автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Разработка методики обеспечения технологичности конструкций механизмов силового привода успокоителя качки с неубирающимися рулями

На правах рукописи

У

Пялов Николай Владимирович

Разработка методики обеспечения технологичности конструкций механизмов силового привода успокоителя качки с неубирающимися рулями

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

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С ОПТ 2011

Санкт-Петербург 2011

4858286

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

Научный руководитель: доктор технических наук

Кривуля Александр Анатольевич

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

Лысенков Павел Михайлович

кандидат технических наук Горбунов Сергей Алексеевич

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

Защита диссертации состоится «02» ноября 2011 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 « 21 » 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

А.Н. Муравьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: Целью современного производства является создание конкурентоспособных образцов техники.

Одним из факторов получения конкурентных преимуществ является возможность создавать конструкции, рациональные с точки зрения технологичности в минимально возможные сроки, при обеспечении наиболее точной оценки, как основных параметров технологичности, так и комплексного показателя технологичности.

Значения указанных параметров необходимо обеспечивать в заданных пределах на всех этапах создания изделия, особенно на этапе проектирования, когда неопределённость технических и технологических параметров изделия особенно велика, а время для принятия решения ограничено.

Наиболее рациональный метод оценки параметров технологичности на начальных этапах создания изделия - экономико-математическое моделирование взаимосвязей основных функциональных и конструктивно-технологических характеристик изделия, влияющих на затраты труда и материалов при разработке и изготовлении с показателями эффективности производства. Указанная методика позволяет обеспечить технологическую рациональность, конструктивно-технологическую преемственность изделия и оценить технологическую рациональность создаваемых конструкций количественно.

В трудах В.Ф.Суслова, А.Г.Даниловского, О.И.Ефимова, И.И.Исаева, Н.П.Шаманова, выполненных ранее, были рассмотрены алгоритмы проектирования изделий судового машиностроения, рассмотрены методы оценки и обоснования технических решений на основе использования математических моделей и практические проблемы оптимизации проектных решений. Подробно были рассмотрены вопросы создания рулевых машин, палубных механизмов и грузоподъёмных механизмов. Не были рассмотрены особенности создания механизмов силовых приводов успокоителей качки. Не рассматривались также вопросы определения взаимосвязей основных функциональных и конструктивно-технологических характеристик с показателями технологичности и методы оценки трудоёмкости изготовления и материалоемкости изделий судового машиностроения.

Актуальность диссертационной работы заключается в исследовании влияния рабочих характеристик на значение параметров технологичности и разработке методики оценки указанных параметров на ранних стадиях создания механизмов силовых приводов успокоителей качки.

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 разработка методики обеспечения технологичности конструкции МСП УК на начальных этапах опытно-конструкторских работ (ОКР) при помощи математической модели технологически рационального механизма. Для реализации указанной цели решены следующие задачи:

1 Выполнен анализ конструкции МСП УК с точки зрения её технологичности, анализ приемов и методик, используемых на этапе эскизного и технического проектов для определения технических характеристик механизма и оценки трудоёмкости его изготовления.

2 Разработка математических моделей МСП УК с учетом нагрузок, действующих на изделие, в том числе разработка алгоритмов работы математических моделей и увязка технических характеристик изделия с трудоёмкостью и материалоёмкостью его изготовления.

3 Подтверждение адекватности количественной оценки технологичности конструкции МСП УК на этапах эскизного и технического проектирования.

4 Разработка методики оценки технологичности конструкции МСП УК.

5 Разработка технических предложений по обеспечению технологичности МСП УК для реализации на начальных этапах ОКР.

Объект исследования: Объектом исследования являются математические модели МСП УК, подтвердившие свою адекватность сравнением с созданными на настоящий момент конструкциями и позволяющие оценить основные конструктивные и технологические характеристики создаваемого механизма.

Предмет исследования: Предметом настоящего исследования является технологичность конструкции механизмов силовых приводов успокоителей качки с неубирающимися рулями.

Научная новизна: Научная новизна настоящей работы заключается в разработке методики обеспечения технологичности конструкций МСП УК и построении математической модели МСП УК, позволяющей оценить основные конструктивные параметры и параметры технологичности МСП УК аналитическими методами на начальных этапах выполнения ОКР.

Методы исследования и достоверность результатов: При решении поставленных задач использованы методы численного исследования и методы математической статистики.

На защиту выносятся результаты решения перечисленных выше задач.

