Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ актуальности проблемы. Постановка задачи исследования 18
1.1 Основные конструктивные типы роторов ГТД и особенности технологии их сборки 28
1.2 Современные технологии сборки роторов ГТД и их основные недостатки 53
1.3 Типовой технологический процесс сборки ротора дискового типа 53
1.4 Типовой технологический процесс сборки ротора смешанного типа...61
1.5 Анализ возможностей существующих способов оптимизации относительного положения деталей роторов при сборке 64
1.6 Перспективы использования методов достижения требуемой точности при сборке роторов ГТД 71
1.7 Выводы по главе 1 84
1.8 Цель изадачи исследования 86
Глава 2. Технология виртуальной сборки 88
2.1 Ограниченность классической теории размерных цепей 90
2.2 Нежесткие размерные цепи. Определение, формулировка задачи расчета 101
2.3 Специфические свойства нежестких размерных цепей 111
2.4 Расчет нежестких размерных цепей 116
2.5 Технология виртуальной сборки ротора ГТД 126
2.6 Разработка методологических основ эффективного использования технологии виртуальной сборки 134
2.7 Основные вопросы практической реализации технологии виртуальной сборки 149
2.8 Виртуальное испытание ротора ГТД 152
2.9 Основные проблемы применения и развития технологии виртуальной сборки в авиадвигателестроении 161
2.10 Основные задачи, которые необходимо решить для реализации технологии виртуальной сборки 166
2.11 Выводы по главе 2 166
Глава 3. Расчет нежесткой сборочной размерной цепи ротора ГТД дискового типа 169
3.1 Определение осевых перемещений и сил в системе диски-вал при опрессовке роторного пакета 170
3.2 Определение контактных деформаций в системе диски-вал 183
3.3 Определение суммарных осевых деформаций деталей ротора 191
3.4 Определение деформаций в роторном пакете после снятия усилия пресса 200
3.5 Алгоритм расчета нежестких сборочных размерных цепей роторов дискового типа 204
3.6 Определение жесткости деталей 209
3.6.1 Определение осевой жесткости дисков 213
3.6.2 Определение осевой жесткости других деталей ротора 221
3. 7 Определение положения деталей ротора с учетом сборочных
деформаций 222
3.8 Выводы по главе 3 227
Глава 4. Расчет нежесткой сборочной размерной цепи ротора ГТД смешанного типа 229
4.1 Координатные системы ротора 230
4.2 Определение положения деталей ротора в сборочной системе координат 232
4.3 Предварительное определение выходных параметров качества сборки ротора : 243
4.4 Расчет положения деталей с учетом сборочных деформаций 247
4.4.1 Расчет радиального смещения присоединяемой детали 247
4.4.2 Расчет углового смещения присоединяемой детали 252
4.5 Определение параметров качества сборки, необходимых для виртуального испытания ротора ГТД 264
4.6 Алгоритм расчета нежестких сборочных размерных цепей роторов смешанного типа 265
4.7 Контроль геометрических параметров деталей и качества сборки ротора 268
4.8 Выводы по главе 4 274
Глава 5. Размерный анализ нежестких размерных цепей роторов ГТД 275
5.1 Теоретическое исследование влияния отклонений технологических факторов на точность замыкающего звена нежесткой размерной цепи ротора ГТД дискового типа 278
5.1.1 Влияние осевой жесткости дисков 279
5.1.2 Влияние параметров шероховатости, волнистости, макроотклонений и состояния поверхностного слоя контактирующих торцев 282
5.1.3 Влияние усилий пресса и затяжки гаек 284
5.1.4 Влияние величин зазоров между торцами дисков 285
5.1.5 Влияние отклонений размеров ступиц деталей 289
5.1.6 Влияние отклонений размеров деталей по ободу 289
5.2 Теоретическое исследование влияния эксплуатационных факторов на точность замыкающего звена нежесткой размерной цепи ротора ГТД дискового типа 290
5.2.1 Влияние изменения температуры 291
5.2.2 Влияние эксплуатационных нагрузок 294
5.3 Исследование размерных цепей методом статистических испытаний.297
5.4 Исследование размерных цепей методом имитационного моделирования 300
5.5 Исследование возможных способов регулирования нежестких размерных цепей 306
5.5.1 Исследование возможных способов регулирования нежесткой размерной цепи лабиринта 317
5.6 Исследование возможностей предложенной методики оптимизации относительного положения деталей роторного пакета 322
5.7 Оценка эффективности использования технологии виртуальной сборки при изготовлении роторов авиационных ГТД 327
5.8 Перспективы использования технологии виртуальной сборки 329
5.9 Выводы по главе 5 332
Общие выводы по работе 334
Список использованных источников
- Основные конструктивные типы роторов ГТД и особенности технологии их сборки
- Нежесткие размерные цепи. Определение, формулировка задачи расчета
- Определение осевых перемещений и сил в системе диски-вал при опрессовке роторного пакета
- Определение положения деталей ротора в сборочной системе координат
Введение к работе
Современное машиностроительное производство характеризуется частой сменяемостью и большим разнообразием выпускаемых изделий, применяемых материалов, технологических процессов изготовления и сборки. Для того чтобы в этих условиях оставаться конкурентоспособным, оно должно быстро и гибко реагировать на изменение рыночного спроса, последние достижения техники и технологии, постоянно поддерживая высокое качество выпускаемой продукции.
