Реализация автоматизированной системы изготовления трубопроводов в производстве ракетных двигателей

Введение . Проектирование, изготовление и монтаж трубопроводных систем жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) являются сложными задачами, связанными с размещением участков магистралей трубопроводов в ограниченных пространствах по причине плотной компоновки (рис. 1). В связи с этим трубопроводы современных ЖРД имеют следующие конструктивные особенности [1]:

• -    отсутствие или незначительное число прямолинейных участков и участков, описываемых кривыми второго порядка, преобладание произвольного построения траектории трубопровода, исходя из монтажного объема изделия или агрегата;

• -    малое количество плоских элементов, заданных двумя координатами, преобладание объемных элементов, заданных координатами, радиусом и углом;

• -    колебание конечных координат стыковки трубопровода к элементам двигателя;

• -    значительный ассортимент и типоразмеры применяемых труб;

• -    значительный ассортимент материалов труб;

• -    наличие явления пружинения материала;

• -    необходимость при проектировании трубопровода попасть в зону упругих деформаций материала и тем самым заложить основу серийного (партионного) изготовления трубопроводов.

Рис. 1. Пример компактного расположения трубопроводов со сложной пространственной геометрией на двигателе РД-182

Fig. 1. An example of a compact arrangement of pipelines with complex spatial geometry of the

RD-182 engine

К трубопроводам предъявляются высокие требования по прочности, жесткости, герметичности, корро- зионной стойкости, а также по геометрической точности и состоянию поверхности. В соответствии с заданными нагрузками и условиями эксплуатации основными материалами для изготовления трубопроводов являются легированные хромоникелевые стали (12Х18Н10Т, Х18Н9Т), алюминиевые сплавы (Д16, АМг6), титановые сплавы (ОТ4, ВТ6), жаропрочные сплавы (ХН60ВТ, ХН77ТЮР) и другие материалы с высокими физикомеханическими характеристиками [2; 3].

Основная методика, по которой разрабатывается комплект технологической документации на изготовление и монтаж трубопроводов, описана в отраслевых стандартах (ОСТ 92-1600–84, ОСТ 92-1601–84, ОСТ 92-1602–92) и подразделяется на несколько этапов [4; 5]:

• -    создание полномасштабного макета ракетного двигателя (РД);

• -    создание по изготовленному макету эталонных трубопроводов;

• -    изготовление штатных трубопроводов по эталонам;

• -    монтаж штатных трубопроводов на РД с выполнением неизбежной подгибки.

Представленный процесс требует большого количества ручного труда и не гарантирует обеспечения оптимальной конфигурации и надлежащего качества продукции.

С другой стороны, сама конструкторская документация на узлы трубопроводов со сложной пространственной конфигурацией представляет собой чертежи либо со схематичным изображением траектории трубопровода, либо с большим количеством видов и сечений, что также приводит к усложнению процесса изготовления и монтажа трубопровода без выполнения предварительного макетирования.

Одним из путей решения указанных проблем является внедрение в технологический процесс производства жидкостного ракетного двигателя комплексной автоматизированной системы изготовления узлов трубопроводов сложной конфигурации с применением 3D-моделирования, что в свою очередь позволит [6–8]:

• -    исключить сложный, дорогостоящий и трудоемкий процесс эталонирования трубопроводов;

• -    повысить точность изготовления и сборки трубопровода;

• -    исключить операцию подгибки по месту;

• -    автоматизировать часть технологического процесса от проектирования до монтажа трубопроводов на двигатель;

• -    исключить влияние субъективного человеческого фактора на основных этапах работ;

• -    усовершенствовать технологию изготовления трубопроводов и их монтажа в составе РД за счет перехода на работу с 3D-моделью двигателя и визуализации процесса монтажа с установленной последовательностью сборки (создание видеороликов для обучения персонала сборочных производств);

• -    создать и хранить конструкторско-технологические данные о каждом трубопроводе в электронном виде в единой базе данных.

Алгоритм работы автоматизированной системы изготовления трубопроводов. На предварительном этапе производится определение длины заготовки трубопровода. Для трубопроводов, имеющих изгибы и прямолинейные участки, длина заготовки рассчитывается методом развертки осевой линии [9]:

ii

L = Z 1 1 + Z R i- ^ i ,

i где ^ 11 - сумма длин прямолинейных участков;

i

^ R i -ф i - сумма длин криволинейных участков; R i - 1

радиус кривизны осевой линии трубопровода на i -м участке; φ i – угол изгиба на i -м участке.

