04.12.2008

Актуальные направления исследований в машиностроении в контексте развития системы технического регулирования



Последние три года характеризуются глубокими преобразованиями в области технического регулирования в России. Во второй половине 2003 г. вступил в действие закон [1] о техническом регулировании, затронувший практически все аспекты создания техники, ее обращения на территории России, эксплуатации и утилизации. В соответствии с этим законом должны быть разработаны общие и специальные технические регламенты. В них и только в них должны содержаться обязательные требования, предъявляемые к машинам и оборудованию на всех стадиях жизненного цикла. Одновременно изменилась роль стандартов (и других нормативных документов), которые стали документами добровольного применения, усилилась роль обязательной оценки соответствия создаваемой техники требованиям технических регламентов.

В настоящее время в стадии разработки находится ряд технических регламентов. Ознакомление с ними показывает, что развивающаяся система технического регулирования, по крайней мере, в ближайшем обозримом периоде времени будет все еще содержать ряд слабых мест, на устранение которых должно быть направлено развитие прикладных наук. К ним, прежде всего, относятся проблемы, направленные на создание адекватных инструментов оценки соответствия создаваемой, техники требованиям технических регламентов. Среди них оказываются такие общие разделы создания и применения техники как расчет конструкций, диагностика и оценка технического состояния в эксплуатации, оценка остаточного ресурса и т.п. По форме эти инструменты не являются новыми. Однако их содержание в новых условиях должно существенно измениться, и они потребуют соответствующего усовершенствования.

Необходимость изменений вытекает из целей, достижение которых требует новое законодательство. Так, технические регламенты в соответствии с законом [1] принимаются в целях защиты жизни или здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества, охраны окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений. Для достижения этих целей техника должна удовлетворять определенным требованиям безопасности. При этом под безопасностью понимают состояние техники, при котором отсутствует недопустимый риск причинения вреда. В свою очередь под рискомпонимаютвероятность причинения вреда с учетом его тяжести. Инструменты оценки соответствия должны быть доработаны так, чтобы они могли давать достоверный ответ на вопрос об отсутствии (наличии) недопустимого риска в той или иной технике.

Следует отметить, что, по крайней мере, названные инструменты подтверждения соответствия машин и оборудования, а также методы их применения являются относительно тонкими, теоретически сложными и весьма ответственными. Для их совершенствования следует развивать соответствующие теории. Особенность этих теорий состоит главным образом в том, что они должны давать оценки в вероятностной постановке. Только с помощью вероятностных теорий можно будет получать содержательный ответ на вопросы, возникающие при оценке соответствия. Между тем, характеризуя состояние прикладной науки в машиностроении в целом, можно констатировать, что она, может быть только за исключением некоторых наиболее продвинутых в научном отношении областей, к применению вероятностных теорий пока еще не готова.

Отсутствие адекватных инструментов и методов оценки соответствия, как указывалось выше, является слабым звеном в системе технического регулирования. Поэтому именно развитие прикладных вероятностных теорий и усовершенствование на их основе инструментов оценки соответствия требованиям технических регламентов должно стать доминирующим содержанием научных исследований в машиностроении ближайшего будущего. Временное применение инструментов оценки соответствия, в научном обосновании которых лежат детерминистические теории, по-видимому, все еще неизбежно в течение ближайшего, будем считать переходного периода. Но этот период необходимо всемерно сокращать.

Сказанное можно проиллюстрировать на примере грузоподъемных кранов. Требования безопасности кранов будут регламентироваться специальным техническим регламентом «О безопасности подъемно-транспортного оборудования и процессов его эксплуатации» [2]. Сейчас проект этого технического регламента находится в стадии разработки. Закончена в принципе разработка технической части проекта. Проекту осталось пройти юридические этапы его разработки как федерального закона. Отметим, что технический регламент «О безопасности подъемно-транспортного оборудования и процессов его эксплуатации» будет действовать одновременно с техническими регламентами «О безопасности машин и оборудовании» [3] и «О безопасности эксплуатации и утилизации машин и оборудования» [4]. Проекты технических регламентов [2, 3, 4] в настоящее время переданы Минпромэнерго.

Грузоподъемные краны являются видом поднадзорного подъемно-транспортного оборудования. Для этого вида оборудования проектом [2] предусмотрено подтверждение соответствия на всех стадиях жизненного цикла.

Наиболее важным и универсальным инструментом оценки безопасности крана является расчет. Путем расчета аналитически оценивают соответствие установленным требованиям безопасности. Соответствие этим требованиям согласно [2] оценивают при проектировании, реконструкции, разнообразных проверках технического состояния и освидетельствованиях во время эксплуатации, технической экспертизе промышленной безопасности, связанной с продлением срока эксплуатации, в частности, с выявлением остаточного ресурса и т.п.

