автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности изготовления топливных форсунок ГТД путём функционально-ориентированной сборки

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьева»

На правах рукописи

Л.'ЛЛА ¿4971 6

Сазанов Андрей Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ФОРСУНОК ГТД ПУТЁМ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ

СБОРКИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук Семёнов Александр Николаевич

Рыбинск-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................... 5

Глава 1 Проблема обеспечения точности и взаимозаменяемости деталей и узлов машин на различных этапах производства.............. 8

1.1 Анализ исследований влияния точности деталей на качество узлов и машин на этапах конструирования и механической обработки.... 8

1.2 Анализ исследований влияния точности деталей на качество узлов и машин на этапе сборки..................................... 14

1.3 Анализ состояния рассматриваемой научной проблемы применительно к объекту исследования.............................. 19

1.4 Цель работы и задачи исследования......................... 41

1.5 Выводы по главе 1....................................... 42

Глава 2 Исследование взаимосвязи точности геометрических

параметров деталей и выходных параметров топливной форсунки ГТД... 43

2.1 Основные понятия в концепции функциональной взаимозаменяемости.................................................. 43

2.2 Классификация функциональных параметров изделий машиностроения................................................. 46

2.3 Системный подход к формированию процесса функционально-ориентированной сборки топливной форсунки ГТД................... 50

2.4 Исследование особенностей формирования функциональных параметров деталей топливной форсунки............................ 54

2.5 Изучение взаимосвязи функциональных параметров деталей и служебных параметров топливной форсунки ФР-40ДС................. 58

2.6 Выводы по главе 2........................................ 74

Глава 3 Математическое моделирование взаимосвязи параметров

деталей и выходных параметров топливной форсунки ГТД.............. 76

3.1 Общий подход к математическому моделированию выходных параметров топливной форсунки................................... . 76

3.2 Разработка модели взаимосвязи геометрических параметров деталей распылительного пакета форсунки и расхода топлива........... 79

3.3 Разработка модели взаимосвязи геометрических параметров деталей распылительного пакета форсунки и параметра неравномерности распыла топлива.................................................. 88

3.4 Адаптация полученных моделей к применению в технологическом процессе сборки форсунок.......................... 93

3.5 Теоретические основы нового метода сборки топливных форсунок........................................................ 96

3.6 Выводы по главе 3......................................... 101

Глава 4 Разработка мероприятий по повышению эффективности

технологии производства топливных форсунок ГТД................... 103

4.1 Технологическое обеспечение качества топливных форсунок на этапе механической обработки деталей распылительного пакета......... 103

4.2 Описание метода селективной сборки распылительных пакетов форсунок по гидравлическим параметрам............................ 113

4.3 Алгоритм построения технологического процесса сборки топливных форсунок на основе предложенного метода.................. 119

4.4 Компоновочная схема приспособления для испытания распылительных пакетов форсунок................................... 122

4.5 Принципиальная схема установки для испытания топливных форсунок ГТД.................................................... 125

4.6 Выводы по главе 4........................................... 131

Глава 5 Практическая реализация результатов исследования по

повышению эффективности технологии производства топливных форсунок ГТД..................................................... 132

5.1 Методика функционально-ориентированной сборки топливных форсунок......................................................... 132

5.2 Разработка компьютерной программы для автоматизированной сортировки деталей распылительного пакета........................... 136

5.3 Оценка достоверности результатов исследования..............................140

5.4 Экономический анализ разработанных технологических мероприятий..............................................................................................................146

5.5 Применимость разработанного метода сборки к различным конструктивным вариантам форсунок................................................................152

5.6 Выводы по главе 5................................................................................156

Заключение..................................................................................................157

Список литературы....................................................................................158

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей машиностроения является выпуск изделий, обладающих требуемыми эксплуатационными показателями. В общем случае данная задача решается путём нормирования точности геометрических размеров деталей на основе справочных данных, производственного опыта, анализа подобных конструкций. Однако такой подход не позволяет эффективно обеспечивать требуемые эксплуатационные показатели изделий, имеющих сложные физические принципы действия. Причиной данной проблемы является косвенный характер управляющего воздействия на эксплуатационные показатели изделия. Возникает многоступенчатая схема передачи информации. Геометрические параметры деталей преобразуются в физические параметры функционирования составных частей изделия, которые в свою очередь формируют эксплуатационные показатели. Применение указанного подхода приводит к возникновению дополнительных затрат производственных ресурсов. Особую важность описанная проблема приобретает на этапе сборки изделия. В процессе сборки происходит взаимодействие достигнутых параметров деталей изделия. Результат такого взаимодействия напрямую определяет фактические значения эксплуатационных показателей, которые являются единственно ценными характеристиками изделия для потребителя.

