автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Оценка и обеспечение технологичности конструкции успокоителя качки с неубирающимися рулями

005012363

Пялов Николай Владимирович

Оценка и обеспечение технологичности конструкции успокоителя качки с неубирающимися рулями.

Специальность 05.08.04 - «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МД? 20.2

Санкт-Петербург 2012

005012363

Работа выполнена на кафедре «Технология судового машиностроения» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кривуля Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, с.н.с.

Лысенков Павел Михайлович

кандидат технических наук Горбунов Сергей Александрович

Ведущая организация: ОАО «Центр технологии судостроения и судоремонта», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «14» марта 2012 г. в «14» часов на заседании диссертационного совета Д.212.228.05 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете, по адресу: 190008, г.Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан 02.

2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

А.Н. Муравьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Одной из целей машиностроительного производства является создание конкурентоспособных образцов изделий судового машиностроения. Получение конкурентных преимуществ достигается созданием новых образцов изделий, обеспечивающих лучшие технико-экономические характеристики по сравнению с существующими образцами.

Решение задачи обеспечения производственной технологичности определяет возможность сокращения всех видов затрат в процессе производства. Решение указанной научно-технической задачи требует создания методов, математических моделей оценки показателей технологичности, взаимоувязанных с определяющими функциональными конструктивно-техническими характеристиками. Рассмотрение, обоснование и выбор наиболее технологичных конструкций новых образцов техники требует разработки критериев, процедуры оптимизации проектных решений, определения диапазонов изменения функциональных и конструктивно-технических характеристик, влияющих на показатели технологичности.

В трудах В.Ф.Суслова, А.Г.Даниловского, О.И.Ефимова, И.И.Исаева, Н.П.Шаманова, выполненных ранее, предложены методы, алгоритмы, модели, решения задач проектирования, методы оценки конструктивно-технических параметров показателей вновь создаваемых изделий судового машиностроения.

В указанных трудах рассмотрены вопросы создания рулевых машин, палубных и грузоподъёмных механизмов, но не предложены методы оценки и выбора наиболее технологичных конструкций механизмов, методы оценки показателей технологичности.

Актуальность диссертационной работы заключается в обеспечении конкурентоспособности создаваемых механизмов силовых приводов успокоителей качки (МСП УК), для чего исследовано влияние их функциональных и конструктивно-технических характеристик изделия на показатели технологичности с неуби-рающимися рулями, а также разработаны методы оценки и обеспечения технологичности, начиная с ранних этапов проектирования, для последующей реализации в конкретных условиях производства.

В диссертационной работе использовались данные, полученные при создании в ЗАО «ЦНИИ СМ» и ОАО «Пролетарский завод» механизмов силовых приводов успокоителей качки (МСП УК) УК4,5 и УК6-1, в которых автор принимал участие под руководством Главного конструктора В.Г.Полякова.

Цель диссертационной работы: Целью настоящей работы является снижение затрат на создание МСП УК с неубирающимися рулями, для чего необходимо обеспечение технологичности конструкции, начиная с ранних этапов проектирования.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1. Численный анализ существующих конструкций МСП УК. Обоснование актуальности решения задачи обеспечения технологичности.

2. Разработка математических моделей оценки конструктивно-технических характеристик МСП УК с учетом требований заказчика.

3. Анализ и обоснование показателей технологичности конструкции МСП

УК.

4. Разработка математических моделей оценки технологичности конструкции МСП УК.

5. Выявление определяющих конструктивно-технических характеристик МСП УК и установление их влияния на показатели технологичности. Разработка основных направлений обеспечения технологичности.

6. Разработка и обоснование критериев выбора оптимальных вариантов конструкций МСП УК.

7. Разработка ПО для решения названных задач.

8. Разработка методики обеспечения технологичности конструкции МСП УК с неубирающимися рулями для использования, начиная с ранних этапов проектирования.

9. Оценка технико-экономической эффективности использования результатов диссертационных исследований.

Объект исследования: Объектом исследования являются конструкция МСП УК, процесс её проектирования и изготовления.

Новые научные результаты:

1. Разработаны расчетные зависимости оценки конструктивно-технических характеристик МСП УК, увязанные с требованиями заказчика.

2. Выявлены определяющие конструктивно-технические характеристики механизма.

3. Обосновано использование для оценки технологичности удельных показателей технологичности.

4. Разработаны методы и модели оценки показателей технологичности, взаимоувязанные с определяющими конструктивно-техническими параметрами для конкретных условий производства.

5. Предложены критерии выбора наиболее технологичных конструкций механизмов для использования, начиная с ранних этапов проектирования.

6. Разработана методика обеспечения технологичности, позволяющая сократить сроки решения технической подготовки производства и затраты на создание новых конструкций механизмов успокоителей качки.

Методы исследования: При постановке и решении сформулированных задач использованы методы численного анализа, методы математической статистики, системный подход.

Научно-практическая значимость результатов: Использование системного подхода, разработанных методов и моделей оценки и обеспечения технологичности позволяет, начиная с ранних этапов проектирования, создавать новые более технологичные конструкции механизмов успокоителей качки, повышать точность получаемых оценок и обеспечивать конкурентные преимущества производства изделий судового машиностроения в ОАО «Пролетарский завод».

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседании кафедры ТСМ СПбГМТУ и научно-технического совета ЗАО «ЦНИИ СМ», а также на Второй Российской научно-практической конференции судостроителей «Единение науки и практики 2010» - С-Петербург, 2010.

Внедрение результатов работы: Основные результаты работы внедрены на предприятии ЗАО «ЦНИИ СМ». Методика обеспечения технологичности использована при проектировании механизмов силовых приводов МСП-100.

Публикации по работе: По теме диссертации опубликовано 5 научных работ (4 статьи и тезисы доклада на научно-технической конференции). Три работы написаны в соавторстве, доля автора 45-60%. В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, опубликованы три статьи, из них две в соавторстве (доля автора 50 и 60%).

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников, включающего 43 источника и приложений. Объём работы - 202 страниц, в том числе: таблиц -18, рисунков - 55, приложений - 2.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации и её актуальность, сформулированы цель и задачиисследования, обоснован выбор объекта исследования.

В первой главе выполнен численный анализ конструктивно-технических особенностей МСП УК, анализ существующих приёмов, методов и моделей получения оценок технических характеристик и показателей технологичности механизмов с учетом требований заказчика. Выполнен анализ методов оценки трудоёмкости изготовления изделия на примере кинематической схемы кулисного четырёхцилиндрового плунжерного механизма, далее называемого механизмом типа «1», и механизма поршневого с качающимися цилиндрами, далее называемого механизмом типа «2». Анализ используемых методов определения технических характеристик позволил обосновать предпочтительность использования абсолютных и удельных показателей оценки трудоемкости изготовления и материалоемкости как основных показателей технологичности. Удельные показатели технологичности - это значения абсолютных показателей (трудоёмкости и материалоёмкости), приходящиеся на 1 единицу определяющей технической характеристики МСП УК. Определяющей технической характеристикой принят момент на баллере, развиваемый механизмом. Значение максимального момента на баллере Мтах задается техническим заданием (ТЗ). При установлении зависимостей показателей технологичности Мтах создаются предпосылки получения оценок технологичности конструкции, начиная с момента разработки ТЗ на новое проектирование.

