CC BY
14
МЕХАНИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 658.512 в.С. СЕРДЮК,
В.И. ТРУШЛЯКОВ
Омский государственный технический университет
О ВОЗМОЖНОСТИ МОНТАЖА ТРУБЧАТЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ КОСМОСА НА ОСНОВЕ МИОМ
Рассмотрена возможность применения магнитно-импульсной обработки материалов для проведения сборочных операций элементов конструкций орбитальных комплексов в открытом космосе. Показана методология проектирования технологических процессов сборки с учетом превентивных мер, обеспечивающих выполнение требований безопасности системы «технологический процесс - оператор», что открывает более широкие перспективы реализации процессов магнитно-импульсной обработки материалов при освоении космического пространства.
В программе полетов с целью освоения околоземного космического пространства активное участие принимают Россия, США, Китай, Канада, Япония, страны ЕС, Индия и др. Сотрудники Исследовательского центра им. М.В. Келдыша считают актуальной проблему освоения Луны. Для этого необходимо создать на Луне промышленный комплекс, в котором под куполами будет располагаться рудник, обсерватория, промзона, жилой комплекс, энергоустановка, космодром. Программа дальнейшего освоения космического пространства США предполагает к 2020 г. сделать Луну стартовой площадкой для полетов к другим планетам, в том числе и к Марсу. Регулярные пилотируемые полеты на Луну должны начаться с 2015 г. [1].
Наступает третья промышленная революция в производстве фармацевтических препаратов, оптических стекол, материалов для электроники, керамики, магнитных материалов. Она требует разработки соответствующего оборудования. В ближайшие де-
сятилетия ожидается создание первых заводов в космосе, баз на Луне, подготовка обитаемых полетов на Марс и т.д. Это будет связано со сборкой на орбите крупных конструкций, состоящих из различных модулей, блоков, каркасов антенного поля для связи и передачи данных, больших космических платформ и космических солнечных электростанций, а также лунных технических парков и т.д. [2, 3].
Использование космических аппаратов с ядерными двигательными установками также приводит к необходимости разработки протяженных конструкций, чтобы снизить за счет увеличения расстояния вредное воздействие излучения ядерного реактора (рис. 1) [4-8].
При монтажных и ремонтных работах в космосе неизбежны операции сборки неразъемных соединений трубчатых узлов, в связи с этим имеется потребность в эффективных технологиях сборки элементов конструкции орбитальных комплексов.
В настоящее время проводятся работы по реализации приоритетных на отечественном и мировом уровнях проектов по применению магнитно-импульсной обработки материалов (МИОМ) в сборочных операциях в условиях открытого космоса [7]. Имеются установки для МИОМ, которые могут быть использованы непосредственно в космосе для сборки конструкций [8].
Неоспоримые преимущества возможности применения МИОМ для выполнения технологических операций в условиях космоса описаны в работах [7, 9]. К ним относятся не только простота технологической оснастки и возможность выполнения технологических операций в вакууме, но и улучшение характеристик обрабатываемого материала. Наряду с алюминиевыми сплавами, с хорошими пластическими свойствами могут применяться титановые сплавы и нержавеющие стали, не проявляющие пластичности при обычных условиях деформирования традиционными методами. Благодаря высокой скорости деформирования МИОМ (30...500 м/с) и одновременному тепловому воздействию, пластические свойства данных материалов повышаются [9].
Наиболее эффективно применение МИОМ при выполнении сборочных операций при монтаже трубчатых конструкций (рис. 1в),~в том числе в условиях космоса. Эти технологические процессы достаточно хорошо изучены [9, 11] позволяют получать неразъемные соединения трубчатых узлов, равнопрочные с основной трубой.
Однако, наряду с явными технологическими преимуществами, процесс МИОМ является потенциально опасным и вредным. Это существенно сдерживает его распространение, особенно в условиях ограниченного пространства, где оператор находится в непосредственной близости с источником опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ).
Более широкие перспективы использования МИОМ при монтаже трубчатых конструкций в условиях космоса открываются при снижении ОВПФ до приемлемых уровней за счет превентивных мер на этапе проектирования технологического процесса. Это является одним из основных путей в области безопасности [ 10, 12].
