Теоретические основы технологии сборки и монтажа сборочно-монтажных единиц по методам разовой сборки и взаимозаменяемости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.04, доктор наук Петров Николай Васильевич

• Петров Николай Васильевич
• доктор наук
• 2020

Оглавление диссертации доктор наук Петров Николай Васильевич

Введение

1 Анализ состояния технологии сборки и монтажа судовых СМЕ

1.1 Основные технологические процессы сборки и монтажа СМЕ

1.2 Анализ процессов базирования, центровки и регулирования опорных нагрузок СМЕ

1.3 Методы обработки присоединительных поверхностей и отверстий фундаментов

1.4 Проблемные вопросы изготовления, сборки и монтажа трубопроводов

1.5 Постановка задач исследования

2 Исследование технологии сборки и монтажа СМЕ по методу разовой сборки

2.1. Обоснование общего случая технологии сборки и монтажа СМЕ по методу разовой сборки и при наличии зависимости между определяющими факторами

2.2 Исследование процессов центровки СМЕ по изломам и смещениям. Разработка методов совместной центровки

2.3 Разработка методов регулирования опорных нагрузок роторов (валов) центруемых механизмов

2.4 Обоснование процессов базирования СМЕ по методу разовой сборки

2.5 Обоснование процессов регулирования опорных нагрузок СМЕ по методу разовой сборки

2.6 Выводы по главе

3 Исследование технологии сборки и монтажа СМЕ по методу взаимозаменяемости на основе трехмерного моделирования процессов

3.1 Обоснование методов сборки и монтажа СМЕ по проектным 3D моделям с применением современных компьютерных оптоэлектронных измерительных систем

3.2 Исследование условий собираемости соединений СМЕ. Определение отклонений расположения отверстий для прохода крепежных деталей в СМЕ, фундаментах и амортизаторах

3.3 Исследование условий собираемости соединений СМЕ. Определение отклонений формы и расположения присоединительных поверхностей

3.4 Исследование условий собираемости трубопроводов

3.5 Выводы по главе

4 Экспериментальные исследования технологии сборки и монтажа СМЕ по методам разовой сборки и взаимозаменяемости

4.1 Экспериментальные исследования методов сборки и монтажа СМЕ с математическим моделированием процессов при наличии зависимости между определяющими факторами

4.2 Исследование процессов совместной центровки СМЕ методом вычислительного эксперимента

4.3 Экспериментальные исследования способов крепления для обоснования области применения процессов сборки и монтажа СМЕ по методу разовой сборки

4.4 Экспериментальные исследования технологии сборки и монтажа СМЕ по виртуальным кондукторам и калибрам

4.5 Экспериментальное исследование точности процессов изготовления, сборки и монтажа трубопроводов

4.6 Выводы по главе

5 Разработка технологий сборки и монтажа СМЕ по методам разовой сборки и ввзаимозаменяемости

5.1 Совместная центровка СМЕ по изломам и смещениям. Обоснование интерактивных моделей центровки

5.2 Регулирование опорных нагрузок роторов (валов) центруемых механизмов

5.3 Базирование и регулирование опорных нагрузок СМЕ по методу разовой сборки

5.4 Сборка и монтаж СМЕ с применением виртуальных кондукторов и калибров на основе трехмерного моделирования процессов

5.5 Изготовление и монтаж трубопроводов с трехмерным моделированием процессов

5.6 Крепление СМЕ с применением пластмасс

5.7 Выводы по главе

6 Использование результатов исследований в проектировании и производстве СМЕ

6.1 Внедрение технологий сборки и монтажа СМЕ по методам разовой сборки и взаимозаменяемости

6.2 Технико-экономическая эффективность выполненных разработок

6.3 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А._Паспорт измерения подкладок под зональный блок

Приложение Б^Отклонения от плоскостности судовых фундаментов

Приложение В^План и результаты испытаний узлов крепления

Приложение ^Результаты испытаний узлов крепления по определению деформаций улов крепления

Приложение Д^Образцы и результаты экспериментальных исследований

процессов изготовления, сборки и монтажа трубопроводов

Приложение Е.Акты внедрения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы технологии сборки и монтажа сборочно-монтажных единиц по методам разовой сборки и взаимозаменяемости»

Введение

Федеральной целевой программой "Развитие гражданской морской техники" на 2009 - 2016 годы, утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 21 февраля 2008 г. № 103 в качестве цели и задач программы установлено «создание условий для выпуска конкурентоспособной гражданской морской техники, обеспечивающих принципиальное изменение стратегической конкурентной позиции гражданского судостроения России и завоевание к 2016 году значительной доли мирового рынка продаж» и «проведение научно -исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на повышение конкурентоспособности гражданской продукции судостроения».

Вопросы повышения конкурентоспособности, как выпускаемых изделий, так и применяемых технологий актуальны также и для механомонтажного производства отечественного судостроения.

В большей степени это относится к процессам сборки и монтажа судовых сборочно-монтажных единиц (СМЕ), представляющих собой совокупность технических средств, включающих машины, механизмы, оборудование, приборы и аппараты, трубопроводы, кабели и др., скомпонованные на несущей конструкции.

Переход от традиционных методов монтажа судового механического оборудования к модульно-агрегатным позволяет перенести до 60 % [1, 2] объемов работ из затесненных судовых помещений в цеховые условия и на этой основе повысить технико-экономические показатели производства и его конкурентоспособность. Именно по этой причине с начала семидесятых годов прошлого столетия ведутся активные работы по разработке и внедрению в проектирование и производство модульно-агрегатных принципов постройки судов.

Для развития модульно-агрегатных основ постройки судов и кораблей разработаны и успешно внедрены в проектирование и производство свыше 40 отраслевых стандартов и руководящих отраслевых документов, десятки руководящих технических документов, устанавливающих технологии, средства

технологического оснащения, требования к конструкциям агрегатов, блоков судового оборудования и помещений судов и др.

По результатам исследований собираемости СМЕ в затесненных условиях судовых помещений к.т.н. Кудрявцевым Ф.А. разработан отраслевой стандарт [3] устанавливающий методику расчета собираемости СМЕ с корпусными конструкциями.

Для повышения качества проектирования, обеспечения отработки условий собираемости и требований ремонтопригодности судового оборудования разработаны руководящие отраслевые документы, регламентирующие нормы и правила изготовления и приемки макетов помещений кораблей и судов [4] и требования к моделям при объемных методах проектирования [5].

Для обеспечения внедрения модульно-агрегатного метода в проектирование и постройку судов к.т.н. Шенинг З.Р. [6] разработал руководящий документ, устанавливающий основные положения и типовые технологические процессы сборки и монтажа зональных блоков и модулей, инженер Барабанов Ю.В.-отраслевой стандарт, регламентирующий общие технические требования к конструкции, сборке и монтажу СМЕ [7].

Для решения вопросов погрузки и выгрузки СМЕ в затесненных условиях современных судов и кораблей д.т.н. Герасимов Н.И. разработал методы и внедрил отраслевые стандарты по технологии погрузки и выгрузки СМЕ [8] и нормам и правилам проектирования соответствующих средств технологического оснащения [9].

Общие основы технологии монтажа судового оборудования [10], охватывающие основные положения по теории и практике монтажа механизмов, в том числе вопросы базирования, расчеты собираемости, методы моделирования собираемости и др. разработаны д.т.н. Гаврилюком Л.П.

В обеспечении постройки атомных подводных лодок разработаны и внедрены десятки технологических процессов сборки и монтажа общесудового вспомогательного оборудования в виде крупных СМЕ, в которых даны основополагающие принципы погрузки, базирования и крепления. Основными

разработчиками технологий модульно-агрегатного метода монтажа на указанных выше заказах были следующие ученые и инженеры: Марков А.П., Кудрявцев Ф.А., Богданов В.П., Зараковский Г.Н., Герасимов Н.И., Ива А.А., Иванов М.Д., Крюков Д.И.

К числу известных разработчиков и ученых, которые внесли значительный вклад в развитие модульно-агрегатных методов проектирования и постройки в области механомонтажного производства следует отнести: Шенинга З.Р., Мехренгина В.М., Кудрявцева Ф.А., Богданова В.П., Образцова Б.М, Маркова

A.П., Спиридонова А.В., в области корпусных видов производства - Соколова

B.Ф., Михайлова В.С., Орлова М.В., Воеводского А.С., Куперштейна В.И., Розинова А.Я., Кузьминова С.А. и др. специалистов.

Значительный вклад в развитие модульно-агрегатных методов проектирования и постройки внесли инженеры и ученые ряда других предприятий, институтов и КБ. Следует отметить научные работы Спасского

C.Д., Басса Ю.С., Герварта А.Ю., Мильто А.А. и др. направленные на возможность постройки изделий 21.

В области технологий изготовления и монтажа судовых трубопроводов следует отметить работы сотрудников ЦНИИТС Образцова Б.М., Ширяева А.Н., Спиридонова А.В., Шумилова С.Н., Зуева В.С., Горелика Б.А., Кучмеля В.И., Артемьева А.М. и др.

Повышению технологичности узлов крепления оборудования с фундаментами на основе применения полимерных материалов посвящены работы сотрудников НПО «Ритм» Раздрогина Ю.В., Русаченка Б.Д., Амплеева Г.В., Лобастова А.Н.