В качестве объекта исследования, иллюстрирующего описанную проблему, были выбраны топливные форсунки авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) семейства Д-ЗОКУ/КП. Топливная форсунка является одним из основных узлов топливной системы ГТД. Она обеспечивает подачу определённого количества горючего в камеры сгорания двигателя, в виде факела распыла требуемой конфигурации. Качество работы форсунки оказывает прямое влияние на важнейшие характеристики камеры сгорания двигателя: неравномерность температурного поля на выходе из камеры сгорания, полноту сгорания топлива. Отклонения по данным параметрам могут вызвать снижение КПД, мощности двигателя, снизить его экологические характеристики, а также привести к

повреждению некоторых узлов. В настоящее время параметры готовых топливных форсунок имеют значительный разброс в пределах установленных допусков. При реализации существующих технологических процессов изготовления и сборки форсунок достижение указанных эксплуатационных показателей осуществляется путем введения дополнительных операций по слесарной доработке деталей форсунки. Как правило, циклы таких доработок повторяются многократно. Необходимость проведения доводочных операций приводит к повышению себестоимости готовой форсунки, увеличению общего времени изготовления форсунки и является препятствием для повышения эффективности технологического процесса её сборки. Основной причиной данной ситуации является то, что на этапе сборки в состав форсунки включаются детали, имеющие различные по величине отклонения тех или иных конструктивных параметров, что оказывает практически неконтролируемое влияние на параметры форсунки. Существующие способы сборки машиностроительных изделий не могут быть применены в рассматриваемом случае вследствие особенностей конструкции и функционирования топливных форсунок.

В рамках выполняемого исследования проводится разработка принципиально нового подхода к построению сборочного процесса форсунки. Теоретической основой для достижения поставленной цели служит концепция функциональной взаимозаменяемости. Данная концепция базируется на управлении функциональными параметрами деталей с целью обеспечения требуемых свойств готового изделия (узла, машины).

Функциональный параметр - параметр изделия или его составных частей в заданных условиях эксплуатации, изменение которого напрямую влияет на эксплуатационные показатели. В зависимости от принципа действия изделия функциональные параметры также могут иметь различную физическую природу. Отправной точкой разработки нового подхода (способа сборки форсунки) будет служить глубокий и всесторонний анализ существующих технологических процессов и производственных сведений. В ходе анализа необходимо выявить достаточный набор факторов, условий и параметров, имеющих определяющее

воздействие на формирование эксплуатационных показателей форсунки при её сборке. По данным анализа должны быть созданы методические и технические средства, позволяющие осуществить максимально возможное сближение контролируемых параметров деталей и эксплуатационных показателей форсунки. Данные средства сделают возможным переход от традиционного нормирования и контроля геометрических (чертёжных) характеристик деталей к определению их физических (функциональных) параметров.

Для деталей форсунки функциональные параметры определяются гидравлическими процессами течения рабочего тела по каналам топливного тракта. Управление функциональными параметрами деталей позволяет напрямую воздействовать на эксплуатационные показатели форсунки. Практическое внедрение разрабатываемого способа сборки позволит повысить точность выходных параметров форсунок без проведения доводочных операций, что будет иметь положительное влияние на параметры работы ГТД и позволит снизить производственные издержки.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук Семёнову Александру Николаевичу за помощь, оказанную в работе над диссертацией.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ И ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МАШИН НА РАЗЛИЧНЫХ

ЭТАПАХ ПРОИЗВОДСТВА

1.1 Анализ исследований влияния точности деталей на качество узлов и машин на этапах конструирования и механической обработки

Изучение влияния технологических отклонений на эксплуатационные показатели различных изделий в отечественной науке проводится с 1950-х годов. Именно в этот период произошла трансформация представлений о некоторых ключевых понятиях теории точности деталей, узлов и машин. Важнейшим из таких понятий является взаимозаменяемость. На то время наиболее употребительным и установившимся был подход к рассмотрению взаимозаменяемости в машиностроении как принципа конструирования, производства и эксплуатации машин и других изделий, обеспечивающего соблюдение технических требований, предъявляемых к их работе при бесподгоночной сборке в узел независимо изготовленных сопрягаемых деталей. Такой подход не учитывал в явном виде характер и степень влияния фактических производственных отклонений составных частей машины на её эксплуатационные показатели. Взаимозаменяемость сводилась к обеспечению собираемости изделия, т.е. по своей сути являлась геометрической. Однако в связи с развитием автоматизированных производств, повышением требований к долговечности и надёжности машин, расширением номенклатуры и усложнением физических принципов действия изделий получила развитие новая трактовка понятия взаимозаменяемости. Оно было увязано с функциональным назначением и эксплуатационными параметрами деталей и узлов машин на примере ряда механических систем. С этого времени начинается разработка ряда теоретических принципов, направленных на обеспечение функциональной взаимозаменяемости изделий машиностроения.

