|
|
ОглавлениеГлава 2. Методы и приборы для измерения давления Глава 3. Методы и приборы для измерения температуры Глава 4. Методы и приборы для измерения расхода Глава 5. Методы и приборы для измерения уровня Глава 6. Методы и приборы измерения геометрических размеров Глава 7. Методы и приборы для измерения вибрации Глава 8. Измерение параметров электромагнитной совместимости Глава 9. Методы и приборы измерения свойств вещества Глава 10. Методы и приборы измерения состава вещества Глава 11. Сопряжение датчиков с системами управления Часть 2. Технологические основы испытаний. Глава 12. Организация испытаний Глава 13. Испытания на воздействия факторов внешней среды Глава 14. Испытания изделий на воздействие внешних механических и гидрогазовых факторов Глава 16. Испытания трубопроводной арматуры Глава 18. Испытания газотурбинных газоперекачивающих агрегатов Для бесплатного чтения доступна только часть главы! Для чтения полной версии необходимо приобрести книгуЧАСТЬ 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПЫТАНИЙГлава 12. Организация испытаний12.1. Испытания — важный элемент обеспечения качества и конкурентоспособности продукции. Структура испытанийОбеспечение качества продукции (процесса, услуги) невозможно без информации о ее состоянии на каждой стадии ее жизненного цикла. Наиболее достоверными источниками такой информации служат испытания, так как именно они являются основным источником объективных данных о характеристиках продукта; его преимуществах и недостатках; о его безопасности (в ее гуманитарном и экологическом смысле); факторах, определяющих спрос на продукт; экономичности; надежности и других свойствах, определяющих целесообразность производства конкретного продукта (или группы однотипных продуктов), а также путях его совершенствования. Поэтому в соответствие с рекомендациями международных стандартов (например, ИСО 9000, ИСО 14000, ИСО 5725 и др.) и практики создания высококонкурентных изделий испытания присутствуют на каждом из этапов управления качеством продукции. Испытаниями принято называть техническую операцию, заключающуюся в определении одной или нескольких количественных и (или) качественных характеристик данной продукции (процесса или услуги) в условиях ее эксплуатации, хранения и транспортирования или при воспроизведении (моделировании) этих условий. Осуществление испытаний характеризуется совокупностью воздействующих факторов и (или) режимов функционирования изделий, которые предусматривают несколько степеней жесткости (интенсивности), соответствующих различным условиям эксплуатации. Несмотря на разнообразие испытываемых объектов, внешних воздействий, контролируемых величин и т. д. процесс испытаний может быть представлен обобщенной функциональной схемой (рис. 12.1). Рис. 12.1. Функциональная схема процесса испытаний В процессе испытаний объект испытаний (ОИ) подвергается воздействиям со стороны системы управления и регулирования Ху, системы контроля и диагностики Хс, а также со стороны среды испытаний, порождаемой искусственными Ви и естественными Вс воздействиями. Реакция объекта Y является входом систем управления, регулирования, контроля и диагностики, а также обработки экспериментальных данных. Управляющие воздействия Ху обеспечивают изменение состояний объекта испытаний в соответствии с алгоритмами функционирования (реализации рабочих режимов) или его пространственного положения в процессе испытаний и воспринимаются исполнительными элементами (ИЭ) объекта. Воздействия Хс (тестовые, стимулирующие) имеют целью имитацию рабочих или реализацию особых (контрольных) режимов функционирования (поведения) объекта испытаний с целью детализации или определения его состояния. Информация о контролируемой реакции объекта испытаний Yк формируется датчиками Д объекта испытаний, а также системой обработки данных в виде результатов экспресс-анализа данных, выполняемого в реальном времени хода испытаний. Среда испытаний представляет собой самостоятельный объект управления, выходы которого Ви, Вс являются входами объекта испытаний, а их контролируемая часть Yи, Ye, формируемая датчиками параметров среды, поступает на входы систем контроля и обработки данных. Активное управление средой испытания обеспечивается воздействиями Хи, которые управляют имитаторами реальных воздействий (стендами, установками). Пассивное (опосредованное) управление