2.4.1 Podział metod badania i szacowania trwałości
Metody badania i szacowania trwałości można dzielić wg różnych kryteriów. Mogą to być np. następujące metody badań trwałości z punktu widzenia sposobu ich realizacji:
a) badania w eksploatacji,
b) przyśpieszone badania na torach prób (ang. proving ground), c) przyspieszone badania laboratoryjne,
d) badania symulacyjne z wykorzystaniem metody elementów skończony (MES – a ang.
Manufacturing Execution System) oraz analiz dynamiki układów wielobryłowych (MBS – z ang. Multi Body System)) [1].
Metoda badań w eksploatacji daje najbardziej wiarygodną informację na temat rzeczywistej trwałości, a także niezawodności badanych obiektów lub ich podzespołów, ale jest jednocześnie metodą najmniej efektywną z punktu widzenia kosztów i czasu. Dlatego powszechnie poszukuje się metod przyspieszonych badań trwałości pozwalających uzyskać jej dobrą estymatę.
W początkowym etapie tworzenia wyrobu możliwość oszacowania trwałości jest jednym z najbardziej istotnych aspektów i na tym etapie jedynym rozsądnym rozwiązaniem jest wykorzystanie metod obliczeniowych, a w przypadku ich bardziej zaawansowanych form symulacji komputerowych, w których badaniom poddać można wirtualną formę projektowanego wyrobu.
2.4.2 Metody przyspieszania badań trwałości
Przyspieszone badania trwałości wykonuje się na całych pojazdach na terenie specjalnych torów badawczych, tzw. poligonów badawczych (ang. proving ground) wyposażonych w dedykowane do tych celów specjalizowane tory prób. Poligon badawczy stanowi zamknięty kompleks drogowy wraz z urządzeniami służącymi do badań pojazdów. Kompleks dróg na takim poligonie winien mieć możliwość:
• wykonania różnych testów badawczych w bezpiecznych warunkach,
• wykonania przyspieszonych badań trwałościowych z zachowaniem odpowiedniej korelacji do rzeczywistych warunków eksploatacyjnych,
• dokonania symulacji w różnych sytuacjach, w jakich pojazd może się znaleźć w warunkach rzeczywistej eksploatacji.
Celem zrealizowania powyższych zadań niezbędne są trasy o różnych nawierzchniach, jak i różnorodnym profilu. Należy zwrócić uwagę, iż dla powtarzalności pomiarów w czasie, nawierzchnie muszą charakteryzować się odpowiednią trwałością. Jednak podstawowym kryterium ich doboru jest z jednej strony porównywalność parametrów obciążenia podzespołów pojazdów w warunkach eksploatacyjnych i badawczych oraz uzyskanie zmniejszenia przebiegów do chwili powstania uszkodzeń i niesprawności wskutek zwiększenia intensywności oddziaływania tych dróg na samochód [12].
W pobliżu Polski znajduje się kilka specjalistycznych torów prób dedykowanych do prób poligonowych dla pojazdów o masie własnej powyżej 8t, które m.in. posiadają różne rodzaje nawierzchni. Przykładowo: jednym z nich jest tor czeskiej Tatry - rys. 2.3, a drugim tor holenderskiego DAFa - rys. 2.4.
Rys. 2.3. Widok autobusu Solaris Urbino 18 na jednej z nawierzchni poligonu badawczego firmy TATRA [42]
Rys. 2.4. Specjalistyczny tor do jazd testowych holenderskiej firmy DAF [42], [71]
W przypadku tego drugiego, ze względu na długość i ukształtowanie, możliwa jest jazda ciągła zmierzająca do określenia trwałości badanej konstrukcji. Wiedząc (powołując się na wieloletnie doświadczeń DAFa w zakresie badań poligonowych na przedmiotowym torze badawczym), że 1 km jazdy na tym torze na kostce „Belgen Pave” odpowiada ok. 200 km
„normalnej” eksploatacji [42], można stosunkowo szybko osiągnąć wynik dla symulowanej jazdy rzędu 1 mln km, który uznaje się, jako pożądaną (choć często maksymalną) trwałością dla pojazdów użytkowych takich, jak autobus do tzw. naprawy głównej. Ustalenie takiego przelicznika zawsze jest jednak dość problematyczne i z reguły bazuje na wieloletnim doświadczeniu eksploatatora (właściciela, głównego użytkownika) toru.
Dodatkowo powstaje problem ustalenia odpowiedniej sekwencji wybranych nawierzchni do przejechania i prędkości, z jakimi na nich należy jeździć, bądź obciążenia oraz sumarycznego przebiegu, czyli w konsekwencji czasu trwania badania.
Badania poligonowe, to jednocześnie duże przedsięwzięcie, na które składa się z wielu pozycji kosztowych takich, jak:
• wynajmu toru,
• organizacyjnych (dojazd, montaż aparatury, paliwo),
• osobowych „zewnętrznych” (koszty delegacji, zakwaterowania) – kierowca, inżynierowie, serwis, itd.,
• osobowych „wewnętrznych” (koszty wynagrodzeń),
• sprzętowych (koszty pracy aparatury).
Badania tego typu dla osiągnięcia odpowiedzi dotyczącej trwałości rzędu 1 mln km, czyli czasu życia produktu do wystąpienia tzw. naprawy głównej (do osiągnięcia zakładanej trwałości), z reguły trwają od kilku do kilkunastu tygodni, a ich koszt jest znaczący [42].
