X Международная студенческая научная конференция
«Студенческий научный форум» - 2018
 
     

ЗАПАС МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ МОРСКОЙ ТЕХНИКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В УСЛОВИЯХ АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА
Пышко Е.Ю., Храмогин И.Е., Кумова Ж.В., Баева Л.С.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


В процессе работы проводились экспериментальные исследования при изучении методов и способов повышения надежности сборки судовых технических средств на кафедре технологии металлов и судоремонта Мурманского государственного технического университета с помощью метода, который характеризует критерий "запас метрологической надёжности".

Объектом исследования наряду с современными высокотехнологичными средствами измерения (СИ) как, например, координатно-измерительные машины и комплексы, послужил традиционный точный мерительный инструмент, являющийся универсальным базовым СИ, к которому относят такие средства измерения линейных размеров, как штангенциркуль, микрометр, нутромер.

В ходе исследований между значениями погрешности в "начале" и "конце" диапазона измерений линейных размеров существует возможность выбора критерия запас метрологической надежности (ЗМН) в качестве контролируемого параметра в учебном процессе и в научных исследованиях.

Цель работы заключалась в определении и оценке допустимости основных метрологических характеристик, к которым относят систематическую и случайную погрешность средств измерений для актуального исследования причин аварийных происшествий на судах флота рыбной промышленности в условиях Арктического региона, а также усовершенствования технического обслуживания и ремонта судов флота рыбной промышленности.

Понятие надежности относится к технико-экономическим показателям качества продукции. Надежность СИ определяет его поведение с течением времени и является комплексным понятием, характеризующим стабильность, безотказность, долговечность, ремонтопригодность (для восстанавливаемых СИ) и сохраняемость.

Качественной характеристикой СИ, отражающей неизменность во времени его метрологических характеристик (MX) является стабильность. Она описывается временными зависимостями параметров закона распределения погрешности. Надежность и стабильность по метрологическим понятиям различные свойства одного и того процесса старения СИ. Стабильность относится к "внутренним" свойствам СИ, то есть содержит своего рода больше сведений о постоянстве метрологических свойств СИ. Надежность относится к "внешним" свойствам, так как зависит от стабильности, от точности измерений и значений используемых допусков.

Ключевой проблемой оценки исправности средств измерений (СИ) является планирование измерений погрешности, а также выбор и расчет их с помощью критериев оценки исправности СИ [1, 2].

1. Метрологические отказы при эксплуатации СИ и влияющие на них факторы

Метрологические отказы являются случайными событиями, все характеристики надежности имеют вероятностный смысл, численные значения которых вычисляются с помощью статистических и вероятностных методов.

Оборудование может отказать в связи с изменением внешней среды и по причине физического износа деталей, находящихся как снаружи, так и внутри оборудования. Отказы являются следствием износа или разрегулировки узлов.

Таблица 1 - Факторы оценки экономической эффективности метрологических работ

Групповые факторы

Единичные факторы

Метрологические характеристики

Погрешность измерений

Быстродействие измерений

Оборудование

Измерительная техника

Внедрение новых средств измерений

Модернизация старых средств измерений

Испытания и сертификация оборудования

Персонал

Квалификация работников

Аттестация персонала

Подготовка, переподготовка персонала

Нормативно-техническая база

Качество нормативно-технической документации

Методики выполнения измерений

Факторы ошибок

Признание негодным годного изделия

Разбраковка ошибочно забракованного изделия

Повторный контроль и испытания

Признание годным негодного изделия

Пропуск бракованной продукции в эксплуатацию

Факторы ошибок можно рассматривать как совокупности факторов, влияющих на процесс из-за неправильно принятых решений.

Постепенные метрологические отказы характерны при эксплуатации СИ и обусловлены дрейфом, который в конечном итоге приводит к их выходу за допуски. В этом случае необходимо производить метрологические поверки.

2. Теоретические аспекты точности СИ

К числу самых распространенных измерительных инструментов – средств измерений линейных размеров относятся: штангенциркуль, штангенглубиномер, микрометр и нутрометр, позволяющие получить довольно точные результаты, однако даже при использовании метрологически аттестованных измерительных инструментов существует погрешность измерения.

Точность измерений может быть большей или меньшей, в зависимости от:

- средств измерений,

- проведения измерений,

- внешних условий и др. факторов, влияющих на ход проведения измерений.

Вследствие несовершенства применяемых методов и СИ, нестабильности условий измерений и других причин результат каждого измерения отягощен погрешностью.

Точность средства измерений - характеристика качества СИ, отражающая близость его погрешности к нулю. Считается, что чем меньше погрешность, тем точнее средство измерений.

Применять учебные СИ в рамках научной работы или оказания услуг предприятиям промышленности и транспорта недопустимо без их метрологической аттестации. Проведение пробных поверок необходимо для оценки технического состояния и степени износа различных СИ с целью решения вопроса об их замене. Актуальной проблемой можно считать проведение пробных поверок учебных СИ своими силами для оценки целесообразности подачи заявки в официальную метрологическую службу [3].

