CC BY
11
УДК 658.38:629.7
В. С. СЕРДЮК
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОЦЕССА
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ОБЖИМА ТРУБЧАТЫХ УЗЛОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В СПЕЦИАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Представлена комплексная методика проектирования технологического процесса электромагнитного обжима трубчатых узлов летательных аппаратов в специальных условиях с учетом требований безопасности; она позволяет рассматривать проектирование технологического процесса как замкнутую систему, состоящую из двух подсистем («технологический процесс» и «оператор»), объединенных обобщенным критерием, увязывающим технологические параметры, факторы риска и средства защиты.
В условиях глобализации экономики уровень развития ракетно-космических и авиационных технологий влияет на эффективность участия каждой страны в международном разделении труда. От него зависят перспективы и темпы экономического развития, уровень обеспечения экономической безопасности и обороноспособности страны в непрерывно меняющемся мире. Наблюдается быстрое совершенствование технологического уровня авиации и космической техники, которое находится в сфере пристального внимания государственных структур. Проблема эффективного развития ракетно-космической и авиационной техники в России имеет стратегическое значение в связи с ее конкурентоспособностью в соответствующих секторах мирового рынка высокотехнологичных услуг [ 1).
Назрела необходимость создания космических систем [2]. Разрабатываются различные идеи относительно сборки в космосе различных крупногабаритных конструкций. В их числе доставка на орбиту предварительно собранных на Земле ферм, использование автоматических установок для изготовления непосредственно в космосе ферм и др. элементов крупногабаритных конструкций, атакже методов сварки электронным лучом [2] и электромагнитным обжимом [3,4].
Представление о предстоящих трудностях при сборке в космосе крупных секций сборных конструкций может быть получено на примере отработки технологии сборки и перемещения в космосе крупных секций сборных конструкций, которая проводится в бассейне Центра космических полетов им. Маршалла [2]. Пространственные крупногабаритные фермы могут быть основой для платформ различного назначения, солнечных электростанций, каркасов антенного поля связи и передачи данных.
При монтажных и ремонтных работах неизбежны операции сборки неразъемных соединений трубчатых узлов. Возникла потребность
в эффективных технологиях сборки элементов конструкции орбитальных комплексов. Проводятся работы по реализации приоритетных на^отечествен-ном и мировом уровнях проектов по применению магнитно-импульсной обработки материалов (МИОМ) в сборочных операциях в условиях открытого космоса [3]. В настоящее время имеются установки для МИОМ, которые могут быть использованы непосредственно в космосе для сборки конструкций [4].
Для опережающего решения сложных научно-технических проблем, в соответствии с современными задачами, необходимо учитывать высокие и постоянно растущие требования к эффективности и безопасности ракетно-космических и авиационных технологий.
Эффективность применения МИОМ для выполнения технологических операций в открытом космосе обусловлена следующими преимуществами [3,5]:
1. Технологическая оснастка отличается сравнительной простотой.
2. Возможность одним и тем же индуктором формировать детали различных конфигураций, плавно дозируя величину электромагнитного импульса, что обеспечивает большую технологическую гибкость процесса.
3. Отсутствие механического контакта индуктора с заготовкой позволяет деформировать детали с предварительно нанесенными на их поверхность покрытиями на обрабатываемой поверхности изоляционного или декоративного материала (без их нарушения).
4. Возможность выполнения технологических операций в вакууме и в труднодоступных местах, находящихся в герметичных или вакуумированных камерах со стенками из диэлектрика (диэлектрик не препятствует проникновению магнитного поля) и ряда других операций, например, сборки деталей из разнородных материалов, развальцовки металлических трубок внутри изоляторов и др., которые
невозможно или затруднительно осуществлять другими способами.
5. Улучшение характеристик обрабатываемого материала. Примером могут служить алюминиевые и титановые сплавы, нержавеющие стали, у которых при высоких скоростях деформирования повышаются пластические свойства по сравнению со статическим деформированием.
В связи с относительной новизной и перспективностью МИОМ, в основном рассматривались проблемы технологического плана. Вопросом безопасности МИОМ, которые изначально являлись потенциально опасными и вредными, не уделялось должностного внимания. Развитие ракетно-космической и авиационной техники и технологий вызывает рост количества и интенсивности негативного воздействия опасных и вредных производственных факторов (ОВПФ) на работающих. МИОМ не является исключением.
