автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии ремонта дисков газотурбинных авиационных двигателей с использованием ресурсосберегающих технологий

На правах рукописи

Бессудное Иван Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ДИСКОВ ГАЗОТУРБИННЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рыбинск-2014

15 т 2С14

005548017

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева»

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Безъязычный Вячеслав Феоктистович.

Официальные оппоненты:

Бочкарев Петр Юрьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой «Проектирование технических и технологических комплексов»;

Макаров Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор, «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», заместитель заведующего кафедрой «Инновационные технологии машиностроения».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

Защита диссертации состоится 10 июня 2014 г. в 12:00 на заседании диссертационного совета Д 212.210.01 в федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева» по адресу: 152934, г. Рыбинск, Ярославской области, ул. Пушкина, 53, ауд. Г-237.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева».

Автореферат разослан ,9 ¿У/УУ^^Я- 2014 г.

Ученый секретарь —

диссертационного совета ^У "Конюхов Борис Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Модернизация производственных процессов при ремонте авиационных двигателей является актуальной темой в современной авиационной промышленности.

В авиационной промышленности ведущих стран мира накоплена большая база решений вопросов организационно-экономического плана, возникающих при восстановительном ремонте. Внедрение зарубежного опыта по организации ремонтного обслуживания двигателей и агрегатов в российских реалиях ограничено рядом причин:

- начальные параметры объектов, характеризующиеся экономическими показателями существенно различны;

- малые объемы производства товаров авиационной промышленности в России по сравнению с ведущими мировыми производителями;

- основные элементы рыночной экономики, сложившиеся за рубежом, в нашей стране находятся на стадии становления;

- наиболее инновационные и прогрессивные технологии ремонта деталей авиационных двигателей недоступны к применению на практике ввиду ограничения прав на использование интеллектуальной собственности.

Ремонт авиационных двигателей, как составляющая авиационной промышленности, в плане бизнес развития в России требует наличия обоснованного методического обеспечения. Существенным недостатком современной авиационной промышленности является то, что выполнение ремонта производится на производственных участках, что осложняет использование современных прогрессивных технологий. Повышение надежности двигателей неразрывно связано с качеством деталей, которое зависит от характеристик рабочих поверхностей.

Совершенствование технологии ремонта должно учитывать опыт применения прогрессивных способов обработки. Применение прогрессивных технологических процессов, использование достижений технологической науки в ремонтном производстве будет способствовать изготовлению надежных и долговечных двигателей.

Актуальным вопросом экологии и защиты окружающей среды является ресурсосбережение. Проблемы эффективного ресурсопотребления всегда являлись достаточно актуальными. Ресурсосбережение при правильном решении имеет и вторую сторону важной проблемы - повышение конкурентоспособности за счет снижения затрат и уменьшения цены.

Рациональное применение технологических процессов восстановления конкретных деталей определяется главным образом выбором способа, обеспечивающего наибольшую долговечность деталей при наименьших затратах на их восстановление. Обоснование выбора оптимального способа восстановления детали или группы деталей является важной и сложной задачей, которую следует решать в комплексе технических, экономических и организационных вопросов.

Технологические возможности способов восстановления и ремонта

позволяют быстро и качественно подготовить к эксплуатации различное оборудование, сэкономить время и средства, что непременно отразится на себестоимости конечной продукции.

В связи с выше изложенным разработка новых прогрессивных методик повышения эффективности ремонтного производства газотурбинных двигателей на основе применения прогрессивных ремонтных технологических процессов, с учетом специфики авиационного двигателестроения актуальна, что послужило основой выбора темы исследования.

Цель работы. Разработка теоретических и практических положений по применению ресурсосберегающих технологий с учетом технологичности ремонтируемых деталей и себестоимости ремонта, а также определению путей рационального использования технологий при ремонте.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ конструктивных особенностей деталей газотурбинных двигателей, подвергающихся ремонту, и их дефектов при поступлении в ремонт.

2. Анализ существующих технологий ремонта с позиции ресурсосбережения.

3. Анализ возможности разработки групповых технологических процессов ремонта деталей с учетом их технологичности.

4. Поиск возможных путей экономии ресурсов.

5. Разработка алгоритма выбора технологий ремонта.

6. Разработка методики применения ресурсосберегающих технологий.

Научная новизна заключается в

- разработке комплекса качественных и количественных показателей ремонтной технологичности;

- разработке критерия оценки технологичности деталей и способов их ремонта, учитывающих конструктивные особенности деталей, требования по точности и качеству их обработки, а также свойства обрабатываемого материала;

- разработке алгоритма выбора оптимального способа ремонта на основании конструктивных, технологических и экономических показателей, характеризующих процесс ремонта.

Практическая значимость работы

Разработанная методика выбора способа ремонта позволяет технологу на стадии проектирования технологического процесса выбрать оптимальный из них с точки зрения экономии ресурсов и достижения требуемого качества ремонта.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Критерий оценки технологичности, учитывающий технологическую сложность детали применительно к выбору способа ремонта, требования по точности и качеству ремонта с учетом свойств обрабатываемого материала.

2. Алгоритм выбора способа ремонта детали, учитывающий особенности ремонта деталей и его стоимость.

3. Методика выбора оптимального способа восстановления детали при ремонте.

