Введение к работе
Актуальность исследования
Анализ отечественной и зарубежной литературы, патентов и изобретений свидетельствует о значительном внимании к выполнению ремонтных работ с помощью сварки, что объясняется рядом причин. Одна из них - во многих отраслях фактический ресурс конструкций не достигает оптимальных с экономической точки зрения значений. В Индустриальном кодексе рецик-линга ISO 22628 - 2002, принятом в европейских странах и США, утверждается, что все изношенные части машин подлежат восстановлению и повторному использованию.
Технико-технологические решения выполнения ремонтной сварки (PC) и система принятия решений по ремонтной сварке (СПТТРрс) в подавляющем числе случаев носят априорно-интуитивный характер, основанный на опыте и предпочтении специалистов. В условиях неопределенности представлений о фактическом состоянии металла не всегда имеется возможность находить рациональные решения. Поэтому выполнение PC конструкций индивидуального тяжелого машиностроения является риском.
Общие представления о СПР и СППР, отражающие обязательные структурные составляющие этих систем, а именно, хранилища информации об объекте, программы обработки информации, критерии качества альтернатив решений и т.д., практически не адаптированы к проблематике PC, тем более к PC МК СФ, с одной стороны, и недостаточно компьютеризированы, с другой.
Развитие СПТТРрс МК СФ осложняется отсутствием системы информационной поддержки жизненного цикла изделий. Острая необходимость широкого применения информационных технологий в PC только усиливает актуальность представленной работы.
Тематика исследования отражена в региональных, отраслевых и корпоративных программах развития машиностроения и его модернизации 1968-2011 г.г.
Глобальная цель работы
Развить систему принятия технико-технологических решений по ремонтной сварке массивных стальных конструкций сложной формы на всех этапах жизненного цикла с получением гарантированного результата последующей эксплуатации.
Локальные цели работы:
получить новые знания в виде пакета оригинальных моделей;
произвести практическую реализацию моделей и предлагаемых технических решений.
Задачи исследования
1. Анализ проблематики СПТТрс по PC массивных стальных конструк
ций сложной формы (МК СФ) с выходом на пакет научных прототипов.
2. Критика существующих прототипов системы принятия решений
(ПР) и системы поддержки принятия решений с генерированием гипотез о
парировании этой критики на уровне структур и алгоритмов их функционирования.
3. Разработка пакетов системно-структурных, концептуальных, алго
ритмических, кортежных и других моделей СПТТРрс для прототипов и
предлагаемых технических решений.
-
Анализ причин разрушения конструкций рассматриваемого класса, стадий и последствий разрушения.
-
Развитие методологии обеспечения технологической и эксплуатационной прочности восстановленных сваркой базовых деталей тяжело нагруженного оборудования.
-
Развитие модели образования трещин для выработки новых технико-технологических решений по PC.
-
Использование разработанных моделей для новых стратегических, тактических и технико-технологических решений по PC.
8. Оценка технико-экономических и других эффектов предлагаемых
решений.
Объект исследования - система принятия решений по ремонтной сварке массивных стальных конструкций сложной формы.
Предмет исследования - развитие системы принятия технико-технологических решений по ремонтной сварке массивных стальных конструкций сложной формы. Научная новизна
1. Впервые получен пакет научных прототипов СПТТРрс в течение
ЖЦК, отличающийся 3-х - ранговой структурой.
-
Предложено развитие СПТТРрс на уровне системно-структурных моделей, отличающихся большей степенью строгости описания модернизуемых составляющих: АСНИ, АСОД и т.д., а также введением подсистемы реализации.
-
Развита структура АСНИ в составе СПТТРрс за счет введения блока хранения новых научных стратегических знаний о поведении металла в течение ЖЦК.
-
Развита структура АСОД в составе СПТТРрс за счет введения блока обработки экспериментальных данных до уровня научных знаний.
-
Развита структура подготовки и проектирования конструкторско-тех-нологической документации в составе СПТТРрс за счет введения блока поддержки и разработки учебно-методических материалов.
-
Развита структура информационной поддержки в составе СПТТРрс за счет введения блока интеграции конструкторско-технологических задач.
-
Развита структура экспертной системы «PC МК СФ» в составе СПТТРрс за счет введения блока хранения новых тактико-технологических знаний по PC.
-
Развита структура системы получения информации в составе СПТТР рс за счет введения блока поддержки и формирования оптимальной технологии выполнения PC МК СФ.
