ПРИМЕНЕНИЕ АРИнЗ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ РЕШЕНИЙ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ В АРМАТУРОСТРОЕНИИ
Литейно-механический завод (ЛМЗ) – предприятие, специализирующееся на выпуске отливок и выполнении механических и сварочных работ. Основными цехами завода являются цех центробежного литья, цех фасонного литья, механообрабатывающий цех и сборочно-сварочный цех, а также цех ковки.
Задачей, которую необходимо было решить, заключалась в необходимости найти такие продукты, которые были бы под силу заводу, востребованы рынком и эффективны для потенциальных потребителей продукции завода в арматуростроении.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ЭТАП
Учитывая требования к решению задачи, как к поиску нового продукта, она была отнесена к классу решения инжиниринговых задач, для которых применима методика 1 (методика определения направлений совершенствования инжиниринговых продуктов в новых областях с элементами методики 2 (методика повышения добавленной ценности инжиниринговых продуктов). Одновременно, учитывая, что завод специализируется на производстве в основном заготовок, применялась методика 3 (методика выполнения проектов по совершенствованию технологических процессов).
Из методики 1 были отобраны следующие инструменты:
- выбор продукта,
- анализ его по S-кривой,
- выбор направления развития продукта в зависимости от этапа, на котором находится продукт, техническая и бизнес-система потребителя и определяются уровни развития рынка (этапы жизненного цикла рынка), на который предлагается вывести инжиниринговый продукт.
Из методики 2 были отобраны следующие инструменты:
- анализ жизненного цикла продукта,
- определение этапа развития технической системы.
Из методики 3 были отобраны следующие инструменты:
- определение проблем технологии,
- определение ключевых недостатков и распределение их по технологическим операциям,
- проведение свертывания элементов, порождающих ключевые недостатки.
Используемыми видами анализа стали:
- анализ по законам развития технических систем (ЗРТС),
- ресурсный анализ.
Было предложено в случае необходимости включать и другие виды анализа, предлагаемые в методиках.
Для решения задачи был применен АРИнЗ. Ниже пошагово рассматривается ход решения задачи.
ШАГ 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СПОСОБНОСТЕЙ КОМПАНИИ И ПОТРЕБНОСТЕЙ ПОТРЕБИТЕЛЯ (РЫНКА)
1.1. СПОСОБНОСТИ КОМПАНИИ
На этом этапе уточнялась задача, чтобы оценить пространство решений. Для этих целей были уточнены производственно-технические, финансовые возможности предприятия, а также возможности внедрения и способность руководства и персонала внедрять новые технические решения. Были проанализированы:
- история компании,
- партнеры компании,
- парк оборудования,
- опыт в налаживании новых производств и способности к внедрению инновационных технологий,
- отчетность.
Также были проведены интервью с руководителями коммерческого, конструкторского, технологического, финансового отдела и директоратом предприятия. По материалам анализа в общих чертах прояснилась общая инновационная стратегия предприятия.
Было выбрано направление центробежного литья, в котором у завода были опыт производства и возможности продвижения на рынок.
На основе анализа были выявлены основные разрывы, которые ограничивают предприятие в разработке и внедрении инновационных продуктов для арматуростроения.
Основными ограничениями стали:
- недостаточные возможности оборудования,
- отсутствие технологий,
- потребность в выпуске серийного продукта без значительных колебаний по типу применяемой технологии и номенклатуре,
- проблемы с использованием в основном только дорогих материалов и невыгодностью использования дешевых материалов, не дающих желаемой прибыли,
- потребность в использовании имеющегося оборудования в связи с большой длительностью изготовления и стоимостью кокилей,
- необходимость работы на уже имеющемся рынке изделий из нержавеющих и специальных сталей и необходимость учета трудностей по выходу на слишком дальние от возможностей компании рынки.
В качестве основного продукта для дальнейшего развития были проанализированы основные конструкции шаровых кранов, как наиболее соответствующие осесимметричным центробежнолитым заготовкам для арматуры (см. рисунок 2).
Основной упор предложено было сделать на шаровые краны большого диаметра, где центробежное литье может иметь преимущество по основным комплектующим (см. рисунок 3).
Общая спецификация комплектующих узлов приведена ниже (см. таблицу 1).
Из общей спецификации изделий наибольший интерес экспертов, оценивающих возможности применения центробежного литья, вызвали:
- корпус,
- крышка корпуса,
- шар,
- ось,
- вал,
- седло,
- упорное кольцо.
