Взаємозамінність, стандартизація і технічні вимірювання

Метрологія - наука про вимірювання

Сучасна метрологія включає три складові: законодавчу метрологію, фундаментальну (наукову) і практичну (приклад­ну) метрологію.

З розвитком науки і техніки були потрібні нові вимірюван­ня і нові одиниці виміру, що стимулювало у свою чергу удо­сконалювання фундаментальної і прикладної метрології.

Спочатку прототип одиниць вимірювання шукали в природі, досліджуючи макрооб'єкти і їхній рух. Поступово пошуки пе­ремістилися на атомний і внутрішньоатомний рівень.

Якістю і точністю вимірів визначається можливість розробки принципово нових приладів, вимірювальних пристроїв для будь-якої сфери техніки, що промовляє на користь випереджальних темпів розвитку науки і техніки вимірів, тобто метрології.

Розглянемо зміст основних понять фундаментальної і прак­тичної метрології.

Вимірювання як основний об'єкт метрології пов'язані як з фізичними величинами, так і з величинами, що відносяться до інших наук (математики, психології, медицини, суспільних наук тощо). Далі будуть розглядатись поняття, що відносять­ся до фізичних величин.

Виміром називають сукупність операцій, виконуваних за допомогою технічного засобу, що зберігає одиницю величини і дозволяє зіставити з нею вимірювану величину. Отримане зна­чення величини і є результат вимірів. Цікаво відзначити відпо­відність у цілому цього сучасного трактування з тлумаченням даного терміна філософом П. А. Флоренським, яке ввійшло в "Технічну енциклопедію" видання 1931 p.: "Вимір - основний пізнавальний процес науки і техніки, за допомогою якого неві­дома величина кількісно порівнюється з другою, яка однорідна з нею і вважається відомою".

Одна з головних задач метрології — забезпечення єдності ви­мірів - може бути вирішена при дотриманні двох умов, які можна назвати основними:

• вираження результатів вимірів у єдиних узаконених оди­ницях;

• установлення припустимих помилок (похибок) результа­тів вимірів і меж, за які вони не повинні виходити при зада­ній імовірності.

Похибкою називають відхилення результату вимірів від дійсного значення вимірюваної величини. Похибки вимірів приводяться в технічній докумен­тації на засоби вимірів чи у нормативних документах. Якщо врахувати, що похибка залежить ще і від умов, у яких прово­диться сам вимір, від експериментальної помилки методики і суб'єктивних факторів людини у випадках, де вона безпосе­редньо бере участь у вимірах, то можна говорити про декілька складових похибок вимірів або про сумарну похибку.

Єдність вимірів, однак, не може бути забезпечена лише збі­гом похибок. Потрібно ще і вірогідність вимірів. Це говорить про те, що похибка не виходить за межі відхилень, заданих у відповідності з поставленою метою вимірів. Є ще і поняття точності вимірів, що характеризує степінь наближення похиб­ки вимірів до нуля, тобто до істинного значення вимірюваної величини.

Узагальнює всі ці положення сучасне визначення поняття єдність вимірів - стан вимірів, при якому їхні результати ви­ражені в узаконених одиницях, а похибки відомі з заданою імовірністю і не виходять за встановлені межі.

Види вимірювань

Вимірювання розрізняють за способом одержання інформа­ції, за характером зміни вимірюваної величини в процесі ви­мірів, за кількістю вимірювальної інформації стосовно основ­них одиниць.

За способом одержання інформації вимірювання розділяють на прямі, непрямі, сукупні і спільні.

Прямі вимірювання - це безпосереднє порівняння фізичної величини з її мірою. Наприклад, при визначенні довжини пред­мета лінійкою відбувається порівняння шуканої величини (кіль­кісного вираження значення довжини) з мірою, тобто лінійкою.

Непрямі вимірювання відрізняються від прямих тим, що шукане значення величини встановлюють за результатами прямих вимірів таких величин, що пов'язані із шуканою ви­значеною залежністю. Так, якщо виміряти силу струму ампер­метром, а напругу вольтметром, то за відомим функціональним взаємозв'язком всіх трьох названих величин можна розрахува­ти потужність електричного ланцюга.

Сукупні вимірювання сполучені з рішенням системи рів­нянь, яка складається за результатами одночасних вимірів декількох однорідних величин. Рішення системи рівнянь дає можливість обчислити шукану величину.

Спільні вимірювання - це вимірювання двох чи більше не­однорідних фізичних величин для визначення залежності між ними.

Сукупні і спільні вимірювання часто застосовують при ви­мірюваннях різних параметрів і характеристик в галузі елект­ротехніки.

