计量支撑高铁走上质量大道

6月26日11时05分, 世界建设等级最高的京沪高铁两端, 两列流线型的“子弹头”分别从北京南站和上海虹桥站驶出, 它们就是“复兴号”中国标准动车组, 未来将有更多的不同速度等级的“复兴号”中国标准动车组, 为旅客提供更多出行的选择。这是在“引进、消化吸收、再创新”的道路上诞生的具有完全自主知识产权的最新版的中国高铁。

中国标准动车组的“标准”, 意味着高速列车标准统一, 连挂联运、互联互通, 时速可达400公里及以上, 持续运营时速为350公里。与“和谐号”相比, “复兴号”“颜值”更高、“寿命”更长、容量更大、更加舒适与安全。“复兴号”中国标准动车组, 也将是中国高铁“走出去”的主力军。

7月1日21时16分, 就在同一线路, 我国新型卧铺动车组正式上线投入运营。该车全列软卧, 从舒适性、私密性和多样化功能需求等方面采用了全新设计, 有这样的高铁, 您还住酒店吗?

紧接着几天, “高铁‘棒棒哒’”跟着习主席访俄德, 一路签约到柏林。

那么, 高铁产业的发展与计量有什么关系呢?

近些年, 计量作为产业技术创新、产品创新以及质量与经营管理的基础和前提越来越得到重视。

就拿高速列车来说, 从系统集成技术到产品工程化实现技术的全技术链, 从芯片到板卡, 从零件到模块、部件, 从系统到整机整车的全产品链测试技术领域, 围绕重要系统、关键部件产品, 在高端轨道交通装备系统集成技术、数字化在线监测技术、牵引传动技术、网络控制技术、转向架关键技术、车体关键技术、制动关键技术, 弓网受流技术、振动噪声控制技术等诸多专业领域, 计量都是如影随形。

提起高铁, 大家首先想到它的高速度。从2006年诞生国内首列时速200公里高速列车到2010年研制出首批CRH380系列高速列车, 再到现在的“复兴号”中国标准动车组, 一代一代高速列车的技术创新离不开计量的技术支撑。“制造一代、研发一代、储备一代”的研发能力更需要计量检测试验的全方位支撑。速度每升高一个级别, 都需要大量的匹配试验作基础, 包括系统集成因提速带来的影响、各部件的结构强度与可靠性、提速带来的震动噪音的变化、旅客综合舒适度、制动、轨道工况等试验研究。除了研发、设计、制造形成产品, 还要利用实验室的试验设备, 模拟车辆运行中的工况、环境, 对新产品进行充分的试验研究和验证, 以优化其性能, 提高其技术水平, 保证其运用后的安全可靠;同时, 对既有产品要开展相关寿命科学评估研究, 包括: (1) 产品全寿命周期跟踪研究, 通过对服役部件或损伤部件剩余寿命的研究, 评估其安全可靠性, 为检修技术提供支持; (2) 人工干预的故障再现, 为故障应急处理提供依据; (3) 产品的适应性改造等, 从而使产品在全寿命周期内, 以最低的运用成本, 实现安全运行。这一切的研究试验和科学评估工作离开计量是不可能实现的。

如整车滚动综合性能试验台, 它可以完成车辆的运行稳定性测试和列车系统的联调联试试验, 实现最高试验速度达到600km/h以上, 对列车牵引性能、制动性能、网络控制性能及供电、用电系统等的性能研究和匹配试验。这么高的运行速度, 要求时间、速度、角度、温度、通信等计量数据必须精确计量, 否则安全自动控制就无法实现。

原材料的研发和选用也是一样。如研发一种用于列车的金属材料, 其元素最佳组合、有益元素的添加、有害元素的控量、热处理工艺最佳控制、金相与机械性能的合格评价、外部环境差异对材料侵蚀的影响程度评估、使用设计验证评估、制造工艺对其性能影响、运用寿命评估验证以及以上产品标准和工艺标准的形成等, 需要几十种甚至上百种计量检测和实验才能完成。

未来, 围绕轨道交通的“绿色、智能、安全”的技术发展趋势, 需要开展基础性、前瞻性和共性技术研究, 拓展新材料、新技术、新能源和智能化以及安全、经济、舒适、节能、人性化、健康等领域技术创新能力, 如轻量化技术、碰撞安全技术、无人驾驶技术、新能源技术、减振降噪等功能材料技术、结构健康监测技术等方面持续开展技术创新。对此, 许多科研技术人员都有深刻的体会和认识。可以说, 没有准确的测量, 就不可能判别科研数据和成果的正确性、适宜性和实用性。