Кроме того, при использовании точно настроенного измерительного инструмента, нельзя исключить возможность ошибки. Основными причинами, приводящими к неточностям измерений, являются неумение пользоваться инструментом (неквалифицированная работа оператора), использование поврежденного инструмента (к примеру, со сбитой нулевой отметкой на шкале), загрязнение рабочих поверхностей инструмента и самого измеряемого предмета, измерение нагретой или охлажденной детали. Работая, например, с таким СИ, как штангенциркуль важно держать инструмент перпендикулярно детали, чтобы губки плотно прилегали к замеряемой поверхности.

На достоверность измерений такими инструментами, как штангенциркули, микрометры, нутромеры и другие с регистрацией результатов линейных измерений по нониусу, электронному дисплею или по индикаторной круговой шкале оказывает существенное влияние человеческий фактор.

На кафедре технологии металлов и судоремонта Мурманского государственного технического университета проводились метрологические исследования деталей судовых технических средств, которые позволили зафиксировать результаты на примере исследования этих простых СИ (см. рис. 1).

Рис. 1 - Регистрацией результатов линейных измерений по нониусу

и электронному дисплею.

3. Запас метрологической надежности

В качестве основной метрологической характеристики принят простой и эффективный критерий – запас метрологической надежности (ЗМН). Основное его назначение в предотвращении метрологических отказов СИ при их эксплуатации, между текущей и последующей поверкой с заданной вероятностью β.

В реальной жизни по мере изнашивания механизма приборов могут накапливаться систематические погрешности, для выявления которых и предназначены периодические поверки. Для решения этой метрологической проблемы был введен критерий, названный запасом метрологической надежности.

ЗМН служит основной метрологической характеристикой и является квантилем двухпараметрического нормального распределения Z вероятности недостижения предела погрешности ha. Происходит учет изменения как систематической hсп, так и случайной сл погрешности прибора в соответствии с формулой (1):

Z = (ha - hcn)/σсл => β = cnorm(Z) (1)

Это значит, что с его помощью можно объективно оценивать надежность СИ путем сравнения фактической вероятности с нормативным значением Pдоп или, что равноценно, путем сравнения фактического запаса надежности Z с допустимым запасом Zдоп.

Чаще всего в статистике применяется запас надежности Z = 3 при z  0.999 (правило «трех сигм»). Однако, для конкретных типов СИ, эта величина может принимать другие значения, что зависит от их назначения и конструкции.

Для учебных СИ может использоваться запас метрологической надежности Z = 1 (что соответствует z = 0.84), в то время как то же СИ при использовании в промышленности должно иметь Z = 2, а в науке его величина может достигать значения трех и более.

В соответствии с Основными положениями Руководства по выражению неопределенности измерения есть понятие коэффициента охвата, который является квантилем нормального распределения, равный 2 при односторонней вероятности 0,9775 (что соответствует двухсторонней вероятности 0,95).

Ориентируясь на эти данные, и условную классификацию СИ по признаку последствий отказов принимаем нормы требований по надежности по таблице 2.

Таблица 2 - Нормы требований по надежности

Категория

ZН

Требования по надежности

Пример назначения СИ

Первая

3

0,9987

Высокие

Контроль жизнедеятельности

Вторая

2

0,9772

Умеренные

Бытовые приборы

Третья

1

0,8414

Невысокие, но допустимые

Учебные СИ

Следовательно, для большинства СИ приемлема норма ZН = 2, а для учебных может использоваться ZН = 1. Обоснование допустимых норм ЗМН должны выполнять соответствующие метрологические подразделения поставщиков СИ данного типа. Таким образом, решение этой проблемы зависит от соотношения фактического, верхнего и нижнего уровней ЗМН и других факторов.

Опыт применения этого критерия выявил его важное свойство – возможность оценивать степень влияния систематических и случайных погрешностей на запас надежности.

Стремление при выполнении первичных поверок создавать условия, при которых случайная погрешность равна нулю, можно сравнить с точной стрельбы, производимой хорошим стрелком из хорошего ружья, где наблюдается совсем небольшой разброс, а отклонений от десятки почти нет. В этом случае можно применять правило „трех сигм“. Появление в формуле (1) систематической ошибки в виде составляющей Δhсп соответствует случаю, когда стрельба производится пусть даже хорошим стрелком, но из плохого ружья со сбитой мушкой. Систематическая погрешность Δhсп может возникнуть по разным причинам, в том числе в результате износа механизма прибора.

Выявление составляющей Δhсп имеет важное практическое значение и при калибровке СИ после поверки. В общем же случае может быть обнаружена большая погрешность прибора под влиянием как случайных, так и систематических факторов.