средой реализуется через изменение положения или режимов работы объекта под влиянием управляющих воздействий Ху. Имитаторы воздействия в системе обработки данных также являются объектами контроля и управления в ходе испытаний. Управление их состоянием осуществляется централизованно по воздействиям Хи, Хс, а также собственными, местными средствами управления и контроля (на схеме они не обозначены). Обобщенная функциональная модель испытаний может быть представлена одновременно и взаимосвязано работающими контурами управления и (или) контроля объекта, среды и средств испытаний, а также обработки данных и других вспомогательных процессов и объектов, не показанных на рис. 12.1. Состав и возможности информационных процессов в каждом контуре управления (контроля) варьируются в определенных пределах. В зависимости от величины и характера этих вариаций получаются различные по своим свойствам и характеристикам структуры процесса. На практике, как правило, реализуются не все указанные на рис. 12.1 связи и элементы, а только те, которые необходимы для проведения определенного типа (вида) испытаний данного объекта. Например, при Ху = Хc = Хи = 0 отсутствуют управляющие воздействия на объект и имеет место пассивное испытание, т. е. контроль в естественных условиях эксплуатации, а при Хc = 0 имеет место активное испытание и пассивный контроль функционирующего объекта в условиях искусственных и естественных внешних воздействий. Вместе с тем из приведенной схемы видно, что в реализации процесса испытаний всегда участвуют три основных элемента: объект испытаний — ОИ; технические средства испытаний — ТСИ; оператор (система управления и интерпретации результатов) — Оп. Каждый из этих элементов имеет свои специфические особенности, которые существенно влияют на структуру и организацию испытаний. Объем производства ОИ, его сложность, стоимость, степень эффективности, экономические, технические, социальные и другие последствия его функционирования и (или) применения, определяют цели, виды, методы, средства испытаний и т. д. Сущность этих видов, методов, организации испытаний и т. п. во многом обусловливается тем, является ли ОИ деталью, составной частью или законченным изделием, а также определяется ли в процессе испытаний значения отдельных параметров (независимых групп параметров) или комплексные свойства и характер изменения взаимосвязанных функциональных, качественных, эксплуатационных и других показателей ОИ. При этом один и тот же ОИ может выступать одновременно как составной частью, так и законченным продуктом. Например, двигатель внутреннего сгорания по отношению к блоку цилиндров является законченным изделием, а по отношению к автомобилю — составной частью. Определяемые в процессе испытаний отдельные параметры (физические величины) представляют характеристику свойства природы и далеко не всегда объективно оценивают фактические показатели назначения и качества ОИ, которые отражают уровень совершенства данного типа изделия и (или) степень удовлетворения потребностей в конкретных условиях применения (сравните с точки зрения потребителя понятия «масса» и «масса конкретного изделия»). Поэтому отдельные параметры, как правило, можно рассматривать, как вспомогательные показатели качества или совершенства изделия. Взаимосвязь фактических показателей со вспомогательными сложна, неоднозначна и нестабильна. Рассмотрим взаимосвязь фактических показателей качества со вспомогательными на примере использования рулонной бумаги для печатания на ротационных машинах. B этом случае одним из основных фактических показателей качества процесса сматывания бумаги для печатания с точки зрения потребителя (типографии) будет отсутствие обрывов бумаги. Очевидными условиями обеспечения указанного фактического показателя качества являются такие вспомогательные показатели как предел прочности на разрыв и толщина бумаги. Однако обрыв бумаги будет определяться (рис. 12.2) и многими другими показателями, обусловленными характеристиками самой бумаги, свойствами ротационной машины, технологическими режимами работы и условиями окружающей среды. При этом для определения фактического показателя качества (возможность обрыва бумаги) и его оценки (желательно количественной), необходимо ответить на ряд вопросов. Рис. 12.2. Взаимосвязь фактических и вспомогательных показателей качества при намотке бумаги Как измерить