Проектирование производственных систем

П.В. Круглов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана






                П.В. Круглов





                ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ





Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия









Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2012

УДК 658.5(075.8)
ББК 30.6
    К84

Р е ц е н з е н т ы :
А.И. Максимов, АС. Чумадин

    Круглов П.В.

К84 Проектирование производственных систем : учеб. пособие / П.В. Круглов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — 71, [1] с.: ил.
        Изложены основы проектирования производственных систем в современном машиностроении, особенности ракетных производственных систем. Приведены исходные данные для проектирования, указана последовательность проектирования производственной системы. Рассмотрены методы расчета элементов основной и вспомогательной производственных систем.
        Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «Ракетостроение».

УДК 658.5(075.8)
                                                  ББК 30.6
Учебное издание

Круглов Павел Владимирович

Проектирование производственных систем

Издается в авторской редакции
Корректор Е.В. Авалова
Компьютерная верстка И.А. Марковой
Подписано в печать 14.03.2012. Формат 60x84/16.
Усл. печ. л. 4,19. Изд. № 66. Тираж 100 экз. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.


© Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

    ВВЕДЕНИЕ

    Появление в технологии машиностроения методических положений проектирования производственных систем относится ко второй половине XX в. и связано с необходимостью восстановления и строительства разрушенного во время Великой Отечественной войны народного хозяйства. Основные методические положения проектирования были разработаны такими учеными, как Э.А. Сатель, М.Е. Егоров, Е.С. Ямпольский. Для структурной модернизации экономики страны, начавшейся на рубеже XX—XXI вв., требуются проверенные методики определения необходимого количества оборудования, количества персонала, количества площадей и энергоресурсов предприятия.
    В данном учебном пособии рассмотрены универсальные положения проектирования производственных систем, характерные для машиностроения в целом, подробно описаны особенности ракетно-космического производства — одного из передовых, перспективных и конкурентоспособных на мировом рынке направлений развития экономики России.
    Проектирование производственной системы следует рассматривать как комплексную проблему, потому что в ходе проектирования необходимо синтезировать в единую систему такие составляющие производственного процесса, как оборудование, технологические процессы изготовления деталей, состав и квалификация рабочих. Такая система должна выпускать определенную номенклатуру изделий при минимальных материальных затратах.
    В общем случае проектирование производственной системы возможно в следующих видах:
    • проектирование нового предприятия;
    • совершенствование структуры действующего производства;
    •    совершенствование структуры предприятия действующего производства с целью повышения основных технико-экономических показателей выпускаемой продукции.
    По мере развития рынка космических услуг происходит постепенное увеличение загрузки предприятий отечественной ракет
3

но-космической промышленности, поэтому на практике встречаются все три вида проектирования. В частности, строительство новых площадок для запусков на действующих космодромах, нового космодрома на востоке страны приведет к необходимости создания монтажно-испытательных комплексов непосредственно на космодромах. Для непрерывной модернизации как ракет, так и космических аппаратов потребуются внедрение новых технологических методов и, как следствие, проектирование создаваемых производственных участков и цехов.
    Процесс проектирования производственной системы можно подразделить на три этапа:
    1) предпроектный;
    2) проектный;
    3) внедрение проекта.
    В учебном пособии приведены методики проектирования производственных систем, используемые на предпроектном и проектном этапах. Этап внедрения проекта не рассмотрен ввиду многообразия факторов, влияющих на его реализацию.

1. РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКИЕ ПРЕДПРИЯТИЯ

    1.1. Особенности ракетно-космического производства

    Предприятия ракетно-космической отрасли по ряду причин заметно отличаются от предприятий других отраслей машиностроения, что в первую очередь связано с особенностями конструкции ракет.
    Для современных ракет характерны такие параметры работы, как исключительно высокие температуры в камере сгорания и на поверхностях головных частей, высокие давления, высокие скорости истечения горячих газов из камер сгорания, что оказывает сильное эрозионное действие на стенки камеры сгорания. Детали двигательных установок жидкостных ракет функционируют в среде весьма активных компонентов топлива и поэтому подвержены коррозионному действию этой среды. В таких условиях двигатель работает в течение сравнительно длительного времени — до нескольких минут. В ряде случаев обеспечение заданной длительности работы двигателя оказывается труднейшей проблемой и обусловливает его конструктивные и технологические особенности. Напряженный режим работы двигателя и узлов ракеты кроме трудностей конструктивного характера приводит к необходимости применения новых материалов, обладающих высокой прочностью, коррозионной стойкостью, антиэрозионными свойствами, жаропрочностью и т. д. Новые материалы, кроме высокой стоимости, имеют очень низкую технологическую обрабатываемость, что объясняется неисследованностью их технологических свойств, а также высокой прочностью, жаропрочностью, вязкостью и другими свойствами.
    Применение новых материалов — характерная особенность ракетно-космической техники. Это привело к появлению на ракетно-строительных заводах (далее — завод) большого числа технологических лабораторий, а также к тесной связи заводов с научноисследовательскими институтами и технологическими лабораториями вузов, что необходимо для быстрого разрешения сложных