高铁运行过程中的质量控制指标百万公里故障限是接近“零缺陷”的质量管理理念。

本着“零缺陷”的质量管理理念, 高铁质量更离不开计量。

下面从“零缺陷”质量管理的四项基本原则来分析。

原则一:质量的定义, 质量即符合要求, 而不是好。一旦质量被定义为符合要求, 就不是主观的和含糊的。人们心目中的产品质量一般表现为:符合性、可靠性、耐用性、功能性、安全性、维修 (护) 性、特征、感知质量、美观等主观质量。而企业在产品研发和制造过程中必须将客户的质量观念转变为具体的技术参数和质量技术指标, 用量值设计制造产品, 才能达到客户对质量的精准要求而不是差不多就好。这些特性只有通过检测实验手段来分析, 其物理量、几何量、化学量、各种参量才能被认识并在生产过程中变为对产品质量形成全过程的过程质量要求。高铁产业对质量的概念已经不仅仅停留在符合客户要求上, 而是无止境地站在顾客角度创造一个又一个新的制高点, 推出一个又一个新产品, 在不断地给予顾客惊喜。

原则二:质量系统, 预防产生质量。第一次就把事情做对是最省钱的。预防是第一位的, 而不是事后检验。检验是在过程结束后把不符合要求的挑选出来, 而不是促进改进。预防发生在每个过程的设计阶段, 包括详尽沟通、周密计划、全面试验验证等。预防产生质量, 要求资源的配置能保证工作正确地完成, 而不是把资源浪费在问题的查找和补救上, 而预防实施的手段就是计量。如把加工一批零件看作是一个过程, 工作开始之前应采取预防措施, 第一次就做对。预防措施的第一阶段是确定输出, 即零件的质量技术要求, 这些要求一般是一些技术特性和参数要求, 被加工零件的质量要求明确以后, 确定过程, 控制过程的输入。加工零件涉及人、机、料、法、环、测诸多方面。人, 要求经培训具操作资格;机, 须计量且处于合格有效状态, 特别是现在的数控机床和焊接机器人;料, 经检验合格的原材料或半成品;法, 经研究试验验证确定的工艺方法;环, 经检测确定已达到规定要求的。测量环节更不用说。这6个因素确认无误后便开始加工过程。充分的预防措施使第一次就输出合格品, 合格品的判定也靠计量。

原则三:工作标准, 工作标准必须是“零缺陷”。“零缺陷”的工作标准意味每一次和任何时候都要满足工作过程的全部要求, 没有经过必要的工艺研究和工艺试验验证, 想拿出“零缺陷”的工作标准是不可能的。

原则四:质量的衡量。质量就是说到做到。如果不能, 就会产生质量损失成本即不符合要求的代价:如返工、赶工、修理、库存占用、停机时间、退货损失、处理顾客投诉等。“零缺陷”的质量管理要求用不符合要求的代价来衡量质量。采取措施, 第一次就做对是最便宜的。所以说, “零缺陷”的质量管理要求生产经营活动的各个环节都需要计量的参与 (即检测工作的参与) , 计量工作作为预防措施渗透产品质量形成的全过程, 并起着重要作用。

测量过程控制作为质量预防手段被广泛认可。我国从20世纪90年代完善计量检测体系认证到2003年后的测量管理体系认证, 重要的变化就是强调测量过程管理。企业计量从单纯的测量设备的控制转变到测量过程管理, 由原来在实验室进行测量设备的计量检定/校准到现在的全方位的测量管理体系的策划、实施与控制, 计量与质量更加密不可分。

以一个过程和一个零件为例。

例如:螺栓装配是机械行业最基本的过程。螺栓装配质量有很多影响因素, 也有很多环节需要测量控制。调查显示, 螺栓接头中产生的绝大多数问题, 如螺栓松动、螺栓断裂以及泄漏, 都是由于所施加的预紧力不精确或不正确造成的, 所以紧固件连接的最重要的目标值就是预紧力。针对螺栓连接质量, 验证紧固件设计参数、检验紧固件材料的质量和选用合适的工具这三个环节是最重要的, 当然还有人员培训、标准以及方法等其他诸多因素。

