THEORETICAL-PROBABILISTIC ESTIMATION OF THE VOLUME OF WORK IN PROGRESS IN THE ASSEMBLY OF THE TURBINE WHEEL

Full Text

ВВЕДЕНИЕ В современных условиях перед производством стоит задача постоянного снижения себестоимости процесса изготовления и повышения качества продукции. Это связано с появлением новых технологий и необходимостью им соответствовать с целью занятия конкурентоспособных позиций в пределах своего рынка. В машиностроительном производстве эти задачи выражены повышением производительности всех элементов производства, а также повышением эффективности предприятия. Для достижения этих целей на производстве происходит постоянное совершенствование технологического процесса с целью его автоматизации и механизации. Однако если для механообрабатывающих операций уже давно применяются оборудование с числовым программным управлением (позволяющие исключить в значительной степени человеческий фактор, увеличить производительность технологических переходов, а так же снизить себестоимость операции), то для сборочных операций такой уровень автоматизации еще не достигнут ввиду отсутствия на рынке сборочного оборудования, способного производить сборку таких сложных узлов, как, например, колесо турбины третьей ступени ГТД. Это делает сборочный процесс одной из самых трудоёмких и дорогостоящих технологических операций. Повышение эффективности производства, выраженного в качественном отношении работоспособностью готового изделия, возможно достичь несколькими способами. Во-первых, можно сузить поля допусков размеров составляющих деталей, что приведет к повышению точности изготовления, возможно, снижению брака, а так же к сборке без дальнейшей доработки деталей. Главным недостатком при этом является значительное увеличение финансовых затрат на производство, связанных в первую очередь с большими временными затратами на обработку. Во-вторых, внедрение в процесс сборки предварительных компьютерных расчетов, суть которых заключается в технологии «ложных сборок», где в качестве исходных параметров используются данные измерений лопаток и диска. Целью исследования является совершенствование производства рабочих колёс турбины ГТД на основе оптимизации технологических параметров их сборочного процесса, приводящих к снижению объемов незавершенного производства лопаток. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В зарубежных исследованиях вопрос оптимизации чаще всего решается применением компьютерных технологий и виртуального моделирования. В статье [1] рассматривается система автоматизированной сборки для компонентов авиационных двигателей. Исследование проводится на примере сборки двух лопаток турбины двигателя General Electric GEnx. Система состоит из следующих компонентов: промышленного робота, лазерного триангуляционного датчика (камера и лазерная калибровка, 3D восстановление с использованием лазера и камеры), движущий компонент робота (генератор траектории), измерительных устройств, датчика коррекции (центровка). В результате исследования авторы провели эксперимент, итогом которого стало выравнивание двух компонентов сборки, при условии замкнутости контура, с точностью 0,12 мм. Процессы сборки некоторых изделий имеют определенную схожесть. Это связано с подобием компонентов сборки. Следуя этой мысли, авторы статьи [2] предложили извлекать информацию о подобии из существующих геометрических моделей сборок. Исследователи представили метод для характеристики и структурирования моделей САПР, позволяющих извлекать аналогичные модели из базы данных. Поиск моделей осуществляет согласно выбранным пользователем критериям. Такой путь оптимизации позволит значительно сократить время предварительного процесса сборки, однако потребует широкой базы данных. Авторами статьи [3] рассматривается процесс сборки турбины высокого давления, при этом для оценки рисков и степени влияния различных факторов на собираемости конструкции и дальнейшую работоспособность применяются байесовские сети (BBN) и процесс аналитической иерархии (AHP). AHP - это многокритериальный метод принятия решений, разработанный с целью решения сложных задач, содержащих различные альтернативы. Методология AHP делит сложную задачу на мелкие части, чтобы ранжировать иерархически, тем самым определяется относительная важность альтернатив. В эксперименте детали измеряют на предмет концентричности, перпендикулярности и биения. Эти данные сохраняются и структурируются для дальнейшего использования в прогнозировании сборки. Однако к оптимизации сборочного процесса можно подойти и с другой стороны. На сегодняшний день все больше встречаются исследования отечественных и зарубежных научных деятелей, связанные с вопросом о незавершенном производстве и способах его снижения [4-10]. В данной работе мы постараемся объединить эти два направления оптимизации сборочного процесса, чтобы получить наибольший эффект. ТЕОРЕТИКО-ВЕРОЯТНОСТНАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКТАЦИИ СБОРКИ РАБОЧЕГО КОЛЕСА ТУРБИНЫ Рассмотрим технологию сборочного процесса объекта исследования. Процесс сборки РК турбины носит сложный характер и включает в себя несколько так называемых «ложных сборок», по результатам которых осуществляется окончательный сборочный процесс (рис. 1). Суть ложных сборок заключается в предварительной проверке собираемости лопаток с диском на предмет соответствия основных сборочных параметров значениям, указанным в технических требованиях сборочного чертежа. По результатам каждой ложной сборки следуют доводочные операции, например, такие как: шлифование бандажных