包 福 胡 翔 宋 哲 詹東霖

(湖北省計(jì)量測試技術(shù)研究院，武漢 430223)

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控制圖在扭矩扳子比對過程中的應(yīng)用

包 福 胡 翔 宋 哲 詹東霖

(湖北省計(jì)量測試技術(shù)研究院，武漢 430223)

控制圖；扭矩扳子；比對過程；統(tǒng)計(jì)控制

0 引言

扭矩是力學(xué)計(jì)量領(lǐng)域里最常用的量值之一,扭矩扳子是一種帶有扭矩測量機(jī)構(gòu)的計(jì)量器具,用于擰緊或拆卸螺栓、螺母,并能測量出擰緊時(shí)的扭矩值。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，扭矩扳子的應(yīng)用范圍越來越廣泛，它滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、航天航空、國防、能源、化工等各個(gè)領(lǐng)域。

為客觀、公正、科學(xué)地反映目前中南地區(qū)各計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)檢定扭矩扳子的現(xiàn)狀，中南地區(qū)開展了扭矩扳子比對工作，包括我院在內(nèi)的4個(gè)省級計(jì)量機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)室參加，其中，我院為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室。扭矩扳子的測量過程決定著測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，在此次比對中起到舉足輕重的作用?？刂茍D方法是當(dāng)前比較準(zhǔn)確可靠的方法，通過控制圖的建立，使扭矩扳子的測量過程能夠得到監(jiān)視和分析；根據(jù)控制圖的變化趨勢，分析出異常因素產(chǎn)生的原因，及時(shí)采取糾正措施，使測量過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。

1 控制圖基礎(chǔ)

控制圖(又稱休哈特控制圖)是對測量過程加以測定、記錄從而進(jìn)行控制的一種科學(xué)方法，如圖1所示。控制圖上有中心線(CL)、上控制限(UCL)和下控制限(LCL)，并有按時(shí)間順序抽取的樣本統(tǒng)計(jì)量數(shù)值的描點(diǎn)序列。UCL、CL、LCL統(tǒng)稱為控制限。若控制圖中的描點(diǎn)落在UCL和LCL之外，或描點(diǎn)在UCL和LCL之間的排列不隨機(jī)，則表示過程出現(xiàn)了異常。

圖1 控制圖

1.1 控制圖的分類

1.2 控制流程

根據(jù)控制圖的用途，可以分為分析用控制圖和控制用控制圖兩類。

分析用控制圖：用于對已經(jīng)完成的測量過程或測量階段進(jìn)行分析，以評估測量過程是否穩(wěn)定或處于受控狀態(tài)。

控制用控制圖：對于正在進(jìn)行中的測量過程，可以在進(jìn)行測量的同時(shí)進(jìn)行過程控制，以確保測量過程處于穩(wěn)定受控狀態(tài)。

我們在具體建立控制圖時(shí)，應(yīng)首先建立分析用控制圖，然后將分析用控制圖轉(zhuǎn)化為控制用控制圖來判斷系統(tǒng)是否處于穩(wěn)態(tài)，如有異常對于存在的問題進(jìn)行分析、消除，保證系統(tǒng)處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)為最終目的。結(jié)合此次扭矩扳子的比對測量，得到控制流程如圖2所示。

圖2 控制流程圖

2 實(shí)例分析

本次中南大區(qū)的扭矩扳子比對工作中，我們選用了由美國CDI生產(chǎn)的預(yù)置式扭矩扳子，該扭矩扳子的型號規(guī)格為100ST-1/(41-203)N·m，準(zhǔn)確度級別為1級，具有良好的穩(wěn)定性。

本文限于篇幅，僅選取100N·m檢定點(diǎn)作分析。工作流程圖見圖2。

2.1 測量數(shù)據(jù)的取得

測量數(shù)據(jù)是用來建立分析用控制圖的基本取樣數(shù)據(jù)，確認(rèn)已有的測量過程是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。依據(jù)JJG 707—2003《扭矩扳子檢定規(guī)程》規(guī)定的測量條件，對選定的核查標(biāo)準(zhǔn)扭矩扳子每周作1組，每組作10次獨(dú)立測量，連續(xù)測量半年，共獲得子組數(shù)k=25組數(shù)據(jù)。測量結(jié)果見表1(限于篇幅，本文略去測量過程的具體數(shù)據(jù))。