Апробация работы. Основные положения и результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

64-я Региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием, Ярославль, 2011 г.; 13-я Международная научно-практическая конференция, Санкт-Петербург, 2011 г.; Четвёртая международная научно-техническая конференция «Нукоёмкие технологии в машиностроении авиадвигателестроении (ТМ-2012)», Рыбинск, 2012 г.; Инновационные технологии, автоматизация и мехатроника в машино- и приборостроении, Минск, 2013 г.; XXXIX Международная молодежная научная конференция «Гагаринские чтения», Москва, 2013 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ в различных журналах и сборниках научных трудов, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка использованных источников. Объем работы - 202 страницы машинописного текста, включающего 26 рисунков, 29 таблиц, список использованных источников из 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, решаемой в диссертационной работе, дана общая характеристика направления исследований.

В первой главе выполнен анализ способов дефектации поступающих в ремонт деталей, которые позволяют выявить все возможные дефекты, возникающие при эксплуатации. Рассмотрены основные причины дефектов, такие как износ элементов конструкции; конструктивные недостатки и производственные дефекты; нарушения правил эксплуатации. Были проанализированы применяемые мероприятия по устранению дефектов. Данный анализ позволил сделать вывод, что способы позволяют устранить накопленные дефекты, а также увеличить ресурс эксплуатации изделия, но их использование имеет малый резерв для экономии. Применяемые и доступные на сегодняшний день технологии были проанализированы и с точки зрения ресурсосбережения. Установлено, что в настоящее время нет научно-обоснованных методик выбора ресурсосберегающих технологий.

Основные теоретические и практические положения, касающиеся технологии и организации ремонтного производства, отражены в трудах таких отечественных учёных, как Е.А. Гриценко, A.A. Иноземцев, Л.Ф. Красников, В.И. Люлька, A.M. Матвеенко, Ю.Н. Нечаев, В.А. Пивоваров, В.М. Чуйко, Бочкарев П. Ю., Стрижов А.Н., Румянцева Н.В. и др. В их работах изложены вопросы надежности и увеличения ресурса авиационных двигателей, описаны

современные способы контроля и технической диагностики газотурбинных двигателей. Особое внимание уделяется ремонту и восстановлению работоспособности основных деталей и узлов двигателя. Также в их работах рассматриваются вопросы испытаний авиационных двигателей. В области диагностирования работоспособности деталей и двигателей в целом основные положения отражены в трудах А.И. Биргера, С.М. Дорошко, И. В. Кеба и др.

Рассмотренные стандарты в области ресурсосбережения устанавливают основную номенклатуру показателей, определяющих рациональное использование и экономичное расходование материальных и энергетических ресурсов. В стандартах приведены рекомендации по определению основных показателей ресурсосбережения, которые используют при потреблении материальных, энергетических ресурсов на стадиях жизненного цикла изделий.

Во второй главе выполнен анализ деталей типа диск, которые были разделены на группы, по каждой из которых рассмотрены дефекты, возникающие при эксплуатации, а также способы их устранения. Выделены характеристики ремонтной технологичности, по которым выполнен анализ деталей (таблица 1).

Таблица 1 - Характеристики ремонтной технологичности

^Характеристики \ техноло-\ гичности Группы \ деталей \ Сложная форма детали Точность размеров детали от 6 квалитета и выше Шероховатость поверхности 11а менее 0,8 мкм Применение специальной оснастки или инструмента Восстановление рабочих характеристик деталей Обеспечение требуемых посадок в соединениях Применение групповых технологий

Диск 1 ступени кнд + + + + +/- + -

Диски 2 и 3 ступеней КНД + + + +/- + + +

Диски КВД + + + + +/- + +

Диски ТВД + + + - + + +

Диски ТНД + + + - + + +

+ — соответствие характеристики группе деталей; - — не соответствие характеристики группе деталей; +/- — возможны случаи, когда характеристика соответствует группе деталей

Рассмотрены качественные и количественные показатели технологичности рассматриваемых деталей и установлены зависимости для определения комплексного показателя путем вычисления частных.

Показатели технологичности конструкции входят в группу

ресурсосберегающих показателей качества, характеризуют его свойства, определяющие приспособленность конструкции к достижению оптимальных затрат в производстве, эксплуатации и ремонте для заданных значений показателей качества продукции, объёма её выпуска и условий выполнения работ.

Анализ деталей на технологичность выполняется в два этапа. На первом этапе оцениваются технологии их ремонта с точки зрения технологичности по качественным показателям. Исходными данными являются ремонтируемые детали и технологии, которые планируется применять для ремонта. При анализе определяют, использование каких технологий позволит качественно восстановить рабочие характеристики. Качественный анализ выполняется по алгоритму, представленному на рисунке 1.

Рисунок 1 - Алгоритм качественного анализа технологий

Использование алгоритма качественного анализа имеющихся технологий позволит выбрать из анализируемых способов наиболее подходящий, а также отсеять часть способов, использование которых не даст необходимых результатов. Отсеивание способов на этапе качественной оценки, позволит упростить задачу при количественной оценке данных способов ремонта. В результате теоретического анализа выбираются способы, позволяющие восстанавливать детали с требуемыми эксплуатационными свойствами, а также с определением возможностей экономии некоторых видов ресурсов.

Вторым этапом анализа является количественный анализ технологичности. Для этого рассчитывают отдельные показатели технологичности, а затем определяется комплексный показатель, по которому и

выполняют сравнение технологий.

Количественно технологичность конструкции изделия определяется по комплексному показателю как совокупность значений частных показателей технологичности с учетом их весовых коэффициентов и осуществляется по формуле:

Кт —

Т — V?