5

технологических вопросов освоения новых материалов. Кроме того, применение новых материалов обусловило не только модернизацию оборудования, но и создание новых образцов оборудования, а также освоение новых технологических методов обработки, основанных на современных достижениях физики, химии, электротехники и других отраслей науки.
    Практический вывод из сказанного выше: конструкторы должны очень осторожно и грамотно подходить к выбору материала. Прежде чем выбрать новый материал или потребовать создания новейшего материала со специальными свойствами, следует найти марку материала, уже имеющегося и освоенного промышленностью, отвечающего предъявляемым требованиям, что позволит удешевить ракету и уменьшить срок освоения ее выпуска. Назначение новейшего материала может быть осуществлено в исключительных случаях.
    Особенность современных ракет — необычайная сложность и наличие очень большого числа деталей: даже для средних ракет — до 100 тыс. деталей (десятки тысяч наименований), большая разнотипность агрегатов, узлов, аппаратуры, приборов, относящихся к самым различным отраслям машиностроения. Производство всех деталей, узлов, агрегатов ракеты и сборка их на одном заводе невозможны технически и организационно и нецелесообразны с экономической и со стратегической точек зрения. Поэтому характерной особенностью ракетно-космического производства является широкое кооперирование. Например, в Германии в выпуске ракеты «Фау-2» участвовало приблизительно 10 тыс. предприятий, ряд предприятий представлял собой очень маленькие артели (фирмы) с персоналом менее 10 чел. Другой пример — США, где число основных предприятий, участвующих в выпуске ракет «Трайдент II», достигает 6 тыс. В СССР в разработке и изготовлении ракеты-носителя «Энергия» и орбитального корабля «Буран» участвовало около 1000 научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро, предприятий ракетно-космической и других отраслей промышленности.
    Кооперирование предполагает наличие головного завода (базовое предприятие), на котором обычно изготавливается корпус ракеты, производится агрегатная и общая сборка, проводятся испытания и сдача заказчику готовой продукции. На головном заводе осуществляются определение всех размеров внешней формы 6

ракеты, их увязка (разбивка теоретического плаза), хранение и выдача всей документации на производство деталей и узлов кооперирующимся предприятиям-поставщикам.
    Развитие ракетной техники происходит весьма быстрыми темпами. Вследствие быстрой сменяемости конструкций ракет сроки подготовки производства и освоения нового изделия в ракетостроении весьма малы (1—3 года). В этих условиях должна обеспечиваться частая и быстрая переналадка производства, для чего необходимо применять быстроналаживаемое оборудование, нормализованную оснастку, типовые технологические процессы и групповые методы обработки.
    С целью сокращения сроков выпуска изделия этап подготовки производства совмещают с этапом проектирования ракеты. Однако сокращение сроков подготовки производства и освоения нового изделия остается до сих пор одной из самых острых проблем, для решения которой необходимы изучение научных основ подготовки производства и разработка единой системы технологической подготовки производства.
    Уменьшение веса ракеты — важнейшая задача ракетостроения. Снижение запаса прочности и веса обусловливает применение в ракетах листовых конструкций. Ракета представляет собой жесткую силовую конструкцию, состоящую из нежестких исходных элементов и обладающую вместе с тем сложными обводами и сопряжениями и достаточно крупными габаритными размерами. Не-жесткость конструкции и сложность обводов обусловливают совершенно отличное от других производств решение вопросов точности и взаимозаменяемости деталей. Для этого в ракетостроении применяется особая система производства, называемая плазово-шаблонным методом.
    При использовании листовых конструкций необходимая жесткость обеспечивается продольным и поперечным силовым набором. Обводы ракеты и внешняя форма представляют в ряде случаев поверхности двойной кривизны. Эта специфическая конструктивная особенность отражается в производстве появлением большого количества цехов холодной листовой штамповки, которых на заводах может быть до 6—8. Применение листовых конструкций обусловливает некоторые особенности и сборочных процессов. На ракетных заводах широкое развитие получили такие методы сборки, как клепка, сварка, склеивание, что также

