. Погрешности технологического характера, как указывалось, могут быть значительно скомпенсированы во время заводской регулировки и поэтому можно рекомендовать ориентироваться на несколько заниженные отклонения в зависимости от конкретных условий. Это позволит упростить и удешевить регулировочные приспособления. Если же глубина (запас) регулировки в некоторых случаях окажется недостаточной, то это можно исправить заменой отдельных деталей или узлов с наибольшими отклонениями.
Алгоритм расчета срока службы конструкции МВТП
Значительное, непредусмотренное отклонение параметров от номинала и особенно выход из строя хотя бы одного элемента, входящего в состав конструкции МВТП, в той или иной степени нарушает нормальную его работу, а чаще всего приводит к выходу из строя конструкции в целом. При этом не один из конструктивных элементов и электронных компонентов, естественно, не обладает абсолютной надежностью в указанных выше отношениях. Надежность же конструкции МВТП определяется надежностью ее элементов и узлов. Совершенно ясно, что вопрос надежности является исключительно важным, причем он приобретает все большее значение в связи с непрерывно наблюдающимся усложнением конструкций МВТП и входящих в него компонентов.
Надежность - это свойство выполнять заданные функции МВТП в определенный период, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, при соблюдении режимов эксплуатации, правил технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Ресурсом называют продолжительность работы МВТП до предельного состояния, установленного в нормативно-технической документации.
Отказ это случайное событие, приводящее к полной или частичной утрате работоспособности МВТП. Отказы по характеру изменения параметров МВТП до момента их возникновения подразделяются на внезапные (катастрофические) и постепенные. Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением, постепенные характеризуются временным изменением одного или нескольких параметров. По взаимосвязи между собой различают отказы независимые, т.е. не связанные с другими отказами, и зависимые.
Отказы зависят от множества мелких причин технологического и эксплуатационного характера, не всегда поддающихся предварительной оценки и учету. Поэтому надежность работы элемента и отдельных узлов приходится рассматривать как случайную величину, для определения которой нужно располагать необходимыми статистическими сведениями, определяемыми из опыта эксплуатации или из специально поставленных лабораторных исследований, с достаточной близостью имитирующих условия эксплуатации.
Для задач эксплуатации удобно под надежностью конструкции МВТП понимать вероятность безотказной работы P(t) в течение определенного промежутка времени, например, времени между двумя профилактическими регулировками.
Безотказность это способность МВТП непрерывно сохранять заданные функции в течение установленного времени и дополнительно характеризуется вероятностью отказа q(t) = \-P(t), частотой отказов f(t), интенсивностью отказов X(t) и средней наработкой на отказ Гср (продолжительность работы МВТП до появления отказа).
Критерием, более полно определяющим надежность неремонтируемого МВТП и его узлов, является интенсивность отказов X(t) - число отказов в единицу времени, отнесенное к среднему числу испытуемых конструкций МВТП, безотказно функционирующих в указанный промежуток времени.
Возникновение отказов в конструкции МВТП носит случайный характер [4]. Следовательно, время безотказной работы есть случайная величина. Наиболее полно случайные величины характеризуются законами распределения вероятностей. Для описания случайной величины используют разные распределения: Вейбулла, экспоненциальный, Релея, Пуассона [3].
Расчет параметров надежности по распределению Вейбулла. Отказы в конструкции МВТП, содержащей большое число однотипных неремонтируемых элементов (катушки индуктивности), достаточно хорошо подчиняются распределению
Расчет параметров надежности по распределению Пуассона применяют при длительной работе конструкции МВТП с учетом планирования ее ремонта. При этом важно знать не вероятность возникновения отказов, а их число за определенный период эксплуатации. В этом случае распределение Пуассона позволяет подсчитать вероятность появления любого числа случайных событий за некоторый период времени. При расчетах параметров надежности для распределения Пуассона характерны те же ограничения, что и для экспоненциального. Распределение Пуассона применимо для оценки надежности ремонтируемой конструкции МВТП с простейшим потоком отказов.