Однако, несмотря на большой объем выполненных исследований процессам сборки и монтажа СМЕ характерны следующие основные недостатки:

1. При центровке, базировании и регулировании опорных нагрузок СМЕ технологические процессы выполняются методом «проб и ошибок» на основе многократных последовательных регулировок по субъективным оценкам производителя работ. При этом не обеспечивается совмещение

отдельных операций. Нарушения собираемости и коллизии выявляются на заключительной стадии монтажа.

2. На судне выполняются значительные объемы работ по обработке и пригонке присоединительных поверхностей СМЕ и технических средств, входящих в их состав и фундаментов.

3. Точность применяемых процессов сборки и монтажа СМЕ не обеспечивает установленные конструктивные требования. Для устранения нарушений собираемости требуются дополнительные работы, связанные с переделкой и заменой смежных элементов СМЕ и корпусных конструкций в затесненных условиях заказа.

Работа над настоящей темой выполнялась в соответствии с Федеральной целевой программой "Развитие гражданской морской техники" на 2009 - 2016 годы, утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 21 февраля 2008 г. № 103, а именно, ОКР «Разработка инновационных базовых технологий комплекса автоматизированного и роботизированного оборудования для оснащения основных видов судостроительного производства при строительстве конкурентоспособной гражданской морской техники» (шифр «Прорыв»), ОКР «Разработка технологии и СТО для монтажа оборудования при крупноблочной модульной постройке судов» ( шифр «Модуль») и др.

Процессы базирования, центровки и регулирования опорных нагрузок представляют собой совокупность направленных воздействий на опорные точки, и предназначены для установки СМЕ в положение заданное монтажным чертежом. В качестве таких воздействий в зависимости от решаемой задачи могут приниматься перемещения в отдельных опорных точках, изменения толщин подкладок или нагрузок в сопряжении СМЕ с фундаментом.

Продолжительность и трудоемкость технологических операций, которые выполняются по методу «проб и ошибок» обуславливается необходимостью многократных изменений регулируемых параметров, значительной массой СМЕ, затесненностью в местах производства работ и определяется опытом и квалификацией исполнителя.

Сложность процессов регулирования опорных нагрузок СМЕ связана с наличием их взаимного влияния.

В частности при монтаже СМЕ с регулированием опорных нагрузок взаимное влияние контролируемых параметров выражается в том, что при изменении нагрузки на одном из динамометров одновременно происходит изменение нагрузок на других динамометрах. Это влияние проявляется более заметно на динамометрах расположенных рядом с регулируемым динамометром и по мере удаления от него ослабевает.

Качественные изменение технологии может быть достигнуто, если технологические последовательности операций установить, исходя из условия их выполнения путем однократного направленного воздействия на опорные точки механизма.

Для характеристики технологических процессов, в которых регулирование опорных нагрузок или перемещения в опорных точках выполняется путем одноразового воздействия на динамометр или отжимное приспособление или иначе за один их обход в дальнейшем будет применяться термин разовая сборка. Например, центровка по методу разовой сборки, базирование по методу разовой сборки и т.д.

Значительные объемы пригоночных работ при сборке и монтаже СМЕ и затруднения в обеспечении их собираемости обусловлены увеличением габаритных размеров и повышением относительной точности монтажа крупных СМЕ.

Как показывают практические данные, при монтаже крупных СМЕ вероятность выхода отклонений монтажного зазора за пределы конструктивного допуска может достигать 30 %.

Следует отметить, что для крупных СМЕ возможности совершенствования процессов сборки и монтажа СМЕ традиционными методами практически исчерпаны. Необходимы качественные изменения технологии производства СМЕ. В первую очередь это относится к применению в проектировании и производстве

методов математического и трехмерного моделирования [11, 12], и современных компьютерных оптоэлектронных измерительных систем [13, 14].

Особенностью современных измерительных систем является возможность измерения пространственных координат заданных точек контролируемого объекта с высокой точностью от 0,015 до 2 мм.

Возможность перестановки прибора при неизменности системы координат и программного объединения нескольких приборов в одну измерительную систему обеспечивает измерения пространственных объектов со всех сторон.

Трехмерные модели, полученные методами 3D моделирования или на основе 3D измерений, обеспечивают возможность имитировать функционирование реальных СМЕ, что может быть использовано в качестве основы для разработки новых технологий.

При применении методов математического и трехмерного моделирования потребуется выполнить изменение структуры технологических процессов, а именно, включить в состав операций «мысленные шаги», позволяющие рассчитать значения технологических параметров и уже по последним производить выполнение технологического процесса.

Для обеспечения применения технологий сборки и монтажа СМЕ по методам разовой сборки и взаимозаменяемости следует выполнить дополнительные исследования, включающие установление допускаемых отклонений формы и расположения присоединительных поверхностей СМЕ, технических средств, входящих в их состав, амортизаторов, фундаментов, допусков изготовления трубопроводов, технологических баз и др.

В частности, возможность применения метода разовой сборки в значительной мере определяется точностью процессов крепления СМЕ. При переходе от центровки по базовому механизму к совместной центровке механизмов необходимо уменьшить суммарную погрешность базирования механизма и деформаций закрепления в процессе затяжки крепежных деталей. Соответственно для применения метода разовой сборки потребуется совершенствование взаимосвязанных работ, включающих крепление СМЕ.

Существенным недостатком применяемых способов крепления СМЕ является применение пригоночных работ для доводки присоединительных поверхностей фундаментов при их обработке и при установке подкладок и обработке отверстий.

Пригоночные работы выполняются, как правило, ручным механизированным инструментом в затесненных условиях заказа и являются трудоемкими и длительными.

Необходимость применения пригоночных работ обусловлена несоответствием установленных показателей качества присоединительных поверхностей фундаментов показателям точности процессов обработки. Что в свою очередь показывает актуальность обеспечения взаимозаменяемости соединений СМЕ и технических средств, входящих в их состав и расширения объемов использования технологий с применением полимерных материалов.

Цель работы - разработка теоретических основ технологии сборки и монтажа СМЕ по методам разовой сборки и взаимозаменяемости. Снижение продолжительности и трудоемкости работ по сборке и монтажу СМЕ и технических средств, входящих в их состав.

Для достижения цели требуется решение следующих задач:

1 Разработать методы сборки и монтажа СМЕ с применением математического и трехмерного моделирования технологических процессов, позволяющие исключить сложные регулировочные и пригоночные работы и обеспечить устранение нарушений собираемости и коллизий до погрузки СМЕ.

2 Для обеспечения применения технологий сборки и монтажа СМЕ с математическим и трёхмерным моделированием процессов установить условия собираемости соединений и допускаемые отклонения формы и расположения присоединительных поверхностей и отверстий для прохода крепежных деталей СМЕ, фундаментов, амортизаторов и трубопроводов.

3 Обосновать основные технологические решения по технологии сборки и монтажа СМЕ и технических средств, входящих в их состав, с применением математического и трехмерного моделирования процессов.

4 Произвести реализацию полученных научных результатов и определить технико-экономические показатели от их внедрения.

Область исследования - разработка технологических процессов сборки и монтажа судовых СМЕ при модульно-агрегатных методах постройки судов, обеспечивающих повышение производительности труда.

Предмет исследования - методы решения задач проектирования, сборки и монтажа судовых СМЕ на основе использования математического и трехмерного моделирования процессов.

Методы исследования. Для выполнения исследований в работе использованы: математическое и трехмерное моделирование технологических процессов; методы задания баз и способы оценки собираемости СМЕ; методы планирования эксперимента и статистической обработки данных.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

Теоретические основы технологии сборки и монтажа СМЕ по методам разовой сборки и взаимозаменяемости;

Процессы базирования, центровки и регулирования опорных нагрузок СМЕ по методу разовой сборки, основанные на выполнении однократного воздействия на каждое отжимное приспособление или динамометр;

Методы совместной центровки СМЕ;

Метод и технологическая система базирования СМЕ с автоматическим регулированием опорных нагрузок;

Методы сборки и монтажа СМЕ по проектным 3D моделям с применением компьютерных оптоэлектронных систем измерений;

Условия собираемости соединений СМЕ и технических средств, входящих в их состав, ориентированные на применение методов трехмерного моделирования процессов сборки и монтажа СМЕ.

Научная новизна

1. В работе получены новые научно обоснованные технические решения, обеспечивающие значительное повышение производительности труда при сборке и монтаже СМЕ.

2. Разработана методология проектирования, сборки и монтажа СМЕ по методам разовой сборки и взаимозаменяемости на основе математического и трехмерного моделирования процессов.

3. Предложена методология использование интерактивных математических моделей процессов центровки и базирования СМЕ, позволяющая выполнить локализацию и устранение нарушений собираемости СМЕ с фундаментом.

4. Разработаны новые методы совместной центровки СМЕ, обеспечивающие совмещение монтажных работ по каждому центруемому механизму.

5. Разработаны новые способы центровки, базирования и регулирования опорных нагрузок СМЕ по методу разовой сборки, которые могут использоваться как для независимых регулируемых параметров, так и при наличии взаимного влияния между ними.

6. Разработаны новые методы сборки и монтажа СМЕ непосредственно по проектным 3D моделям и единым базовым опорным элементам, позволяющие устранить пригоночные работы и возможные нарушения собираемости и коллизии до погрузки СМЕ.

