CC BY
15
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) BUILDING MATERIALS AND PRODUCTS (TECHNICAL)
УДК 614.841.411:667.637
ОЦЕНКА СТАБИЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ИСПЫТАНИЙ НА ВОСПЛАМЕНЯЕМОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ НА ПРИМЕРЕ КОНТРОЛЬНЫХ КАРТ ШУХАРТА
С. Н. НАКОНЕЧНЫЙ, Н. М. ПАНЕВ, А. Л. НИКИФОРОВ, О. Г. ЦИРКИНА, А. А. КРАСНОВ
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: [email protected]
Одной из наиболее важных проблем при проведении экспериментальных научных исследований является получение достоверных, надежных и воспроизводимых данных, процесс получения которых может быть нарушен или скорректирован техническими, методическими или субъективными факторами. Настоящая работа посвящена изучению возможности применения контрольных карт Шу-харта при проведении испытаний на воспламеняемость образцов древесины с использованием стандартной установки по определению групп воспламеняемости строительных материалов «ВСМ» как одного из самых простых и надежных методов оценки стабильности и управляемости эксперимента в целях получения достоверных, сходимых и воспроизводимых результатов испытаний. Целью контрольных карт Шухарта является обнаружение неестественных изменений в данных из повторяющихся процессов и изучение критериев для обнаружения отсутствия статистической управляемости. В качестве объектов исследований на воспламеняемость с использованием стандартной методики испытаний были рассмотрены образцы древесины хвойных и лиственных пород — сосны, ели, ясеня и дуба. Данная работа является продолжением исследований в области изучения процессов воспламенения и самовоспламенения древесины различных пород и оценки огнезащитной эффективности средств огнезащиты древесины.
Ключевые слова: контрольная карта, время воспламенения, процесс воспламенения, древесина, тепловой поток, воспроизводимость, сходимость, достоверность.
THE EVALUATION OF THE STABILITY OF THE WOOD FLAMMABILITY TEST PROCESS ON THE EXAMPLE OF SHUKHART CONTROL CARDS
S. N. NAKONECHNYY, N. M. PANEV, A. L. NIKIFOROV, O. G. TSIRKINA, A. A. KRASNOV
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: [email protected]
One of the most important problems in experimental scientific research is obtaining reliable, reliable and reproducible data, the process of obtaining which can be disrupted or corrected by technical, methodological or subjective factors. This work is devoted to studying the possibility of using Shewhart control charts when conducting tests for the flammability of wood samples using a standard installation for determining the flammability groups of building materials «VSM» as one of the simplest and most reliable methods for assessing the stability and controllability of an experiment in order to obtain reliable, repeatable and reproducible test results. The purpose of Shewhart's control charts is to detect unnatural changes in data from repetitive processes and to examine criteria for detecting lack of statistical control. Samples of coniferous and deciduous species - pine, spruce, ash and oak were considered as objects of flammability studies using the standard test procedure. This work is a continuation of research in the field of studying the processes of ignition and self-ignition of wood of various species and assessing the fire retardant efficiency of wood fire protection means.
© Наконечный С. Н., Панев Н. М., Никифоров А. Л., Циркина О. Г., Краснов А. А., 2021
Key words: control card, ignition time, ignition process, wood, heat flux, reproducibility, convergence, reliability.
Представленная работа является продолжением исследований в области изучения процессов воспламенения и самовоспламенения древесины различных пород и оценки огнезащитной эффективности средств огнезащиты древесины [1, 2].
Для оценки полученных результатов испытаний зачастую возникает необходимость использования статистических методов контроля. Привычный аппарат математической статистики (доверительная вероятность, дисперсия) позволяет определить точное нахождение интервала значений, в котором находятся показатели изучаемого свойства. Для обеспечения качества контроля в испытательных лабораториях часто применяются контрольные карты Шухарта (прежде всего, карты количественных данных — размахов R и средних значений X), которые представляют собой способ использования статистических методов для управления производственными процессами [3].
