Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема обеспечения качества ультразвукового контроля сварных соединений объектов ответственного назначения (состояние вопроса) 16
1.1. Анализ реальной дефектности сварных соединений и ее выявляемое при немеханизированном ультразвуковом контроле объектов ответственного назначения 16
1.2. Основные факторы, определяющие качество немеханизированного ультразвукового контроля сварных соединений 22
1.3. Факторы, определяющие качество работы оператора УЗК с позиции надежности системы "человек-машина" 31
1.3.1. Индивидуальные особенности человека-оператора 34
1.3.2. Роль функционального состояния оператора в проблеме надежности человеко-машинных систем 42
1.4. Существующие пути повышения качества немеханизированного ультразвукового контроля 50
1.5. Задачи исследования 54
Глава 2. Концепция управления человеческими ресурсами для обеспечения качества немеханизиро ванного ультразвукового контроля 65
2.1. Подход к проблеме с позиции управления человеческими ресурсами в условиях TQM 56
2.2. Разработка концепции по планированию, целенаправленному формированию и обеспечению требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество немеханизированного УЗК 62
2.3. Инженерно-психологический анализ профессиональной деятельности оператора УЗК 72
2.4. Обоснование перечня методического, инструментального и психодиагностического обеспечения, направленного на решение проблемы 89
2.5. Результаты и выводы 92
Глава 3. Инструментальные и тренажерные средства для квалиметрической оценки качества неразрушающего контроля, обучения и аттестации операторов ультразвукового контроля 94
3.1. Роль средств количественной оценки результатов неразру-шающего контроля 94
3.2. Методики создания искусственных плоскостных дефектов нормированных размеров и местоположения 98
3.3. Разработка специализированных и комплексных тренажерных средств для обучения и аттестации операторов УЗК 122
3.3.1. Инженерно-психологические аспекты создания тренажеров 122
3.3.2. Компьютеризированный тренажер для целенаправленного формирования и количественной оценки навыков сканирования 128
3.3.3. Тренажер количественной оценки результатов работы в условиях монотонной деятельности 138
3.3.4. Компьютеризированный тренажер для обучения и комплексной оценки результатов профессиональной деятельности 140
3.5. Показатели качества неразрушающего контроля 157
3.6. Обоснование параметров искусственных дефектов в контрольных образцах 171
3.7. Результаты и выводы 173
Глава 4. Критерии, методика и средства профессионального отбора операторов УЗК 176
4.1. Методические аспекты профотбора операторов УЗК с позиции проблемы профессиональной пригодности 176
4.2. Анализ и обоснование психологических критериев профотбора операторов ультразвукового контроля 185
4.3. Формирование комплекта диагностических средств исследования 206
4.4. Обоснование критериев профотбора операторов УЗК 213
4.5. Результаты и выводы 263
Глава 5. Роль функционального состояния оператора в проблеме обеспечения качества немеханизированного ультразвукового контроля 265
5.1. Разработка блок-схемы исследования роли функционального состояния, как субъективного фактора качества УЗК 265
5.2. Обоснование наиболее значимых характеристик и методов оценки функционального состояние оператора УЗК 269
5.3. Методическое и инструментальное обеспечение экспериментальных исследований 286
5.4. Исследование влияния функционального состояния операторов УЗК на результаты профессиональной деятельности 294
5.5. Результаты и выводы 330
Основные результаты и выводы 332
Литература
- Основные факторы, определяющие качество немеханизированного ультразвукового контроля сварных соединений
- Разработка концепции по планированию, целенаправленному формированию и обеспечению требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество немеханизированного УЗК
- Методики создания искусственных плоскостных дефектов нормированных размеров и местоположения
- Анализ и обоснование психологических критериев профотбора операторов ультразвукового контроля
Введение к работе
В третьем тысячелетии проблема безопасности стоит перед Россией, как и перед всем человечеством, на одном из первых мест.
Это связано с тем, что на территории России насчитывается около 100 тысяч опасных производств и объектов, среди которых 4500 ядерных, химических и биологических объектов особо высокой опасности [1]. Протяженность магистральных газопроводов и нефтепроводов [2], водопроводных и канализационных сетей составляет сотни тысяч км (табл.1). Табл.1. Экологически опасные объекты России Объект Количество (протяженность) Ядерные реакторы (АЭС, ИЯУ, ЯЭУ судов и др.) 1 500 ед. Магистральные нефтепроводы 49,6 тыс. км Магистральные газопроводы 150 тыс. км Резервуары 40 тыс. ед. Водопроводные и канализационные сети 270 тыс. км
Городские мосты, путепроводы, туннели 22 тыс. ед.