фактический показатель качества и выразить его в численных значениях? Какие из вспомогательных показателей следует учитывать при определении фактического? Как описать взаимосвязь вспомогательных показателей с фактическим? Каким образом допуски на вспомогательные показатели влияют на фактический? Какая максимальная скорость бумаги допустима? Какие есть гарантии обеспечения требуемого значения фактического показателя? и т. п. В табл. 12.1 приведены фактические показатели некоторых изделий машиностроения. Нетрудно убедиться, что для соответствующего вида изделия взаимосвязь приведенных фактических показателей с такими вспомогательными параметрами, как время pазгона и тоpможения, режимами резанья, проходимостью автомобиля, точностью изготовления составляющих деталей и т. д., так же как и в приведенном выше примере будет сложна, неоднозначна, иметь иерархическую структуру и, как правило, не может быть выражена аналитически. Таблица 12.1 Фактические показатели качества машин
Поэтому для определения фактических показателей качества необходимы комплексные испытания изделий, позволяющие с системных позиций оценивать фактические требования как ко всему изделию в целом, так и к отдельным значениям параметров элементов и процессов, обусловливающих конкретные потребительские свойства этого изделия. При этом следует обратить внимание на то, что достоверность оценки фактических показателей изделия резко уменьшается в случае их определения только на основе вспомогательных параметров, значение которых получены в результате испытаний отдельных элементов. Так, если фактический показатель зависит от десяти вспомогательных параметров и каждый из них определен с достоверностью Р = 0,97, то достоверность фактического показателя , что в большинстве практических случаев недостаточно. Вместе с тем комплексные испытания изделия, в целом, могут обеспечить требуемую достоверность оценки фактических показателей. Однако воспроизвести при испытаниях в различных сочетаниях изменяющиеся в необходимом диапазоне искусственные и естественные воздействия на ОИ и оценить его реакцию на эти воздействия практически невозможно. Поэтому при проведении испытаний для выявления наиболее важных с точки зрения испытателя значений вспомогательных и фактических показателей качества широко применяется моделирование как ОИ, так и воздействующих на него факторов. Основой моделирования является идентификация, под которой понимается построение в определенном смысле рациональной модели, имитирующей «реальное» функционирование ОИ в условиях испытаний, по входным и выходным сигналам и воздействиям на ОИ. В общем случае процесс идентификации распадается на два этапа: идентификацию типа модели и идентификацию характеристик этой модели. Первый этап основан на априорной информации о физической природе объекта и носит обычно эвристический характер, а второй состоит в определении характеристик системы «ОИ — ТСИ», структура внутренних связей которой заранее известна и достаточно объективно отражает физическую природу этой системы. Использование моделирования при проведении испытаний является важным средством повышения их эффективности при имитации эксплуатационных условий, режимов работы, приводящих к потере работоспособности ОИ, аварийных ситуаций, а также позволяет для однотипных ОИ разработать стандартные методики и оценочные критерии испытаний, которые обеспечивают минимальные затраты времени и средств на их проведение. Моделируя на физической или математической основе значимый элемент конкретного испытания, детализация модели этого элемента принципиально ограничена целью, техническими, временными и экономическими возможностями, последствиями, вызванными некачественным проведением испытаний. Поэтому степень детализации модели должна обеспечивать ее требуемую информативность (подобие) для адекватного оценивания функционирования ОИ в реальных условиях эксплуатации. Зависимость информативности (I) модели испытаний от степени ее детализации может быть представлена (с определенной условностью) в виде кривых на рис. 12.3, которые показывают, что при увеличении детализации (S) информативность модели постепенно растет, а затем уменьшается. Это происходит потому, что излишняя детализация, вследствие резкого увеличения и усложнения взаимосвязей между элементами этой детализации, приводит к «маскировке» основных информативных элементов («за деревьями не видно леса»). Характер кривых не изменится, если вместо показателя детализации (S) будут использованы точность, достоверность или др. Условные максимумы кривых, определяющие информативность моделей при различной оценке ситуаций использования ОИ, будут соответствовать ординатам, отвечающим абциссам Si, S2, S3. Безусловный максимум для того же ОИ, определяемый его техническими характеристиками, соответствует ординате в точке Sm. Смещение безусловного максимума (кривые а, а’) соответствуют различным испытательным процедурам либо условиям проведения испытаний. Для ОИ, отличных по структуре или назначению, указанные кривые различны (кривые b и c на рис. 12.3). Рис. 12.3. Информативность модели в зависимости от детализации ее описания Вследствие того, что ОИ состоит из элементов, имеющих принципиально различное физико-техническое и функциональное содержание, построение его обобщенной модели встречает большие методические сложности и информативность такой модели, как правило, не полностью отвечает требованиям практического применения. Различают модели простые и сложные. Простая модель представляет условный образ изучаемого явления или объекта, когда учитывается ограниченное число факторов, определяющих поведение ОИ. Сложная модель отражает поведение нескольких подсистем ОИ и в описании приближается к идеальному воспроизведению явлений, происходящих в этих подсистемах при испытаниях. Для достижения адекватности модели натурным явлениям выделяют определяющие параметры, всегда оказывающие существенное влияние на выходные характеристики ОИ и побочные параметры, которые действуют только в отдельных случаях. Структурная схема этапов формирования модели представлена на рис. 12.4. Эффективность испытаний во многом определяется характеристиками технических средств испытаний, особенностями их применения для оценки интересующих параметров ОИ. ТСИ можно условно разбить на следующие специфические элементы: –стенды, задающие или имитирующие различные воздействия на ОИ; –первичные средства отбора информации (датчики и элементы их сопряжения с ОИ и стендами); –каналы связи (КС) и средства превращения сигналов датчиков в стандартную форму; устройства коммутации, селекции и формирования стимулирующих и контролируемых сигналов; Рис. 12.4. Структура построения модели испытаний –инженерное обеспечение (универсальные преобразователи, задатчики типовых и образцовых сигналов, оборудование жизнеобеспечения работы ТСИ, устройства обеспечения безопасности и т. п.); обработка информации и управление ТСИ; оборудование для связи с человеком. Эти элементы подсистемы обычно объединены на базе универсального вычислительного комплекса (УВК). Каждая из указанных выше подсистем представляет собой специфический объект, как по физико-техническому принципу действия, так и по конструктивному исполнению.Стенды, обычно, представляют собой нестандартное оборудование, разработанное под конкретный ОИ и, как правило, малопригодны даже для модернизированных ОИ того же назначения. Эта часть ТСИ может быть унифицирована по приводному и обеспечивающему оборудованию. Для ТСИ, предназначенных для контрольных и сертификационных испытаний ОИ, имеющих сложную схемную структуру (гидравлические, пневматические, электронные, электрические и другие взаимосвязи), стенды имеют приспособления и аппаратуру для проверки правильности схемных соединений при сборке ОИ. Наиболее сложной технической задачей при разработке стендов является точность воспроизводимых режимов и воздействий на ОИ, а также идентификация имитирующих реальные процессы работающих элементов и блоков. Хорошо унифицированными из этой подсистемы ТСИ являются стенды для воспроизведения климатических и механических воздействий. Датчики в ТСИ, как правило, используют стандартные. Однако их выбор и сопряжение с ОИ и КС представляет наиболее нестандартную задачу. При этом следует отметить, что информационные потери, обусловленные датчиками, затем практически невозможно компенсировать на последующих этапах обработки контрольно-измерительных сигналов. Поверка или калибровка датчиков в ТСИ обычно затруднена и часто требует демонтажа стенда. КС как «контактные» (провода, светопроводы, пневмо- и гидромагистрали и др.), так и бесконтактные (оптические, радио, тепловые и пр.) оказывают существенное влияние на структуру и конструктивное решение ТСИ, а также