ОРГАНИЗАЦИЯ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЦЕЛЬНОКАТАННЫХ КОЛЕС ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

 

Петракова А.Г. (ОмГУПС, г.Омск, РФ)

 

The organization of entrance quality assurance of a car wheel to automate and exclude as much as possible the human factor will allow at the control and acceptance of production acted from metallurgical combines over the enterprises of  a railway transportation.

 

Проблемы механической усталости рельсов, контактной усталости колес и рельсов, повышенной интенсивности их изнашивания до сих пор являются актуальными.

В то время как технология производства отечественных рельс в последние тридцать лет совершенствовалась, требования к колесам, начиная с 1969 года, не изменились. В связи с этим ОАО РЖД была принята комплексная программа «Реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоностроения, организация ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001-2010г.», одним из основных направлений которой явилось повышение ресурса цельнокатаного колеса. Среди основных технических путей решения предусмотрено использование колес с повышенной до 340-360НВ твердостью обода.

Однако металлургические комбинаты зачастую нарушают технологию производства колесной  стали и технологию термической обработки колес, не выдерживают их геометрические параметры. Контроль на комбинатах производится выборочно на сравнительно небольшом  количестве колес из каждой плавки колесной стали. Поэтому на железную дорогу попадают колеса, не соответствующие проставленной маркировке и требованиям стандартов.

Нормы твердости, предусмотренные стандартами на термически обработанные колеса, соответствуют обеспечению высокой работоспособности их в эксплуатации. В обязательном порядке колеса подвергают испытанию на твердость по Бринеллю в соответствии с ИСО 6506 на плоской поверхности обода со стороны, противоположной гребню. Место для испытания подготавливают шлифовкой или вальцовкой для удаления обезуглероженного слоя металла. Замеры твердости проводят в соответствии с требованиями ИСО 6506 с номинальным диаметром шарика не более 5 мм.

Однако в стандартах предусмотрена и возможность ряда отступлений от установленных норм: подвергать колеса повторной термической обработке и подвергать дополнительно трем отпускам.

Все это вынуждает ОАО РЖД организовать входной контроль новых колес на железнодорожных предприятиях. В связи с этим возникает необходимость обоснования методики входного контроля.

Из множества характеристик колеса наиболее важными являются: размеры, форма колеса  и механические свойства.

Колеса бракуются в следующих случаях:

- отклонение по профилю катания ГОСТ9036,

- не соответствие диаметра колеса ИСО1005-8,

- любое из трех значений твердости, полученных в трех точках по окружности колеса не находится в пределах, обозначенных ГОСТ10791-2004,

- различие в значениях твердости свыше 30 НВ.

Методика контроля форм и размеров цельнокатаных колес в условиях ремонтных депо и ВКМ отработана, но оценка механических свойств поступаемой продукции с металлургических комбинатов на ремонтные предприятия ОАО РЖД не проводится. Это связано с отсутствием оборудования, позволяющего обнаружить изменение структуры металла, механические свойства и спрогнозировать поведение  детали в процессе эксплуатации.

В результате проведенного анализа литературных источников и производственного опыта, для контроля качества цельнокатаных колес повышенной твердости в условиях ремонтных депо и ВКМ был выбран метод испытания на твердость.

Благодаря связям твердости со структурными составляющими металла в работах Фридмана Я.В., Безлюдько Г.Я., Мужицкого В.Ф., Деля Г.Д., Сорокина Г.М., Апотеева Ю.Г., Кидина И.Н., Штремеля М.А. и др. авторов доказана ее зависимость от характеристик пластичности, прочности, поверхностного наклепа и срока службы металла.

К тому же, испытание на твердость имеет ряд преимуществ перед другими:

1. В результате испытания изделие не разрушается и практически не повреждается, следы испытаний на поверхности не имеют значения для эксплуатационных качеств и легко устранимы.

2. Приборы для испытания металлов на твердость обладают высокой производительностью (до 300-700 испытаний в 1 час).

3. На приборах для измерения твердости можно осуществлять 100 %-ный контроль ответственных деталей.

4. Он позволяет при незначительных затратах провести контроль качества продукции и определить ряд основных механических характеристик, т.к. физическая природа твердости определяется зависимостями, связывающими ее с характеристиками прочности и пластичности или разрушения.