СИ;

где К^ - частные показатели технологичности; шг - весовые коэффициенты частных показателей технологичности; 5 - число частных показателей технологичности. Ниже приведены частные показатели технологичности. Коэффициент использования материала при восстановлении:

М-

„ _ 1 'Оетв

1 заг в

где Мдетв - масса восстановленной детали; Мзагв - масса восстановленной заготовки; Моетв = МЙ1,„„ где Мдст - масса готовой детали, указанная в конструкторской документации.

Коэффициент обрабатываемости материала Кг>бр. Определяется как отношение скорости резания обрабатываемого материала к скорости резания при обработке стали 45. Выбирается из соответствующих справочников.

Коэффициент технологической сложности при ремонте. Данный коэффициент позволяет оценить сложность детали с точки зрения выполнения процесса ремонта. Коэффициент технологической сложности определяется по формуле:

Кс _ х п°6-Р- <

^-об.пр.

где побр - число обрабатываемых элементов и поверхностей детали при ремонте; поб.пр. - число обрабатываемых элементов и поверхностей детали при

изготовлении новой детали.

Коэффициент относительной точности размеров К0_т_ учитывает квалитет точности размера при обработке детали и определяется по формуле:

/Т

„ _ 11 .ют.пои

^о.т. '

^ до обр.

где 1ТГ0ТП0В - допуск на размер готовой детали (по чертежу); /Гдоо6р. - допуск на размер обрабатываемой заготовки.

Коэффициент шероховатости поверхности детали Кш:

„ __ КО-гпт.ппв.

ш ~~К^ '

где Яасотлов. - шероховатость готовой поверхности; Даяослш. - шероховатость восстанавливаемой поверхности.

Коэффициент трудоемкости ремонта КТ:

т т

где Т - трудоемкость рассматриваемого способа ремонта, мин; Тб -

трудоемкость способа ремонта принятого за базовый, мин.

Для расчета комплексного показателя технологичности необходимо определить значения весовых коэффициентов, составляющих факторов. Для этого использовался метод иерархий. Данный метод в сравнении с другими (прямой расстановкой весов в виде процентов, ранжированием факторов по их значимости и др.) является менее трудоемким. Рассчитанные весовые коэффициенты по методу иерархий представлены в таблице 2. Таблица 2 - Весовые коэффициенты показателей технологичности деталей при

ремонте Показатели технологичности Весовые коэффициенты показателей технологичности

Коэффициент обрабатываемости материала 0,18

Коэффициент использования материала 0,24

Коэффициент сложности конструкции детали 0,04

Коэффициент точности детали 0,09

Коэффициент шероховатости поверхности детали 0,09

Коэффициент трудоемкости ремонта 0,36

С учетом всех рассмотренных коэффициентов, выражение для расчета комплексного показателя технологичности примет вид:

, _ кш<р ■ CJavp + К1>бр ■ Црбр + Куэ ■ Цуз + Кс • ^С + Кточ ■ 0)Точ + Кщ -(Ощ+Кт- "т

(Т ~ Шгшр + ^обр + «уэ + ^с + WT04 + «ш + ЫТ

где (üuvp, сообр, ыуэ, о>с, 6JT0,„ oj,u, ojt - весовые значения частных коэффициентов использования материалов при ремонте, обрабатываемости материала, унификации элементов, конструктивной сложности, точности и шероховатости поверхности детали, соответственно.

Рассчитанные комплексные показатели для конкретной детали, сравниваются для разных способов восстановления. Целесообразно применять способ, показатель технологичности для которого выше.

Технологическая себестоимость изделия как показатель технологичности характеризует в стоимостном выражении ресурсоемкость изделия с учетом его конструктивных особенностей в сфере ремонта. Технологическая себестоимость включает в себя переменные расходы и постоянные:

Ст — М0 + Т„ + Эт + Зр + Ра + Ри + р„ где м0 - стоимость материалов; Т„ - стоимость топлива; Эт - стоимость технологической энергии; Р0 - расходы на эксплуатацию оборудования; Ри -

расходы на инструмент; Ри - расходы, связанные с оснасткой; Зр - заработная плата.

По анализируемым деталям были рассмотрены варианты изменения существующих технологических процессов ремонта, которые позволят снизить потребление ресурсов. К ним относятся применение групповых технологий для ремонта, а также замена ряда способов на альтернативные способы ремонта.

Составлен алгоритм выбора технологий ремонта (Рисунок 2), по которому можно выбрать экономичные технологии с точки зрения ресурсосбережения, а также такие технологии, которые позволят выполнить ремонт деталей и обеспечить их надежную работу.

В третьей главе рассмотрены факторы ресурсосбережения и основанные на них пути ресурсосбережения применительно к ремонтному производству.

Анализируете технологии-Технология №1 Технология Л*'2

Технология №т

Качественные показатели технологичности• I Сложная форма детали 2. восстановление рабочих характеристик - 3. Обеспечение требуемых пос адок В соединениях Использование специальной оснастки

5. Применение группоВых технологий -

Расчет количественных показателей технологичности 1 Коэффициент обрабатываемости детали

2. КозффициентиспользоВания материала

3. Коэффициент технологической сложности

к Коэффициент относительной точности размеров

5. Коэффициент шероховатости поверхности

6. Коэффициент трудоемкости

Расчет комплексных показателей КТ

Рисунок 2 - Алгоритм выбора технологий ремонта

Пути регулирования основных ресурсов представлены на рисунке 3. Они позволяют определить направления воздействия для управления основными ресурсами. При выполнении анализа указанные пути показывают, на какие моменты следует обратить внимание при выборе способов экономии.