7. Обоснованы условия собираемости, допускаемые отклонения формы и месторасположения присоединительных поверхностей соединений СМЕ и технических средств, входящих в их состав, ориентированные на выполнение сборки и монтажа СМЕ с применением трехмерного моделирования процессов.

Достоверность результатов исследований обеспечена за счет использования компьютерного моделирования технологических процессов с применением современных CAD систем (AvtoCAD 2014, Creo Elements/Pro5.0, MatCAD 14), обширных экспериментальных исследований и подтверждается практическими результатами сборки и монтажа СМЕ.

Практическая ценность работы

Разработана технология центровки, базирования, регулирования опорных нагрузок по методу разовой сборки, позволяющая исключить многократные регулировки отжимных приспособлений и динамометров при сборке и монтаже СМЕ.

Сборка и монтаж СМЕ с трехмерным моделированием процессов позволяет повысить геометрическую точность присоединительных поверхностей СМЕ и технических средств, входящих в их состав. Соответственно обеспечивается устранение нарушений собираемости СМЕ с корпусными конструкциями до погрузки, основные сборочные и монтажные работы выполняются по методу взаимозаменяемости, исключаются пригоночные работы.

Разработанные технологии кроме судостроительной промышленности могут быть использованы:

для монтажа механизмов и трубопроводов в химической, нефтяной, газовой промышленности, энергетике и др.

для исследования и управления сложными процессами при неполном знании происходящих в них явлений и наличии взаимной зависимости между основными факторами.

Внедрение результатов исследований

Основные положения работы внедрены в нормативную документацию, включающую государственный стандарт, два отраслевых стандарта и свыше 30 руководящих документов и типовых технологических процессов. Приведенные документы устанавливают требования к проектированию, изготовлению, сборке и монтажу СМЕ, механизмов и трубопроводов, входящих в их состав, фундаментов, амортизаторов и др., а также технологию производства монтажных работ, методы контроля и правила приемки.

Работа внедрена в проектирование и производство на предприятиях ОАО «ПО «Севмаш», ОАО «ЦКБМТ «Рубин», ОАО «СПМБМ «Малахит», ФГБУ НИЦ «Курчатовский институт», ОАО «ТГК-1» и др.

Научные разработки используются в учебном процессе в институте судостроения и морской арктической техники Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова при чтении курсов по специальности «Судовые энергетические установки», а также при проведении практических работ, в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Технология автоматизированного изготовления сборных трубопроводов и технология монтажа СМЕ с высокой точностью базирования экспонировались соответственно на II и III Международных форумах «Морская индустрия России (Москва, 2011г. и 2012г.).

Решением конкурсной комиссии технологии награждены дипломами и золотыми медалями в номинации «Технологии создания перспективной морской техники».

Технология сборки и монтажа крупных СМЕ с применением виртуальных кондукторов и калибров экспонировалась на международной выставке Hi - Tech - 2016 (Санкт-Петербург 15-17.03.2016 г.). Решением конкурсной комиссии технология награждена дипломом I степени с вручением золотой медали в номинации «Лучший инновационный проект (разработка) в области машиностроения и металлургии, передовых производственных технологий, цифрового проектирования и моделирования, цифровой фабрики».

Результаты исследований докладывались и обсуждались на трех международных, двух межотраслевых и всероссийской конференции.

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 46 работах, в том числе 20 публикаций в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ, одна монография.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты исследований, выполненных самим автором или под его непосредственным руководством. Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, разработке технологических решений, обобщении полученных результатов и формулировке выводов и предложений.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения, занимающих 289 страниц текста, в том числе 117 рисунков, 23 таблицы, список использованной литературы из 170 наименований.

В первой главе выполнен анализ состояния технологии сборки и монтажа судовых СМЕ. На основе анализа установлены недостатки основных операций и определены перспективные подходы, позволяющие их устранить. Выполнена постановка цели и задач исследования.

Вторая глава диссертации посвящена технологии сборки и монтажа СМЕ по методу разовой сборки на основе математического моделирования процессов. В главе обоснован общий случай технологии сборки и монтажа СМЕ по методу разовой сборки при наличии зависимости между определяющими факторами, на основе которого разработаны технологические процессы, включающие:

— совместную центровку по изломам и смещениям двух-, трех- и многомашинных агрегатов, механизмов с контролем отклонений от горизонтальности и электрических машин на выносных подшипниках;

— базирование СМЕ по методу разовой сборки;

— регулирования опорных нагрузок СМЕ и роторов (валов) центруемых механизмов по методу разовой сборки;

В третьей главе выполнено исследование технологий сборки и монтажа СМЕ по методу взаимозаменяемости на основе трехмерного моделирования процессов, для возможности применения которых в проектировании и производстве выполнена разработка:

— методов сборки и монтажа СМЕ с трехмерным моделированием процессов, включающих сборку СМЕ с применением виртуальных кондукторов, контроль точности расположения присоединительных поверхностей СМЕ с применением виртуальных калибров, монтаж СМЕ с применением виртуальной контрольной сборки;

— методов оценки собираемости при трехмерном моделировании процессов сборки и монтажа СМЕ, охватывающих отклонения расположения осей отверстий для прохода крепежных деталей, отклонения формы и расположения присоединительных поверхностей СМЕ и технических средств, входящих в их состав, а также фундаментов и амортизаторов и трубопроводов;

— системы конструкторских и технологических баз для совместной работы с проектными и фактическими моделями при решении

технологических задач.

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям, включающим:

— оценку адекватности математических моделей процессов сборки и монтажа СМЕ при наличии зависимости между определяющими факторами и процессов совместной центровки и базирования;

— экспериментальные исследования технологии сборки и монтажа СМЕ по виртуальным кондукторам и калибрам;

— оценку возможности производства трубопроводов по методу взаимозаменяемости с применением трубогибочных станков и сборочных стендов с числовым программным управлением.

Экспериментальные исследования выполнялись с применением специально разработанных аналоговых моделей, макетов узлов крепления, компьютерного моделирования и обработки фактических данных выполнения процессов сборки и монтажа СМЕ.

В пятой главе выполнено обоснование основных технологических решений по технологии сборки и монтажа СМЕ и технических средств, входящих в их состав по методам разовой сборки и взаимозаменяемости.

Разработаны интерактивные модели для центровки и базирования СМЕ, обеспечивающие локализацию нарушений собираемости и коллизий с корпусными конструкциями и общие требования по центровке СМЕ.

Приведены технологии сборки и монтажа СМЕ с применением виртуальных кондукторов и калибров, процессы изготовления и монтажа трубопроводов с трехмерным моделированием процессов.

На основе анализа математических моделей базирования и регулирования опорных нагрузок разработан метод и технологическая система базирования СМЕ с автоматическим регулированием опорных нагрузок. За счет исключения

контроля и регулирования опорных нагрузок и упрощения схемы базирования достигается снижение длительности и трудоемкости монтажных работ.

В шестой главе приведены данные по внедрению результатов исследований в проектирование и производство и технико-экономическое обоснование разработок.

В приложении к диссертации приведены данные экспериментальных работ и акты внедрения полученных результатов в проектирование и производство.

1 Анализ состояния технологии сборки и монтажа судовых СМЕ

1.1 Основные технологические процессы сборки и монтажа СМЕ

В настоящей работе применяются следующие термины и определения модульно-агрегатных методов проектирования и постройки судов [15]:

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Петров Николай Васильевич, 2020 год

/ ' -

У

у -У.

У

¡V

1 £ 3 4 5 6 " 1 г з 4 5 S

f- 1_,м

Массс^отн,

СТОЙ MQGTbjOTHi

1,6 i,4

1,0 0,3

o,s

0,4

0,2

/ ✓ 1

ш 7Я Я* я* -? я

1 £ 3 4 5 6

a)

1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 -Um

'/У, I

а /у /// ///

1 г 3 4 5 6

гЭ

а, б - в абсолютных единицах; в, г - в относительных единицах. 1 - изготовление гибкой из трубы; 2 - изготовление с применением фитингов; 3 -изготовление гибкой сборной заготовки Рисунок 5.21 - Зависимости изменения массы и стоимости изготовления трубопровода

от его длины (Ь)

Таблица 5.1 - Сравнительная характеристика способов изготовления трубопроводов__

Способ изготовления

Показатель Гибкой из трубы С применением фитингов Гибкой сборной заготовки

Заготовка трубопровода Трубы Трубы, фитинги Трубы

Сборка по месту, по шаблонам или Сборка и автоматическая

Процесс формообразования Гибка на трубогибочном на сборочном стенде и затем сварка прямолинейной заготовки,затем

станке ручная или полуавтоматическ ая сварка гибка на трубогибочном станке

Возможность + +

автоматизированного производства

Обеспечение равной надежности и

долговечности элементов - + +

трубопровода

Снижение массы трубопроводов - + +

Обеспечение качества погибов по + + +

ИСО 3419

Гибкость в выборе радиуса погиба + - +

При определении технико-экономических показателей в качестве расчетного трубопровода принят стальной трубопровод с условным диаметром 100мм с двумя погибами 1,5D, длиной 6000 мм, обычно используемый при расчете мощностей трубообрабатывающих цехов.