В ходе такого контроля каждое цельнокатаное колесо может быть охарактеризовано как годное или дефектное. Но на предприятиях железнодорожного транспорта невозможно проведение контроля всех колес каждой партии.

Цель входного статического контроля – по некоторой выборке обнаружить партии колес, произведенные с нарушением технологии.

Уровень качества партии колес характеризуется величиной q:

,

(1)

где М- число дефектных колес в партии,

      N – объем партии.

Чем меньше значение q, тем выше качество партии. Партия поступает с некоторым неизвестным входным уровнем качества q_вх. Предприятию необходимо определить средний уровень качества колес, изготовленных с соблюдением технологии. Его обозначают q_н и называют нормальным уровнем качества продукции.

В определении значений q_вх и q_н заключается первая задача входного контроля.

Эти величины характеризуют потенциальные технологические возможности изготовителя и степень их реализации в части нарушения технологии.

Предварительно необходимо решить два вопроса, не относящиеся непосредственно к статистическим методам: какую партию считать «хорошей» и какую «плохой», и как описать риски ошибок контроля.

Вопрос о «плохой» и «хорошей» партии можно решать только относительно конкретного поставщика с учетом значения q_н – нормального уровня качества колес.

Заведомо «хорошая» партия характеризуется значением q_о – приемлемый (приемочный) уровень качества (ПРУК). Если для обследуемой партии q_о≥ q, то партия должна быть принята.

Заведомо «плохая» партия определяется величиной q_m – браковочный уровень качества (БРУК). Партия, для которой q≥q_m должна быть забракована.

Проблема в том, что уровень качества q партии можно определить только при полном ее обследовании. Значение q  не может быть определено при обследовании только части партии. Поэтому судить о выполнении условий q≥ q_m и q_о≥ q можно только с некоторыми вероятностями. Таким образом, при любом методе статистического контроля с обследованием тольк5о части партии будут допущены ошибки, т.е. существуют риски производителя и потребителя.

Риск производителя- это вероятность α браковки «хорошей» партии с приемлемым уровнем качества q_о≥ q. Риск потребителя – это вероятность β приемки «плохой» партии с низким уровнем качества q≥q_m.

Итак, потребителем и производителем должны быть определены и согласованы величины α, β, q_о, q_m.

При организации входного контроля необходимо указать такое правило приемки всей партии по данным обследования выборки, при котором «хорошая» партия с q_о≥ q принимается с вероятностью  не более β.

Основные положения и планы статистического контроля качества продукции изложены в классических работах /1, 3-5/, стандартах /2, 6-8/ и РД /9/.

Значения вероятностей α и β рекомендуется принимать из диапазона 0.05-0.20, причем ряд методов и стандартов за базовое значение принимают

 α = 0,01 и β = 0,1.

Это означает, что «хорошие» партии будут приняты с вероятностью не менее 1- α = 0,9 или 90%, «плохие» -  с вероятностью не более 0,1 или 10%.

Для принятых рисков определим значения q_о и q_m.

Приемочный уровень качества q_о должен быть немного меньше нормального уровня для данного производителя q_н. Например, при q_н=0,025 из партии 80 колес бракуется q_н∙N=0,025х80=2 колеса. Тогда можно назначать q_о≈0,020. То есть потребитель считает вполне приемлемым приемку партий от этого изготовителя со средним значением брака в размере q₀∙N=0,020х80=1,6 колеса из партии 80 колес.

В этом случае реально назначить  q_m≈0,05. При этом партия с числом бракованных колес более q_m∙N=0,05х80=4 считается неприемлемой.

Еще раз необходимо сказать, что величины α, β, q_о, q_m назначаются потребителем и производителем с учетом фактического состояния производства, последствий принятых рисков и опыта контроля качества продукции.

Как правило, план контроля качества определяет объем выборки n и правило браковки, удовлетворяющие заданным рискам α и β. Объем партии N, объем выборки n, величины α, β, q_о, q_m  и правило браковки взаимосвязаны. Поэтому знание методов контроля может существенно облегчить задачу выбора исходных величин α, β, q_о, q_m.

Выборка n колес из партии N при статическом контроле по алтернативному признаку обследуется при определенных значениях α, β, q_о, q_m. По результатам измерений каждое из обследованных колес классифицируется как годное или бракованное. В этом простота реализации и недостаток метода, т.е. признак определяет только простейшую альтернативу – брак или нет.