Ежегодно на территории России происходит более восьмисот крупных техногенных чрезвычайных ситуаций [3], при этом потери от аварий с каждым годом возрастают на 10-30 %. Подсчитано, что если природные стихийные бедствия обусловливают 3-5% преждевременной смертности, то техногенные аварии и катастрофы - 15-25% [4].
Каждый год в России происходит 75-80 прорывов на магистральных нефтепроводах, наносящих огромный экологический ущерб. Например, в 1998 г. общий экологический ущерб от чрезвычайных ситуаций составил 67 949141 руб., при этом 54 027 695 руб. из них (79,5%) -ущерб от аварий на магистральных и внутрипромысловых трубопроводах [5].
Проблема осложняется тем, что большая часть сварных 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, 12% от 10 до 20 лет [2]. Около 60% котельного оборудования ТЭС отработало нормативные сроки [4]. 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 (ситуация 2000-го г.). В стране около 400 тыс. лифтов, большая часть которых выработала свой ресурс и устарела.
Один из главных путей решения проблемы безопасности технических систем энергетики, машиностроения, а также оборонных, ядерных и биологических объектов является их техническая диагностика на основе методов не-разрушающего контроля, роль которых в 21 веке сильно возрастает.
В настоящее время среди методов неразрушающего контроля порядка 70-80%) составляет ультразвуковой контроль [6]. Кроме того, при контроле качества толстостенных сварных соединений объектов ответственного назначения ультразвуковая дефектоскопия является единственным приемлемым методом контроля. Однако выявляемость дефектов штатным ультразвуковым контролем (УЗК) по результатам исследований международной программы PISC [7], российских ученых [8,9] лежит в пределах 45-70 %.
По данным ВНИИ АЭС [10], реальный уровень обнаружения существующих дефектов в оборудовании и трубопроводах АЭС колеблется от 30% до 90%о, не смотря на то, что в России, как и, например, в Германии затраты на контроль корпуса реактора достигают 20-25%) его стоимости.
О реальной выявляемое™ дефектов штатным УЗК можно судить также по следующим данным. На российских АЭС (Ленинградской, Смоленской, Курской, Балаковской, Нововоронежской) в течение 1996-2000 г.г. были про контролированы ультразвуковой экспертной системой "Авгур" с когерентной обработкой данных 490 сварных швов, проверенных штатным контролем [11]. В 30% швов были обнаружены пропущенные дефекты, в том числе и недопустимые (недобраковка), 7% забракованных швов не имели дефектов (перебраковка). Из проконтролированных системой "Авгур" 171 забракованного штатным контролем сварного шва Ростовской АЭС 167 были пропущены в эксплуатацию, т.к. анализ показал, что за брак были приняты допустимые смещения кромок либо небольшие провисания в корне шва.
Учитывая актуальность и важность проблемы достоверности контроля, с 1997 года регулярно проводится Америко-Европейский семинар по надежности НК, на котором разработана концептуальная формула надежности R системы контроля [12]:
R = f(IC)-g(AP)-h(HF), где
f (1С) - внутренняя способность метода или комбинации методов контроля (верхний предел надежности, зависящий от физики системы),
g (АР) - параметры применения (влияние таких параметров, как ограничение доступа, состояние поверхности и т.п.),
h (HF) - человеческий фактор, который может, как было подчеркнуто на семинаре, существенно снизить потенциальную надежность и эффективность системы. Поэтому актуальны научные исследования его роли в проблеме и разработка мер, позволяющих снизить его негативное влияние.
То есть на современном этапе развития аппаратурных средств дефектоскопии и технологии контроля надежность системы контроля в значительной степени обусловливается надежностью оператора (человеческий фактор) [13]. Поэтому особую значимость в настоящее время приобретает исследование факторов надежности ультразвукового контроля, представляющего собой систему "человек-машина".
Следует акцентировать внимание, что насущная проблема надежности систем "человек-машина" имеет общегосударственное значение. На ее решение направлена российская обще академическая программа фундаментальных ис следований "Повышение надежности систем "человек-машина". О важности проблемы ярко свидетельствует также тот факт, что в обязательную обще профессиональную дисциплину "Безопасность жизнедеятельности" для всех специальностей и направлений высшего образования в 2000 году введен новый раздел "Антропогенные опасности и защита от них" [14]. Его главная цель -дать специалистам знания о факторах надежности человека как звена технической системы, подчеркнуть значимость психофизиологических особенностей оператора, функционального состояния, уровня подготовленности.