9. Предложена структура подсистемы практической реализации разрабо
танных решений.
10. Выявлены новые существенные причинно-следственные связи пове
дения металла стальной конструкции в течение ее ЖЦ.
11. Развита методология исследования проблем PC МК СФ.
Методы исследований
Теоретические исследования проводили на базе фундаментальных положений теплофизики, теории тепло- и массообмена, механики разрушения твердых тел, теории принятия решений при наличии многих факторов, теории сварочных процессов и других дисциплин.
Построение структурных, кортежных, алгоритмических и других моделей произведено путем привлечения основных положений системологии, системотехники, структурного анализа, теорий моделирования.
Достоверность результатов
Степень адекватности моделей проверяли по данным натурных экспериментов на крупногабаритных конструкциях. Достоверность научных положений и выводов подтверждена систематическими экспериментальными исследованиями; использованием результатов, полученных с помощью статистических методов; хорошим совпадением результатов эксперимента и теоретических расчетов распределения температурных полей, временных и остаточных деформаций и напряжений, содержанием диффузионно-подвижного, задержанного и остаточного водорода; совпадением предполагаемых мест разрушения с действительными очагами трещин.
Достоверность практических рекомендаций подтверждена длительной эксплуатацией восстановленных тяжело нагруженных особо ответственных конструкций и отсутствием рекламаций со стороны заказчиков на выполненные работы.
Личное и творческое участие автора. В диссертации изложены результаты исследований, полученных автором самостоятельно, а также в совместных работах с конструкторами, расчетчиками и другими специалистами. При этом лично автору принадлежит выбор направления исследований, постановка задач, разработка программ и методологии исследований, участие в обработке и обобщении экспериментальных исследований, разработке кон-структорско-технологических решений выполнения восстановительных работ; развитие системы принятия решений. На защиту выносятся:
-
3-х - ранговый пакет научных прототипов по СПТТР рс.
-
Пакет системно-структурных, кортежных, концептуальных и др. моделей системы принятия технико-технологических решений по PC МК СФ на всех этапах ее жизненного цикла.
-
Методология исследования слабо структурированных и неструктурированных проблем PC конструкций индивидуального тяжелого машиностроения.
-
Концепция ФС PC массивных конструкций сложной формы плохо (трудно) свариваемых сталей.
-
Модели ПР и СГШР по выполнению восстановительных работ, в которых для обеспечения принципа гарантированного результата произведено свертывание системы показателей в единый интегральный показатель: конструкционная-технологическая-эксплуатационная прочность металла сварного соединения.
-
Стратегия концептуального подхода к восстановлению работоспособности разрушенных базовых деталей тяжело нагруженного оборудования в виде нелинейной многокомпонентной модели «Разрушение массивных конструкций сложной формы».
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Сварка базовых деталей мощного оборудования без подогрева и без последующей термообработки (в том числе и при наличии не удаленных трещин) внедрена при изготовлении базовых деталей крупнейших шагающих и карьерных экскаваторов, полного ряда базовых деталей отечественных мощных гидравлических прессов, станин и валков прокатных станов и другого тяжело нагруженного оборудования.
Внедрение нового научного направления сварки базовых деталей прессов при наличии не удаленных трещин осуществлено при PC станины пресса ус. 50 МН (Белокалитвинский металлургический завод); архитрава пресса ус. 50 МН (Федеральный ядерный центр, Снежинск); цилиндров пресса ус. 40 МН, «Уралец» (цех 37 ООО ОМЗ - Спецсталь), пресса для прессования стружки (цех № 94 ОАО «Уралмашзавод») и др.
Значение выполненной работы подтверждено премией Совета Министров СССР; премией МИНТЯЖМАШа СССР; премией Всесоюзного конкурса по разработке энергосберегающих технологий (2-е место); премией ОАО «Уралмашзавод» по науке и технике (дважды); премией НИИТЯЖ-МАШа Уратмашзавода по науке и технике; премией ОАО МК «Уралмаш» по науке и технике; присуждением автору настоящей работы званий «Инженер года-Россия-2005», «Лучший технолог МИНТЯЖМАШа СССР», «Почетный сварщик ОАО «Уралмашзавод», «Почетный рационализатор «ОАО «Уралмашзавод», получением сертификата (№ 6-32) «Профессиональный инженер России»» и др.