По материалам первой главы сделаны следующие основные выводы:

1. Выполненный анализ существующих конструкций успокоителей качки позволил выявить основные характеристики конструктивно-технических и технологических решений.

2. Выполненный анализ работ по созданию УК МСП, методик их проектирования позволил выявить основные направления совершенствования конструкций МСП УК с неубирающимися рулями:

- сокращение массо-габаритных характеристик;

- сокращение трудозатрат на производство МСП УК.

3. Решение задач обеспечения технологичности, начиная с ранних этапов проектирования (ЭП, ТП) МСП УК, выявило необходимость разработки математических моделей оценки показателей технологичности, адекватных условиям выполнения работы.

Во второй главе разработаны и приведены основные зависимости - математические модели оценки показателей технологичности, содержащие определяющие конструктивно-технические характеристики МСП УК. При разработке зависимостей использован метод численного моделирования, предложены алгоритм и ПО для получения оценок показателей технологичности вновь создаваемых конструкций.

По результатам созданияобразцов МСП УК, изготавливаемых в настоящее время серийно, определены зависимости, связывающие крутящий момент и основные рабочие характеристики механизма. Основной расчетной зависимостью для механизма типа «1» (Рис. 1) является зависимость (1):

м =^E_^l.7,u)i,kH-M (1);

cos~a

где М- крутящий момент; Др - перепад давления в цилиндрах; V0- геометрический параметр привода, определенный по формуле - v„=z-a0- ftu, где z - количество плунжеров, Fm - площадь плунжера, а0 - межосевое расстояние; а - угол перекладки румпеля; rjM„ - механический КПД привода перекладки.

Конструкция указанного механизма обеспечивает сокращение габаритов изделия в плане.

Рис. 1. Привод к баллеру плунжерного типа.

Для механизма типа «2» (Рис. 2) приведенная зависимость принимает вид (2): м = z • Др ■ V,, • cos(a +y) i]„„ , кН-м (2);

где z - число пар рабочих полостей; Др - перепад давления в цилиндрах; V0 -геометрический параметр привода, определенный по формуле - va = (f}¡ + f:l,)-r, где F„, F„i - полная площадь поршня и площадь поршня, исключая площадь сечения штока соответственно, R - радиус румпеля; а - угол перекладки румпеля; у - угол качания гидроцилиндра; //„„- механический КПД привода перекладки.

Используя зависимости (1) и (2), а также известные зависимости теории сопротивления материалов и деталей машин, можно определить конструктивно-технические характеристики основных деталей приводов перекладки МСП УК. Например, для расчета размеров механизма типа «1» выполнены: проверка выполнения условий прочности плунжера, проверка возможности защемления плунжера во втулках, расчет прочности пальца, расчет прочности щеки румпеля по приведенному запасу прочности, расчет прочности румпеля на кручение, расчет прочности стенки рабочего цилиндра.

ое.

------- .......--............■ ; ,------

і

лх. V .„}■', ........\1 ! Г. І .....

уи 'V. _

І К*

-----/ /

:::.:.4 ^

-- --Л"

Л №

к

С£

ей

Рис. 2. Кинематическая схема привода к баллеру поршневого типа

Используя перечисленные зависимости, можно определить основные геометрические размеры основных деталей привода перекладки МСП УК типа «1», а также давление и объём рабочей жидкости, необходимые для поворота румпеляна заданный угол с заданными скоростью и крутящим моментом (рис.1).

Аналогичная система зависимостей, позволяющая определить все размеры привода быларазработана и для механизма типа «2». Достоверность оценки зависимостей была проверена в ходе создания серийных образцов МСП УК.

В части определения характеристик насосных агрегатов следует отметить, что системы зависимостей, аналогичной использованной для расчета характеристик приводов перекладки нет, поэтому оценку их конструктивно-технических характеристик предложено выполнять методом сравнения с аналогами.

Анализ конструкций созданных ранее насосных агрегатов, выполненный автором, показал, что массы каждой сборочной единицы, входящей в состав насосного агрегата, линейно зависят от массы насосного агрегата и объёмной подачи насоса. Указанные зависимости для насоса, электродвигателя и рамы насосного агрегата показаны на рис.3.

Аналогичные зависимости определены для рамы насосного агрегата, электродвигателя, трубопроводов, входящих в состав насосного агрегата, и крепежных деталей. Кроме этого выявлены эмпирические закономерности, связывающие габариты насосного агрегата с его массой.

Анализ указанных закономерностейпозволил вывести эмпирические зависимости дляоценкимасс основных составных частей насосного агрегата.

Сумма масс насоса и электродвигателя определяется эмпирической зависимостью (3):

М},л = МЪл ■ (0,248 + 0,000232 • кг (3);

где М]ц = Ми + МЭд, М}ц - масса насосного агрегата; Мц, Мэд - массы насоса и электродвигателя.

Массу рамы насосного агрегата с амортизаторами можно оценить по эмпирической зависимости (4):

Мрлш = МЇіл ■ (0,5765 - 0,000104 • кг (4);

Отношение массы 0,5

составной части насосного агрегата, к массе всего насосного агрегата

'0,37

0,25

0,12

55 110 165 220 275 330 385 440

Объёмная подача насоса, л/мин

Рис.3. Зависимости массы составных частей насосного агрегата от объёмной подачи насоса. 1 - зависимость для массы насоса. 2 - зависимость для массы электродвигателя. 3 - зависимость для массы рамы насосного агрегата.

Массу трубопроводов и гидроаппаратуры можно оценить по эмпирической зависимости:

мтгуб = 0,0643-Мн/, кг (5);

Масса крепежных деталей оценивается по эмпирической зависимости:

мкреп = о, 1265-Мил , кг (6);

Таким образом,используя зависимости (1) - (6),возможно определить все основные технические характеристики МСП УК, включая габаритные размеры и массы составных частей МСП УК. На основе использования зависимостей (1) - (6) разработаны математические модели оценки основныхпоказателей технологичности МСП УК, включая удельную материалоёмкость изделия, абсолютную и относительную трудоёмкость изготовления.

Методика разработки математических моделей оценки технологичности включает следующее:

1. По заданному рабочему крутящему моменту с помощью зависимостей (1) или (2) определяются основные геометрические характеристики МСП УК. Далее определяются характеристики основных деталей приводов перекладки и с использованием зависимостей (3) - (6) характеристики насосных агрегатов. Указан-наязадачарешается методом численного моделирования. Критерием оптимальности решенийпринята минимизация габаритных размеров механизма.

2. По значениям масс основных узлов и деталей, оценивается трудоемкость их изготовления. Для оценки разработанаэмпирическая зависимость (7):

Т„,д = 0,165 • К1ПД + 0,137 • Ю-6 • К1,я , нормо-ч. (7)

где Т,пд - трудоёмкость изготовления изделия; К„,д - совокупный показатель трудоемкости изделия, определяемый по формуле:

К,„д = £"=i KTj • KCj • Pj , (8)

где KTj - коэффициент относительной трудоёмкости, характеризующий изменение обрабатываемости материала по сравнению со сталью 45; Kq - коэффициент относительной стоимости материалов по сравнению со сталью 45; Pj - масса изготавливаемых деталей, относящихся к j - ой группе; п - количество групп материалов.