Практическое решение проблемы обеспечения качества немеханизированного УЗК должно основываться, очевидно, на детальном анализе степени влияния основных субъективных факторов на качество ультразвукового контроля и разработке необходимого методического, инструментального и инженерно-психологического обеспечения, позволяющего планировать, целенаправленно формировать и поддерживать на требуемом уровне качество работы оператора ультразвукового контроля. Представляется перспективным разработка подходов и средств управления субъективными факторами качества с позиции менеджмента человеческими ресурсами и с учетом требований 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.
В первой главе проведен анализ реальной дефектности сварных соединений и ее выявляемое™ при контроле качества объектов ответственного назначения, который показал, что, несмотря на существенно возросший уровень технологического процесса сварки и значительные трудозатраты на контроль качества продукции, даже в сварных конструкциях ответственного назначения наличие недопустимых технологических дефектов является объективной реальностью. При автоматической сварке на каждые 10 м шва в среднем приходится 3-4 дефекта. При ручной дуговой сварке их количество в среднем возрас тает до 35. Выявляемость дефектов при использовании штатных методик УЗК лежит в пределах 45-70 %, что не удовлетворяет высоким требованиям, предъявляемым к объектам ответственного назначения. Проблема осложняется тем, что большая часть сварных объектов (резервуары, котельное оборудование, мосты, трубопроводные сети) выработало плановый ресурс на 50-70%.
Проанализированы основные факторы, определяющие качество немеханизированного ультразвукового контроля сварных соединений. Анализ показал, что на современном этапе развития аппаратурных средств дефектоскопии и технологии контроля качество контроля в значительной степени обусловливается надежностью оператора (человеческий фактор).
С позиции надежности системы «человек-машина» рассмотрены факторы надежности оператора УЗК, которые подразделяются на три основные самостоятельные, но взаимно влияющие компонента, представляющие собой субъективные факторы качества контроля: индивидуальные особенности, степень подготовки, функциональное состояние оператора. Не смотря на особую важность человеческого фактора в проблеме обеспечения качества УЗК, данный аспект остается мало изученным из-за его сложности, неопределенности и необходимости решения проблемы на стыке ряда научных дисциплин.
Представлены существующие пути повышения достоверности ультразвукового контроля. Выявлены причинно-следственные связи основных факторов, определяющих качество немеханизированного ультразвукового контроля сварных соединений объектов ответственного назначения. Сформулированы задачи исследования.
Во второй главе на основе процессного подхода предложена концепция по планированию, целенаправленному формированию и обеспечению требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество ультразвукового контроля, позволяющая предложить пути и средства снижения его негативного влияния на различных этапах подготовки и производственной деятельности оператора с учетом основных положений TQM.
Обоснованы основные мероприятия, которые должны быть реализованы на главных этапах «жизненного цикла» оператора УЗК в системе управления человеческими ресурсами.
На основе процессного подхода с использованием метода экспертной оценки проведен системный анализ профессиональной деятельности оператора УЗК, как важного элемента человеко-машинной системы, позволивший выявить основные профессиональные навыки, профессионально важные качества и обосновать перечень методического, инструментального и психодиагностического обеспечения, направленного на решение проблемы.
В третьей главе рассмотрена проблема квалиметрической оценки качества неразрушающего контроля, которая показала, что объективная количественная оценка результатов контроля возможна лишь на основе контроля испытательных образцов, содержащих искусственные дефекты нормированных размеров и местоположения.
На основе установленных закономерностей роста усталостных трещин разработаны методики создания средств объективной количественной оценки практических навыков оператора, которые являются основой для стандартизации критериев управления человеческими ресурсами в системе менеджмента качества УЗК и создания технических средств для целенаправленного формирования и аттестации профессиональных навыков. Оригинальность технических решений подтверждена авторскими свидетельствами.
Для прогнозирования кинетики роста усталостных трещин использовался аппарат линейной механики разрушения. Проведен сравнительный анализ приближенных методов оценки коэффициентов интенсивности напряжений, который позволил выявить зависимости, которые дают наилучшее соответствие с экспериментальными данными.
Показано, что целенаправленное формирование и количественная оценка качества профессиональных навыков наиболее эффективны на основе специальных тренажерных средств, которые учитывают психологические аспекты теории тренажеров, позволяют формировать отдельные основные профессио нальные навыки и статистически их оценивать. С учетом этого разработаны тренажерная система на базе планшетного дигитайзера и персонального компьютера, которая позволяет в результате визуализации движения искателя в реальном масштабе времени целенаправленно формировать и статистически оценивать качество моторного навыка сканирования; компьютеризированный тренажер для обучения и комплексной оценки результатов профессиональной деятельности, объект контроля которого представляет тело вращения, гарантирует случайность подачи информации о предмете контроля и обеспечивает статистическую доказательность качества контроля; специализированный тренажер, на который получен патент, позволяет количественно оценить качество работы операторов УЗК в условиях монотонной деятельности.