Из графиков следует, что при уменьшении длины трубопровода происходит сближение значений затрат на изготовление и массы трубопровода для рассматриваемых вариантов технологических процессов. На пересечении кривых относительных значений (рисунок 5.21 в), масса и затраты на изготовление вариантов трубопроводов становятся равными.

Технологический процесс изготовления сборного трубопровода на основе применения сборной прямолинейной заготовки позволил объединить в себе технические преимущества применяемых процессов изготовления трубопроводов, а именно:

— возможность создания автоматизированного производства на основе автоматической сварки стыков, как электродуговой сваркой, так и контактной и выполнении гибки на трубогибочных станках;

— повышение надежности за счет увеличения толщины стенки трубы в зоне возможного срыва потока. Обеспечивается, как и при изготовлении трубопроводов с применением гнутых отводов за счет увеличения толщины стенки трубы прямого участка непосредственно примыкающего к криволинейному;

— снижение массы трубопроводов. Как и для других вариантов изготовления сборных трубопроводов основано на возможности обеспечения равной надежности и долговечности отдельных элементов трубопровода;

— обеспечение требований ИСО 3419 к качеству погибов. Требование обеспечивается за счет выбора заготовки для криволинейных участков и соответственно снижения утонения стенки с 23 - 34 % до 12,5 %.

Сравнение технико-экономических показателей способов изготовления трубопроводов позволяет рекомендовать разграничение области их применения, приведенное на рисунке 5.23.

Нар^жныр1 диаметр траьопровода мм

200-350

50

ТРУБОПРОЬОДО

(в до лях Ю

10D* S0D

. _ (в ^олях Ш

*граничное значение длины определено для двух погибов на трубопроводе, и при увеличении количества погибов должно быть соответственно увеличено Рисунок 5.23 - Область применения процессов изготовления трубопроводов

Изготовление и монтаж трубопроводов по локальным 3D моделям

При изготовлении забойных трубопроводов и трубопроводов в затесненных условиях в качестве средств информации широко используются шаблоны и макеты, что не позволяет применять автоматизированные системы и средства технологического оснащения.

Наряду с фиксацией формы и размеров трубопровода важным показателем применения шаблонов является возможность выполнить визуализацию трубопровода и непосредственным осмотром оценить расположение трубопровода относительно смежных конструкций и трубопроводов и проверить собираемость трубопровода. Конструктивными элементами,

позволяющими выполнить визуализацию трубопровода, кроме шаблона являются также опоры и подвески трубопровода и собственно сам трубопровод. Однако согласно применяемым технологическим процессам изготовления и монтажа

трубопровода эти элементы устанавливаются при окончательном монтаже трубопровода.

Рассмотрим возможность визуализации трассировки трубопровода штатными элементами конструкций и получения аналитических данных для изготовления трубопровода по результатам измерения по месту.

Для достижения поставленной цели изменим технологическую последовательность операций и выполним процесс в следующем порядке.

Производят выверку и закрепление опор и подвесок трубопровода (рисунок 5.24). Учитывая наличие в каждом трубопроводе прямых и криволинейных участков, для выверки взаимного расположения опор может быть использовано шарнирное звено, как оснастка многоразового использования, имитирующая прямолинейные и криволинейные участки (рисунок 5.25). Для установки опор шарнирное звено вначале устанавливают в положение 1-2-3-4, затем в положение 3-4-5-6 и т.д. В процессе выверки опор контролируют расположение трубопровода, в т. ч. его Уклон, зазоры относительно смежных конструкций.

с п°мощью °п°р выверки взаимного положения опор

Одновременно определяют допустимые радиусы погиба. Для визуализации трубопровода используют штатные опоры и подвески. В необходимых случаях дополнительно устанавливают технологические опоры, например, на концевых участках и в местах затесненности.

Устанавливают прибор 7 для измерения координат. В качестве прибора может быть использован лазерный трекер API Tracker 3 или лазерный интерферометр XD фирмы Automated Precision Inc. [136].

Измеряют координаты расположение опор трубопровода.

По координатам расположения опор трубопровода наносят в поле 3D модели точки 1.. .6, соответствующие расположению опор трубопровода (рисунок 5.26).

Нанесенные точки трубопровода соединяют прямыми участками 1-2,3-4, 56.

Соединяют прямые участки трубопровода криволинейными участками с заданным радиусом погиба. При разработке локальной 3D модели на любой стадии выполнения 3D модели обеспечивается возможность корректировки трассировки трубопровода для исключения влияния погрешностей измерений.

Рисунок 5.26 - Построение локальной 3D модели трубопровода

Изготавливают по аналитической информации, содержащейся в построенной 3 D модели трубопровод.

Производят закрепление трубопровода на предварительно уставленных опорах и подвесках.

Таким образом, в результате применения средств 3D измерений и CAD систем обеспечивается выполнение трассировки трубопроводов в затесненных условиях в интерактивном режиме, автоматизированное изготовления трубопроводов на станках с ЧПУ по локальной 3D модели трубопровода и исключение шаблонов и макетов.

Сборка зональных блоков трубопроводов с применением настраиваемых технологических опор.

При изготовлении сборных трубопроводов с применением фитингов трудоемкость и длительность работ определяется массой деталей трубопровода.

При сборке трубопроводов малых диаметров базирование деталей трубопровода при сборке выполняется без применения специальных технологических и грузоподъемных приспособлений и не вызывает особых затруднений. Сборка трубопровода, как правило, выполняется по изометрическим проекциям трубопровода последовательно с контролем углов поворота отдельных участков с помощью универсального измерительного инструмента (рисунок 5.27)

Область применения ручной сборки ограничивается физическими возможностями производителя работ и в конечном итоге определяется массой деталей трубопровода.

Рисунок 5.27 - Изометрическая проекция трубопровода

При сборке трубопроводов с наружным диаметром свыше 159 - 219- мм масса отдельных деталей превышает 20 кг, что обуславливает необходимость применения для базирования деталей трубопровода грузоподъемных приспособлений или кранов. Однако, кроме применения грузоподъемных приспособлений для обеспечения базирования деталей трубопровода, например, для сборки под сварку, потребуется использовать дополнительные такелажные схемы и приспособления, позволяющие выполнять необходимые перемещения деталей трубопровода. Последнее обстоятельство существенно усложняет процесс сборки и показывает актуальность его совершенствования. Одним из вариантов совершенствования процесса сборки является переход от базирования по методу регулировки к базированию деталей и узлов трубопровода на предварительно выставленных опорах.

Применение этого метода рассмотрим на примере изготовления зональных блоков грузовой системы танкеров или газовозов (рисунок 5.28).

Процесс изготовления трубопроводов грузовой системы может быть разделен на операции (рисунок 5.29)

1 - лазерный трекер; 2 - направляющая опора; 3 - скользящая опора Рисунок 5.28- Сборка зонального блока грузовой системы

Изготовление монтажных узлов по эскизам /•

-15

установка технологических опор с применением средств 3Р-V измерений

установка монтажных узлов на

технологические опоры

сварка стыков монтажных узлов

погрузка и

монтаж зональных блоков

Рисунок 5.29 - Сборка трубопроводов грузовой системы

При изготовлении монтажных узлов производится начальное укрупнение элементов трубопровода - сборка узлов типа труба-отвод, труба-тройник, труба-переход, укрупнение прямолинейных участков и др. (рисунок 5.30). Базирование деталей трубопровода при сборке монтажных узлов производится по поверхности сборочной плиты и кромкам деталей трубопровода.

Рисунок 5.30 - Изготовление монтажных узлов

После изготовления монтажные узлы передаются для сборки зональных блоков.

Для обеспечения базирования монтажных узлов при сборке зональных блоков производят установку технологических опор с применением современных средств 3D измерений, например, лазерного трекера [136] в следующем порядке.

Производят предварительную установку технологических опор 2, 3 (рисунок 5.28). Для сборки зональных блоков используют два типа опор: опорные 3, ограничивающие перемещения трубопровода в направлении оси z, и направляющие 2, ограничивающие перемещения трубопровода в направлении оси z и по оси, перпендикулярной оси трубопровода. В конструкции технологических

опор должно быть предусмотрено точное перемещение и фиксация присоединительных частей. Направляющие опоры 2 устанавливают на участках трубопровода, сопрягаемых со смежными трубопроводами.

По лазерному трекеру 1 производят выверку взаимного расположения технологических опор в соответствии с 3 D моделью трубопровода.

Производят установку монтажных узлов на технологические опоры 2, 3.

Собирают соединения монтажных узлов.

Устанавливают штатные опоры, переходные мостики, трапы. В необходимых случаях производят раскрепление зонального блока временными металлоконструкциями.

После изготовления зональный блок доставляют к месту установки, производят его погрузку и монтаж.

При применении допусков трубопроводов (раздел 3) потребуется решение ряда вопросов, включающих:

— применение установленных допусков к трубопроводам с геометрической формой, отличающейся от прямолинейной;

— пересчет допусков расположения присоединительных поверхностей на предельные отклонения размеров, координирующих расположение концевых участков трубопроводов;

— выбор способов изготовления и сборки трубопроводов в зависимости от значений допусков.

При исследовании собираемости трубопроводов в качестве расчетной принята схема прямолинейного трубопровода с концевым защемлением (рисунок 5.22), которая не охватывает все многообразие возможных геометрических форм трубопроводов.