Научно-технический прогресс в машиностроении неизбежно сопровождается постоянным усложнением конструкций, повышением требований к качеству и технико-экономическим характеристикам выпускаемых изделий. Быстро расширяется номенклатура изделий и увеличиваются темпы сменяемости их моделей. Так, за последние 10 лет номенклатура освоенных новых машин возросла более чем в 15 раз при сокращении времени нахождения изделий в производстве в среднем с 10-15 до 3-4 лет /27/. Следствием этого является преобладание производств с малой серийностью, что создает значительные трудности при запуске в серийное производство новых, все более сложных изделий в связи с острой необходимостью сокращения до минимума периода их конструктивной и технологической доводки.
Ускорение темпов научно-технического прогресса приводит к сокращению сроков морального старения новой техники и выдвигает фактор времени в качестве важнейшего в повышении эффективности новых машин. Это относится не только к созданию самого нового изделия, но и к процессу подготовки его серийного производства. Сокращение длительности этого процесса при одновременном удешевлении всех видов работ по конструкторской и технологической подготовке производства является важнейшим направлением повышения эффективности затрат всех ресурсов /80/.
При создании любых машин уже на этапе проектирования возникает задача заложить, а на этапе изготовления обеспечить оптимальные с точки зрения производства и эксплуатации показатели качества. Это требует от всех специалистов, занимающихся созданием новой техники, умения прогнозировать
влияние технологических условий изготовления и сборки на эксплутационные характеристики деталей и изделия.
Известно, что основными направлениями развития авиационной техники являются дальнейшее повышение надежности, экономичности, экологичное™ двигательных установок. Решение этой сложной задачи может быть обеспечено, наряду с конструкторскими мероприятиями, путем существенного повышения качества изготовления авиационных газотурбинных двигателей и наземных энергетических установок, поскольку в современном авиадвигателестроении создание новых изделий в значительной мере сдерживается имеющимся уровнем технологии их изготовления. В настоящее время именно технология становится критическим параметром /19/, определяющим общее состояние современной техники, машиностроения; наблюдается переход главного движителя прогресса от конструктора к технологу.
В условиях жесткой конкуренции современного насыщенного рынка для любого предприятия очень сложно даже сохранить, а тем более усилить или вернуть утраченные позиции. Как сказал руководитель одной из крупнейших американских корпораций, "приходится изо всех сил бежать вперед, чтобы остаться на месте" /201/. По многим причинам в настоящее время Россия фактически вытеснена с рынков сложной высокотехнологичной продукции машиностроения, в частности авиадвигателестроения. Так, по оценке Генерального конструктора ОКБ Яковлева А.Н. Дондукова /60/, к началу 1998 года потенциал наиболее передового и наукоемкого в экономике России военно-промышленного комплекса (ВПК) составлял, в зависимости от отрасли, лишь от 0,01 до 3% к уровню 1991 года. Для возвращения же на рынок сложной высокотехнологичной продукции машиностроения даже внутри своей собственной страны требуется предложить новую, более совершешгую продукцию и по ценам более низким, чем у конкурентов. Такую сложную задачу невозможно решить без разработки и использования новых технологий, в том числе и технологий сборки.
Научно-техническая революция коренным образом изменила условия работы на рынках высокотехнологичных и сложных изделий. Быстрое развитие науки и техники привело к резкому сокращению сроков разработки и запуска новых изделий в серийное производство. При этом из-за постоянного роста производительности труда при жесткой конкуренции готовые изделия испытывают устойчивую тенденцию к понижению цен или же к ценовой стабильности при непрерывном совершенствовании потребительских свойств товара. Это приводит к тому, что уже через очень небольшое время после появления нового товара на рынке цена на него падает. Поэтому разработка и изготовление его аналогов при отсутствии жестких протекционистских мер сразу же становятся убыточными, экономически бессмысленным, что вынуждает покупать продукцию лидеров и все больше и больше увеличивает отставание опаздывающих. Наглядным примером такой ситуации является современное отечественное машиностроение, в очень короткий срок совершенно неподготовленным оказавшееся в условиях чрезвычайно жесткой конкуренции перенасыщенного товарами и услугами мирового рынка.
В подобных условиях важнейшим фактором научно-технического, экономического и социального прогресса, реальной основой интенсификации производства и удовлетворения производственных и личных потребностей населения становится высокое качество продукции. Особенно это касается машиностроения, так как оно обеспечивает развитие научно-технического прогресса всего государства.
В настоящее время проблема качества в отечественном машиностроении обострилась до предела. Несмотря на жесткую конкуренцию, неприемлемо большая часть выпускаемой продукции значительно уступает по техническому уровню, надежности, экономичности и многим другим основным показателям не только лучшим, но даже и средним зарубежным аналогам. А морально устаревший товар, произведенный к тому же с помощью устаревших технологий, не способен удовлетворять современные потребительские предпочтения и конкурировать в рыночных условиях с зарубежными аналогами ни по качеству, ни по цене. Наличие же в мире развивающихся стран с практически неисчерпаемыми ресурсами значительно более дешевой, по сравнению с Россией, рабочей силы не позволяет компенсировать качество обычных отечественных товаров низкой ценой на них. В то же время, в России пока еще имеется достаточно высокий научный и инженерный потенциал. Поэтому специализация на выпуске наукоемкой продукции высокого качества - необходимое условие дальнейшего экономического развития России и, возможно, последний шанс для возвращения в число высокоразвитых стран. Альтернатив этому немного: либо усиленная эксплуатация природных ресурсов, как в богатых нефтью арабских странах, либо окончательный переход в разряд развивающихся стран.