1.2. ПОТРЕБНОСТИ И ПРОБЛЕМЫ КЛИЕНТА
Учитывая способности предприятия по выполнению центробежных трубных отливок было принято решение найти достаточную нишу рынка в области развеса литья до 3000 кг, что обеспечило бы максимально комфортные условия для работы литейного участка по возможности центробежной отливки, обработки литья, его термообработки, мехобработки, а также сочеталось бы с традиционными и доступными ресурсами по металлолому, поставке легирующих и пр.
Среди множества запросов, которые приходили в компанию и на который мог бы быть достаточный спрос со стороны арматурных предприятий, были запросы на изготовление шаровых пробок крупных шаровых кранов (см. рисунок 4).
Из других изделий вызывала интерес деталь типа «седло» с наплавкой стеллита, как правило, шабрирующее, в наибольшей степени отвечающее возможностям завода (см. рисунок 5).
Из других осесимметричных деталей были также рассмотрены штоки и собственно корпус крана. Формирование концепции полого штока было рассмотрено ранее (см.: Горобченко С. Л. Прогноз развития конструктивных решений в арматуре: полый шток, www.armavest.ru). Корпус крана представлял интерес с точки зрения использования центробежного трубного литья для применения в условиях абразивных пульп.
В настоящее время в приведенных изделиях, несмотря на массовость производства, используются технологии, свойственные единичной обработке изделий, в частности, это наиболее характерно для наплавки корпусов, шаров и особенно для седел (см. рисунок 6).
Проблемой было то, что все эти детали значительно меньше по цене, чем цена, которую предлагал бы за них завод. Несмотря на перспективность продукции по возможностям производства, завод от него отказывался.
ШАГ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСОВ КОМПАНИИ И СИСТЕМООБРАЗУЮЩЕЙ ПРОБЛЕМЫ ПОТРЕБИТЕЛЯ
2.1. РЕСУРСЫ КОМПАНИИ
Ресурсами, которые были доступны компании (ЛМЗ), могли бы стать бизнес и технические ресурсы, а также ресурсы и тренды внешней среды и делового окружения.
В частности, были выбраны:
На уровне продукта:
- Возможность использования разнообразных сплавов в литейном производстве. При этом было возможно формировать разнообразные свойства отливок.
- Наличие легко реализуемых патентов и доступных разработок в области новых сплавов, прошедших как минимум опытно-промышленную апробацию.
- Возможность литья биметаллических трубных заготовок.
На уровне потребителя:
- Тренды к уменьшению массы и материалоемкости арматуры, повышению длительности срока службы и уровня выполнения ими их главной полезной функции.
На уровне отрасли и рынка были выделены следующие ключевые факторы успеха:
• низкобюджетные цены на приведенные изделия,
• растущие требования к надежности эксплуатации,
• рост мероприятий по повышению безопасности,
• внимание потребителей к уменьшению не только цены, но и стоимости за весь срок службы арматуры,
• учет специфических требований потребителей.
2.2. СИСТЕМООБРАЗУЮЩАЯ ПРОБЛЕМА КЛИЕНТА
Было выделено многообразие решений по совершенствованию корпусов арматуры, шаровых пробок, штоков и седел шаровых кранов. Некоторые, наиболее часто применяемые решения приведены ниже:
Шаровые пробки:
- шаровая пробка выполняется из упрочненного материала,
- шаровая пробка выполняется с хромовым покрытием для придания поверхностной твердости и коррозионностойкости,
- шаровая пробка выполняется с плазменным (газоплазменным) напылением карбидов вольфрама, металлокерамическим покрытием или азотированием,
- шаровая пробка выполняется с внутренней или внешней наплавкой,
- шаровая пробка выполняется кованой для повышения прочности по сравнению с литой пробкой или пробкой, выточенной из проката,
- пробка выполняется из трубной заготовки с гидравлической раздачей в сферу.
Корпуса шаровых кранов:
- корпус выполняется раздельным,
- корпус выполняется из трубной цилиндрической заготовки с дальнейшей раздачей,
- корпус выполняется с наплавкой внутри.
Седла:
- седла выполняются из отдельных заготовок с наплавкой на стенде.
Анализ и обобщение выделенных решений показали основной тренд на совершенствование уже применяемых технологий. К ним можно было бы отнести повышение качества металла самой детали или переход к использованию биметаллической конструкции с наплавкой на базовый элемент детали более прочного материала с его дальнейшей термообработкой и шлифовкой.
