CC BY
36
УДК 621.45 - 62-15:629.1.056
О РАЗВИТИИ ИССЛЕДОВАНИЙ В МГТУ ГА ПО РАЗРАБОТКЕ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ АВИАРЕМОНТНОГО ПРОИЗВОДСТВА
А.М. САВВИНА
Статья представлена доктором технических наук, профессором Макиным Ю.Н.
В статье рассмотрены вопросы исторического приоритета в разработке общей теории авиаремонтного производства.
Ключевые слова: общая теория, ремонт.
В статье [ 1 ] был обоснован исторический приоритет МГТУ ГА в осознании проблем авиаремонтного производства, не позволяющих эффективно решать задачи освоения ремонта новой авиатехники, расширения номенклатуры восстанавливаемых деталей, внедрения новых прогрессивных технологических процессов ремонта, повышения качества и эффективности ремонта. Указано несоответствие требований, предъявляемых к "Руководствам по капитальному ремонту" (РКР) ГОСТами, современным реалиям развития науки, техники и технологии. Показана ретроспектива (с 1980 по 1985 г.г.) решения проблемы в рамках научных исследований МГТУ ГА по созданию автоматизированной системы управления проектированием технологических процессов ремонта (АСУ ПТР) деталей авиатехники как главнейшей концептуальной части в разработке теоретических основ авиаремонтного производства. Исторический приоритет подтвержден 27-ю пионерскими публикациями научных сотрудников МИИ ГА - МГТУ ГА.
Как известно, базой любой автоматизированной системы является ее аналитический аппарат. Для АСУ ПТР это блок математических моделей технологических процессов восстановления утраченных в процессе эксплуатации показателей качества. В работе [2] была показана бессмысленность усилий по совершенствованию действовавшей в тот период “Комплексной системы управления качеством ремонта АТ” (КСУКРАТ) при “неоптимальности” самих РКР.
Вопросы математического моделирования технологических процессов наиболее полно исследованы в работах профессора В.П.Фролова.
Таким образом, математическое моделирование технологических процессов стало объективно необходимым. Оно должно рассматриваться как одно из эффективных направлений в обеспечении технологического превосходства.
Изделия с гарантированной долговечностью и надежностью можно изготовлять тогда, когда технологический процесс исследован во всех его многочисленных внутренних связях. Экспериментальные методы исследования результативны, но трудоемки, сложны и связаны с большими затратами средств и времени. Аналитические методы отличаются экономичностью и быстродействием, поскольку основаны на использовании вычислительной техники, но для их реализации требуется математическое моделирование реальных процессов, в том числе и процесса изготовления изделий.
Технологические процессы в совокупности можно представить как целостную систему. Существенными ее характеристиками являются системные качества, состав, динамическая структура и характер взаимодействия с внешними условиями.
Целостная система играет ведущую роль по отношению к своим частям, которые в то же время обладают относительной самостоятельностью. Упорядочение системы есть не что иное, как процесс управления системой. Конечная цель управления - обеспечение оптимального процесса производства.
Одним из наиболее эффективных средств познания системы и управления ею является моделирование, то есть воспроизведение той или иной сложной системы посредством более простой системы - модели. Моделирование основано на изоморфизме (структурном или функциональном сходстве) различных систем. Оно позволяет воспроизводить и изучать сложные системы в математических или физических моделях.
Меняя параметры модели, исследователь получает данные, аналогичные тем, которые имели бы место в действительности при изменении реальных условий. Таким образом, испытывается множество вариантов модели, каждый из которых представляет собой определенное сочетание факторов, и из этого множества выбирается вариант, оптимальный или близкий к оптимальному при заданных реальных условиях.
Характерная особенность математического моделирования состоит в том, что при изучении любого процесса таким методом необходимо в первую очередь построить математическое описание или математическую модель изучаемого процесса. Наличие математического описания процесса - оригинала позволяет обоснованно выбрать соответствующий технологический процесс.
Математическая модель реального процесса есть некоторый математический объект, соответствующий данному физическому процессу. Всегда существуют соотношения, которые в виде математических зависимостей выражают реальные физические связи.
Поэтому под математической моделью реального процесса следует понимать совокупность соотношений (например, формул, уравнений, неравенств, логических условий, операторов и других), которые связывают характеристики процесса с параметрами соответствующей системы, исходной информацией и начальными условиями.