Методология проектирования технологических процессов МИОМ с учетом превентивных мер, обеспечивающих выполнение требований безопасности, в том числе в условиях космического пространства, рассматривалась в работах [11-14]. Учитывались ограниченные возможности по защите оператора традиционными мерами. Поэтому в качестве превентивных мер в первую очередь рассматривались научно обоснованные безопасные режимы проведения технологического процесса. При ограничении возможности достижения необходимого эффекта' за счет технологических режимов, предусматриваются системы защиты, размещение рабочего места оператора с учетом опасных зон оборудования, направленности излучения, допустимого расстояния до источника опасности, ограничение продолжительности воздействия на оператора ОВПФ (защита временем) и др., особенно это актуально при выполнении монтажных работ в космическом пространстве.
При проектировании технологического процесса с учетом требований безопасности рассматривается система «технологический процесс - оператор». Она описывается аналитическими зависимостями для расчета силовых и кинематических параметров МИОМ, которые являются исходными данными для оценки риска технологического процесса [11-14].
Состояние безопасности системы «технологический процесс - оператор» отражает обобщенный критерий, который увязывает технологические параметры, факторы риска и средства защиты. Он описываются картой риска, имеющей вид матрицы [13].
В качестве примера можно привести оценку уровня риска сборки неразъемного соединения трубы с оправкой МИОМ.
Время Т, в течение которого оцени вается воздействие факторов риска — 8 часов (рабочая смена), количество работающих — 2 (оператор и слесарь-наладчик), количество изготавливаемых за смену изделий — 200.
Выделим для анализа следующие факторы риска:
1) — опасный фактор: фрагменты индуктора, образующиеся при его разрушении, экспертная оценка количества возможных разрушений — 1 на 800 разрядов;
2) i.t — опасный фактор: поражение электрическим током (источник — возникновение ситуаций, при которых происходит замыкание электрической цепи через тело человека), экспертная оценка — 1 случай за 2000 часов работы;
в качестве экспертных оценок времени попадания рабочих мест (оператора и слесаря-наладчика) в зону воздействия факторов риска при условии их возникновения, возьмем следующие оценки:
1) фактор риска /,: для оператора 0,01% времени рабочей смены; для слесаря-наладчика 0,03% времени рабочей смены;
2) фактор риска f2: для оператора — 10% времени рабочей смены, для слесаря-наладчика — 5% времени рабочей смены.
Вычислим карту уровней рисков технологической операции относительно факторов риска /,, (ш = 2) на временном промежутке Т = 8 часов для рабочих мест w,, w2 (оператор, слесарь-наладчик).
Оценку вероятности возникновения фактора риска/, вычислим по формуле [13] взяв, согласно исходным данным, N = 200, ри= 1 / 800:
р,= 1-е"25 =0,221 19921.
Оценку вероятности возникновения фактора риска f.t вычислим взяв, согласно исходным данным, X = 1/2000, Т = 8:
, = 1 -е
: 0,00399201
Оценки вероятности попадания рабочих мест в зону воздействия факторов риска /,, 12, в случае их возникновения согласно исходным данным будут Ям =0,0001,4,3 =0,0003,я2| =0,1,Ч„ =0,05 . Так как факторы и /2 являются опасными факторами, то гм = г,2 = г2, = ти = 1.
Вычислим карту уровней рисков выполнения рассматриваемой технологической операции за время рабочей смены Т:
Г0,000022 0,000066
Р =
0,000399 0,000199 Вектор Рг, компоненты которого определяют оценки вероятностей воздействия факторов риска на работающий коллектив в целом, будет Рг = (0,000088,0,000598).
Вектор Рл , компоненты которого определяют оценки вероятностей воздействия факторов риска на каждое рабочее место в отдельности, будет Рг = (0,00421,0,000265).
И наконец, оценка уровня риска выполнения технологической операции относительно факторов риска Д для рабочих мест у/^, за время Т, согласно [13] будет Р =0,000686.
Сравнение рассчитанного уровня риска Р с приемлемым Р (Р = 1 • 105) позволяет определиться с даль-
нейшей работой по выбору параметров технологического процесса. При Р<РМ| — проектирование завершено. ПриР>Рм|] — необходимо изменить технологические параметры процесса, а также электрические параметры разрядного контура при сохранении требований к конструкции неразъемного соединения (метод борьбы с ОВПФ в источнике возникновения) или обеспечить повышение безопасности с помощью дополнительных систем защиты оператора.