Рассмотрено, каким образом применение различных технологий оказывает влияние на экономию тех или иных видов ресурсов. Анализ показывает, что использование разных технологий дает экономию по факторам ресурсосбережения в различной степени, что дает непостоянный по величине общий экономический эффект. Делать выбор способа, основываясь только на одном из факторов, нецелесообразно. Оценку необходимо проводить по основным факторам ресурсосбережения и принимать общее решение.

Пути регулирования ресурсов

-материальные

- технологические

Выбор метода I- Выбор режимов обрайежг

организационные - хранение -отпуск

■ стимулирование работников ответственных за использование ресурсов

Р энергетические

■ повышение эффективности использования энергетических ресурсов

- использование прогрессивных методов

■ устранение потерь

знергоресурсоВ

• трудоВые

■ четкая структурная и количественная организация коллектива

■ соблюдение иерархии приказов и контроля

- распределение ответственности рабочих

- обеспечение дисциплины коллектива

- использование подходов менеджмента В управлении

- организация услоВий труда и отдыха рабочих

- интеллектуальные

■ обмен знаниями В пределах предприятия

■ разбитие за пет обмена опытом

с другими предприятиями

■ обучение и переподготовка персонала

использование

Внутренних

разработок

предприятия

на коммерческой

осноВе

Рисунок 3 - Направления регулирования ресурсов

Выполненный анализ основных способов по восстановлению работоспособности деталей, позволяет выделить факторы и направления ресурсосбережения, которые влияют на экономию различных видов ресурсов. Эти факторы представлены на схеме рисунок 4.

В четвертой главе на основании анализа выполненного в данной научной работе была составлена методика выбора способа ремонта. Исходными данными для анализа являются детали с их служебными характеристиками и образовавшимися дефектами за период эксплуатации, а также технологии, которые позволят восстановить работоспособное состояние детали. Разработанная методика по выбору способов восстановления деталей газотурбинных двигателей основана на качественном и количественном анализе технологичности анализируемых деталей и методов их восстановления.

По разработанной методике был выполнен анализ двух видов ремонта: восстановительная наплавка поверхностей и осаждение износостойких покрытий. Оценка себестоимости, которая является одним из этапов анализа способов, позволяег определить экономию от замены применяемых способов на альтернативные и оценить затраты от использования анализируемых способов. Экономические показатели затрат представлены в таблице 3.

При анализе данных, представленных в таблице 3, в частности по суммарной себестоимости, можно сделать вывод, что применение современных технологий требует дополнительных затрат. Связаны эти затраты с вложениями в оборудование, которое является более дорогостоящим по сравнению с применяемыми способами. Так затраты на оборудование, приходящиеся на одну ремонтируемую деталь при лазерной наплавке, в 3 раза превышают

затраты при плазменной и в 10 раз при аргонодуговой наплавке, что приводит к

увеличению суммарных затрат почти в два раза.

Рисунок 4 - Факторы и пути ресурсосбережения Таблица 3 - Экономические затраты способов наплавки

Способы наплавки Стоимость израсходованных материалов, руб/шт Стоимость израсходованной электроэнергии, руб/шт Заработная плата, руб/шт Затраты на оборудование (амортизационные отчисления и ремонт), руб/шт Суммарная себестоимость одной детали, руб/шт Себестоимость механической обработки одной детали, руб/шт Себестоимость механической обработки по годовой программе, руб/год Суммарная себестоимость по годовой программе, руб/год

Аргонодуговая 370 65 136 72 643 23 3680 102 880

Плазменная 281 31 105 216 636 19 3040 101 760

Лазерная 240 34 100 725 1099 17,2 2750 175 840

За исключением затрат на амортизацию и ремонт оборудования, основное

преимущество имеет лазерная наплавка, которая позволяет экономить больше, немного ей уступает плазменная наплавка. Однако за счет более дорогого оборудования лазерная наплавка проигрывает другим анализируемым способам, что приводит к выводу об отказе в использовании данного способа. Получаем, что по суммарным затратам плазменная наплавка имеет небольшое преимущество над аргонодуговой, а с исключением затрат на оборудование значительное преимущество имеет плазменная наплавка.

Применение современных способов позволяет снизить затраты на последующую механическую обработку наплавленных поверхностей, на что указывают результаты расчетов себестоимости механической обработки.

Как отмечалось ранее, для экономического обоснования способа необходимо выполнение хотя бы одного из двух условий (снижение себестоимости способов ремонта; повышение качества ремонта). Оба эти условия приводят к снижению затрат, но на разных стадиях. Первое непосредственно влияет на текущий этап при ремонте, второе на последующие этапы эксплуатации и следующего ремонта. При плазменной наплавке меньше прогревается основной материал детали, что приводит к меньшим напряжениям и соответственно повышению качества ремонта. Еще одним качественным преимуществом плазменной наплавки является повышение прочности сцепления наплавленного металла с основным. Следовательно, альтернативной заменой аргонодуговой наплавке является плазменная, которая по общей себестоимости меньше, чем при аргонодуговой, но имеет еще и преимущества по другим экономическим показателям, а также по качеству ремонта.

Таким образом, наиболее экономичным из анализируемых способов наплавки является плазменная. Её выбор не приведет к удорожанию технологического процесса ремонта, а даже позволит сэкономить ряд ресурсов и сократить время проведения ремонта.