В данной работе в целях определения
Для изучения процесса воспламенения искомых образцов древесины были проведены испытания по методике в соответствии с ГОСТ 30402-961. Основной целью метода является определение параметров воспламеняемости материала (критическая поверхностная плотность теплового потока (КППТП), время воспламенения) при заданных стандартом уровнях воздействия на поверхность образца лучистого теплового потока и пламени от источника зажигания. Применяемое испытательное оборудование, образцы и их подготовка к испытаниям, а также методика испытаний подробно описаны в работах [1, 2].
В процессе выполнения работы был применен метод оценки стабильности процесса испытаний и сходимости, воспроизводимо-
1 ГОСТ 30402-96. Материалы строительные.
Метод испытания на воспламеняемость.
сходимости и достоверности получаемых данных при исследовании процесса воспламенения древесины различных пород нами был применен метод контрольных карт Шухарта. Контрольные карты Шухарта представляют собой графический инструмент, отражающий изменение ключевых параметров процесса, благодаря использованию статистических методов [4].
В качестве объекта исследования нами была рассмотрена древесина хвойных и лиственных пород — образцы сосны, ели, ясеня и дуба. Анализ свойств древесины различных пород показал, что по химическому составу, физическим и механическим свойствам они достаточно близки между собой.
Древесина является сложным природным полимерным материалом. В составе древесины обычно выделяют четыре основных компонента: целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин и экстрактивные вещества. Также в составе древесины присутствуют неорганические соединения в количествах, не превышающих 1 % (табл. 1).
сти полученных результатов с использованием контрольных карт Шухарта. Контрольная карта — это графическое средство, использующее статистические подходы, важность которых для управления производственными процессами была впервые показана доктором У. Шухартом в 1924 году.
Целью контрольных карт является обнаружение изменений в полученном эмпирическим способом массиве экспериментальных данных и нахождение критериев отсутствия статистической управляемости. Главной задачей является приведение процесса испытаний в стабильное состояние, что возможно при нахождении коренных причин вмешательства в систему и их устранения. Если же изменчивость величин вызвана лишь случайными величинами, то процесс находится в статистически управляемом состоянии. Любое отклонение от приемлемого уровня изменчивости является результатом действия особых причин,
Таблица 1. Физико-химические характеристики некоторых лиственных и хвойных пород древесины
№, п/п Образец р, кг/м3 Целлюлоза/ гемицеллюлоза, % Лигнин, % Экстрактивные вещества, %
1 Ель 430 62,7 27,3 10
2 Сосна 450 62,9 28,0 9,1
3 Ясень 750 69,0 24,0 7,0
4 Дуб 690 68,7 23,6 7,7
влияние которых необходимо выявить и устранить. Применение контрольных карт Шухарта должно приводить к совершенствованию производимых процессов.
К первому виду изменчивостей относятся случайные причины, которые практически невозможно выявить, но они постоянно присутствуют в процессе. Данные причины незначительны и вносят малую долю в общую изменчивость. Но общая их сумма вполне измерима. Для их выделения и исключения необходимо применение дополнительных ресурсов. Второй вид изменчивостей характеризует определенные реальные перемены исследуемого процесса, которые могут быть следствием определяемых причин, не присущих процессу внутренне. Они являются «неслучайными» причинами — поломка измерительной аппаратуры, инструментов, недостаточная квалификация персонала, неисполнений или неполное исполнение процедур методик и т.д.
Физически контрольная карта представляет собой набор данных, состоящий из центральной линии, верхней и нижней контрольных границ. Точками на карте являются результаты измерений, контроль и условия процесса. Рассматривая изменения измеряемых величин в определенном временном промежутке необходимо контролировать, чтобы точки графика не выходили за контрольные границы. Если произошел такой выход одной или нескольких точек за контрольные границы — то это является отклонением параметров или условий процесса от установленной нормы. Чтобы выявить причины такого отклонения, необходимо проанализировать качество исходных образцов материала, методов, условий проведения испытаний, оборудования.