В данном определении вовсе не предполагается, что математическая модель состоит только из соотношений, выражающих характеристики процесса в виде явных функций от параметров системы, времени, исходной информации и начальных условий. В общем случае этого может и не быть. Однако существенным свойством математической модели является то обстоятельство, что при совместном рассмотрении составляющих ее соотношений характеристики процесса однозначно (для детерминированных моделей) определяются через параметры системы, исходную информацию и соответствующие начальные условия. Построение модели целостной системы, выбор характеристик ее состояний и параметров, описывающих процесс функционирования системы, является своеобразной и сложной задачей. Указать какие-либо правила для выбора характеристик состояний и параметров исследуемых реальных систем пока не представляется возможным. Исследователь в этом отношении может руководствоваться лишь собственной интуицией, опирающейся на постановку прикладной задачи и понимание природы процесса функционирования системы.
Современный уровень развития авиаремонтного производства требует системного подхода, при котором все объекты и явления, связанные с восстановлением утраченной в процессе эксплуатации работоспособности изделия, рассматриваются в комплексе как производственная система, в которой реализуется производственный процесс восстановления изделий. Составной частью этого производственного процесса является, в полной аналогии с процессами производства изделий авиационной техники, технологический процесс, содержащий целенаправленные действия по определению технического состояния и изменению состояния предмета труда. Технологический процесс выполняется с помощью средств технологического оснащения, которые включают технологическое оборудование и технологическую оснастку. Важнейшей частью производственной системы является технологическая система - совокупность функционально взаимосвязанных элементов производственной системы предприятия, выполняющих в регламентированных условиях технологические процессы ремонта изделия. Основным структурным элементом технологического процесса является технологическая операция - часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте. В состав технологической операции входят переходы, установы, позиции. При формализованном описании производства, то есть
отображении элементов производственного процесса в математической модели производственной системы, все структурные элементы технологического процесса описывают понятием «технологический оператор», а все конструктивно-технологические свойства изделия и свойства производственной системы - понятием «контур» .
Проектирование оптимальных технологических процессов ремонта изделий авиационной техники требует трудоемких вычислений. Автоматизация технологического проектирования способствует повышению качества ремонта. Необходимой предпосылкой автоматизации является всестороннее исследование закономерностей и факторов, влияющих на полноту восстановления изделия. Эти факторы разнообразны и по своей природе, и по типам отношений между ними. При автоматизированном проектировании все это разнообразие факторов и отношений необходимо описывать с помощью математических моделей. В этом случае невозможно обойтись только методами алгебры, аналитической геометрии, математического анализа. Необходимо использовать и теорию множеств, теорию графов, математическую логику и другие методы, относящиеся к метаматематике.
Совершенствование проектирования процессов восстановления органически взаимосвязано с совершенствованием всей производственной системы предприятия. Разработка оптимальных проектных решений в ходе технологической подготовки производства изделия возможна только при комплексном моделировании изделия, производственной системы и всех процессов ремонта на основе единой системы математического моделирования, обеспечивающей:
• разработку взаимосвязанных моделей разнородных объектов (изделий, технологических процессов, оборудования, инструмента и т.п.);
• построение взаимосвязанных моделей объектов, соответствующих разному уровню знаний и различной полноте представления данных;
• прозрачность моделей, смысловую ясность и понятность всех данных, отношений и связей в моделях для пользователя системы;
• адаптацию математических моделей к различным видам вычислительной техники;
• адаптацию других методов моделирования, моделей и алгоритмов с целью включения их в данную систему моделирования.
Указанным требованиям удовлетворяет иерархическая система математического моделирования объектов на различных уровнях абстрагирования. Проектирование с использованием типовых математических моделей является общепринятым методом технологического проектирования в САПР. В этой системе любой объект моделируют одинаковыми средствами на уровне теоретико-множественных (методами теории множеств и теории графов), логических (методами математической логики) и количественных свойств и отношений.
Теоретико-множественный и логический уровни моделирования объектов удобны для автоматизации решения задач структурного проектирования, когда определяют состав и взаимосвязь элементов проектируемого технологического процесса, а количественный уровень моделирования используют при решении задач, связанных с расчетом механических, точностных, технико-экономических и других характеристик и параметров процесса восстановления.
Математическое моделирование производства отражает закономерности и связи между свойствами изделия и производственной системы с помощью математических отношений. Производственную систему рассматривают как систему средств технологического оснащения, включающую оборудование, инструмент, оснастку и другие элементы, и как систему технологических операторов, отображающих процессы производства. Технологический оператор характеризует часть технологического процесса, при реализации которой объект производства приобретает какие-либо заданные свойства. Состав операторов есть часть множества операторов всей производственной системы. Средства технологического оснащения образуют множество полного состава элементов производственной системы.