Проведен анализ показателей качества неразрушающего контроля. При использовании контрольных образцов предложен интегральный показатель качества, который учитывает относительное количество выявленных дефектов, вероятность выявления каждого типоразмера дефекта данной системой НК, вероятность недобраковки и перебраковки. Для количественного определения показателей качества предложены три основные группы типоразмеров искусственных дефектов, которые должны содержать испытательные образцы.
В четвертой главе рассмотрены методические аспекты профотбора операторов УЗК с позиции проблемы профессиональной пригодности, как важной составляющей управления человеческими ресурсами в условиях TQM. Проанализированы индивидуальные свойства личности и существующие критерии профотбора с позиции профессионально важных качеств для работы оператором УЗК. Показано, что основным, наиболее значащим и достаточно комплексным психологическим критерием профессионального отбора операторов УЗК является темперамент личности, который существенно влияет на мотивацию оператора к работе и во многом предопределяет особенности реализации основных профессионально важных качеств. Сформирован комплект диагностических средств и проведены экспериментальные исследования по обоснованию критериев профотбора кандидатов в операторы УЗК, позволившие провести градацию темпераментов по степени желательности для работы оператором УЗК.
Выявлены перечни профессионально важных качеств, реализация которых представляет наибольшую трудность для представителей различных темпераментов. Обоснована целесообразность индивидуального подхода к формированию профессиональных навыков в зависимости от типа высшей нервной деятельности обучаемого.
В пятой главе проанализированы и обоснованы методические подходы к оценке наиболее значимых характеристик, отражающих функциональное состояние человека-оператора. Представлено методическое и инструментальное обеспечение экспериментальных исследований, направленных на выявление наиболее значимых процессов в системе управления человеческими ресурсами. Проведен анализ экспериментального исследования по оценке влияния функционального состояния операторов УЗК на результаты профессиональной деятельности. Выявлено, что с понижением показателей функционального состояния операторов УЗК отмечается тенденция к повышению средней ошибки и существенному увеличению разброса результатов производственной деятельности. В рамках совместных с английскими коллегами исследований установлена связь между стабильностью-нестабильностью показателей функционального состояния операторов УЗК и стабильностью-нестабильностью как результатов контроля в целом, так и точностью настройки дефектоскопа. Показано влияние на результаты работы фактора врабатываемости.
Научная новизна работы заключается в решении научной проблемы менеджмента качества человеческих ресурсов при немеханизированном ультразвуковом контроле сварных соединений объектов ответственного назначения с целью повышения их безопасности, имеющей 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 работы состоит в следующем. По разработанным методикам создания плоскостных дефектов нормированных размеров и местоположения совместно с ІДНИИТМАШ при непосредственном участии автора 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.
Компьютеризированный тренажер для целенаправленного формирования и количественной оценки навыков сканирования изготовлен Новочеркасскому политехническому институту.
В рамках договорных обязательств комплексные тренажеры для обучения и комплексной оценки результатов профессиональной деятельности были изготовлены для АЕА Technology (г. Ризли, Великобритания), ВНИИ АЭС (г. Москва), Невинномысского колледжа.
Компьютеризированы психодиагностические тесты, разработан тест «Поиск максимума эхо-сигнала», «Статический глазомер».
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 рабочем совещании в г. Ризли (Великобритания) по проблеме надежности оборудования АЭС.
Результаты выполненных исследований могут быть использованы на предприятиях различных отраслей машиностроения и стройиндустрии, использующих ультразвуковой контроль качества, в центрах подготовки и аттестации операторов УЗК, в научно-исследовательских институтах, в вузах.
Основные положения, которые выносятся на защиту:
- 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 профес-сиографического 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.
Работа выполнена на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» Донского государственного технического университета в соответствии с научно-техническими программами «Неразрушающий контроль и диагностика», «Университеты России», «Сварка и контроль», базовым финансированием ДГТУ фундаментальных исследований по теме «Системные принципы построения интеллектуального управления поэтапного формирования надежности человеко-машинных систем», договором о совместном сотрудничестве между ДГТУ и АЕА Technology (Великобритания).