Хотя последнее решение лучше решает вопрос повышения износостойкости, однако в тоже время приводит к многим другим недостаткам, ключевым из которых является увеличение трудоемкости и времени изготовления отдельных деталей. Вопрос качества износостойкости тоже может быть отнесен к спорным.
Экспертная группа выбрала для дальнейшего анализа шаровые пробки, как имеющие наибольший потенциал на рынке и максимально использующие ресурсы и производственные возможности предприятия.
ШАГ 3. УТОЧНЕНИЕ ЗАДАЧИ С УЧЕТОМ ЭТАПА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКТА, КОМПАНИИ И ПОТРЕБИТЕЛЯ (РЫНКА)
3.1. УТОЧНЕНИЕ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПРОДУКТА И КОМПАНИИ
Жизненный цикл продукта
Шаровые пробки
Анализ развития шаровых пробок показал, что несмотря на то, что этот элемент по сути является основным рабочим органом (в зависимости от выбора главной полезной функции – регулирования или отсечки), однако ему уделяется недостаточное внимание. Противоречие между необходимостью иметь цилиндрическую проточную часть и сферическую внешнюю часть пробки надолго определили основную направленность конструкции крана и достаточно большую материалоемкость кранов. Отметим, что способы решения этой проблемы при помощи простой раздачи трубной заготовки не прижились, поскольку уход от цилиндрической проточной части резко ухудшает состояние потока внутри ее.
Использование шаровых пробок с цилиндрической проточной частью сложилось достаточно давно и, несмотря на попытки использовать технологию с гидравлической раздачей пробки, по-прежнему является ведущей технологией. Такие пробки получили наибольшее распространение. Их цена достаточно низка из всех возможных вариантов. Основной тенденцией является поиск путей к большей унификации и совершенствованию некоторых элементов технологии - литья или ковки, покрытия или наплавки и пр.
Продукт в сегодняшнем состоянии можно отнести, по всей видимости, к середине третьего этапа жизненного цикла, хотя сам шаровой кран в настоящее время имеет значительную тенденцию к росту и может быть отнесен к третьему этапу.
Жизненный цикл компании (ЛМЗ)
Чугунные отливки, на которых ранее специализировался завод, чуть не привели его к банкротству в связи с чрезвычайно низкой ценой отливки. После прихода инвесторов на заводе заработала машина для центробежного литья трубных заготовок и после резкого разворота завода в сторону нержавеющих сталей его дела пошли на поправку.
Обобщая выделенные факторы, можно сказать, что линия этого продукта на заводе находится примерно на втором – начале третьего этапа своего развития (т. е. ТС продолжает развиваться и захватывать новые области).
3.2. УТОЧНЕНИЕ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ПОТРЕБИТЕЛЯ
Жизненный цикл потребителя
Арматурные компании, использующие шаровые пробки, – это компании по производству и ремонту шаровых кранов. Их количество растет, они организуются в ассоциации (например Ассоциация производителей шаровых кранов). Их рост зависит от возможности и степени вытеснения арматуры других типов, на которые ранее шаровые краны не претендовали, в частности, клиновых задвижек большого диаметра, а сами они (производители шаровых кранов) зависят от степени давления на них производителей дисковых затворов. Все вместе они зависят от инвестиционной активности и планов по модернизации крупных потребителей, где в наибольшей степени востребованы шаровые краны.
По параметрам оценки жизненного цикла предприятия-потребителя арматуры можно охарактеризовать как находящееся на третьем этапе. Такие предприятия, как правило, большие, стремятся к давлению на своих поставщиков, закупают по низким ценам, стремятся создавать значительные барьеры для входа, что характерно для третьего этапа рынка. Эта основная линия продолжается и до возможных производителей шаровых пробок, хотя и не так активно.
Этап развития рынка потребителя
Наличие большого числа западных и китайских компаний, производящих и поставляющих шаровые краны, привело к размыванию рынка в целом и появлению большого числа разнообразных решений, в том числе и по шаровым пробкам.
Использование достаточно большого количества технических решений показывает, что рынок испытывает некоторое развитие, однако связанное в большей степени с достижением стабильности и надежности в работе шаровой пробки как части технической системы. По мнению экспертной группы, его можно отнести к уровню конца второго - середины третьего этапа.
