Методологические основы обеспечения качества систем машиностроения, включающие человеческий фактор (на примере сварных конструкций)

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СИСТЕМ МАШИНОСТРОЕНИЯ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР (НА ПРИМЕРЕ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ)

05.02.23. - «Стандартизация и управление качеством продукции»

Коробцов Александр Сергеевич

г. Москва 2007г.

Работа выполнена в Донском государственном техническом университете (ДГТУ)

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор ЛУКЬЯНОВ В.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ДЕНИСКИН Ю.И.

доктор технических наук, профессор РАХМАНОВ М.Л.

доктор технических наук, профессор ЩЕРБИНСКИЙ В.Г.

Ведущее предприятие: ОАО ТКЗ «Красный котельщик»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

Д.212.125.10

кандидат технических наук, профессор Ю.Ю.КОМАРОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В 21 веке проблема безопасности стоит перед Россией, как и перед всем человечеством, на одном из первых мест. Стремительный рост техногенных чрезвычайных ситуаций вывел проблему техногенной опасности на уровень государственной безопасности. Это связано с тем, что на территории России насчитывается около 100 тысяч опасных производств и объектов, из которых около 1500 ядерных, 3000 химических и биологических объектов особо высокой опасности. В нефтяной и газовой промышленности эксплуатируются 150 тысяч км магистральных газопроводов и 49,6 тысяч км магистральных нефтепроводов. Протяженность водопроводных и канализационных сетей составляет 270 тыс. км, в стране эксплуатируются 40 тыс. различных резервуаров, 22 тыс. городских мостов и путепроводов.

Ежегодно на территории России происходит более 800 крупных техногенных чрезвычайных ситуаций, при этом потери от них ежегодно возрастают на 10-30 %. Каждый год происходит 75-80 прорывов на магистральных нефтепроводах, наносящих огромный экологический ущерб. Например, в 1998 г. общий экологический ущерб от чрезвычайных ситуаций составил 67 949 141 руб., при этом 54 027 695 руб. из них (79,5%) - ущерб от аварий на магистральных и внутрипромысловых трубопроводах.

Проблема осложняется изношенностью конструкций и дефектностью сварных швов. Большая часть объектов ответственного назначения (резервуары, котельное оборудование, мосты, водопроводные и канализационные сети) выработало плановый ресурс на 50-70%. 25% общей протяженности нефтепроводов эксплуатируются свыше 30 лет, 33% - от 20 до 30 лет. Около 60% котельного оборудования ТЭС отработало нормативные сроки. Продолжают эксплуатироваться котлы, прослужившие более 50 лет. На предприятиях различных отраслей промышленности находится свыше 4 тыс. котлов устаревших конструкций или отработавших установленный срок службы. Более 40% российских атомных подводных лодок находятся на вооружении более 30 лет.

Один из главных путей решения проблемы безопасности данных объектов - их техническая диагностика на основе методов неразрушающего контроля (НК), среди которых порядка 70-80% составляет ультразвуковой контроль (УЗК). Однако выявляемость дефектов штатным немеханизированным УЗК по результатам исследований международной программы PISC, данных российских ученых лежит в пределах 45-70 %.

Учитывая актуальность и важность проблемы повышения качества контроля, с 1997 года регулярно проводится Америко-Европейский семинар по надежности НК, на котором было акцентировано внимание, что потенциальную надежность и эффективность системы контроля существенно снижает человеческий фактор, требующий научных исследований его роли в проблеме качества немеханизированного контроля.

Насущная проблема надежности систем “человек-машина” имеет общегосударственное значение. На ее решение направлена российская общеакадемическая программа фундаментальных исследований. О важности проблемы свидетельствует также тот факт, что в обязательную общепрофессиональную дисциплину “Безопасность жизнедеятельности” для всех специальностей и направлений высшего образования в 2000 году введен новый раздел “Антропогенные опасности и защита от них”, цель которого - раскрыть роль человеческого фактора в обеспечении безопасности систем “человек-машина”. Следует подчеркнуть, что цена человеческих ошибок особенно остро ощущается при эксплуатации современных человеко-машинных систем. оператор управление качество ответственный

То есть, на данном этапе развития аппаратурных средств дефектоскопии и технологии контроля качество немеханизированного контроля в значительной степени обусловливается надежностью оператора. Учитывая, что в настоящее время значительный объем сварных конструкций контролируется этим способом, то исследование роли субъективных факторов, определяющих качество УЗК, и разработка подходов и средств управления ими являются актуальными задачами. Представляется перспективным это осуществить с позиции менеджмента качества человеческими ресурсами в условиях TQM и в соответствии с требованиями международных стандартов ИСО серии 9000.

Цель работы - разработка концептуальных основ и научно-методического обеспечения управления качеством немеханизированного ультразвукового контроля сварных соединений для повышения безопасности объектов ответственного назначения.

Для достижения указанной цели в настоящей работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выявление причинно-следственной связи основных факторов, определяющих качество немеханизированного ультразвукового контроля сварных соединений объектов ответственного назначения.

2. Системный анализ профессиональной деятельности оператора УЗК, как важного элемента человеко-машинной системы.

3. Разработка научных основ и формальных моделей управления качеством немеханизированного ультразвукового контроля, связанных с планированием, целенаправленным формированием и обеспечением требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество ультразвукового контроля.

4. Разработка критериев квалиметрической оценки качества ультразвукового контроля.

5. Создание программно-инструментальных и тренажерных средств оценки качества ультразвукового контроля на основе разработанных критериев.