Простейший одноступенчатый метод контроля по альтернативному признаку заключается в следующем:

1) по заданным α, β, q_о, q_m определяется объем выборки n и браковочное число с,

2) из партии N обследуется n колес и определяется число m бракованных,

3) если с≥m, то партия принимается; если с<m партия бракуется.

Этот метод решает главную задачу контроля: «хорошие» партии с приемлемым качеством q_о ≥ q будут приниматься с вероятностью не менее   1-α, а «плохие» с качеством q ≥ q_m будут браковаться с вероятностью β. Результаты контроля не зависят от N. Метод разработан до необходимых таблиц при 0,1N ≥ n и рекомендуется для массового производства.

Пример. Заданы α = 0,1, β = 0,1, q_о = 0,025, q_m = 0,1, N = 80.

Значит, число дефектных  0,025N колес признается приемлемым, а 0,1N колес заведомо неприемлемым.

Вычисляем отношение

(2)

где η – отношение уровней качества,

       q₀ – приемочный уровень качества,

       q_m – браковочный уровень качества.

По значениям α, β, q_о, q_m в табл.13.3а /1/ определяется приемочное число с = 3.

По значению α и с в табл.13.3б /1/ определяется вспомогательная величина а=1,7.

Объем выборки вычисляется

(3)

где а – вспомогательная величина

 

Из партии обследуются 68 колес и определяется число m бракованных.

Если m≤c, то партия принимается, а при m>c партия бракуется.

Пример. При увеличенных рисках α=0,2 и β=0,15 и тех же q_о = 0,025, q_m = 0,1 определяется с=1, n=33.

Из примеров ясно, что при объеме партии N=80, описанный одноступенчатый метод контроля по алтернативному признаку фактически неприемлем, т.к. объем выборки составляет несколько десятков колес.

Поэтому этот метод может быть рекомендован в том случае, когда несколько партий по N=80 колес можно считать статически однородными и объединить в одну партию.

В тридцатые годы широко использовался метод 10-процентной выборки. В настоящее время этот метод считается некорректным и в стандартах не приводится.

Метод 10 – процентной выборки предполагает при партии N=80 объем выборки n=0,1N=0,1х80=8. Если среди восьми обследованных колес есть хотя бы одно бракованное, то вся партия бракуется.

Статический контроль по количественному признаку рекомендуется как основной метод для потребителя при организации опытной системы контроля качества колес. Опишем его простейший вариант точно по ГОСТ20736-73.

Пример. Объем партии N=80 колес.

Таблицы разработаны для α=0,1 и β=0,1.

Изучено качество продукции данного поставщика и установлено, что уровень входного качества q_вх=0,007-0,109 или 0,7-10,9%.

По табл.1 /2/ принимается рекомендуемое значение приемочного уровня качества q_о=0,01 или 1 %.

В табл.2 /2/ по объему партии N=80 и IV (нормальной) степени контроля находим код объема выборки – F.

В табл.3 /2/ для кода объема выборки F и приемочного уровня качества q_о=0,01 или 1 % находим объем выборки n=10 колес и контрольный норматив К_s=1,72.

Итак, надо обследовать 10 колес. Допустим, измеряются значения признака Х (отклонение по профилю, твердость и т.д.) При этом получено n=10 значений х₀, х₁, ….х_в…х₁₀ признака Х.

Вычисляется выборочное среднее:

(4)

где - выборочное среднее,

      n – объем выборки,

      х_i – i – ое значение признака Х.

А также выборочное среднее квадратическое отклонение:

(5)

 

Например, эти значения равны соответственно =0,3 и S=0,05.

Качество партии можно характеризовать величиной отношения К:

(6)

где U – предельно  допустимое значение параметра x

Если вычисленное значение К больше контрольного норматива К_S, то партия принимается, если меньше то бракуется.

При незначительном снижении требований можно выбрать код выборки Е с объемом n=7 с контрольным нормативом К_S=1,62.

Итак, для реализации описанного варианта контроля по количественному признаку достаточно приближенно знать только значение уровня входного качества колес данного поставщика. Метод вполне пригоден для организации опытной системы контроля качества цельнокатаных колес по отклонению твердости материала. Для этого задаются только верхняя и нижняя границы контролируемого параметра.