Снижение уровней ОВПФ, за счет изменения технологических параметров процесса и электрических параметров разрядного контура на стадии проектирования технологического процесса сборки представляется возможным благодаря проведенному исследованию высокоскоростного обжима трубы по оправке с кольцевой канавкой. В результате получены аналитические зависимости связи силовых и кинематических параметров процесса с параметрами разрядного контура и потребной энергии установки, а также формулы для расчета конструкции соединения с требуемой несущей способностью [11]: \у, vv = f (Р,сг5,р, ,/■,...) ;
(3=Г(ст , Я,8, \fy\2L, Д, к, п,...);
- Г (Р, Е,С, Ь, Я, Р, ДЗК1, N.ш, I, р,т),...) , где - соответственно, перемещение, скорость
и ускорение образующей трубы в зависимости от силовых и конструктивных параметров процесса, а также параметров разрядного контура; О — осевая прочность соединения; и — напряжение зарядки установки.
Разработанные решения в совокупности с известными методиками [9], позволяют провести перерасчет или корректировку технологических параметров процесса и электрических параметров разрядного контура, без изменений требований к конструкции неразъемного соединения, для снижения какого-либо фактора риска. Например, снизи ть вероятнос ть разрушения индуктора можно за счет изменения конструкции индуктора, электрических параметров разрядного контура или обжима с предварительным нагревом электромагнитным полем заготовки, а также увеличением количества переходов электромагнитного обжима, т.е. обжима трубы в каждую канавку отдельно с соответствующим уменьшением энергии, а, следовательно, уровней ОВПФ. Опасный уровень шума при проведении технологического процесса можно уменьшить за счет снижения шума в источнике возникновения, - системе индуктор -заготовка, или ограничения минимального времени между шумовыми импульсами — «защита времени». Опасный уровень импульсного электромагнитного поля можно уменьшить за счет изменения электрических параметров разрядного контура. Опасное расстояние от рабочего места до источника ОВПФ можно устранить за счет выноса пульта управления па безопасное д\я оператора расстояние от источника ОВПФ, определенное расчетным путем, и др.
При невозможности достижения необходимого эффекта изменением технологических и электрических параметров, превентивно предусматриваются дополнительные системы защиты оператора.
Системы защиты условно разделены на три подсистемы: совокупность элементов защиты, влияющих на вероятность возникновения факторов риска Т.;, совокупность элементов защиты, влияющих на количественные характеристики, оценивающие вероятности попадания рабочих мест в зону воздействия факторов рисков при условии их возникновения — совокупность элементов защиты, влияющих на снижение меры ущерба, наносимого воздействием факторов рисков на работающих, при условии воз-
в)
Рис. I. Конструкции космических платформ с ядерными
двигательными установками: а) [4]; б) [5]; в) пример сборки трубчатых конструкций
никновения данных факторов, и попадания соответствующих рабочих мест в зону их воздействия —
Вероятность возникновения фактора риска от неправильных действий оператора снижается за счет его обучения. Поэтому необходимый уровень профессиональной подготовки оператора можно рассматривать как элемент защиты с необходимой надежностью выполнения функций безопасности [13].
Обобщенный критерий является критерием безопасности системы «технологический процесс - оператор», в которой защита оператора от ОВПФ превентивно обеспечивается как выбором технологических параметров, вызывающих наименьшую опасность, так и средствами защиты, исключающими остаточной риск.
Таким образом, проведенное исследование позволяет сделать вывод о том, что МИОМ является одной из перспективных технологий для проведения сборочных операций при монтаже трубчатых конструкций в условиях космоса. Потенциальная опасность и вредность МИОМ является сдерживающим фактором при внедрении данного процесса, но она может быть снижена за счет разработки научно обоснованных превентивных мер на этапе проектирования. Это открывает более широкие перспективы реализации технологических процессов МИОМ при освоении космического пространства.
Библиографический список
1. ЮдинаЛ. За топливом наЛуну. — Электрон, дан. (1 файл).
— М., [2006]. — Режим доступа: http://www.trud.ru/ trud.php?id = 200602070200505. - Загл. с экрана.
2. Завод в космосе. — Электрон, дан. (1 файл). — М, [2006].
— Режим доступа: http://epizodsspace.narod.ru/bibl/getlend/ I6.html. ■ Загл. с экрана.