3.3. СОЧЕТАЕМОСТЬ ПРОДУКТА - КОМПАНИИ - ПОТРЕБИТЕЛЯ
Определение сочетаемости триады «Продукт – компания – потребитель (рынок)»
В соответствии с приведенными вариантами сочетаемости рынка, их взаимодействие должно определяться закономерностям второго–третьего этапа.
Второй этап рынка
На втором этапе интерес к опробованным решениям возникает у больших компаний или могущественных дилеров. Если потребитель говорит «да», то, без сомнения, за заказы начинается борьба и привлекаются все новые участники соревнований. Дилеры с широкими сетями будут интересоваться продвижением продукции и частично использовать решения.
Третий этап рынка
Количество потребителей растет, а вместе с ними растет конкуренция, цены создают возможности для роста, стандартизируется продукт.
ЛМЗ перенес трудные времена, что соответствовало четвертому этапу рынка, но рынок нержавеющей стали в применении к арматуростроению и шаровым кранам в частности, находится на третьем этапе. Однако приход зарубежных компаний оживил рынок, принеся новые свежие идеи, подтолкнул существующие на российском рынке компании искать и создавать продукцию как минимум второго этапа.
Можно предположить, что цели и идеальное состояние каждого из элементов триады может соответствовать успешному созданию нового продукта, его выводу на рынок и захвату умов потребителей.
ШАГ 4. ВЫДЕЛЕНИЕ УРОВНЯ РАЗВИТИЯ ПРОДУКТА ПО ЗРТС И ЗАКОНАМ РАЗВИТИЯ УСЛУГ
Выделение уровня развития продукта по ЗРТС
Нами были выделены несколько законов, которые в наибольшей степени могли бы оказать влияние на развитие шаровых пробок. Это следующие законы:
- динамизация,
- повышение управляемости системы,
- свертывание системы,
- переход в надсистему,
- согласование – рассогласование в системе,
- переход на микроуровень,
- переход «моно – би – поли»,
- дробление.
Динамизация. Шаровая пробка в нынешнем виде является статичным элементом. Ее дальнейшее развитие может быть связано с проявлением эффективности сопротивления в момент действия динамических сил потока.
Повышение управляемости системы. Шаровая пробка может согласовывать свое действие с работой шарового крана, что способствует также и снижению виброактивности и управляемости работы шарового крана в целом при его закрытии – открытии, демпфировании кавитации, пульсаций потока, собственных упругих волн внутри материала. Можем отметить, что в настоящее время техническая система «Шаровая пробка» находится на более низкой ступени развития.
Свертывание. Некоторые элементы шаровой пробки могут свертываться, как и она сама. В частности, во многих случаях используют пробку, отлитую вместе с валом, чтобы избежать поломок соединений и люфтов. Функции отдельных элементов, например, шумоподавляющих и кавитационных пластин, которые ранее были отдельными элементами узла регулирующего шарового крана передаются в преобразованном виде самой шаровой пробке. Свертывание может происходить и по элементам, которые ранее специально вводились в ближайшие к шаровой пробке подсистемы шарового крана. В частности, вибрация всегда ослабляет соединения шара с валом и влияет на долгосрочную надежность работы шарового крана. Шаровая пробка могла бы взять на себя часть функций по снижению передачи вибрации, поскольку именно она воспринимает вибрацию от потока. Отметим, что это решение частично применяется и имеет перспективу для развития.
Для литья свертывание также эффективно проводить и по технологическому процессу, (см. п. Методика 3. Совершенствование технологического процесса). В частности, мехобработка заготовок шаровых пробок с достижением сферической поверхности, их упрочнение термической, химико-термической обработкой, наплавление износостойкого слоя занимает большую часть нормо-часов при изготовлении шаровой пробки. Однако многие из этих видов обработки могут быть взяты на себя простой операцией литья.
Переход в надсистему. Шаровые пробки либо исчезают и передают свои функции другим частям системы, либо они развиваются дальше и берут на себя часть новых потребительских свойств системы. Решение частично применяется и близко к алгоритму свертывания.
Согласование – рассогласование. Действие шаровой пробки должно особенно усиливаться в момент приложения динамических сил или вредного влияния потока (абразивного износа, кавитации, пульсаций, гидроударов и пр.).
Переход на микроуровень. Подсистемы шаровой пробки, в частности материал, должны работать на всех уровнях (макро-, микроструктура стали).