Экономический эффект от внедренных результатов работы складывается за счет перевода заготовок из окончательного брака в брак исправимый, отказа от изготовления новых конструкций, снижения трудоемкости работ и экономии энергоресурсов и др. и составляет не менее 15 млн. руб. в год (в ценах 2008 года).
Апробация и публикация работ. Материалы диссертации доложены на 21 международной конференции, симпозиумах и съездах, 20 всесоюзных конференциях, съездах и семинарах; 15 региональных конференциях. Выполненные разработки демонстрировались на отечественных и международных выставках, отмечены медалями, дипломами и грамотами.
Основное содержание диссертации опубликовано в 159 научных работах.
Структура диссертационного исследования приведена на рис. 1.
Состояние области знаний
Социальный заказ
ПРОГРАММА 1. Проблематика системы принятия решений по PC МК СФ
ПРОГРАММА 2. Модели СПТТРрс
Проект 2.1- системно-структурая модель
Проект 2.2 - алгоритмическая модель
Проект 23 - критериальная модель
Проект 2.4 - информационные модели
ПРОГРАММА 3. Модели и развитие основных подсистем СПТТРрс
Проект 4.4 -
подсистема реализации
ПРОГРАММА 5. Опыт функционирования СПТТРрс
Проект 5.1. Опыт разработки предпосылок для принятия решений по PC МК СФ
Подпроекты
Проект 5.2. Опыт развития теории ПТТРрс
ПРОГРАММА 6. Эффекты от предложенных решений по СПТТРрс
Проект 6.2. Технические решения на уровне изобретений
Выполненный заказ {
| Новые данные и знания, предлагаемые решения
Рис. 1. Структура диссертационного исследовании
(1.1.1 - конструкции индивидуального тяжелого машиностроения и их релейная сварка,
-
- ремонтная сварка и процедуры ПР, 1.1.3- системы поддержки принятия решений и их подсистемы, 1.2.1 - прототипы, 1.2.2 - гипотезы, 3.1.1 - развитие структуры автоматизированной системы научных исследований сварочного производства, 3.1.2 - развитие блоков АСНИрс, 3.1.3 - методология развития ЛСНИрс, 3.2.1 - развитие структуры АСО-Дрс, 3.2.2 - развитие подсистемы автоматизированной обработки результатов вычислительных экспериментов, 3.2.3 - развитие подсистемы обработки натурных экспериментов, 3.2.4 - развитие подсистемы обработки результатов до уровня научных знаний, 3.3.1 -развитие структуры генератора, 3.3.2 - развитие блока работы с технической документацией, 3.3.3 - развитие блока выдачи конструкторско-технологической документации 3.3.4 - развитие блока поддержки разработки учебно-методических пособий, 4.1.1 - развитие структуры CALSpc, 4.1.2 - концептуальная модель CALS «Ремонтная сварка массивных конструкций сложной формы», 4.1.3 - интеграция задач принятия решений по ремонтной сварке, 4.2.1 - развитие структуры ЭСрс, 4.2.2 - развитие блоков хранения знаний, 4.2.3 -развитие блока логического вывода, 4.2.4 - блок хранения новых тактико-технологических экспериментальных полуфабрикатных знаний, 4.2.5 - разработка решающего правила принятия решения выполнения восстановительных работ, 4.3.1 -развитие структуры ДО-Ирс, 4.3.2 - развитие блоков обработки информации, 4.3.3 - развитие подсистемы поддержки формирования оптимального выполнения ремонтной сварки массивных конструкций сложной формы, 5.1.1 - определение механизма разрушения базовых деталей тяжело нагруженного оборудования, 5.1.2 - методические подходы к выполнению PC МК СФ,
-
- опыт разработки экспериментального сопровождения, 5.2.1 - опыт развития экспертных систем применительно к PC, 5.2.2 - развитие технологической теплофизики производства тяжело нагруженных массивных конструкций сложной формы, 5.2.3 - развитие теории деформаций и напряжений МК СФ, 5.2.4 - развитие теории водородной хрупкости металла сварных соединений, 5.2.5 - расширение понятия «технологическая прочность сварных соединений», 5.2.6 - развитие СПТТРрс без предварительного подоірева и последующей термической обработки, 5.2.7 - развитие СПТТРрс массивных конструкций при наличии трещин, 6.1.1 - экономический эффект, 6.1.2 - научно-технический эффект, 6.1.3 - социальный эффект).