Научно-пряктическая значимость полученных результатов: Определяется их важностью для обеспечения точной оценки основных параметров технологичности МСП УК на ранних этапах их создания, что обеспечивает предприятию конкурентные преимущества.

Апробация работы: Основные положения работы докладывались и обсуждались на кафедре 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 работа: Основные результаты работы внедрены на предприятии ЗАО «ЦНИИ СМ». Расчеты по методике применялись 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 изданиях рекомендованных Перечнем ВАК РФ, 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 -196 страниц, в том числе: таблиц -18, рисунков - 55, приложений - 2.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор темы диссертации и её актуальность, указывается цель, задачи, объект и предмет исследования, научная новизна, научно-практическая значимость и результаты исследования, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ конструкции МСП УК, анализ приёмов и методик, используемых при выполнении ОКР для обеспечения технических характеристик и технологичности МСП УК, рассмотрены проблемы оценки трудоёмкости изготовления изделия.

Рассмотрены кинематические схемы кулисного, четырехцилиндрового, плунжерного механизма, далее называемого механизмом типа «1» и механизма поршневого с качающимися цилиндрами, далее называемого механизмом типа «2».

В результате сравнения методов, используемых для определения технических характеристик, сделан вывод о том, что наиболее целесообразно использование метода сравнения с аналогами, а для обоснования выбора проектных решений предпочтительно использование локальных критериев, как абсолютных, так и удельных, приведенных к основной рабочей характеристике МСП УК. В том числе, для оценки трудоёмкости изготовления и материалоёмкости изделия использовать их значения, отнесённые к основной рабочей характеристике. В случае МСП УК такой характеристикой является момент на баллере, развиваемый механизмом, величина момента на баллере Мщ« задаётся техническим заданием.

Наиболее важным при применении способа сравнения с аналогом является рассмотрение как можно большего числа аналогичных изделий, что повышает точность оценки удельной трудоёмкости.

По материалам первой главы можно сделать следующие выводы:

1. Зависимости, связывающие основные геометрические и рабочие характеристики основных составных частей МСП УК, определены в ранее выполненных работах и позволяют построить математическую модель обеих типов МСП УК.

2. Анализ приёмов и методик обоснования выбора технических характеристик на начальных этапах ОКР показал целесообразность использования локальных критериев эффективности для обоснования выбора проектных решений для МСП УК. В данной работе в качестве локального критерия рассматриваются показатели технологичности, как в абсолютных значениях, так и в удельных (приведенных к основной рабочей характеристике МСП У К),

3. Рассмотрены способы оценки трудоёмкости изготовления МСП УК. Обосновано применение для определения трудоёмкости изготовления МСП УК метод сравнения с аналогами.

Во второй главе диссертации приведены основные зависимости, определяющие рабочие и конструктивные характеристики механизма, а также его пока-

затели технологичности. Разработан алгоритм определения перечисленных характеристик механизма с использованием методов численного моделирования и дано описание разработанного программного обеспечения.

При создании образцов 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):

л/=тй"^'кгм 0)

cos а

где М - крутящий момент; Др - перепад давления в цилиндрах; V0 - геометрический параметр привода, определенный по формуле - У0 =:-a(, F„, где z - количество плунжеров, F„a - площадь плунжера, а0-межосевое расстояние; а - угол перекладки румпеля; - механический КПД привода перекладки.

Указанный механизм обеспечивает решение задачи минимизации габаритов в плане.

Рис. 1. Привод к баплеру плунжерного типа.

Для механизма типа «2» (Рис. 2) приведенная зависимость примет вид (2):

М =z-Ap V0 cos(a , КГ М (2)

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

Используя зависимости (1) и (2), а также известные зависимости для расчета прочности деталей машин, можно определить характеристики основных деталей приводов перекладки МСП УК. Например для расчета размеров механизма типа «1» выполнялись следующие расчеты:

- выполнение условий прочности плунжера по зависимости

_ _ МИ!Г

>{/ , кг/см2 (3);

где IV- момент сопротивления плунжера, ослабленного отверстием, Мизг- изгибающий момент плунжера. При этом должно выполняться условие (Тт/а /пг >

где [п] - заданный запас прочности, в данном случае не менее 1,5;

Рис. 2. Кинематическая схема привода к баллеру поршневого типа

- проверка возможности защемления плунжера во втулках по зависимости

где 5 - максимальное перемещение плунжера во втулке, Ьвт - длина втулки, <р -максимальный угол поворота плунжера во втулке, Дтщ - мининальный зазор в посадке плунжера.