Переход «моно – би – поли». Сталь может развиваться и дальше в сторону повышения анизотропности свойств, реализуемых различными фазами, входящими в структуру. Различные варианты упрочнения поверхности или перехода к твердым наплавленным поверхностям частично применяются.
Дробление. Для повышения эффективности работы шаровой пробки дробление единого шара на блоки облегчит другие задачи. Например, это может быть обеспечение перехода «моно – би – поли», введение материалов с различными свойствами, обладающих высокой энергопоглощающей способностью, внутрь шаровой пробки).
Выделение уровня развития продукта по законам развития услуг и экономическим законам
Шаровая пробка по проведенному анализу является главным рабочим органом технической системы «Шаровой кран», а вместе с седлом организует также и главный рабочий орган запорного шарового крана. Для таких систем с экономической точки зрения очень сильно влияние выполнения качественного продукта, его дифференциации и повышения уровня потребительской стоимости, в отличие от вспомогательных элементов системы, главные требования к которым обычно – низкая цена и достаточный уровень выполнения своих функций.
В формуле оценки путей развития системы «Шаровая пробка» как технико-экономической системы определяется как «Факторы качества / факторы издержек», поэтому основное внимание мы уделим потребительской стоимости.
Такие системы относятся к системам, где наиболее эффективно предоставление повышенного уровня услуг и стандартного продукта, но с более высоким качеством. Однако, как показано выше, техническая система «Шаровая пробка» недостаточно развивается, в связи с чем можно предположить, что должен появиться эксклюзивный набор свойств и некоторая уникальность в предоставляемом продукте, что соответствовало бы второму этапу развития рынка.
ШАГ 5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИКР
Определение ИКР включало в себя определение ИКР для продукта и компании и ИКР для потребителя и рынка. При этом в большей степени ИКР понимался как идеальное состояние системы «Продукт – компания – потребитель – рынок).
Определение ИКР для компании и ее продукта
Из анализа условий работы компании, ее истории и ее способностей следует, что развиваться должен именно материал шаровой пробки, а не ее заменители или решения по ее исключению.
ИКР для продукта компании был сформулирован следующим образом:
«Икс-элемент, вводимый в шаровую пробку, при минимальных изменениях в системе обеспечивает максимальную серийность, минимум изменений в технологии и высокую добавленную стоимость».
Определение ИКР для потребителя
ИКР для потребителя был сформулирован следующим образом:
«Икс-элемент, не превышая допустимых пределов по цене, обеспечивает повышение динамичности, управляемости, свертываемости шаровой пробки (переход в надсистему)».
ШАГ 6. СОГЛАСОВАНИЕ ИКР
По результатам работы экспертной группы было принято решение совершенствовать продукт преимущественно по ИКР продукта и компании с обеспечением повышения динамичности шаровой пробки.
ШАГ 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПРОТИВОРЕЧИЙ
В данной задаче основным противоречием было признано следующее:
«Используемый материал должен обеспечить максимальное повышение потребительской стоимости (количества выполняемых функций) и стать динамичным и не должен им быть, чтобы не превышать допустимый предел по цене».
Техническое противоречие выглядело как: «это должна быть сталь и не должна быть сталь».
Для снижения давления психологической инерции замещаем слово «сталь» на материал.
Усиливая конфликт, получаем:
«Икс-материал также приемлем как сталь, но способен быть динамичным в соответствии с анализом развития ТС «Шаровая пробка» по ЗРТС и согласованными ИКР для продукта – компании и потребителя – рынка.
Противоречие, поставленное в таком виде, отражает потребности как компании, так и потребителя.
ШАГ 8. ФОРМИРОВАНИЕ ПРООБРАЗА РЕШЕНИЯ
Уточнение задачи показало, что нужен материал, который бы становился динамичным в момент вредного воздействия динамических сил и способен был бы поглощать их.
Для поиска прообраза решения были проанализированы имеющиеся материалы, которые могли бы удовлетворить таким требованиям. В качестве базовых были приняты вибродемпфирующие материалы на основе стали, а также медномарганцевые сплавы, имеющие большой коэффициент затухания и внутреннего трения. Дополнительно рассматривались возможности использования перевода механической энергии в токи Фуко, электромагнитную энергию, пьезоэлектрические эффекты, использование характерных для ферромагнетиков механомагнитный эффект демпфирования. Рассматривались варианты использования материалов с эффектами памяти формы, расплавлением высокодемпфирующих материалов, например свинца, использованием армированных материалов с высокодемпфирующими вставками и пр. С учетом того, что каждый трубопровод характеризуется своим частотным спектром пульсационных и вибрационных характеристик, рассматривалось применение амплитудно-зависимых демпфирующих материалов, способных обеспечивать на определенных частотах максимальное вибродемпфирование.
