Научные основы совершенствования и создания новых технологий корпусообрабатывающего производства современной судостроительной верфи

Генеральный директор ОАО
«Северная верфь» к.т.н. Фомичев А.Б.
Д.т.н., профессор Веселков В.В.
Д.т.н., профессор Половинкин В.Н.
Современные суда и боевые корабли являются сложной, наукоемкой продукцией, для которой затраты на подготовку производства сопоставимы с затратами на само про-изводство. Подготовка производства представляет собой совокупность взаимосвязанных процессов
реконструкции и технического перевооружения научно-исследовательского, конструкторского, технологического, материально-технического, организационно-планового, экономического и социально-психологического характера, обеспечивающих полную готовность предприятий к строительству судов и кораблей.
Дальнейшее развитие отечественного судостроительного производства как судо-строительных заводов, так и судостроительных верфей возможно только при углублении его технологической специализации и внедрении на этой основе новых прогрессивных технологий и высокопроизводительного оборудования. Является общеизвестным, что повышение качества и снижение трудоемкости строительства судов и боевых кораблей в значительной степени определяется эффективностью процесса формирования их корпу-сов. В свою очередь эффективность формирования корпусов зависит как от технологии их сборки, так и от организации технологических процессов сборочно-сварочного и кор-пусостроительного производств. Установлено, что существенное влияние на качество судов и боевых кораблей в первую очередь оказывает точность изготовления элементов корпусных конструкций, которая также влияет на общую трудоемкость пригоночных работ, на снижение трудоемкости по изготовлению элементов и формированию корпуса, и в целом на снижение себестоимости строительства кораблей. Поэтому в настоящее время наиболее актуальными проблемами для отечественного судостроения является в первую очередь разработка и внедрение новых высокоэффективных методов постройки судов и способов формирования их корпусов.
В качестве перспективной технологии сборки в настоящее время рассматривается так называемая блочная технология. Формирование корпусов современных судов из бло-ков на практике обеспечивает возможность внедрения SFI методологии при орга-низации судостроительного производства, обусловливает снижение потребных трудо-ресурсов, сокращает сроки строительства судов и боевых кораблей при повышении их качества.
Существенное место в перспективных судостроительных технологиях должно быть отведено области автоматизации точных сборочных операций. В результате выполнен-ных исследований проблемы высокоточного корпусного производства авторами был сделан обоснованный вывод, что теоретической базой такой перспективной технологии является технология производства без припусков. В настоящее время авторами обоснована концепция технологии сборки корабельных корпусных конструкций свободной формы без припусков, предлагается оригинальный подход компенсации погрешностей гибки листовых деталей корпусного набора путем перехода на метод сборки «на каркасе».
Однако блочная технология предъявляет более высокие требования к оборудова-нию для вырезки, сварки, например, по чистоте реза и точности вырезанных деталей судового корпусного набора, а также она определяет новые подходы к оценке и компенсации сварочных деформаций.
В ходе выполненных исследований было установлено, что только повышение тех-нологической точности реза с 50 мм до 1 мм даёт снижение трудоёмкости по изготовле-нию элементов и формированию корпуса корабля или судна примерно на 40%. Это в свою очередь обеспечивает снижение себестоимости строительства судна не менее чем на 4%. Переход на строительство судов и кораблей из листа большой размерности (на-пример, размерности 4,2 х 23 м.) обусловливает снижение трудоёмкости по изготовле-нию элементов и формированию корпуса более чем на 25%, себестоимости строительст-ва судна на 2,5-3,5%.
Не меньшее значение в деле повышения эффективности судостроительного произ-водства имеет и распараллеливание строительства судов и боевых кораблей на крупные насыщенные блоки, что в свою очередь позволяет в несколько раз сократить цикл их по-стройки. Сокращение цикла строительства в 2,5 раза дополнительно приводит к сниже-нию его себестоимости на 30-40%.
Основой дальнейшего развития корпусообрабатывающего производства по-прежнему являются комплексная механизация и автоматизация. Перспективы данного производства специалисты в первую очередь связывают с созданием и совершенствова-нием поточных автоматизированных линий, гибких производственных модулей вы-резки деталей корпуса судна из листового металлопроката, применением многофункциональных машин механической, тепловой вырезки листовых деталей, а также с созданием комплексно-механизированных и специализированных участков.