Экономические затраты способов осаждения покрытий представлены в таблице 4. Они показывают, что наиболее экономичным по общим затратам является гальванический способ. Однако при расчетах не учитывалось, что для нанесения гальванических покрытий необходимо дополнительное оборудование по очистке сточных вод. При увеличении стоимости оборудования увеличиваются общие затраты, что приблизит затраты на гальваническое оборудование к затратам на плазменное.

Выполняя сравнение способов осаждения покрытий можно сделать вывод, что по себестоимости гальванический способ имеет преимущество за счет возможности обработки партии деталей и стоимости оборудования. Даже с учетом использования дополнительного оборудования для очистки сточных вод гальваническое осаждение покрытий экономичнее плазменного. Однако прочность сцепления гальванических покрытий с основным материалом более,

чем в два раза меньше (гальванических покрытий — 40 МПа, плазменных - 80 МПа), из-за чего срок службы гальванических покрытий меньше чем плазменных. За счет малой прочности сцепления целостность гальванического покрытия может нарушаться при сборке, так как соединение «диск-вал» осуществляется с натягом. В то же время, гальванические производства оказывают вред на здоровье работающих людей, что приводит к увеличению расходов на заработную плату, однако, никакая заработная плата не остановит вредное воздействие на организм рабочего. Таким образом, применение гальванических покрытий С экономической точки зрения является оправданным, но с точки зрения экологической от использования гальванических производств следует отказаться.

Таблица 4 - Экономические затраты способов осаждения покрытий

Способы осаждения Стоимость израсходованных материалов, руб/шт Стоимость израсходованной электроэнергии, руб/шт Заработная плата, руб/шт Затраты на оборудование (амортизационные отчисления и ремонт), руб/шт Суммарная себестоимостьремонта одной детали, руб/шт (руб/парт) Суммарная себестоимость ремонта на годовую программу, руб/год

Гальванический 38 18 68 5 26(129) 45 760

Гальванический (с очистным оборудованием) 38 18 68 50 34,8(174) 61 248

Плазменный 38 15 51 45 149 262 240

Результаты анализа и расчета по разработанной методике, позволяют сделать вывод об эффективности использования комплексного показателя технологичности, в состав которого входят частные показатели, по которым оценивается целесообразность выбора способа восстановления деталей на основании его производительности, необходимой точности детали и обеспечиваемого качества поверхности детали с учетом технологической сложности детали.

Общие выводы по работе

1. Применение современных способов изготовления деталей, позволяющих повысить надежность изделий и увеличить срок службы изделий,

не приводит к исключению мероприятия ремонта. Как правило, при наработке двигателем определенного количества часов производятся плановые мероприятия ремонта. Для восстановления работоспособного состояния деталей, а также для повышения качества ремонта необходимо осуществить выбор способа ремонта однако отсутствуют общепризнанные методики определения способа ремонта с учетом показателей качества ремонта и экономической целесообразности.

2. Результаты исследования позволили установить, что при выполнении ремонта целесообразно использовать групповые технологические процессы, что снижает расход материальных ресурсов и трудовые затраты.

3. На экономию ресурсов при осуществлении ремонта оказывает влияние выбор технологии ремонта, для чего необходимо исследовать восстанавливаемую деталь на технологичность. При анализе ремонтируемых деталей автором был сформирован список качественных и количественных показателей ремонтной технологичности, которые необходимо учитывать при анализе деталей. Количественные показатели технологичности легли в основу обобщенного критерия технологичности, который учитывает технологическую сложность детали, точность и качество обработки поверхностей, использование материала для восстановления, обрабатываемость материала, а также трудоемкость восстановления.

4. Для выбора оптимального способа ремонта разработана методика, где основными критериями оценки являются показатели технологичности, трудоемкость, себестоимость и обеспечение эксплуатационных свойств деталей с учетом дефектов их поверхностей.

5. Рекомендованные на основании предлагаемой методики способы восстановления работоспособности деталей обеспечивают прочность сцепления материала покрытий поверхностей с основным материалом более двух раз, а также снижают вредное воздействие на работающих при себестоимости ремонта не превышающей действующие на производстве.

6. Анализ результатов расчетов по предложенной методике для ремонта конкретной детали показал, что при ремонте основное влияние на себестоимость оказывает стоимость израсходованных материалов и используемого оборудования. Так при ремонте диска одиннадцатой ступени компрессора высокого давления при аргонодуговой наплавке одной и той же поверхности стоимость материала 370 рублей, при плазменной наплавке 281 рубль, а при лазерной наплавке 240 рублей. При наплавке амортизационные отчисления на оборудование 72, 216 и 725 рублей соответственно. С учетом этих затрат, а также других показателей себестоимости целесообразно применять плазменную наплавку, несмотря на более высокую стоимость используемого оборудования.

7. Анализ экономических затрат на ремонт показал, что при определении себестоимости следует также учитывать стоимость последующей механической обработки, которая для разных способов наплавки может значительно отличаться.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Безъязычный, В. Ф. Анализ факторов ресурсосбережения в технологических процессах на промышленных предприятиях [Текст]/В. Ф. Безъязычный, И. Н. Аверьянов, И. А. Бессудное // Сборник научных трудов, Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. - Рыбинск, 2010. - № 3 (18), С 233 -238.