Известно, что основными объективными причинами низкого качества отечественной продукции являются /98,103/:
1) закрытость в течение длительного времени внутреннего рынка и отсутствие серьезной конкуренции на нем;
2) отсутствие у руководящих кадров промышленности и народного хозяйства в целом к началу 90-х годов опыта работы в условиях жесткого, перенасыщенного товарами и услугами мирового рынка;
3) старение и снижение научно-технического потенциала инженерных кадров вследствие нарушения естественного процесса смены поколений и оттока как молодых, наиболее энергичных, так и опытных, наиболее квалифицированных специалистов с производства (так, численность работников НИИ и КБ за последние восемь лет сократилась в 2,2 раза), а также вследствие недостаточных расходов на образование (они составляют всего 1% от валового национального продукта (ВНП)), утрата вследствие всего этого технологической культуры;
4) нарушение макроструктуры и специализации производства из-за разрыва существовавших прежде связей, появления новых государственных и таможенных границ, роста транспортных расходов, кризиса неплатежей, что особенно чувствительно для высокотехнологичных отраслей (так, известно, что американская фирма Boeing сама выпускает всего лишь около 30% деталей самолета Boeing-747, а все остальное получает по кооперации);
5) ухудшение трудовой и технологической дисциплины и ритмичности производства, связанное с задержками оплаты труда, вынужденными отпусками и сложной общественно-политической обстановкой в стране;
6) значительный физический и еще больший моральный износ основной части имеющегося парка технологического оборудования (степень износа основных фондов промышленных предприятий в России достигает 60-75% при пороговой величине экономической безопасности 50%);
7) разрушение существовавших ранее систем управления качеством в связи с необходимостью перехода на западную систему сертификации продукции при выходе на международный рынок товаров или услуг;
8) использование неэффективных устаревших технологий;
9) значительное и постоянно увеличивающееся отставание во многих отраслях науки, особенно прикладной и отраслевой, требующих значительных капиталовложений (так, нормальная проектная работа в авиадвигателестроении, рассчитанная на срок в 3-7 лет, не может быть реализована при краткосрочном финансировании с длительными задержками, поэтому отечественные серийные авиационные двигатели, устаревшие морально, не соответствуют современным требованиям по большинству показателей).
Авиационные газотурбинные двигатели (ГТД), являющиеся сложными, высокотехнологичными, наукоемкими и дорогими изделиями, проектируются и изготавливаются только лишь в нескольких, наиболее передовых в научно-техническом отношении странах, которые могут позволить себе значительные финансовые затраты, необходимые для создания ГТД. Так, в 1997 году в США государственные расходы на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы составляли 22-23% ВНП, в СССР (в конце восьмидесятых годов) 3,6-4,7%, а в современной России они составляют всего лишь 0,3-0,4% ВНП. Успешная реализация колоссальных современных технологических программ на Западе, рассчитанных на 10-25 лет, и создание авиадвигателя с КПД 50-60% приведет к полному вытеснению отечественного авиадвигателестроения со всех рынков, включая китайский, индийский, арабский и даже внутренний российский /121/.
Международный рынок ГТД характеризуется насыщенностью, постоянным устойчивым спросом и острой конкурентной борьбой между поделившими его несколькими очень мощными корпорациями, располагающими самыми высококвалифицированными специалистами, современными технологиями и оборудованием. Отечественные двигатели, почти не уступая зарубежным аналогам по надежности, имеют в несколько раз меньший ресурс и значительно отстают по
параметрам термодинамического цикла и удельным параметрам /198/. А новый отечественный двигатель класса тяги 16 тс ПС-90А (АООТ "Пермские моторы"), созданный для замены устаревших двигателей семейств Д-30 и НК-8-2У, имеет ограниченный ресурс, даже по сравнению с отечественными двигателями, и очень низкую надежность. Это, например, вынудило руководство государственной авиакомпании "Россия", эксплуатирующей самолеты Ту-204 и Ил-96-300 с этими двигателями, обратиться в правительство и Госкомоборонпром с требованием "принять меры к предприятиям авиационной промышленности, выпускающим плохие двигатели" /206/. Дело осложняется еще и тем, что все ведущие западные производители имеют разветвленную, давно и хорошо налаженную систему технического обслуживания своих авиадвигателей во всех странах, где они эксплуатируются. Так, компания General Electric Engine Services, осуществляющая обслуживание авиадвигателей американской фирмы General Electric, находящихся в эксплуатации по всему миру, имеет персонал в 14 тысяч человек и годовой оборот в 5 миллиардов долларов США /78/. Подобные структуры существуют и в других крупных западных двигателестроительных фирмах. Отечественные же двигатели не всегда имеют подобную систему обслуживания даже внутри собственной страны.
Низкое качество высокотехнологичных изделий практически невозможно компенсировать снижением их цены, поэтому отечественные двигатели теряют конкурентоспособность даже на внутреннем рынке. Так, известно /124/, что нередко на новые пассажирские и, более того, даже учебно-боевые самолеты (МИГ-АТ) уже при изготовлении их на российских заводах устанавливаются двигатели зарубежного производства. Например, самолеты Ил-86 оснащаются двигателями CFM56 американско-французской компании CFM International (General Electric -Snecma), Ил-96М/Т - PW-2037 американской фирмы Pratt & Whitney, C-80 - CT7-9B американской фирмы General Electric, МИГ-АТ - Larzac 04R20 французской фирмы Snecma, a Ty-204 - RB 211-535E4 английской фирмы Rolls-Royce. Зачастую и военные самолеты сразу же после продажи их за границу модернизируют /123/, заменяя отечественные двигатели более качественными зарубежными. С целью повышения качества и конкурентоспособности отечественных авиационных ГТД сейчас зачастую используется помощь ведущих зарубежных производителей. Тем не менее, подобная помощь не решает, да и не может решить всех проблем. Таким образом, например, при участии американской Pratt & Whitney и немецкой MAN GHH фирм был доработан двигатель ПС-90А и создан соответствующий или близкий мировым стандартам по надежности, ресурсу, экономичности, экологии и шуму двигатель ПС-90П. Однако даже этот новый двигатель относится лишь к четвертому поколению ГТД, эксплуатируемому на Западе на протяжении уже более 15 лет, в то время как на мировой рынок вышли западные авиационные двигатели пятого поколения /198/.