6. Исследование роли субъективных факторов системы контроля сварочной продукции с позиции менеджмента качества человеческих ресурсов и выявление показателей наиболее значимых процессов.

Предмет исследования - менеджмент качества основных процессов жизненного цикла специалиста ультразвукового контроля сварных соединений объектов ответственного назначения, базирующийся на предложенной концепции.

На защиту выносятся:

- классификация основных факторов и причинно-следственная диаграмма субъективных факторов, определяющих качество системы немеханизированного ультразвукового контроля;

- результаты инженерно-психологического анализа основных процессов профессиональной деятельности оператора УЗК, выполненного на основе профессиографического подхода;

- концепция менеджмента качества человеческих ресурсов, основанная на модели жизненного цикла оператора УЗК, для планирования, целенаправленного формирования и обеспечения требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество немеханизированного ультразвукового контроля,

- инструментальные, тренажерные средства и критерии квалиметрической оценки качества ультразвукового контроля, позволяющие получить объективную количественную оценку результативности основных процессов жизненного цикла оператора УЗК;

- результаты анализа наиболее значимых процессов в системе управления человеческими ресурсами для обеспечения качества немеханизированного ультразвукового контроля с выделением и формализацией важнейших показателей.

Методическое обеспечение исследований

При отработке технологии создания искусственных плоскостных дефектов использовались метод контрольных меток, приближенные методики оценки коэффициентов интенсивности напряжений, расчетные зависимости линейной механики разрушения, установки для консольного и двухосного изгиба, микроскоп.

Инженерно-психологический анализ профессиональной деятельности оператора УЗК был проведен на основе профессиографического подхода, используя принцип комплексности и метод экспертной оценки.

Разработка концепции по планированию, целенаправленному формированию и обеспечению требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество ультразвукового контроля, базировалась на методологических принципах инженерной психологии, на процессном подходе, на основных положениях TQM по управлению персоналом.

Для количественной оценки показателей темперамента использовались методики Айзенка и А. Белова.

Оценка показателей функционального состояния проводилась по тестам САН, шкала самооценки, по оценке времени латентного периода сенсорной реакции, частоте сердечных сокращений и дыхания, среднединамическому давлению, электрокардиограмме, характеристикам внимания (тесты глазомер, "перепутанные линии").

Для количественной оценки результатов профессиональной деятельности использовались образцы с искусственными отражателями (боковые сверления), CALTEST (для оценки точности настройки дефектоскопа), тест-образцы с внутренними плоскостными дефектами, тренажер-экзаменатор комплексной оценки результатов контроля, тренажерная система для оценки результатов сканирования, серийные дефектоскопы УД2-12, Sonic Mark 1, наклонные преобразователи, тест "Поиск максимума сигнала".

Статистическая обработка результатов выполнялась с использованием корреляционного и регрессионного анализа по прикладной программе Statistica, работающей в оболочке Windows.

Разработка концептуальных основ управления качеством ультразвукового контроля базируется на современных достижениях в области менеджмента качества, методов квалиметрии.

Научная новизна

Решена научная проблема менеджмента качества человеческих ресурсов при немеханизированном ультразвуковом контроле сварных соединений объектов ответственного назначения с целью повышения их безопасности, имеющая важное хозяйственное значение. Основные элементы научной новизны состоят в следующем:

1. Предложена на основе системного междисциплинарного подхода концепция управления человеческими ресурсами, базирующаяся на жизненном цикле специалиста и процессном подходе, для планирования, целенаправленного формирования и обеспечения требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество ультразвукового контроля, с учетом требований международных стандартов ИСО серии 9000 и основных положений TQM.

2. Для квалиметрической оценки квалификации персонала, результативности основных процессов и целенаправленного формирования профессиональных навыков обоснованы и разработаны специальные технические средства и методики создания искусственных дефектов гарантированных размеров и местоположения на основе установленных закономерностей роста усталостных трещин и аппарата линейной механики разрушения.

3. Экспериментально выявлена роль субъективных факторов, определяющих качество наиболее значимых процессов немеханизированного ультразвукового контроля.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Разработаны методики создания искусственных плоскостных дефектов нормированных размеров и местоположения в испытательных образцах (а.с. №1539026, а.с. №1581521). По разработанным методикам совместно с ЦНИИТМАШ при непосредственном участии автора данной работы разработана и изготовлена серия крупногабаритных толстостенных (100 и 200 мм) тест-образцов для общероссийской программы “Разработка методов повышения надежности оценки параметров технологических дефектов и обоснование применимости данных неразрушающего контроля в расчетах на прочность оборудования АЭС”. Пять испытательных образцов толщиной 40 мм, содержащие в стыковых сварных швах искусственные дефекты, были изготовлены для НИИ мостов Петербургского государственного университета путей сообщения.

Разработаны следующие тренажерные средства: тренажерная система для целенаправленного формирования и количественной оценки качества моторных навыков сканирования, компьютеризированный тренажер для обучения и комплексной оценки результатов профессиональной деятельности, имеющий в зависимости от используемого объекта контроля (труба, диск) несколько модификаций, специализированный тренажер для количественной оценки результатов работы операторов УЗК в условиях монотонной деятельности. В рамках договорных обязательств комплексные тренажеры для обучения и комплексной оценки результатов профессиональной деятельности были изготовлены для AEA Technology (г. Ризли, Великобритания), ВНИИ АЭС (г. Москва), Невинномысского колледжа. Компьютеризированный тренажер для целенаправленного формирования навыков сканирования изготовлен Новочеркасскому политехническому институту.