Важность рассмотрения именно вибродемпфирования заключается в том, что до 80 % выходов из строя машин и механизмов, включая и шаровые краны, связано с резонансными вибродеформационными явлениями [1].
Главным свойством такого материала должна быть способность к демпфированию механической энергии и диссипации (рассеянию) механических нагрузок при вибрации. Другим важным свойством такого материала должна быть способность к гашению упругих волн (энергопоглощению, рассеянию, диссипации упругих волн материала, идущего от пульсаций потока через шаровую пробку на вал (шпиндель) и на корпус).
Таким образом, нужно было использовать материал, который бы обладал высокой способностью к диссипации (рассеянию) энергии материала внутри него самого, в частности за счет повышения внутреннего трения, снижения модуля упругости и др.
Для этого был выбран один из наиболее сильных вибропоглощающих материалов – марганцевомедный сплав Г75Д25. Он в разы превышает способность к поглощению вибраций традиционных для шаровой пробки нержавеющих материалов - стали 12Х13 и 12Х18Н10Т (см. рисунок 9).
Для применения сплава Г75Д25 в стальных шаровых пробках необходимо решить задачу его размещения внутри самой шаровой пробки. Ресурсом для этого может служить не используемое до сих пор пространство между сферической и цилиндрической частью пробки (см. рисунок 10).
По ИКР для продукта и компании это должен быть некоторый способ получения центробежных отливок. По ИКР для потребителя это должна быть шаровая пробка, имеющая наименьшее количество изменений по сравнению со стандартно используемой.
Для получения прообраза решения были проанализированы возможные способы получения центробежнолитых заготовок шаровых пробок. С учетом методики 3 «Совершенствование технологических процессов» основной операцией должно было стать свертывание технологического процесса. Главным способом при этом было принято свертывание механических видов обработки. Большинство видов стандартной мехобработки предлагалось заменить изготовлением новых видов центробежнолитых заготовок.
Прообразом решения стало использование трубных кокилей с заполнением их кокильными вставками, формирующими шаровую пробку. Для получения вставок из марганцевомедного сплава в стальных шаровых пробках предлагалось изготавливать заготовки этих вставок заранее на центробежнолитой машине и после разрезки и обработки заключать в стальные стаканы с той же температурой плавления, что и основного сплава. Стаканы должны будут устанавливаться в кокильные вставки, формирующие шаровые пробки и заранее балансироваться.
Более сильным вариантом, по мнению экспертной группы, могла бы стать вставка из сплава Г75Д25, на которую наливался бы состав, контактирующий с абразивной средой. Это решение, направленное на характерный для работы шаровых кранов ударно-абразивный износ, позволило бы эффективно гасить возникающие в противоабразивном слое, имеющем высокую твердость и хрупкость, упругие волны. Как правило, упругие волны в хрупком материале приводят к разрушению материала еще до начала износа.
В предлагаемом решении максимальный доступный объем материала в шаровой пробке может быть заполнен вибродемпфирующим сплавом и этим способствовать максимальному снижению вибропроводимости, а также в большей степени исключению трещинообразования в хрупком противоабразивном слое.
Прообраз решения представлен на рисунке 11.
Альтернативным вариантом служил переход на сплавы, выделяющие марганцево-медную фазу при кристаллизации в примерном содержании, характерном для вибродемпфирующего сплава Г75Д25. В этом случае формировалась бы анизотропная структура, где в осях дендритов был бы состав, характерный для металлической матрицы сплава, а в междендритных участках благодаря ликвации были бы марганцево-медные области, способные работать как вибродемпфирующие элементы. Некоторое упрощение решения могло быть достигнуто при применении пористой структуры основного материала, которую можно было бы установить как вкладыш в пробку и пропитать ее марганцево-медным сплавом. В этом случае вся внутренняя область пробки могла бы работать как единая вибродемпфирующая конструкция. Это решение предсказывал закон перехода на микроуровень.