Вследствие указанных выше причин происходит постоянное снижение объемов выпуска: так, ВВП в стране сократился вдвое за последние 7 лет, причем чем выше технологический уровень отрасли, тем выше темпы спада. Например, для электроэнергетики он составляет 25%, для топливной промышленности 45%, а для машиностроения 71% /98/.
Одной из причин подобного состояния отечественного машиностроения в целом и авиационного двигателестроения в частности, является также значительное, а иногда и близкое к катастрофическому, отставание в развитии научного направления "технология сборки машин", что неоднократно подчеркивалось в рекомендациях практически всех российских научно-технических конференций, рассматривавших эту проблему. Зачастую проблемы технологии сборки вообще не рассматриваются в научных публикациях, посвященных технологическим вопросам в производстве газотурбинных двигателей /19, 164/. Это отставание все более и более увеличивается в связи с затянувшимся экономическим кризисом, продолжающимся застоем и даже спадом отечественного производства, совершенно недостаточным финансированием науки, невостребованностыо промышленностью результатов научных исследований, низкой стоимостью рабочей силы. Известно /98/, что в развитых странах расходы на науку не опускаются ниже 2% внутреннего валового продукта. В России же этот показатель в настоящее время составляет менее 0,5%, а многие научные программы остались нереализованными из-за отсутствия финансирования. Между тем, даже в наиболее экономически развитых странах Запада, модернизация авиационной и авиадвигателестроителыюй промышленности всегда инвестируется государством, поскольку отдельные, даже самые мощные фирмы не в состоянии вкладывать огромные средства в разработку ГТД.
Подтверждением значительного отставания современной отечественной технологической науки и производства ГТД служит, например, и следующий факт /21, 49/: проектная стоимость перспективного отечественного двухконтурного ГТД Д-277 (АО РКБМ, г. Рыбинск, Россия), составляющая ориентировочно 3,2 млн. долларов США, близка к стоимости его зарубежных аналогов - ГТД CFM-56-3 американско-французской фирмы CFM International (около 3,5 млн. долларов США) и RB211-535E4 английской фирмы Rolls-Royce (около 4,0 млн. долларов США). Двигатель ПС-90А, серийно выпускающийся АООТ "Пермские моторы" и имеющий, в зависимости от модификации, в 10-25 раз меньший ресурс и в 2-3 раза меньшую надежность по сравнению с двигателем CFM-56, стоит 2,7 млн. долларов США /198, 240/. Между тем, стоимость рабочей силы в настоящее время в России на порядок, а то и на несколько порядков ниже, чем в Англии, США или Франции. Таким образом очевидно, что высокая стоимость рабочей силы в развитых странах компенсируется высоким уровнем технологии.
Сборка является заключительным, а потому и наиболее ответственным этапом производства, поскольку именно при сборке окончательно формируется качество любого изделия. Традиционно считается, что качество высокоточных и сложных конструкций во многом обеспечивается квалификацией сборщиков, и сборка таких изделий производится уже не просто как простая компоновка деталей, а должна учитывать реально происходящие процессы. По этой причине большинство высокотехнологичных изделий в течение некоторого времени проходят этап доработки технологии сборки в передовых в научно-техническом отношении странах, и только после этого изготовление их передается в филиалы, расположенные в развивающихся странах с дешевой рабочей силой. А наиболее сложные и ответственные изделия (например, все самолеты и авиадвигатели, оптика и другая фотоаппаратура профессионального класса, прецизионные металлорежущие станки и измерительные машины и многое другое) практически всегда окончательно собираются только в тех странах, которые имеют самую высококвалифицированную рабочую силу. Даже в том случае, когда существуют совместные предприятия, в России, как правило, производится только лишь предварительная обработка деталей, а их окончательная обработка и сборка выполняется на Западе. Например, совместное предприятие фирмы General Electric и ОАО "Рыбинские моторы" выпускает только отдельные детали для американских двигателей СТ-7 и LM-2500, окончательная сборка которых производится в США.
Себестоимость изготовления изделий в значительной мере зависит от себестоимости сборочных работ, которая достигает в машиностроении 50%, а в приборостроении даже 80% от общей себестоимости изготовления изделий, что обусловлено преимущественным использованием на сборке ручного труда рабочих высокой квалификации.
Доля трудоемкости сборочных работ в общей трудоемкости изготовления машины велика и колеблется в широких пределах (от 10 до 60%, по разным источникам). Так, если в общем машиностроении она составляет около 30% /112/, то в авиационном производстве трудоемкость сборочных операций составляет до 45-50% от общей трудоемкости изготовления летательного аппарата. Трудоемкость сборочных работ в серийном производстве авиационных двигателей составляет около 25% от общей трудоемкости изготовления ГТД, а в единичном - несколько меньше (из-за значительно большей, чем в серийном производстве, трудоемкости изготовления деталей). При переходе к серийному производству трудоемкость изготовления деталей резко уменьшается, а трудоемкость сборочных работ изменяется в значительно меньшей степени.
