Натурная тензотермометрия – актуальное решение вопроса обеспечения качества и надёжности изделий машиностроения

УДК 620.169.1

Во все времена промышленность, в т.ч. и в отрасли тяжелого машиностроения, ищет наиболее экономичные, менее энергозатратные и максимально прибыльные пути собственного развития. Вводя тотальную экономию на каждой стадии жизненного цикла продукции (ЖЦП), от заключения контрактов с Заказчиками с максимально сжатыми сроками поставки и до сдачи Заказчику продукции с минимально возможным объёмом испытаний, характеризующих только её качественные показатели (визуальный осмотр на наличие деформаций форм, образование трещин и прочих дефектов).

В соответствии с требованиями ГОСТ ISO 9001 и разработанных на его основе прочих стандартов (отраслевых, ведомственных, предприятий) качество и надёжность продукции являются определяющими критериями оценки продукции и контролируются на каждой стадии ЖЦП.

Наиболее эффективным и полным методом контроля качества является проведение испытаний продукции. Однако ввиду существенно сжатых сроков разработки и поставки продукции предприятия-разработчики и заводы-изготовители в большинстве своём пренебрегают в ходе разработки и изготовления новой техники следующими процедурами:

- проведением исследований и испытаний составных частей продукции до контрольной сборки всего изделия;

- проведением исследований и испытаний готовой продукции после её контрольной сборки в части определения количественных показателей качества;

- исследованием работы продукции в условиях работы на различных режимах эксплуатации, а также во время переходных процессов.

В настоящее время по всем этим испытаниям и исследованиям произошла своеобразная «подмена понятий» – вместо испытаний и исследований проводятся теоретические расчёты методами классического сопромата и методом конечных элементов. Таким образом, качество и надежность изделия определяется виртуально.

К сожалению, многие руководители, конструкторы и технологи предприятий даже не представляют себе степень точности и достоверности теоретических методов обеспечения качества и надёжности продукции. Анализ соответствия того же метода конечных элементов (МКЭ) фактическим результатам натурных испытаний показал, что средняя достоверность исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) металлоконструкций равна (5…20)% в зависимости от применяемых программных средств расчёта и решаемых в них конкретных задач. Например, самые известные и повсеместно распространённые программные средства имеют характеристики, представленные в таблице 1 [1, 2, 3].

Современная тенденция разрабатывать конструкции изделий с максимально приближенными расчётными значениями деформаций и напряжений к допускаемым величинам привела не только к снижению фактических коэффициентов запаса прочности, но и к отсутствию объективного анализа НДС реального изделия по отношению к идеальной расчётной модели. Задачу определения фактической прочности и надёжности изделия по результатам фактического изготовления деталей решать бесполезно, т.к. в любом случае проводится усредненное измерение действительных размеров, причём сама проверка действительных размеров проводится на соответствие заданному допуску на размер.

Рассчитаем итоговую минимальную погрешность оценки качества продукции. Погрешность расчета МКЭ идеальной модели примем 10%, исходя из таблицы 1. Погрешность изготовления фактической продукции (по заданным допускам на размеры) считаем не меньшей 10%, поскольку реально оценить её фактически не удастся. Кроме того, необходимо учесть случайный фактор (наличие не выявленных скрытых дефектов, анизотропность механических свойств натурального объекта, фактическое отклонение механических свойств от документально заявленных и проч.). Тогда получим, что реальная погрешность теоретического расчёта параметров качества и надёжности продукции составит около (20…25)%.

Имея такую погрешность оценки, дать реальное заключение о качестве и надёжности продукции без определения фактических количественных показателей влечёт за собой высокий риск получения рекламации за поставку ненадлежащего качества продукции.

Таким образом, имеем проблему определения фактических количественных показателей качества продукции и доказательства достоверности теоретических расчётов.

Для её решения необходимо рассмотреть следующие задачи:

       1) определить количественные критерии качества;

       2) определить методы контроля количественных параметров качества;

       3) определить процедуру анализа полученных результатов контроля и выдачи соответствующего заключения.

Решение Задачи №1 очевидно в виду наличия результатов расчётов НДС металлоконструкций изделий в виде расчётных напряжений и деформаций.