Для количественной оценки качества результатов контроля испытательных образцов предложен интегральный показатель качества, который учитывает относительное количество выявленных дефектов, вероятность выявления каждого типоразмера дефекта данной системой НК, вероятность недобраковки и перебраковки.

Компьютеризированы психодиагностические тесты шкала самооценки, САН, статический глазомер, Айзенка, тест по оценке времени латентного периода сенсомоторной реакции, разработан тест «Поиск максимума эхо-сигнала».

Результаты исследования роли функционального состояния оператора в проблеме надежности УЗК, психологические критерии профессионального отбора операторов ультразвукового контроля явились вкладом российской стороны в европейскую программу TACIS R 2.05., секция “Человеческий фактор” и были представлены на европейском совещании в г. Ризли (Великобритания) по проблеме надежности оборудования АЭС.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- на XIV научно-технической конференции «Методы и средства повышения информативности и достоверности результатов ультразвукового контроля сварных конструкций (Санкт-Петербург, 14-16 октября 1992г.)

- XIII научно-технической конференции “Неразрушающие физические методы и средства контроля” (Санкт-Петербург, 8-11сентября 1993г.),

- II международной научно-технической конференции “Современные проблемы сварочной науки и техники” (г. Ростов-на-Дону,27-30 сентября 1993г.),

- международной научно-технической конференции «Надежность машин и технологического оборудования» (г. Ростов-на-Дону, 1994г.),

- российской с международным участием научно-технической конференции “Неразрушающий контроль в науке и индустрии-94” (Москва, 31мая-2июня 1994г.)

- II международном конгрессе “Защита - 95 ”, (Москва, 20-24 ноября 1995г.),

- российской научно-технической конференции “Современные проблемы сварочной науки и техники” (г. Пермь, 1995г.),

- всероссийской научно-технической конференции “Современные проблемы сварочной науки и техники” (г. Воронеж, 16-18 сентября 1997г.),

- XVI Петербургской конференции «Ультразвуковая дефектоскопия металлоконструкций. Информативность и достоверность» (Санкт-Петербург, 3-5 июня 1998г.),

- всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Российский вуз: в центре внимания личность» (г. Ростов-на-Дону, 1999г.),

- всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Перспективные пути развития сварки и контроля» (г. Воронеж, 25-28 сентября 2001г.),

-VI международной научно-технической конференции по динамике технологических систем (г. Ростов-на-Дону,2001г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе в таких журналах, как “Контроль. Диагностика”, “Сварочное производство”, “Дефектоскопия”, “Защита от коррозии и охрана окружающей среды”, “Известия высших учебных заведений. Машиностроение”, “Физико-химическая механика материалов”, “Проблемы прочности”, “Автоматическая сварка”, “Заводская лаборатория”, “International Journal of Pressure Vessels and Piping”, “Известия высших учебных заведений. Северокавказский регион”, а также в материалах международных, всесоюзных и межвузовских конференций. Получено два авторских свидетельства, один патент. Издана монография.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Диссертация изложена на 329 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков, 31 таблицу. Список литературы включает 217 источников. Общий объем - 358 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена актуальность проблемы повышения качества немеханизированного ультразвукового контроля сварных соединений корпусного оборудования объектов ответственного назначения (магистральные нефте- и газопроводы, резервуары, котельное оборудование, ядерные установки, подводные лодки), проблема безопасности которых стоит в 21 веке на одном из первых мест.

Показано, что на современном этапе развития аппаратурных средств дефектоскопии и технологии контроля качество немеханизированного ультразвукового контроля в значительной степени обуславливается человеческим фактором.

Сформулированы цель, задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрено современное состояние проблемы безопасности сварных соединений объектов ответственного назначения с позиции их реальной дефектности и достоверности штатных методик неразрушающего контроля.

Анализ многочисленных разрушений сосудов давления, резервуаров, магистральных нефтепроводов показал, что во многих случаях причиной разрушений оказались дефекты в сварных швах, возникающие при изготовлении и монтаже и не выявленные неразрушающим контролем. Согласно заключению международного института сварки этой причиной обусловлено около 40% разрушений сосудов давления и трубопроводов.

Результаты исследований реальной дефектности сварных конструкций ответственного назначения, выполненные в разных организациях под руководством Г.П. Карзова, Г.С. Васильченко, R. Nichols, H. Kichara, Тимофеева Б.Т. показали, что, несмотря на возросший технологический уровень процесса сварки, наличие дефектов является объективной реальностью. Так, при автоматической сварке сосудов давления на каждые 10 м шва в среднем приходится 3-4 дефекта, при РДС их количество возрастает до 35.

Наличие дефектов повышает значимость неразрушающего контроля. Однако реальная выявляемость дефектов штатным немеханизированным ультразвуковым контролем по результатам исследований международной программы PISC (руководитель S. Crutzen), данным В.Е.Белого, М. В. Розиной, Л.М. Яблоник, В.Н. Волченко, К. Кasahara лежит в пределах 45-70%, что не удовлетворяет высоким требованиям, предъявляемым к объектам ответственного назначения.