При рассмотрении возможных схем взаимного расположения фланцев трубопровода (рисунок 5.31) можно отметить, что при применении трубопроводов с погибами увеличивается длина участков работающих на изгиб по сравнению с прямолинейным трубопроводом.

Рисунок 5.31 - Схемы взаимного расположения фланцев трубопровода С увеличением длины трубопровода, а также при наличии погибов уменьшается его жесткость и соответственно обеспечивается возможность производить одинаковый по значению монтажный натяг при более низких напряжениях по сравнению с прямолинейным трубопроводом.

Зазоры в сопряжении смежных участков трубопроводов определяются толщинами уплотнительных подкладок или требованиями к сборке сварных соединений под сварку. Наиболее жесткие требования по обеспечению зазоров предъявляются к трубопроводам, устанавливаемым между двух жестких точек -фланцами СМЕ, переборочными приварышами и др. Для таких условий необходимая точность сопряжений обеспечивается на основе изготовления по месту забойных трубопроводов.

Для трубопроводов, устанавливаемых по методу взаимозаменяемости, необходимая точность зазоров ограничивается допустимыми отклонениями от заданной трассы. Допустимые отклонения от заданной трассы по данным [137] составляют 25мм. Неблагоприятная схема для оценки отклонений от заданной трассы может быть представлена в виде трубопровода, состоящего из соединяемых между собой прямолинейных участков. При количестве участков от 5 до 10 и вероятностном расчете отклонений получим допуск зазора, соответственно (8.. .11) мм.

Используя позиционное отклонение оси трубопровода и отклонение зазора, поле допуска концевых участков трубопровода может быть представлено в виде цилиндра (рисунок 5.32) с диаметром равным позиционному допуску оси трубопровода и длиной равной допуску зазора между смежными участками трубопровода.

Осевая линия трубопровода

Рисунок 5.32 - Представление поля допуска концевого участка трубопровода в виде

цилиндрической области

На основе представления поля допуска в виде цилиндрической области появляется возможность определения значений предельных размеров трубопроводов. Схема определения предельных значений размера между концевыми точками оси трубопровода приведена на рисунке 5.32. Аналогично могут быть определены предельные значения других размеров, определяющих взаимное расположение участков трубопровода.

Определение предельных размеров при использовании представления поля допуска в виде цилиндрической области требует учета при расчетах взаимного положения концевых участков. Учитывая количество трубопроводов на судах, расчеты являются трудоемкими и показывают целесообразность разработки более простых способов назначения допусков размеров.

Возможным вариантом нормирования допусков является замена представления поля допуска в виде цилиндра на представление в виде вписанной сферы (рисунок 5.33).

Диаметр сферы в этом случае будет определяться минимальным допускаемым отклонением, выбранным из значений, установленных для позиционного отклонения оси трубопровода или отклонения зазора.

Рисунок 5.33 - Представление поля допуска сферической областью

Исходя из принятой расчетной схемы предельные отклонения размеров, координирующих расположение концевых участков трубопроводов, будут определяться выражением

ТI = ± 0 . 5 Ттт (5.4)

где - минимальное допускаемое отклонение, выбранное из значений установленных для позиционного отклонения оси трубопровода или отклонения зазора.

Сравнение полученных отклонений от соосности концевых участков трубопроводов с достигнутой точностью изготовления трубопроводов [53] показывает, что для трубопроводов с диаметром до 300 мм в зависимости от материала обеспечиваются существенные запасы технологической точности применяемых процессов изготовления трубопроводов. Приведенному диапазону диаметров соответствует около 80 % монтируемых трубопроводов.

Учитывая наличие запаса технологической точности, представляется целесообразным для организации производства трубопроводов с диаметрами до 300 мм по методу взаимозаменяемости руководствоваться следующими положениями:

1 Для обеспечения взаимозаменяемости трубопроводов в качестве основного способа задания отклонений расположения их присоединительных поверхностей целесообразно использовать указание допусков через позиционные смещения оси трубопровода от номинального расположения и позиционные смещения осей отверстий во фланцах трубопровода.

2 При изготовлении контроль позиционных допусков осей трубопроводов может не проводиться.

Для исключения возникновения недопустимых напряжений в трубах контроль позиционных допусков осей трубопроводов целесообразно выполнять при монтаже трубопроводов на основе косвенных измерений отклонений от соосности собираемых фланцевых соединений.

3 Задание допусков размеров между концевыми точками трубопровода на основе представления поля допуска цилиндрической областью может быть рекомендовано для настройки станков и сборочных стендов и оценки точности процессов изготовления и сборки трубопроводов. При этом обеспечивается возможность измерения отклонений взаимного расположения концевых точек трубопровода с применением универсального измерительного инструмента.

4 Задание допусков размеров между концевыми точками трубопровода на основе представления поля допуска сферической областью следует применять для контроля точности изготовления трубопроводов устанавливаемых по методу взаимозаменяемости с применением средств измерения типа комплекса ИЗК-ПТ-1, локационно-акустической трехкоординатной измерительной станции ЛАИС и др.

Монтаж трубопроводов по методу взаимозаменяемости предполагает, что при установке участка трубопровода производится вначале его крепление к смежному трубопроводу. Затем другой конец трубопровода силовым воздействием устанавливается в заданное положение относительно судовых конструкций или других баз. Для исключения возникновения недопустимых напряжений производят контроль монтажных деформаций трубопровода. Далее аналогично устанавливается следующий участок трубопровода. Таким образом, технология сборки предусматривает устранение погрешностей установки трубопровода при монтаже каждого его отдельного участка.

При замене участка трубопровода, например при ремонте, производят при необходимости раскрепление участков трубопровода смежных с заменяемым участком, тем самым обеспечивая неизменными условия их сборки при постройке судна. Затем после изготовления по чертежу заменяемого участка производят его

установку приведенным выше способом. Соответственно обеспечивается сохранение условий сборки трубопровода - исключение недопустимых напряжений и установка в заданное положение.

Кроме рассмотренного варианта монтажа трубопровода с последовательной сборкой соединений участков трубопроводов возможен вариант монтажа с предварительной сборкой трубопровода из нескольких участков. При предварительной сборке участков трубопроводов длина монтируемого трубопровода увеличивается. Учитывая, что погрешности изготовления трубопроводов ориентировочно пропорциональны длине трубопровода в первой степени, а допускаемые монтажные деформации - второй, то предварительная сборка участков трубопровода обеспечит упрощение монтажа трубопровода. Однако в этом случае возможно нарушение условий трассировки отдельных участков, что ограничивает применение предварительного укрупнения трубопроводов.

Исходя из точности присоединительных размеров, трубопроводы могут быть разделены на три группы исполнения по параметрам точности, для каждого из которых потребуется выполнение определенного технологического процесса изготовления и монтажа трубопровода (таблица 5.2).

Таблица 5.2 - Исполнение трубопроводов по параметрам точности

Исполнение трубопровода Допуски для исполнения трубопровода Область применения Содержание технологического процесса

Нормальное Таблица 3.2, Рисунок 3.18, Зависимость 3.27. Независимое изготовление и монтаж участков трубопровода со сварными соединениями, свободными фланцами, штуцерно-торцевыми соединениями и др. по методу взаимозаменяемости Изготовление трубопроводов по аналитической информации (при гибке - по 3Б моделям, при сборке с применением фитингов - по изометрическим проекциям или эскизам). При монтаже выполнение сборки соединений с контролем допускаемых отклонений от соосности смежных участков трубопровода.

Повышенное Независимое изготовление и монтаж участков Изготовление трубопроводов по аналитической информации (при гибке - по 3Б моделям, при сборке с

Исполнение трубопровода Допуски для исполнения трубопровода Область применения Содержание технологического процесса

трубопровода с приварными фланцами по методу взаимозаменяемости применением фитингов - по изометрическим проекциям или эскизам). Приварка фланцев с контролем взаимного расположения осей отверстий. При монтаже выполнение сборки соединений с контролем допускаемых отклонений от соосности смежных участков трубопровода и требований к его трассировке.

Высокое Таблица 3.2 Изготовление и монтаж забойных участков трубопроводов Изготовление трубопроводов по месту по фактическому положению смежных участков трубопровода: С применением средств 3D измерений типа ЛАИС, Scopelink (измерение положения концевых участков, сборка забойного участка на стенде СГТ-160М, Robofix и др. или на месте установки для трубопроводов с фитингами); При монтаже пригонка забойного участка трубопровода по месту и сборка соединений без монтажных усилий и деформаций.

5.6 Крепление СМЕ с применением пластмасс

Крепления с применением пластмасс по сравнению с креплениями на металлических подкладках позволяют достичь существенные технологические преимущества, а именно, произвести компенсацию погрешностей размеров, формы и расположения присоединительных поверхностей элементов узлов крепления зазорами - компенсаторами, а затем произвести установку в монтажный зазор пластмассовую подкладку без пригоночных работ путем заливки отверждающейся пластмассы.

Применяемые способы крепления с применением пластмасс могут быть разделены на две группы:

крепления на пластмассовых подкладках;

крепления на подкладках со слоем полимерного материала, получившего сокращенное название « клин с полимером».