Относительная трудоемкость сборочных работ за последние 40-50 лет неуклонно растет в связи с тем, что технология получения исходных заготовок и их механической обработки совершенствуются значительно более быстрыми темпами, чем технология сборки изделий.
Особенно велика трудоемкость сборки изделий, требуемые показатели качества которых достигаются методами компенсации, то есть за счет подбора деталей, выполнения пригоночных или регулировочных работ. Удельный вес пригоночных работ в серийном производстве достигает 25%, а в мелкосерийном 30-40% трудоемкости сборки /85/. В целом ряде случаев использование пригонки неизбежно даже в условиях крупносерийного и массового производства, например, при сборке стрелкового оружия /82/, детали которого сопрягаются друг с другом с высокой точностью одновременно по нескольким поверхностям, образуя избыточный комплект баз, и при этом решается задача одновременного обеспечения точности в нескольких размерных цепях.
Под влиянием научно-технического прогресса происходят существенные изменения в характере факторов, влияющих на развитие технологии. Среди этих факторов преимущественное значение имеет интенсификация производства, достигаемая механизацией и автоматизацией технологических процессов.
Между тем, уровень автоматизации сборочных процессов даже в общем машиностроении не превышает 10%, а в авиационном двигателестроении он вообще близок к нулю.
Столь низкий уровень автоматизации сборочных процессов в авиационном двигателестроении обусловлен многими объективными причинами. Наиболее значимыми из них являются следующие:
1) необходимость сложной пространственной ориентации собираемых деталей для обеспечения требуемой точности их относительного положения в изделии, что вызывает многообразие рабочих движений и приемов;
2) большое разнообразие кинематических и динамических связей в сборочном процессе, обусловленное сложностью конструкции изделия;
3) требования гибкости, которые предъявляются широтой номенклатуры и малой серийностью основной продукции авиационного двигателестроения, - такие требования либо вообще невозможно реализовать, либо выполнение их связано со столь значительными материальными затратами, что они ставят под сомнение саму целесообразность проведения подобной автоматизации;
4) отсутствие высокопроизводительного, надежного и достаточно гибкого сборочного оборудования и опыта его применения;
5) нетехнологичность большинства конструкций изделий авиадвигателестроения даже для ручной сборки, а тем более для условий автоматизированного производства;
6) экономически достижимое, а во многих случаях и вообще достижимое в серийном производстве, качество изготовления деталей не позволяет избежать ручной пригонки или индивидуального подбора их при сборке и не дает возможности использовать необходимые для осуществления автоматизации принципы взаимозаменяемости;
7) уменьшение в условиях автоматизированного производства доли ручных работ не столько уменьшает влияние субъективных факторов на качество сборки изделия, сколько полностью исключает всякую возможность для компенсации исполнителем погрешностей изготовления деталей, выходящих за пределы допуска и возникающих от действия случайных факторов;
8) высокая стоимость технических средств автоматизации и низкая стоимость рабочей силы;
9) недостаточная изученность многих явлений, связанных с осуществлением сборочных процессов.
Однако, несмотря на все перечисленные выше объективные причины, автоматизация является насущной и актуальной проблемой любой отрасли производства, в том числе и авиадвигателестроения. При этом на современном этапе речь может идти и о частичной автоматизации - например, об автоматизации операции комплектации перед сборкой.
A.M. Дальский /184/ подчеркнул, что даже при сравнительно высоком уровне конструктивных разработок выходные параметры машин далеко не всегда отвечают поставленным требованиям. Это объясняется особенностями технологических аспектов обеспечения их качества. Сейчас уже нельзя ограничиваться общими рассуждениями о влиянии одних величин на другие, а необходимы количественные оценки сборочных погрешностей. Установление их расчетным или экспериментальным методом позволяет технологу-сборщику обоснованно назначать применяемое оборудование и силовые факторы. К сожалению, расчетные методы, даже с использованием элементарных формул применяют в ограниченных случаях. Возникающие погрешности либо не оценивают вовсе, либо оценку проводят на основе опыта рабочего-сборщика, что часто приводит к грубым просчетам, так как человек по своей природе склонен недооценивать погрешности, особенно деформационные, на том основании, что воспринимает собираемые детали жесткими. Такая оценка должна быть полностью изжита при разработке технологических процессов и независимо от того, какой метод - расчетный или экспериментальный будет инструментом повышения качества машин, необходима количественная оценка результатов сборки.
Таким образом, можно сделать следующие основные выводы.
1. Реальный путь выхода из экономического кризиса и успешного развития для России - резкое повышение качества и конкурентоспособности отечественной высокотехнологичной продукции, в том числе и авиационных двигателей.
2. Для достижения этой цели необходимо создание новых высоких технологий на базе всемерного развития отечественной технологической науки, особенно в области теории сборки высокоточных машин.
Основные конструктивные типы роторов ГТД и особенности технологии их сборки
Ротор - один из самых ответственных и сложных узлов авиационного газотурбинного двигателя. Трудоемкость изготовления, ресурс и надежность работы ГТД в значительной мере определяются качеством сборки рабочих ступеней и ротора в целом.
Современные ГТД имеют вполне установившиеся конструкции роторов. Так, в турбореактивных и турбовинтовых двигателях применяются практически только осевые компрессоры, имеющие целый ряд преимуществ перед центробежными. Довольно редко применяются осецентробежные компрессоры, имеющие обычно несколько осевых и одну центробежную ступени /90, 105, 161/. Несмотря на большие конструктивные отличия роторов, технология их сборки имеет много общего для всех типов.