Для разработки путей и средств повышения достоверности контроля требуется проанализировать факторы, определяющие качество УЗК. Учитывая, что немеханизированный УЗК представляет собой систему “объект контроля - дефектоскоп - оператор - среда“, факторы, определяющие качество контроля, следует разделить на четыре большие группы в соответствии с составляющими данной системы (рис.1).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.1. Факторы, влияющие на качество ультразвукового контроля

Анализ проблемы показал, что первые исследования были направлены на оценку влияния таких факторов, как качество подготовки рабочей поверхности, стабильность акустического контакта, структурная неоднородность, анизотропия свойств, размер, глубина залегания и особенности дефекта. Наибольший вклад в данные исследования внесли В.Г. Щербинский, А.К. Гурвич, Н. П. Алешин, Белый В.Е., Дымкин Г.Я., Ермолов И.Н. Были предложены следующие способы повышения информативности УЗК: применение приставок для слежения за состоянием акустического контакта и соблюдением параметров сканирования, корректировка чувствительности по шероховатости поверхности, применение новых схем прозвучивания и сканирования и нестандартных методик, преобразователей. Другой путь повышения надежности УЗК - модернизация аппаратурной части: разработка специализированных томографических установок, компьютерных систем с когерентной обработкой данных, анализ изображения на базе экспертных систем (Вопилкин А.Х., Вощанов А.К.). Следует отметить, что данные способы связаны с усложнением и значительным удорожанием аппаратуры.

Экспериментальное исследование влияния на надежность УЗК внешних условий работы было проведено в Британском центре неразрушающего контроля под руководством Murgatroyd R.A. в специализированной лаборатории, оснащенной специальным оборудованием.

Факторы надежности “оператора” получили название “человеческий фактор”. На Америко-Европейском семинаре по надежности НК была сформулирована концептуальная формула надежности R системы контроля:

R = f (IC) - g (AP) - h (HF),

где f (IC) - внутренняя способность метода (верхний предел возможностей системы), g (AP) - параметры применения (ограничение доступа, состояние поверхности и т.п.), h (HF) - человеческий фактор, который, как акцентировалось внимание, может существенно снизить потенциальную надежность системы контроля.

На особую важность человеческого фактора в проблеме надежности УЗК много лет обращает внимание А.К. Гурвич. Не смотря на это, данный аспект остается мало изученными из-за его сложности.

Анализ литературы показал, что из компонентов «человеческого фактора» наиболее изученным является влияние на качество контроля степени подготовки (квалификация, опыт). Две же другие подгруппы субъективных факторов, определяющих качество УЗК, и характеризующие психологические, психофизиологические и медико-биологические характеристики оператора, остаются практически неисследованными. Проблема влияния функционального состояния человека-оператора на качество работы является одной из самых мало изученных и не проработанной даже в психологической науке.

Представляется перспективным пути решения проблемы найти с позиции системы менеджмента качества в соответствии с требованиями международных стандартов ИСО серии 9000 и положений TQM.

В создание фундаментальной базы менеджмента качества большой вклад внесли Э.Деминг, Дж.М.Джуран, В.Шухарт, А.В.Фейгенбаум, К.Ишикава, Ж. Тагучи, Ф.Р. Кросби.

Разработка ключевых концепций и решение различных проблем менеджмента качества нашли отражение в работах А.К.Гастева, В.В.Бойцова, А.В. Гличева, Ю.П.Адлера, А.И.Берга, К.С.Колесникова, С.А.Христиановича, представителей школ Б.В.Бойцова, Г.Г.Азгальдова, В.Н. Азарова, В.П.Капырина, В.П.Панова. Мировой опыт организации работ по качеству обобщен и систематизирован в стандартах ИСО серии 9000 и соответствующих российских ГОСТах.

Качество в условиях промышленного предприятия определяется в значительной степени «человеческим фактором», оказывающим влияние на все элементы системы качества. Поэтому проблема управления данным фактором качества была и остается актуальной. Различные аспекты управления человеческими ресурсами рассматривали М.Вебер, Ф.Тейлор, А.Файоль, Ф.Ротлисбергер, Э.Мэйо, А.Маслоу, Дж. Иванцевич, В.Р. Веснин, Е.В.Маслов, Н.А. Витке, Р.Х.Шакуров, С.П. Дырин.

Если рассматривать задачи управления персоналом в рамках конкретной производственной деятельности при решенных общих задачах на уровне организации, то главными процессами, определяющими качество конкретной продукции, являются профессиональный отбор, профессиональное обучение и оценка квалификации персонала.

На основе анализа проблемы были сформулированы задачи исследования с позиции менеджмента человеческими ресурсами.

Во второй главе на основе системного междисциплинарного подхода разработана концепция управления человеческими ресурсами, базирующаяся на жизненном цикле специалиста, по планированию, целенаправленному формированию и обеспечению требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество немеханизированного ультразвукового контроля с учетом требований международных стандартов ИСО серии 9000 и основных положений TQM. Предлагаемая концепция содержит специальную программу конкретных мероприятий и основывается на следующих положениях:

- проблема имеет комплексный характер, и решать ее необходимо с позиции системного подхода на основе интеграции различных научных дисциплин: контроля качества сварных соединений, менеджмента качества, общей и инженерной психологии, инженерной эргономики;

- качество немеханизированного УЗК, как и любой системы в целом, закладывается на стадии “проектирование” (проектирование операторской деятельности), формируется на этапе “подготовка” (подбор, обучение, аттестация операторов) и должна поддерживаться на этапе «эксплуатация» (производственная деятельность оператора);

- перечисленные выше основные этапы должны быть взаимосвязаны через систему обратных связей;

- при разработке на данных этапах конкретных мер и средств, направленных на устранение основных причин снижения качества немеханизированного УЗК должны учитываться методологические принципы инженерной психологи и принципы менеджмента качества.