Istotnym zagadnieniem jest także charakter oddziaływań nawierzchni torów na konstrukcję pojazdu. Ma on zazwyczaj charakter zintensyfikowanych wymuszeń kinematycznych. Oznacza to, że są to głównie obciążenia zawieszeń i układów naośnych pojazdów (szkieletu lub ram i nadwozi).
W odniesieniu do układu napędowego wymuszenia generowane przez tor w niewielkim stopniu same w sobie będą intensyfikowały poziom obciążeń elementów tego układu. Znaczące będą zmiany w konfiguracji geometrycznej układu i istotne będzie pojawienie się dodatkowych obciążeń siłami masowymi, ale z kolei samo przenoszenie momentu napędowego przy zastosowaniu profilu prędkości zoptymalizowanego na przyspieszenie badań, a nie odwzorowanie głównych obciążeń momentem napędowym, nie będzie wiązało się ze zwiększeniem jego wartości, zmienności i intensyfikacją zużycia. Efekt ten można uzyskać tylko wtedy, gdy poza wykorzystaniem nawierzchni o zintensyfikowanych wymuszeniach kinematycznych zastosuję się także intensyfikację profili obciążenia momentem napędowym układu napędowego. To oznaczać musi zwiększenie udziału faz ruchu o dużych wartościach momentu (ruszanie, zwalnianie, podjazd pod wzniesienia), a rezygnację w profilach faz obciążenia niewielkimi wartościami momentu (jazda po nawierzchniach płaskich ze stałymi prędkościami jazdy). Realizacja takiego profilu jazdy przez kierowcę może być znacząco utrudniona.
Ułatwieniem realizacji takich profili obciążenia układu napędowego, a jednocześnie uzyskaniem dalszego skrócenia czasu, a tym samym także najczęściej ich kosztów, jest zastosowanie metod przyspieszonych badań trwałościowych stanowiskowych. W metodach tych przede wszystkim możliwa jest nawet 24 godzinna i 7 dniowa praca badanych elementów oraz intensyfikacja obciążeń poprzez eliminację eksploatacji badanych elementów np. na drogach dojazdowych do przeszkód o największym wpływie na poziom obciążeń badanego elementu.
Łatwiej w takich badaniach także o ewentualną symulację, ale i kontrolę innych czynników wpływających na trwałość - np. czynników środowiskowych - temperatury, wilgoci, agresywnych substancji obecnych w środowisku pracy (np. solanka, piasek, ...) - rys. 2.5. Uwzględnianie wielu czynników wpływających na trwałość jest nowoczesnym trendem badań trwałościowych opisywanych m. in w monografii [17]. Zmniejszane są także koszty logistyczne prowadzenia badań, jeśli laboratoria badawcze znajdują się w siedzibie producenta.
Ten sposób prowadzenia badań wymaga jednak odpowiedniego zaprogramowania pracy stanowisk badawczych. Można wyróżnić różne podejścia do sposobów wykorzystania możliwości, jakie dają stanowiska badawcze – można realizować [23], [30]:
– obciążanie badanych obiektów poprzez stanowiskową symulację eksperymentalną obciążeń rzeczywistych – metoda ta daje potrzebny czas pracy obiektu podczas badań zbliżony do badań poligonowych, możliwy do kilkukrotnego skrócenia dzięki oszczędnościom organizacyjnym,
– obciążanie badanych obiektów poprzez stosowanie obciążeń zastępczych:
– obciążeń równoważnych - stanowiących wynik przekształcenia widma losowych obciążeń eksploatacyjnych na równoważny w sensie wytężeniowym blok obciążeń zdeterminowanych – czas badań po zastosowaniu odpowiednich technik przetwarzania sygnałów można skrócić kilkukrotnie w stosunku do symulacji obciążeń rzeczywistych [30],
– obciążeń równoważnych blokowych – zastępujących rzeczywisty przebieg obciążeń eksploatacyjnych obciążeniem blokowym wielostopniowym o stopniach ze stałą amplitudą obciążenia. Blok obciążeń jest aproksymacją widma obciążeń eksploatacyjnych funkcją schodkową złożoną z kilku stopni o stałych warunkach obciążeń.
Rys. 2.5. Przykład specjalistycznych stanowisk badawczych do badania trwałości wałów napędowych firmy GKN [49]
Dla programowania stanowisk badawczych, jak i również dla planowania programów badań na torach badawczych, największy problem stanowi identyfikacja przeciętnych warunków eksploatacji ze względu na ich ogromną różnorodność [30]. Różnice w odwzorowywanych procesach eksploatacyjnych na stanowiskach badawczych prowadzić mogą do różnic w uzyskiwanych wynikach trwałości, co z kolei przekłada się na poodejmowane decyzje konstrukcyjne. W ich efekcie planowane trwałości, przy wystąpieniu innych warunków eksploatacji, mogą nie być osiągane przysparzając producentowi pojazdu, jako gwarantowi jego trwałości, problemów natury prawnej, ekonomicznej i technicznej.
Z tych powodów istotnym dla producenta autobusu jest znajomość eksploatacyjnego widma obciążeń jego pojazdu, jak i czynników je kształtujących. Jednocześnie ważne jest aby koszt pozyskiwania takiej wiedzy był racjonalny, a w miarę możliwości dawał się minimalizować.