За характером зміни вимірюваної величини в процесі вимі­рів існують статистичні, динамічні і статичні вимірювання.

Статистичні вимірювання пов'язані з визначенням характе­ристик випадкових процесів, звукових сигналів, рівня шумів тощо.

Статичні вимірювання мають місце тоді, коли вимірювана величина практично постійна.

Динамічні вимірювання пов'язані з такими величинами, з якими в процесі вимірів відбуваються ті чи інші зміни.

Статичні і динамічні вимірювання в ідеальному виді на практиці зустрічаються рідко.

За кількістю вимірювальної інформації розрізняють одно­кратні і багаторазові виміри.

Однократний вимір – це один вимір однієї величини, тобто число вимірів дорівнює числу вимірюваних величин. Практи­чне застосування такого виду вимірів завжди сполучено з ве­ликими похибками, тому слід проводити не менше трьох одно­кратних вимірів і знаходити кінцевий результат як середнє арифметичне значення.

Багаторазові вимірювання характеризуються підвищеним числом вимірів кількості вимірюваних величин. Зазвичай мі­німальне число вимірів у даному випадку більше трьох. Пере­вага багаторазових вимірів - у значному зниженні впливів ви­падкових факторів на похибку виміру.

Стосовно основних одиниць вимірювання поділяють на аб­солютні і відносні.

Абсолютними вимірами називають такі, при яких викорис­товуються прямий вимір однієї (іноді декількох) основної ве­личини і фізична константа.

Відносні вимірювання базуються на встановленні відно­шення вимірюваної величини до однорідної, що застосовуєть­ся як одиниця. Зазвичай, шукане значення залежить від оди­ниці вимірів, яка використовується.

З вимірами пов'язані такі поняття як "шкала вимірів", "принцип вимірів", "метод вимірів".

Шкала вимірів — це впорядкована сукупність значень фі­зичної величини, що є основою для її виміру. Пояснимо це по­няття на прикладі температурних шкал.

У шкалі Цельсію за початок відліку прийнята температура танення льоду, а як основний інтервал (опорна точка) - темпе­ратура кипіння води. Одна сота частина цього інтервалу є оди­ницею температури (градус Цельсію). У температурній шкалі Фаренгейта за початок відліку прийнята температура танення суміші льоду і нашатирного спирту (або повареної солі), а за опорну точку взята нормальна температура тіла здорової лю­дини. За одиницю температури (градус Фаренгейта) прийнята одна дев'яносто шоста частина основного інтервалу. За цією шкалою температура танення льоду дорівнює + 32°F, а темпе­ратура кипіння води + 212°F. Таким чином, якщо за шкалою Цельсію різниця між температурою кипіння води і танення льоду складає 100°С, то за Фаренгейтом вона дорівнює 180°F.

У метрологічній практиці відомі кілька різновидів шкал: шкала найменувань, шкала порядку, шкала інтервалів, шкала відношень тощо.

Шкала найменувань - це свого роду якісна, а не кількісна шкала, вона не містить нуля й одиниць вимірів. Прикладом може служити атлас кольорів (шкала кольорів). Процес ви­мірювання полягає у візуальному порівнянні пофарбованого предмета зі зразками кольорів (еталонними зразками атласу кольорів). Оскільки кожен колір має чимало варіантів, таке порівняння під силу досвідченому експерту, що володіє не тіль­ки практичним досвідом, але і відповідними особливими хара­ктеристиками зорових можливостей.

Шкала порядку характеризує значення вимірюваної величи­ни в балах (шкала землетрусів, сили вітру, твердості фізичних тіл тощо).

Шкала інтервалів (різностей) має умовні нульові значення, а інтервали встановлюються за узгодженням. Такими шкалами є шкала часу, шкала довжини.

Шкала відношень має природне нульове значення, а одини­ця вимірів установлюється за узгодженням. Наприклад, шка­ла маси (зазвичай ми говоримо "ваги"), починаючи від нуля, може бути градуйована по різному в залежності від необхідної точності зважування. Порівняйте побутові й аналітичні ваги.

Взаємозамінністю виробів (машин, приладів, механізмів тощо), їхніх частин або інших видів продукції називають їхню властивість рівноцінно замінювати при використанні будь-якого з сукупності екземплярів виробів, їхніх частин або іншої продукції будь-яким однотиповим екземпляром.