Предлагаемая программа мероприятий направлена на снижение негативного воздействия субъективных факторов качества, причинно-следственная диаграмма которых представлена на рис.2.

На стадии “проектирование” закладывается потенциальная надежность системы контроля. Обосновано, что для целенаправленного формирования требуемого уровня субъективных факторов качества на этапе «проектирование» необходимо реализовать следующие мероприятия:

- определить и обосновать профессионально важные качества для работы оператором УЗК с учетом специфики производственной деятельности;

- разработать критерии, методики и психодиагностические средства профессионального отбора кандидатов в операторы УЗК;

- проанализировать и обосновать перечень методов и средств целенаправленного формирования и количественной оценки уровня профессионально необходимых знаний и навыков;

- обосновать необходимость создания специальных тренажерных и информационных средств обучения, тренировки и количественной оценки уровня подготовки для конкретной профессиональной деятельности;

- определить требования к степени подготовленности операторов;

- сформулировать оптимальные условия работы и организации трудового процесса с учетом специфических особенностей работы;

- учесть эргономические и психологические требования к рабочему месту;

- разработать методики оценки показателей функционального состояния оператора и показателей производственной деятельности (и критерии их взаимосвязи);



Обосновано, что на этапе “подготовка” (подбор и обучение оператора) для формирования требуемого уровня надежности оператора должны быть реализован перечень следующих мероприятий:

- проведен профессиональный отбор кандидатов в операторы УЗК на основе разработанных критериев, методики и диагностических средств;

- сформирован (приобретен и изготовлен) необходимый и достаточный набор средств обучения, тренировки и количественной оценки профессионального уровня;

- проведено обучение (сформированы профессионально необходимые знания и навыки) и количественно оценен уровень подготовленности оператора;

- экспериментально выявлены оптимальные условия работы и организации труда для конкретной производственной деятельности;

- проведен анализ профессиональной деятельности оператора УЗК в целом и количественно оценено качество работы.

По результатам проведенных работ в конце этапа “подготовка” должны подводиться итог работы и вноситься необходимые коррективы в мероприятия, реализуемые на предыдущем этапе.

Для поддержания требуемого уровня факторов качества на этапе производственной деятельности оператора необходимо:

- контролировать соблюдение оптимальных условий работы и организации труда;

- поддерживать профессиональные навыки на требуемом уровне и восстанавливать их после длительных перерывов в работе;

- проводить оперативную диагностику состояния оператора и учитывать индивидуальные особенности изменения показателей состояния;

- учитывать влияние особенностей работы оператора в различных условиях окружающей среды (температура, влажность, шум, вид и величина различного рода помех), рабочей позы, доступности зоны контроля на показатели функционального состояния оператора и качество работы.

На этапах проектирования, подготовки и эксплуатации решаются свои определенные задачи, однако в условиях TQM основные процессы должны быть взаимосвязаны в рамках целостной программы (рис.3).

Для практической реализации положений концепции необходимо наличие определенного обеспечения. Научной основой для обоснования перечня необходимых для обеспечения качества инструментальных, тренажерных и психодиагностических средств является только детальный инженерно-психологический анализ деятельности оператора.

Анализ был проведен с учетом основных принципов и положений, выработанных специалистами по профессиогафическим подходам, используя метод экспертной оценки. Профессиональная деятельности оператора УЗК была расчленена на следующие требующие специальных знаний и навыков относительно самостоятельные процессы: - ознакомление с основной технической документацией на контроль (ознакомление с заданием); - настройка ультразвукового дефектоскопа; - подготовка изделия к контролю; - сканирование; - выделение “полезного” сигнала; - идентификация дефекта; - измерение параметров обнаруженного дефекта; - принятие решения (оценка допустимости дефекта); - оформление отчетной документации.

Рассматривая проблему с системных позиций, используя принцип комплексности и метод экспертной оценки, для каждого процесса были составлены перечни производственных действий оператора, профессионально необходимых знаний, навыков, умений и профессионально важных психофизиологических качеств возможных. Полученная информация позволила перейти к обоснованию обеспечения, необходимого для менеджмента качества человеческих ресурсов.

Размещено на http://www.allbest.ru

На основе анализа трудовой деятельности оператора УЗК выявлены главные профессиональные навыки, определяющие качество основных процессов:

- навык линейного перемещения преобразователя с определенной скоростью и поддержанием акустического контакта с соблюдением шага и амплитуды сканирования при одновременном наблюдении за экраном дефектоскопа и зоной контроля;

- навык нахождения максимума амплитуды эхо-сигнала;

- навык определения формы, координат, протяженности дефектов.

- навык надежной работы в условиях монотонии.

Данные профессиональные навыки являются основой для разработки специальных тренажерных средств.

Третья глава посвящена созданию инструментальных, тренажерных средств и критериев квалиметрической оценки качества ультразвукового контроля. Эти вопросы в условиях TQM играют ключевую роль.

Показано, что количественная объективная оценка результатов неразрушающего контроля возможна лишь при наличии точной информации о действительных размерах имеющихся дефектов в испытательных образцах, поэтому актуальным аспектом является разработка методик создания искусственных дефектов нормированных размеров и местоположения.

Учитывая, что наиболее опасным дефектом, встречающимся в реальных конструкциях, являются усталостные и технологические трещины, были разработаны методики получения внутренних трещин. На стадии отработки технологии создания искусственных трещин использовался метод контрольных меток, заключающийся в фиксации размеров и формы усталостной трещины изменением параметров режима циклического нагружения, и аппарат линейной механики разрушения.