Основные факторы, определяющие качество немеханизированного ультразвукового контроля сварных соединений
Исследование степени влияния факторов, определяющих надежность УЗК, является, по мнению специалистов [6,9], весьма сложной и многогранной проблемой. Предпринимались попытки с различных позиций классифицировать основные факторы, влияющие на достоверность и информативность УЗК. Например, в практическом пособии по неразрушающему контролю [36] они разделены по следующим признакам: по виду источника возникновения; по виду воздействия на дефектоскоп; по степени детерминированности.
По виду источника возникновения их делят на связанные с объектом контроля и аппаратурные (возникают в каналах приема и обработки информации). По виду воздействия на дефектоскоп факторы делят на аддитивные (дают помехи, прибавляющиеся к сигналам) и мультипликативные (помехи перемножа ются с сигналами и обычно связаны с вариациями коэффициента передачи канала приема и обработки информации). По степени детерминированности различают случайные и детерминированные факторы.
ВТ. Щербинский и Н. П. Алешин [6] предлагают классифицировать факторы, влияющие на надежность УЗК, на три большие группы, обуславливающие наличие ошибок дефектометрии трех видов: систематических, случайных и промахов. Систематические ошибки вызываются факторами, действующими одинаковым образом при измерениях в одних и тех же условиях. Случайные ошибки приводят к разбросу результатов повторных замеров относительно какой-то средней величины даже при самых тщательных измерениях. Промахи представляют собой грубые ошибки, вызванные невнимательностью или небрежностью оператора либо незамеченной неисправностью аппаратуры.
С позиции рассмотрения УЗК как системы "оператор - дефектоскоп -объект контроля" основные факторы, определяющие погрешность в обнаружении и измерении величины дефектов, В.Г. Щербинский [37] разделяет на две большие группы: субъективные и объективные. Субъективные факторы связаны с правильностью проведения измерений, выбора и соблюдения параметров контроля и их настройки, учета геометрии изделия и т.п. К объективным автор предлагает относить те факторы, которые не зависят от оператора и аппаратуры и целиком определяются отражательными характеристиками дефекта, свойствами материала и неизвестными оператору особенностями геометрии изделия.
С позиции инженерной психологии на аналогичные две самостоятельные, но взаимовлияющие группы (объективные и субъективные) могут быть разделены все основные факторы, определяющие надежность работы любой человеко-машинной системы [37,38].
По-нашему мнению, учитывая, что УЗК представляет собой человеко-машинную систему "объект контроля - дефектоскоп - оператор - среда", факторы, определяющие ее надежность, следует разделить на четыре большие группы в соответствии с основными составляющими данной системы (рис. 1.1).
В первой группе "объект контроля" следует выделить две подгруппы факторов: конструктивно-технологические особенности объекта и особенности несплошности. К конструктивно-технологическим особенностям объекта контроля относятся следующие факторы, влияющие на достоверность результатов контроля: - уровень качества подготовки поверхности объекта контроля; - отклонение фактической геометрии изделия от номинальной, - влияние кривизны контактной поверхности; - влияние кривизны донной поверхности; - структурная неоднородность; - непостоянство химического состава; - анизотропия упругих свойств материала изделия; - ориентация кристаллитов текстуры шва и основного металла; - размер кристаллов; - влияние антикоррозийной наплавки; -уровень и знак напряжений возле несплошности; - уровень засоренности дефектами на единицу длины изделия; - контроледоступность (число сторон, с которых возможно прозвучивание).
Разработка концепции по планированию, целенаправленному формированию и обеспечению требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество немеханизированного УЗК
Главная цель разработки концепции - обеспечение качества ультразвукового контроля на основе обоснования программы конкретных мероприятий по планированию, целенаправленному формированию и поддержанию на требуемом уровне субъективных факторов качества с позиции менеджмента человеческими ресурсами и с учетом требований международных стандартов ИСО серии 9000 и основных положений TQM.
Разработка подхода к проблеме должна, по-нашему мнению, базироваться на определенных принципах, положениях и основных составляющих менеджмента качества, всесторонне учитывать основные субъективные и объективные причины, снижающие качество УЗК, а также включать обоснованный комплекс мероприятий, методических, инструментальных, тренажерных и инженерно-психологических средств, направленных на решение проблемы. Необходимо выявление наиболее значимых процессов в системе управления человеческими ресурсами.
Исследование роли субъективных факторов, определяющих качество УЗК, будет, по-видимому, наиболее полным и всесторонним только на основе системного подхода, в результате объединения научных дисциплин и широкого использования подходов и методологических принципов менеджмента качества, инженерной психологии и других, тесно связанных с ней дисциплин.