在验证设计参数环节, 设计允许的预紧力误差、摩擦系数的误差以及螺栓的直径和强度等级是拧紧转矩公差的依据, 而这些参数的获得, 需要很多次测量和试验验证得出。在装配过程中, 由于不可能以足够高的准确度来测量或估算出预紧力, 所以要通过控制转矩来确定预紧力。转矩与预紧力之间的关系取决于紧固件的几何形状和摩擦力, 而影响摩擦特性变化的因素有: (1) 支承零件接触面的粗糙度; (2) 螺栓接头材料的硬度; (3) 动力工具的转速; (4) 螺栓头下的表面接触压力; (5) 拧紧转角; (6) 材料的匹配等。另外, 紧固件经检验是否达到理化设计参数要求以及达到紧固转矩时的转角、紧固件额定长度及夹紧后的长度、总摩擦系数、在弹性极限之内的预紧力、屈服拧紧转矩、最终拧紧转矩以及动力工具计量确认等因素和过程, 都需要严格测量、认知和控制。

再如电气连接器, 我们知道电气连接器是电气行业最基本的零件, 仅一个小小电气连接器要想认知并保证连接质量, 就有30余项质量特性需要测量认知和试验验证。 (1) 几何特性———阳触头的允差和直径需要测量评估是否达到要求; (2) 力学特性———推拉力大小、维持力、振动影响等检测评估; (3) 电气特性———绝缘电阻、接触电阻等适宜性检测评估; (4) 理化特性———如耐火等级、耐腐蚀等。每一个指标达不到要求都有可能出现质量隐患。

这些参数的控制均需要检验、测量、试验验证。只有每一个过程参数和环节控制好了, 质量就产生了。

科技进步是提高产品质量的根本途径之一, 先进技术本身又包含尖端的检测技术, 检测技术的发展可以更深刻地反映已有质量的水平, 从而帮助人们更深入地认识各种质量特性, 以谋求质量的改进, 并为采用更先进的质量管理手段提供前提条件。同时, 新产品开发带来的更新、更高的质量水平, 质量管理科学发展所创立的新方法或新的应用, 也对检测提出了更新、更高的要求。

高铁事业发展迅速, 现代高铁, 每列车都装有上千个传感器, 实时监测布点就有几千个, 自我诊断、自动控制运行, 可谓是智能产品。

在高铁行业, 生产现场遍布着加工-控制-测量一体化和焊接-控制-测量一体化, 并在以飞快的速度实现着数字化工厂、智能制造, 生产一刻也离不开计量。

传统的计量器具不断被淘汰, 取而代之的是传感系统、控制系统、测量系统到云计算, 传统的量值传递和量值溯源方式已不能满足这些特殊要求, 而逐步趋向多样化, 自下而上的多种形式的溯源和计量保证方案等势在必行。在线检测、自动化、综合性的测量系统已难以用常规的方法来评定其计量特性, 应从测量设备的管理转向量值的管理, 也就是说, 仅靠测量设备的管理难以实现计量保证及全方位的质量控制, 必须由原来传统的测量体系的管理发展到以测量体系为基础的量值的管理, 使产品形成的全过程中的各种量值得到有效控制, 为设计、工艺人员、决策者以及大数据中心提供准确可靠的数据。同时, 要求计量人员走出仪器室、实验室, 预先介入和现场在线监控服务变得越来越重要。

我们知道, 过去的手工装配是靠人的工匠技艺, 那么他的大脑、神经、手艺对结果起到决定性作用。在现代自动化制造中, 量值就成为“灵魂”驾驭了全过程。自动定位, 自动控制施力, 自动对准, 自动加工, 自动测量与控制, 每一步都要靠精准测量来保证。

未来制造业的发展将以智能制造作为产业提升质量、效益和效率的手段, 制造企业逐步向数字化、自动化、可视化、网络化、智能化方向发展。计量将贯穿产品质量全寿命周期, 从质量策划、测量任务管理、测量执行与过程监控, 到质量数据采集、分析、利用和反馈, 将这些量值变为纠正预防措施的有效信息, 以提升企业整个质量流程的可靠性和效率。

对计量行业而言, 要转变观念, 除了保证基本的量值传递和基础技术研究外, 还要与产业发展方向相结合, 与产业技术紧密结合, 形成资源共享的技术联合体, 为产业从研发、设计、制造、服务到寿命评估提供全方位的技术服务。除了解决传统的量值溯源外, 还应研制适用的专用检测手段和提供在线检测及量值溯源方案, 介入产业的新材料、新工艺、新方法研究试验, 且应在某个产业或某个尖端技术领域培育自己无可替代的优势, 这样, 除了推动产业发展外, 借产业技术平台还可实现行业发展目标。

对产业而言, 技术创新永远是其核心竞争力, 而创新发展会涉及很多技术领域, 借助于社会技术资源来实现创新发展无疑是最经济实惠和快速的, 可以说是如虎添翼, 以形成快速发展的技术创新能力, 推动产业持续发展。