3. Определяются показатели технологичности конструкции механизма в целом:удельныетрудоемкость изготовления (9) и материалоёмкость (Ю)изделия:

ст = Тизд/М, нормо-ч./кН-м (9)

где Т,„д- трудоемкость изготовления изделия, определенная по формуле (7), нормо-ч.; М - крутящий момент, развиваемый механизмом, кН-м:

См =Е,М/М, кГ/кН-м (10)

где Pj- масса материала израсходованного на изготовление деталей j-ой группы, кГ; М - крутящий момент, развиваемый механизмом, кН-м.

Таким образом, в результате использования предложенного метода можно получить данные, необходимые для создания механизма: габаритные размеры основных узлов МСП и размеры, определяющие работоспособность МСП, массу основных составных частей МСП, марки материалов, используемых для изготовления наиболее важных и наиболее массивных узлов и деталей и их массу, трудоёмкость изготовления изделия, удельную материалоёмкость изделия, удельную трудоемкость изготовления изделия.

Блок-схема алгоритма определения характеристик МСП УК и оценки его показателей технологичности представлена на рис.4. Совокупность перечисленных выше зависимостей, используемых в соответствии с разработанной блок-схемой, представляет собой математическую модель МСП УК, позволяющую оценивать технологичность конструкции, начиная с ранних этапов проектирования.

При разработке программного обеспечения (ПО) были учтены следующие требования: максимальная простота разработанного ПО, возможность внесения изменений в расчетные зависимости и создаваемые базы данных, удобство работы пользователя ПО, максимальная полнота и наглядность выведения данных, полученных в ходе использования ПО.

Для разработки ПО выбрана среда быстрой разработки Borland Delphi, поскольку она позволяет в сжатые сроки создавать достаточно сложные расчетные программы, в том числе с использованием распределенных баз данных.

Анализ множества разносторонних оценок показателей технологичности, необходимость учета всех факторов, влияющих на технологичность МСП УК, обосновывает необходимость использования комплексного показателя технологичности изделия. Этот показатель должен учитывать: удельную трудоёмкость изготовления МСП УК, удельную материалоемкость МСП УК, коэффициенты унификации, сборности, использования стандартных изделий.

^Начало расчета^

Ввод данных у

Определение значении характеристик а0,(1пл,Др, Орум

йм^пр мптргтзттп р^трпд

Определение прочности шеки румпеля

Определение прочности пальца плунжера

Определение прочности плунжера и несушей способности опорной втулки

т;

База данным

Определение жесткости плунжера

Определение прочности кулчковои муфты (соединение румпеля с балл ером)

Определение характеристик цилиндра

Определение характеристик корпуса привода перекладки

Определение габаритных размеров, массы составных частей и трудоёмкости изготовления привода пепекладки

аза данных

1

Определение габаритных размеров, массы составных частей и трудоёмкости изготовления насосного агрегата

Определение показателей технологичности конструкции МСП УК

'Вывод данных/

{Окончание расчета ^

Рис. 4. Блок-схема алгоритма расчета характеристик механизма типа "1"

В качестве комплексного показателя технологичности МСП УК предложена относительная безразмернаяхарактеристика, которую предложено определять по зависимости (11), как сумму относительных параметров технологичности с учетом их весовых коэффициентов:

Т, = Км. % + ктр • %% + кун • + кя • + ксб • Сб-/С6рй, (И)

где Км - весовой коэффициент удельной материалоёмкости, Ктр - весовой коэффициент удельной трудоёмкости изготовления, Кун - весовой коэффициент унификации, Кст - весовой коэффициент использования стандартных изделий, Кс6 -весовой коэффициент сборности, - расчетная удельная материалоёмкость, М® - базовая удельная материалоёмкость, С£р - расчетная удельная трудоёмкость изготовления, С®р - базовая удельная трудоёмкость изготовления, У®, - базовый коэффициент унификации, уР„ - расчетный коэффициент унификации, Ст®т - базовый коэффициент использования стандартных изделий, Ст[?т - расчетный коэффициент использования стандартных изделий, Сб®б - базовый коэффициент сборности, Сб^6 - расчетный коэффициент сборности.

Значения весовых коэффициентов определяются методом упрощенной экспертной оценки, и с обеспечением равенства их суммы единице, в соответствии с рекомендациями, приведенными в работе Амирова Ю.Д. «Технологичность конструкции изделия». После оценки значений весовых коэффициентов, зависимость, определяющая комплексный показатель технологичности принимает вид:

т, = 0,51. + 0,20 • СР%р + 0,09 • + 0,09 • + 0,11 • "^(12)

Предложенный комплексный показатель технологичности (11) или (12) предлагается к использованию в качестве критерия выбора наиболее технологичной конструкции вновь создаваемого МСП УК.

Выводы по результатам исследований, приведенных во второй главе:

1. В результате анализа конструкции механизмов, созданных раннее (как типа «1», так и типа «2»), разработана математическая модель оценки массогаба-ритных характеристик основных узлов МСП УК. Правильность использованных зависимостей подтверждена их применением при создании МСП УК, прошедших межведомственные испытания и изготавливаемых в настоящее время серийно.

2. Определены составные части МСП УК различных типов, наиболее значимые с точки зрения количественной оценки технологичности конструкции в соответствии с требованиями ГОСТ 14.205-83.

3. Рассмотрены процедуры оценки показателей технологичности конструкции МСП УК. Обосновано использование для оценки трудоёмкости изготовления МСП УК по массе и марке материала наиболее важных узлов.

4. С целью обеспечения эффективного использования математической модели оценки конструктивно-технических характеристик МСП УК, разработан алгоритм, позволяющий сократить время определения указанных характеристик и на его основе рассчитать значения показателей технологичности.

5. С целью сокращения времени расчета параметров МСП УК разработано программное обеспечение, позволяющее в интерактивном режиме оценить габариты, массу основных узлов МСП УК и показатели технологичности.

6. Обоснована целесообразность использования для оценки технологичности МСП УК комплексного показателя технологичности, и предложена зависимость для его расчета.

В третьей главе получены оценки значений характеристик и показателей технологичности МСП УК на основе разработанных математических моделей.

Полученные оценки параметров технологичности основных составных частей, входящих в состав МСП УК - приводов перекладки и насосных агрегатов, в том числе построены графики зависимости удельных параметров технологичности от значения крутящего момента на баллере. Пример подобной зависимости для удельной материалоёмкости приводов перекладки приведен на рис.5, для удельной трудоёмкости изготовления привода перекладки на рис.6.

Анализ полученных графиков позволил подобрать эмпирическую формулу для указанных зависимостей. Для оценки удельной материалоёмкости (рис.5) определена зависимость, связывающая удельную материалоёмкость привода перекладки МСП УК Смп и крутящий момент М механизма:

при М < 40 кН-м Смп=32,98 - 0,22-М, кг/кН'м (13)

при М > 40 кН-м Смп=9,6 + 600/М - 477-0,73м ,кг/кН-м (14)

где Смп - удельная материалоёмкость привода перекладки МСП УК; М - крутящий момент, развиваемый механизмом, кН*м.

