Функционально-стоимостной анализ и его применение при разработке новых форсунок
ART 86578
К.
В. АлтунинБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Алтунин
К.
В.,
Мулюкова
Э.
Р.,
Ахунов
А.
А.,
Чибирев
П.
А. Функционально-стоимостной анализ и его применение при разработке новых форсунок // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
2736–2740. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86578.htm.
Аннотация. Статья посвящена функционально-стоимостному анализу. Приведены важные данные из истории появления данного анализа. В сокращенном варианте показаны результаты функционально-стоимостного анализа форсунки воздушно-реактивного двигателя.
Текст статьи
Алтунин Константин Витальевич,кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения», КНИТУ им. А.Н. Туполева –КАИ, г. Казаньaltkonst881@yandex.ru
Ахунов Адель Айратович,Магистрант 1го года обучения, кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения», КНИТУ им. А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Мулюкова Эльвира Рамилевна,Магистрант 1го года обучения, кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения», КНИТУ им.А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Чибирев Павел Алексеевич,Магистрант 1го года обучения, кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения», КНИТУ им. А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Функциональностоимостной анализ и его применение при разработке новых форсунок
Аннотация. Статья посвящена функциональностоимостному анализу. Приведены важные данные из истории появления данного анализа. В сокращенном варианте показаны результаты функциональностоимостного анализа форсунки воздушнореактивного двигателя.Ключевые слова:функциональностоимостной анализ, форсунка, воздушнореактивный двигатель
Появление функциональностоимостного анализа (ФСА) уходит корнями в начало XXстолетия, и сейчас весьма сложно дать однозначный ответ, кто же был самым первым человеком, начавшим использовать этот вид анализа и заложивший его теоретические основы.Принято считать, что основоположниками идеи ФСА являются Лоуренс Д. Майлс(США), а в нашей стране –Соболев Ю.М.Во время Второй мировой войныперед компанией General Electricстояла задача находить замену некоторым дефицитным видам сырья. Проведённый впоследствии под руководством вицепрезидента компании по снабжению и транспорту Гарри Л. Эрлихера анализ данных о работе изделий показал, что замены, как правило, благоприятно влияли на стоимость изделий. В ряде случаев они приводили даже к получению «сверхэффекта» —улучшалось качество изделий, повышалась их надёжность. Это послужило толчком к проведению исследований по замене материалов на более дешёвые и получению от такой замены соответствующей прибыли.В 1947 годув компании была создана группа специалистов под руководством инженера Л. Д. Майлса, которая приступила к созданию метода снижения издержек, основанного на изыскании более экономичных способов осуществления тех или иных функций изделий, и внедрению его в производство. Группа Л.Д. Майлса за 4 года проанализировала и изменила конструкции 230 изделий, в результате чего издержки на их изготовление сократились в среднем на 25% без снижения качества.Первую работу, посвящённую новому методу, названному стоимостным анализом (value analysis), Майлс опубликовал в 1949 году—это была статья «Как снижать издержки с помощью стоимостного анализа». Первый публичный семинар по ФСА состоялся с 5 по 31 октября1952 годав Скенектади(штат НьюЙорк). Л. Д. Майлс определил предложенный им метод снижения издержек производства как «прикладную философию». Согласну Л.Д. Майлсу «анализ стоимости … это организованный творческий подход, цель которого заключается в эффективной идентификации непроизводительных затрат или издержек, которые не обеспечивают ни качества, ни полезности, ни долговечности, ни других требований заказчика».Первоначально ФСА не встретил в США широкой поддержки. И лишь практика, подтвердившая его высокую реальную эффективность, привлекла к нему вниманиемногих специалистов, в первую очередь, поставщиков и заказчиков компании Дженерал Электрик.В 1954 годуметод Л.Д. Майлса заимствовало правительственное Управление по кораблестроению, давшее ему название стоимостной инженерии (value engineering, VE) —в штате Управления не было аналитических единиц, и Майлс посоветовал возложить функции поприменению ФСА на инженерный департамент. С тех пор термины VA/VE упоминаются в паре.В 1959 годубыло создано Общество американских инженеровспециалистов по ФСА (Societyof American Value Engineers, с 1996 годаSAVE International), ставшее впоследствии международным. В 1975 годуоно учредило премию имени Л. Д. Майлса за создание и содействие в деле продвижения методов ФСА. К 1970 годуФСА использовали 25% американских компаний.С 1963 годаусилиями министра обороныРоберта Макнамарытребование о проведении ФСА для претендующих на получение госзаказапроектов появилось в тендернойдокументации Морского инженерного командования, а с 1965 года—в документации Инженерных войск. Постепенно упоминания о ФСА вошли в документы НАСА(1968 год), Администрации общих служб(1973 год), Счётной палаты(1974 год), Агентства защиты окружающей среды(1976 год), Офиса управления и бюджета(1993 год). В конце концов National Defense Authorization Actс1996 годасделал ФСА обязательным для всех правительственных агентств. Термин «функциональностоимостной анализ» введён в 1970 годуЕ. А. Грампом.После 1960 г. метод получает признание в Европе, а позднее –в Японии. В 1965 г. было основано Общество японских инженеровспециалистов по ФСА (SocietyofJapaneseValueEngineering–SJVE), которое активно занялось пропагандой этого метода, проводя ежегодные конференции с участием крупнейших промышленных фирм и государственных организаций. Уже в 70е годы метод ФСА применялся в Японии в 10 раз чаще, чем, в ФРГ. Л. Д. Майлс становится популярнымв Японии, в 1982 г. с его согласия SJVEучреждает премию Майлса, присуждаемую компаниям, которые добиваются больших успехов в удовлетворении запросов потребителей благодаря эффективному использованию знаний и распространению идеологии ФСА. В ФРГметод ФСА стал применяться начиная с 1959 года—компаниями Opel, BMW, Siemens, Telefunken. В 1968 годуОбъединение немецких инженеровиздало руководящие инструкции по использованию ФСА применительно к различным изделиям —VDI 2801 и VDI 2802. К этому моменту уже 51% западногерманских фирм применяли метод в своей деятельности. В 1973 годубыл выпущен промышленный стандарт DIN 69910 «Функциональностоимостный анализ. Понятия и методология». Стандарт рассматривал в качестве объекта ФСА не только промышленные изделия, но и процессы, системы, виды деятельности и т. д. С 1975 годатакой же стандарт начал действовать и в Австрии. В ГДРисследования в области ФСА начались в 1950е годыпод влиянием советских публикаций о методе Ю. М. Соболева. В 1971 годутам была выпущена инструкция по ФСА, а в 1973 году – специальный стандарт. Электротехническая и электронная отрасли Восточной Германии применяли ФСА на 80% предприятий (общее машиностроение на 60%, лёгкая промышленность на 40%, химическая на 25%).Что касается применения ФСА в СССР, а после в России, то здесь история развития данного метода неоднозначна и несколько запутана, поскольку зарождение метода связывают только с именем Ю.М. Соболева, при этом забывая о других ученых и специалистах. Одним из первых, кто положил начало развитию ФСА, был Р.Л. Бартини, советский авиаконструктор итальянского происхождения (уехал из фашистской Италии в СССР и считал себя по национальности русским), который в начале 30х гг. XXв. разработал алгоритмический метод с базовыми понятиями –функциональной модели разрабатываемой технической системы и диалектического разрешения противоречий.Бартини рекомендовал начинать процесс проектирования с мысленного представления себе, что же требуется при отсутствии ограничений по конструкторским материалам и энергии. При этом задача разработчика понять, что же является истинной целью технической системы и каковы ее функции.