Определение длины заготовки необходимо проводить с учетом припусков на обработку торцов, приварку ниппелей, штуцеров и других соединительных элементов.

Исходные геометрические параметры и данные по конфигурации узла трубопровода можно получить двумя способами [10; 11]:

• 1.    Измерив эталон-трубопровод с помощью современных контрольно-измерительных машин (рис. 2). Данный способ наиболее подходит для внедрения системы на этапе серийного изготовления ЖРД.

• 2.    Получив геометрические параметры трубопровода из созданной конструктором 3D-модели двигателя (при этом необходимо корректировать координаты мест стыковки путем их измерения контрольноизмерительной машиной (КИМ) и внесения соответствующих изменений в 3D-модель) (рис. 3, 4). Этот способ предназначен для внедрения автоматизированной системы на этапе отработки (освоения) производства современных ЖРД, поскольку они проектируются с применением 3D-моделирования.

  

  Рис. 2. Алгоритм работы системы (вариант 1)

  
  

• Fig. 2.    Algorithm of the system operation (option 1)

  

  Рис. 3. Алгоритм работы системы (вариант 2)

  
  

• Fig. 3.    Algorithm of the system operation (option 2)

  

  Рис. 4. 3D-модель трубопровода

  
  

• Fig. 4.    3D model of the pipeline

На следующем этапе необходимо создать управляющую программу (УП) для осуществления гибки трубы на станке с числовым программным управлением, для чего может использоваться специальное технологическое программное обеспечение (например, TezetCAD). Данное технологическое программное обеспечение позволяет в автоматическом режиме на основе предоставленных данных разработать управляющую программу для трубогибочного станка с ЧПУ и представляет её либо в формате, поддерживаемом данной моделью оборудования, либо в виде таблицы MS Excel [12].

При составлении УП необходимо учитывать требования нормативной документации (ОСТ 92-1600–84) в части установки радиусов изгиба трубы:

• - изгибы должны быть выполнены одним радиусом и не иметь двойной кривизны в пределах одного гиба;

  – минимальные радиусы гибки трубы различных диаметров и с различными толщинами стенок по средней линии должны быть не менее величин, указанных на графике (рис. 5) [13; 14].

Также при создании управляющей программы для станка необходимо учитывать эффект пружинения материала. Расчет угла гиба трубы с учетом пружинения осуществляется следующим образом [4; 7]:

• 1.    Угол гиба трубы с учетом пружинения определяется по формуле

• 2.    Величина Δλ рассчитывается по формуле

• 3.    Коэффициенты n и m определяются по следующим формулам:

Х' = Х + АХ,

где λ – угол гиба трубы; Δλ – величина угла пружинения.

АХ = 57,3-П—^(1 -n + m■ R ),

180            0

где R 0 – осевой радиус гиба трубы; n и m – коэффициенты, учитывающие материал, диаметр и толщину стенки трубы.

, 16 ■ П ■ S ■ R 3 n = 1--; --------cv,

3 E ( R ⁴ - R ⁴ )

32 ^ 0 ■ S ■ R 2 m = —;=----;-------- t,

V3 E Ц R н - R в )

где S – толщина стенки трубы; R _н – наружный радиус трубы; R _с – средний радиус трубы; R _в – внешний радиус трубы; П – модуль упрочнения; Е – модуль упругости; σ 0 – предел текучести.

На следующем этапе данные управляющей программы необходимо внести в блок управления станка с ЧПУ для осуществления гибки трубы с последующим контролем конфигурации при помощи КИМ (путем сравнения исходной 3D-модели и данных, полученных в процессе измерения изготовленного трубопровода). В случае успешного прохождения операции контроля труба допускается в дальнейшую работу.

Заключение. Применение представленной технологической системы позволит исключить сложный и трудоемкий процесс эталонирования трубопроводов, снизить долю ручного труда в технологическом процессе производства ЖРД, повысить точность изготовления и сборки трубопровода, исключить необходимость подгибки трубопровода при монтаже, исключить из конструкции двигателя компенсирующие звенья.

Рис. 5. График, определяющий зависимость радиуса допустимого изгиба трубы ( R ) от её диаметра ( D ) и толщины стенки ( S ) для осуществления холодной гибки

Fig. 5. The graph that determines the radius of the permissible bending of the pipe ( R ) from its diameter ( D ) and the wall thickness ( S ) for bending