Приведенные способы крепления существенно различаются между собой как конструктивными, так и технологическими решениями, что показывает необходимость выполнения сравнительного анализа и выработки конкретных рекомендаций по применению технологий.

Особенностью крепления на пластмассовых подкладках является заполнение всего монтажного зазора пластмассой, после отверждения которой, получаем пластмассовые подкладки. Примерами пластмассовых подкладок являются подкладки из формуемой пластмассы ФМВ (Россия), подкладки из литьевых пластмасс CHOCKFAST ORANGE (США), EPOCAST 36 (Германия) и EPY(Польша) [46 - 48].

Основные различия между приведенными пластмассовыми подкладками заключается в способе формирования подкладок.

Формование подкладок из пластмассы ФМВ в монтажном зазоре производится путем прессования струбциной в раздвижной форме или с помощью пресса в нераздвижной форме.

Литьевые пластмассы обеспечивают возможность заполнения монтажных зазоров самотеком.

Крепление по технологии «клин с полимером» [52] является комбинацией способов крепления на металлических и пластмассовых подкладках. При этом введение в узел крепления металлической подкладки обеспечивает уменьшение толщины слоя полимерного материала и соответственно исключение перемещения СМЕ за счет усадки пластмассы в процессе отверждения и затяжки крепежных деталей.

Для повышения точности установки на пластмассовых подкладках в технологический процесс монтажа СМЕ вводят дополнительные операции, а именно, выполнение центровки со смещением и применение термостатирования пластмассы. Однако, приведенные меры не являются достаточно эффективным средством для обеспечения заданной точности установки механизма.

Выбор величины смещения при монтаже механизмов на пластмассовых подкладках существенно усложняется разбросом в два раза значений линейной усадки пластмассы и разбросом фактических толщин подкладок до 30 - 40 мм. Это приводит к тому, что упреждающее смещение механизма рассчитывают, как правило, применительно к узлам крепления расположенным в непосредственной близости к фланцу отбора мощности. Для расчетных узлов крепления погрешность сборки по параметру сближение механизма с фундаментом достигает 0,05 - 0,1 мм, а для узлов крепления удаленных от фланца отбора мощности еще больших значений.

В способе крепления по технологии «клин с полимером» предусматривается установка металлических подкладок с зазором относительно присоединительных поверхностей механизма и фундамента и последующее заполнение этого зазора отверждающимся полимерным материалом. При установке подкладок значения зазоров составляют от 0,15 до 2 мм, что позволяет компенсировать погрешности сопряжения механизма с фундаментом и исключить операции обработки фундаментов и пригонки сопрягаемых поверхностей узлов крепления.

Уменьшение толщины слоя пластмассы с 30 - 50 мм до 0,15 - 2 мм позволяет избежать просадки механизма, обусловленной линейной усадкой пластмассы. Так, если при использовании пластмассовых подкладок расчетная усадка составляет 0,06 - 0,10 мм, то при использовании технологии «клин с полимером» менее 0,004 мм. Соответственно, при использовании технологии «клин с полимером» нет необходимости выполнять упреждение просадки механизма для исключения влияния усадки пластмассы при отверждении и выполнять термостатирование пластмассы.

Сравнительный анализ способов крепления на пластмассовых подкладках и по технологии «клин с полимером» приведен в таблице 5.3.

Общими технологическими и эксплуатационными преимуществами применения пластмасс в узлах крепления по сравнению со способами крепления на металлических подкладках являются:

исключение обработки фундаментов, пригонки по месту подкладок;

сокращение продолжительности монтажных работ;

защита от коррозии и износа поверхностей узлов крепления;

уменьшение уровня шума и вибрации;

увеличение ресурса креплений;

исключение припусков на обработку фундаментов.

Таблица 5.3 - Сравнительный анализ способов крепления механизмов

Показатель Способ крепления

На пластмассовых подкладках По технологии «клин с полимером »

Требования к обработке и пригонки сопрягаемых поверхностей узлов крепления.

Отклонения от плоскостности и шероховатость присоединительной поверхности фундамента. Не регламентируются

Зазоры в сопряжении элементов узлов крепления,мм - До 2

Достигаемые эксплуатационные характеристики

Защита от коррозии и износа контактирующих поверхностей узлов крепления. + +

Уменьшение уровня шума и вибрации.

Увеличение ресурса креплений.

Точность установки механизма

Расчетные перемещения механизма при отверждении пластмассы вследствие линейной усадки,мм От 0,05 До 0,004

Температура при монтаже механизмов,0С, не менее 10 минус 6

Требования к последовательности установки взаимосвязанных механизмов

Совместная центровка механизмов - +

Центровка по базовому механизму + При смещениях не менее 0,1. ..0,2 мм +

Установка базового механизма или нецентруемых механизмов + +

Ремонтопригодность соединений

При полной разборке и повторной сборке всех узлов крепления. + +

При выборочном ремонте узлов крепления. - +

Относительные затраты на крепление механизмов

при строительстве судов. 4-25* 1

при ремонте судов 10-70* 1

* нижнее з начеуие затрат соответствует применению российских пластмасс, верхнее -использованию зарубежных пластмасс.

По показателям точности установки, требованиям к последовательности установки механизмов, ремонтопригодности соединений и затратам на монтаж механизмов способ крепления по технологии «клин с полимером» имеет преимущества.

Преимущества способа крепления в значительной мере обусловлены отсутствием перемещений механизмов в процессе отверждения полимерного материала и сборки узлов крепления.

В частности, кроме вариантов установки нецентруемых механизмов, базового механизма и центровки по базовому механизму, технология обеспечивает возможность выполнения совместной центровки механизмов. Совместная центровка механизмов позволяет совместить монтажные работы и соответственно снизить длительность процессов монтажа.

В судоремонте технология обеспечивает возможность выборочного ремонта изношенных узлов крепления. При этом не требуется выполнять полную разборку и повторную сборку всех узлов крепления для возможности упреждения просадки стыков.

Существенно более низкие затраты на крепление механизмов по технологии «клин с полимером» объясняются меньшим расходом пластмассы 16 - 25 раз и более низкой стоимостью компонентов пластмассы в 6 - 7 раз.

Абсолютное снижение затрат может быть показано на примере конкретного механизма.

Так, при монтаже судового низкооборотного дизеля типа 6S60МС (30 подкладок, 8 бортовых и 2 кормовых упора, диаметр болтов 70 мм) затраты на крепление на пластмассовых подкладках составляют ~1981 тыс. руб., затраты на крепление по технологии «клин с полимером» ~74 тыс. руб. Снижение затрат ~1,9 млн. руб.

Диаграмма распределения затрат для применяемых способов крепления представлена на рисунке 5.34 (индексы в обозначениях способов крепления на подкладках соответствуют применению пластмасс: 1 - зарубежного производства, 2- российского производства).

80 60 40 20 0

% ^ ■

1

и

Стоимость Стоимость Всего затрат работ материалов

□ Крепление на пластмассовых подкладках- 1

□ Крепление на пластмассовых подкладках-2

□ Крепление "клин с полимером"

□ Крепление на металлических подкладках

Рисунок 5.34- Распределение затрат на крепление СМЕ Приведенные данные показывают, что при существующем уровне цен на

пластмассы российского и зарубежного производства, применение пластмассовых

подкладок для крепления СМЕ вызывает существенное увеличение затрат по

сравнению с креплением на металлических подкладках или по технологии «клин

с полимером».

Вывод подтверждается практическим применением технологии «клин с полимером» на судоремонтных предприятиях [138].

5.7 Выводы по главе 5

1 Обоснованы методы центровки и базирования СМЕ по интерактивным

моделям, обеспечивающие выполнение процесса по методу разовой сборки, а также выявление и устранение нарушений собираемости и коллизий до начала производства работ.

2 Предложена технологическая система базирования СМЕ с автоматическим регулированием опорных нагрузок на основе двух групп гидродомкратов.

3 Для повышения точности производства СМЕ на основе трехмерного моделирования разработаны:

— процессы сборки и монтажа СМЕ с применением виртуальных кондукторов;

методы контроля точности изготовления СМЕ и корпусных конструкций с применением виртуальных калибров;

— методы оценки собираемости СМЕ с корпусными конструкциями на основе виртуальной контрольной сборки;

— процессы изготовления и монтажа трубопроводов по проектным 3Э моделям.

4 Результаты этой главы опубликованы в статьях [52;97-104;107;111;121-122].

6 Использование результатов исследований в проектировании и производстве СМЕ

6.1 Внедрение технологий сборки и монтажа СМЕ по методам разовой сборки и взаимозаменяемости

Применение методов математического и трехмерного моделирования потребовало разделения технологии сборки и монтажа СМЕ на отдельные технологические процессы (Рисунок 6.1). Области применения методов математического и трехмерного моделирования процессов выделены цветом.

Методы математического моделирования, в том числе при наличии зависимости между определяющими факторами, использовались для процессов, точность выполнения которых достигается по методу регулировки, а именно процессы центровки, базирования, регулирования опорных нагрузок и регулирования СМЕ по функциональным параметрам. Применительно к процессам регулирования методы математического моделирования позволили установить конкретные технологические последовательности направленных воздействий на органы регулирования (отжимные приспособления, динамометры и др.) которые обеспечивают возможность выполнения процесса по методу разовой сборки.