Необходимо на стадии отработки вопроса и накопления информации рассматривать более простую схему контроля. Например, результаты трех измерений твердости одного колеса усредняются и далее колесо характеризуется этим одним средним значением. Нижний допуск для твердости принимается L=293 НВ, а верхний U=363 НВ. Задача о соответствии или несоответствии партии колес указанному требованию рассмотрены в ГОСТ 20736-75 /2/. Последовательность решений рассмотрим на следующем примере.

Пример. Объем партии N=80.

Заданы границы контролируемого параметра (твердости) - L=293 НВ и U=363 НВ.

Выбран для обеих границ приемочный уровень качества q=0,02 или 2% /2, табл.1/. По значению объема партии N=80 из /2, табл.2/ находим для четвертой (нормальной) степени контроля код объема выборки F. Вполне допустимо принять и код Е лишь чуть снизив степень контроля /2,табл.2/. Дело в том, что коду F соответствует объем выборки n=10, а коду Е  - объем n=7. Возможно, что такое снижение объема контроля является существенным. Считаем вполне допустимым на начальных стадиях организации контроля принять и код D, соответствующий третьей степени контроля и объему выборки  n=5. Во всяком случаи такой выбор более корректен, чем использование метода 10-процентной выборки.

Примем код D и n=5.

По табл.5 /2/ находим контрольный норматив М≈7,8%.

Измеряется твердости пяти колес выборки. По полученным пяти усредненным значениям твердости х₁,…,х₅ вычисляем выборочное среднее значение твердости и выборочное среднее квадратичное отклонение.

Для рассматриваемого случая =328НВ и S=15.

Вычислим отношение

,	(7)
Z=(363-328)/15≈2,33

 

И по его значению из табл.7 /2/ находим оценочное значение уровня входного качества q_U=0%.

Вычисляем отношение

,

(8)

где L – нижний предел твердости.

V=(328-293)/15≈2,33,

И по его значению из табл.7 /2/ находим соответствующее ему оценочное значение уровня входного качества q_L=8,96%.

Общее оценочное значение уровня входного качества равно:

q=qU+ qL,       q=0+8,96=8,96

(9)

Сравниваем q с М.

Так как q>М, 8,96>7,8, то партия бракуется.

Для проведения входного контроля необходимо:

1. определить уровень входного качества цельнокатаных колес q_вх и нормальный уровень качества q_н по интересующему признаку (твердости поверхности).

2. выбрать риски α и β.

3. в качестве основного принять метод статистического контроля по количественному признаку по ГОСТ20736-75 /2/.

4. организовать измерение твердости цельнокатаных колес,

5. определить приемочное и браковочное значение уровня качества q₀ и q_m..

6. ввести контроль по количественному признаку.

Предлагаемая методика проведения и обработки статистического материала с использованием математического аппарата на основании ГОСТ20736-75 /2/ позволила составить алгоритм обработки данных входного контроля твердости цельнокатаного колеса.

Эта методика после доработки и апробации может быть предложена для внедрения в условиях ремонтных депо и ВКМ, что позволит сократить время входного контроля качества поступаемой продукции на предприятия,  осуществлять 100% выходной контроль при выпуске продукции из ремонта, а также максимально автоматизировать и исключить человеческий фактор при контроле и приемке.

Литература

1. Шор Я.Б., Кузьмин Ф.И. Таблицы для анализа и контроля надежности. -М.,1968.-288 с.

2. ГОСТ 20736-75. Качество продукции. Статистический приемочный контроль по количественному признаку при нормальном распределении контролируемого параметра.

3. Шор Я.Б. Статистические методы анализа и контроля качества и надежности. -М., 1962. -350с.

4. Контроль качества продукции машиностроения/ Под редакцией А.Э.Артеса. -М.,1974. -,447с.

5.Ноулер Л.Статистические методы контроля качества продукции.-М.,1989. -,96с.

6. ГОСТ15895-77. Статистические методы управления качеством продукции. Термины и определения.

7. ГОСТ18242-72. Качество продукции. Статистический приемочный контроль по альтернативному признаку. Одноступенчатые и двухступенчатые корректирующие планы контроля.

8. ГОСТ 16493-70. Качество продукции. Статистический приемочный контроль по альтернативному признаку. Случай недопустимости дефектных изделий в выборке.

9. РД 50-605-86. Методические указания по применению стандартов на статистический  приемочный контроль.