Опыт деятельности передовых мировых судостроительных производств, выполнен-ные обширные исследования свидетельствуют, что в результате внедрения новых подхо-дов к созданию современных корпусостроительных производств доля в них процессов гибки и правки деталей корпуса судна из листового и профильного проката будет сокра-щаться, в первую очередь за счет внедрения высокоэффективных гибких производствен-ных модулей вырезки основных деталей корпуса судна из листового металлопроката и последующей сварки. Было установлено, что внедрение в реальное производство гибких производственных модулей вырезки деталей корпуса судна из листового металлопроката и последующих сварных операций обусловливает увеличение технологичности корпусных конструкций и их качества, снижение металлоемкости судов. Например, процесс вырезки деталей набора корпуса из листового проката сокращает продолжительность этапа формирования корпуса судов на 25-30%, уменьшает металлоемкость конструкций более чем на 10%. Очевидно, что такой подход требует разработки и обоснования новой конструктивно-технологическая классификация корпусных конструкций и сборочно-сварочной оснастки для их изготовления.
В ходе исследований были разработаны теоретические основы повышения точно-сти технологических операций вырезки деталей корпуса судна из листового металло-проката, обоснована технология изготовление корпусных конструкций в «чистый» размер.
С учетом обеспечения более высокой точности изготовления деталей корпуса мето-дом вырезки из металлопраката, предложены новые подходы к размерно-технологическому анализу корпусов судов.
Были также разработаны и предложены для внедрения на судостроительные верфи варианты типовых комплексно-механизированных поточных линий и участков изготов-ления конструкций корпусов методом выреза из различных судостроительных металли-ческих материалов. Изучены и оценены технико-экономические перспективы роботиза-ции нового сборочно-сварочного корпусостроительного производства. Особое внимание было уделено проблеме технологичности корпусных конструкций при переходе на новые технологии. Учитывая важность проблемы, были изучены закономерности химической и механической неоднородности сварных соединений, оценено влияние сварочных деформаций на работоспособность конструкций и их надежность, в первую очередь на долговечность и безотказность. При этом были в первую очередь изучены механизм возникновения сварочных деформаций, расчетные методы определения, конструктивно-технологические способы их уменьшения, компенсации и устранения. Были выполнены сравнительные оценки показателей долговечности деталей корпуса, полученных в результате гибки и правки из профильного проката и деталей, изготовленных вырезкой из листового проката. Особенно глубоко было изучено влия-ние резки, гибки и правки на изменение механических свойств судокорпусных металлических материалов. Выполненные исследования подтвердили перспективность технологий получения основных деталей набора корпуса из листового проката.
Комплексное изучение закономерностей химической и механической неоднородно-стей сварных соединений позволили разработать новые требования, предъявляемые к сварным соединениям, обосновать организацию контроля качества сварных соединений, а также выявить наиболее перспективные способы резки и сварки, типы и виды перспективного оборудования для отечественного судостроения.
Таким образом, в результате выполненных проработок применительно к перспек-тивным судостроительным верфям были предложены блочные методы постройки судов различных типов, обоснованы высокоэффективные способы формирования их корпусов на построечных местах. С учетом перехода на строительство судов с широким использо-ванием модульного принципа были также определены требования к механизированным опорным и опорно-транспортным устройствам перспективной верфи.
При реформировании судостроительного производства следует учитывать тот факт, что уже сегодня единичные мощности механизированных линий в корпусообрабаты-вающем и сборочно-сварочном производствах, как правило, превышают потребности судостроительного предприятия в целом. Следовательно, вопрос необходимо ставить о сбалансированном развитии всех взаимосвязанных производств отечественного судо-строения. Актуальность проблемы сбалансированного развития в первую очередь касается корпусосборочного, монтажного и корпусообрабатывающего производств. Традиционные подходы к развитию этих основополагающих производств неизбежно приводят к недопустимому росту судостроительного предприятия. Разработанные и предлагаемые подходы в значительной степени позволяют обеспечить сбалансированное развитие всех взаимосвязанных производств отечественных судостроительных верфей даже при определенном сокращении как производственных площадей сборочно-сварочных цехов, так и занятых в них производственных рабочих. Кроме этого заметно сокращается расход металла на технологическую оснастку этих цехов с 15 до 10% от массы корпуса строящихся судов и снижается затрачиваемая на технологическую оснастку трудоемкость постройки корпуса с 10 до 7-8%.