Судя по проекту, специальный технического регламент [2] подробных указаний по расчету кранов, за исключением самых общих положений, содержать не будет. Это объясняется тем, что объем нормативной информации, касающейся расчетов только по кранам весьма велик (примерно 1000 – 1500 стр.), и приводить ее в тексте проекта закона нецелесообразно. Предполагается, что в дальнейшем, главным образом на основе международных стандартов ИСО, будет разработан ряд национальных стандартов по расчету кранов, гармонизированных с указанным техническим регламентом. Эти стандарты при их добровольном применении, как указано в [3], будут служить базой аналитического доказательства соответствия кранов требованиям технического регламента на различных стадиях жизненного цикла.

Отметим, что техническое регулирование Европы в основном аналогично техническому регулированию, введенному в России. Отличие состоит в том, что вместо одного закона о техническом регулировании в Европе введен ряд директив о безопасности. Эти директивы скорее более близки к техническим регламентам. Так безопасность машин и оборудования, включая грузоподъемные краны, регламентируется директивой [5]. В развитие этой директивы разрабатывают разнообразные стандарты по различным аспектам создания техники, в том числе по кранам и их расчету, гармонизированные с директивой [5].

При расчете в соответствии с законом [1] необходимо доказывать, что за время эксплуатации в заданных условиях, т.е. в соответствии с инструкциями изготовителя, не наступит ни одно из предельных состояний крана в целом или его отдельных частей и деталей. Гарантией безопасного состояния крана служит достаточно малая вероятность наступления любого из предельных состояний за срок службы. В проекте специального технического регламента [2] приведены значения допустимой расчетной вероятности отказов (см. таблицу) за срок службы крана в зависимости от причиненного вреда. Эти значения являются в общем случае исходными данными при проведении расчетов кранов.

Таблица. Значения расчетной допустимой вероятности отказа за срок службы крана.
Категория
 вреда
 отказа
Характеристика вреда отказа Расчетная
допустимая вероятность
отказа
I Гибель более 5 человек или материальный ущерб превышает 10 кратную стоимость ПТО 10-6
II Гибель менее 5 человек или материальный ущерб не превышает 10 кратную стоимость ПТО 10-5
III Риск для жизни людей отсутствует, материальный ущерб примерно равен стоимости ПТО. 10-4
IV Риск для жизни людей отсутствует, материальный ущерб значительно меньше стоимости ПТО 10-3


В настоящее время на практике в краностроении применяют два метода расчета: по допускаемым напряжениям (The allowable stress method) и по предельным состояниям (The limit state method). Распространено мнение, что они равноценны. На самом деле это далеко не так, поскольку они имеют ряд принципиальных различий, существование которых в отечественной и зарубежной технической литературе по расчету машин и оборудования, в том числе кранов обычно не обсуждается.

Первый метод основан на предположении, что ненаступление предельного состояния по прочности, устойчивости формы и положения, долговечности и т.п., может быть достигнуто подбором соответствующего коэффициента запаса. Метод возник давно и получил широкое распространение во всех областях техники. Метод расчета по допускаемым напряжениям уже давно подвергается серьезной критике из-за недостатков, обусловивших его противоречие требованиям машиностроения вообще и краностроения в частности. Основной его недостаток заключается в отсутствии целевой ориентации расчета. Конструктор рассматривает расчетные и допускаемые напряжения или нагрузки как детерминированные величины. Очевидно, определить вероятность отказа крана, применяя метод расчета по допускаемым напряжениям, т.е. получить ответ на вопросы, вытекающие из требований технического регламента, принципиально не возможно. В настоящее время метод расчета по допускаемым напряжениям вытесняется более прогрессивным методом расчета по предельным состояниям.

Этот метод основан на признании нагрузок и сопротивлений машин и сооружений случайными процессами и/или величинами. В результате расчета теоретически можно оценить вероятность наступления любого отказа, которая в дальнейшем должна быть сравнена с допустимым значением (таблица). Однако такая оценка оказывается весьма трудоемкой. Поэтому на практике чаще применяют приближенные методы расчета по предельным состояниям, основанные на использовании детерминированных частичных коэффициентов нагрузки и сопротивлений. По-видимому, именно это обстоятельство приводит некоторых специалистов к ошибочному выводу о том, что указанные методы по существу примерно одинаковы.

По мере применения метода расчета кранов по предельным состояниям за рубежом углубилось понимание сущности этого метода. Так в Европейском стандарте [6] впервые признан факт, что расчет по предельным состояниям учитывает случайную изменчивость нагрузок, тогда как расчет по допускаемым напряжениям ее не учитывает. В связи с этим расчет по предельным состояниям рассматривается как общий, а расчет по допускаемым напряжениям как альтернативный, применение которого разрешается в некоторых частных случаях, оговоренных в [6].

В настоящее время в ИСО и в Европе разработаны семейства новых стандартов по аналитической оценке соответствия грузоподъемных кранов требованиям технических регламентов и директив. В них обобщен огромный опыт производства грузоподъемных кранов в технически развитых странах. Как известно, технический уровень этих кранов, к сожалению, пока не сопоставимо высок по сравнению с уровнем отечественных кранов.