Для повышения эффективности и свертывания максимального количества операций по дальнейшей обработке предлагалось использовать облицовку кокиля, способную обеспечить максимальную гладкость поверхности, практически до припусков шлифовки и одновременно обеспечить несколько альтернативных вариантов подготовки сферической поверхности для упрочнения. Варианты упрочнения представлены ниже:
Вариант 1. Предлагалось на облицовку вводить упрочняющие легирующие элементы или упрочняющую фазу, способную диффундировать в расплав в поверхностной части будущей шаровой пробки. После отливки в связи с малыми припусками на мехобработку, получаемыми при использовании соответствующих облицовок и обеспечивающими минимальную шероховатость, предлагалось проводить только операции шлифовки и полировки.
Вариант 2. Предлагалось использовать технологический эффект, характерный для центробежного литья, а именно способность самоочистки кристаллизующегося расплава от включений и загрязнений, особенно медистых. В этом случае глубина последующего азотирования может быть резко увеличена. При увеличении глубины азотирования при тех же параметрах может быть сокращена длительность химико-термической обработки или значительно повышена глубина азотирования. Это, в свою очередь, создает возможности для более полного использования шаровой пробки, например использования большего количества ремонтных размеров.
Центробежную отливку с армированием марганцево-медными вибропоглощающими вставками и плакирующим износостойким слоем на проточной части шаровой пробки предлагалось проводить в два этапа.
Этап 1. Заливка основного сплава (стали) в соответствии со спецификацией производителя арматуры. Заливка основного состава обеспечивала бы формирование шаровой пробки и проливку закладки из марганцево-медного сплава с его прочным удержанием в стальной матрице.
Этап 2. Полученную пролитую матрицу предлагалось доливать износостойким сплавом для исключения (свертывания) трудоемкой операции наплавки.
Для повышения производительности предлагалось использовать облицовочную футеровку кокиля и профилирование шаровой пробки на футеровке кокиля при помощи накатного ролика, хорошо освоенного производителями центробежнолитых заготовок.
Таким образом, обеспечивается максимальное поглощение вредных динамических сил потока, возникающих при его пульсациях. Длинные кокили с кокильными вставками и вкладышами из марганцево-медного сплава, а также отливка биметаллического расплава с износостойким слоем для формирования противоабразивной проточной части шаровой пробки должны были резко уменьшить протяженность технологического процесса и обеспечить значительную экономию. Дополнительные возможности, предоставляемые возможностью поверхностного легирования (вариант 1) или самоочистки расплава (вариант 2) создавали бы возможности для еще большего свертывания технологического процесса, уменьшения трудоемкости и длительности технологического процесса и повышения потребительской ценности предлагаемого нового решения.
В качестве результата можно было ожидать снижение материалоемкости, трудоемкости и, соответственно, себестоимости шаровой пробки с повышением ее потребительских свойств, в частности, снижение общей виброактивности шарового крана и уменьшение количества случаев усталостных, акустических разрушений и выхода из строя по причине недостаточной стойкости конструкции против вибраций.
Основным полем для развития идеи и предложения на рынке стали требования многих ведущих инжиниринговых компаний по включению повышенных нормативов, связанных с сопротивлением материала вибрации и усталости, а также развития законодательства об охране труда. Одним из направлений борьбы с вибрацией в настоящее время являются уменьшение вибропроводности и исключение вибрации в источнике вибрационной активности.
На рынке решений по снижению виброактивности арматуры при помощи применения вибродемпфирующих материалов не обнаружено, хотя решения, обеспечивающие снижение виброактивности арматуры, распространены и весьма востребованы.
Предлагаемые решения были оценены на соответствие инновационной стратегии предприятия по критериям, оценивающим способности предприятия реализовать данный инжиниринговый проект. Рассмотрены варианты:
А. Центробежная отливка биметаллической заготовки основного металла и стеллита с дальнейшей механической обработкой и обточкой под сферу.
В. Центробежная биметаллическая отливка в кокильные вставки с получением сферической поверхности.
С. Центробежная отливка с включением стальных стаканов с предварительно отлитым в них вибродемпфирующим сплавом.
D. Центробежная отливка в кокильные вставки по схеме:
Предварительный этап – подготовка кокильных вставок с нанесением облицовки из карбидов вольфрама или других упрочняющих элементов для поверхностного легирования отливки.
Основной этап – центробежная отливка.
1. Установка вкладыша.
2. Заливка основного сплава.
3. Заливка стеллита или противоабразивного сплава.
Данные оценки приведены в таблице 2.