Также впервые в военном кораблестроении было обращено внимание на влияние точности корпусного производства на уровень физических полей боевых кораблей и в первую очередь на шум обтекания, который является одним из основных источников подводного шума.
Современный корабль представляет собой сложную техническую систему, функ-циональная деятельность которой сопровождается возникновением в окружающей среде целого ряда физических полей. Физическим полем (ФП) корабля называется область пространства, в каждой точке которого можно определить или зарегистрировать измене-ние какого–либо физического параметра, вызванное присутствием или деятельностью корабля. В результате возникновения ФП корабль становится источником информации, которая может быть зарегистрирована и классифицирована средствами обнаружения. С другой стороны корабль вследствие возникновения ФП приобретает расширенные раз-меры, которые повышают эффективность контактного оружия.
По физической природе, закономерности образования и распространения ФП тради-ционно разделяют на акустические, магнитные, электрические, электромагнитные, теп-ловые, световые, гидродинамические, гравитационные, сейсмические и химические. По месту источника излучения все физические поля делятся на первичные и вторичные. К первичным относятся ФП, создаваемые носителем за счет излучения им энергии или внесения инородных частиц в окружающее пространство, изменяющих уровни физических полей.
По характеру существования поля ФП делятся на два множества – собственные поля и поля следности. Поля следности создаются кораблем и оружием за счет излучения энергии и внесения инородных частиц в местах прохода носителя, в данном случае ко-рабля.
В результате многочисленных натурных и лабораторных исследований было уста-новлено, что процесс формирования ряда первичных физических полей боевых надвод-ных кораблей и подводных лодок, в определенной степени зависят от точности изготов-ления подводной части корпуса, обтекателей и т.д. В первую очередь от точности фор-мирования подводной части корпусов кораблей зависят гидродинамические шумы. Сре-ди гидродинамических шумов различают турбулентные и вихревые шумы. Выявлено, что сплошная среда может плавно обтекать тела, а может отрываться от обтекаемых по-верхностей, сворачиваясь в вихри. Картина течения, прежде всего, зависит от точности формы обтекаемого тела, а также от скорости и характера его движения. Если корпус ко-рабля сформирован точно, течение плавно его обтекает, а корпус в целом считается хо-рошо обтекаемыми. При наличии отклонений (неточностей) в форме корпуса превы-шающих 5-7 мм и выше, течение отрывается от поверхности корпуса, и корпус становит-ся плохо обтекаемыми. При обтекании поверхности корпуса с различными неровностями поверхности возникает множество вихревых дорожек с различными частотами срыва вихрей. Спектр вихревого шума из тонального шума превращается в сплошной шум. При этом существенно увеличивается дистанция обнаружения корабля и повышается точность наведения подводного оружия. Многолетний опыт ходовых испытаний кораблей подтверждает однозначность влияния формы и точности обтекаемых поверхностей на величину гидродинамического шума. Поэтому борьба с шумами гидродинамической природы в первую очередь построена на выборе оптимальной формы и точности обводов, уменьшении числа и размеров выступающих частей и отверстий, а также на оптимизации гребного винта с учетом как пропульсивных, так и акустических его характеристик. Более того, обеспечение высокой точности при изготовлении корпусов приводит к меньшей возбудимости обшивки при ее обтекании. Это особенно важно, учитывая, что корабль излучает в забортное пространство сложный шум, представляющий собой сумму простых гармонических колебаний различной интенсивности. Главными составляющими подводного шума корабля являются гребные винты, корабельные боевые и технические средства, общекорабельные системы и устройства, а также общеходовая вибрация корабля. Спектр шума корабля имеет сложный характер. Основными источниками корабля являются кавитационный шум, имеющий сплошной спектр в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот, вихревой шум гребных винтов, имеющий, как правило, сплошной спектр, шум вращения гребных винтов, с явно выраженным дискретным характером, шум, обусловленный общей и местной ходовой вибрацией, проявляющий на конкретных частотах, шум обтекания корпуса корабля, шум механизмов и машин, шум и вибрация неопорных связей, в связи с разнообразием источников, проявляются в широком диапазоне частот.
Интегральный уровень шума корабля определяется энергетическим суммированием шумоизлучения отдельных составляющих.