2. Аверьянов, И. Н. Логистические ремонтные цепи и ресурсосбережение в ремонтном производстве авиационных двигателей [Текст]/ И. Н. Аверьянов, И. А. Бессудное // Сборник научных трудов, Вестник РГАТА имени П. А. Соловьева. - Рыбинск, 2011. - № 2 (21), С 54 - 60.

Публикации в других изданиях

3. Бессуднов, И. А. Совершенствование ремонта деталей газотурбинных двигателей с использованием ресурсосберегающих технологий. Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня. [Текст]/ И. А. Бессуднов // В 2 ч. Ч. 1 : материалы 13-й Международной научно-практической конференции. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011-С. 52-55.

4. Бессуднов, И. А. Совершенствование ремонта деталей газотурбинных двигателей с использованием ресурсосберегающих технологий [Текст] / И. А. Бессуднов // Шестьдесят четвертая региональная научно-техническая конференция студентов, магистрантов и аспирантов высших учебных заведений с международным участием. 20 апреля 2011 г., Ярославль. Ч. 1 : тез. докл. — Ярославль : Изд-во ЯЛТУ, 2011. - С. 257.

5. Безъязычный, В. Ф. Ремонт газотурбинных двигателей. Показатели ремонтной технологичности. Алгоритм выбора ремонтных технологий [Текст] / В. Ф. Безъязычный, И. Н. Аверьянов, И. А. Бессуднов // Инновационные технологии, автоматизация и мехатроника в машино- и приборостроении: материалы междунар. научн.-практ. конф. / редкол.: Хрусталев Б. М. [и др.] Минск: Бизнесофсет, 2013, - С 55 - 56.

6. Бессуднов, И. А. Ремонт газотурбинных двигателей. Алгоритм выбора «ресурсосберегающих» технологий. [Текст] / И. А. Бессуднов // Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: Материалы IV Международной научно-технической конференции. В 2-х частях. - Рыбинск: РГАТУ имени П. П. Соловьева, 2012. - Ч. I, С 98 - 103.

7. Бессуднов, И. А. Алгоритм выбора технологий ремонта авиационных двигателей на основе показателей технологичности [Текст] / И. А. Бессуднов // XXXIX Гагаринские чтения. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 9 томах. Москва, 9-13 апреля 2013 г. М.: МАТИ, 2013. Т.1,С 186- 189.

Зав. РИО М. А. Салкова Подписано в печать 9.04.2014. Формат 60x84 1/16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 90. Заказ 91.

Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева (РГАТУ имени П. А. Соловьёва)

Адрес редакции: 152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Отпечатано в множительной лаборатории РГАТУ имени П. А. Соловьёва

152934, г. Рыбинск, ул. Пушкина, 53

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический

университет имени П. А. Соловьева»

На правах рукописи

04201459915

Бессуднов Иван Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ РЕМОНТА ДИСКОВ ГАЗОТУРБИННЫХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. Безъязычный В. Ф.

Рыбинск-2014

Оглавление

Введение..........................................................................................................................................4

Глава 1. Анализ дефектов деталей ГТД и методы их устранения. Существующие технологии ремонта высоконагруженных деталей ГТД..........9

1.1. Анализ ремонтного производства с позиции выявления дефектов особо ответственных деталей ГТД............................................................................................................9

1.2. Анализ причин дефектов деталей.............................................................................16

1.3. Анализ существующих технологий ремонтного производства особо ответственных деталей ГТД..........................................................................................................35

1.4. Анализ существующих технологий ремонтного производства с позиции ресурсосбережения и технологичности подлежащих ремонту деталей....................39

1.5. Анализ ранее выполненных научных исследований по проблемам ремонта..........................................................................................................................................51

1.6. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования..............................................58

Глава 2. Теоретическое обоснование целесообразности применения

ресурсосберегающих технологий в ремонтном производстве................................61

2.1. Виды деталей ГТД, подлежащих ремонту. Возможные дефекты поверхностей деталей........................................................................................................................61

2.2. Теоретический анализ возможностей известных технологических процессов их ремонта с позиции:

- технологичности ремонтируемых деталей,

- себестоимости выполнения ремонта,

- эксплуатационных свойств деталей после ремонта...............................................76

2.3. Предлагаемые ресурсосберегающие технологии ремонта деталей ГТД, обеспечивающие требуемые эксплуатационные свойства...............................................109

2.4. Разработка алгоритма выбора технологии ремонта с учетом ресурсосбережения.............................................................................................................................128

2.5. Выводы по главе 2............................................................................................................130

Глава 3. Выбор технологий ремонта на основе факторов

ресурсосбережения...........................................................................................................................132

3.1. Факторы ресурсосбережения и пути экономии ресурсов..............................132

3.2. Факторы ресурсосбережения, оказывающие влияние на выбор

технологий...................................................................................................................................146

3.3 Выводы по главе 3.............................................................................................................169

Глава 4. Практическая реализация результатов исследования..................171

4.1. Разработка методики выбора технологических процессов с позиции ресурсосбережения для ремонта типовых деталей..............................................................171

4.2. Экономическое обоснование результатов исследования...............................193

4.3. Выводы по главе 4............................................................................................................197

Заключение..................................................................................................................................198

Список литературы..................................................................................................................200

Введение

Совершенствование процессов производства и ремонта авиационных двигателей на всех этапах становления и развития гражданской авиации остаётся актуальным и востребованным. Конструкторская мысль, усилия инженеров, изготавливающих авиационную технику, всегда были направлены на повышение надежности, экономичности, контролепригодности, а в последние годы и экологичности авиационных двигателей.