Для моделирования процесса восстановления изделия используют модель, отображающую взаимосвязь изделия и производственной системы. Процесс ремонта изделия моделируют как процесс его изменения под воздействием производственной системы. Изменения объекта могут затрагивать любые его свойства и отношения. На теоретико-множественном уровне описывают изменения состава элементов и контуров (включение, исключение, замена) или изменение состава отношений и связей между ними. На логическом уровне описывают изменение состава логических величин и отношений, а на количественном - изменение состава количественных величин и их значений, а также количественных отношений.
Указанные выше положения, достаточно сформировавшиеся для решения проблем производства летательных аппаратов и авиационных двигателей, находятся в стадии развития для нужд авиаремонтного производства, хотя начало этих работ относится к 1982 - 1986 гг.
Вопросы моделирования технологических свойств деталей авиационной техники в автоматизированной системе проектирования технологических процессов ремонта отражают положения, показывающие своеобразие технологических процессов восстановления авиационной техники, которые не позволяют использовать основной принцип автоматизированного проектирования процессов производства изделий - метод аналогий.
Многономенклатурность авиаремонтого производства, связанная с разнообразием конструктивного исполнения агрегатов, узлов и деталей авиационной техники, а также с широким диапазоном физико-химических свойств конструкционных материалов, требует использования технологических процессов, различных по физической сущности. Однако существуют объективные факторы, которые придают широкомасштабному ремонтному производству свойства производства единичного, затрудняя выбор конкретных технологических процессов.
При серийном производстве в пределах установленных допусков обеспечивается однозначное соответствие параметров заготовок и деталей, что гарантирует возможность разработки единой технологии изготовления каждого наименования продукции и описания заготовок и деталей детерминированными моделями.
Заготовками при ремонте являются детали, подвергшиеся случайному воздействию повреждающих факторов, которые могут быть представлены только стохастическими моделями. Следовательно, разработка единой технологии противоречит изменчивости соотношений между параметрами детали до и после восстановления, не позволяя организовать в полной мере рациональный процесс ремонта.
В рамках автоматизированной системы проектирования технологии ремонта совокупность процессов восстановления должна выбираться в зависимости от характера и степени нарушения параметров деталей, а также с учетом работ, выполненных при предшествующих ремонтах. В связи с возможностью альтернатив, переменной загрузкой оборудования автоматизация проектирования должна стать неотъемлемой частью системы оперативного управления производством.
Для разработки технологии ремонта необходимо содержательное описание свойств технологических процессов и деталей. Например, только на основе характеристик процессов можно определить, обеспечивается ли при известном уровне изношенности восстановление геометрических параметров лопатки компрессора путем плазменного напыления или необходима приварка пластины вместо удаленного участка пера лопатки. Однако круг вопросов, связанных с созданием таких автоматизированных систем, не ограничивается описанием процессов. В целях идентификации их характеристик и конструктивно-технологических особенностей деталей объект ремонта следует представить как упорядоченную структуру, каждый элемент которой обладает множеством свойств, имеющих предел значимости для выбора технологии восстановления.
Разделяя (условно) пришедшие в ремонт детали как заготовки и на восстановленные изделия, можно представить их значимые для функционирования свойства соответствующими множествами, например, набором единичных показателей качества детали. Указанные свойства всегда можно свести к конечной совокупности. Перечень параметров, определяющих эти свой-
ства для изделия конкретного наименования, не изменяется, различны только их количественные уровни. Следовательно, мощности множеств равны.
Пусть существует некоторый процесс, который обеспечивает восстановление свойств. Тогда формально будет существовать отображение исходного множества в конечное. В силу рав-номощности множеств между ними существует взаимно однозначное соответствие. Каждый элемент является образом при отображении некоторого и притом единственного элемента.
Физическое содержание отображения соответствует виду и характеристикам технологического процесса, который изменяет свойства восстанавливаемой детали до заданного уровня. Если же ни один процесс не обеспечивает возможности восстановления детали и необходима ее замена, отображение отсутствует. Вид отображения объективно выбирается на основе несоответствия между параметрами, характеризующими учитываемые в множествах одноименные свойства и определяемыми соответственно по техническим условиям на восстановленную деталь по результатам дефектации.
Разработка технологии восстановления детали до уровня, соответствующего техническим условиям, должна предусматривать выбор наиболее аффективных процессов и их рациональной последовательности. Для этого весь процесс ремонта детали следует представить как совокупность технологических процессов, каждый из которых воздействует на отдельные свойства детали.
