IMPLEMENTATION OF AUTOMATED SYSTEM FOR MANUFACTURING OF PIPELINES OF ROCKET ENGINES

Full Text

Введение. Проектирование, изготовление и монтаж трубопроводных систем жидкостных ракетных двига- телей (ЖРД) являются сложными задачами, связан- ными с размещением участков магистралей трубо- проводов в ограниченных пространствах по причине плотной компоновки (рис. 1). В связи с этим трубо- проводы современных ЖРД имеют следующие конст- руктивные особенности [1]: - отсутствие или незначительное число прямоли- нейных участков и участков, описываемых кривыми второго порядка, преобладание произвольного построе- ния траектории трубопровода, исходя из монтажного объема изделия или агрегата; - малое количество плоских элементов, заданных двумя координатами, преобладание объемных эле- ментов, заданных координатами, радиусом и углом; - колебание конечных координат стыковки тру- бопровода к элементам двигателя; - значительный ассортимент и типоразмеры при- меняемых труб; - значительный ассортимент материалов труб; - наличие явления пружинения материала; - необходимость при проектировании трубопро- вода попасть в зону упругих деформаций материала и тем самым заложить основу серийного (партионного) изготовления трубопроводов. Рис. 1. Пример компактного расположения трубопроводов со сложной пространственной геометрией на двигателе РД-182 Fig. 1. An example of a compact arrangement of pipelines with complex spatial geometry of the RD-182 engine К трубопроводам предъявляются высокие требова- ния по прочности, жесткости, герметичности, коррозионной стойкости, а также по геометрической точности и состоянию поверхности. В соответствии с заданны- ми нагрузками и условиями эксплуатации основными материалами для изготовления трубопроводов являются легированные хромоникелевые стали (12Х18Н10Т, Х18Н9Т), алюминиевые сплавы (Д16, АМг6), титановые сплавы (ОТ4, ВТ6), жаропрочные сплавы (ХН60ВТ, ХН77ТЮР) и другие материалы с высокими физико- механическими характеристиками [2; 3]. Основная методика, по которой разрабатывается комплект технологической документации на изготов- ление и монтаж трубопроводов, описана в отраслевых стандартах (ОСТ 92-1600-84, ОСТ 92-1601-84, ОСТ 92-1602-92) и подразделяется на несколько эта- пов [4; 5]: - создание полномасштабного макета ракетного двигателя (РД); - создание по изготовленному макету эталонных трубопроводов; - изготовление штатных трубопроводов по эталонам; - монтаж штатных трубопроводов на РД с выпол- нением неизбежной подгибки. Представленный процесс требует большого коли- чества ручного труда и не гарантирует обеспечения оптимальной конфигурации и надлежащего качества продукции. С другой стороны, сама конструкторская докумен- тация на узлы трубопроводов со сложной пространст- венной конфигурацией представляет собой чертежи либо со схематичным изображением траектории трубопровода, либо с большим количеством видов и сечений, что также приводит к усложнению процес- са изготовления и монтажа трубопровода без выпол- нения предварительного макетирования. Одним из путей решения указанных проблем является внедрение в технологический процесс произ- водства жидкостного ракетного двигателя комплекс- ной автоматизированной системы изготовления узлов трубопроводов сложной конфигурации с применением 3D-моделирования, что в свою очередь позволит [6-8]: - исключить сложный, дорогостоящий и трудо- емкий процесс эталонирования трубопроводов; - повысить точность изготовления и сборки тру- бопровода; - исключить операцию подгибки по месту; - автоматизировать часть технологического про- цесса от проектирования до монтажа трубопроводов на двигатель; - исключить влияние субъективного человеческого фактора на основных этапах работ; - усовершенствовать технологию изготовления трубопроводов и их монтажа в составе РД за счет пе- рехода на работу с 3D-моделью двигателя и визуали- зации процесса монтажа с установленной последова- тельностью сборки (создание видеороликов для обу- чения персонала сборочных производств); - создать и хранить конструкторско-технологи- ческие данные о каждом трубопроводе в электронном виде в единой базе данных. Алгоритм работы автоматизированной системы изготовления трубопроводов. На предварительном Подпись: i i этапе производится определение длины заготовки трубопровода. Для трубопроводов, имеющих изгибы и прямолинейные участки, длина заготовки рассчиты- вается методом развертки осевой линии [9]: L = ål1 +å Ri ×ji , 1 1 Исходные геометрические параметры и данные по конфигурации узла трубопровода можно