7

отражается в структуре, организации и оснащенности оборудованием сборочных цехов.
    Ракета — изделие одноразового действия, поэтому к нему предъявляются очень высокие требования к надежности и точности. Каждая выпускаемая серийная ракета не может быть проверена и испытана отстрелом.
    Необходимая высокая надежность ракеты обеспечивается имитационными испытаниями на специальных стендах. В результате подобных испытаний проверяются все приборы и узлы как в автономном действии, так и в комплексном взаимодействии всех узлов и агрегатов в целом. Для двигательных установок проводятся специальные стендовые огневые испытания. Контрольноиспытательные работы составляют 40 % цикла производства. В связи с этим в структуре ракетного завода увеличивается количество отделов и участков, занимающихся контролем и испытаниями. Обязательным отделом сборочного цеха является контрольно-испытательная станция (КИС) завода. До 35 % рабочих составляют рабочие, занятые на контрольно-испытательных работах.
    Характерная особенность ракет — насыщенность аппаратурой и металлом на единицу объема ракеты. Учитывая эту особенность, конструкторы стремятся к миниатюризации оборудования и аппаратуры без снижения их конструктивных характеристик, а также к уплотнению внутренней «начинки» ракет, т. е. всей аппаратуры, оборудования, коммуникаций, что повышает требования к сборке, заставляя применять для этого особые методы. При сборке приборных отсеков, аппаратуры, коммуникаций, разъемов до сборки и монтажа создаются макеты этих узлов, агрегатов, с тем чтобы на макетах исследовать способы размещения всех имеющихся приборов, трубопроводов, коммуникаций и т. д. Это приводит к увеличению цикла сборки, а также к повышению стоимости ракет. Сборка с применением предварительных макетов сборок — характерная особенность сборки многих узлов, агрегатов, арматуры, коммуникаций ракет. Внедрение на этапе проектирования трехмерных компьютерных моделей ракет позволяет отказаться от физических макетов и заменить их компьютерными.
    Особенностью ракет является длительный срок их консервации на складах. При этом ракеты должны полностью удовлетворять тактико-техническим требованиям, соответствовать высоким требованиям к их надежности. Необходимость консервации ракет

8

в ряде случаев обусловливает существенные конструктивные особенности ракеты, применение специальных материалов, периодический контроль и испытания, эти же особенности ракет заставляют поддерживать связь с заводом в течение всего срока хранения ракеты. В некоторых случаях в процессе хранения ракеты приходится (иногда периодически) заменять отдельные детали и узлы ракеты. Постоянная готовность и надежность ракеты зависят и от условий хранения на складах и на позициях; к этим условиям также предъявляются весьма высокие требования.
    При проектировании нового производства или модернизации действующего производства для выпуска нового изделия используются различные исходные данные. При модернизации действующего производства объем расчетов может быть уменьшен за счет использования характеристик из проекта действующего производства.
    Рассмотрим достоинства и недостатки этих двух видов проектирования.
    Преимуществами строительства нового предприятия для выпуска нового изделия являются: ввод новых производственных мощностей, использование современного оборудования, оснащения; организация специализированного производства, изготавливающего один тип изделий, что удешевляет производство единицы продукции. К недостаткам такого строительства относятся: большие капитальные вложения с длительным сроком окупаемости; набор и подготовка квалифицированной рабочей силы; потеря времени на формирование коллектива и накопление им опыта; догрузка мощностей другой продукцией (при небольшой серийности изделий возникают большие резервы незагруженных мощностей).
    Модернизация действующего производства для выпуска новой или усовершенствованной конструкции изделия также имеет как преимущества, так и недостатки. Преимуществами являются: меньшие капитальные вложения по сравнению с вложениями в строительство нового производства; использование существующих вспомогательных производств, обслуживающих хозяйств и аппарата заводоуправления; выигрыш во времени при освоении новых видов продукции; более полное применение резервных мощностей; догрузка мощностей родственной продукцией; повышение серийности производства и объема производимой продукции; более высокая маневренность производства при переводе его с изготовления одного типа продукции на другой. Недостатки свя
9