- расчет прочности пальца выполняется по зависимости (3), кроме этого проверяется выполнение условие (5):

еп=1П-ул&т, кг/см-с (5);

где еп - напряженность работы, дп - давление пальца плунжера на ползун, Уп -скорость перемещения плунжера в ползуне;

- расчет прочности щеки румпеля по приведенному запасу прочности:

»

где п,- запас прочности на срез, пи - запас прочности на изгиб;

- расчет прочности румпеля на кручение выполняется по зависимости

0,383 <хг

, кг/см

(6);'

(7);

где Милх - максимальный крутящий момент, ЦГКР - момент сопротивления при коучении;

- расчет прочности стенки рабочего цилиндра выполняется по давлению начала пластических деформаций по зависимости:

Рт «Ж'-*.')

2 Я-2 , кг/см2 (8);

где Я„-наружный радиус стенки, Кн - внутренний радиус стенки.

Используя зависимости (1), (3) - (8) можно определить размеры основных деталей привода перекладки МСП УК типа «1»: диаметр и длину плунжера, расстояние между осями рабочих цилиндров, диаметр и длину пальца плунжера, длину втулок рабочих цилиндров, диаметр и толщину стенок рабочих цилиндров, наружный и внутренний диаметры втулки румпеля, размеры щек румпеля, а также давление и объём рабочей жидкости, необходимые для обеспечения поворота румпеля на заданный угол с заданными скоростью и крутящим моментом.

Аналогичная система зависимостей, позволяющая определить все размеры привода была подобрана и для механизма типа «2». Все зависимости были апробированы в ходе создания серийных образцов МСП УК.

В части определения характеристик насосных агрегатов следует отметить, что поскольку апробированной системы зависимостей, аналогичной использованной для расчета характеристик приводов перекладки не существует, оценку их габаритных размеров, рабочих характеристик и масс предлагается выполнять методом сравнения с аналогами.

Анализ конструкций созданных ранее насосных агрегатов, выполненный автором, показал, что массы всех остальных сборочных единиц, входящих в состав насосного агрегата линейно зависят от суммы масс электродвигателя и насоса. Указанная зависимость может быть сведена к зависимости отношения массы сборочной единицы насосного агрегата к общей массе насосного агрегата от объёмной подачи насоса.

Отношение массы 0,5 составной части насосного агрегата, к массе всего насосного агрегата, % од^

0,37

0,12

55 110 165 220 275 330 385 440

Объёмная подача насоса, л/мин

Рис. 3. Зависимость массы насоса насосного агрегата от объемной подачи насоса.

Пример подобной зависимости приведен на рис. 3, где показана подобная зависимость для массы насоса. 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.

Отношение массы составной части насосного агрегата 0,5 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. 4. Зависимость массы электродвигателя от объёмной подачи насоса

Анализ графиков рис.3 и рис. 4 позволил вывести эмпирические зависимости для оценки масс основных составных частей насосного агрегата.

Сумма масс насоса и электродвигателя определяется эмпирической зависимостью (9):

Мил = • (0,248 + 0,000232 • А&), кг (9);

где М}и = Мн + МЭд ; - масса насосного агрегата; Мн, МЭд - массы насоса и электродвигателя.

Массу рамы насосного агрегата с амортизаторами можно оценить по эмпирической зависимости (10) на основе анализа графика рис.5:

Мрлт = Л4 • (0,5765 - 0,000104 • М)1Л\ кг (Ю);

Массу трубопроводов и гидроаппаратуры можно оценить по эмпирической зависимости (II):

МТруЕ = 0,0643 -Мнл , кг

(И);

Массу крепежных изделий можно оценить по эмпирической зависимости

МКРЕП = 0,1265Л/„/,кг

(12);

Объёмная подача насоса, л/мин

Рис. 5. Зависимость отношения массы рамы насосного агрегата с амортизаторами к массе насосного агрегата от объёмной подачи насоса

Таким образом, используя зависимости (1) - (12) возможно определить все основные технические характеристики МСП УК, включая габаритные размеры и массы составных частей МСП УК. С их использованием была разработана математическая модель МСП УК, позволяющая оценивать основные параметры технологичности, включая удельную материалоёмкость изделия, абсолютную и относительную трудоёмкость изготовления.