По нашему мнению эти стандарты должны быть приняты в России в качестве гармонизированных. В разработке стандартов ИСО активно участвовали специалисты России. Поэтому стандарты ИСО могут быть приняты без каких либо доработок методом замены обложки. Однако область применения этих стандартов ограничена исключительно современными рамками. По мере появления новых кранов, применения новых принципов их действия существующие нормы будут все меньше удовлетворять конструкторов, побуждая их искать и применять более адекватные приемы, тем более, что действующее техническое законодательство этому не препятствует. Для совершенствования стандартов по расчету кранов потребуются соответствующие теории.

В России по этой тематике за последние 15 лет не было выпущено ни одного документа. Это можно объяснить тем, что именно в этот период интенсивность прикладных научных исследований резко сократилась. В настоящее время положение начинает постепенно исправляться. Об этом в частности свидетельствует возрастающий поток подготовляемых диссертаций на соискание ученых степеней. Среди них имеются работы, результаты которых, по мнению авторов, должны использоваться для совершенствования методов расчета. Однако, как показывает анализ этих работ, практически все они выполнены в детерминистической постановке. Очевидно, что такие работы для целей аналитического подтверждения соответствия являются практически бесполезными.

Вместе с тем, еще 20-25 лет назад в России было проведено значительное число научных исследований, в результате внедрения которых появился ряд стандартов и других нормативных документов по расчету кранов. В это время отечественный уровень выполненных исследований был несомненно выше западного.

Так результаты работы [7] позволяют получить теоретически значения нагрузок и сопротивлений, обеспечивающие неразрушимость конструкции с наперед заданной вероятностью. Но для этого были необходимы данные об изменчивости нагрузок и механических свойств материалов, из которых изготовлен тот или иной элемент конструкции. Имевшиеся данные были недостаточно полными. Получение недостающих данных в условиях разрушающейся экономики было невозможно. Поэтому полученные в [7] теоретические результаты остались пока недоиспользованными, а разработка новых научно обоснованных нормативных документов по расчету оказалась замороженной на уровне 80-х годов прошлого столетия.
Изменчивость нагрузок может быть определена путем математического моделирования кранов на стадии их проектирования или при испытаниях прототипов. Изменчивость механических свойств материалов может быть определена путем испытания образцов конструкции, дополняя, таким образом, имеющиеся данные справочников. Систематическое исследование изменчивости реальных нагрузок и механических свойств материалов, включая разработку методов моделирования и испытаний, являются полем для новых научных работ.

В заключение следует обратить внимание на то, что вопросы технического регулирования до сих пор не отражены в учебных программах ВУЗов. Например, при изучении методов технических расчетов студентов не знакомят с новыми направлениями в этой области. В основном преподается только метод расчета по допускаемым напряжениям машин и оборудования, включая подъемно-транспортное оборудование. Что касается других средств подтверждения соответствия, то об этом не говорят вообще.
Как правило, и профессорско-преподавательский состав технических и теоретических прикладных дисциплин оказывается недостаточно осведомленным о проблемах технического регулирования и новых научных направлениях, развиваемых за рубежом.

Выводы
1. Закон о техническом регулировании и разрабатываемые в соответствии с ним технические регламенты предусматривают оценку безопасности машин и оборудования через вероятности их отказов с учетом тяжести вреда. Однако существующие методы оценки соответствия требованиям технических регламентов не могут давать достоверную оценку рисков, что является слабым местом в системе технического регулирования.
2. Теоретическое обоснование адекватных методов подтверждения соответствия машин и оборудования вообще и кранов в частности должно стать основным направлением прикладных научных исследований в ближайшем обозримом будущем.
3. Вопросы технического регулирования в машиностроении следует включить в полном объеме в Вузовские программы подготовки специалистов.


Использованная литература:
1. Федеральный закон N 184-ФЗ "О техническом регулировании"
2. Федеральный закон (Проект) О специальном техническом регламенте «О безопасности подъемно-транспортного оборудования и процессов его эксплуатации»
3. Федеральный закон (Проект) О специальном техническом регламенте «О безопасности машин и оборудования»
4. Федеральный закон (Проект) Об общем техническом регламенте «О безопасности эксплуатации и утилизации машин и оборудования»
5. Директива 98/37/EC Европейского Парламента и Совета от 22 июня 1998
6. EN 13001-1, 2, 3: 2004 Crane safety-General-design: Part 1, 2, 3.
7. Зарецкий А.А. Развитие теории расчета грузоподъемных кранов по предельным состояниям, Автореферат дис. д.т.н., М. 1983

Автор:  Махутов Н.А. чл. кор РАН Ин-т Машиноведения. Котельников В.С., проф. Ростехнадзор, Зарецкий А.А., проф. ООО «КТИ-155», Макаров А.Б., к.т.н. ОАО «НИИКраностроения»