В настоящее время проблема обеспечения всесторонней безопасности целенаправленной деятельности наиболее остро стоит перед мировым сообществом. Поэтому для его устойчивого развития необходимо анализировать проекты в области сложных технических систем с учетом позитивных и негативных факторов [6] .
Одним из аспектов производственной деятельности является проектирование прогрессивных технологических процессов. Наряду с требуемой эффективностью, они должны быть безопасными при их реализации. Рассмотрение технологического процесса с позиции влияния его на работника, прогнозирование и учет ОВПФ, сопровождающих данный процесс, разработка на этапе проектирования рациональных превентивных мер по уменьшению ОВПФ до допустимого (приемлемого) уровня риска, являются одним из эффективных подходов к решению проблем в области устойчивого развития. Таким образом, методология проектирования технологического процесса должна предусматривать не только проведение анализа эффективности при выборе технологических параметров, но и обеспечивать безопасность работников при реализации процесса..
Применение МИОМ при производстве деталей и узлов летательных аппаратов является потенциально опасным и вредным. МИОМ проводится с применением высоковольтных емкостных накопителей энергии, источников питания, различных систем управления установками, специфической технологической оснастки и инструмента. Напряжение зарядки конденсаторов установок достигает десятков тысяч вольт, а токи разрядов — нескольких сотен килоампер [5]. Работа установок сопровождается электромагнитным импульсом и возможным разрушением инструмента, оснастки и элементов установки. Возникающие при этом многочисленные ОВПФ могут являться причинами аварий, травматизма и профессионально обусловленных заболеваний.
Большинство потенциальных ОВПФ, реализующихся на стадии внедрения, закладываются в технологические процессы при проектировании. Поэтому необходимо изменить типовые подходы к разработке технологических процессов, которые не учитывают требований безопасности при выборе технологических параметров.
При проектировании технологического процесса необходимо выбирать технологические параметры и условия его реализации с учетом превентивных
мер, обеспечивающих выполнение требований безопасности. К ним относятся наиболее безопасные режимы проведения технологического процесса, системы защиты, размещение рабочего места оператора с учетом опасных зон оборудования, направленности излучения и допустимого расстояния до источника опасности и др.
Данная проблема заставляет по-) ювом / взглянуть на проектирование технологических процессов. Параметры технологического процесса должны выбираться из условия обеспечения -обходимой безопасности с учетом обобщенного критерия, учитывающего технологические; параметры и факторы риска.
Эффективность работы персонала зависит от безопасности проведения технологического процесса. В то же время успешное проведение технологического процесса зависит от качества выполнения своих функций оператором, его правильных действий, основанных на соответствующей профессиональной подготовке. Таким образом, имеит место система «технологический процесс — оператор», которая должна быть рассмотрена при проектировании технологического процесса с учетом Т1 ебований безопасности.
По^истема «технологический процесс» описывается аналитическими зависимостями для расчета силовых и кинематических параметров процела электромагнитного обжима [12]. Они позволяют получить необходимые данные для оценки ОВПФ.
Подсистема «оператор» включает в себя риски от возможного воздействия на оператора внешних ОВПФ, которые возникают при реализации технологического процесса, а также вследствие ошибочных действий самого оператора.
Подсистемы «технологический процесс» и «оператор» взаимосвязаны. Обратная связь осуществляется за счет корректировки как первой, так и второй подсистем.
В литературе отсутствуют методики количественных оценок и минимизации уровней рисков от ОВПФ, а также защиты от факторов риска при МИОМ. Технологический процесс традиционно не рассматривался как источник ОВПФ, поэтому на выбор расчетных технологических параметров не накладывалось ограничение по предельно-допустимым уровням ОВПФ, что приводило к необходимости устранения допущенных технологами недоработок, приводящих к возникновению ОВПФ, на этапе внедрения. Это вызывало существенные дополнительные затраты, как средств, так и времени. Нарушался важный принцип, согласно которому ОВПФ необходимо уменьшать до безопасного уровня в месте их возникновения с помощью научно обоснованных превентивных мер на этапе проектирования технологического процесса.