Математическая модель построена следующим образом:

По заданному рабочему крутящему моменту с помощью зависимостей (1) или (2) определяются основные геометрические характеристики МСП УК. Далее с использованием зависимостей (3)- (8) определяются характеристики основных деталей приводов перекладки и с использованием зависимостей (9)-(12) характеристики насосных агрегатов. Указанная задача решается методом численного моделирования. Критерием оптимальности решения является минимизация габаритных размеров механизма.

По массам основных узлов и деталей, определенных ранее, оценивается трудоемкость их изготовления. Для оценки используется эмпирическая зависимость, выведенная на основе анализа трудоёмкости изготовления серийных изделий.

= 0,165 • К^ + 0,137 ■ 10"6 • /4а, н/часов (13)

где ТИ1Я - трудоёмкость изготовления изделия; Ким - совокупный показатель трудоемкости изделия.

Совокупный показатель трудоёмкости определяется по формуле:

кюд = ^т;' *<у" Р). (14)

где Кт} - коэффициент относительной трудоёмкости, характеризующий изменение обрабатываемости материала по сравнению со сталью 45; Кд - коэффици-

ент относительной стоимости материалов по сравнению со сталью 45- масса изготавливаемых деталей, относящихся к] - ой группе; п - количество групп материалов.

По результатам расчетов выполненных ранее, определяются показатели технологичности конструкции рассматриваемого механизма в целом:

- трудоёмкости изготовления изделия;

- удельной материалоёмкости изделия;

- удельной трудоемкости изготовления изделия.

При этом значение удельной трудоемкости оценивается по формуле (15), приведенной в ГОСТ 14.205 - 83:

СУ = ЧМ. н.час/кНм (15)

где Тшд - трудоемкость изготовления изделия, определенная по формуле (7), н.час; М - крутящий момент, развиваемый механизмом, кгс-м.

Значения удельной материалоёмкости можно оценить по формуле (16), приведенной в ГОСТ 14.205 - 83:

= кГ/кН-м (16)

где Pj - масса материала израсходованного на изготовление деталей ]-ой группы; М - крутящий момент, развиваемый механизмом.

Таким образом, в результате использования математической модели можно получить данные, необходимые для подготовки технико-экономического предложения возможному заказчику изделия, для подготовки материалов для эскизного проектирования и анализа технологичности создаваемой конструкции:

- габаритные размеры основных узлов МСП;

- основные геометрические характеристики, 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 всего алгоритма определения характеристик МСП УК представлена на рис. 6. Совокупность перечисленных выше зависимостей, используемых в соответствии с представленной блок-схемой, представляет собой математическую модель МСП УК, позволяющую оценивать параметры технологичности конструкции.

При разработке программного обеспечения (ПО) руководствовались следующими требованиями:

- максимальной простотой разработки ПО;

- возможностью вносить изменения в расчетные зависимости и создаваемые базы данных;

- удобством работы пользователя ПО;

- максимальной полнотой и наглядностью выведения данных, полученных в ходе работы ПО.

В качестве среды 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.

Для более полного учета всех факторов, влияющих на технологичность МСП УК, представляется целесообразным ввести понятие комплексного показателя технологичности изделия. Этот показатель должен учитывать следующие технологические характеристики:

- удельную трудоемкость изготовления МСП УК;

- удельную материалоемкость МСП УК;

- коэффициент унификации конструктивных элементов;

- коэффициент сборности;

- коэффициент использования стандартных изделий.

В качестве комплексного показателя технологичности МСП УК принимается относительная безразмерная характеристика, основанная на сравнении значений показателей технологичности оцениваемого изделия с базовыми значениями соответствующих показателей.

Указанную характеристику предлагается определять по зависимости (17), как сумму относительных параметров технологичности с учетом их весовых коэффициентов:

Т£ = КМ • </к + к,. % + V. % + Кст • +кс6. .07)

где Км - весовой коэффициент удельной материалоёмкости,

К,,, - весовой коэффициент удельной трудоемкости изготовления,

Ку,, - весовой коэффициент унификации,

Кст - весовой коэффициент использования стандартных изделий,

Кс6 - весовой коэффициент сборности,

М£ - расчетная удельная материалоёмкость,

М® - базовая удельная материалоёмкость,

Cfp - расчетная удельная трудоёмкость изготовления,

С°р - базовая удельная трудоёмкость изготовления,

У®, - базовый коэффициент унификации,

уР„ - расчетный коэффициент унификации,

Ст„ - базовый коэффициент использования стандартных изделий,

Ст^ - расчетный коэффициент использования стандартных изделий,

Сб®б - базовый коэффициент сборности,

Сб£б - расчетный коэффициент сборности.