Если процесс неуправляем, то главная задача — приведение процесса в стабильное состояние, для чего нужно найти коренные причины вмешательства в систему и устранить их. Процесс находится в статистически управляемом состоянии, если изменчивость вызвана только случайными причинами. При определении этого приемлемого уровня изменчивости любое отклонение от него следует считать результатом действия особых причин, которые необходимо выявить, исключить или ослабить. Использование контрольных карт и их тщательный анализ ведут к лучшему пониманию и совершенствованию процессов. Принципы построения контрольных карт Шу-харта приведены в ГОСТ Р ИСО 78 70-2-201 52.
2 ГОСТ Р ИСО 7870-2-2015 Статистические методы. Контрольные карты. Часть 2. Контрольные карты Шухарта.
В нашем случае количественным признаком выступают показатели воспламеняемости образцов сосны, ели, ясеня и дуба.
В лабораторных исследованиях, равно как и настоящей работе, принято использовать карту средних арифметических (X), которая применяется в случае контроля по количественному признаку, таких показателей качества как длина, масса, прочность на разрыв и др. X-карта строится на основе исходных данных (рис. 1). Для её построения необходимо рассчитать центральную линию соответствующую эталонному значению характеристики, а также верхнюю (и^) и нижнюю линии контрольной карты средних значений (Х-карты), которые определяются следующим образом:
^ = м
и^ = м + 3о
LCL = м - 3 а,
где м — эталонное значение характеристики; а — установленный стандартом допуск.
Границы ±3а указывают, что около 99,7 % значений характеристик подгруппы попадут в эти пределы при условии, что процесс находится в статистически управляемом состоянии [5]. Х-карта показывает нахождение среднего значения показателей процесса.
Рассчитываются следующие параметры: границы регулирования (средняя линия, пределы предупреждения и действия), число результатов контрольных процедур, необходимых для достоверной оценки новых значений характеристик погрешности, новые значения характеристик погрешности и результаты контрольных процедур. Строится контрольная карта (рис. 1) с любым количеством результатов контрольных процедур (количество результатов контрольных процедур на контрольной карте можно регулировать, а карту разбивать на несколько частей).
Для оценки стабильности и управляемости процесса испытаний на воспламеняемость древесины сосны, ели, ясеня и дуба (целью которых является получение достоверных, сходимых и воспроизводимых данных) мы использовали один из статистических методов управления качеством процесса — контрольные карты Шухарта (Х-карта). Экспериментальные данные для построения контрольной карты Шухарта (Х-карты) для испытаний на воспламеняемость, изученных в данной работе необработанных образцов древесины (при величине плотности теплового потока qв = 20 кВт/м2), представлены в табл. 2-5.
Рис. 1. Пример X-карты Шухарта для количественных данных
Таблица 2. Данные для построения контрольной карты Шухарта (Х-карты) для испытаний на воспламеняемость необработанной древесины сосны (при qв = 20 кВт/м2)
Номер п/п Значение М - 3а М - 2а М М + 2а М + 3а
01 29 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
02 28 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
03 25 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
04 24 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
05 26 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
06 27 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
07 30 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
08 24 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
09 25 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
10 26 20,52 22,48 26,40 30,32 32,28
Таблица 3. Данные для построения контрольной карты Шухарта (Х-карты) для испытаний на воспламеняемость необработанной древесины ели (при qв = 20 кВт/м2)
Номер п/п Значение М - 3а М - 2а М М + 2а М + 3а
01 29 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
02 32 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
03 33 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
04 25 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
05 24 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
06 28 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
07 29 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
08 27 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
09 26 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
10 30 20,02 22,78 28,30 33,82 36,58
Таблица 4. Данные для построения контрольной карты Шухарта ^-карты) для испытаний на воспламеняемость необработанной древесины ясеня (при qв = 20 кВт/м2)
Номер п/п Значение М - 3а М - 2а М М + 2а М + 3а
01 53 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
02 62 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
03 70 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
04 57 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
05 65 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
06 62 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
07 59 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
08 58 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
09 69 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
10 64 46,69 51,76 61,90 72,04 77,11
Таблица 5. Данные для построения контрольной карты Шухарта ^-карты) для испытаний на воспламеняемость необработанной древесины дуба (при qв = 20 кВт/м2)
Номер п/п Значение М - 3а М - 2а М М + 2а М + 3а
01 52 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
02 56 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
03 63 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
04 49 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
05 66 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
06 55 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
07 54 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
08 53 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
09 59 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
10 62 41,46 46,61 56,90 67,19 72,34
Как видно из представленных результатов, полученный массив экспериментальных данных отличается сходимостью и воспроизводимостью, при этом погрешность результатов измерений не превышает 15 %. Так, например, для разных случаев погрешность измерений составляет:
1) абсолютная погрешность для древесины сосны при qв= 20 кВт/м2: Дтв ср = 3026,4 = 3,6 сек.