Ыа этапе проектирования проводится расчетный анализ и оценивается возможность создания изделия с заданным уровнем надежности, а также выполняются расчеты по обоснованию выбора наиболее приемлемых схемных и конструктивных решений.

При проектировании надежность закладывается на основе выбора конструктивного исполнения деталей и узлов, расчета основных параметров, назначения конструктивных материалов. При производстве надежность реализуется за счет качества изготовления деталей, методов контроля продукции, качества сборки и испытаний. В процессе эксплуатации показатели надежности зависят от методов и условий эксплуатации, режимов работы, принятой системы технического обслуживания и ремонта. Несмотря на стремление обеспечить высокие показатели надежности на стадиях проектирования и производства, могут возникать дефекты на стадии эксплуатации, которые могут привести к разрушению деталей и выходу двигателя из строя.

В СССР был разработан комплекс моделей и эффективных методов организации производственных ремонтных процессов в авиационной промышленности. Но к настоящему моменту многие технологические модели и методы, разработанные применительно к централизованному плановому хозяйству, в той или иной мере утратили свою актуальность. Современные условия хозяйствования ставят перед экономикой авиационной промышленности в том числе, двигателестроении, ряд новых научных проблем. При появлении вместо единой общегосударственной авиационной отрасли ряда независимых и

конкурирующих между собой фирм неизбежно претерпели изменения критерии экономической эффективности и конкурентоспособности авиатехники, которыми руководствуются её заказчики, в том числе и ремонтного производства. Переход России к рыночному экономическому укладу ограничивает возможность прямого администрирования деятельности хозяйствующих субъектов, что требует разработки новых подходов к проблеме организации ремонтного производства. Возникают принципиально новые проблемы корпоративного управления ремонтным производством на предприятиях, его локализация, привлечение инвестиционных ресурсов.

Аэрокосмической промышленностью ведущих авиационных держав мира накоплен большой позитивный опыт решения организационно-экономических проблем ремонтного хозяйства, возникающих в рыночных условиях. Однако переносимость зарубежного опыта организации ремонтного сопровождения двигателей и отдельных его модулей на российскую почву ограничена по целому ряду объективных причин, в частности:

- исходные параметры экономических объектов (предприятий, отраслей), а также многие показатели в России и в развитых зарубежных странах существенно различны;

- зарубежное авиастроение не находится в глубоком системном кризисе и не испытывает обвального сокращения производства (тем более, частичной утраты потенциала отрасли), которое наблюдается в нашей стране;

- многие ключевые институты рынка (фондовый рынок, кредитно-финансовая, лизинговая и страховая системы и так далее), которые за рубежом сложились в результате длительной эволюции, в современной России находятся только в стадии формирования;

- некоторые наиболее прогрессивные технологические процессы ремонта и восстановления изношенных элементов авиационных двигателей остаются недоступными российским ученым и практикам, вследствие их ноу-хау.

Авиационные двигатели относятся к машинам, которые быстро совершенствуются. В настоящее время двигатели в основном списываются по

исчерпании ресурса и достижении предельного состояния. Но уже имеют место ситуации, когда списание вызвано моральным старением. Несмотря на это существует необходимость ремонта, так как часто он экономически выгоднее производства нового двигателя.

Фактически, в настоящее время авиационная промышленность, в том числе ремонт авиационных двигателей, в России только становится бизнесом в его общепринятом понимании и остро нуждается в адекватном и методическом обеспечении. Ремонт авиационных двигателей, как правило, осуществляется в тех же структурных подразделениях, где осуществляется производство серийной продукции. Однако, технологические процессы изготовления новых авиационных двигателей существенно отличается от ремонтных технологий, что затрудняет применение современных прогрессивных технологий ремонта газотурбинного двигателя. [1]

Промышленность даже передовых стран несет большие потери из-за недостаточной надежности и долговечности выпускаемых машин. Так за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание машин в связи с их износом в несколько раз превышают стоимость новой машины. Из-за коррозии ежегодно теряется до 10% выплавляемого металла. Поэтому проблеме качества и надежности придается первостепенное значение.

Улучшению качества двигателей, повышение их надежности и долговечности неразрывно связаны с качеством деталей, так как практически все эксплуатационные показатели изделий определяются геометрическими параметрами, физико-механическими свойствами рабочих поверхностей. Характерным является тот факт, что двигатели совершенно одинаковых конструктивных компоновок из одних и тех же материалов часто имеют весьма отличающуюся надежность. Причиной этого во многих случаях являются различия в технологических процессах изготовления деталей и машин.

Совершенствование технологии ремонта должно учитывать опыт применения прогрессивных методов обработки. Применение прогрессивных технологических процессов, использование достижений технологической науки в

ремонтном производстве будет способствовать изготовлению надежных и долговечных двигателей.

Актуальным вопросом экологии и защиты окружающей среды является ресурсосбережение. Проблемы эффективного ресурсопотребления всегда являлись достаточно актуальными. Сокращение ресурсоемкое™ входит в число важнейших стратегических задач России, которая по уровню потребления ресурсов в 2-3 раза превышает ведущие страны мира. Этот вопрос должен затрагивать не только топливную промышленность, он также должен рассматриваться в машиностроении и двигателестроении. Ресурсосбережение при правильном решении, имеет и вторую сторону важной проблемы - повышение конкурентоспособности за счет снижения затрат и уменьшения цены.