Рассмотрим, как пример, ремонт бандажной полки лопатки компрессора двигателя, который сводится к восстановлению ее размеров, утраченных вследствие истирания при контакте с полкой соседней лопатки. С учетом конструктивных особенностей и прочностных характеристик лопатки для этой цели применимы только теплофизические процессы: напайка пластины на торец полки; наплавка материала; детонационное напыление материала и другие.
Условия нагружения полки устанавливают ограничение на предельное увеличение ее длины с помощью каждого конкретного метода. Жесткие ограничения при этом имеют пайка и детонационное напыление, так как существуют поверхности, по которым возможен сдвиг или скол при увеличении длины восстановленного участка сверх допустимого значения. Полки, восстановленные с помощью плазменного напыления, не имеют этого недостатка.
Объем ремонта полки определяется ее износом, который характеризует степень несоответствия размеров, относящихся к основным совокупностям свойств, и по условию, что максимальный износ Ьр тах > Ьп возможной величины восстановления, можно установить методы, непригодные для ремонта полки в каждом конкретном случае.
Введение в множество физических свойств, зависящих от температуры, при которой должна обеспечиваться работоспособность лопатки, является дополнительным ограничением, определяющим выбор припоя и возможность напайки пластин на полки лопаток различных ступеней компрессора в зависимости от распределения рабочих температур.
Окончательный выбор процесса как фактора оперативного управления авиаремонтным производством можно делать с учетом стоимости конкретного ремонта текущей программы выпуска продукции и занятости соответствующих видов оборудования.
Ремонт обеспечивает последовательное восстановление отдельных свойств деталей, и каждый технологический процесс восстанавливает конкретный перечень свойств. Принятый перечень свойств деталей, а также полнота учета факторов, значимых при определении их количественных характеристик, должны быть достаточными для выявления ограничений, жестко регламентирующих выполнение отдельных этапов технологического процесса. Примером служит выбор режимов хромирования, которые определяют степень наводораживания материала детали и соответственно изменение его механических характеристик. Это также позволит определять необходимость в дополнительных процессах, устраняющих побочные последствия основного технологического процесса. Для хромирования таким процессом является термическая обработка в соответствующем режиме.
В случаях, подобных указанному, отображение следует рассматривать в виде композиции нескольких отображений, соответствующих основному технологическому процессу, восстанав-
ливающему определенные свойства детали, и дополнительных, устраняющих его влияние на другие свойства. Аналогично можно рассматривать многоступенчатые процессы, состоящие из разнородных технологических воздействий на деталь.
Предлагаемый подход к описанию структуры технологических свойств деталей авиационной техники позволяет достаточно строго определять требования к зависимостям, разрабатываемым для описания в составе автоматизированных систем проектирования технологических процессов восстановления. При этом обеспечивается возможность объединения в единый процесс разнородных технологических процессов, основанных на различных принципах их осуществления.
Таким образом, разрешение актуальной проблемы активизации процессов проектирования технологических процессов ремонта авиационной техники путем перехода от экспериментальных исследований к возможно более широкому модельному эксперименту как основа создания технологически эффективного предприятия связано с постановкой и решением ранее не исследованных задач:
- выработка общеметодологического принципа проектирования технологии ремонта на базе системного подхода и кибернетических методов;
- создание математической модели процесса проектирования технологических процессов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Макин Ю.Н. Об историческом приоритете МГТУ ГА в разработке общей теории авиаремонтного производства // Научный Вестник МГТУ ГА, серия История, философия, социология. - 2008. - № 129. - С. 30 - 36.
2. Макин Ю.Н., Ширяев В.П. Методологические аспекты управления качеством ремонта на заводах ГА // Инженерные методы обеспечения безопасности полетов при ремонте авиационной техники ГА: межвуз. сб. науч. тр. - М.: МИИГА, 1988. - С. 35-40.
ABOUT A HISTORICAL PRIORITY OF MSTUCA OF HECTARES IN DEVELOPMENT OF THE GENERAL THEORY OF AIRCRAFT-REPAIR MANUFACTURE
Savvina A.M.
In clause questions of a historical priority in development of the general theory of aircraft-repair manufacture are considered.
Key words: the general theory, repair.
Сведения об авторах
Саввина Анна Михайловна, окончила МГТУ ГА (2011), аспирантка МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - общая теория авиаремонтного производства, моделирование технологических и производственных процессов ремонта авиационной техники.