Достигаемые технические эффекты от применения методов трехмерного моделирования заключаются в возможности повышения геометрической точности присоединительных поверхностей СМЕ и технических средств, входящих в их состав по параметрам отклонения формы и расположения на основе совместного применения проектных и сканированных моделей СМЕ и корпусных конструкций. Соответственно обеспечивается возможность исключения пригоночных работ и выполнение основных сборочных и монтажных работ по методу взаимозаменяемости.

Разработанные процессы центровки СМЕ (рисунок 6.1) предназначены для применения при монтаже крупных СМЕ, главных и вспомогательных механизмов. Для центровки СМЕ и агрегатов небольших размеров могут

ш

5 х о и и

^ <и

и ш т ^ ^ О С!

1- С

го 5 5 <и

ш 1-го X X

5 го ш

и о

I 1 1 а

^ х ^

и <и

X о

го 1- 5

X о 5

2 .о

X

х а

го <и

^

а X

о <и

ю а

и 1-

ш

о и и

<и ^

О С! С О) X X го ш о а

<и

о 5

О)

о х

а

<и 5

а н

Рисунок 6.1- Разделение технологии сборки и монтажа СМЕ на отдельные объекты моделирования процессов.

для

применяться простейшие зависимости, приведенные в главе 2 для традиционных методов центровки по базовому механизму.

До разработки интерактивных математических моделей совместная центровка производилось на основе пробных расчетов непосредственно по зависимостям, рассмотренным в главе 2.

В частности, по такой технологии выполнялась центровка главных дизелей типа «Шкода» на судах типа «Волго-Балт» на ленинградской РЭБ флота СЗРП и ЗРП [139]. Для исключения влияния деформаций закрепления при затяжке узлов крепления на показатели точности центровки монтаж дизелей и редукторов выполнялся по технологии «клин с полимером».

Применение процессов совместной центровки позволило совместить монтажные работы по дизелю и главному редуктору и сократить длительность монтажных работ на 30 - 40 %.

Более сложные методы потребовалось для центровки линии вала турбогенератора типа ВТ- 22,5 в ОАО «ТГК-1» (см. акт в приложении Е). В линию вала турбогенератора входят ротор турбины, ротор генератора и ротор возбудителя. Конструктивно генератор был выполнен в виде электрической машины с выносными подшипниками. Пространственное положение ротора турбины ограничивалось требованиями к уклону ротора относительно горизонтальной плоскости.

Для центровки турбогенератора потребовалось использование трех методов центровки (рисунок 6.1), включающих совместную центровку трех роторов, центровку с контролем отклонений от заданного пространственного положения и центровку электрических машин с выносными подшипниками.

Технологический процесс центровки турбогенератора включает в себя «грубую» центровку по щупу и линейке, проворачивание роторов турбогенератора и измерение текущих значений изломов и смещений в соединениях валов, измерение зазоров по магнитной системе и уклонов роторов, расчёт технологических параметров центровки и наконец, центровку агрегата по методу разовой сборки или за один обход отжимных приспособлений.

Более сложными для сборки и монтажа изделиями по сравнению с рассмотренными агрегатами являются зональные блоки современных судов. При массогабаритных характеристиках сравнимых с главными машинами и механизмами зональные блоки имеют крепления расположенные как в горизонтальных, так и в вертикальных плоскостях. Количество контролируемых параметров при монтаже зональных блоков превышает 60-80 значений и охватывает монтажные и амортизационные зазоры, опорные нагрузки в заданных точках, требования к качеству сборки узлов крепления и др.

Для сборки и монтажа зональных блоков (Приложение Е. Акты внедрения на ОАО «СПМБМ «Малахит» и ОАО «ПО «СМП») потребовалось выполнить разработку руководящего документа [140], предусматривающего комплексное использование разработанных в настоящей работе технологических решений.

В технологическом процессе предусмотрено (рисунок 6.1):

— базирование зональных блоков по методу разовой сборки с автоматическим регулированием опорных нагрузок. Для выполнения операций базирования и регулирования опорных нагрузок разработана технологическая система базирования с автоматическим регулированием опорных нагрузок;

— совместное регулирование нагрузок динамометров и амортизаторов.

Применение методов трехмерного моделирования при разработке

процессов сборки и монтажа СМЕ позволяют повысить геометрическую точность присоединительных поверхностей СМЕ, технических средств, входящих в их состав, и трубопроводов. Это в свою очередь позволяет от процессов сборки и монтажа СМЕ по методу пригонки перейти к их производству по методу взаимозаменяемости.

Исходя из достигнутого уровня развития технологии обработки отверстий и присоединительных поверхностей СМЕ и фундаментов, освоение процессов сборки и монтажа СМЕ по методу взаимозаменяемости в производстве производилось в два этапа.

На первом этапе выполнено внедрение процессов сборки и монтажа по методу взаимозаменяемости для ограниченной номенклатуры СМЕ. По параметру отклонения расположения осей отверстий для прохода крепежных деталей, потребовалось ограничить область распространения СМЕ одной плоскостью крепления и расстояниями между осями отверстий не более одного метра. По параметру отклонения от плоскостности присоединительных поверхностей ограничить размеры нормируемых участков СМЕ и фундаментов значениями 400 мм.

Для внедрения процессов сборки и монтажа СМЕ автором настоящей работы разработаны отраслевые и государственный стандарты [16;39;40].

В отраслевом стандарте [16] установлены нормы взаимозаменяемости присоединительных поверхностей СМЕ, фундаментов и амортизаторов. В приложении приведены указания по выбору технологических процессов изготовления фундаментов и выбору способов крепления.

В стандарте [40] подробно изложен технологический процесс монтажа главных и вспомогательных механизмов по технологии «клин с полимером». Для отработки и распространения технологии выполнен ряд исследовательских работ [141-143] и разработаны типовые технологические процессы и руководящие документы [139;144-147].

Выполненные разработки охватывают широкий диапазон способов крепления, в том числе по расположению присоединительных поверхностей -горизонтальное, наклонное и подволочное крепление, распространяются на сборку фланцевых соединений без подкладок, сборку и монтаж в условиях отрицательных температур и др.

Технология применима для монтажа СМЕ как с жестким, так и амортизирующим креплением, установке судовых СМЕ с высокой точностью базирования.

Широкое распространение технология «клин с полимером» получила в судоремонте.

Особую заинтересованность в судоремонте проявили к возможности установки болтов нормальной точности с применением пластмассы взамен установки болтов высокой точности в отверстия из-под развертки. На основе принципов технологии «клин с полимером» в период разработана технология монтажа механизмов на композиционных подкладках, состоящих из тканого материала пропитанного эпоксидным связующим. Технология монтажа механизмов на композиционных подкладках заложена в основу ряда типовых технологических процессов [148;149] и руководящего отраслевого документа [150].

Особенностью композиционных подкладок является возможность изготовления по месту подкладки переменной толщины от 0,5 до 10 мм.

Технология нашла применение при строительстве серийных заказов пр.12911, 12913, сухогрузов на СЗ «Красное Сормово».

На СЗ «Северная верфь» технология успешно применена на заказе 713 для ремонта креплений антенн и устройств специальной техники, что позволило исключить работы по ремонту присоединительных поверхностей фундаментов.

Для обеспечения применения технологии «клин с полимером» при строительстве кораблей совместно с ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова» выполнены испытания узлов крепления на ударостойкость. Совместно с ОАО «ЦКБ МТ «Рубин» разработаны, испытаны на горючесть, санитарно-химические показатели и согласованы на применение составы с повышенной тиксотропностью.

Для применения технологии при строительстве и ремонте судов технические требования к монтажу механизмов по технологии «клин с полимером» введены в основные монтажные стандарты [16;22;24].

Важным преимуществом креплений с применением пластмасс по сравнению с креплениями на металлических подкладках является снижение уровня шума и вибрации, что проявилось при монтаже судовых низкооборотных дизелей типа ДКРН и др.

Показателен опыт ремонта крепления подшипника № 4 турбогенератора типа ПТ-30 в ОАО «ТГК-1» (см. акт внедрения в приложении Е). С монтажа до капитального ремонта турбогенератор отработал 7 лет. Практически весь этот период наблюдалось нарушение вибрационного состояния агрегата, выражавшееся в увеличении вибрации подшипника № 4 по виброскорости до значений 6,8 - 7,5 мм/с. В соответствии с правилами технической эксплуатации производились неоднократные выводы агрегата из эксплуатации для устранения причин вибрации. Опробованные способы уменьшения вибрации результатов не дали. Непродолжительно удавалось снизить вибрацию агрегата с помощью «джек-болтов», устанавливаемых между подшипником № 4 и корпусом генератора.

В период капитального ремонта по предложению автора настоящей работы был выполнен ремонт крепления подшипника № 4 к фундаменту по технологии «клин с полимером». В результате использования технологии удалось снизить вибрацию до значений 2,8 - 3,7 мм/с2 и соответственно выполнить требования правил технической эксплуатации.

Возможность снижения вибрации за счет применения пластмасс в узлах крепления свидетельствует об актуальности проведения исследований в этом направлении.