Принципиальных отличий в сборке роторов компрессора и турбины, как правило нет, однако на практике наибольшие трудности вызывает сборка роторов компрессоров. Это объясняется тем, что число ступеней в них значительно больше, чем в турбинах, а диски и многие другие детали имеют меньшую жесткость.
По конструктивному исполнению ротор осевого компрессора может быть барабанного, дискового и смешанного типа (рис. 1.2).
Роторы барабанного типа имеют очень большую поперечную жесткость и высокую точность, поскольку барабан представляет собой монолитную деталь, при изготовлении которой сборочные операции не применяются. Обеспечение точности сборки таких роторов вызывает наименьшие трудности, однако в настоящее время они не применяются в быстроходных компрессорах и турбинах современных ГТД из-за слишком малой допустимой окружной скорости лопаток (не более 200 м/с).
Дисковые роторы обладают большей несущей способностью, чем барабанные, диаметр турбины при этом хорошо согласуется с диаметром компрессора; число лопаток на разных ступенях может быть разным, оптимальным для данной ступени. Однако они обладают малой изгибной и крутильной жесткостью, склонны к возбуждению колебаний дисков. Для предотвращения резонансных колебаний между ободами дисков под лопатками направляющих аппаратов устанавливают кольцевые проставки - трактовые кольца, не участвующие в передаче крутящего момента.
Центрирование дисков происходит по неразъемному центральному валу, являющимся несущим и центрирующим элементом, поэтому несоосность всех деталей считается независимой: погрешность установки каждого из дисков номинально не зависит от погрешностей установки остальных деталей, а определяется только несоосностью установочной базы на валу относительно его шеек под подшипники и взаимной несоосностыо сборочной и балансировочной баз диска /34/. Однако, это правило в действительности обычно не выполняется, особенно для современных высокоскоростных роторов /148/, поскольку при приложении силового замыкания к деталям происходят деформации вала из-за наличия погрешностей изготовления торцевых поверхностей сопрягаемых деталей. Поскольку технологические дисбалансы деталей ротора являются независимыми случайными величинами, значения максимально возможных технологических дисбалансов в плоскостях опор будут определяться суммой дисбалансов деталей, составляющих роторный пакет.
Основные проблемы при сборке таких роторов связаны с достижением требуемой точности длиновых размеров.
Среди ГТД класса тяги 100-200 кН как авиационного, так и наземного применения в настоящее время наиболее распространены роторы дискового типа с центральным стяжным болтом-валом /77, 90, 102. 105, 118, 161/. Такую конструкцию роторов имеют перспективные отечественные ГТД четвертого поколения семейства ПС-90 (ПС-90А, ПС-90А-76, ПС-90А-12, ПС-90А-154, ПС-90ГП-1, ПС-90ГП-2, Д-100, ПС-90П) АООТ "Пермские моторы", ГТД третьего поколения семейства Д-30 (Д-30, Д-30КУ, Д-30КУ-І54, Д-30КП) ОАО "Рыбинские моторы" {рис. 1.3), представляющие собой двухконтурные двухвальные ГТД, устанавливаемые на самолеты Ту-204, Ил-96-300, Ту-154М, Ил-62М, Ил-76 /240/. Авиационный двигатель Д-30КУ
Нежесткие размерные цепи. Определение, формулировка задачи расчета
Природа сборочных погрешностей двояка /184/. Одни из них определяются различными отклонениями, возникающими еще в процессе изготовления деталей, другие - непосредственно на сборке. И те, и другие погрешности устойчиво сохраняются в процессе эксплуатации, в значительной степени определяя качество любого высокоточного узла. С течением времени величины всех погрешностей, как правило, постоянно увеличиваются и изделие либо выходит из строя, либо переходит в категорию изделий более низкого качества.
Погрешности, возникающие в процессе сборки, носят наследственный характер. Важной задачей поэтому является выявление связей и взаимовлияния предшествующих и последующих свойств деталей изделия на его сборочные параметры. Дальнейшее совершенствование и отработка методик точностных расчетов в этом направлении способствуют значительному повышению основных эксплуатационных характеристик двигателя, надежности и качества.
Процесс изготовления деталей сопровождается постоянным изменением их напряженного состояния, причинами которого являются перераспределение остаточных напряжений: наследственных напряжений заготовки при удалении припусков и напряжений от температурно-силового воздействия обрабатывающего инструмента. В результате происходит изменение формы, особенно заметное для нежестких деталей, для которых оно не только соизмеримо с допусками на обработку, но зачастую и многократно превышает их.
Известны случаи, когда детали, попадающие на сборку после значительно дольшего, чем обычно пролеживания на складе, бракуются входным контролем. Так, распределительные валы дизельного двигателя ЯМЗ-240 (Ярославский моторный завод), по тем или иным причинам попадавшие на сборку после длительного хранения, имели величины радиальных биений шеек под подшипники скольжения до 0,5 мм, что в 10 раз больше допуска (0,05 мм) и браковались на сборке. Детали же, для которых период пролеживания не превышал нескольких дней, находились в пределах допусков. И те, и другие были изготовлены на одном и том же оборудовании и приняты контролерами. Причиной брака оказались изменения формы деталей из-за релаксации остаточных напряжений в них. Между тем детали, попавшие на сборку сразу же после их изготовления, все равно деформируются или стремятся деформироваться, но уже после установки их в изделие, что приводит к дополнительному неучтенному нагружению опор вала и их повышенному износу в процессе эксплуатации. В результате, уже через очень небольшое время реальная картина значительно отличается от того, что было спроектировано конструктором и получено при сборке двигателя.