Найбільш розповсюдженою є повна взаємозамінність. Вона забезпечує можливість складання без додаткового припасуван­ня (або заміни при ремонті) будь-яких незалежно виготовле­них із заданою точністю однотипових деталей в складальні одиниці, а останніх - у вироби при збереженні (до складальних одиниць і виробів) технічних вимог за всіма параметрами яко­сті. Повна взаємозамінність можлива в тих випадках, коли розміри, форма, механічні, електричні та інші кількісні та які­сні характеристики деталей та складальних одиниць знахо­дяться в заданих межах, а зібрані вироби задовольняють тех­нічні вимоги. Крім цього, для забезпечення взаємозамінності необхідно встановлювати оптимальні номінальні значення па­раметрів деталей та складальних одиниць, виконувати вимоги до матеріалів деталей, технології їх виготовлення тощо.

Комплекс науково-технічних вихідних положень, виконан­ня яких при конструюванні, виробництві та експлуатації забезпечує взаємозамінність деталей, складальних одиниць та виробів, називають принципом взаємозамінності.

Властивість складальнопридатності та можливості рівноцін­ної заміни, будь-якого екземпляру взаємозамінної деталі, скла­дальної одиниці на будь-який інший однотипний екземпляр дозволяє виготовляти деталі в одних цехах машинобудівних заводів серійного виробництва, а складати їх в інших. При складанні використовують стандартні кріпильні деталі, під­шипники кочення, електротехнічні, гумові та пластикові виро­би, часто й уніфіковані агрегати, що одержані з інших вироб­ництв. При повній взаємозамінності складання виконують без доопрацювання деталей та складальних одиниць. Таке вироб­ництво називають взаємозамінним. При повній взаємозамінно­сті процес складання спрощується і зводиться до:

• простого з'єднання деталей робітниками переважно неви­сокої кваліфікації;

• можливості точного нормування в часі процесу складання;

• встановлення необхідного темпу роботи і можливості ви­користання потокового методу;

• створення умов для автоматизації процесів виготовлення і складання виробів, а також широкої спеціалізації і коопера­ції підприємств;

• спрощення процесу ремонту виробів (простою заміною зношеної або зламаної деталі на нову).

Повну взаємозамінність економічно і доцільно використову­вати для деталей, виготовлених з допусками квалітетів не вище 6-го та складальних одиниць, що мають в складі невели­ку кількість деталей, а також у випадках неприпустимої змі­ни зазорів або натягів у частини виробів.

Поряд з повною взаємозамінністю допускається обмежена, чи неповна, взаємозамінність, наприклад, групова, при якій виготовлені деталі сортують за розмірами на декілька груп, далі проводять складання деталей однойменних (одномірних) груп (селективне складання).

Таке складання підвищує точність з'єднання. До неповної взаємозамінності відносять також:

• складання на основі імовірнісних розрахунків;

• складання з регулюванням положення чи розмірів окре­мих деталей виробу;

• складання з припасуванням однієї із зібраних деталей.

Взаємозамінне виробництво в металообробній промисловос­ті вперше в світі було введено в 1761 році на Тульському та Іжевському заводах при масовому виготовленні гвинтівок.

Взаємозамінність базується на стандартизації, нормативно-технічним документом якого є стандарт.

Нормування допусків та посадок здійснюється двома систе­мами стандартів;

1. ЄСДП - "Єдиною системою допусків та посадок", яка по­ширюється на:

• допуски розмірів гладких елементів деталей;

• посадки, що утворюються, при з'єднані цих деталей;

2. ОНВ - "Основними нормами взаємозамінності", що вста­новлюють допуски та посадки на:

• шпонкові;

• шліцьові;

• різьбові з'єднання;

• зубчасті передачі, колеса тощо.

Доцільно відмітити, що допуски та посадки повинні бути вказані в технічній документації (креслення, що містить зображення виробу та необхідні для його контролю й виготовлення відомості).

Взаємозамінність, при якій забезпечується працездатність виробів з оптимальними і стабільними в часі експлуатаційними показниками функціонування називається функціональною.

Функціональними є геометричні, електричні, механічні та інші параметри, які впливають на експлуатаційні показники машин або службові функції складальних одиниць. Напри­клад, від зазору між поршнем і циліндром (функціональні параметри) залежить потужність двигунів (експлуатаційні по­казники) тощо.

Найбільша ефективність взаємозамінності досягається за принципом функціональної взаємозамінності.

Для практичного здійснення цього принципу необхідна чіт­ка система конструкторської, технологічної, метрологічної та експлуатаційної документації.

Позитивні результати забезпечення функціональної взаємоза­мінності особливо наочні на прикладі виробів при безвідходній технології, де не тільки має місце економія матеріалів, а й різ­ко підвищується продуктивність праці і якість продукції.