^Начало расчета)

Определение значений характеристик

V *пл> Ар. О,«,

Пк^р МЙТУ-пыпгг. руип-па

Определение прочности щеки румпеля

Определение прочности палыа плунжера

Определение прочности плунжера и несущей способности опорной втулки

и

|База данны

Ьоалишых

1

Онрииокнне жисисосга плунжера

Определение прочяоетх кулчковон муфты (соединение румпеля с (м/уктты)

Определение характеристик цилкнлра___ _____

дезадшшьк

Определение харакпристх корпуса прикида перекладки

Определение габартмих размеров, массы составных частей и трудоемкости изготовления привода ПСКШПКН ,

-»аза даниьк

1

Определение габаритны* размеров, массы составных частей н трудоёмкости изготовления насосного агроата

Определение показателей тххнилогичносш

консгрушнн МСП УК

^Уончанне гвечетау

Рисунок 6. Блок-схема алгоритма расчета характеристик механизма типа " 1"

Значения весовых коэффициентов определяются методом экспертной оценки с их последующим ранжированием, 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 приняла вид:

Тг = 0,5138 • </м6 + 0,1985 • ^/ц^ + 0,086 • ^/ур + 0,086 • СТ"/Стр +

+0,1157 Сб^/Сбр (18)

Указанная зависимость использовалась для выполнения вычислений в дальнейшем.

По материалам, приведенным во второй главе, можно сделать следующие выводы:

1. В результате анализа конструкции механизмов, созданных раннее (как типа «1», так и типа «2»), разработана математическая модель МСП УК, позволяющая определить массогабаритные характеристики основных узлов МСП УК.

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 сценки трудоёмкости изготовления МСП УК по массе и марке материала наиболее важных и материалоемких узлов. Разработана математическая модель МСП УК, позволяющая определить массогабаритные характеристики и параметры технологичности МСП УК.

4. С целью обеспечения эффективного использования математической модели МСП УК, разработан алгоритм, позволяющий сократить время определения основных характеристик МСП УК, включая параметры технологичности.

5. С целью ускорения определения расчетных параметров МСП УК разработано программное обеспечение, позволяющее в интерактивном ргжиме по заданным рабочим характеристикам оцешяъ 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 анализируются значения характеристик МСП УК, полученные в результате использования разработанной мгтематической модели, описанной во второй главе.

Рассмотрены параметры технологичности основных составных частей, входящих в состав МСП УК, а именно для пржедов перекладки и насосных агрегатов. Для удобства сравнения построены графики зависимости удельных параметров технологичности от значения крутящего момента на баллере. Пример подобной зависимости для удельной материалоёмкости приводов перекладки приведен на рис. 7, для удельной трудоёмкости изготовления привода перекладки на рис. 8.

Анализ полученных графиков показал, что для указанных зависимостей можно подобрать эмпирическую формулу.

л &

о *

г

г ?

« и 2 *

X л

£

%

- Й

--10— с ——-»3- з-

---0-

~»-Ряд2

-500

0

500

1000

1500 2000 2500 Рабочий момент кН м Рис. 7. Значения удельной материалоёмкости приводов перекладки МСП УК, созданных ранее. Ряд1 - Значения для созданных механизмов; Ряд2 - Значения определенные по зависимостям (19) и (20).

Для оценки удельной материалоёмкости в результате анализа графика рис.7 определена эмпирическая зависимость, связывающая удельную материалоёмкость привода перекладки МСП УК СМп и крутящий момент М, развиваемый механизмом:

при М<40 кН-м Смп = 32,98 - 0,22 • М, кг/кН-м (19)

600

при М>40 кНм СМП= 9,6 + ^-477 0,73м , кг/кН-м (20)

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

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

при М<4 кН-м Стп= 119,77-15,27-М , н.час/кН-м (21)

при 4 кН-м <М<63 кН-м СТп = 59,33 - 0,21 ■ М , н.час/кН-м (22)

при М>63 кН м

Стп-5,5+^-2070-0,73м ,н.час/кН-м

(23)

где Стп - удельная трудоёмкость изготовления привода перекладки МСП УК; М - крутящий момент, развиваемый механизмом МСП УК, кН'м.