4. Программное обеспечение вероятностной оценки запаса метрологической надежности средств измерений

Разработанная программная система "Вероятностная оценка запаса метрологической надежности средств измерений линейных размеров" по дисциплине "Метрология, стандартизация и сертификация" и дает возможность определить оценку исправности средства измерения с помощью критерия запас метрологической надежности (ЗМН).

Именно такими вопросами исправности СИ для оценки их запаса метрологической надежности в течение ряда научных исследований занимались в Мурманском государственном техническом университете на кафедре технологии металлов и судоремонта под руководством доктора технических наук, профессора Леонида Владимировича Ефремова.

В задачи программной системы входит обеспечение выполнения ряда конкретных функций:

- достаточно быстро и столь же эффективно предотвратить метрологические отказы СИ при его эксплуатации между текущей и последующей поверкой с заданной вероятностью β;

- расчеты, произведенные по формулам в среде EXCEL, служат базой для организации дальнейшей поверки учебных СИ для измерения линейных размеров при помощи СИ разного принципа действия и назначения (например, нониус, электронный дисплей, либо индикаторная круговая шкала);

- варианты расчета и данные в числовой форме визуализированы. Визуализация метода оценки качества СИ и позволяет говорить о допустимости полученных метрологических характеристик.

Программная система входит в блок программ, зарегистрированных в реестре программ для ЭВМ Российской Федерации. Тип ЭВМ: IBM PC. Язык программирования: Pascal. Процедура дает возможность установки операционной системы ОС с графическим интерфейсом: Windows XP, 7. Объем программы: 1,23 Мб [4].

В столбец «ДП, мм» (Диагностический Параметр) заносятся данные результатов прямых измерений, полученные контактным методом заносятся в таблицу. Далее выполняется расчет при выборе соответствующей позиции в нижней строке окна «Произвести расчет».

Рис. 2- Программная система «Вероятностная оценка запаса метрологической надежности средств измерений линейных размеров».

В правой части окна на рис. 2 видны полученные значения оценки качества СИ.

Затем выполняется команда при выборе соответствующей позиции в нижней строке окна «Сохранить отчет», формирование которого производится по заданным формулам (рис. 3) в электронных таблицах EXCEL [4].

Рис. 3 - Формирование отчета в электронных таблицах EXCEL.

Программное обеспечение для оценки запаса метрологической надежности СИ линейных размеров позволяет проконтролировать точность СИ с целью обеспечения единства измерений, произвести анализ и дать оценку качества их технического состояния с помощью критерия запас метрологической надежности [5].

В ходе проведенных работ, результаты полученных измерений линейных размеров представили принципиальную возможность выбора критерия запас метрологической надежности в качестве контролируемого параметра для оценки метрологической исправности СИ как в учебном процессе, так и в научных исследованиях, не имея при этом возможности произвести его метрологическую поверку с помощью специальных служб.

Результаты исследований могут быть использованы при выборе методов и способов технической диагностики, дефектации, использующих характеристики СТС и корпусных конструкций судна, что позволяет обеспечить высокую надежность СТС и корпусных конструкций и судна в целом. Предотвращение аварий, являются для отрасли актуальной задачей.

Многократные исследования дают возможность конкретно прогнозировать сроки для проведения поверок СИ с целью выявления оценки их технического состояния на данный момент времени.

Проведенные исследования актуальны при выявлении причин аварийных происшествий объектов морской техники в условиях Арктического региона.

Список литературы

  1. Ефремов Л.В. Вероятностная оценка метрологической надежности средств измерений: алгоритмы и программы / Л.В. Ефремов. — С. - Пб. : Нестор-История, 2011. — 200 с.

  2. Фридман А.Э. Основы метрологии. Современный курс / А.Э. Фридман. — С. - Пб. : НПО «Профессионал», 2008. — 284 с.

  3. Ефремов Л.В. Вероятностная оценка метрологических характеристик учебных средств измерений / Л.В. Ефремов, Ж.В. Кумова, М.А. Чистякова // Наука и образование – 2010 [Электронный ресурс] : материалы межд. Науч. - техн. конф., Мурманск, 5 – 9 апреля 2010 г. / МГТУ. – Электрон. Текст дан. (139 Мб.) – Мурманск: МГТУ, 2010. – С. 1395 – 1398.

  4. Ефремов Л.В. Метрологическая оценка надежности мерительного инструмента учебного и научного назначения / Л.В. Ефремов, Ж.В. Кумова // Приборостроение. – 2012.

  5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Вероятностная оценка запаса метрологической надежности средств измерений линейных размеров / Кумова Ж. В., Петрова Н. Е., Ефремов Л. В., Баева Л. С.; заявитель и правообладатель ФГБОУВПО Мурм. гос. техн. ун-т - № 2015616989 ; заявл. 01.12.2014 ; опубл. 26.06.2015, Заяв. № 2014662303.