Цель
Основной целью выпускной квалификационной работы было проведение полного цикла реверс-инжиниринга крупногабаритного отсекающего клапана Ду1300. Проект решал две задачи:
- Создание комплекта РКД для импортозамещения изделия;
- Модернизация клапана путем разработки и интеграции системы автоматического управления.
Задачи
Работа включала следующие этапы:
- 3D-сканирование;
- Постобработка и параметрическое моделирование в Geomagic Design X каждой отдельной детали узла клапана;
- Перенос параметрических моделей в КОМПАС-3D: были восстановлены все дерева параметрических моделей из GDX;
- Сборка моделей в единый узел;
- Подбор материалов и оборудования;
- Проверочные расчеты:
- расчет статических и динамических нагрузок;
- расчет моментов трения и гидродинамического момента для выбора оптимального электропривода (российского производства). Электропривод ГЗ-В типоразмера 9034 и редуктор Ч-160, подобранные на основе расчетов не подошли, т.к. их суммарная масса превышала оригинальные в 2,5 раза;
- расчет системы аварийного закрытия (рычаг, контргруз, электромагнит, амортизатор).
- Разработка системы автоматизации;
- Создание РКД.
В основу проекта лег бывший в эксплуатации отсекающий клапан Ду1300 производства ARMATURY Group. Первоочередной задачей стало создание его точного цифрового двойника. Для этого была применена технология трехмерного лазерного сканирования. На начальном этапе использовался ручной сканер Scanform L5, однако при контроле геометрии седла в Geomagic Control X выяснилось, что только 35,6% точек укладываются в заданный допуск ±0,1 мм. Этой точности было недостаточно для ответственного узла, обеспечивающего герметичность. Было принято решение о повторном, более тщательном сканировании внутренних поверхностей с помощью высокоточного сканера KSCAN-Magic. Новый скан позволил достичь требуемого результата: 84,1% точек попали в поле допуска, что сделало данные пригодными для дальнейшей работы.
Полученные облака точек были обработаны в Geomagic Design X. Здесь проводился не просто перевод в твердотельную модель, а глубокий анализ конструкции. Особое внимание было уделено эксцентриситетам — ключевой особенности клапанов данного типа, влияющей на долговечность уплотнения. Были рассчитаны теоретические значения первого эксцентриситета по методике из справочника Д.Ф. Гуревича и сравнены с фактическими, полученными со скана. Это позволило сделать выводы о конструкторских решениях, заложенных заводом-изготовителем.
Следующим трудоемким этапом стал перенос геометрии в САПР КОМПАС-3D. Так как прямой трансляции параметрических моделей из Geomagic Design X в КОМПАС-3D не существует, было принято решение о полном воссоздании дерева построения для каждой из деталей вручную. Таким образом, это позволило получить не мертвые импортированные тела, а полноценные, редактируемые параметрические модели. Уже на их основе была выполнена окончательная сборка изделия.
Параллельно с моделированием проводился большой блок инженерных расчетов для верификации конструкции и подбора отечественных компонентов. Были рассчитаны статические и динамические нагрузки от веса и давления среды, определены моменты трения в опорах, сальниковом уплотнении и седле, а также гидродинамический момент, возникающий от потока. Эти расчеты легли в основу выбора силовых агрегатов. Однако именно здесь анализ выявил проблему импортозамещения: подобранные по требуемому крутящему моменту отечественные электропривод ГЗ-В типоразмера 9034 и редуктор Ч-160 обладали суммарной массой, в 2,5 раза превышающей массу оригинальных немецких агрегатов Auma. Это означало, что простая замена невозможна, так как она привела бы к недопустимой перегрузке и необходимости полного перепроектирования всей рычажной системы аварийного закрытия.
Был также выполнен проверочный расчет системы безопасности, включающей контргруз, рычаг, удерживающий электромагнит и демпфер (амортизатор). Были определены центр масс системы, требуемая сила удержания электромагнита (3848 Н) и спроектированы характеристики амортизатора для гашения удара при аварийном закрытии.
Завершающим этапом стала разработка проекта автоматизации. В ходе анализа рынка и доступных технических решений было принято решение строить систему на компонентах Siemens. Данный выбор был продиктован не предпочтениями, а совокупностью факторов: Во-первых, основным требованием была бесшовная интеграция и создание единой экосистемы управления. Вдобавок отсутствовал опыт работы с отечественными комплектующими и SCADA-системами. Во-вторых, элементом для точного управления клапаном является электропневматический позиционер. Для арматуры такого диаметра и класса ответственности простого дискретного управления "открыто/закрыто" недостаточно; требуется возможность точного позиционирования тарели с получением обратной связи. На момент выполнения проекта на российском рынке отсутствовали серийно выпускаемые позиционеры, сопоставимые с Siemens SIPART PS2 по совокупности характеристик: точности (до 0.1%), быстродействию и наличию функций самодиагностики.
Результат
Итог проекта — это не просто набор чертежей, а комплексное инженерное решение, подкрепленное глубоким анализом и расчетами.
Использованное ПО: Geomagic Design X, Geomagic Control X, КОМПАС-3D v20, Siemens TIA Portal & WinCC.