Для оценки удельной трудоёмкости изготовления привода перекладки методом подбора определена зависимость, связывающая удельную трудоёмкость изготовления привода перекладки МСП УК и крутящий момент:

при М < 4 кН-м Стп =119,77 — 15,27 ■ М, нормо-ч./кН'м (15)

при4кН-м <М < 63 кН-м Стп = 59,33-0,21-М, нормо-ч./кН-м (16) при М > 63 кН-м Стп=5,5 + 2560/М - 2070-0,73м , нормо-ч./кН'м (17) где Стп - удельная трудоёмкость изготовления привода перекладки МСП УК; М -крутящий момент, развиваемый механизмом МСП УК, кН'м.

Значение удельной материалоёмкости, определенной по приведенной зависимости, даёт среднее относительное отклонение от значений материалоёмкости, для ранее созданных изделий, равное 6,99%, что лежит в пределах технически допустимой точности.

Аналогичным образом определены зависимости для базовых значений параметров технологичности остальных составных частей МСП УК.

Математическое моделирование значений удельных показателей технологичности МСП УК имеет на данном этапе две основные задачи: подтверждение адекватности построенной модели путем сравнения результатов расчета с оценками для созданных конструкций, выявление закономерностей, связывающих характеристики МСП УК.

Для подтверждения адекватности созданной математической модели выполняется расчет характеристик МСП УК с рабочими характеристиками ранее созданных механизмов. В качестве механизмов-аналогов рассмотрены МСП УК и силовые приводы рулевых машин, созданных в период с 1990 по 2010 год.

-500

0

500

1000

1500 2000 2500 Рабочий момент кН м

Рис.5. Значения удельной материалоёмкостиприводов перекладки МСП УК, Ряд1 - Значения для созданных механизмов; Ряд2 - Значения, определенные по зависимостям (13) и (14)

и

О

^

&

н те

к!

к

л

Ц

и £

£ Ж

Н V

о -о

v

о 2 а о х

те я к

<ц

Ч аз О

н о

.................ух)....... ----80 4 .................7.А......

—66-| ..................СП....... 1

1

-------30....4 ................20.......1

>

.....................о......■! .................—4—:..........

1

♦Ряд2

-500

0

500

1000

1500 2000 2500

Рабочий момент кН м

Рис.6. Значения удельной трудоёмкости изготовленияприводов перекладки МСП УК. Ряд 1 - Значения для созданных механизмов;

Ряд 2 - Значения, определенные по зависимостям (15), (16) и (17).

Для выявления закономерностей, связывающих массогабаритные характеристики МСП УК и их параметры технологичности с рабочими характеристиками механизмов, произведены оценки показателей технологичности механизмов МСП УК с крутящими моментами от2,5 кНм до 400 кНм.

В ходе расчетов для каждого значения момента на баллере последовательно определялось влияние на массогабаритные характеристики и параметры технологичности МСП УК изменения рабочих характеристик в пределах: угловая скорость

перекладки - от 20 до 40 град/с с шагом 10 град/с; предельные рабочие углы - 20 и 30 градусов; рабочее давление от 150 до 300 кгс/см2 с шагом 50 кгс/см2.

Указанные значения охватывают диапазоны изменения рабочих характеристик как всех созданных до настоящего времени МСП УК, так и перспективных отечественных и зарубежных конструкций и приведены в табл. 1.

Подтверждение адекватности характеристик, полученных математическим моделированием,выполняется методами исследования остатков и дисперсионного анализа.Для этого были выполнены: расчет и исследование остатков, анализ графиков остатков, дисперсионный анализ полученных зависимостей, оценка статистической значимости по критерию Фишера оцениваются следующей погрешностью показателей:для материалоёмкости привода перекладки - 2%, для материалоёмкости насосного агрегата - 0,2%, для трудоёмкости изготовления привода перекладки - 2%, для трудоёмкости изготовления насосного агрегата - 2%.

Погрешность оценки при определении показателей технологичности изделия в целом можно определить как сумму погрешностей для оценки показателей всех входящих в состав механизма частей. Погрешность предложенного в данной работе метода для оценки показателей технологичности МСП УК составляется материалоёмкости - 7,4%;для трудоёмкости изготовления - 8% .

Графически полученные данные можно представить, наложив их на графики, показанные на рис.5 и рис.6. Результат для удельной материалоёмкости приводов перекладки представлен на рис.7.

Графики на рис.7, также показывают, что зависимость фактической удельной материалоёмкости механизмов, изготавливаемых отечественной промышленностью и расчетной удельной материалоемкости приводов перекладки от крутящего момента, полученные с использованием разработанных зависимостей имеют одинаковый характер и близки по значению.

Кроме этого на этом рисунке приведен график зависимости материалоёмкости приводов перекладки механизмов производства НАТЬАРА типа Ро$е1с1оп-2 от крутящего момента. Указанный график (ряд 3 рис.7.) показывает, что характер зависимости материалоёмкости от крутящего момента для современных механизмов зарубежного производства имеет характер, аналогичный выявленному для отечественных механизмов. Одновременно необходимо отметить, что полученная характеристика для зарубежных механизмов точнее совпадает с зависимостью, полученной расчетным путем, чем с фактическими значениями удельной материалоёмкости современных отечественных образцов.

В целом графики, приведенные на рис.7, дают возможность сделать выводы: подтвержден характер зависимости удельной материалоёмкости приводов перекладки от крутящего момента на примере отечественных и зарубежных механизмов; созданная математическая модель позволяет получать значения удельной материалоемкости, отвечающие требованиям достоверности.

Анализируя значения массогабаритных характеристик МСП УК, созданных в период с 1990 по 2010 годы, можно вывести эмпирическую зависимость, позволяющую определить удельную материалоёмкость МСП УК:

См£= 2,2-Смп+2,12'Смн+Сдм, (18)

где Смп - удельная материалоёмкость привода перекладки МСП УК; Смн - удельная материалоёмкость насосного агрегата МСП УК; Сдм - удельная материалоёмкость вспомогательного оборудования, входящего в состав МСП УК, определяемая как, Сдм= 0,7'Смн, а также максимальную удельную трудоёмкость изготовления МСП УК.

С1Х=2,2-СТп+2,14-Стн+Сдт, (19)

где СТп - удельная трудоёмкость изготовления привода перекладки; Стн - удельная трудоёмкость изготовления насосного агрегата; Сдт- удельная трудоёмкость изготовления вспомогательного оборудования, входящего в состав МСП УК, определяемая как Сдт=0,7- Стп.

Определенные с помощью этих зависимостей значения материалоёмкости МСП УК, показаны на графике рис.8.

В результате сравнения характеристик МСП УК, полученных расчетным путем с помощью математической модели, описанной в главе 2, и характеристик ранее созданных МСП УК определено:

- указанная математическая модель, позволяет определять массогабаритные характеристики МСП УК с точностью, лежащей в пределах погрешности, определённой с доверительной вероятностью Р = 0,95, и пригодна для выполнения расчетов характеристик МСП УК, в том числе показателей технологичности;

- представленная в главе 2 математическая модель может быть использована для расчета характеристик электрогидравлических силовых приводов, предназначенных для судовых механизмов (успокоителей качки, рулевых машин и т.д.).

Рис. 7. Значения удельной материалоёмкости приводов перекладки МСП УК. Ряд 1 - Фактические значения удельной материалоёмкости; Ряд 2 - Значения удельной материалоёмкости, полученные расчетным путем; Ряд 3 - Значения удельной материалоёмкости зарубежного аналога.