Бартини указывал, что лучший агрегат самолета –это такой агрегат, который во время полета остается в ангаре, а функции его выполняются. После уточнения целей и требуемых функций необходимо понять, что же мешает их реализовать в первоначальном виде. Бартини пишет об этом так: «При решении поставленной задачи необходимо установить сколь возможно компактную факторгруппу сильной связи, определить факторы, которые играют решающую роль в рассматриваемом вопросе, отделив все второстепенные элементы. После этогонадо сформулировать наиболее контрастное противоречие «илиили», противоположность, исключающую решение задачи. Решение задачи надо искать в логической композиции тождества противоположностей «ии» [1].В настоящее время подход, предложенный Бартини, реализован в таких отечественных методах, как алгоритм решения инженерных задач (АРИЗ).Одним из первых организаторов коллективной творческой работы по выявлению скрытых резервов в нашей стране стал молодой инженер, впоследствии министр, а затем и заместитель председателя Совета Министров СССР И.Ф. Тевосян. Он создал в начале 30х гг. группу из лучших в металлургии специалистов, которые вместе с ним выезжали на неблагополучные заводы, изучали весь производственный процесс, читали лекции и вели практические занятия с заводскими работниками, знакомили их с новейшим опытом, помогали наладить производство, выявить причины проблем.В результате, в конце 30х гг. положили начало развитию ФСА такие методы, как функциональный метод и метод коллективного творчества. В 1946 г. были опубликованы результаты исследований, выполненных под руководством Н.А. Бородачева, советского ученого в области машиностроения, которые были направлены на оценку соответствия конструкции ее функциональному назначению. Проведенный Бородачевым анализ одного из приборов позволил снизить число деталей на 22% за счет исключения «излишних» элементов [2].Однако работы перечисленных ученых не нашли широкого применения в области ФСА, поэтому традиционно зарождение ФСА в СССР (России) связывают с именемЮ.М. Соболева, советского конструктора с Пермского телефонного завода, хотя он изначально предлагал метод поэлементного экономического анализа объекта, а не функционального. Работы Соболева нашли признание государства и были опубликованы в средствах массовой информации.В 1948 г. Ю.М. Соболев проанализировал ряд узлов однотипных изделий, выпускаемых разными предприятиями, и обнаружил в них массу недоработок: неоправданное усложнение формы, ненужное завышение точности и чистоты обработки, дорогие покрытия и т.д. Свой анализ он начинал с разбивки изделия на элементы, причем элементом считались не только самостоятельные детали, но и их материал, допуск, точность и т.д. [3].Каждый элемент рассматривался как часть конструкции и в зависимости от своего функционального назначения относился к основной или вспомогательной группе. По оценке Ю.М. Соболева, элементы основной группы предназначены для удовлетворения предъявляемых к изделию эксплуатационных требований, а вспомогательной –для конструктивного оформления изделия. Как правило, по вспомогательным элементам затраты оказывались завышенными. Применив свой метод при совершенствовании узла крепления микротелефона, он добился сокращения перечня применяемых деталей на 70%, расхода материала –на 42%, трудоемкости –на 69%. При этом сама себестоимость узла снизилась в 1,7 раза.В результате в конце 40х гг. началось развитие системного метода ФСА, получившее название «поэлементный анализ конструкции».В 1960е гг. к использованию метода на практике приступили Свердловский машиностроительный завод им. В.В. Воровского, ВНИИэлектроаппарат и другие предприятия. Началось активное применение ФСА с целью снижения издержек на предприятиях.С середины 1970х гг. ФСА становится элементом отраслевого управления эффективностью и научнотехническим прогрессом. В 1974 г. метод получил распространение в электротехнической отрасли.В 19741975 гг. в Министерстве химического и нефтяного машиностроения СССР впервые ФСА был применен при проектировании конструкций и технологии изготовления новых буровых установок.С 1978 г. в Минэлектротехпроме СССР действовало Положение об организации и проведении функциональностоимостного анализа, в котором регламентирован порядок выполнения ФСА, определены структура управления этой работой в отрасли и функции ее участников. С 1979 г. в отрасли начали действовать базовые центры по ФСА.Однако в отличие от западного опыта в СССР методы ФСА использовались при совершенствовании уже освоенных изделий.С 1979 г. началось внедрение ФСА в отрасли машиностроения для легкой и пищевой промышленности и бытовых приборов, метод стали применять 15 предприятий.В 1982 г. были разработаны и утверждены Государственным комитетом по науке и технологии (ГКНТ) «Основные положения методики ФСА изделий». В это же время был утвержден план мероприятий по расширению использования ФСА в народном хозяйстве, включающий несколько разделов: организационные мероприятия по применению ФСА в народном хозяйстве; научнометодическое обеспечение развития ФСА; подготовка инженерных и экономических кадров, владеющих методом ФСА; пропаганда метода ФСА; научнотехническое сотрудничество с зарубежными странами. Можно сказать, что с 1960х гг. по 1970 гг. метод ФСА широко применялся в советской промышленности и не только для освоенных изделий, но и для проектируемых. А в 1980е гг. метод стал обязательным для многих отраслей промышленности. Но в начале 1990х гг. начался переход к рыночной экономике, отраслевые министерства реформировали, предприятия оказались в трудном финансовом положении. Одним словом, 1990е гг. можно считать «застоем» не только в экономике, но и «застоем» в области развития метода ФСА.Идея ФСА вновь начала возрождаться в конце 1990х гг. с целью проведения реструктурирования предприятий. В настоящее время работы по ФСА постепенно распространяются на сферы проектирования новых изделий и эксплуатации. В качестве перспективной задачи определен постепенный переход от ФСА отдельных изделий, разработок, процессов и других объектов к функциональностоимостному методу управления всеми звеньями производства, т.е. бизнеспроцессами.Наиболее эффективно применение ФСА там, где ведется подготовка к автоматизации какихлибо процессов –технологических, бизнеспроцессов, процессов управления и т.п. Проведение ФСА позволяет не только устранить накопившиеся в процессах ошибки, узкие места, «паразитные» связи, но и выбрать оптимальные средства автоматизации. Так, к примеру, для автоматизации управленческого учета можно использовать несколько различных программных продуктов, а с учетом их сочетаний может быть несколько десятков вариантов автоматизации. Метод ФСА сегодня позволяет выбрать наиболее оптимальный вариант, т.е. позволяет сымитировать любой бизнеспроцесс, происходящий на предприятии. В таблице 1 приведены особенности развития ФСА в нашей стране на каждом историческом этапе [4].Таблица 1Особенности отечественного развития ФСА на каждом историческом этапе
ЭтапГодыНазвание методов и подходовОснователи/пользователиОсобенности119301940Функциональный подход; метод коллективной работыР.Л. Бартини,И.Ф. Тевосян1. Появление терминов «функциональная модель» и «противоречие в системе»2. Групповая работа при решении проблем21946Системный и функциональный подходН.А. Бородачев1. Анализ соответствия технологичности конструкции ее назначению.2. Появление термина «излишние» элементы31948Поэлементный анализ конструкцииЮ.М. Соболев1. Системный подход.2. Поиск экономичных способов изготовления существующих конструкций.3. Выделение основных и вспомогательных элементов.419601979ФСАСвердловский машиностроительный завод, ВНИИэлектроаппарат, Московское ПО «Электролуч», Чебоксарский электроаппаратный завод, Минэлектротехпром,
Машиностроение 1.Системное техникоэкономическое исследование существующих объектов с целью снижения издержек.2. Использование методов активизации мышления при исследовании.3. Применение ФСА при проектировании конструкций.519801990ФСАГосударство,Минэлектронпром,Минстанкопром,Минприбор,Минхиммаш,Минэнергомаш1.Создание государством документов, регламентирующих проведение ФСА на предприятиях.2. Работы по ФСА стали планом технического развития страны.