На рис.4 представлена технология одной из методик. На поверхности образца (рис.4,а) в определенном месте снимают цилиндрической фрезой слой металла определенной глубины (в зависимости от требуемой глубины залегания создаваемого дефекта), оставляя в центральной части перемычки (рис.4,б) определенной ширины. В центре перемычек создают острый надрез. После этого в результате приложения к образцу переменных нагрузок в надрезах инициируют усталостные трещины (рис.4,в). Возникшие трещины на начальном этапе роста по своей форме развиваются как поверхностные краевые и имеют длину, равную ширине перемычек.

Размещено на http://www.allbest.ru

В дальнейшем под действием циклических нагрузок они прорастают через технологические перемычки и углубляются в тело образца. Фронт трещины при этом начинает приобретать форму полуэллипса. Затем перемычки удаляют и после достижения трещиной требуемых размеров циклическое нагружение прекращают. Последней операцией является наплавка слоя металла над созданными дефектами.

Отмечено, что важным методическим аспектом является установление истинных параметров созданных дефектов. Поверхностная трещина трехмерна, поэтому изменение ее глубины и формы фронта в процессе лабораторного “выращивания” не поддается визуальному контролю, а соотношение ее главных полуосей зависит от ряда факторов, основными среди которых являются напряженно-деформированное состояние вдоль фронта трещины и геометрические размеры образца. Показано, что в ряде случаев представляется возможным и целесообразным глубину и форму фронта усталостных трещин определять расчетным путем через определение коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) вдоль фронта развивающейся трещины. Для прикладных целей наибольшую ценность представляют приближенные методы, представленные в аналитическом виде. Значение коэффициента интенсивности напряжений К_I для полуэллиптической трещины глубиной b в образце конечных размеров определяли на основе выражения для сквозной центральной трещины в бесконечной пластине при одноосном растяжении с учетом поправочных коэффициентов, учитывающих форму фронта трещины M_E, близость наружной M_s и тыльной поверхностей M_W и градиент напряжений по толщине M_G :

K_I = _* M_{E *} M_{s *} M_{W *} M_G

Проведен сравнительный анализ наиболее часто используемых зависимостей на основе экспериментально полученного уравнения, описывающего изменение устойчивого фронта поверхностных трещин. Установлено, что наблюдается существенный разброс значений K_I при использовании выражений, предложенными разными авторами. Выявлены по результатам проведенных расчетов зависимости, приемлемые для практических целей и дающие наименьшие погрешности.

Предложена модификация методики, позволяющая получать в образцах плоскостные дефекты произвольной формы (прямоугольной, трапециевидной). Для этого форма, высота и ширина искусственного дефекта задавалась соответственно формой, высотой и шириной технологической перемычки. Разработанные методики с высокой степенью точности позволяют получить в испытательном образце одиночную усталостную трещину с любым отношением полуосей (рис.5,а), систему трещин, состоящую из двух (рис.5,б) или нескольких (рис.5,в) отдельных трещин, плоскостные дефекты прямоугольной формы (рис.5,г).

Наличие возможности расчетным путем прогнозировать кинетику роста трещин на основе приближенных методов оценки КИН позволяет создавать испытательные образцы с системой поднаплавочных трещин. Так, по заказу ЦНИИТМАШ были изготовлены тест-образцы, представляющие собой диски диаметром 980 и толщиной 50 мм. Технология изготовления данных образцов состояла в следующем. На поверхности образцов в определенных зонах создавали механическим путем надрезы заданной протяженности. Для инициирования и подращивания усталостных трещин в образцах использовали установки УДИ, позволяющие подвергнуть толстостенные образцы малоцикловому нагружению при двухосном изгибе. После зарождения в надрезах усталостных трещин за их длиной в процессе подрастания следили визуально и расчетным путем определяли глубину. При достижении трещинами требуемых размеров циклическое нагружение прекращали. Затем снимали поверхностный слой образца на глубину надреза и наносили на образец антикоррозионную наплавку по штатной технологии.

Размещено на http://www.allbest.ru

Анализ реальной дефектности сварных соединений корпусного оборудования энергоустановок показал, что среди всех типов дефектов наибольший линейный размер имеют дефекты типа несплавления. Поэтому разработаны методики, позволяющие создавать дефекты данного типа нормированных размеров и местоположения. По одной из них на поверхность разделки кромок свариваемых половинок образца в определенном месте приваривают платик из такого же материала заданных размеров. Форма основания платика может быть различной (круглой, квадратной, прямоугольной, эллипсообразной). В зависимости от стоящих задач можно создавать различную шероховатость поверхности несплавления. После заварки разделки кромок по штатной технологии получаем образец, в котором создан искусственный плоскостной дефект нормированных размеров и местоположения. По другой технологии (рис.6) в одной из половинок 1, предназначенных для изготовления тест-образца, в определенном месте фрезеруется плоскодонное отверстие необходимого диаметра. В данное отверстие вставляется изготовленный платик (рис.6,б) такого же диаметра. Затем производится наплавка одного или нескольких валиков (рис.6,в) на соответствующем заранее подобранном режиме, гарантирующем глубину проплавления, несколько меньшую высоты платика. В результате переплавляется цилиндрическая поверхность контакта платик-образец и остается несплавление, по размеру, равное площади основания платика. В дальнейшем после выполнения разделки кромок осуществляется многопроходная сварка образца по штатной технологии.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис.6 Методика создания плоскостных дефектов типа несплавления

По изложенным выше технологиям нашим университетом совместно с ЦНИИТМАШ разработана и изготовлена серия крупногабаритных образцов толщиной до 200 мм для всероссийской программы “Разработка методов повышения надежности оценки параметров технологических дефектов и обоснование применимости данных неразрушающего контроля в расчетах на прочность оборудования АЭС” (рис.7).