Рациональное применение технологических процессов восстановления конкретных деталей определяется главным образом выбором способа, обеспечивающего наибольшую долговечность деталей при наименьших затратах на их восстановление. В настоящее время ремонтные предприятия располагают значительным количеством способов восстановления деталей. Для восстановления одной и той же детали пригодны несколько способов, часто неравноценных по своим технико-экономическим показателям. Поэтому обоснование выбора оптимального способа восстановления детали или группы деталей является важной и сложной задачей, которую следует решать в комплексе технических, экономических и организационных вопросов.

Технологические возможности методов восстановления и ремонта позволяют быстро и качественно подготовить к эксплуатации различное оборудование, сэкономить время и средства, что непременно отразится на себестоимости конечной продукции.

В связи с выше изложенным разработка новых прогрессивных методик повышения эффективности ремонтного производства газотурбинных двигателей на основе применения прогрессивных ремонтных технологических процессов, с учетом специфики авиационного двигателестроения, актуальна, что послужило основой выбора темы исследования.

Цель исследования: разработка теоретических и практических положений по применению ресурсосберегающих технологий с учетом технологичности ремонтируемых деталей и себестоимости ремонта, а также определению путей рационального использования технологий при ремонте.

Задачи исследования:

— анализ конструктивных особенностей деталей газотурбинных двигателей, подвергающихся ремонту и дефектов их при поступлении в ремонт;

— анализ существующих технологий ремонта с позиции ресурсосбережения;

— анализ возможности разработки групповых технологических процессов ремонта деталей с учетом их технологичности;

— поиск возможных путей экономии ресурсов;

— разработка алгоритма выбора технологий ремонта;

— разработка методики применения ресурсосберегающих технологий.

Глава 1. Анализ дефектов деталей ГТД и методы их устранения. Существующие технологии ремонта высоконагруженных деталей ГТД

1.1. Анализ ремонтного производства с позиции выявления дефектов особо ответственных деталей ГТД

Дефектация является одним из самых ответственных этапов всего технологического процесса ремонта, так как от качества дефектации непосредственно зависит как объем ремонтных работ, так и качество ремонта, и надежность отремонтированной техники. При дефектации необходимо соблюдать следующие правила.

1. Детали, разобранные узлы или элементы конструкции должны поступать на дефектацию в специальных ящиках или тележках после сортировки, тщательной очистки и промывки.

2. Размеры деталей желательно измерять при температуре 20 °С.

3. Сопряженные детали должен измерять один и тот же исполнитель.

4. При любом способе дефектации должна быть исключена возможность появления коррозии деталей.

5. Приработанные трущиеся пары могут быть допущены для выработки остаточного ресурса с ремонтным зазором. Неприработанные пары, скомплектованные из новых деталей, подбираются по серийным зазорам.

6. Забракованные детали помечают и удаляют в изолятор брака.

7. Ремонт деталей, сборка узлов и изделий могут производиться только после окончательной дефектации работавших деталей и проверки новых, подобранных взамен забракованных.

8. На участке дефектации так же, как и на всех других участках ремонта и сборки, должно соблюдаться, единство всех измерительных и контрольно-проверочных средств [13].

Перед выполнением ремонта необходимо выявить дефекты деталей двигателей, возникшие в процессе эксплуатации, а потом определить эффективные методы их устранения. Для этого необходимо выполнить подготовительные стадии, которые включают в себя внешнюю промывку, разборку, дефектацию и комплектование.

Поступающие двигатели сначала разбираются на узлы, а потом узлы разбирают на детали. Разборку необходимо выполнять с особой осторожностью. Ошибка при разборке может привести к поломке деталей и узлов, что повлечет за собой отбраковку не только отдельных деталей, но и целых узлов.

После разборки детали подвергают промывке для удаления всех видов загрязнений, таких как масляные, лаковые и смолистые отложения, нагароотложения, пыль. Очищенные детали подвергают дефектации, где выявляют все дефекты, которые возникли на этапе эксплуатации.

При проведении мониторинга технического состояния сложных систем и агрегатов одной из наиболее актуальных является задача объективного своевременного обнаружения дефектов различной природы и организация контроля за развитием дефектов из-за старения элементов при эксплуатации. Одним из путей предотвращения нежелательных последствий от эксплуатации изделий с дефектами является систематичное использование методов неразрушающего контроля.

Под дефектом понимают физическое проявление изменения характеристик объекта контроля с параметрами, превышающими нормативные требования. По происхождению дефекты подразделяют на производственно-технологические, возникающие в процессе проектирования и изготовления изделия, его монтажа и установки, и эксплуатационные, возникающие после некоторой наработки изделия в результате процессов деградации, а также в результате неправильной эксплуатации и ремонтов [3]. Несвоевременное обнаружение и устранение дефектов и неисправностей вызывает отказ - нарушение работоспособности изделия (системы), то есть такое событие, при котором изделие (система) не способно выполнять заданные функции.

В основном в ремонт поступает исправная техника, имеющая дефекты в виде износов и мелких повреждений, следовательно, рассматривать целесообразно только дефекты [13].

В дальнейшем, говоря о дефектах, выявляемых средствами и методами неразрушающего контроля, будем иметь в виду эксплуатационные и производственно-технологические дефекты, не выявленные при изготовлении и сдаче систем в эксплуатацию.

Зная характерные дефекты той или иной системы или узла и на каком периоде эксплуатации изделие поступает в ремонт, можно заранее составить представление о количестве и характере дефектов, что дает возможность с той или иной степенью точности определить общий ориентировочный объем ремонтных �