X л

I

I ...............— о п И

7П

ЛП ¿1 ■

\

лп К

т 1л

"Л

-ю— VI .....„

-0- —______г Г|1 -

-»-Ряд1

~з-Ряд2

-500

500 1000 1500 2000 2500

Рабочий момент кН-м

Рис. 8. Значения удельной трудоёмкости изготовления приводов перекладки МСП УК, созданных ранее. Ряд 1 - Значения для созданных механизмов;

Ряд 2 - Значения определенные по зависимостям (21), (22) и (23).

Значение удельной материалоёмкости, определенной по приведенной зависимости, даёт среднее относительное отклонение от значений материалоёмкости, достигнутых ранее при создании 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 МСП УК имеет на данном этапе две основные задачи:

- подтверждение адекватности построенной модели путем её сравнения с уже созданными конструкциями;

- 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 периоде 1990 по 2010 год.

Для выявления закономерностей, связывающих массогабаритные характеристики МСП УК и их параметры технологичности с рабочими характеристиками механизмов, произведены расчеты механизмов МСП УК с крутящими моментами от 2,5 кН'м до 400 кН'м.

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 в гфиводе перекладки от 150 до 300 кгс/см2 с шагом 50 кгс/см2.

Указанные значения охватывают основные рабочие характеристики как всех созданных до настоящего времени МСП УК, так и перспективных отечественных и зарубежных конструкций и приведены в таблице 1.

Подтверждение адекватности характеристик, полученных математическим моделированием, выполняется методами исследования остатков и дисперсионного анализа. Указанные методы описаны в работах Балицкой Е.О. и Золотухина J1.A. «Описание системы программ статистической обработки малого числа наблюдений» и Рабченович С.Г. «Погрешности измерения».

Исследование выполняется в следующем порядке:

1 Расчет и исследование остатков;

2 Анализ графиков остатков;

3 Дисперсионный анализ остатков;

4 Дополнительная проверка адекватности математической модели по критерию Фишера;

Выполненные расчеты параметров технологичности показали погрешность метода расчета:

- для материалоёмкости привода перекладки - 2%,

- для материалоёмкости насосного агрегата - 0,2%.

- для трудоёмкости изготовления привода перекладки - 2%,

- для трудоёмкости изготовления насосного агрегата - 2%.

Погрешность метода при определении параметров технологичности изделия в целом можно определить как сумму погрешностей для параметров всех входящих в состав механизма частей. Погрешность предложенного в данной работе метода для МСП УК составляет:

- для материалоёмкости - 7,4%;

- для трудоёмкости изготовления - 8%.

Графически полученные данные можно представить, наложив их на графики, показанные на рис. 7 и 8. Результат для удельной материалоёмкости приводов перекладки представлен на рис. 9.

Графики на рис.9, также показывают, что зависимость фактической удельной материалоёмкости механизмов, изготавливаемых отечественной промышленностью в настоящее время и расчетной удельной материалоемкости приводов перекладки от крутящего момента, имеют одинаковый характер и близки по значению.

Кроме этого на этом рисунке приведен график зависимости материалоёмкости приводов перекладки механизмов производства HATLAPA типа Poseidon-2 от крутящего момента. Указанный график (ряд 3 рис.9) 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 материа-

лоёмкости современных отечественных образцов. Наибольшая разница отмечается в диапазоне значений крутящего момента от 160 до 1000 кН-м.

л

Р

о

1| Й-Я

5 "Е:

к я х

л

£

5

и .л 1

Л)

зи

........1С ,.

— -И) ч

-----о-

-*-Ряд1

-«■-Ряд 2 РядЗ

-500

0

500

1000

1500

2000 2500 Крутящий момент кН-м

Рис. 9. 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 целом графики, приведенные на рис.9, дают возможность сделать следующие 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 действительности.

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

Смг = 2,2-Смп+2,12-Смн+Сдм , (24)

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

Ста=2,2-Стп+2,14-Стн+Слт, (25)

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.10

§ s

Л)

О

S , о.,

62 о? а X л К <0

5

-200

-♦-Фактич. -»•-Расчет"!'

Крутящий момент привода, кН-м

Рис.10. 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

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

- математическая модель МСП УК, описанная в главе 2, 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.).

В целях выявления зависимостей, связывающих основные параметры технологичности с рабочими характеристиками, были выполнены расчеты с использованием математической модели. В качестве исходных данных для расчета приняты следующие значения рабочих характеристик:

- крутящий момент МСП УК в диапазоне от 2,5 кН м до 400 кНм;

- скорость перекладки румпеля МСП УК в диапазоне от 20 град/с до 40 град/с;

- угол перекладки румпеля МСП УК в диапазоне от 20 градусов до 30 градусов;

- рабочее давление в диапазоне от 150 кг/см2 до 300 кг/см\

Расчеты при указанных рабочих характеристиках выполнялись как для механизмов типа «1», так и для механизмов типа «2» во всем диапазоне крутящих моментов, развиваемых МСП УК.

Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1

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

1 1 150 30 20

2 1 150 30 30

3 1 150 30 40

4 2 150 30 20

5 2 150 30 30

6 2 150 30 40

7 1 200 20 30

8 1 200 30 30

9 2 200 20 30

10 2 200 30 30

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

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

Например: Для МСП УК с крутящими моментами от 2,5 кН м до 400 кН-м, углом перекладки румпеля МСП УК 30 градусов и скоростью перекладки румпеля МСП УК 40 град/с, строятся графики, показывающие зависимость показателей технологичности при изменении рабочего давления от 150 кг/см2 до 300 кг/см2.

Полученные в результате расчетов значения удельной материалоёмкости и удельной трудоёмкости изготовления приведены в виде графиков (рис.11 - рис. 12), где показаны зависимости указанных параметров технологичности от крутящего момента.

Анализ графиков показал следующее:

I. Зависимость параметров технологичности МСП УК от крутящего момента на баллере имеет одинаковый характер для механизмов любого типа вне зависимости от их исходных данных.

Б §

2

:<Ч

С §

о.

«

ё 5

л

и £

1000

800

400

200

0 4

1

Л 1 *'%

1

4-4-- Т

0

100

200

300

400 500

Крутящий момент, кНм Рис. 11. График зависимости удельной материалоёмкости МСП УК.

§ г

О &

350 ^

300

250

200

150

100

50

0 0

-»-11

-±-13 -н-14 -ж-15

-#-16 -+-17 — 18

Крутящий момент, кН м

Рис. 12. График зависимости удельной трудоёмкости изготовления МСП УК

2. Зависимость удельной материалоёмкости МСП УК 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 параметров технологичности механизмов уменьшаются (а следовательно, уровень технологичности повышается) при выполнении следующих условий:

- уменьшение угла перекладки бортового руля;

- уменьшение скорости перекладки бортового руля;

- увеличение рабочего давления.

Опираясь на полученные значения параметров технологичности, возможно определить комплексный параметр технологичности. В качестве расчетных значений удельной материалоёмкости и удельной трудоёмкости изготовления принимаются значения, полученные для механизма типа «1» с рабочим давлением 300 кг/см2, углом перекладки 30 градусов, угловая скоростью перекладки 40 град./с, как имеющие лучшие значения параметров технологичности. Базовые значения остальных параметров технологичности (коэффициентов стандартизации, унификации и сборности) принимаются равными минимальным значениям, а именно 0,1, 0,1 и 0,15 соответственно.

Для определения влияния каждого показателя технологичности на комплексный показатель технологичности последовательно выполняются расчеты по зависимости (18) с последовательным изменением каждого показателя технологичности. Результаты расчета приведены в графическом виде на рис. 13.

Ряд 1 - учитывается изменение удельной материалоёмкости;

Ряд 2 - учитывается изменение удельной материалоёмкости и удельной трудоёмкости изготовления;

Ряд 3 - учитывается изменение удельной материалоёмкости, удельной трудоёмкости изготовления и коэффициента унификации;

Ряд 4 - учитывается изменение удельной материалоёмкости, удельной трудоёмкости изготовления, коэффициента унификации и коэффициента стандартизации;

Ряд 5 - учитывается изменение удельной материалоёмкости, удельной трудоёмкости изготовления, коэффициента унификации, коэффициента стандартизации и коэффициента сборности.

Таким образом, по результатам, изложенным в главе 3, можно сделать еле- 1 дующие выводы:

1 Сравнением параметров технологичности, полученных расчетным путем с помощью математической модели, и параметров технологичности, ранее созданных МСП УК, показано, что разработанная математическая модель адекватна.

2 Анализ графиков зависимостей параметров технологичности от крутящего момента, полученных расчетным путем с помощью математической модели показал следующее:

л ч

о с >я

X

<и в с

3

5

Б

0

1

■т X и

о §

X X и

1,2

0,8

0,6

0,4

0,2

-с-

-»-Ряд1 Ряд2 -*-РядЗ -*-Ряд4 -*-Ряд5

0 100 200 300 400 500

Крутящий момент, кНм

Рис.13. График зависимости комплексного показателя технологичности от крутящего момента

- зависимость параметров технологичности МСП УК от крутящего момента на баллере имеет одинаковый характер для механизмов любого типа вне зависимости от их исходных данных;

- зависимость удельной материалоёмкости МСП УК 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.