В государственном стандарте [39] установлены числовые значения позиционных допусков отверстий СМЕ, машин, механизмов, аппаратов, электрооборудования, приборов, фундаментов, промежуточных рам и амортизаторов, указания по выбору значений допусков и их пересчету на предельные отклонения размеров, координирующих расположение осей отверстий. Дополнительно в стандарт включены способы указания допусков на чертежах специфичные для судостроения и отсутствующие в стандартах ЕСКД.

В связи со сложностью объекта стандартизации по предложениям заинтересованных предприятий введение стандарта производилось ступенчато с дифференцированными сроками.

Для обеспечения внедрения процессов монтажа СМЕ по методу взаимозаменяемости потребовалось выполнение комплекса научно-технических и организационных мероприятий [131], включающих:

— разработку процессов обработки и контроля расположения осей отверстий;

— оценку точности существующих процессов изготовления амортизаторов и разработка предложений по использованию во взаимозаменяемом производстве выпускаемых амортизаторов;

— разработку рекомендаций по обеспечению взаимозаменяемости амортизаторов при новом проектировании;

— выполнение работ по унификации присоединительных размеров СМЕ;

— внесение требований взаимозаменяемости в отраслевую нормативную документацию.

Для решения технологических вопросов разработан руководящий документ, устанавливающий правила проектирования процессов обработки и контроля расположения отверстий [151] при выполнении монтажа СМЕ по методу взаимозаменяемости.

В правилах проектирования приведены положения устанавливающие порядок выбора технологии обработки и контроля расположения осей отверстий в зависимости от схемы простановки размеров и применяемых допусков расположения. Приведены зависимости для перехода от позиционных допусков к предельным отклонением размеров, координирующих расположение осей отверстий, или к комбинированным способам задания отклонений расположения отверстий.

Целью проведения работ по оценке точности существующих процессов изготовления амортизаторов является выбор вариантов использования задела амортизаторов, изготовленных до введения норм взаимозаменяемости, и что более важно решение вопроса о дальнейшем применении парка пресс-форм для изготовления амортизаторов. По своим техническим характеристикам пресс-формы относятся к сложным изделиям, имеют высокую стоимость и не могут

быть заменены в сжатые сроки без нарушения процесса производства амортизаторов.

Результаты измерения применяемых амортизаторов показали, что точность их изготовления по параметру отклонения расположения осей отверстий не ограничивает возможность монтажа СМЕ по методу взаимозаменяемости. При этом для широко применяемых амортизаторов типа АКСС на период до введения норм взаимозаменяемости по согласованию с судостроительными предприятиями признано допустимым производить сборку узлов крепления при проценте риска до 3,4 %.

Технические решения, обеспечивающие производство амортизаторов в соответствии с нормами взаимозаменяемости заложены в основу руководящего отраслевого документа [152] в виде рекомендаций по проектированию амортизаторов и пресс-форм для их изготовления.

В рекомендациях приведены зависимости для расчета допусков планок и пресс-форм для различных схем базирования планок амортизаторов в пресс-форме. Для распространенных схем базирования планок в пресс-форме приведены числовые значения допусков планок и базирующих элементов пресс-форм.

На первом этапе внедрения процессов сборки и монтажа по методу взаимозаменяемости удалось обеспечить независимую обработку отверстий и присоединительных поверхностей у СМЕ и технических средств, входящих в их состав и фундаменты под них, в количестве до 85% от общего объема. Однако для крупных СМЕ требовалось применение обработки отверстий по месту. Не удалось исключить пригоночные работы при креплении СМЕ на резинокордовых амортизаторах типа АПРК и АПРКу линейные размеры планок, которых превышали 400 мм.

Условия для реализации второго этапа внедрения беспригоночных процессов сборки и монтажа СМЕ сложились ориентировочно в 2005-2010 г.г. К этому времени проектанты судов перешли к широкому применению методов 3D моделирования при проектировании судов. И что еще более важно - на рынке

средств измерений появились предложения по современным компьютерным оптоэлектронным средствам измерений. Эти два условия являются необходимыми для выполнения трёхмерного моделирования процессов сборки и монтажа СМЕ, повышения на этой основе геометрической точности присоединительных поверхностей и перехода к беспригоночным процессам производства крупных СМЕ.

Для внедрения беспригоночных процессов сборки и монтажа крупных СМЕ в проектирование и производство АПЛ «Ясень» (Приложение Е. Акты внедрения на ОАО «СПМБМ «Малахит» и ОАО «ПО «СМП») в руководящем документе [140] предусмотрено:

— сборка и монтаж зональных блоков с применением проектных 3D моделей и компьютерных оптоэлектронных измерительных систем;

— установка предварительно обработанных на стационарном оборудовании платиков зональных блоков и фундаментов с применением полимерного материала.

Возможность распространения беспригоночных процессов сборки и монтажа на СМЕ с креплениями в различных плоскостях, в частности на фланцы для подключения трубопроводов, позволяет усовершенствовать также и процессы изготовления и монтажа судовых трубопроводов.

Сложность обеспечения взаимозаменяемости трубопроводов обусловлена противоречием между жесткими допусками трубопроводов, назначаемыми из условий собираемости и достигнутой точностью производства трубопроводов.

Технология, предусматривающая устранение указанного противоречия на основе рассмотрения трубопровода как нежесткого изделия заложена в основу отраслевого руководящего документа, устанавливающего технические требования к изготовлению и монтажу трубопроводов судовых систем по методу взаимозаменяемости [133].

Технология производства трубопроводов по методу взаимозаменяемости включает:

— требования к проектированию трубопроводов;

— показатели точности трубопроводов, как нежесткого изделия, для двух состояний: закрепленного в процессе монтажа и в свободном состоянии после изготовления трубопровода;

— числовые значения допустимых монтажных деформаций трубопроводов, установленные исходя из необходимости исключения пластических деформаций при сборке соединений;

— технологические процессы монтажа трубопроводов по методу взаимозаменяемости при строительстве и ремонте судов;

— методы контроля основных технологических операций изготовления и монтажа трубопроводов;

— рекомендации по выбору вариантов технологических процессов изготовления и монтажа трубопроводов и соответствующих средств технологического оснащения.

Апробация требований взаимозаменяемости трубопроводов выполнена при разработке и испытаниях стенда для сборки забойных трубопроводов с арматурой модели СГТ-160М в процессе его модернизации по договору с ОАО «Севмаш» для определения и контроля показателей точности технических параметров стенда.

Преимущества выполненных разработок позволили применить их при разработке принципиальных технологий строительства судов на действующих и проектируемых российских и зарубежных верфях [153-163]. В частности процессы сборки зональных блоков трубопроводов с применением технологических опор, устанавливаемых по 3D модели с помощью современных оптоэлектронных систем измерений применительно к грузовым системам танкеров и газовозов заложены в основу принципиальных технологий [164-165].

Акты внедрения результатов работы в учебный процесс, проектирование и производство приведены в приложении Е.

6.2 Технико-экономическая эффективность выполненных разработок

Использование технологий сборки и монтажа СМЕ с применением математического и трехмерного моделирования приводит к качественным изменениям основных операций.

К таким операциям относятся (на рисунке 6.1 выделены цветом):

— центровка механизмов, входящих в состав СМЕ;

— базирование СМЕ;

— регулирование опорных нагрузок СМЕ (при вывешивании на стенде, на заказе, при переводе на амортизаторы);

— обработка присоединительных поверхностей и отверстий СМЕ и фундаментов;

— установка платиков, подкладок и амортизаторов;

— изготовление сборка и монтаж трубопроводов.

Особенностью процессов центровки, базирования и регулирования опорных нагрузок СМЕ является достижение установленной точности расположения поверхностей СМЕ и опорных нагрузок по методу регулировки. Эффективность выполненных разработок обеспечивается за счет перехода от регулирования отжимных приспособлений и динамометров по методу «проб и ошибок» к регулированию по методу разовой сборки на основе математического моделирования процессов.

Причинно-следственные связи методов и средств применяемых для совершенствования технологий с достигаемыми технико-экономическими показателями представлены на рисунке 6.2.

1 2

Предмонтажная Погрузка

подготовка СМЕ

Установка амортизаторов

5

Предмонтажная

подготовка амортизаторов

Перевод СМЕ на

амортизаторы

1 Предмонтажная подготовка

Формирование помещения заказа

Формирование СМЕ на стенде, обработка опорных поверхностей СМЕ и отверстий, защита обработанных поверхностей СМЕ, вывешивание СМЕ на стенде и т.д.

Измерение контролируемых параметров и анализ условий собираемости СМЕ с фундаментом

2 Погрузка СМЕ

Транспортировка СМЕ. Центрирование СМЕ относительно помещения

Монтаж технологической оснастки

Погрузка СМЕ в помещение

Демонтаж оснастки и установка СМЕ жесткие опоры

3 Базирование СМЕ

Сборка гидравлической схемы

К

Подъем СМЕ и демонтаж жестких опор

Базирование

Перевод на жесткие опоры

>

4 Вывешивание СМЕ

Перевод СМЕ с жестких опор на гидродомкраты

Проверка на соответствие требованиям монтажного чертежа

Перевод СМЕ на жесткие опоры, раскрепление

5 Предмонтажная подготовка амортизаторов

Входной контроль амортизаторов

Раскладка амортизаторов по результатам вывешивания

Погрузка амортизаторов

6 Установка амортизаторов