3. Принцип: соответствовать требованиям и быть дешевым.619901997
Распад СССР привел к прекращению работ по ФСА71997 –по н.в.ФСАБанковская сфера,Транспортная отрасль1.Применение ФСА при проектировании и эксплуатации изделий.2. Переход от метода ФСА к функциональностоимостному управлению всеми бизнеспроцессами.
Одним из широко используемых средств, мотивирующих повышение качества изделий и сокращение излишних, неоправданных затрат, является функциональностоимостной анализ (ФСА)[5, 6, 7]. В целом, осуществление ФСА позволяет:
повысить качество продукции;
снизить себестоимость продукции;
снизить издержки производства;
находить альтернативных решений;
модернизировать ранее созданную продукцию.По отношению к техническим объектам роль ФСА заключается в исследовании вариантов конструкций и технологии изготовления изделий с целью повышения эффективности выполнения ими требуемых функций в соответствии с назначением и при наименьших затратах. Классический ФСА имеет три англоязычных названия, включая –ValueEngineering, ValueAnalysisи ValueManagement. Однако не стоит путать метод ФСА с методом ABC (Activity Based Costing).Для ФСА характерен ряд отличительных особенностей.1. В ФСА используется т. н. «функциональный подход», состоящий в том, что любое изделие (система) может быть представлено не только как набор деталей, узлов, агрегатов, блоков и подсистем, но и в виде комплекса функций.2. ФСА носит творческий характер, выполняется по заранее составленному плану и сопровождается экономической оценкой всех возможных вариантов конструкции (технологии).3. Проблемы рассматриваются комплексно, то есть с точек зрения производства, эксплуатации, снабжения, сбыта, научнотехнического и социального эффекта.4. ФСА является универсальным инструментом оценки и анализа практически любых объектов. Этот метод применяется при проведении НИОКР, создании новых и усовершенствовании существующих изделий, технологических процессов, совершенствовании организации производства, управленческой деятельности и в других сферах.5. ФСА основывается на положении о том, что в себестоимости изделий (и их элементов), как правило, имеются излишние, неоправданные затраты, связанные с несовершенством конструкции и технологии их изготовления, а также с завышенными техническими параметрами, запасами прочности, ресурса, существованием ненужных в определенных условиях функций. Достоинство метода ФСА состоит в профилактике излишних затрат, связанных с введением ненужных функций, которые не имеют прямого отношения к назначению изделия.6. Практика применения ФСА в экономически развитых странах (США, ФРГ, Японии и др.) показала, что успех обусловливается творческим подходом к решению проблем, критическим отношением к традиционным, привычным решениям, кажущимся неоспоримыми и единственно правильными [5].
ФСА был применен при разработке новых форсунок воздушнореактивного двигателя (ВРД).
С точки зрения динамики процессов топливная форсунка является одним из элементов двигателя как динамической системы [8, 9]. Топливные форсунки применяются практически на всех типах реактивных двигателей, включая прямоточные и турбореактивные двигатели [9, 10, 11, 12] (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема прямоточного ВРД для сверхзвуковых скоростей полета: 1 —профилированная игла воздухозаборника; 2 —камера сгорания; 3 —форсунки; 4 —реактивное сопло; а и б —траектории скачков уплотненияНа рис. 2приведена струйная жидкостная форсунка ВРД, взятая за объект исследования.
Рис. 2. Струйная форсунка ВРД НК82У:1 корпуса с двумя отверстиями для подвода топлива 2, 8, выполненный заодно целое с лопатками завихрителя 4 и смесительной втулкой 5; 6 центральный распылить, 3 топливный сетчатый фильтр; 10 гайка для крепления к плите; 7,9 уплотнительные кольца
Известно, что примерно через 900 циклов работы ВРД НК82У «Ту154» его форсунки полностью закоксовываются (см. рис. 3), а двигатель подвергается капитальному ремонту: снятию с самолета с дальнейшей отправкой на завод; промывке в заводских условиях специальными агрессивными жидкостями с дальнейшей утилизацией получаемых продуктов, что связано с большими экологическими трудностями; замене закоксованных фильтров и форсунок и т.д. На борьбу с образованием углеродистых отложений в промышленности США ежегодно выделяется около 10 млрд. долларов. Только для обычного нефтеперерабатывающего завода ежегодные затраты составляли порядка 10 млн. долларов. Аналогичные проблемы стоят и в теплоэнергетике, и в ракетостроении, и в авиации. Так, из 210 лётных происшествий в течение одного года в военновоздушных силах США около 30% связаны с неполадками двигателей изза ненадёжной работы топливнорегулирующей аппаратуры. В общем, процесс осадкообразования в топливной системе ВРД приводит [13]: к заседанию золотников в насосахрегуляторах, что ведет к «зависанию» оборотов двигателя при числе оборотов, составляющем 6070 % от максимальных; к повышению времени приемистости или помпажу двигателя; к самовыключению двигателя на земле или в воздухе; к частичному или полному закупориванию форсуночных фильтров и форсуночных каналов, что ведет к частичной или полной потере тяги, к неправильной организации распыла (например, струйного, рис. 4) и горения, к изменению эпюры температурного поля газового потока, к короблению и прогару стенок жаровых труб и возгоранию двигателя, к аварии.С процессом осадкообразования необходимо бороться, но в некоторых случаях проще и дешевле предотвращать появление углеродсодержащих осадков.
а)
Рис. 3. Форсунка ВРД НК82У «Ту154»: а) до эксплуатации; б) после 900 цикловэксплуатации с осадком
б)
Рис. 4. Факел впрыска форсунки:а) частично закоксованной при нерасчетном струйном распыле;б) чистой
Но появление углеродсодержащих осадков напрямую связано с нагревом: чем выше температура, тем интенсивнее осадкообразование, а значит ответственные элементы форсунок, каналов быстрее выйдут из строя по причине простого закоксовывания. ФСА форсунки включал: постановку и формулирование целей проведения ФСА; разработку плана проведения ФСА; формирование и характеристику исследовательской рабочей группы с указанием состава и должностей участников; расчет затрат на проведение ФСА; построение структурной модели объекта ФСА; построение и анализ матрицы взаимосвязей; построение и анализ диаграммы FAST(FunctionalAnalysisSystemTechnique–техника системы функционального анализа); построение функциональной модели объекта ФСА; расчет значимости функций с применением метода расстановки приоритетов; построение и описание функциональноструктурной модели (ФСМ) объекта ФСА; построение и анализфункциональностоимостной диаграммы (ФСД); определение зон анализа; ФСМ и ФСД объекта ФСА; поиск технических решений с применением морфологического анализа, их отбор и обоснование; определение затрат на проектируемые изделия в ФСА; построение и анализ итоговых ФСМ и ФСД объекта; построение и анализ общей схемы объекта ФСА; определение экономической эффективности ФСА; расчёт экономической эффективности ФСА; расчёт надёжности и долговечности некоторых конструкций форсунок.
Первоначальная ФСД форсунки представлена на рис.5.
Рис. 5. Функциональностоимостная диаграмма элементовфорсунки ВРД
На рис. 5сделаны следующие обозначения: К–корпус; О –отражатель; ФП –фронтальная плита; Ф –фильтр; Rj–относительная важность функции Fj; Sj–относительные затраты.Из рис. 5можно сделать следующие выводы:1)необходимо восполнить недостающий ресурс функций: F1, F21и F32;2)излишний ресурс функций F221, F223, F31и F33следует уменьшить с целью снижения затрат на изделие;3)ФСД не является симметричной, поэтому следует привести её к более симметричному виду, что повлечёт за собой снижение затрат и более оптимальное использование элементов изделия.
На рис. 6представлена итоговая ФСД форсунки, которая является более симметричной, т.е. меньше различий по относительным важностям и относительным затратам функций элементов объекта ФСА.
Рис. 6. Функциональностоимостная диаграмма элементов форсунки ВРД.