В целях выявления зависимостей, связывающих основные показатели технологичности с рабочими характеристиками, были выполнены расчеты с использованием математической модели. В качестве исходных данных для расчета МСП

УК приняты следующие значения рабочих характеристик: крутящий момент в диапазоне от 2,5 кН-м до 400 кН-м, скорость перекладки румпеля в диапазоне от 20 град/с до 40 град/с ,угол перекладки румпеля в диапазоне от 20 градусов до 30 градусов, рабочее давление в диапазоне от 150 кг/см" до 300 кг/см2.

Расчеты при указанных рабочих характеристиках выполнялись для механизмов типа «1» и типа «2» во всем диапазоне крутящих моментов.

Для удобства определения степени влияния рабочих характеристик МСП УК на основные показатели технологичности группируем полученные при расчете оценки таким образом, чтобы при сохранении неизменными двух характеристик одна менялась в определённом ранее диапазоне для всего ряда рассматриваемых механизмов.

Полученные в результате расчетов значения удельной материалоёмкости и удельной трудоёмкости изготовления приведены в виде графиков (рис.9 - рис.10), зависимости указанных показателей технологичности от крутящего момента.

Исходные данные для ряда механизмов приведены в табл. 1.

Анализ графиков показал следующее:

1. Зависимость параметров технологичности от крутящего момента на бал-лере имеет одинаковый характер для механизмов любого типа вне зависимости от их исходных данных.

2. Зависимость удельной материалоёмкости от крутящего момента не имеет явной зависимости от типа механизма, в то время как удельная трудоёмкость изготовления МСП УК типа «1» отличается от удельной трудоёмкости изготовления МСП УК типа «2» во всем диапазоне исходных данных в меньшую сторону.

3. Значения показателей технологичности механизмов уменьшаются при выполнении следующих условий'.уменьшении угла перекладки бортового руля, уменьшении скорости перекладки бортового руля, увеличении рабочего давления.

""♦-Фактич.

-Расчет"1"

600 800 Крутящий момент привода, кН-м

Рис.8. График зависимости удельной материалоемкости от крутящего момента МСП УК. Фактич. - фактические значения удельной материалоёмкости ранее созданных МСП УК, Расчет «1» - расчетные значения удельной материалоёмкости МСП УК

I

I

Исходные данные для расчета механизмов. __Таблица 1

№ Тип механизма Рабочее давление, кг/см2 Угол перекладки, градус Скорость перекладки, град/с

11 1 150 30 40

12 1 200 30 40

13 1 250 30 40

14 1 300 30 40

15 2 150 30 40

16 2 200 30 40

17 2 250 30 40

18 2 300 30 40

Опираясь на полученные значения показателей технологичности, можно определить значение комплексного показателя технологичности. В качестве расчетных значений удельной материалоёмкости и удельной трудоёмкости изготовления принимаются значения, полученные для механизма типа «1» с рабочим давлением 300 кг/см", углом перекладки 30 градусов, угловой скоростью перекладки 40 град./с, как имеющие лучшие значения параметров технологичности. Базовые значения остальных показателей технологичности (коэффициентов стандартизации, унификации и сборности) принимаются равным минимальным значениям, а именно 0,1, 0,1 и 0,15 соответственно.

1400

S

^ 1200

é 1000

о

0

1 800

о п

| 600

V

и

s 400

к я X

ч 200

о £

0

0 100 200 300 400 500

Крутящий момент, кНм

К....................................

& 1

р

___—1 —

:

■»•"12 -w-14

V//////WS, ^ ^ -#-16 —♦—17 -18

Рис.9. График зависимости удельной материалоёмкости МСП УК.

400

2 350

л К 300

в

§ v і

:1> о 250

О (x

1 О* о я 200

Н « 03 £ 150

Ж и

к и 1—г 5 2 100

£ £

со 12 50

0

О 100 200 300 400 500

Крутящий момент, кНм Рис.10. График зависимости удельной трудоёмкости изготовления МСП УК.

« є

л я

£ ч> Ч

С

§

£

»•-Ряд2

Ряд4 Ряд5

300 400 500 Крутящий момент, кН м

Рис. 11. График зависимости комплексного показателя технологичности от крутящего момента

Для определения влияния каждого показателя технологичности на комплексный показатель технологичности последовательно выполняются расчеты по зависимости (12) с последовательным изменением каждого показателя технологичности. Результаты расчета приведены в графическом виде на рис.11., где кривая Ряд 1 - учитывает влияние удельной материалоёмкости, кривая Ряд 2 - учитывает влияние удельных показателей материалоёмкости и трудоёмкости изготовле-

ния, кривая Ряд 3 - учитывает изменение удельных показателей материалоёмкости и трудоёмкости изготовления и коэффициента унификации, кривая Ряд 4 - учитывает изменение удельных показателей материалоёмкости и трудоёмкости изготовления, коэффициентов унификации и стандартизации, кривая Ряд 5 - учитывается изменение всех показателей технологичности, учтенных в зависимости (12).

Таким образом, по результатам, изложенным в главе 3, можно сделать следующие выводы:

1. Выполнен анализ основных показателей технологичности созданных в последнее время конструкций МСП УК. Выявлен характер зависимостей, определяющих базовые значения показателей технологичности, и разработаны эмпирические зависимости для их оценки.

2. Выполнена проверка адекватности разработанных зависимостей оценки показателей технологичности (удельной трудоёмкости и удельной материалоёмкости) созданным конструкциям МСП УК.

3. Выявлены закономерности, связывающие конструктивно-технические характеристики МСП УК с показателями технологичности.

4. Анализ графиков зависимостей удельных показателей технологичности выявил следующее:

- характер зависимостей удельных показателей технологичности МСП УК одинаков для механизмов любого типа;

- зависимость показателей удельной материалоёмкости от крутящего момента не имеет явной зависимости от типа механизма;

- зависимости показателей удельной трудоёмкости изготовления МСП УК отличается от механизмов типа «1» и типа «2» во всем диапазоне типоразмерного ряда конструкций. Менее трудоёмким является механизм типа «2»;

- значение удельных показателей технологичности МСП УК уменьшаются при увеличении рабочего давления, уменьшении угла перекладки и скорости перекладки бортового руля.

5. На основе разработанных математических моделей оценки значений комплексных показателей технологичности МСП УК, содержащих частные показатели, получены оценки и построены графики зависимости от определяющего технического параметра МСП УК - рабочего крутящего момента. Анализ графиков показывает, что наибольшее влияние на изменение значений комплексного показателя технологичности оказывает изменение удельной материалоёмкости. Суммарное влияние изменений остальных частных показателей технологичности примерно равно влиянию изменений удельной материалоёмкости.

6. Выполненные исследования и полученные оценки позволили сформировать базу данных и базу знаний (математические модели) оценки значений частных и комплексных показателей технологичности конструкции МСП УК.

7. Полученные в главе 3 результаты предложены для использования при разработке методики обеспечения технологичности конструкции МСП УК и выборе наиболее рациональных решений, начиная с ранних этапов проектирования.

В четвертой главе диссертации приведен анализ результатов работы.

Разработана методика оценки основных характеристик МСП УК, в том числе показателей технологичности, с использованием разработанной математиче-

ской модели. На основании опыта проведения вычислений, выполненных в ходе настоящего исследования и анализа результатов моделирования, предлагается алгоритм определения характеристик МСП УК. Указанный алгоритм предусматривает следующие шаги:

Шаг 1: Определение основных исходных данных для начала расчета конструктивных характеристик и показателей технологичности МСП УК.