Действительно полноценное исследование влияния на качество УЗК таких индивидуальных особенностей оператора, как внимание, восприятие, память, мышление, а также эмоционально-волевые, моторно-двигательные и другие свойства личности не мыслимо без знания основных положений общей и инженерной психологии. Вопросы профессионального обучения, тренировок операторов должны решаться с учетом опыта, накопленного педагогической психологией. Исследование влияния на информативность ультразвукового контроля состояния оператора, вопросы работоспособности, утомления, режима труда и отдыха, условий и удобства работы должны решаться с привлечением таких дисциплин как физиология труда, инженерная эргономика, научная организация труда. То есть, главный итог вышеизложенному - решение проблемы обеспечения качества немеханизированного ультразвукового контроля должно основываться на широкой интеграции различных научных дисциплин.
Представляется целесообразным при разработке концепции учитывать следующие методологические принципы инженерной психологии [39,113114]: принцип иерархии требований, принцип комплексности, принцип связи психики и деятельности человека, принцип непрерывности и принцип развития психики.
Принцип иерархии требований предусматривает в первую очередь определение тех основных требований, ради удовлетворения которых должны проводиться инженерно-психологические исследования.
Согласно принципу комплексности конечным объектом решения задач инженерной психологии должны являться не характеристики оператора в отдельности, а характеристики человеко-машинной системы в целом.
Принцип связи психики и деятельности человека подчеркивает, что психические и психофизиологические процессы деятельности человека должны изучаться не вообще, а применительно к конкретному виду операторской деятельности.
Принцип непрерывности рассматривает инженерно-психологические исследования не как одноразовое мероприятие, выполненное на одной из стадий жизненного цикла человеко-машинной системы, а как систему мероприятий по учету человеческого фактора на всех стадиях существования системы.
Принцип развития психики гласит, что результаты профессиональной деятельности обученного оператора и количественно (меньше ошибок, больше быстродействие) и качественно отличаются от результатов профессиональной деятельности оператора-ученика.
Таким образом, при разработке концепции целенаправленного формирования и обеспечения требуемого уровня субъективных факторов, определяющих качество УЗК необходимо основываться на следующих положениях: - проблема имеет комплексный характер, и решать ее необходимо с пози ций системного подхода на основе широкой интеграции различных научных дисциплин: теоретических основ и технологии контроля качества сварных кон струкций, менеджмента качества, общей, инженерной и педагогической психо логии, инженерной эргономики, физиологии, научной организации труда и др. - качество немеханизированного ультразвукового контроля закладывается на стадии "проектирование" (проектирование операторской деятельности), формируется на этапе "подготовка" (подбор, обучение и аттестация оператора) и должно поддерживаться на требуемом уровне на этапе "эксплуатация" (производственная деятельность оператора); - перечисленные выше основные этапы обеспечения качества УЗК должны быть взаимосвязаны через систему обратных связей; - главная задача на данных этапах - практическая реализация системы конкретных мер и средств, направленных на устранение основных причин снижения качества немеханизированного ультразвукового контроля; - главной целью разработки методического, тренажерного и инженерно-психологического обеспечения профессиональной деятельности оператора УЗК является целенаправленное формирование и поддержание требуемого уровня субъективных факторов качества УЗК, причинно-следственная диаграмма которых представлена на рис.2.2; - при разработке упомянутых выше мер и средств должны учитываться основные принципы менеджмента качества и инженерной психологии.
Учитывая основные причины снижения качества УЗК и сформулированные выше положения, предлагается [115] общая программа конкретных мероприятий, необходимых для целенаправленного формирования и обеспечения качества немеханизированного ультразвукового контроля (рис.2.3).
Методики создания искусственных плоскостных дефектов нормированных размеров и местоположения
Наиболее опасными и типичными дефектом, встречающимися в реальных конструкциях, являются усталостные и технологические трещины. Создание искусственных трещин гарантированных размеров и конфигурации связано на практике с определенными трудностями, так как 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.
Большинство существующих методов слежения за размерами трещин в процессе их роста (инструментальные микроскопы, видеокамеры, регистрация разности электрических потенциалов, метод упругой податливости, метод акустической эмиссии, регистрация раскрытия берегов трещины) основываются на косвенном измерении глубины трещины с определенной степенью точности. И не позволяют оценить изменение формы фронта трещины в случаях их выращивания от инициаторов различной протяженности либо от нескольких инициаторов одновременно.
