Структура и оснащение испытательно-диагностического комплекса.

Программное испытание машины осуществляется в специально соз­даваемом испытательно-диагностическом комплексе (ИДК) или центре (ИДЦ), структура которого приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 – Структура испытательно-диагностического центра

Испытание опытного образца машины ведется в режиме автомати­зированного эксперимента и состоит из последовательных циклов в со­ответствии с алгоритмом испытания (см. рисунок 2).

Значения выходных параметров определяются при помощи измери­тельного комплекса и вводятся в ЭВМ, где производятся необходимые расчеты, результаты которых хранятся в памяти машины.

Кроме того, имеется диагностическая аппаратура, при помощи кото­рой оценивается состояние отдельных элементов машины, например, их тепловые поля, виброакустические сигналы и другие характеристики.

Для выполнения тех функций, которые отведены измерительно-диагностическому комплексу в общей блок-схеме испытания, его при­борное оснащение должно содержать следующую аппаратуру: датчики (преобразователи) первичной информации; усилительно-преобразую­щую аппаратуру; коммутаторы для запрограммированного опроса пока­заний отдельных приборов; цифровые измерительные приборы и анало­го-цифровые преобразователи; ЭВМ и интерфейсные приборы для связи с объектами; устройства ввода и вывода информации.

Таким образом, в ИДК объединена метрологическая, регистрирую­щая и вычислительная аппаратура, и комплекс выполняет не только из­мерительно-диагностические, но и информационно-вычислительные функции.

Приборное и компьютерное оснащение комплекса при однотипной его структуре может быть весьма разнообразным.

Параметры и характеристики, измеряемые в процессе стендовых ис­пытаний, отражают специфику машины и уровень требований к ее ка­честву.

Наиболее характерно определение следующих показателей.

а. Измерение параметров траекторий рабочих органов машины - линейных, круговых, точности позиционирования, точности взаимного положения - может осуществляться с применением универсальных из­мерительных средств. Однако для автоматизированных методов испы­тания, как правило, желательно осуществлять бесконтактные измере­ния, когда прибор находится вне рабочей зоны объекта испытания. По­этому наиболее целесообразно применение приборов, использующих оптические принципы измерения, - автоколлиматоров, лазерных интер­ферометров, голографических приборов. Свою специфику имеет изме­рение траекторий точных вращающихся элементов (шпинделя, ротора). Для этих целей создано большое число весьма точной аппаратуры, ко­торая приспособлена для стендовых испытаний.

б. Измерение кинематических параметров - частот вращения, вели­чин перемещений узлов, линейных скоростей, ускорений, передаточных отношений - производится при каждом из выбранных режимов работы машины. Как правило, многие из этих параметров устанавливаются и

регистрируются самой системой управления машиной, особенно для оборудования с числовым программным управлением.

в. Измерение сил - рабочих нагрузок, сил и крутящих моментов в приводе, давлений в гидросистемах, напряжений в корпусных деталях, давлений в направляющих и др. - может осуществляться как с примене­нием универсальных средств, так и специальными устройствами. На­пример, при испытании станков широкое применение получили дина­мометрические столы и устройства для измерения сил резания. Различ­ного рода первичные преобразователи - тензорезисторные, пьезокри-сталлические и другие широко используются для этих целей.

г. Измерение деформаций и оценка жесткости элементов машины служит для выявления причин отклонений выходных параметров и той роли, которую играют деформации в суммарной погрешности работы машины. Поэтому в данном случае измерение деформаций должно осуществляться в процессе испытания и служить диагностическим сиг­налом.

д. Измерение вибраций, когда определяются амплитуды, частоты, фазы колеблющихся элементов машины, оцениваются их спектры, оп­ределяются амплитудно-фазово-частотные и другие характеристики, представляет собой специальную широко развитую область исследова­ний .

Вибрации во многом определяют работоспособность объекта. Их измерение позволяет выявить резонансные зоны с повышенными ам­плитудами колебаний.