Иногда при механической обработке преднамеренно создают такие отклонения от правильной геометрической формы и размеров деталей, которые при сборке или эксплуатации ликвидируются или существенно уменьшаются. Так, при изготовлении станков выполняют направляющие особой, непрямолинейной формы или обрабатывают их в заранее искривленном состоянии; вертикальные направляющие стоек координатно-расточных станков при сборке специально устанавливают с отклонением от вертикали. После сборки эти узлы занимают требуемое положение под действием собственного веса или веса заготовок, от нагревания в процессе работы и прочих причин. Такие погрешности в настоящее время практически не поддаются расчетам, а их величина определяется опытным путем /122/. Например, в работе /187/ приводятся результаты статистического исследования точности сборки отдельных узлов прецизионных агрегатных станков, влияния жесткости и отжатия радиальных стоек, силовой головки и планшайбы на точность станка, а также методика определения допуска на размер компенсатора между станиной и силовыми головками.
Размеры и форма деталей могут заметно меняться из-за изотермического распада аустенита их материалов. В результате свойства, полученные при изготовлении исходной заготовки и термической обработке ее, не исправляются на последующих операциях механической обработки и сохраняются в готовой детали. Это вызывает, например, изменение длины таких высокоточных инструментов, как концевые меры /33/. Так, меры длиной 100 мм, изготовленные из стали марки X с содержанием остаточного аустенита менее 1%, прошедшие закалку в масле с 860 С и последующий отпуск при 125 С, через 24 месяца эксплуатации увеличиваются в размере в среднем на 0,25 мкм. Такие же меры, но имеющие 7,4-7,8% остаточного аустенита, уже через 3 месяца увеличиваются в размере на 1,3-1,8 мкм. Такие изменения размеров особенно ощутимы на маложестких высокоточных деталях.
Современные машины предъявляют высокие требования в отношении контактной жесткости стыковых соединений и стабильности контактных деформаций во времени. Однако, высокие напряжения на площадках фактического соприкосновения поверхностей деталей машин вызывают появление в зоне касания процесса ползучести, приводящего к изменению характеристик контакта с увеличением его продолжительности /55, 95/. Применительно к задачам расчета контактной жесткости соединений этот вопрос является малоисследованным. Однако, в работе /55/ приводятся экспериментальные данные, подтверждающие непрерывность и существенность происходящих в зоне контакта двух деталей изменений (рис. 2.6).
Определение осевых перемещений и сил в системе диски-вал при опрессовке роторного пакета
Рассмотрим перемещения и силы в системе диски-вал при приложении к ней усилия пресса и усилия, создаваемого затяжкой гаек на концах вала. Суммарное осевое усилие Р = Рпр+Рг. (3.1)
В первый момент происходит выборка зазоров между торцами ступиц соседних дисков, в результате чего эти диски перемещаются в некоторое определенное положение на оси ротора. Для определения этого положения можно исходить из того, что усилия на крайних левом и правом торцах ротора Примем, в первом приближении, что: 1) при нечетном количестве дисков на валу ротора ступица среднего л + го диска остается неподвижной; ступицы дисков, находящихся левее среднего, перемещаются одинаковы. вправо, а правее - влево (рис. 3.2-3.3);
Поскольку у первых дисков ротора наружные диаметры обычно меньше, а толщины диафрагм больше чем у последних, условно будем с т Я + 1 считать их и более жесткими в осевом направлении. Тогда ступица среднего го диска для достижения равновесия сместится влево (так как деформации более жестких дисков слева от середины ротора будут меньше, чем менее жестких справа) и условие равновесия тогда запишется следующим образом
Если между валом и какой-либо деталью ротора посадка отсутствует (например, если эта деталь центрируется не по валу, а по ступице диска и между нею и валом большой зазор), то, очевидно, сила трения в этом случае F(i) = 0.
Для определения осевых сил можно воспользоваться следующими граничными условиями первого рода: осевые силы на левом торце ступицы 1 - го диска и на правом торце ступицы последнего п - го диска равны величине приложенной к ним внешней нагрузки (создаваемой прессом и затяжкой гаек на концах вала при сборке ротора), т.е. Psos(0,l) = Psos(n,n + l) = P. Диски с номерами 0 и п + 1 в действительности не существуют, а введены здесь фиктивно, только лишь для формализации обозначений наружных торцев крайних дисков. Тогда для 1 - го диска PjO,l)-PdJ)-Pj\,2)-F(l) = 0, или откуда (1,2) = Р-;,0Д1)хс/е/Лм(1)- (1). Для 2-го диска Ps„s{l2)-PA2)-Pj2,l)-F{2) = 0, 182 откуда Pj2,3) = P-jdJ)xdefdJ)-jd0S(2)xdefdllX2)-F{2). Рассуждая аналогично, получаем PjU + \)=P-sign[defdJ)J ydAj)xdefdJj)-F{j)}, (3.19) где Р - осевая сила, создаваемая прессом и затяжкої! гаек на концах вала при опрессовке; Р = Рпр+Рг , sign[defdlls(i)] - знак деформации / - го диска; sign[defdm(i)] =-I, если диск для достижения положения равновесия смещается влево; sign[defdos(i)] = +\, если он смещается вправо.