Понятия опасности и риска используются в широком диапазоне областей знаний. В работе эти понятия применяются для отражения состояния безопасности системы «технологический процесс - оператор» с помощью обобщенного критерия - приемлемого риска.
Опасность означает состояние или условия, при которых может наступить неблагоприятное событие, вызывающее причинение какого-либо ущерба.
Безопасность труда в известном смысле — состояние условий труда, при котором исключено воздействие на работающих ОВПФ (ГОСТ 12.0.002-80). Безопасность - системная характеристика, которая должна рассматриваться в системе «источник
опасности или фактор риска (технологический процесс) — объект поражения (оператор)». Наличие опасности будет при возможности воздействия ОВПФ на присутствующий в зоне поражения объект (оператор), либо при отсутствии или отказе в этот момент системы защиты.
Установленные уровни приемлемого риска должны быть реально достижимы обществом.
В исследуемой системе «технологический процесс-оператор» в качестве обобщенного критерия предлагается приемлемый риск, а механизм его достижения — выбор соответствующих параметров технологического процесса и при необходимости устранение остаточного риска с помощью систем защиты от ОВПФ.
Структурная схема проектирования процесса электромагнитного обжима труба при сборке трубчатого узла с учетом требований безопасности представлена на рис. 1.
Рассчитываются конструктивные параметры неразъемного соединения с учетом: несущей способности (усилия разъема) — О; предела текучести материала трубы — размера, количества канавок и расстояния между ними — К, Э, 2Ь,Д,
к, п и др,
Определяются технологические параметры процесса: величины электромагнитного давления и его продолжительности — Рз, Ро, 1М, ^ ^ ускорение, скорость и перемещение образующей трубы в функции времени [7, 12].
Рассчитываются электрические параметры разрядного контура для проведения технологического процесса; напряжение зарядки конденсаторной батареи — и; собственные емкость, индуктивность и активное сопротивление разрядной цепи — Со1 Ц,, геометрический зазор между индуктором и заготовкой Дг; число витков индуктора — N1; глубина проникновения тока в индуктор и заготовку — Л,; собственная циклическая частота — со,; суммарная индуктивность и сопротивление системы «индуктор -заготовка» — Ц., Яс; взаимная индуктивность индуктора и заготовки — Ми з; циклическая частота разряда — со ; электрический ток — J; декремент колебаний — р и др. [5].
На оператора магнитно-импульсной установки в процессе ее эксплуатации, в соответствии с ГОСТ 12.0.003-74, воздействуют различные ОВПФ.
1. Физические: подвижные части производственного оборудования; разрушающиеся конструкции, инструмент, заготовки; повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны; повышенный уровень шума на рабочем месте; повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека; повышенный уровень электромагнитных излучений; повышенная напряженность магнитного поля; острые кромки, заусеницы и шероховатость на поверхностях заготовок, инструмента и оборудования.
2. Химические, по характеру воздействия на организм человека: токсические, раздражающие, сенсибилизирующие.
3. Психо-физиологические: нервно-психические перегрузки (перенапряжение анализаторов); напряженность труда; тяжесть труда.
Применительно к рассчитанным параметрам технологического процесса, на основании известных зависимостей, связывающих энергосиловые параметры с параметрами разрядного контура, определяются ОВПФ [5, 7-9]: напряжение зарядки
конденсаторной батареи — и; электрический ток — Л; напряженность магнитной и электрической составляющих импульсного электромагнитного поля — В, Н; взаимная индуктивность индуктора и заготовки — Ми э; циклическая частота разряда - шр и др. Остальные ОВПФ могут определяться, например, на основе экспертной оценки или другими методами (инструментальным, модельным, статистическим, эмпирическим).
Для количественной оценки воздействия на оператора комплекса ОВПФ разработана карта риска технологического процесса [ 11,13,14]. Она позволяет дать общую (интегральную) характеристику уровня риска Р технологического процесса или количественную оценку воздействия факторов риска на оператора: оценка вероятности возникновения фактора риска на данном временном промежутке в некоторый момент времени — событие 5,; вероятность попадания оператора на данном рабочем месте в зону воздействия фактора риска — событие 5И; вероятность негативного изменения возможностей работника выполнения своих производственных обязанностей — событие Б,,.