Шаг 2: Исходя из требований заказчика по размещению успокоителя качки на борту судна, выбирается тип механизма (тип «1»или тип «2»). В случае необходимости минимизации габаритов - выбирается механизм «1». В случае необходимости минимизации массы - выбирается механизм «2».

Шаг 3: Используя определённые в шагах 1 и 2 исходные данные с помощью разработанного программного обеспечения, выполняется расчет основных конструктивных характеристик и показателей технологичности.

Шаг 4: Полученные с использованием программного обеспечения значения показателей технологичности сравниваются с базовыми значениями показателей технологичности. В случае, если значения параметров технологичности, определённые с помощью программного обеспечения, меньше аналогичных базовых показателей, расчет механизма можно считать завершенным. В случае, если указанное условие не выполняется, расчет повторяют, при этом рабочее давление увеличивается.

Разработаны и предложены способы снижения удельной материалоёмкости и удельной трудоёмкости изготовления МСП УК, как частных показателей технологичности, имеющих наибольшее влияние на комплексный показатель технологичности. Анализ расчетов характеристик, выполненных в главе 2, показал:

1. Уменьшить удельную материалоёмкость МСП УК возможно только путем повышения рабочего давления до значения максимально возможного для используемого комплектующего оборудования.

2. Существенно уменьшить удельную трудоёмкость изготовления МСП УК возможно путем использования привода перекладки типа «2», но только в том случае, если трудоёмкость работ по монтажу механизма на заказе и обслуживанию механизма в процессе эксплуатации не имеет определяющего значения.

3. Наиболее эффективно снизить комплексный показатель технологичности возможно снижением удельной материалоёмкости МСП УК.

Кроме этого предложен перечень работ, необходимых для снижения погрешности оценки показателей технологичности, в том числе'.анапиз данных по массе и трудоёмкости изготовления изделий, поставляемых отечественной промышленностью серийно(включая данные по основным составным частям изделия); анализ данных по материалоёмкости аналогичных зарубежных изделий; уточнение по результатам выполненного анализа зависимостей для определения базовых значений показателей технологичности;выявление зависимости удельной трудоёмкости обслуживания МСП УК в процессе эксплуатации от его конструктивных и рабочих характеристик;выявление зависимости удельной трудоёмкости монтажа МСП УК от его конструктивных и рабочих характеристик;уточнение и детализация математической модели МСП УК, описанной в главе 2.

При подготовке технико-коммерческого предложения выполняются следующие работы: проработка варианта для выбора оптимального решения, разработка габаритных чертежейиздслия и выбор принципиальных гидравлических и электрических схем, и т.д.

Общая трудоёмкость перечисленных работ в соответствии с действующими нормативами составляет 448 нормочасов, при участии в рабочей группе 6 сотрудников общий срок подготовки технического предложения составит~75 часов.

При использовании предложенной методики трудоёмкость подготовки технико-коммерческого предложения сокращается до 168 нормочасов, при этом уменьшается число занятых в производстве работ сотрудников. В условиях ценообразования 2011 года экономия составит ~ 142,8 тыс. руб. на одно технико-коммерческое предложение.

Кроме этого, дополнительный экономический эффект от использования предложенной методики должен быть получен за счет уменьшения сроков подачи заявки для участия в конкурсе на поставку, а также уменьшения стоимости изготовления и обслуживания изделия вследствие выбора рациональной с точки зрения технологичности конструкции. Однако оценить величину этого эффекта затруднительно, вследствие высокой неопределенности возможных решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящий автореферат полностью отражает содержание диссертации.

На основании выполненных в диссертационной работе исследований получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Выполнен всесторонний анализ конструктивных решений механизмов силовых приводов успокоителей качки, применяющихся на судах и кораблях разных классов, типов и назначений. В результате анализа установлено следующее:

- в настоящее время не предложены зависимости оценки конструктивно-технических параметров МСП УК, начиная с ранних этапов проектирования;

- в настоящее время не предложены модели оценки и методы обеспечения технологичности конструкции МСП УК в процессе их производства.

2. Разработаны математические модели и ПО оценки конструктивно-технических характеристик МСП УК, адекватные ранее созданным конструкциям.

3. Выполнен анализ и предложены методы для оценки показателей технологичности конструкции МСП УК.

4. Выявлен характер зависимостей и разработаны математические модели оценки показателей технологичности, адекватные конструктивным и технологическим решениям, применяемым в настоящее время при создании изделий.

5. Разработаны и предложены критерии выбора рациональных технологических решений конструкции МСП УК, содержащих определяющие конструктивно-технологические параметры.

6. Анализ конструктивно-технологических параметров и показателей технологичности выявил следующее:

- тип конструкции МСП УК (плунжерный или поршневой) не влияет на характер изменения показателей технологичности;

- в наибольшей степени на изменение комплексного показателя технологичности влияет удельная материалоёмкость изделий;

- показатели технологичности конструкции МСП УК улучшаются при увеличении рабочего давления, уменьшении угла и скорости перекладки бортовых рулей;

- наиболее технологичной является поршневая конструкция МСП УК.

7. Уточнен состав исходных данных, методов и математических моделей для оценки конструктивно-технических характеристик и показателей технологичности для использования на ранних этапах проектирования.

8. Разработана методика обеспечения технологичности конструкции МСП УК для использования начиная с ранних этапов проектирования.

9. На основе анализа конструктивно-технологических решений обоснован выбор основных направлений совершенствования технических предложений по созданию новых конструкций МСП УК.

10. Выполнена оценка технико-экономических показателей использования результатов диссертационных исследований, в том числе выявлена возможность уменьшения стоимости создания новых образцов МСП УК и повышения их конкурентоспособности за счет:

- сокращения материалоёмкости и трудоёмкости изготовления МСП УК;

- значительное сокращение времени получения оценок конструктивно-технических характеристик и показателей технологичности, обоснование и выбор технологически рациональных конструкций МСП УК.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

а) В ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Пялов Н.В., Суслов Д.В. О совершенствовании механизмов силовых приводов.// Морской вестник. 2006 №4 с.32-34. (автор - 60%).

2. Пялов Н.В. К вопросу оптимизации механизмов силовых приводов успокоителей качки // Морской вестник. 2008. №4, с. 38. (автор - 100%)

3. Пялов Н.В., Суслов Д.В., Завирухо В.Д. Экспресс-оценка стоимостных характеристик изделий судового машиностроения // Морской вестник. 2009 №2 С.114-117. (автор-50%).

б) прочие публикации:

4. Пялов Н.В., Суслов Д.В., Поляков В.Г. Модернизация рулевой машины Р35 для ТАВКР «Адмирал Горшков»// «Судостроительная промышленность», Сер. «Технология и организация производства. Судовое машиностроение. Опыт проектирования и создания судовых механизмов». ЦНИИ судового машиностроения 2006 С.120-131. (автор - 50%).

5. Пялов Н.В. Способы экспресс-оценки параметров технологичности изделий судового машиностроения (доклад). - Тезисы трудов II Российской научно-практической конференции судостроителей «Единение науки и практики 2010». НТО судостроителей им. Академика А.Н. Крылова, С-Петербург, с.107-108. (автор -100%).