В формуле (3.19) величина defdm(i) определяется по формулам (3.11), (3.12), (3.13) для нечетного количества дисков на валу и по формулам (3.14) и (3.15) - для четного; величина F(i) - по формулам (3.16), (3.17) или (3.18) в зависимости от величины зазора между валом ротора и ступицей диска. Для обода ротора
Граничные условия первого рода: осевые силы на левом торце обода 1 - го диска и на правом торце обода последнего п - го диска равны нулю, т.е
В настоящее время в инженерной практике общепринята методика расчета контактных деформаций, основанная на решении известной задачи Г. Герца о плоской упругой деформации двух соприкасающихся цилиндров с параллельными осями и принимающая несколько допущений: 1) материалы контактирующих деталей однородны и изотропны; 2) нагрузки, приложенные к деталям, создают в зоне контакта только упругие деформации; 3) площадка контакта мала по сравнению с поверхностями деталей; 4) поверхности деталей в зоне контакта имеют правильную геометрическую форму; 5) силы давления нормальны к поверхности давления.
Эти допущения в основном соответствуют условиям расчета контактных деформаций при разработке технологии сборки прецизионных изделий.
Контактные задачи теории упругости и пластичности решены в настоящее время только для тел правильной геометрической формы, обладающих идеальными свойствами, поэтому расчет характеристик контакта деталей машин с учетом реальной топографии их поверхностей вызывает значительные трудности. В связи с этим для расчета характеристик контакта реальную поверхность приходится моделировать набором тел правильной формы. Так, И.В. Крагельский /95/ рассматривал контактную деформацию на основе стержневой модели, Э.В. Рыжов /149/ применил для выступа шероховатости поверхности эллипсоидальную модель, Л.П. Медведев /108/ представлял микровыступы поверхностей в виде круговых штампов, внедряемых в упругое полупространство. Н.Б. Демкин /53/ получил формулы, позволяющие производить расчет, пользуясь различными моделями, и показал преимущества модели выступов неровностей в виде сферических сегментов, распределенных по высоте таким образом, чтобы воспроизвести реальную кривую распределения материала в шероховатом слое.
Определение положения деталей ротора в сборочной системе координат
В роторах смешанного типа отсутствует центральный вал и детали роторного пакета последовательно базируются друг к другу. Ось вращения такого ротора появляется только после полного завершения сборки, когда окончательно занимают свои места основные базирующие поверхности под подшипники. В результате, в общем случае, оси всех деталей не совпадают, не пересекаются и не параллельны ни оси вращения ротора, ни друг другу. Поэтому процесс сборки такого ротора необходимо рассматривать как последовательное формирование оси его вращения, происходящее путем последовательного присоединения ортогональной системы координат каждой последующей / + 1 - й детали (Oi+iXi+iYi+1Zi+i) к ортогональной системе координат предыдущей / - й детали (OjXiYjZj). При этом образуется ортогональная сборочная система координат, в качестве которой удобнее всего принять систему координат основной базирующей детали ротора, к которой последовательно присоединяются остальные его детали. Для ротора смешанной конструкции в качестве основной базирующей детали можно принять первую по порядку сборки деталь ротора. Для расчета необходимых для определения качества сборки и проведения затем виртуального испытания изделия величин локальных эксцентриситетов и дисбалансов, а также пространственного расположения ГЦОИ деталей, необходимо знать положение собственных систем координат всех деталей после окончания сборки в собственной системе координат ротора. Собственной системой координат ротора будем считать такую ортогональную координатную систему, ось OZ которой совпадает с осью его вращения, а оси ОХ и OY жестко связаны с его основной базирующей деталью.
Таким образом, в процессе виртуальной сборки ротора используются следующие координатные системы: 1) собственные координатные системы деталей; 2) сборочная система координат ротора, совпадающая с координатной системой его основной базирующей детали; 3) собственная вращающаяся система координат ротора.
При приложении к деталям ротора силового замыкания происходят объемные и контактные деформации его деталей, в результате чего существенно изменяется и их пространственное расположение, а длиновые размеры практически не меняются. Расчет величин этих деформаций возможен с помощью сеточных методов и имеющихся ППП, но достаточно трудоемок. Объемные сборочные деформации происходят, в основном, из-за наличия отклонений формы контактирующих базовых поверхностей, а контактные - вследствие упругих и пластических деформаций вершин микронеровностей, волн и макроотклонений на этих поверхностях. Поэтому можно считать, что величины дополнительных погрешностей от сборочных деформаций всегда будут меньше погрешностей расположения деталей, вызванных отклонениями формы и расположения их базовых поверхностей. Поскольку виртуальная сборка связана с рассмотрением большого количества вариантов, рационально разделить процесс расчета на два этапа: 1) расчет пространственного положения деталей ротора без учета сборочных деформаций для всех возможных вариантов сборки; 2) отбрасывание явно "плохих" вариантов сборки; 3) уточнение пространственного положения деталей для небольшого количества выбранных "хороших" вариантов с учетом сборочных деформаций.
Первая задача также может быть решена в несколько этапов.
1. Определение положения всех деталей ротора в ортогональной сборочной системе координат, в качестве которой принята координатная система OiXiY его первой детали.
2. Определение положения оси вращения собранного ротора в сборочной системе координат ротора. Для определения этого положения необходимо составить уравнение прямой, проходящей через две точки, лежащие в центрах посадочных поверхностей под опоры ротора. Поскольку опорами ротора являются подшипники качения, эти точки лежат на осях цилиндрических поверхностей, являющихся основными конструкторскими базами, на одинаковом удалении от торцев подшипников.
3. Определение положения сборочной системы координат в ортогональной собственной системе координат ротора, ось OZ которой совпадает с осью его вращения.
4. Определение угловых и линейных погрешностей сборки ротора, необходимых для построения его математической модели, пригодной для расчета параметров качества сборки и виртуального испытания.