Одной из определяющих причин повышенного интегрального уровня шума корабля и всех его составляющих является оптимальность конструкции, точность изготовления изделий, а также состояние рабочих поверхностей. Поэтому акустическая скрытность и защита боевых надводных кораблей и подводных лодок во многом достигаются применением в процессе проектирования, строительства и эксплуатации корабля целого комплекса методов и средств, обеспечивающих, в первую очередь, высокую точность формирования корпуса, а также точность установки боевых и технических средств.
Неточности и отклонения от заданных параметров в формировании и изготовлении корпуса, вызывая, например, повышенный уровень шума обтекания корпуса, в конечном счете, приводит к снижению так называемой критической скорости хода корабля. В свою очередь критическая скорость корабля является его важнейшей тактико-технической характеристикой, существенно влияющей на боевую эффективность ко-рабля.
Гидродинамический шум обтекания корпуса корабля имеет существенное значение на скоростях более 15-20 узлов. Сплошной спектр этого шума лежит в инфразвуковом и звуковом диапазонах частот.
При движении корабля на докритических скоростях хода его подводный шум опре-деляется главным образом шумом работающих корабельных боевых и технических средств, а также общекорабельных систем и устройств. Причинами возникновения виб-рационного шума корпуса корабля могут быть и вибрации наружных частей корпуса, вызванные плохим обтеканием их набегающим потоком воды.
Не меньшее значение проблема точности изготовления деталей корпуса, систем и устройств имеет в проблеме генерации и защиты от полей электромагнитного излучения корабля и в первую очередь вторичного электромагнитного (радиолокационного) поля. Это особенно важно при реализации «стелс-технологий». Точность при изготовлении надводного борта или надстройки, которые выполнены в виде комбинации больших плоских поверхностей, расположенных под различными, но в то же время строго определенными углами, оказывает влияние на отражательную способность объектов радиолокационного наблюдения, а также на величину эффективной поверхности рассеивания. При этом в процессе строительства кораблей особое внимание уделяется кромкам и угловым элементам конструкции надводной части корпуса, форма которой создается с учетом требований по снижению вторичного радиолокационного поля.
В последнее время нами установлено, что точность конструкций корпуса корабля оказывает влияние и на поля следности. Например, нарушение точности при формирова-нии корпуса корабля способствует увеличению области неравновесного состояния характеристик гидрофизических полей водной среды после прохода корабля. При этом кильватерный след корабля, по сути, представляет собой область свободной турбу-лентности морской среды. В конечном счете, кильватерный след корабля в воде дает возможность установить факт прохождения корабля в данном месте, установить направление его движения, а демаскирования корабля определяется всем комплексом вызванных возмущений морской среды.
Не менее важной проблемой является проблема влияния точности изготовления корпусов, систем и устройств на работу собственных средств наблюдения и в первую очередь на акустические станции. Технологические или конструктивные неточности в изготовлении корпуса, общекорабельных систем и устройств создают явно выраженные гидродинамические помехи. Являясь незначительным на малой скорости, гидродинами-ческий шум, вызванный отклонениями от заданных параметров подводного корпуса, возрастает с увеличением скорости судна. На больших скоростях гидродинамический шум от участков плохо обтекаемого корпуса, расположенных вблизи антенны и на поверхности обтекателя, может преобладать в поле помех, препятствуя приему полезных сигналов.
Таким образом, проблемные вопросы обеспечения скрытности потребовали от нас особого подхода к выбору и обоснованию технологий формирования и строительства корпусов боевых кораблей. Кроме того, в процессе выбора перспективных технологий, были выполнены исследования влияния точности изготовления элементов корпусных конструкций на общую трудоемкость пригоночных работ, на снижение трудоемкости по изготовлению элементов и формированию корпуса, на снижение себестоимости строи-тельства кораблей. Определенное место в исследованиях было отведено анализу трудо-емкости по видам производства при строительстве боевых кораблей и судов. В частности проанализированы сборочно-сварочное производство, формирование корпуса и корпусообрабатывающее производство. В результате выполненных исследований проблемы высокоточного корпусного производства сделан обоснованный вывод, что теоретической базой такой перспективной технологии является технология производства без припусков.

Be the first to comment on "Научные основы совершенствования и создания новых технологий корпусообрабатывающего производства современной судостроительной верфи"

Leave a comment

Your email address will not be published.


*