Подписано в печать 03.02.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8745Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/3543

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

На правах рукописи

Пялов Николай Владимирович

Оценка и обеспечение технологичности конструкции успокоителя качки с неубирающимися рулями.

Специальность 05.08.04 - «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства».

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Кривуля Александр Анатольевич

Санкт-Петербург - 2012

Перечень условных обозначений и сокращений, принятых в диссертации.

МСП - механизм силовых приводов;

ОКР - опытная конструкторская работа;

РКД - рабочая конструкторская документация

СТС - сложная техническая система;

ТЗ - техническое задание;

ТП — технический проект;

ТХ - технические характеристики;

УК - успокоитель качки;

ЭП - эскизный проект;

ПО - программное обеспечение;

ТПр - технологический процесс;

ЕСТПП - единая система технологической подготовки производства.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Перечень условных обозначений и сокращений, принятых в диссертации. 2

Введение. 5

1 Анализ конструкции МСП УК, обеспечение технологичности конструкции 12 изделия.

1.1 Анализ конструкции МСП УК. 12

1.1.1 Обоснование выбора объекта исследования. 12

1.1.2 Анализ конструктивно-технологических характеристик су- 15 ществующих конструкций успокоителей качки.

1.2 Анализ приёмов и методик, используемых при выполнении ОКР для 30 определения технических характеристик и технологичности МСП УК.

1.3 Проблемы оценки трудоёмкости изготовления изделия. 32 Выводы по главе 1. 36

2 Разработка математических моделей оценки технологичности МСП УК с 38 неубирающимися рулями.

2.1 Определение основных конструктивных характеристик МСП УК. 38

2.1.1 Определение основных технических характеристик МСП 39

УК с плунжерным четырёхцилиндровым приводом перекладки.

2.1.2 Определение основных конструктивно-технических харак- 45 теристик МСП УК.

2.1.3 Определение основных технических характеристик МСП 57 УК с приводом перекладки поршневой конструкции с двумя ка-

чающимися цилиндрами.

2.1.4 Основные конструктивно-технические характеристики 69

насосных агрегатов.

2.2 Количественная оценка технологичности конструкции МСП УК. 75

2.3 Разработка алгоритма определения показателей технологичности 79

МСП УК, включая трудоёмкость изготовления изделия и его материалоёмкость.

2.4 Разработка программного обеспечения. 91

2.5 Определение комплексного показателя технологичности. 97 Выводы по главе 2. 102

3 Обоснование адекватности моделей оценки технологичности конструк- 103 ции МСП УК на начальных этапах проектирования.

3.1 Анализ технологичности ранее созданных конструкций, 104 определение базовых значений показателей технологичности.

3.2 Подготовка данных для математического моделирования показате- 116 лей технологичности МСП УК.

З.ЗПодтверждение адекватностиматематических моделей оценки тех- 119 нологичности МСП УК.

3.4 Анализ характеристик МСП УК. 13 8

Выводы по главе 3. 162

4 Разработка методики обеспечения технологичности, выбор наиболее тех- 164 нологичных конструкций МСП УК на ранних этапах проектирования.

4.1 Разработка методики обеспечения повышения технологичности 164 конструкции МСП УК.

4.2 Разработка технических предложений по обеспечению техноло- 168 гичности создаваемых МСП УК.

4.3 Оценка функциональной эффективности применения предложен- 170 ной методики обеспечения технологичности конструкции.

4.4 Оценка экономического эффекта применения предложенной мето- 173 дики обеспечения технологичности МСП УК.

Выводы по главе 4. 175

Заключение. 177

Перечень использованной литературы. 180

ПРИЛОЖЕНИЯ 185

Приложение 1 Фотографии успокоителей качки и основных узлов ме- 186 ханизмов силовых приводов.

Приложение 2 Результаты моделирования МСП УК. 192

ВВЕДЕНИЕ.

Целью современного производства является создание конкурентоспособных образцов техники.

Известно, что конкурентоспособность изделий судового машиностроения является сложной экономической и даже политико-экономической категорией, обсуждать которую имеет смысл в работах соответствующего научного профиля.

На начальных этапах проектирования (подготовки технического задания, разработки эскизного и технического проектов) конкурентоспособность определяется, следующими условиями:

- повышение качества вновь создаваемых изделий;

- обеспечения соответствия характеристик изделия требованиям заказчика;

Обеспечение конкурентоспособности изделия должно включать:

- совершенствование конструкции для снижения затрат на создание и эксплуатацию изделия (обеспечение производственной и эксплуатационной технологичности);

- применение наиболее совершенных технологических процессов изготовления, монтажа и обслуживания.

Снижение затрат на создание и эксплуатацию следует рассматривать и оценивать в рамках выполнения остальной производственной программы. Денежные затраты зависят от экономического состояния рынка РФ, определяются трудоёмкостью, материалоёмкостью, энергоёмкостью как показателями технологичности конструкции изделия.

Указанные параметры необходимо обеспечивать на всех этапах создания изделия, особенно на этапе проектирования, когда неопределённость технических и технологических параметров изделия особенно велика, а время для принятия решения ограничено.

Обеспечение технологичности конструкции изделия - функция подготовки производства, предусматривающая взаимосвязанное решение конструкторских и технологических задач, направленных на повышение производительности труда, достижение оптимальных трудовых, материальных и энергетических затрат и изменяющих временные характеристики процессов производства, эксплуатации, ремонта изделия.

Отработка конструкции изделия на технологичность, согласно ГОСТ 14.201-83, должна обеспечивать решение следующих задач:

- снижение трудоёмкости и себестоимости изготовления изделия;

- снижение материалоёмкости и энергоёмкости изделия.

В числе методов отработки изделия на технологичность при выполнении опытно-конструкторских работ (ОКР) согласно ГОСТ 14.201-83 можно выделить следующие:

- типизацию конструктивных схем и компоновок изделия и его составных частей;

- унификацию, стандартизацию, агрегатирование и взаимозаменяемость изделия и его составных частей;

- блочно-модульное построение систем и устройств;

- функционально-стоимостной анализ изделия и его составных частей укрупненными методами;

- экономико-математическое моделирование взаимосвязей основных функциональных и конструктивно-технологических характеристик изделия, влияющих на затраты труда, материалов и энергии при разработке и изготовлении с показателями эффективности производства.

Экономико-математическое моделирование позволяет на системной обеспечить технологическую рациональность, конструктивно-технологическую преемственность изделия и оценить (спрогнозировать) все виды затрат для конкретных условий производства. Указанное целесообразно решать, начиная с ранних этапов проектирования [8], обеспечивая выбор лучшего варианта конструкции в возможном диапазоне её изменения, что дает

для создаваемого изделия лучшее соотношение «цена-качество» и преимущество в конкурентной борьбе за заказы.

В трудах В.Ф.Суслова, А.Г.Даниловского, О.И.Ефимова, И.И.Исаева, Н.П.Шаманова [35,36] рассмотрены алгоритмы проектирования изделий судового машиностроения, методы оценки и обоснования технических решений на основе использования математических моделей и практические проблемы оптимизации и реализации проектных решений. Представлены методики и примеры расчётов конструкций кранов судовых электрогидравлических, грузовых электрических лебедок, якорно-швартовных механизмов и рулевых машин.