Наиболее точным и наглядным методом, позволяющим оценить реальную глубину и конфигурацию фронта усталостных трещин в конкретных лабораторных условиях с целью отработки технологии создания искусственных дефектов гарантированных размеров и конфигурации является, по-нашему мнению, метод контрольных меток. Суть данного метода заключается в фиксации размеров и формы усталостной трещины в заданный момент времени. Это достигается либо введением в полость исследуемой трещины быстросохнущей жидкости, либо изменением параметров режима циклического нагружения. Последний способ весьма трудоемок, однако в ряде случаев является более предпочтительным, так как позволяет на одном лабораторном образце получить се рию контрольных меток. Кроме того, получаемая в данном случае информация не зависит от проникающих свойств жидкости и характеристик смачиваемости поверхности усталостной трещины и, следовательно, является более достоверной. Очевидно, в зависимости от целей исследований возможны также комплексные подходы. Например, в работе [127] при исследовании процесса развития поверхностных трещин получение контрольных меток (с помощью красящей жидкости на основе радомина) сочетали с непрерывной регистрацией раскрытия берегов трещины.
При постановке контрольных меток изменением параметров режима циклического нагружения желательно, чтобы процесс постановки меток не повлиял на результаты прямых исследований. Анализ литературных данных свидетельствует, что степень данного влияния зависит от особенностей изменения параметров режима нагружения. Например, даже однократные перегрузки приводят к уменьшению скорости роста поверхностной трещины [128], снижение же амплитуды основной нагрузки на 20-80 % практически не оказывает влияние для многих материалов на скорость распространения трещины и результаты исследования при продолжении испытаний, что подтвердили сравнительные эксперименты. Так, для стали 12ГН2МФАЮ нагрузку снижали на 20% [129], для сталей 15Х2МФА, ОХ18Н10Т [130] и 15Х2НМФА [131] - на 50%, для низколегированной хромоникельванадиевой стали - на 70-80% [132]. Однако различный уровень снижения основной нагрузки до маркировочной и различное число циклов ее приложения дадут, по-видимому, различный по толщине и четкости различения маркировочный след.
Поэтому с целью выбора оптимальной величины маркировочной нагрузки для получения четкого контрольного следа, позволяющего уточнить истинные размеры создаваемых искусственных дефектов, нами был проведен специальный эксперимент, в котором при получении контрольных меток были опробованы несколько маркировочных уровней (0.7; 0.5; 0.4 и 0.3 от величины основной нагрузки режима выращивания усталостной трещины). Излом разру шенного после испытаний образца с контрольными метками, полученными при различной величине маркировочной нагрузки, представлен на рис. 3.2.
Следы всех маркировочных меток в изломе образца видны сравнительно хорошо, однако наиболее четкий след (метка № 3) оказался при установке маркировочной нагрузки, равной половине основной. Поэтому данный режим использовался нами а дальнейшем при отработке технологии для уточнения реальных глубин усталостных трещин, инициируемых от исходных концентраторов различной протяженности с целью получения искусственных дефектов, имеющих различную глубину при равной протяженности.
При оценке влияния величины маркировочной нагрузки на четкость контрольного следа после получения первой метки в полость трещины была введена красящая жидкость с целью анализа приемлемости ее использования для определения реальной формы фронта дефекта. Полученная при этом форма окрашенной поверхности (рис.3.2.) оказалась близка к реальной форме фронта усталостной трещины, однако использование красящей жидкости повторно при получении следующих меток, по-видимому, существенно затемнит предыдущую конфигурацию.
Анализ и обоснование психологических критериев профотбора операторов ультразвукового контроля
Вывод траектории сканирования на экран позволяет весьма наглядно выявить и проанализировать допущенные при работе ошибки. При обычных методах обучения проведение такого анализа невозможно. Кроме того, расстояние между отдельными "пятнами" следа позволяет судить также о скорости перемещения искателя. Если скорость превышает некоторый уровень, расстояние между центрами пятен на экране монитора увеличивается вплоть до отделения одного пятна от другого, что позволяет дополнительно оценивать информацию о стабильности и качестве приобретаемых навыков сканирования.
При целенаправленном формировании навыков сканирования на очередном этапе обучения представляется целесообразным сделать следующий шаг в направлении приближения к реальной ситуации при выполнении ультразвукового контроля, а именно совместить для обучаемого процесс сканирования с наблюдением за информацией на экране дефектоскопа. С этой целью разработана компьютерная программа, позволяющая вывести на экран монитора изображение лицевой панели дефектоскопа УД 2-12 вместе с органами управления, индикаторами и экраном дефектоскопа. При выполнении сканирования на участке монитора компьютера, где изображен экран дефектоскопа, демонстрируется типовая картинка развертки сигнала. При приближении искателя к тому месту, где запрограммировано размещение дефекта, на "экране дефектоскопа" появляется изображение сигнала, имитирующего отраженный сигнал от дефекта. Амплитуда сигнала и его положение изменяется в зависимости от положения искателя на поверхности дигитайзера.