На рис. 6сделаны следующие обозначения:КР –корпусраспылитель; О –отражатель; ФП –фронтальная плита; Ф –фильтр; Rj–относительная важность функции Fj; Sj–относительные затраты.
Теперь можно сравнить рис. 5и рис. 6. Как видно, из рис. 6восполнен недостающий ресурс таких функций, как «смешение окислителя и горючего», функции «охлаждение форсунки». Значит, форсунка имеет теперь хорошую защиту от повышенных температур, а это влечёт за собой увеличение ресурса и надёжности использования форсуночного комплекса данного вида. Снижены затраты на функции: «удерживать форсунку», «очистка топлива» и «препятствовать распространению фронта пламени». В целом, скорректированная ФСД намного симметричнее предыдущих ФСД. А значит, она является правильно выбранной и построенной в целях оптимизации объекта ФСА. Таким образом, скорректированная ФСД показывает, что в ходе данного ФСА удалось снизить излишние ресурсы и восполнить недостающие ресурсы некоторых функций.
На рис. 7изображены схемы исходной форсунки ВРД НК82У «Ту154» а) и форсунки, полученной после ФСА –б). Состав элементов включает: гайки 1, корпус 2 с двумя отверстиями для подвода топлива 3, фильтр 4, распылитель 5, отражатель 8, выполненный заодно целое с лопатками завихрителя 6, фронтальная теплосъёмная плита 7, дополнительные каналы подачи окислителя 9, термопары 10, каналы охлаждения с помощью регенеративной подачи горючего 11, корпусраспылитель 12, уплотнительные кольца 13, элемент фиксации в тыльной части форсунки 14.
Рис. 7. Состав элементов форсунки ВРДа) до проведения ФСА; б) после проведения ФСА
Из рис. 7видно, что конструкция форсунки и дополнительных элементов претерпела некоторые изменения в результате проведения ФСА. Появились устройства для контроля за повышением температуры 10 (термопары) внутри корпуса форсунки и внутри фронтальной плиты; отражатель 8 стал иметь цилиндрическую, простую форму, на отражателе 8 появилась резьба для крепления к фронтальной плите, к тому же появились новые каналы 11 для подачи окислителя в зону горения и смешения; корпус форсунки 2 стал совмещать в себе и распылитель 5, корпусраспылитель 12 стал меньше в габаритах; фиксация тыльной части 14 –просто вставкой, без резьбы. Таким образом, фильтр форсунки 4 вынесен из корпуса в область меньших температур.Разработаны разные схемы новых форсунок, менее подверженных стремительному выходу из строя и закоксовыванию фильтров, распылителей, топливных каналов. Подсчитаны примерныевероятности отказов (табл. 2) и долговечности некоторых полученных форсунок (рис.8).
Таблица 2Условия эксплуатации форсунок ВРД№Тип жидкостной струйной форсункиВРДОсновные элементыВремя эксплуатации, t(циклы)НаработкаТона один отказ(циклы)Вероятность безотказной работы, Р1Штатная форсунка ВРД НК82УФильтр9009000,135Распылитель9002Новая форсунка [14] с 1 фильтром в каждой кассетеФильтр18000,31Распылитель9003Новая форсунка [14] с 1 фильтром в каждой кассете и с рабочей иглойФильтр18000,70Игла(для удаления осадков из распылителя)5000
Рис. 8. Долговечность форсунок ВРДНа основе полученной в рамках ФСА конструктивной схемы (рис. 7) разработана форсунка, в которой фильтры вынесены из корпуса в каналы с меньшей температурой и теплоизолированы. На рис. 9изображена новая форсунка ВРД [14].Данная форсунка состоит из корпуса1, лопаток завихрителя 4, смесителя (отражателя) 5, центробежного распылителя 6, двух топливных сетчатых фильтров 3, 16, закреплённых в топливоподающих каналах 11, 14 с использованием уплотнительных колец 12, 13, 15, 17 из теплоизоляционных и герметичных материалов, с обеспечением контроля за осадкообразованием путём расположения датчиков прямого контроля светового типа 18, 19, 20, 21 в топливоподающих каналах 11, 14, гайки 10 для крепления к плите. В этой форсунке предусмотрена комплексная борьба с осадкообразованием: 1) топливные сетчатые фильтры размещены в топливоподающих каналах при помощи крепежных контактов, выполненных из герметичных и теплоизоляционных материалов (на фильтрах, которые не 05001000150010831490125013541650Q,циклы1 Базовая2 Охлаждаемая3 С заменяемыми частями4 С иглой5 Гибридная12345теплоизолированы, с увеличением длительности прокачки и температуры наблюдается перепад давления изза закоксовывания); 2) обеспечена заменяемость закоксованных топливных сетчатых фильтров на новые по команде датчиков прямого контроля светового типа; 3) запасные топливные сетчатые фильтры размещаются в передвижных кассетах [14].
Рис. 9. Модернизированная форсунка ВРД с теплоизолированными фильтрами
На базе данной форсунки разработана еще одна конструктивная схема [15], где фильтры не только теплоизолированы, но и зарезервированы в специальных запасных каналах вместе с чистыми распылителями. Таким образом, уровень надежности, ресурса, долговечности, эффективности новых форсунок повышен по сравнению с начальным объектом ФСА.Итак, ФСА позволил получить новые конструктивные схемы форсуночных устройств, обладающих лучшими характеристиками. Можно сказать, что без ФСА, возможно, не удалось бы найти данные технические решения. Необходимо чаще прибегать к такому виду анализа, ведь он действительно работает и позволяет найти то, что было не замечено ранее, что обладает наибольшей надежностью и эффективностью.Намечены пути дальнейшего применения ФСА.
Ссылки на источники 1.Бартини Р.Л., Кузнецов П.Г. Моделирование динамических систем. Брянск, 1974. 333 с. 2.БородачевН.А. Анализ качества и точности производства. М.: Машгиз, 1946. 252 с. 3.Соболев Ю.М. Конструктор и экономика: ФСА для конструктора. Пермь, 1987, 102 с. 4.Куликов Я.В. Особенности развития функциональностоимостного анализа в России // Вестник Пермского университета, Вып. 4(11), 2011, С. 5763. 5.Голдобеев, Е.В., Яушев А.М., Садыков А.А. и др. Практическое руководство по проведению функциональностоимостного анализа. –Казань: Издво Казанского государственного технического университета. 2003. –39 с. 6.Ковалёв А.П. Справочник по функциональностоимостному анализу/ под. редакцией М.Г. Карпунина, Б.И. Майданчика. –М.: Финансы и статистика, 1988. –431 с.7.Моисеева Н.К. Функциональностоимостной анализ в машиностроении. –М.: Машиностроение, 1987. –210 с.8.Базаров, В.Г. Динамика жидкостных форсунок/ В.Г. Базаров. –М.: Машиностроение, 1979. –С. 7.
9.Андреев А.В., В.Г. Базаров, С.С. Григорьев и др. Динамика газожидкостных форсунок. –М. Машиностроение, 1991. –288 с.: ил.10.Клячкин А.Л. Теория воздушнореактивных двигателей/ А.Л. Клячкин. –М.: Издво «Машиностроение», 1969. –512 с.11.Хесин М.А. Воздушнореактивные и реактивные двигатели. –М.: Издво «Машиностроение», 1965. –520 с.12.Кузнецов Н.Д., Радченко В.Д., Татаринов В.В. и др. Головка кольцевой камеры сгорания ГТД. Авт. св. СССР №240391, кл. F23C 7/00; F23D 11/26; F23D 11/40. Бюл. №4 от 30.01.83.13.Алтунин К.В. Процессы теплоотдачи при осадкообразовании в условиях естественной и электрической конвекции жидких углеводородных горючих и охладителей. Кандидат. диссертация по специальности: 01.04.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника, 2012 г. 1 том. 163 с. 14.Алтунин К.В. Форсунка. Патент РФ на изобретение №2388966. Бюлл. №13 от 10.05.2010 г.15.Алтунин К.В. Форсунка. Патент РФ на изобретение №2447362. Бюл. №10от 10 апреля 2012 г.