Все четыре стратегических варианта развития продуктовой линии «Шаровые пробки» в ЛМЗ могут быть реализованы в обозримой перспективе. Учитывая значительное количество производителей шаровых пробок, выполняющих их из простых материалов и трубного проката, реализация варианта А не представлялась конкурентоспособной. Вариант В создает незначительную потребительскую стоимость, а вариант D может потребовать значительных и долгих испытаний, хотя все элементы технологии осуществимы при приемлемых затратах на доработку технологии с привлечением научно-исследовательских организаций.
По результатам анализа экспертной группой был выбран вариант С, как имеющий достаточную перспективу для коммерциализации и приемлемые технические и коммерческие риски для предприятия.
ШАГ 9. ФОРМИРОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
Для уменьшения значительных изменений в конструкции и с целью облегчения внедряемости решений оптимально использовать существующие конструкции центробежных отливок и имеющуюся технологию. В связи с этим экспертной группой было выделено решение, где профилирование внешней поверхности шаровой пробки могло бы производиться при помощи накатного ролика (см. рисунок 12).
В готовые накатанные формы в кокильных вставках далее должна производиться закладка стальных бандажей с включенными в них марганцево-медными вибропоглощающими вставками из сплава Г75Д25. Кокильная вставка должна быть динамически отбалансирована заранее. Отбалансированные кокильные вставки затем устанавливаются в основной кокиль длиной до 4 м и закрепляются. Наружный плакирующий слой должен формироваться на этапе второй центробежной отливки с использованием износостойких сплавов.
Анализ патентов в области технологий изготовления и конструкций шаровых пробок показал, что предлагаемая конструкция обладает достаточной новизной. При этом конструкция кокильных вставок и заливочного устройства может быть доработана силами конструкторско-технологической группы предприятия.
9.1. АНАЛИЗ НА УСПЕШНОСТЬ НОВОГО ПРОДУКТА
Анализ на успешность на рынке нового продукта проведем по следующим критериям:
- последовательность в развитии продукции на предприятии;
- гармоничность с имеющейся номенклатурой и согласование со способностями предприятия;
- наличие конкурентных преимуществ на рынке;
- осуществимость.
Данные анализа представлены в таблице 3.
ШАГ 10. ПРОРАБОТКА РЕШЕНИЙ С ПОТЕНЦИАЛЬНЫМИ ПАРТНЕРАМИ
Учитывая, что решение оказалось достаточно простым, его дальнейшую разработку предлагалось осуществлять своими силами. В случае обнаружения проблем предполагалось обратиться в НИТИ (Всесоюзный научно-исследовательский институт трубной промышленности).
ШАГ 11. ЗАДАЧИ ПО ВНЕДРЕНИЮ
Полученные предварительные решения были переданы в конструкторский, технологический отделы для дальнейшей проработки. На основе рассмотренных выделенных потребительских свойств новой конструкции шаровой пробки были предложены информационные письма для тестирования рынка, а также модели расчетов технико-экономических обоснований для партнеров и составлен список потенциальных потребителей решения. Материалы были переданы в отдел продаж для проработки и согласования технических условий с потребителями и дальнейших шагов по реализации проекта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Класс инжиниринговых задач имеет существенные отличия от других видов изобретательских задач и для своего решения требует применения развитого системного подхода. Для решения таких задач в большей степени соответствуют методы ТРИЗ. Для каждого вида инжиниринговых задач могут быть предложены свои комплексы методик, а учитывая возможность их объединения в единый алгоритм, может быть предложен и общий алгоритм решения инжиниринговых задач (АРИнЗ).
АРИнЗ имеет существенные отличия от традиционного классического АРИЗ и ближайшего к нему АРИП и специализирован на решении более «размытых» и плохо формализуемых задач с большим влиянием рыночных факторов. В этом плане учет этапов жизненного цикла существующих продуктов, потребителя и рынка, позволяет сформировать ИКР для каждого из элементов триады «Продукт – компания – потребитель», более точно рассмотреть совокупность противоречий, характерных для каждого из них и обеспечить максимальную приближенность создаваемого инжинирингового продукта требованиям потребителя и рынка и его наибольшую прибыльность.
Результаты применения АРИнЗ для создания концептуально нового продукта – вибродемпфирующей шаровой пробки – показывают его большую практическую значимость и выводят на новые типы решений, вероятность принятия которых рынком будет более высока по сравнению с решениями, выполняемыми без учета состояния продукта – компании и потребителя (рынка).
Литература
1. Фавстов В. К. Металл