На практике определить фактические значения НДС металлоконструкций (решение задачи №2) позволяет натурная тензотермометрия. Её процедура подробно описана в литературе, а сам метод и требования к проведению работ установлены ГОСТ Р 52728. Погрешность измерения НДС несущих металлоконструкций не превышает 10% [4-9], что является общепринятым значением для тензотермометрических измерений с использованием тензорезисторов.

Однако в абсолютном своем большинстве работы по тензотермометрии проводятся только на этапе заводских испытаний готового опытного образца изделия. Тем самым заведомо пренебрегается деформация металлоконструкций на всех предыдущих этапах изготовления деталей и сборочных единиц, входящих в головную сборку. Тем самым погрешность в выполнении измерений для расчета НДС растёт и не может быть учтена при итоговом анализе прочности изделия. В этой связи технология изготовления и испытания продукции должна фактически быть видоизменена следующим образом:

1) На этапе изготовления основных несущих металлоконструкций и деталей до их установки в сборку верхнего уровня необходимо произвести статические (при техническом обосновании и динамические) испытания нагрузкой этих элементов. Нагрузка на эти элементы должна даваться в 3 этапа – на первом этапе (выполняется при необходимости) прикладывается нагрузка, имитирующая влияние на испытуемый объект стыкуемых с ним элементов во время сборки; на втором этапе (выполняется обязательно) даётся нагрузка, равная расчётным усилиям, и испытуемый объект выдерживается под этой нагрузкой не менее 10 минут; на третьем этапе (выполняется обязательно) нагрузка монотонно повышается до критической, вызывающей напряжения, равные (90…95)% от теоретического предела текучести металла. После нагружения выполняется монотонная разгрузка. Во время этих испытаний необходимо проводить измерения НДС методом натурной тензотермометрии. По итогам измерений в ходе испытаний должен проводиться анализ соответствия полученных результатов расчётным значениям НДС. По результатам анализа при необходимости могут быть откорректированы как расчёты испытуемой детали или узла, так и сама конструкция. При этом на контрольную сборку всего изделия в любом случае поступает составная часть, соответствующая предъявляемым к ней требованиям. Следует обратить внимание, что наклеенные тензорезисторы на эти составные части изделия должны быть сохранены до контрольных испытаний всего изделия. Если невозможно обеспечить сохранность наклеенных тензорезисторов после испытаний составных частей, то необходимо для полученных результатов измерений в ходе испытаний готовой продукции ввести поправку, взятую из результатов измерений составных частей изделия, входящих в головную сборку.

2) На этапе заводских испытаний готовой продукции также необходимо провести исследования методом тензотермометрии на всех режимах работы изделия. Это позволит получить сведения о фактическом НДС несущих металлоконструкций во время его работы, подтвердить (при необходимости уточнить) теоретические расчёты и доказать качество и надёжность изделия.

Стоит отдельно обратить внимание на то, что проведение аналогичных исследовательских работ во время серийного производства позволит собрать необходимые сведения для расчёта надежности продукции методами статистического анализа и получить (подтвердить) повторяемость контролируемых параметров, тем самым установить фактическую погрешность методов тензотермометрии и МКЭ.

Таким образом, решение поставленной Задачи №3 сводится к сравнительному анализу получаемых результатов натурных измерений с расчётными величинами.

Стоит добавить, что современная элементная и аппаратная база для проведения исследований методом тензотермометрии широко представлена на рынке, при этом имеются достаточно надёжные и экономичные приборы российского производства, внесенные в Государственный реестр средств измерений России. Например, весьма востребованы на рынке приборы следующих российских производителей: ООО «Л’Кард» (г. Москва), ООО «НПО «Мера» (г. Мытищи), ЗАО «ЭТМС» (г. Зеленоград). В условиях импортозамещения и поддержки российских производителей, в т.ч. точного приборостроения, уже сейчас имеется возможность контроля количественных параметров качества изделий.

Предлагаемая технология изготовления и испытания позволяет существенно снизить риски поставки некачественной продукции, предотвратить установку в головную сборку некачественно изготовленных составных частей, проверить достоверность теоретических расчётов, по возможности снизить металлоёмкость изделий, подтвердить надежность и качество серийной продукции предприятия, а также адекватно спрогнозировать срок службы (долговечность) изделия в целом.