Размещено на http://www.allbest.ru

Практическое применение разработанные методики создания нормированных дефектов нашли также при изготовлении объектов контроля тренажерных средств, которые широко используются для объективной количественной оценки качества ультразвукового контроля при обучении и аттестации операторов, валидации методик контроля.

Отмечено, что с методических позиций тренажеры предназначены для выполнения двух основных функций. Во-первых, их задача - создать ситуацию, аналогичную той, что возникает в реальных условиях. Во-вторых, тренажеры оснащаются специальными средствами, что позволяет существенно расширить возможности формирования и оценки качества моторных навыков по сравнению с анализом на рабочем месте. Учитывая, что одним из недостатков при конструировании тренажеров является приоритет физического подобия над психологическим, при разработке тренажерных средств были проанализированы и учтены следующие психологические аспекты теории тренажеров:

- деятельность на тренажере должна не имитироваться, а моделироваться и психологически соответствовать реальной трудовой деятельности;

- навыки, формируемые на тренажере, должны не внешне, а по своей психологической структуре соответствовать трудовым навыкам;

- при формировании моторных навыков на начальных этапах обучаемому должна ставиться задача выполнять отдельные, входящие в данный навык движения с большими интервалами между ними, в дальнейшем время выполнения движений и интервалы следует укорачивать, добиваясь, чтобы ряд частных движений выступал как одно сложное движение;

- на результативность обучения значительное влияние оказывает наличие обратной связи, при этом важно, чтобы при обучении была возможность самооценки не только правильных, но и неправильных действий;

- при проектировании конструкции рабочего места тренажера, приспособлений важно учитывать эргонометрические рекомендации для учета физиологических и психических возможностей и особенностей человека.

Проанализированы разработанные в нашей стране и за рубежом специальные тренажерные средства для формирования и оценки навыков сканирования оператора УЗК на базе различных инструментальных средств и реальных элементов объектов контроля. К их числу относятся тренажер НК-157, разработанный НИИ мостов СПГУПС совместно с ИЭС им. Е.О. Патона и цифровой тренажер SIMONE, созданный в Британском центре неразрушающего контроля.

Достоинства данных средств обучения не вызывают сомнений. Однако более перспективным и универсальным представляется создание тренажерной системы для формирования навыков сканирования на базе стандартного персонального компьютера и планшетного дигитайзера (рис.8), позволяющих за счет своих технических возможностей и программного обеспечения значительно расширить области целенаправленного формирования и количественной оценки качества моторных навыков. Кроме того, возможности такой тренажерной системы реально постоянно расширять за счет модернизации программного обеспечения.

Размещается система на стандартном учебном столе. Поверхность планшетного дигитайзера используется в качестве рабочей поверхности объекта контроля. Имитатором ультразвукового преобразователя служит аналог мыши для персонального компьютера, выполненный по форме в виде реальной искательной головки. Технические возможности дигитайзера позволяют с высокой точностью определять и вводить в компьютер координаты положения искателя на его поверхности. Имеется возможность не только следить за перемещением искателя, но и создавать различные проблемные ситуации.

Для определения усилия прижатия в имитатор искателя помещен датчик давления, который позволяет фиксировать величину прикладываемого усилия и передавать соответствующую информацию в компьютер.

Разработано программное обеспечение тренажерной системы, которое состоит из ряда блоков, позволяющих проводить регистрацию обучаемого, рассчитывать основные параметры траектории сканирования, визуализировать на экране траекторию сканирования с оптимальными параметрами, фиксировать текущие параметры реализуемой траектории сканирования, анализировать отклонения от идеальной траектории, хранить и статистически обрабатывать полученную информацию. Работа системы предусматривает регистрацию скорости сканирования и визуализацию траектории по всей контролируемой зоне. Программный интерфейс предусматривает наличие диалогового меню, позволяющего регулировать амплитуду и шаг сканирования, положение и размеры рабочей зоны.

Рис. 8. Тренажерная система для выработки и оценки навыков сканирования

Показано, что данную тренажерную систему можно использовать для обучения, коррекции навыков и аттестации персонала. На стадии обучения появляется возможность целенаправленно формировать моторный навык сканирования для разных ситуаций: с предъявлением на экране дисплея траектории сканирования, “вслепую” (рабочая зона поверхности контроля не видна обучаемому), при ограничении времени, выделяемого на контроль изделия, при сканировании в разных пространственных положениях.

Проведены эксперименты, включающие различные способы обучения. Показателем качества работы выступал процент охваченной при сканировании площади зоны контроля. Установлено, что обучение с использованием шаблона траектории сканирования на поверхности дигитайзера оказалось недостаточно эффективным. Отслеживание траектории вызывало у обучаемого определенные трудности, поскольку искатель закрывает значительную часть отслеживаемой траектории. Наблюдалось снижение точности отслеживания движения, неравномерный охват участка сканирования по высоте. Отмечалось увеличение скорости перемещения искателя, что, вероятно, связано с тем, что при обучении с использованием шаблона происходит подмена целей обучения - главным становится сам процесс копирования. Обратные связи были выражены слабо. Этот вид обучения характеризовался высокой утомляемостью, высоким разбросом результатов, требовал длительных упражнений.