Снижение уровня риска Р до приемлемого риска Р производится с помощью систем защиты. Они условно разделены на три подсистемы: совокупность элементов защиты, влияющих на вероятность возникновения факторов риска Ъ', совокупность элементов защиты, влияющих на количественные характеристики, оценивающие вероятности попадания рабочих мест в зону воздействия факторов рисков при условии их возникновения — 2Ы; совокупность элементов защиты, влияющих на снижение меры ущерба, наносимого воздействием факторов рисков на работающих при условии возникновения данных факторов и попадания соответствующих рабочих мест в зону их воздействия — Ъ^.
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 [15,16].
Разработанный технологическийпроцесс оценивается на допустимый (приемлемый) уровень риска с помощью обобщенного критерия, увязывающего технологические параметры, факторы риска и системы защиты. Оценочным показателем обобщенного критерия является соотношение:
Р
-5 1,
Р
г пр.
где Р — достигнутый уровень риска; Рпр = МО'5 — приемлемый уровень риска, реально достижимый обществом на современном этапе развития.
Нарушение данного условия вызывает необходимость изменения традиционного порядка проектирования технологического процесса.
Различные обстоятельства, например, проведение электромагнитного обжима в специальных условиях (космическое пространство, ограниченный объем рабочей зоны, экстремальные уровни ОВПФ, труднодоступные места и др.), вынуждают выбрать в качестве приоритетного вместо критерия эффективности (из условия минимальной энергии и максимальной производительности) — критерий безопасности. При этом не должно быть нарушено ограничение, касающееся прочности трубчатого узла.
При новом подходе к проектированию выясняются причины, не обеспечивающие условия безопасности оператора. На основании выявленной в процессе исследования связи силовых и кинематических параметров процесса электромагнитного обжима с параметрами разрядного контура, корректируются технологические параметры процесса. Это может быть изменение параметров разрядного контура, конструкции инструмента (индуктора), увеличение числа переходов (обжим трубы в каждую канавку отдельно, с соответствующим уменьшением энергии, а, следовательно, величины ОВПФ), обжим с предварительным нагревом заготовки и др.
По сравнению с традиционными методиками проектирования электроимпульсных технологических процессов, когда дополнительные меры по защите операторов принимались по факту реально выявленных ОВПФ, использование данного подхода для проектирования с учетом требований безопасности, имеет следующие особенности:
1. Возможность комплексного проектирования технологического процесса, при котором выбор технологических параметров производится с учетом требований безопасности и предотвращения неприемлемых рисков за счет превентивных мер.
2. Изложенный подход позволяет рассматривать проектирование технологического процесса как замкнутую систему, состоящую из двух подсистем: «технологический процесс» и «оператор», объединенных обобщенным критерием, увязываю-
щим технологические параметры, факторы риска и средства защиты.
3. Открываются перспективы расширения области применения электроимпульсных технологий за счет более гибкого подхода к выбору технологических параметров с учетом требований безопасности в экспериментальном и единичном производствах, а также в специальных условиях.
Библиографический список
1. О развитии технологических научных направлений факультетов летательных аппаратов и двигателей летательных аппаратов в КуАИ-СГАУ - Электрон, дан. (1 файл). - Самара: СГАУ, [2003]. - Режим доступа: http://www.ssau.ru/books/ 1942-2002/ocherki/1 _13.shtml • Загл. с экрана.
2. Заводе космосе. - Электрон, дан. ( 1 файл). - М., [2006]. -Режим доступа: http://epizodsspace.narod.ru/bibl/getlend/ 16.html. - Загл. с экрана.
3. Магнитно-импульсная обработка материалов. -Электрон, дан. (1 файл). - М.: РКЗГКНПЦ им. М.В. Хруничева, (2006]. - Режим доступа: http://rkz.boom.ru/magnit.htm. - Загл. с экрана.
4. Технология магнитно-импульсной обработки металлов. - Электрон, дан. (1 файл). - Киев: Укр ИНТЭИ, [2006]. -Режим доступа: http://www.uintei.kiev.ua/RUS/offer.php? slang = rus&offid = 208. -Загл. с экрана.