- значения параметров технологичности механизмов уменьшаются (а следовательно уровень технологичности повышается) при выполнении следующих условий: уменьшение угла перекладки бортового руля, уменьшение скорости перекладки бортового руля, увеличение рабочего давления.

3 Полученные при моделировании МСП УК результаты позволяют разработать методику обеспечения повышения технологичности МСП УК, а также подготовить технические предложения по обеспечению технологичности создаваемых МСП УК.

В четвертой главе диссертации приведен анализ полученных результатов работы.

Разработана методика оценки основных характеристик МСП УК, в том числе параметров технологичности, с использованием разработанной математической модели. На основании опыта проведения вычислений выполненных в ходе настоящего исследования и анализа результатов моделирования предлагается еле-

дующий алгоритм определения характеристик МСП УК. Указанный алгоритм предусматривает следующие шаги:

Шаг I: Определение основных исходных данных для начала расчета конструктивных характеристик и параметров 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 «I». 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 параметров технологичности.

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

Рассмотрены способы снижения удельной материалоёмкости и удельной трудоёмкости изготовления МСП УК, как параметров 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 техническому 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 параметров технологичности, в том числе необходимо предусмотреть:

- анализ данных по массе и трудоёмкости изготовления изделий, поставляемых отечественной промышленностью (ОАО «Пролетарский завод») серийно, в том числе по основным составным частям изделия;

- анализ данных по материалоёмкости аналогичных изделий основных зарубежных изделий;

' уточнение по результатам выполненного анализа зависимостей для определения базовых значений параметров 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.

Приведена оценка экономического эффекта применения предложенной методики.

В соответствии с действующими нормами и сложившейся практикой, перечень и трудоемкость подготовки технического предложения для МСП УК в общем случае включает в себя:

- проработку варианта для выбора оптимального решения;

- разработку габаритных чертежей основных составных частей изделия и выбор принципиальных гидравлических и электрических схем;

- разработку и согласование предварительной ведомости покупных изделий;

- оценку трудоемкости изготовления изделия;

- определение стоимости изготовления изделия на основании трудоемкости изготовления, стоимости материалов и покупных изделий;

- подготовку технико-коммерческого предложения.

Общая трудоёмкость перечисленных работ в соответствии с действующими нормативами составляет 448 нормочасов, при участии в рабочей группе 6 сотрудников общий срок подготовки технического предложения - 74,7 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 ориентировочно 142,8 тыс. руб. при составлении каждого технико-коммерческого предложения.

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 ситуации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящий автореферат полностью отражает содержание диссертации.

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

1. Выполнен анализ возможных конструкций МСП УК, а также приёмов и методик, используемых при выполнении начальных этапов ОКР для определения технических характеристик и параметров технологичности МСП УК. На основании анализа сделан вывод о возможности построения математической модели МСП УК, позволяющей оценить значение параметров технологичности.

2. Выполнен анализ достигнутых значений параметров технологичности для МСП УК и их основных составных частей, в результате которого определены

зависимости параметров технологичности МСП УК и их составных частей от основной рабочей характеристики - рабочего момента развиваемого механизмом.

3. Разработана математическая модель МСП УК, позволяющая определить основные габаритные размеры механизма, его основные технические характеристики и параметры технологичности. Путем сравнения характеристик ранее созданных механизмов и характеристик механизмов, полученных с использованием математической модели, подтверждена адекватность разработанной математической модели.

4. На основе анализа характеристик МСП УК, определенных с помощью математической модели, выработаны рекомендации по повышению технологичности конструкции МСП УК, разработана методика оценки параметров технологичности и выбора технологически рациональной конструкции МСП УК.

5. Анализ влияния частных параметров технологичности на комплексный показатель технологичности показал, что наибольшее влияние на него имеет удельная материалоёмкость. Остальные показатели технологичности суммарно позволяют изменить комплексный показатель технологичности на такую же величину, как и удельная материалоёмкость.

6. Оценен возможный экономический эффект от внедрения разработанной методики оценки технологичности МСП УК и её функциональная эффективность.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

а) В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

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 отгимизации 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%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 1 Подписано в печать 21.09.2011. Зак. 4241.Тир.70.1,3 печ.я.