При обучении способом “в слепую” движения обучаемых характеризовались частой сменой темпа, аритмичностью, непостоянством амплитуды движений. Как правило, размах колебаний параметров сканирования превышал требуемый. Эксперименты показали, что этот способ целесообразней использовать для периодического контроля степени выработки моторных навыков сканирования.

Установлено, что способ обучения, при котором оператор имеет возможность корректировать свои действия, ориентируясь на изображение следа движения искателя на экране монитора, в большей степени, чем другие, за счет обратной связи позволяет оператору осуществлять самоконтроль в процессе обучения, сопоставляя совершаемые моторные действия с представленными оптимальными параметрами траектории сканирования. На основании такого сопоставления происходит на стадии обучения оценка всех правильных и неправильных действий и соответствующее в реальном времени их регулирование, т.е. целенаправленное формирование моторного навыка сканирования.

Операция сканирования, которую оператору УЗК приходится практически все время выполнять, представляет собой однообразную, монотонную деятельность. С целью выявления возможностей различных операторов УЗК эффективно ее выполнять разработан специальный тренажер на бдительность, объект контроля которого выполнен в виде диска с кольцевым сварным швом и закрыт кожухом. В кожухе сделано окно в форме сегментообразного выреза, обеспечивающее доступ оператору к поверхности контроля сварного соединения. С противоположной стороны зоны контроля диск контактирует с тремя источниками ультразвуковых сигналов, которые с помощью специального программного устройства включаются случайным образом по времени и последовательности на определенную длительность. Объект контроля крепится в центре к оси вращения, которая установлена в подшипниковые опоры. Вращение объекта контроля осуществляется от электродвигателя через зубчатую передачу. Это позволяет имитировать бесконечную протяженность сварного шва со случайным во времени редким событием: появлением эхо-сигнала, информирующем о наличии дефекта в зоне контроля. Работа на тренажере продолжается несколько часов, источники ультразвуковых сигналов включаются случайным образом относительно редко. Отношение количества пропущенных при контроле сигналов к числу поданных является квалификационной оценкой работы оператора в условиях монотонии. Получен патент на тренажер.

Разработан компьютеризированный тренажер-экзаменатор для обучения и комплексной оценки квалификации операторов УЗК сварных соединений. Наружное оформление тренажера имеет несколько модификаций в зависимости от объекта контроля и внешнего вида корпуса. В качестве объекта контроля в первых модификациях тренажера использовалось реальное сварное соединение, выполненное по штатной технологии и представляющее собой тело вращения в виде толстостенной трубы. В двух кольцевых сварных швах объекта контроля содержатся трещиноподобные дефекты заданных размеров и местоположения, созданные по разработанным и описанным выше технологиям. Внешний вид одной из модификаций тренажера представлен на рис.9.

Рис.9. Внешний вид тренажера с объектом контроля в виде толстостенной трубы

Другая модификация компьютеризированного тренажера представлена на рис.10. Конструктивно тренажер выполнен в виде стола с плоскостью, наклоненной под углом 15. В столе выполнено окно в форме сегмента, открывающее доступ к объекту контроля. Дефектоскоп устанавливается на верхнюю крышку корпуса тренажера.

В данном тренажере объект контроля представляет собой “плоский диск”, который крепится на центральной оси и приводится в движение от трехфазного двигателя через червячный редуктор. На переднюю панель корпуса тренажера выведен индикатор, показывающий угол поворота тест-образца. Шов в объекте контроля выполнен на диаметре 700 мм и содержит пятнадцать дефектов. Размеры, координаты дефектов и расстояние между ними выбиралось случайным образом, при этом минимальное расстояние между дефектами составляет 70 мм, максимальное - 230 мм.

Показано, что динамику процесса обучения можно отслеживать путем построения кривых обучаемости. Показателями качества приобретенных навыков оператора УЗК могут выступать среднее значение ошибки измерения амплитуды эхо-сигнала, стандартное отклонения ошибки измерения, среднее время Т, затраченное на измерение амплитуды эхо-сигнала от одного дефекта, количество найденных дефектов, погрешности определения координат дефектов.

Размещено на http://www.allbest.ru

Были проведены экспериментальные исследования с операторами различной квалификации. Каждый оператор работал на тренажере в течение недели по 6...8 ч в день, при этом стояла задача определить максимум амплитуды эхо-сигналов от различных по размеру искусственных дефектов, которые предъявлялись случайным образом. За время эксперимента операторы измеряли каждый дефект многократно (50-70 раз), что позволило провести статистический анализ полученных результатов.

Выявлено, что разброс измерений зависел от квалификации, индивидуальных особенностей испытуемых, дня эксперимента, особенностей дефектов. Кривая обучаемости характеризовалась тем, что в первые дни работы имел место значительно больший разброс значений измерений. К концу эксперимента разброс уменьшался, а среднее значение измеренной максимальной амплитуды сигнала стремилось к некоторому характерному для данного дефекта относительно стабильному уровню. Были зафиксированы у ряда операторов ошибки, связанные с невнимательностью, так называемые промахи, которые носили случайный характер и зависели от индивидуальных особенностей оператора. Отмечен факт недобраковки в зоне измерений двух близко расположенных дефекта разных размеров. Статистическая обработка результатов измерений максимальной амплитуды эхо-сигналов показала, что не зависимо от квалификации операторов в областях малой вероятности имеет место отклонение от нормального закона распределения.

...