2) относительная погрешность для древесины сосны при qв= 20 кВт/м2: бтв ср = 3,6/26,4100 % = 13,64 %.
На рис. 2 показан общий вид X-карт Шухарта для процесса испытаний на воспламеняемость необработанной древесины сосны, ели, ясеня и дуба (при значении поверхностной плотности теплового потока qв = 20 кВт/м2).
Проанализируем полученные контрольные карты Шухарта на наличие особых точек, свидетельствующих о том, что процесс испытаний выходит из-под контроля и становится статистически неуправляемым (рис. 3):
1) «Тест одной точки»: точка выходит за контрольные пределы - данный сигнал отсутствует.
2) «Тест "5"«: четыре из пяти последовательных точек находятся с одной стороны от центральной линии в зоне В или дальше — отсутствует.
3) «Тест "8"«: восемь последовательных точек находятся вне зоны С с обеих сторон от центральной линии — отсутствует.
4) «Тест "14"«: есть 14 последовательных точек, чередующихся вверх-вниз — отсутствует.
5) «Тест "3"«: две из трех последовательных точек находятся с одной стороны от центральной линии в зоне А или дальше — отсутствует.
6) «Тест "6"«: шесть последовательных точек расположены по возрастанию или по убыванию — отсутствует.
7) «Тест "9"«: девять последовательных точек находятся с одной стороны от центральной линии — отсутствует.
8) «Тест "15"«: есть 15 последовательных точек в зоне С (по обе стороны от центральной линии) — отсутствует.
Анализ карты Шухарта показал отсутствие особых точек на Х-карте (рис. 3), процесс испытаний находится в стабильном и статистически управляемом состоянии, так как ни
одна точка результатов испытаний не выходит за границы нижних и верхних контрольных линий, что позволяет получать сходимые и воспроизводимые достоверные результаты. Этот
вывод основан на том, что результаты испытаний были получены серией опытов в течение нескольких дней.
Рис. 2. Контрольные карты Шухарта ^-карты) для испытаний на воспламеняемость необработанной древесины сосны, ели, ясеня и дуба (при значении поверхностной плотности теплового потока
qв = 20 кВт/м2)
Рис. 3. Особые точки на контрольных картах Шухарта
Таким образом, подводя итог проделанной работе, можно сделать вывод о том, что использование метода контрольных карт в качестве инструмента контроля качества экспериментальных испытаний позволяет установить, действительно ли процесс достиг статистически управляемого состояния на заданном
уровне и остается ли он в этом состоянии.
Данный метод может быть рекомендован для использования при осуществлении контроля качества экспериментальных результатов при проведении испытаний горючих материалов.
Список литературы
1. Наконечный С. Н. Исследование процессов воспламенения и самовоспламенения огнезащищенных образцов древесины хвойных пород // Проблемы и перспективы пожарно-технической экспертизы и надзора в области пожарной безопасности: сборник трудов секции № 11 XXVIII Международной научно-практической конференции «Предотвращение. Спасение. Помощь», 22 марта 2018 г. Химки: ФГБВОУ ВО АГЗ МЧС России, 2018. С. 43-47.