3. Соколов А. Экспериментальная конструкция. — Электрон.дан. (1файл). — М., [08.11.2005]. — Режим доступа: http:// www.zavasek.narod.ru/picture.html. - Загл. с экрана.
4. Koroteev A.S. Nuclear propulsion systems lor space exploration // ln-space propulsion21-25september2003. — Lerici,LaSpezia, Italy: Finito di stampare nel mese di november 2005. P. 03-1-15.
5. Robert L. Sackheim ln-space propulsion — where we stand and what's next // ln-space propulsion 21-25 September 2003. -Lerici, La Spezia, Italy: Finito di stampare nel mese di november 2005. P. 01-1-16.
6. Москва: россияне полетят на Луну в 2015-2020 годах, на Марс - в 2030 году. Электрон, дан. (1 файл). - М„ [06.04.2005].
— Режим доступа: http://news.battery.ru/theme/science/ ? lrom_m=theme&from_t=science&fromn = 31394487&newsld = 31211508. - Загл с экрана.
7. Магнитно-импульсная обработка материалов. — Электрон. дан. (1 файл). - М.: РКЗ ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, [2006]. — Режим доступа: http://rlcz.boom.ru/magnit.htm. -Загл. с экрана.
8. Технология магнитно-импульсной обработки металлов. — Электрон, дан. (1 файл). - Киев: Укр ИНТЭИ, [2006]. - Режим доступа: http://www.uintei.kiev.ua/RUS/offer.php7slang = rus&offid = 208. -Загл. с экрана.
9. Талалаев А.К. Магнитно-импульсная штамповка полых цилиндрических заготовок / А.К. Талалаев, С П. Яковлев, В.Д. Кухарь и др. — Тула: «Репроникс Лтд», 1998. — 238 с.
10. Ильичев A.B. Начала системной безопасности. — М.: Научный мир. 2003. — 456 с.
11. Сердюк B.C. Моделирование технологического процесса высокоскоростного обжима трубы по оправке с кольцевой канавкой // Механика и процессы управления: Серия «Проблемы машиностроения». Труды XXXIII Уральского семинара. — Екатеринбург, 2003. - С. 56-64.
12. Сердюк B.C., Трушляков В.И. Исследование системы технологический процесс — оператор. Оценка рисков // Полет. - М.: Машиностроение, 2006, №2. - С. 55-59.
13. Сердюк B.C., Трушляков В.И. Проектирование электроимпульсных технологических процессов с приемлемым риском // Доклады Академии наук высшей школы России. — Новосибирск, 2005, №2 (5). - С. 123-135.
14. Сердюк B.C. Модели количественных оценок уровней рисков производственных процессов // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета, 2005, №2 (20). - С. 52-57.
СЕРДЮК Виталий Степанович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности».
ТРУШЛЯКОВ Валерий Иванович, д.т.н., профессор, кафедры «Авиа- и ракетостроение».
Дата поступления статьи в редакцию: 09.10.2006 г. © Сердюк B.C., Трушляков В.И.
удк«'4 A.C. БАЙДА
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ
В статье рассматривается предлагаемая автором система автоматизации проектирования процесса приработки двигателя.
Производство силовых агрегатов характеризуется частой сменной моделей и значительными материальными затратами. Обеспечение высоких темпов развития двигателестроения, конструирование новых модельных рядов двигателей невозможно без современной организации производства, базирующейся на использовании вычислительной техники. Организация производства, использующая вычислительную технику, требует разработки и применения систем автоматизированного проектирования (САПР), которые способствуют сокращению времени изготовления, уменьшению материальных затрат и снижению трудоемкости технологических процессов.
Одним из технологических процессов при производстве силовых агрегатов является процесс приработки. Проведение приработки двигателя обуслов-
лено необходимостью его подготовки к восприятию эксплуатационных нагрузок. При отказе от ее проведения общий ресурс двигателя уменьшается в среднем на 30%, что отрицательно сказывается на сроке его эксплуатации и надежности.
Приработка необходима как новому двигателю, так и двигателю, прошедшему капитальный ремонт.
От методики проведения приработки зависит качество прирабатываемых поверхностей деталей двигателя. Разработка методики, а также ее апробация требует большого количества временных и материальных затрат.
Создание системы автоматизации процесса проектирования и проведения приработки с целью улучшения качества сборки и ремонта двигателей, а следовательно, повышение их надежности и долговечности