Ахунов Адель Айратович,Магистрант 1го года обучения, кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения», КНИТУ им. А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Мулюкова Эльвира Рамилевна,Магистрант 1го года обучения, кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения», КНИТУ им.А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Чибирев Павел Алексеевич,Магистрант 1го года обучения, кафедры «Теплотехники и энергетического машиностроения», КНИТУ им. А.Н. Туполева –КАИ, г. Казань
Функциональностоимостной анализ и его применение при разработке новых форсунок
Аннотация. Статья посвящена функциональностоимостному анализу. Приведены важные данные из истории появления данного анализа. В сокращенном варианте показаны результаты функциональностоимостного анализа форсунки воздушнореактивного двигателя.Ключевые слова:функциональностоимостной анализ, форсунка, воздушнореактивный двигатель
Появление функциональностоимостного анализа (ФСА) уходит корнями в начало XXстолетия, и сейчас весьма сложно дать однозначный ответ, кто же был самым первым человеком, начавшим использовать этот вид анализа и заложивший его теоретические основы.Принято считать, что основоположниками идеи ФСА являются Лоуренс Д. Майлс(США), а в нашей стране –Соболев Ю.М.Во время Второй мировой войныперед компанией General Electricстояла задача находить замену некоторым дефицитным видам сырья. Проведённый впоследствии под руководством вицепрезидента компании по снабжению и транспорту Гарри Л. Эрлихера анализ данных о работе изделий показал, что замены, как правило, благоприятно влияли на стоимость изделий. В ряде случаев они приводили даже к получению «сверхэффекта» —улучшалось качество изделий, повышалась их надёжность. Это послужило толчком к проведению исследований по замене материалов на более дешёвые и получению от такой замены соответствующей прибыли.В 1947 годув компании была создана группа специалистов под руководством инженера Л. Д. Майлса, которая приступила к созданию метода снижения издержек, основанного на изыскании более экономичных способов осуществления тех или иных функций изделий, и внедрению его в производство. Группа Л.Д. Майлса за 4 года проанализировала и изменила конструкции 230 изделий, в результате чего издержки на их изготовление сократились в среднем на 25% без снижения качества.Первую работу, посвящённую новому методу, названному стоимостным анализом (value analysis), Майлс опубликовал в 1949 году—это была статья «Как снижать издержки с помощью стоимостного анализа». Первый публичный семинар по ФСА состоялся с 5 по 31 октября1952 годав Скенектади(штат НьюЙорк). Л. Д. Майлс определил предложенный им метод снижения издержек производства как «прикладную философию». Согласну Л.Д. Майлсу «анализ стоимости … это организованный творческий подход, цель которого заключается в эффективной идентификации непроизводительных затрат или издержек, которые не обеспечивают ни качества, ни полезности, ни долговечности, ни других требований заказчика».Первоначально ФСА не встретил в США широкой поддержки. И лишь практика, подтвердившая его высокую реальную эффективность, привлекла к нему вниманиемногих специалистов, в первую очередь, поставщиков и заказчиков компании Дженерал Электрик.В 1954 годуметод Л.Д. Майлса заимствовало правительственное Управление по кораблестроению, давшее ему название стоимостной инженерии (value engineering, VE) —в штате Управления не было аналитических единиц, и Майлс посоветовал возложить функции поприменению ФСА на инженерный департамент. С тех пор термины VA/VE упоминаются в паре.В 1959 годубыло создано Общество американских инженеровспециалистов по ФСА (Societyof American Value Engineers, с 1996 годаSAVE International), ставшее впоследствии международным. В 1975 годуоно учредило премию имени Л. Д. Майлса за создание и содействие в деле продвижения методов ФСА. К 1970 годуФСА использовали 25% американских компаний.С 1963 годаусилиями министра обороныРоберта Макнамарытребование о проведении ФСА для претендующих на получение госзаказапроектов появилось в тендернойдокументации Морского инженерного командования, а с 1965 года—в документации Инженерных войск. Постепенно упоминания о ФСА вошли в документы НАСА(1968 год), Администрации общих служб(1973 год), Счётной палаты(1974 год), Агентства защиты окружающей среды(1976 год), Офиса управления и бюджета(1993 год). В конце концов National Defense Authorization Actс1996 годасделал ФСА обязательным для всех правительственных агентств. Термин «функциональностоимостной анализ» введён в 1970 годуЕ. А. Грампом.После 1960 г. метод получает признание в Европе, а позднее –в Японии. В 1965 г. было основано Общество японских инженеровспециалистов по ФСА (SocietyofJapaneseValueEngineering–SJVE), которое активно занялось пропагандой этого метода, проводя ежегодные конференции с участием крупнейших промышленных фирм и государственных организаций. Уже в 70е годы метод ФСА применялся в Японии в 10 раз чаще, чем, в ФРГ. Л. Д. Майлс становится популярнымв Японии, в 1982 г. с его согласия SJVEучреждает премию Майлса, присуждаемую компаниям, которые добиваются больших успехов в удовлетворении запросов потребителей благодаря эффективному использованию знаний и распространению идеологии ФСА. В ФРГметод ФСА стал применяться начиная с 1959 года—компаниями Opel, BMW, Siemens, Telefunken. В 1968 годуОбъединение немецких инженеровиздало руководящие инструкции по использованию ФСА применительно к различным изделиям —VDI 2801 и VDI 2802. К этому моменту уже 51% западногерманских фирм применяли метод в своей деятельности. В 1973 годубыл выпущен промышленный стандарт DIN 69910 «Функциональностоимостный анализ. Понятия и методология». Стандарт рассматривал в качестве объекта ФСА не только промышленные изделия, но и процессы, системы, виды деятельности и т. д. С 1975 годатакой же стандарт начал действовать и в Австрии. В ГДРисследования в области ФСА начались в 1950е годыпод влиянием советских публикаций о методе Ю. М. Соболева. В 1971 годутам была выпущена инструкция по ФСА, а в 1973 году – специальный стандарт. Электротехническая и электронная отрасли Восточной Германии применяли ФСА на 80% предприятий (общее машиностроение на 60%, лёгкая промышленность на 40%, химическая на 25%).Что касается применения ФСА в СССР, а после в России, то здесь история развития данного метода неоднозначна и несколько запутана, поскольку зарождение метода связывают только с именем Ю.М. Соболева, при этом забывая о других ученых и специалистах. Одним из первых, кто положил начало развитию ФСА, был Р.Л. Бартини, советский авиаконструктор итальянского происхождения (уехал из фашистской Италии в СССР и считал себя по национальности русским), который в начале 30х гг. XXв. разработал алгоритмический метод с базовыми понятиями –функциональной модели разрабатываемой технической системы и диалектического разрешения противоречий.Бартини рекомендовал начинать процесс проектирования с мысленного представления себе, что же требуется при отсутствии ограничений по конструкторским материалам и энергии. При этом задача разработчика понять, что же является истинной целью технической системы и каковы ее функции.Бартини указывал, что лучший агрегат самолета –это такой агрегат, который во время полета остается в ангаре, а функции его выполняются. После уточнения целей и требуемых функций необходимо понять, что же мешает их реализовать в первоначальном виде. Бартини пишет об этом так: «При решении поставленной задачи необходимо установить сколь возможно компактную факторгруппу сильной связи, определить факторы, которые играют решающую роль в рассматриваемом вопросе, отделив все второстепенные элементы. После этогонадо сформулировать наиболее контрастное противоречие «илиили», противоположность, исключающую решение задачи. Решение задачи надо искать в логической композиции тождества противоположностей «ии» [1].