определяют чувствительность к тем или иным мешающим воздействиям (помехам). Средства превращения сигналов датчиков в стандартную форму представляют собой комбинацию известных преобразователей электрических, оптических и других сигналов (усилителей постоянного тока, фотоэлектронных умножителей, измерительных мостов, пороговых устройств и пр.) с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, кодирующими и декодирующими устройствами. Для бесконтактных КС необходимы также приемопередающие устройства, разработка которых в случае отсутствия готовых может превратиться в весьма сложную задачу, особенно в отношении обеспечения метрологических показателей. Подсистемы устройств коммутации и инженерного оборудования подбираются из стандартных комплектующих элементов и согласуются с другими подсистемами по входным и выходным параметрам и управляющим сигналам. В некоторых случаях стандартные элементы для согласования между собой и другими элементами ТСИ приходится оснащать дополнительными блоками (усилителями, преобразователями напряжения, гальваническими и логическими «развязками», ресиверами и т. п.). При коммутации слабых сигналов (например, от тензодатчиков) и специфических каналов связи (например, вакуумных), как правило, не удается подобрать стандартные элементы, что приводит к необходимости разработки оригинальной коммутационной аппаратуры. Подсистемы обработки информации и связи с человеком выполняют на основе существующих устройств вычислительной техники, что предопределяет их наибольшую степень унификации. Однако агрегатные средства УВК, периферийные устройства и программное обеспечение в наибольшей степени подвержены «моральному старению» и имеют короткие сроки обновления. В зависимости от применения выделяют следующие типы ТСИ 1.Универсальные — имеющие широкий диапазон перестраиваемых структур и развитое программно-алгоритмическое обеспечение. 2.Проблемноориентированные — для ограниченного набора однотипных задач. 3.Уникальные — для единичных (специфических) испытаний или ОИ. Организация взаимодействия элементов ТСИ и соответствующее протекание в них информационных процессов осуществляется оператором. В ТСИ, предназначенных для массовых или сложных испытаний, устанавливают УВК, который выполняет большинство функций, возложенных на оператора в соответствии с программой испытаний. ТСИ, как правило, разрабатывают одновременно с ОИ. Вследствие того, что ТСИ являются нестандартными изделиями единично-повторяющегося или индивидуального производства и связаны с большим числом принимаемых в процессе разработки ОИ несовместимых между собой решений, вопрос о степени автоматизации ТСИ приходится решать отдельно в каждом конкретном случае. Можно выделить четыре ступени автоматизации ТСИ: –непосредственная связь между ОИ (или его моделью) и УВК отсутствует; –непосредственная односторонняя передача информации от ОИ к УВК осуществляется через устройство связи, обратная связь осуществляется через оператора; –двусторонняя связь между ОИ и УВК, причем оператору отводится роль наблюдателя (контролера); –полная автоматизация с помощью блока перестройки технологии испытаний и (или) структуры ТСИ. Основные тенденции автоматизации ТСИ заключаются в создании на принципах агрегатирования «ручных» и автоматизированных станций, предназначенных для отработки новых образцов ОИ, и полуавтоматических и полностью автоматических ТСИ для сертификационных и контрольных испытаний продукции крупносерийного и массового производства. Независимо от степени автоматизации технического средства испытаний, последнее всегда представляет собой «человеко-машинную систему». С развитием техники ряд сложных функций в ТСИ переходит от человека к машине, что расширяет круг задач, решаемых при испытаниях. Вместе с тем усложнение ТСИ, связанное с автоматизацией, приводит к необходимости интегрировать работу всех элементов ТСИ. Функция интегрального звена даже в полностью автоматических ТСИ ложится на оператора, а это приводит к возрастанию роли человека в таких системах. Преимущества и недостатки УВК и человека в работе ТСИ приведены в табл. 12.2. Таблица 12.2 Преимущества и недостатки УВК и человека