Впервые такая новая разработка вопроса проводилась в Центральном научно-исследовательском институте технологии машиностроения под руководством д.т.н. Н.А. Калашникова учёными Л.А. Архангельским, Г.А. Лившицем, П.Н. Ткачевским, Б.А. Тайцем. В трудах этой школы основное внимание уделялось теоретической разработке норм точности некоторых механических передач.

Большое внимание вопросу влияния геометрической точности деталей на функциональное качество узлов и машин уделялось в научных работах д.т.н., профессора А.И. Якушева. Им были введены несколько фундаментальных терминов, в частности понятие функциональной взаимозаменяемости, которая трактовалась как обеспечение в заданных пределах экономически оптимальных и стабильных во времени эксплуатационных показателей изделий и их элементов, при одновременном соблюдении взаимозаменяемости по этим показателям. При этом подчёркивалась необходимость установления связи между эксплуатационными показателями изделий и их функциональными параметрами, математическое представление которой было определено выражением 1.1

^ = (1.1) где X], Х2, ...х„ — независимые между собой функциональные параметры изделия;

у - эксплуатационный показатель изделия.

В качестве базовых геометрических характеристик, определяющих физическое состояние единичных поверхностей детали или их совокупностей А.И. Якушевым были выделены следующие параметры:

- точность размера (регламентирован ГОСТ 25346-89);

- точность геометрической формы элементов детали (регламентирован ГОСТ 24642-81);

- точность взаимного расположения поверхностей элементов деталей (регламентирован ГОСТ 24642-81);

- шероховатость (регламентирован ГОСТ 2789-73) и волнистость поверхности (параметр не стандартизован).

Под функциональными параметрами в работах А.И. Якушева понимаются геометрические, электрические, механические и другие параметры изделий, влияющие на эксплуатационные показатели. Область применения функциональной взаимозаменяемости была распространена не только на механические устройства, но и на электрические и некоторые другие системы. Более подробно вопросы функциональной взаимозаменяемости изучались А.И. Якушевым на примере резьбовых соединений. Дополнительно А.И. Якушевым изучались вопросы взаимозаменяемости гладких цилиндрических соединений деталей машин в свете соотношения стандартизованных систем допусков и посадок с реальными условиями производственной среды. В качестве основных средств выбора степени точности объектов машиностроения А.И. Якушевым были выделены следующие методы: метод прецедентов, метод подобия, расчётный метод.

Обеспечение принципа функциональной взаимозаменяемости, согласно исследованиям А.И. Якушева, должно быть привязано ко всем основным этапам жизненного цикла изделия: проектированию, изготовлению и эксплуатации. В связи с этим на практике должна существовать чёткая система конструкторской, метрологической, технологической и эксплуатационной документации.

Расширение сферы применения понятия функциональной взаимозаменяемости связано с исследованиями И.В. Дунина-Барковского, внесшего весомый вклад в развитие теории точности. Концептуально исследования И.В. Дунина - Барковского являются развитием и углублением идей и принципов, заложенных А.И. Якушевым. Он применил принцип функциональной взаимозаменяемости к новому классу объектов машиностроения - шлицевым и шпоночным соединениям деталей машин. Функциональная взаимозаменяемость и конкретно-практический метод её достижения были увязаны с технологией изготовления (применяемыми, либо доступными методами обработки) и механическими свойствами материала деталей соединения. В различных работах других авторов подобные подходы к обеспечению функциональной взаимозаменяемости были распространены на все основные

соединения и передачи, такие как: конические соединения (A.M. Журавлёв, Н.М. Федотов); реечные и червячные передачи (Б.А. Тайц, А.И. Якушев); соединения с натягом (A.M. Дальский, Д.Н. Решетов).

Важным направлением в научной работе И.В. Дунина-Барковского также была разработка принципов взаимозаменяемости поверхностей по параметрам шероховатости. Согласно данным исследованиям шероховатость поверхности определяет ряд важнейших физических параметров, и как следствие эксплуатационных свойств деталей машин. В частности, были проведены исследования влияния шероховатости деталей прессового соединения на его прочность. Данные исследования проводились И. В. Дуниным-Барковским, совместно с учёными А. И. Якушевым и И. Г. Фридлендером.

Математические средства обеспечения точности и функциональной взаимозаменяемости изделий разрабатывались в исследованиях научной школы Института Проблем Машиноведения РАН (г. Санкт-Петербург) под руководством д.т.н., проф., В.П. Булатова, д.т.н., проф., И.Г. Фридлендера. В ходе данных исследований рассматривались проблемы применения средств математической статистики в теории точности, существования рисков 1-го и 2-го рода, выбора критериев принятия решений, упра