2. Наконечный С. Н. Изучение процесса самовоспламенения образцов древесины лиственных пород. // Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов XII Международной научно-практической конференции, посвященной Году гражданской обороны, Иваново, 29-30 ноября 2017 г. Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2017. С. 514-517.
3. Шелехова Н. В. Внутрилабораторный контроль качества измерений с применением IT-технологий // Пищевая промышленность. 2018. № 10. С. 70-73.
4. Сахабиева Г. А., Исмаилова Р. Н. Контроль стабильности результатов количественных химических анализов // Вестник Технологического университета. 2016. Т. 19. № 7. С.103-106.
5. Иванова Л. С. Внутрилабораторный контроль качества результатов испытаний в практике экологических испытательных лабораторий // Международный студенческий научный вестник. 2017. № 4-4. С. 499-503.
References
1. Nakonechnyy S. N. Issledovanie pro-cessov vosplameneniya i samovosplameneniya ognezashchishchennyh obrazcov drevesiny
hvojnyh porod [Investigation of the processes of ignition and self-ignition of fire-resistant samples of coniferous wood]. Problemy i perspektivy pozharno-tekhnicheskoy ekspertizy i nadzora v oblasti pozharnoy bezopasnosti: sbornik trudov sektsii №11 KHKHVIII Mezhdunarodnoy nauch-no-prakticheskoy konferentsii «Predotvrashcheni-ye. Spaseniye. Pomoshch'«, March 22, 2018. Khimki: FGBVOU VO AGZ EMERCOM of Russia, 2018, pp. 43-47.
2. Nakonechnyy S. N. Izuchenie processa samovosplameneniya obrazcov drevesiny listven-nyh porod [Study of the process of self-ignition of hardwood samples]. Pozharnaya i avariynaya be-zopasnost': sbornik materialov XII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii, posvyashchennoy Godu grazhdanskoy oborony, Ivanovo, November 29-30, 2017, Ivanovo: Ivanovo Fire and Rescue Academy of State Fire Service of the Ministry of Emergencies of Russia, 2017, pp. 514-517.
3. Shelekhova N. V. Vnutrilaboratornyj kontrol kachestva izmerenij s primeneniem IT-tekhnologij [Intralaboratory quality control of measurements using IT technologies]. Pishchevaya promyshlennost', 2018, issue 10, pp. 70-73.
4. Sakhabieva G. A., Ismailova R. N. Kontrol stabilnosti rezultatov kolichestvennyh himicheskih analizov [Control of the stability of the results of quantitative chemical analyzes]. Vestnik Tekhnologicheskogo universiteta, 2016, vol. 19, issue 7, pp. 103-106.
5. Ivanova L. S. Vnutrilaboratornyj kontrol kachestva rezultatov ispytanij v praktike ekologicheskih ispytatelnyh laboratorij. [Intralaboratory quality control of test results in the practice of environmental testing laboratories]. Mezhdunarodnyy studencheskiy nauchnyy vest-nik, 2017, vol. 4-4, pp. 499-503.
Наконечный Сергей Николаевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново кандидат химических наук, старший преподаватель E-mail: [email protected]
Nakonechnyy Sergey Nikolaevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, senior lecturer
E-mail: [email protected]
Панев Никита Михайлович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
преподаватель
E-mail: [email protected]
Panev Nikita Mikhailovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo tutor
E-mail: [email protected] Никифоров Александр Леонидович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник E-mail: [email protected] Nikiforov Aleksandr Leonidovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
doctor of technical sciences, professor, senior researcher E-mail: [email protected]
Циркина Ольга Германовна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
профессор, доктор технических наук, доцент
E-mail: [email protected]
Tsirkina Olga Germanovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
doctor of technical sciences, professor, associate professor E-mail: [email protected]
Краснов Александр Алексеевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, профессор кафедры естественнонаучных дисциплин E-mail: [email protected] Krasnov Alexander Alekseevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
Doctor of Science, Professor of the Department of Natural Sciences E-mail: [email protected]