В настоящее время подход, предложенный Бартини, реализован в таких отечественных методах, как алгоритм решения инженерных задач (АРИЗ).Одним из первых организаторов коллективной творческой работы по выявлению скрытых резервов в нашей стране стал молодой инженер, впоследствии министр, а затем и заместитель председателя Совета Министров СССР И.Ф. Тевосян. Он создал в начале 30х гг. группу из лучших в металлургии специалистов, которые вместе с ним выезжали на неблагополучные заводы, изучали весь производственный процесс, читали лекции и вели практические занятия с заводскими работниками, знакомили их с новейшим опытом, помогали наладить производство, выявить причины проблем.В результате, в конце 30х гг. положили начало развитию ФСА такие методы, как функциональный метод и метод коллективного творчества. В 1946 г. были опубликованы результаты исследований, выполненных под руководством Н.А. Бородачева, советского ученого в области машиностроения, которые были направлены на оценку соответствия конструкции ее функциональному назначению. Проведенный Бородачевым анализ одного из приборов позволил снизить число деталей на 22% за счет исключения «излишних» элементов [2].Однако работы перечисленных ученых не нашли широкого применения в области ФСА, поэтому традиционно зарождение ФСА в СССР (России) связывают с именемЮ.М. Соболева, советского конструктора с Пермского телефонного завода, хотя он изначально предлагал метод поэлементного экономического анализа объекта, а не функционального. Работы Соболева нашли признание государства и были опубликованы в средствах массовой информации.В 1948 г. Ю.М. Соболев проанализировал ряд узлов однотипных изделий, выпускаемых разными предприятиями, и обнаружил в них массу недоработок: неоправданное усложнение формы, ненужное завышение точности и чистоты обработки, дорогие покрытия и т.д. Свой анализ он начинал с разбивки изделия на элементы, причем элементом считались не только самостоятельные детали, но и их материал, допуск, точность и т.д. [3].Каждый элемент рассматривался как часть конструкции и в зависимости от своего функционального назначения относился к основной или вспомогательной группе. По оценке Ю.М. Соболева, элементы основной группы предназначены для удовлетворения предъявляемых к изделию эксплуатационных требований, а вспомогательной –для конструктивного оформления изделия. Как правило, по вспомогательным элементам затраты оказывались завышенными. Применив свой метод при совершенствовании узла крепления микротелефона, он добился сокращения перечня применяемых деталей на 70%, расхода материала –на 42%, трудоемкости –на 69%. При этом сама себестоимость узла снизилась в 1,7 раза.В результате в конце 40х гг. началось развитие системного метода ФСА, получившее название «поэлементный анализ конструкции».В 1960е гг. к использованию метода на практике приступили Свердловский машиностроительный завод им. В.В. Воровского, ВНИИэлектроаппарат и другие предприятия. Началось активное применение ФСА с целью снижения издержек на предприятиях.С середины 1970х гг. ФСА становится элементом отраслевого управления эффективностью и научнотехническим прогрессом. В 1974 г. метод получил распространение в электротехнической отрасли.В 19741975 гг. в Министерстве химического и нефтяного машиностроения СССР впервые ФСА был применен при проектировании конструкций и технологии изготовления новых буровых установок.С 1978 г. в Минэлектротехпроме СССР действовало Положение об организации и проведении функциональностоимостного анализа, в котором регламентирован порядок выполнения ФСА, определены структура управления этой работой в отрасли и функции ее участников. С 1979 г. в отрасли начали действовать базовые центры по ФСА.Однако в отличие от западного опыта в СССР методы ФСА использовались при совершенствовании уже освоенных изделий.С 1979 г. началось внедрение ФСА в отрасли машиностроения для легкой и пищевой промышленности и бытовых приборов, метод стали применять 15 предприятий.В 1982 г. были разработаны и утверждены Государственным комитетом по науке и технологии (ГКНТ) «Основные положения методики ФСА изделий». В это же время был утвержден план мероприятий по расширению использования ФСА в народном хозяйстве, включающий несколько разделов: организационные мероприятия по применению ФСА в народном хозяйстве; научнометодическое обеспечение развития ФСА; подготовка инженерных и экономических кадров, владеющих методом ФСА; пропаганда метода ФСА; научнотехническое сотрудничество с зарубежными странами. Можно сказать, что с 1960х гг. по 1970 гг. метод ФСА широко применялся в советской промышленности и не только для освоенных изделий, но и для проектируемых. А в 1980е гг. метод стал обязательным для многих отраслей промышленности. Но в начале 1990х гг. начался переход к рыночной экономике, отраслевые министерства реформировали, предприятия оказались в трудном финансовом положении. Одним словом, 1990е гг. можно считать «застоем» не только в экономике, но и «застоем» в области развития метода ФСА.Идея ФСА вновь начала возрождаться в конце 1990х гг. с целью проведения реструктурирования предприятий. В настоящее время работы по ФСА постепенно распространяются на сферы проектирования новых изделий и эксплуатации. В качестве перспективной задачи определен постепенный переход от ФСА отдельных изделий, разработок, процессов и других объектов к функциональностоимостному методу управления всеми звеньями производства, т.е. бизнеспроцессами.Наиболее эффективно применение ФСА там, где ведется подготовка к автоматизации какихлибо процессов –технологических, бизнеспроцессов, процессов управления и т.п. Проведение ФСА позволяет не только устранить накопившиеся в процессах ошибки, узкие места, «паразитные» связи, но и выбрать оптимальные средства автоматизации. Так, к примеру, для автоматизации управленческого учета можно использовать несколько различных программных продуктов, а с учетом их сочетаний может быть несколько десятков вариантов автоматизации. Метод ФСА сегодня позволяет выбрать наиболее оптимальный вариант, т.е. позволяет сымитировать любой бизнеспроцесс, происходящий на предприятии. В таблице 1 приведены особенности развития ФСА в нашей стране на каждом историческом этапе [4].Таблица 1Особенности отечественного развития ФСА на каждом историческом этапе
ЭтапГодыНазвание методов и подходовОснователи/пользователиОсобенности119301940Функциональный подход; метод коллективной работыР.Л. Бартини,И.Ф. Тевосян1. Появление терминов «функциональная модель» и «противоречие в системе»2. Групповая работа при решении проблем21946Системный и функциональный подходН.А. Бородачев1. Анализ соответствия технологичности конструкции ее назначению.2. Появление термина «излишние» элементы31948Поэлементный анализ конструкцииЮ.М. Соболев1. Системный подход.2. Поиск экономичных способов изготовления существующих конструкций.3. Выделение основных и вспомогательных элементов.419601979ФСАСвердловский машиностроительный завод, ВНИИэлектроаппарат, Московское ПО «Электролуч», Чебоксарский электроаппаратный завод, Минэлектротехпром,
Машиностроение 1.Системное техникоэкономическое исследование существующих объектов с целью снижения издержек.2. Использование методов активизации мышления при исследовании.3. Применение ФСА при проектировании конструкций.519801990ФСАГосударство,Минэлектронпром,Минстанкопром,Минприбор,Минхиммаш,Минэнергомаш1.Создание государством документов, регламентирующих проведение ФСА на предприятиях.2. Работы по ФСА стали планом технического развития страны.
3. Принцип: соответствовать требованиям и быть дешевым.619901997
Распад СССР привел к прекращению работ по ФСА71997 –по н.в.ФСАБанковская сфера,Транспортная отрасль1.Применение ФСА при проектировании и эксплуатации изделий.2. Переход от метода ФСА к функциональностоимостному управлению всеми бизнеспроцессами.