получить двумя способами [10; 11]: 1. Измерив эталон-трубопровод с помощью совре- менных контрольно-измерительных машин (рис. 2). Данный способ наиболее подходит для внедрения системы на этапе серийного изготовления ЖРД. где i ål1 i 1 - сумма длин прямолинейных участков; 2. Получив геометрические параметры трубопро- вода из созданной конструктором 3D-модели двигате- ля (при этом необходимо корректировать координаты å Ri × ji 1 - сумма длин криволинейных участков; Ri - мест стыковки путем их измерения контрольно- измерительной машиной (КИМ) и внесения соответрадиус кривизны осевой линии трубопровода на i-м участке; φi - угол изгиба на i-м участке. Определение длины заготовки необходимо прово- дить с учетом припусков на обработку торцов, при- варку ниппелей, штуцеров и других соединительных элементов. ствующих изменений в 3D-модель) (рис. 3, 4). Этот способ предназначен для внедрения автоматизиро- ванной системы на этапе отработки (освоения) произ- водства современных ЖРД, поскольку они проекти- руются с применением 3D-моделирования. Рис. 2. Алгоритм работы системы (вариант 1) Fig. 2. Algorithm of the system operation (option 1) Рис. 3. Алгоритм работы системы (вариант 2) Fig. 3. Algorithm of the system operation (option 2) Рис. 4. 3D-модель трубопровода Fig. 4. 3D model of the pipeline На следующем этапе необходимо создать управ- ляющую программу (УП) для осуществления гибки трубы на станке с числовым программным управле- нием, для чего может использоваться специальное технологическое программное обеспечение (напри- мер, TezetCAD). Данное технологическое програм- мное обеспечение позволяет в автоматическом режи- ме на основе предоставленных данных разработать управляющую программу для трубогибочного станка с ЧПУ и представляет её либо в формате, поддержи- ваемом данной моделью оборудования, либо в виде таблицы MS Excel [12]. При составлении УП необходимо учитывать тре- бования нормативной документации (ОСТ 92-1600-84) в части установки радиусов изгиба трубы: - изгибы должны быть выполнены одним радиу- сом и не иметь двойной кривизны в пределах одного гиба; - минимальные радиусы гибки трубы различных диаметров и с различными толщинами стенок по средней линии должны быть не менее величин, ука- занных на графике (рис. 5) [13; 14]. Также при создании управляющей программы для станка необходимо учитывать эффект пружинения материала. Расчет угла гиба трубы с учетом пружине- ния осуществляется следующим образом [4; 7]: 1. Угол гиба трубы с учетом пружинения опреде- ляется по формуле l¢ = l + Dl, где λ - угол гиба трубы; Δλ - величина угла пружинения. 2. Величина Δλ рассчитывается по формуле 0 Dl = 57, 3× p×l (1- n + m × R ), 180 где R0 - осевой радиус гиба трубы; n и m - коэффи- циенты, учитывающие материал, диаметр и толщину стенки трубы. 3. Коэффициенты n и m определяются по следую- щим формулам: 16 × П × S × R3 3E (R - R ) n = 1- c , 4 4 н в 32s × S × R2 3Ep×(R - R ) m = 0 c , 4 4 н в где S - толщина стенки трубы; Rн - наружный радиус трубы; Rс - средний радиус трубы; Rв - внешний радиус трубы; П - модуль упрочнения; Е - модуль упругости; σ0 - предел текучести. На следующем этапе данные управляющей про- граммы необходимо внести в блок управления станка с ЧПУ для осуществления гибки трубы с последующим контролем конфигурации при помощи КИМ (путем сравнения исходной 3D-модели и данных, получен- ных в процессе измерения изготовленного трубопро- вода). В случае успешного прохождения операции контроля труба допускается в дальнейшую работу. Заключение. Применение представленной техно- логической системы позволит исключить сложный и трудоемкий процесс эталонирования трубопрово- дов, снизить долю ручного труда в технологическом процессе производства ЖРД, повысить точность изго- товления и сборки трубопровода, исключить необхо- димость подгибки трубопровода при монтаже, ис- ключить из конструкции двигателя компенсирующие звенья. Рис. 5. График, определяющий зависимость радиуса допустимого изгиба трубы (R) от её диаметра (D) и толщины стенки (S) для осуществления холодной гибки Fig. 5. The graph that determines the radius of the permissible bending of the pipe (R) from its diameter (D) and the wall thickness (S) for bending

About the authors

E. N. Yartsev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: yartseven.akruks@gmail.com
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

V. P. Nazarov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

N. S. Teryaev

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files