полок лопаток (в связи с несоответствием одного из главных сборочных геометрических параметров - зазора между соседними лопатками по бандажному диаметру). Однако процесс сборки оказывается под влиянием многих факторов: точность оснастки, измерительного инструмента, погрешность и износ механообрабатывающего оборудования, человеческий фактор. Замен реальных операций ложных сборок предварительными компьютерными расчетами позволит сократить влияние вышеперечисленных факторов и повысить конечную точность сборочной единицы. В рамках исследования была разработана теоретико-вероятностная модель комплектации процесса сборки рабочего колеса турбины (рис. 2). При сборке рабочего колеса турбины основным фактором работоспособности сборочной единицы является качество сборки диска с рабочими лопатками. Комплектация лопаток в соответствующих пазах диска определяется следующими требованиями: - равномерностью распределения лопаток по массе или достижения заданного вектора дисбаланса; - величиной качки лопаток в диске, определяемой размерами замковой части; - обеспечением зазоров Е, Ж, Д, в соответствии с рисунком 3; - разворотом торцевой части бандажной полки относительно торцевой части замковой полки, что обеспечивает условие обеспечения заданного натяга Н. Несоответствие вышеперечисленных условий требуемым значениям влечет за собой либо дополнительную обработку (доводочные операции), либо объявление лопатки бракованной и последующую её замену. Для этих целей при изготовлении лопаток формируют некоторый объем незавершенного производства (НЗП). РАСЧЕТ ОБЪЕМОВ НЕЗАВЕРШЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА В настоящее время количество лопаток, отливаемых в рамках незавершенного производства, весьма значительное, что существенно повышает общую стоимость производства рабочего колеса турбины. Особенно важно, что объем незавершенного производства складывается из количества НЗП, необходимого на каждом этапе изготовления лопаток (рис. 4). Сокращение объемов НЗП позволило бы повысить экономическую эффективность производства. В данной работе рассматривается суммарный задел НЗП, включающий в себя две составляющие: технологический задел - незавершенная продукция, находящаяся в непосредственном производстве, и страховой задел - определенный запас деталей, создаваемый для обеспечения бесперебойной работы линии в случае аварии или задержек поступления деталей из предыдущих участков производственного процесса. Расчет технологического задела осуществляется по формуле (1): (1) где nопт - размер партии деталей в цехе, измеряется в штуках, Топ - длительность обработки партии изделий по операциям в цехе, Пзап - периодичность запуска-выпуска для партии деталей, в сменах. Расчет технологического задела осуществляется по формуле (2): , (2) где tмо - время ожидания партии деталей между выпуском ее на предыдущем рабочем месте и запуском на последующем (время межоперационного ожидания), обычно принимают равным числу смен; Тпл - длительность планового периода производственной программы, измеряется в сменах; N - размер партии деталей, между выпуском на предыдущем и запуском на последующем, измеряется в штуках. Согласно теоретико-вероятностной модели комплектации сборки рабочего колеса турбины, реализованной в программном пакете MATLAB, было определено, что для комплектации рабочего колеса (содержащего 91 лопатку) по величине качки лопаток в диске, необходимо иметь задел НЗП, равный 153 лопаткам (рис. 5). Применяя эти данные при расчете объема незавершенного производства, получим следующие результаты (табл. 1). Расчеты проводились исходя из условий серийного производства, при выпуске в год 20 годных газотурбинных двигателей. Из таблицы видно, что для комплектации рабочего колеса 91 лопаткой для 20 турбин необходимо учитывать незавершенное производство в объеме 1072 единицы. Теоретико-вероятностная модель сборочного процесса колеса турбины ГТД позволят точно рассчитать величину объема незавершенного производства, что способствует повышению эффективности производства. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В рамках работы модель была использована лишь для расчета НЗП, дальнейшее исследование предполагает расширение применения модели и изменение технологии сборки рабочего колеса турбины в виду отсутствия необходимости ложных сборок. Однако при этом большая ответственность возлагается на измерительную часть производственного процесса, т.к. от точности измерений будет напрямую зависеть точность расчета теоретико-вероятностной модели. Рис. 1. Схема процесса сборки рабочего колеса турбины Рис. 2. Теоретико-вероятностная модель комплектации сборки рабочего колеса турбины Рис. 3. Фрагмент рабочего колеса турбины Рис. 4. Задел НЗП на различных стадиях производственного процесса Рис. 5. Графическое решение количества НЗП по комплектации для условия соответствия величины качки Таблица 1. Результаты расчета незавершенного производства для рабочего колеса турбины

About the authors

Michael Aleksandrovich Bolotov

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Email: maikl.bol@gmail.com
Candidate of Technics, Associate Professor at the Engine Production Technology Department

Tatyana Vasil'evna Efremova

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Email: flame_tt@mail.ru
Master’s Degree Student

Mariya Viktorovna Yanyukina

Samara National Research University named after Academician S.P. Korolyov

Email: mary392@mail.ru
Graduate Student, S enior Lecturer at the Engineering Graphics Department

References

Supplementary files