Количественный анализ и обработка результатов сканирования производится следующим образом. Рабочая поверхность моделируется в памяти компьютера в виде двумерной битовой матрицы, подобно ячейкам сита. При этом каждый бит матрицы соответствует конкретной точке на поверхности дигитай зера. Размеры битовой матрицы назначаются, исходя из размеров рабочей зоны, модели дигитайзера, его размеров и разрешающей способности. Для каждой прочитанной координаты в предварительно обнуленной матрице определяется бит, соответствующий этой координате. В данный бит устанавливается флаг, который свидетельствует о том, что соответствующая точка рабочей поверхности попала в зону сканирования. Кроме этого, флаги также устанавливаются в смежные биты, соответствующие координатам, определяющим зону рассеяния имитируемого ультразвукового луча. После того, как процесс сканирования рабочей поверхности завершен, выполняется подсчет битов матрицы с флагами и нулями. Определяя их соотношение, оценивается доля проконтролированных и пропущенных участков. Результаты каждого сеанса тренировки помещаются в соответствующие файлы в виде битовых карт, что дает возможность дальнейшего анализа результатов сканирования.
Рассмотрим методические аспекты использования тренажерной системы, которая позволяет формировать у обучаемых моторные навыки сканирования несколькими способами [183,184].
Первый способ заключается в перемещении преобразователя по заданному на поверхности имитатора сварного образца шаблону траектории сканирования. Предполагается, что многократное повторение движения руки по заданной траектории должно способствовать выработке моторных навыков.
Второй способ представляет собой обучение с обратной связью, за счет добавления визуализации траектории движения преобразователя на экране монитора. При этом задача обучающегося заключается в том, чтобы, не глядя на поверхность контроля, добиваться такой моторики движений, при которой реализуемая траектория была бы максимально близка к заданной оптимальной.
Третий способ предполагает сканирование без обратной связи, когда ни на сварном образце, ни на экране монитора нет изображения требуемой траектории сканирования и оператор не может корректировать свои движения в процессе упражнения.
С использованием описанного тренажера были проведены пилотные эксперименты, включающие все три способа обучения. Основным критерием в ходе экспериментов выступал показатель качества работы, определяемый как отношение площади участка поверхности, попавшего в зону сканирования, к общей заданной площади сканирования в процентах. Кроме того, визуально анализировали записанные изображения траекторий сканирования при различных способах тренировки.
Обучаемые осваивали навык сканирования в течении девяти дней. Ежедневно проводились психологические тесты, оценивающие самочувствие, активность и настроение обучаемого. В ходе каждого дня испытуемый проводил двадцать экспериментов, используя первый способ обучения, и двадцать - используя второй способ.
На рис. 3.20 - 3.22 приведены в качестве примера траектории сканирования при отработке на тренажере моторных навыков по различным способам.
Черной рамкой окантован участок, отведенный для выполнения сканирования. Пунктирной линией обозначена необходимая траектория перемещения искателя (шаблон). Темным следом отмечены участки, охваченные сканированием (траектория движения искателя). Белым цветом обозначены участки, пропущенные при сканировании.
Можно видеть, что тренировка с использованием шаблона траектории на поверхности дигитайзера (рис.3.20) вопреки ожидаемому оказалась недостаточно эффективной. Отслеживание траектории вызывает у обучаемого определенные затруднения, поскольку искатель закрывает значительную часть отслеживаемой траектории. В результате этого наблюдается снижение точности отслеживания движения, неравномерный охват участка сканирования по высоте. Кроме того, отмечается увеличение скорости перемещения искателя (см. вид следа). Последнее, вероятно, связано с тем, что при обучении с использованием шаблона происходит подмена целей обучения - главным становится сам процесс копирования. В этом случае слабо выражены обратные связи, внимание оператора приковано к образцу, в то время как в реальных условиях оно должно быть сосредоточено на экране дефектоскопа.
Этот вид обучения характеризуется высокой утомляемостью, высоким разбросом результатов (дисперсия показателя качества сканирования составляет 3,76), требует длительных упражнений.
При обучении способом, когда изображение траектории движения искателя не выводится на экран монитора в реальном масштабе времени (в слепую), движения обучаемых обычно скованы, имеют большую вариативность, структура их неустойчива. Это проявляется в частой смене темпа, аритмичности, непостоянстве амплитуды движений. Как правило, размах колебаний траектории сканирования превышает требуемый (рис.3.21). Эксперименты показали, что этот способ целесообразней использовать для периодического контроля степени выработки моторных навыков сканирования.