е. Измерение тепловых полей - температур в различных точках ма­шин, тепловых деформаций, изменения температуры смазки, колебаний температуры окружающей среды - позволяет оценить причины тренда выходных параметров машины и период тепловой стабилизации систе­мы.

Для измерения температур в различных точках машины в качестве первичных преобразователей используют различные термопары и тер­морезисторы. Для анализа всего теплового поля и динамики его измене­ния обширную информацию могут дать тепловизоры. Их высокая чув­ствительность к инфракрасному излучению позволяет применять при­боры, расположенные на расстоянии нескольких метров от объекта.

При испытаниях, связанных с оценкой надежности, всегда осущест­вляется измерение числа циклов или длительности работы машины, а также измерение характеристик процессов (например, износа), приво­дящих к изменению параметров машины во времени.

Большое значение при испытаниях имеют диагностические проце­дуры, которые призваны выявить причины и источники тех или иных отклонений от заданных значений.

При осуществлении процесса диагностирования необходимо учиты­вать информативность того сигнала, который поступает от соответст­вующего преобразователя.

Значительно большую информацию, чем показания первичного преобразователя, дающего численное значение данного параметра, несет сигнал в виде функциональной зависимости. Такими сигналами могут служить траектории рабочих органов машины, законы изменения сил или крутящих моментов за цикл работы механизма, виброакустические сигналы и т.п. Анализ этих функций, спектральный анализ процессов вибраций или акустических сигналов и другие методы оценки функций позволяют из одного сигнала выделить ряд составляющих, характери­зующих состояние различных элементов или узлов машины.

На рисунке 5 на примере шпиндельного узла многоцелевого станка показана схема процесса диагностирования с использованием информа­ции, которую несут тепловые поля станка. Выходными параметрами системы являются характеристики траектории опорной точки, располо­женной на переднем торце ползуна.

Основными источниками тепловыделения являются опоры шпинде­ля, особенно передняя, направляющие скольжения, приводные меха­низмы, а также процесс резания. Информация, полученная от термопар, и анализ динамики изменения во времени температур отдельных точек узла позволяют определять параметры теплового поля.

Изменение во времени t параметров теплового поля, например раз­ности ∆θ температур θ_mах и θ_min между наиболее и наименее напря­женными точками корпуса - ∆θ = θ_mах - θ_min, позволит дать представ­ление и о соответствующих тепловых деформациях, а при необходимо­сти измерить их.

Одновременно с этим определяются параметры траектории ползуна, например, при помощи оптико-электронного (лазерного) прибора.

Измеряя параметры каждой реализации траектории, получим харак­теристику всего ансамбля и, в первую очередь, тренда траектории ∆X, который, как правило, связан с тепловыми полями.

Сравнение выходных параметров с соответствующими диагностиче­скими сигналами позволяет оценить влияние тепловых полей и устано­вить зависимость (детерминированную или стохастическую) между ни­ми. Задачи диагностирования машины переплетаются с задачами, воз­никающими при ее испытании, однако применение методов диагности­рования позволяет сделать испытания машины более информативными и повысить их эффективность.

Рисунок 5 – Схема диагностирования теплонапряженного шпиндельного узла

При программных испытаниях целесообразно применять управляе­мые нагрузочные устройства для имитации силовых и тепловых нагрузок, действующих на машину. Программные нагрузочные устройства находят применение при испытаниях машин, например вибраторы при исследовании динамических процессов.

Однако часто нагрузочные устройства не приспособлены для автоматизированных испытаний.

В качестве примера на рисунке 6 рассмотрены нагрузочные устройст­ва для имитации сил резания при испытании металлорежущих станков.

Рисунок 6 – Нагрузочные устройства для испытания металлорежущих станков

Для эффективного использования аппаратуры и возможностей испы­тательно-диагностического комплекса разрабатывается частная методи­ка программных испытаний применительно к конкретному образцу машины. При этом целесообразно провести предварительные (зондирую­щие) испытания с целью сокращения до минимума объема основных испытаний при сохранении достоверности выводов и корректности принятых ограничений.