Разработаны модели для согласованной системной оптимизации судового оборудования, как единого комплекса, входящего в состав объектов морской техники. Определены критерии системы оценки эффективности. Разработаны математические модели указанных выше изделий судового машиностроения и рассмотрены вопросы информационного обеспечения разработки необходимого программного обеспечения для реализации математического моделирования.

Вместе с тем в названных трудах задачи определения взаимосвязей основных функциональных и конструктивно-технологических характеристик с показателями технологичности и методы оценки трудоёмкости изготовления и материалоемкости изделий судового машиностроения не рассмотрены.

Поскольку технологичность конструкции изделия оценивается различными показателями, представляется целесообразным выполнить анализ и обосновать выбор основных параметров и показателей технологичности изделия [28], [37] для использования на этапах проектирования с учетом [6]:

- трудоёмкости изготовления;

- удельной материалоёмкости;

- удельной трудоёмкости изготовления;

- коэффициента унификации и стандартизации конструктивных элементов изделия;

- коэффициента сборности и других.

При этом для анализа влияния всех перечисленных показателей технологичности представляется необходимым ввести комплексный показатель технологичности изделия, учитывающий влияние перечисленных параметров и показателей, что также должно быть предметом научных исследований.

В составе изделий судового машиностроения успокоители качки, обеспечивающие основные мореходные качества судов и кораблей, обладающих значительным разнообразием технических и конструктивных решений в зависимости от функционального назначения. Методов создания более совершенных конструкций успокоителей качки к настоящему времени не предложено, в связи с чем возникает необходимость постановки и решения научно-технической задачи комплексного исследования и обеспечения технологичности конструкции успокоителей качки^ обеспечивающих сокращение затрат на производство.

Целью данной диссертационной работы является обеспечение технологичности конструкции МСП УК, начиная с ранних этапов проектирования.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

1. Всесторонний анализ вариантов конструктивных решений МСП УК. Обоснование необходимости всесторонних исследований и разработки методики обеспечения технологичности конструкции, начиная с ранних этапов проектирования.

2. Анализ и разработка математической модели оценки конструктивно-технических характеристик МСП УК, базирующихся на параметрах определённых требованиями заказчика и записанных в техническом задании на новое проектирование.

3. Анализ, выбор и обоснование показателей технологичности конструкции МСП УК, взаимосвязанных с конструктивно-техническими характеристиками, известными (или прогнозируемыми) на ранних этапах проектирования.

4. Комплексные исследования и разработка математических моделей оценки показателей технологичности конструкции МСП УК, адекватных существующим вариантам конструктивных решений МСП УК.

5. Выявление определяющих конструктивно-технических характеристик МСП УК и установление зависимостей их показателей технологичности от определяющих конструктивно-технических характеристик с целью выявления основных направлений совершенствования конструкции МСП УК.

6. Разработка и обоснование критериев выбора оптимальных вариантов конструктивных решений МСП УК (комплексных и локальных), начиная с ранних этапов проектирования.

7. Разработка ПО для получения оценок с использованием разработанных математических моделей, уточнение состава базы данных, методов поставки и решения задач (базы знаний) обеспечения технологичности конструкции МСП УК с учетом эксплуатационных, проектных ограничений и требований заказчика.

8. Разработка методики обеспечения технологичности конструкции МСП УК с неубирающимися рулями для использования на ранних этапах проектирования.

9. Оценка технико-экономической эффективности использования результатов диссертационных исследований при создании новых конструкций МСП УК с неубирающимися рулями.

Результаты решения указанных задач выносятся на защиту.

Объектом исследования является конструкция МСП УК. Задачи научных исследований включают разработку методов и моделей, позволяющих оценить основные конструктивные и технологические характеристики создаваемого механизма, обосновать критерии выбора наиболее технологичных решений.

В результате использования разработанных математических моделей МСП УК, методик оценки и обеспечения технологичности и критериев выбора создаваемых конструкций, обеспечивается возможность определения на

начальных этапах проектирования основных параметров технологически рационального механизма с заданными эксплуатационными характеристиками.

Разработанный методический подход позволит получить оценки мас-согабаритных характеристик изделия, трудоёмкости изготовления и материалоёмкости на возможно более ранней стадии создания изделия, что в свою очередь позволит подготовить техническое предложение потребителю в более короткие сроки и с меньшей вероятностью ошибки в стоимости при заключении контракта.

Научная задача, решаемая в диссертационной работе, заключается в проведении анализа зависимости параметров и показателей технологичности создаваемых механизмов от их конструктивных характеристик и выработке технических предложений по повышению технологичности создаваемых МСП УК.

Научная новизна настоящей работы заключается в разработке методики обеспечения технологичности конструкций МСП УК на основе использования математических моделей МСП УК, позволяющих увязать основные конструктивно- технические параметры и параметры технологичности аналитическими методами на начальных этапах проектирования.

При решении поставленных задач использованы методы численного исследования и методы математической статистики.

В результате выполненных исследований:

1 Разработана методика обеспечения технологичности конструкции МСП УК с неубирающимися рулями.

2 Разработаны математические модели МСП УК, пригодные для определения основных конструктивных и технологических характеристик МСП УК на начальных этапах проектирования.

3 Разработаны технические предложения по обеспечению технологичности МСП УК для реализации на начальных этапах ОКР.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников и приложений. Объём работы -202 страницы, в том числе 2 приложения.

12

Глава 1.

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ МСП УК, ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ИЗДЕЛИЯ.

1.1 Анализ конструкции МСП УК.

1.1.1 Обоснование выбора объекта исследования.

В числе изделий судового машиностроения, рассмотренных в работе [35] отсутствуют успокоители качки. Несмотря на то, что эти механизмы относятся к вспомогательным, они играют большую роль в обеспечении способности судна или корабля выполнять свою основную задачу [42].

Из разнообразных внешних сил, действующих на плавающее судно, главными являются силы давления ветра и вызванное ими волнение. Под действием этих сил судно совершает сложное колебательное движение.

Колебания относительно продольной оси (бортовая качка) могут оказаться опасными для эксплуатации судов. Заметное воздействие на судно и его экипаж оказывают также килевая и вертикальная качка.

Наиболее существенными последствиями от воздействия качки являются:

-уменьшение запаса динамической остойчивости судна, которое при особо неблагоприятных условиях может привести к опрокидыванию судна; -появление дополнительных нагрузок на корпусные конструкции; -возникновение дополнительных инерционных сил, действующих на механизмы, устройства и приборы, и снижающие их точность и надежность; -ухудшение управляемости; -уменьшение скорости;

-резкое ухудшение условий обитаемости экипажа вследствие биологического воздействия качки на человека.

Качка оказывает влияние на все мореходные качества судна и поэтому уменьшение качки может считаться узловой проблемой мореходности.

Основные способы уменьшения качки:

-рациональный выбор соотношения размеров судна и формы теоретического чертежа;

-маневрирование судна относительно фронта волны путём изменения курса и скорости хода;

-применение на судне специальных устройств.

Первые два способа имеют лишь ограниченное значение, поскольку они не решают проблемы уменьшения качки при меняющихся в широких пределах внешних условиях. Наиболее эффективен и универсален третий способ уменьшения качки, представляющий собой применение совокупности средств искусственной стабилизации судна.

Специальные