Одним из широко используемых средств, мотивирующих повышение качества изделий и сокращение излишних, неоправданных затрат, является функциональностоимостной анализ (ФСА)[5, 6, 7]. В целом, осуществление ФСА позволяет:
повысить качество продукции;
снизить себестоимость продукции;
снизить издержки производства;
находить альтернативных решений;
модернизировать ранее созданную продукцию.По отношению к техническим объектам роль ФСА заключается в исследовании вариантов конструкций и технологии изготовления изделий с целью повышения эффективности выполнения ими требуемых функций в соответствии с назначением и при наименьших затратах. Классический ФСА имеет три англоязычных названия, включая –ValueEngineering, ValueAnalysisи ValueManagement. Однако не стоит путать метод ФСА с методом ABC (Activity Based Costing).Для ФСА характерен ряд отличительных особенностей.1. В ФСА используется т. н. «функциональный подход», состоящий в том, что любое изделие (система) может быть представлено не только как набор деталей, узлов, агрегатов, блоков и подсистем, но и в виде комплекса функций.2. ФСА носит творческий характер, выполняется по заранее составленному плану и сопровождается экономической оценкой всех возможных вариантов конструкции (технологии).3. Проблемы рассматриваются комплексно, то есть с точек зрения производства, эксплуатации, снабжения, сбыта, научнотехнического и социального эффекта.4. ФСА является универсальным инструментом оценки и анализа практически любых объектов. Этот метод применяется при проведении НИОКР, создании новых и усовершенствовании существующих изделий, технологических процессов, совершенствовании организации производства, управленческой деятельности и в других сферах.5. ФСА основывается на положении о том, что в себестоимости изделий (и их элементов), как правило, имеются излишние, неоправданные затраты, связанные с несовершенством конструкции и технологии их изготовления, а также с завышенными техническими параметрами, запасами прочности, ресурса, существованием ненужных в определенных условиях функций. Достоинство метода ФСА состоит в профилактике излишних затрат, связанных с введением ненужных функций, которые не имеют прямого отношения к назначению изделия.6. Практика применения ФСА в экономически развитых странах (США, ФРГ, Японии и др.) показала, что успех обусловливается творческим подходом к решению проблем, критическим отношением к традиционным, привычным решениям, кажущимся неоспоримыми и единственно правильными [5].
ФСА был применен при разработке новых форсунок воздушнореактивного двигателя (ВРД).
С точки зрения динамики процессов топливная форсунка является одним из элементов двигателя как динамической системы [8, 9]. Топливные форсунки применяются практически на всех типах реактивных двигателей, включая прямоточные и турбореактивные двигатели [9, 10, 11, 12] (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема прямоточного ВРД для сверхзвуковых скоростей полета: 1 —профилированная игла воздухозаборника; 2 —камера сгорания; 3 —форсунки; 4 —реактивное сопло; а и б —траектории скачков уплотненияНа рис. 2приведена струйная жидкостная форсунка ВРД, взятая за объект исследования.
Рис. 2. Струйная форсунка ВРД НК82У:1 корпуса с двумя отверстиями для подвода топлива 2, 8, выполненный заодно целое с лопатками завихрителя 4 и смесительной втулкой 5; 6 центральный распылить, 3 топливный сетчатый фильтр; 10 гайка для крепления к плите; 7,9 уплотнительные кольца
Известно, что примерно через 900 циклов работы ВРД НК82У «Ту154» его форсунки полностью закоксовываются (см. рис. 3), а двигатель подвергается капитальному ремонту: снятию с самолета с дальнейшей отправкой на завод; промывке в заводских условиях специальными агрессивными жидкостями с дальнейшей утилизацией получаемых продуктов, что связано с большими экологическими трудностями; замене закоксованных фильтров и форсунок и т.д. На борьбу с образованием углеродистых отложений в промышленности США ежегодно выделяется около 10 млрд. долларов. Только для обычного нефтеперерабатывающего завода ежегодные затраты составляли порядка 10 млн. долларов. Аналогичные проблемы стоят и в теплоэнергетике, и в ракетостроении, и в авиации. Так, из 210 лётных происшествий в течение одного года в военновоздушных силах США около 30% связаны с неполадками двигателей изза ненадёжной работы топливнорегулирующей аппаратуры. В общем, процесс осадкообразования в топливной системе ВРД приводит [13]: к заседанию золотников в насосахрегуляторах, что ведет к «зависанию» оборотов двигателя при числе оборотов, составляющем 6070 % от максимальных; к повышению времени приемистости или помпажу двигателя; к самовыключению двигателя на земле или в воздухе; к частичному или полному закупориванию форсуночных фильтров и форсуночных каналов, что ведет к частичной или полной потере тяги, к неправильной организации распыла (например, струйного, рис. 4) и горения, к изменению эпюры температурного поля газового потока, к короблению и прогару стенок жаровых труб и возгоранию двигателя, к аварии.С процессом осадкообразования необходимо бороться, но в некоторых случаях проще и дешевле предотвращать появление углеродсодержащих осадков.
а)
Рис. 3. Форсунка ВРД НК82У «Ту154»: а) до эксплуатации; б) после 900 цикловэксплуатации с осадком
б)
Рис. 4. Факел впрыска форсунки:а) частично закоксованной при нерасчетном струйном распыле;б) чистой
Но появление углеродсодержащих осадков напрямую связано с нагревом: чем выше температура, тем интенсивнее осадкообразование, а значит ответственные элементы форсунок, каналов быстрее выйдут из строя по причине простого закоксовывания. ФСА форсунки включал: постановку и формулирование целей проведения ФСА; разработку плана проведения ФСА; формирование и характеристику исследовательской рабочей группы с указанием состава и должностей участников; расчет затрат на проведение ФСА; построение структурной модели объекта ФСА; построение и анализ матрицы взаимосвязей; построение и анализ диаграммы FAST(FunctionalAnalysisSystemTechnique–техника системы функционального анализа); построение функциональной модели объекта ФСА; расчет значимости функций с применением метода расстановки приоритетов; построение и описание функциональноструктурной модели (ФСМ) объекта ФСА; построение и анализфункциональностоимостной диаграммы (ФСД); определение зон анализа; ФСМ и ФСД объекта ФСА; поиск технических решений с применением морфологического анализа, их отбор и обоснование; определение затрат на проектируемые изделия в ФСА; построение и анализ итоговых ФСМ и ФСД объекта; построение и анализ общей схемы объекта ФСА; определение экономической эффективности ФСА; расчёт экономической эффективности ФСА; расчёт надёжности и долговечности некоторых конструкций форсунок.
Первоначальная ФСД форсунки представлена на рис.5.
Рис. 5. Функциональностоимостная диаграмма элементовфорсунки ВРД
На рис. 5сделаны следующие обозначения: К–корпус; О –отражатель; ФП –фронтальная плита; Ф –фильтр; Rj–относительная важность функции Fj; Sj–относительные затраты.Из рис. 5можно сделать следующие выводы:1)необходимо восполнить недостающий ресурс функций: F1, F21и F32;2)излишний ресурс функций F221, F223, F31и F33следует уменьшить с целью снижения затрат на изделие;3)ФСД не является симметричной, поэтому следует привести её к более симметричному виду, что повлечёт за собой снижение затрат и более оптимальное использование элементов изделия.
На рис. 6представлена итоговая ФСД форсунки, которая является более симметричной, т.е. меньше различий по относительным важностям и относительным затратам функций элементов объекта ФСА.
Рис. 6. Функциональностоимостная диаграмма элементов форсунки ВРД.
На рис. 6сделаны следующие обозначения:КР –корпусраспылитель; О –отражатель; ФП –фронтальная плита; Ф –фильтр; Rj–относительная важность функции Fj; Sj–относительные затраты.