Предварительные испытания должны дать ответы на следующие во­просы:

1. Есть ли необходимость оценивать при испытании всю номенкла­туру установленных выходных параметров или можно ограни­читься частью из них?

2. Все ли диагностические сигналы несут необходимую информа­цию, нет ли избыточной информации, которая не используется для оценки качества и надежности машины?

3. Достаточна ли точность используемой аппаратуры для достовер­ного суждения о полученных значениях выходных параметров?

4. Возможно ли последовательное испытание отдельных узлов и элементов машины и как это скажется на достоверности общих выводов?

Следует иметь в виду, что программный метод испытания машины не исключает испытания ее отдельных узлов и элементов в соответст­вии с предъявляемыми к ним техническими требованиями.

Однако положительная оценка компонентов сложной системы еще не означает, что система в целом также будет работоспособна.

При функционировании сложной системы, которой является маши­на, возникают взаимодействия и взаимовлияния отдельных ее элемен­тов, разные составные части оказывают совместное влияние на форми­рование выходных параметров всей системы. Например, это могут быть взаимные влияния тепловых полей отдельных узлов, их динамические взаимодействия, деформации в зонах сопряжений узлов и другие при­чины, которые влияют на показатели качества и надежности машины.

Поэтому испытание всей машины для оценки ее выходных парамет­ров с учетом возможного диапазона эксплуатационных воздействий является основным завершающим этапом создания нового образца.

После проведения предварительных этапов приступают к организа­ции основных испытаний в соответствии с блок-схемой алгоритма про­граммных испытаний (см. рисунок 2).

Наиболее характерна следующая последовательность измерений и расчетов:

1. При каждом цикле испытаний (всего N циклов) регистрируются показания «к» измерительных преобразователей (датчиков), каж­дый из которых оценивает протекание некоторого процесса функционирования машины при данных условиях работы.

2. От каждого датчика записывается в память машины массив зна­чений процесса a₁, ... , a_n. В результате получаем многомерный массив (k × n) членов.

3. По этим данным рассчитываются числовые значения для «m» установленных выходных параметров Х1, ... ,Х_m, которые характе­ризуют работу машины при данном цикле испытаний.

4. После проведения всех N циклов накапливается массив значений для каждого из «m» выходных параметров. В результате стати­стической обработки определяются характеристики областей со­стояний для каждого выходного параметра.

5. Рассчитываются показатели начального уровня надежности ма­шины и, прежде всего, запас надежности по каждому параметру.

6. Осуществляется прогноз длительности нахождения области со­стояний внутри области работоспособности и оценивается веро­ятность безотказной работы машины как функция времени.

Испытательно-диагностический центр (ИДЦ) должен играть веду­щую роль в обеспечении конкурентоспособности вновь создаваемых машин, поскольку он является инструментом для оценки всех тех фак­торов, которые определяют показатели качества и надежности машины.

Функции ИДЦ при создании новой модели машины приведены на рисунке 7.

Новая машина будет конкурентоспособна в том случае, если не только выполнены все предписания стандартов и норм (это необходи­мое условие), но также если машина удовлетворяет специфическим тре­бованиям заказчика и обладает дополнительными свойствами, которые могут заинтересовать потребителя.

Испытания должны дать объективную оценку и подтверждение того, что заявленные изготовителем характеристики машины действительно реализованы в выпускаемой модели.

Информация о состоянии объекта и прогноз возможных изменений его параметров служит основой для принятия оптимальных решений по обеспечению выпуска качественных и надежных машин и для сокраще­ния периода освоения новых моделей.

Рисунок 7 – Роль испытательно-диагностического центра в обеспечении конкурентоспособности машины

Контрольные вопросы.

1. Какие виды испытаний техники на надёжность существуют?

2. Что может являться объектом испытаний?

3. Какими документами руководствуются при проведении испытаний?

4. Какие виды оборудования используют при испытании техники?