Ниже проведены данные исследования несущей способности конструкции МВТП на примере расчета надежности корпуса МВТП, используемого для контроля длинномерных многопараметровых объектов типа корпусных изделий авиационной и судостроительной техники, магистральных газо- и нефтепроводов, железнодорожного транспорта
Блок 1 считывает исходные данные из блока 2 (База данных_1 - БД_1) и определяет конфигурацию корпуса. В блоке БД_1 приведены исходные данные механических свойств материала корпусного элемента, его размеров, механического напряжения в элементе под действием приложенной нагрузки и др. факторов, которые хранятся на диске БД файла этого блока 2.В блоке 4 определяется величина аргумента / функции нормального распределения, а расчет численных значений вероятности безотказной работы осуществляется в блоке 5 по формуле (30). В качестве расчета интеграла вероятности используется преобразованная к соответствующему виду встроенная функция ошибок. В блоке 6 вычисляется вероятность отказа по формуле (31).
Величины P,{t) - вероятность безотказной работы и Тср - вероятность отказа передаются в блок 7, где, в частности для корпусного элемента, вычисляются площадь F и масса m рассчитываемого элемента. Полученные результаты выводятся в файл блока 9 БД_2 (БД_2) и алгоритм передает управление оператору цикла (блок 3).
Разработанный алгоритм реализован с помощью программы «Надежность» для реального многопараметрового МВТП, выдержавшего полевые испытания в составе мобильного и стационарного контрольно-вычислительных комплексов на Забайкальской железной дороге при контроле параметров рельсового пути, контактного провода электросети, а также весогабаритных характеристик подвижного состава.
Испытание работоспособности МВТП
В общем виде МВТП можно рассматривать как диагностическую систему, преобразующую совокупность входных физических параметров. Преобразование входного сигнала в выходной математически выражается оператором А, отражающим все физические преобразования входного сигналах , выполняемые для получения выходного сигналаy(t): y(t) =A{b(t)} , (74) где к - коэффициент пропорциональности.
Нарушение заранее известной зависимости (74) для исследуемой конструкции МВТП означает, что в ней возник дефект. Если рассматриваемая конструкция МВТП имеет несколько входов и выходов, что характерно для МВТП, то при ее классификации по виду диагностической модели определяются зависимости (74) между каждым выходным сигналом и всеми входными сигналами. Для современных МВТП число оцениваемых диагностических показателей может достигать несколько десятков.
При задании диагностических показателей обычно указывают: номинальные значения и допустимые отклонения, требуемую точность измерения, характер изменения во времени в период испытаний, режимы испытаний и др.
Различные задачи, решаемые средствами испытаний, требуют оценки различных показателей. Так, задача поиска дефекта МВТП, как правило, требует оценки значительно большего числа показателей, чем задача, например, определения работоспособности МВТП. Задача прогнозирования требует оценки только таких показателей, которые характеризуют тенденции изменения технического состояния МВТП с течением времени.
Диагностирование МВТП осуществляется на практике как функциональными, так и тестовыми методами. Эти методы могут быть использованы для определения работоспособности, поиска дефектов, вызвавших отказ, и прогнозирования состояния.
Диагностировать МВТП можно путем оценки ее динамических или статических характеристик в целом или в их отдельных точках.
При тестовом диагностировании на входы МВТП подают попеременно различные сигналы, имитирующие реальное функционирование. Имитационные сигналы должны обладать определенными характеристиками, перечень которых определяется разработчиком МВТП и средства их испытаний. Например, для сигналов высокой частоты, модулированных измеряемыми физическими параметрами, следует указывать: амплитуду напряжения высокой частоты; точность измерения амплитуды в процентах от номинального значения; значение несущей частоты и точность ее установки в процентах от номинального значения; вид модуляции; частоту модулирующих сигналов и т.д.
Для сигналов импульсной формы необходимо установить амплитуду несущей частоты и допуски на нее, значение несущей частоты и точность ее установки, частоту повторения импульсов и ее допуска, длительность и форму импульса, точность установки длительности импульса, интервал между импульсными посылками и т.д.