5. 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.
6. Ильичев A.B. Начала системной безопасности. — М: Научный мир. 2003. — 456 с.
7. 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.
8. Недвига A.B. Методика исследования импульсных электромагнитных полей применительно к оценке их влияния на биологическую среду // Новое в разрядно-импульсной технологии. Сборник научных трудов. — Киев: Наукова думка, 1979. - С. 57-64.
9. Евтушенко Г.И. К гигиенической оценке ИЭМП низкой частоты // Гигиена и санитария. — М., 1972, №8. - С. 35.
10. Максименко Н.В., Евтушенко Г.И., Гончаров H.H. Основные принципы экранирования ЭМП // Гигиена и санитария. - М., 1972, №8. - С. 28.
11. Сердюк B.C. Модели количественных оценок уровней рисков производственных процессов // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета, №2 (20), 2005. - С. 52-57.
12. Сердюк B.C., Игнатович И,А., Крысов И.С. Программный продукт «Автоматизация инженерной методи-
ки расчета процесса электромагнитного обжима». - М.: ВНТИЦ, 2005.-№50200500503.
13 Сердюк B.C. Программный комплекс экспресс-анализа производственных рисков. - М.: ВНТИЦ, 2005.-№50200500488.
14. СердюкВ.С. Программный комплекс для решения задач оптимизации уровней рисков от производственных факторов технологических процессов. - М.: ВНТИЦ, 2005.-№50200500487.
15. Сердюк B.C. Моделирование процесса профессиональной подготовки челозека-оператора. — М.: ВНТИЦ, 2005. - №50200500547.
16. Сердюк B.C., Игнатович И.А., Крысов И.С. Моделирование процесса профессиональной подготовки человека-оператора. Обучение оператора до уровня, при котором затраты на ликвидацию критической ситуации не превосходят затрат на обучение. - М.: ВНТИЦ, 2005.-№50200501005.
СЕРДЮК Виталий Степанович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой «Безопасность жизнедеятельности».
Дата поступления статьи в редакцию: 14.02.06 г. © Сердюк B.C.
удк 621.98 В. С. СЕРДЮК
Омский государственный технический университет
МЕТОДИКА РЕГИСТРАЦИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБРАЗУЮЩЕЙ ТРУБЧАТОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ОБЖИМЕ
Рассмотрена методика высокоскоростной киносъемки перемещения образующей трубчатой заготовки во времени при электромагнитном обжиме с помощью индуктора с боковым отверстием.
Съемка в проходящем свете дает возможность оценить качественную картину перемещения различных точек трубы для задания в расчетах процесса, например, функции перемещения.
Создание и совершенствование летательных аппаратов (ДА), в том числе крупногабаритных конструкций в космосе [1], в условиях жесткой конкурентной борьбы на рынке, связано с поиском и внедрением в производство прогрессивных конструкторско-технологических решений.
Одной из эффективных технологий сборки трубчатых узлов ДА, является магнитно-импульсная обработка материалов (МИОМ), обладающая известными преимуществами перед традиционными технологиями (сваркой, механической обработкой и др.) [2].
Разработка основ проектирования технологических процессов сборки с помощью МИОМ связана с исследованием механизма формоизменения образующей цилиндрической оболочки, кинематических и силовых параметров процесса в любой момент времени для любой точки образующей трубы под действием импульса внешнего давления электромагнитного поля (3].
Представляющие определенный научный и практический интерес сведения по механизму формоизменения цилиндрической оболочки под действием импульса внешнего давления электромагнитного поля, необходимы, например, для выбора формы образующей канавки стержня, в которую входит при деформировании труба. При этом форма образующей трубы, в момент ее соприкосновения с поверхностью канавки, должна соответствовать форме канавки. Это позволяет устранить, как показывает практика, вероятный для канавок другой формы, осевой и радиальный люфт в соединении. Полное прилегание трубы к поверхности канавки позволяет повысить стабильность работы при повторно-статической нагрузке, а также минимизировать потребную энергию для получения соединения с заданной осевой прочностью.
Использование для регистрации перемещений образующих оболочек тензометрических, емкост-