Теперь можно сравнить рис. 5и рис. 6. Как видно, из рис. 6восполнен недостающий ресурс таких функций, как «смешение окислителя и горючего», функции «охлаждение форсунки». Значит, форсунка имеет теперь хорошую защиту от повышенных температур, а это влечёт за собой увеличение ресурса и надёжности использования форсуночного комплекса данного вида. Снижены затраты на функции: «удерживать форсунку», «очистка топлива» и «препятствовать распространению фронта пламени». В целом, скорректированная ФСД намного симметричнее предыдущих ФСД. А значит, она является правильно выбранной и построенной в целях оптимизации объекта ФСА. Таким образом, скорректированная ФСД показывает, что в ходе данного ФСА удалось снизить излишние ресурсы и восполнить недостающие ресурсы некоторых функций.
На рис. 7изображены схемы исходной форсунки ВРД НК82У «Ту154» а) и форсунки, полученной после ФСА –б). Состав элементов включает: гайки 1, корпус 2 с двумя отверстиями для подвода топлива 3, фильтр 4, распылитель 5, отражатель 8, выполненный заодно целое с лопатками завихрителя 6, фронтальная теплосъёмная плита 7, дополнительные каналы подачи окислителя 9, термопары 10, каналы охлаждения с помощью регенеративной подачи горючего 11, корпусраспылитель 12, уплотнительные кольца 13, элемент фиксации в тыльной части форсунки 14.
Рис. 7. Состав элементов форсунки ВРДа) до проведения ФСА; б) после проведения ФСА
Из рис. 7видно, что конструкция форсунки и дополнительных элементов претерпела некоторые изменения в результате проведения ФСА. Появились устройства для контроля за повышением температуры 10 (термопары) внутри корпуса форсунки и внутри фронтальной плиты; отражатель 8 стал иметь цилиндрическую, простую форму, на отражателе 8 появилась резьба для крепления к фронтальной плите, к тому же появились новые каналы 11 для подачи окислителя в зону горения и смешения; корпус форсунки 2 стал совмещать в себе и распылитель 5, корпусраспылитель 12 стал меньше в габаритах; фиксация тыльной части 14 –просто вставкой, без резьбы. Таким образом, фильтр форсунки 4 вынесен из корпуса в область меньших температур.Разработаны разные схемы новых форсунок, менее подверженных стремительному выходу из строя и закоксовыванию фильтров, распылителей, топливных каналов. Подсчитаны примерныевероятности отказов (табл. 2) и долговечности некоторых полученных форсунок (рис.8).
Таблица 2Условия эксплуатации форсунок ВРД№Тип жидкостной струйной форсункиВРДОсновные элементыВремя эксплуатации, t(циклы)НаработкаТона один отказ(циклы)Вероятность безотказной работы, Р1Штатная форсунка ВРД НК82УФильтр9009000,135Распылитель9002Новая форсунка [14] с 1 фильтром в каждой кассетеФильтр18000,31Распылитель9003Новая форсунка [14] с 1 фильтром в каждой кассете и с рабочей иглойФильтр18000,70Игла(для удаления осадков из распылителя)5000
Рис. 8. Долговечность форсунок ВРДНа основе полученной в рамках ФСА конструктивной схемы (рис. 7) разработана форсунка, в которой фильтры вынесены из корпуса в каналы с меньшей температурой и теплоизолированы. На рис. 9изображена новая форсунка ВРД [14].Данная форсунка состоит из корпуса1, лопаток завихрителя 4, смесителя (отражателя) 5, центробежного распылителя 6, двух топливных сетчатых фильтров 3, 16, закреплённых в топливоподающих каналах 11, 14 с использованием уплотнительных колец 12, 13, 15, 17 из теплоизоляционных и герметичных материалов, с обеспечением контроля за осадкообразованием путём расположения датчиков прямого контроля светового типа 18, 19, 20, 21 в топливоподающих каналах 11, 14, гайки 10 для крепления к плите. В этой форсунке предусмотрена комплексная борьба с осадкообразованием: 1) топливные сетчатые фильтры размещены в топливоподающих каналах при помощи крепежных контактов, выполненных из герметичных и теплоизоляционных материалов (на фильтрах, которые не 05001000150010831490125013541650Q,циклы1 Базовая2 Охлаждаемая3 С заменяемыми частями4 С иглой5 Гибридная12345теплоизолированы, с увеличением длительности прокачки и температуры наблюдается перепад давления изза закоксовывания); 2) обеспечена заменяемость закоксованных топливных сетчатых фильтров на новые по команде датчиков прямого контроля светового типа; 3) запасные топливные сетчатые фильтры размещаются в передвижных кассетах [14].
Рис. 9. Модернизированная форсунка ВРД с теплоизолированными фильтрами
На базе данной форсунки разработана еще одна конструктивная схема [15], где фильтры не только теплоизолированы, но и зарезервированы в специальных запасных каналах вместе с чистыми распылителями. Таким образом, уровень надежности, ресурса, долговечности, эффективности новых форсунок повышен по сравнению с начальным объектом ФСА.Итак, ФСА позволил получить новые конструктивные схемы форсуночных устройств, обладающих лучшими характеристиками. Можно сказать, что без ФСА, возможно, не удалось бы найти данные технические решения. Необходимо чаще прибегать к такому виду анализа, ведь он действительно работает и позволяет найти то, что было не замечено ранее, что обладает наибольшей надежностью и эффективностью.Намечены пути дальнейшего применения ФСА.
Ссылки на источники 1.Бартини Р.Л., Кузнецов П.Г. Моделирование динамических систем. Брянск, 1974. 333 с. 2.БородачевН.А. Анализ качества и точности производства. М.: Машгиз, 1946. 252 с. 3.Соболев Ю.М. Конструктор и экономика: ФСА для конструктора. Пермь, 1987, 102 с. 4.Куликов Я.В. Особенности развития функциональностоимостного анализа в России // Вестник Пермского университета, Вып. 4(11), 2011, С. 5763. 5.Голдобеев, Е.В., Яушев А.М., Садыков А.А. и др. Практическое руководство по проведению функциональностоимостного анализа. –Казань: Издво Казанского государственного технического университета. 2003. –39 с. 6.Ковалёв А.П. Справочник по функциональностоимостному анализу/ под. редакцией М.Г. Карпунина, Б.И. Майданчика. –М.: Финансы и статистика, 1988. –431 с.7.Моисеева Н.К. Функциональностоимостной анализ в машиностроении. –М.: Машиностроение, 1987. –210 с.8.Базаров, В.Г. Динамика жидкостных форсунок/ В.Г. Базаров. –М.: Машиностроение, 1979. –С. 7.
9.Андреев А.В., В.Г. Базаров, С.С. Григорьев и др. Динамика газожидкостных форсунок. –М. Машиностроение, 1991. –288 с.: ил.10.Клячкин А.Л. Теория воздушнореактивных двигателей/ А.Л. Клячкин. –М.: Издво «Машиностроение», 1969. –512 с.11.Хесин М.А. Воздушнореактивные и реактивные двигатели. –М.: Издво «Машиностроение», 1965. –520 с.12.Кузнецов Н.Д., Радченко В.Д., Татаринов В.В. и др. Головка кольцевой камеры сгорания ГТД. Авт. св. СССР №240391, кл. F23C 7/00; F23D 11/26; F23D 11/40. Бюл. №4 от 30.01.83.13.Алтунин К.В. Процессы теплоотдачи при осадкообразовании в условиях естественной и электрической конвекции жидких углеводородных горючих и охладителей. Кандидат. диссертация по специальности: 01.04.14. Теплофизика и теоретическая теплотехника, 2012 г. 1 том. 163 с. 14.Алтунин К.В. Форсунка. Патент РФ на изобретение №2388966. Бюлл. №13 от 10.05.2010 г.15.Алтунин К.В. Форсунка. Патент РФ на изобретение №2447362. Бюл. №10от 10 апреля 2012 г.