表1 測量數(shù)據(jù) N·m

2.2 統(tǒng)計(jì)控制量的計(jì)算

2.3 建立標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖(s圖)

計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖控制限參數(shù)：

當(dāng)樣本量n=10時(shí)，查表得B3=0.284、B4=1.716，代入公式,得：

標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖(s圖)如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖

計(jì)算平均值控制圖控制限參數(shù)：

當(dāng)樣本量n=10時(shí)，查表得A3=0.975，代入公式，得：

圖4 平均值控制圖

2.5 控制圖的判斷評定

1)控制圖異常的主要表現(xiàn)形式可以分為測量點(diǎn)超出控制界限和測量點(diǎn)的分布不隨機(jī)兩類。根據(jù)現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 8258：1991)和國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 4091—2001)總結(jié)的常見的測量過程異常分布的8種模式及對應(yīng)的8種控制圖異常的判據(jù)，對分析用控制圖中各測量點(diǎn)的分布狀況進(jìn)行判斷。

2)由圖3可知，此測量過程未出現(xiàn)不受控的隨機(jī)效應(yīng)的影響；由圖4可知，此測量過程未出現(xiàn)不受控的系統(tǒng)效應(yīng)的影響。因此，扭矩扳子的測量過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)測量點(diǎn)的分布異常，則應(yīng)立即尋找原因并加以消除，使測量點(diǎn)的分布回到正常的隨機(jī)狀態(tài)。

3 分析討論

3.1 選擇合適的控制圖

3.2 測量頻次的確定

每個(gè)子組中測量頻次的確定，取決于控制的量值、要求保障的程度和測量不確定度的嚴(yán)格程度，目的是充分暴露測量過程中的影響量?？紤]到比對工作的嚴(yán)謹(jǐn)性,結(jié)合扭矩扳子的穩(wěn)定性特點(diǎn)，為了發(fā)現(xiàn)異常因素，本次扭矩扳子的比對測量頻次確定為10次。

3.3 繪制控制圖的順序

3.4 失控后的處置

當(dāng)發(fā)現(xiàn)測量過程出現(xiàn)異常情況時(shí)，立即停止正在進(jìn)行的測量，及時(shí)進(jìn)行原因分析，采取預(yù)防措施。首先應(yīng)該檢查：數(shù)字讀取是否正確，計(jì)算有無錯誤，描點(diǎn)有無差錯，環(huán)境條件是否符合要求，儀器是否正常，操作人員是否按要求進(jìn)行。然后再調(diào)查過程方面的原因，采取措施防止再次出現(xiàn)。比如，有一段時(shí)間，我們從標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖中發(fā)現(xiàn)測量點(diǎn)較為集中在中心控制線CL的上方警戒區(qū)，說明扭矩測量結(jié)果的離散性較大，查找原因，發(fā)現(xiàn)是由于套筒使用時(shí)間較長、與轉(zhuǎn)接頭連接時(shí)較為寬松所致，因此我們更換了合適尺寸的套筒。經(jīng)過重新測量，測量點(diǎn)在控制界限內(nèi)且呈隨機(jī)分布狀態(tài)，此時(shí)測量過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)。

4 結(jié)束語

將控制圖運(yùn)用于扭矩扳子的比對過程是統(tǒng)計(jì)過程控制理論的一次有益的探索和嘗試。通過控制圖的建立，分析扭矩扳子的測量過程是否處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)，從而確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性，為實(shí)現(xiàn)扭矩扳子的量值傳遞和量值溯源提供了更好的技術(shù)保障。

[1] JJF 1033—2013計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范.北京：中國計(jì)量出版社，2013

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[4] 向紅.控制圖在測量過程中的應(yīng)用.計(jì)量與測試技術(shù)，2012(2)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.2.23