Состав и структура ТСИ определяется (рис.12.5) организационно-юридическими, физико-техническими и экономико-технологическими факторами: целью, задачами и видом испытаний; характеристиками объекта испытаний; назначением и методикой испытаний; технологическим и метрологическим обеспечением испытаний и др. Состав оборудования ТСИ, в основном, определяется назначением и номенклатурой испытываемых и анализируемых параметров. Например, ТСИ для проведения сертификационных испытаний электрических микромашин включает в себя оборудование для обеспечения и измерения электрических величин (тока, напряжения, мощности); неэлектрических величин (крутящего момента, частоты вращения); санитарно-гигиенических параметров (уровня шума и вибрации); показателей безопасности (пробивного напряжения, пожароопасности, выделения вредных веществ и т. д.); эксплуатационных свойств (характер и уровень электромагнитных помех, скорость старения изоляции, параметры надежности и пр.) Рис. 12.5. Факторы, влияющие на формирование состава и структуры ТСИ При этом указанные воздействующие и измеряемые величины, параметры и свойства определяют при номинальных, предельных и аварийных режимах функционирования испытываемого изделия, а также при имитации разнообразных условий применения и использования (морской и тропический климат, высокогорье, установка на транспортных средствах и летательных аппаратах, эксплуатация на открытом воздухе и т. п.). Основной задачей ТСИ является качественное проведение испытаний в соответствии с конструкторской или сопроводительной документацией, а также проверка соответствия характеристик отдельных узлов, элементов и всего изделия в целом техническим условиям и другим нормативно-техническим документам. Поэтому ТСИ должна обеспечивать возможность проведения: –автономных испытаний отдельных блоков и важнейших элементов; –стыковочных испытаний составных частей; –комплексные испытания проверяемого изделия. 12.2. Воздействующие факторы на ОИ. Классификация испытанийИспытывая изделия, необходимо учитывать условия их эксплуатации, хранения и транспортирования, характеризующиеся воздействием внешних и внутренних факторов. К внешним факторам относятся: действие окружающей среды и особенности эксплуатации, связанные с местом установки изделия и (или) условиями его транспортирования. Указанные внешние воздействия могут вызвать ограничение или потерю работоспособности изделия или его составных частей в процессе эксплуатации. Все внешние воздействующие факторы (ВВФ) делятся на следующие классы: механические, климатические, биологические, радиационные, электромагнитные, специальных сред и термические. В свою очередь каждый класс подразделяется на группы, а каждая группа на виды, которым соответствуют определенные виды испытаний. Например, класс климатических воздействий делится на группы: атмосферное давление, температура среды, влажность воздуха или других газов и т. д.; эти группы в свою очередь подразделяются на следующие виды: атмосферное (повышенное) пониженное давление, изменение атмосферного давления или повышенная (пониженная) температура среды, изменение температуры среды и т. д. Внутренними факторами являются процессы старения и изнашивания. Процессы старения происходят непрерывно, причем они совершаются как во время работы, так и во время хранения и транспортировки изделий. Изнашивание проявляется в основном в процессе эксплуатации и зависит от воздействия внешних факторов, от режимов эксплуатации и работы изделий. Вероятность влияния внутренних факторов возрастает по мере увеличения длительности эксплуатации и при нарушении режимов работы, которые могут характеризоваться: частотой включений и переключений, вызывающей в изделиях переходные процессы, перенапряжениями, толчками и т. д. Частые включения и переключения некоторых изделий могут также влиять на механическое изнашивание их конструктивных элементов. В изделиях, предназначенных для циклических режимов работы, существенное влияние на тепловые режимы оказывают соотношения продолжительности работы и перерывов. Действие внутренних факторов во многих случаях зависит от схем и конструкций изделий. По времени и характеру воздействия режимы эксплуатации и работы изделий могут быть непрерывными, периодическими (циклическими), апериодическими (одноразовыми), повторно-прерывными и случайными. Внимание! Авторские права на книгу "Испытания нефтегазового оборудования и их метрологическое обеспечение. Учебное пособие" (Под ред. Владимирова А.И., Кершенбаума В.Я.) охраняются законодательством! |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