На основании опыта исследований конструкций МВТП предлагается приведенная ниже схема проведения испытаний и диагностирования на стадии отработки опытных образцов. В основе построения схемы лежит расчленение испытаний на этапы, позволяющие более оперативно использовать результаты и уменьшить трудоемкость исследования. На рис.4.1. приведена схема, показывающая виды испытаний и диагностических процедур для оценки качества конструкции МВТП.
Работоспособность МВТП часто характеризуется совокупностью диагностических параметров. В этом случае средства испытаний должны оценивать степень изменения диагностических параметров и фиксировать выход их за допустимые пределы. Следовательно, практически технические средства диагностирования решают задачу допускового контроля совокупности параметров, характеризующих работоспособность МВТП. Состав испытательных средств определения работоспособности, их структура определяется в большей степени спецификой конструкции МВТП и особенностями (условиями) ее функционирования. Для этого в качестве средства испытаний создаются образцовые задающая аппаратура, имитирующая диагностические параметры, и вторичная контрольно-обрабатывающая аппаратура с устройством регистрации, при этом выходы задающей аппаратуры подключают к входам МВТП, а к входам вторичной аппаратуры подключают выходы МВТП. Оцениваемые диагностические параметры, электрически имитирующиеся в задающей аппаратуре, преобразуются МВТП и далее нормализуются во вторичной аппаратуре и сравниваются с установленными допусками. В случае отклонения параметра МВТП за допустимые пределы во вторичной аппаратуре осуществляется соответствующая сигнализация оператору. Вторичная аппаратура в предложенной схеме испытания позволяет осуществить выборочное измерение текущего значения любого исследуемого параметра, но дискретно. Обязательными испытаниями для каждой конструкции МВТП должны быть - испытания на воздействие влажности, температуры, инея, росы и дождя, пыли и песка, соляного тумана и плесневых грибов. Эти испытания проводят в специальных камерах, обеспечивающих воздействие факторов.
Наиболее интересна схема испытаний, которая обеспечивает непрерывный допусковой контроль параметров индикацией ухода любого из них за установленные пределы, а так же отображение информации о текущих значениях параметров в виде гистограмм на экране монитора с указанием границ допустимых значений, которые устанавливают, например, 5... 15 % номинального значения. Вторичная аппаратура позволяет формировать прямоугольные импульсы строгой частоты постоянной амплитуды, длительность которых соответствует входному напряжению. Длительность импульсов одинакова для всех диагностических параметров. Все это позволяет повысить достоверность и качество испытаний. Процесс преобразования сигналов от задающей аппаратуры и до регистратора осуществляется аналогично первой схеме.
Одним из подходов определения работоспособности МВТП является сравнение его динамических характеристик с желаемыми. При этом средства испытаний строятся по разным принципам в зависимости от технических требований на условия работы МВТП. Если условия работы формулируются как ограничение на изменение показателей формы временной характеристики МВТП, то осуществляют обычно тестовое диагностирование, используя в качестве тестового воздействия единичное импульсное или ступенчатое напряжение. Данная схема позволяет судить о работоспособности МВТП по величине перерегулирования, углу наклона tga переходной характеристики, числу колебаний, статической погрешности, времени переходного процесса и достижения первого максимума.
Обнаружение дефектов может выполняться при условии, когда известно, что в конструкции МВТП возник дефект, или в том случае, когда неизвестно, есть ли дефект. В первом случае осуществляется собственно поиск дефекта, при этом средства диагностических испытаний должны помочь выявить и определить, какой именно дефект возник. Во втором случае, который называется проверкой исправности, средства диагностирования должны дать информацию есть ли дефект в конструкции и если есть, то какой именно.
Поиск дефектов МВТП осуществляется при последовательном анализе его выходных сигналов. В этом случае выявляется связь возникающих дефектов с изменением формы и величины выходных сигналов. Заметим, что при последовательной проверки сигналов необходимо обеспечить выполнение средствами испытаний жестких или гибких алгоритмов, определяющих последовательность выполнения проверок.
