Проектирование сварочно-наплавочного участка и технологического процесса: Методическое руководство для курсового проекта

Введение: Актуальность, цели и структура расчетно-пояснительной записки

В условиях интенсификации эксплуатации машин и оборудования, особенно дорожно-строительной техники (ДСТ) и автотранспорта, вопрос восстановления изношенных деталей приобретает стратегическое значение, поскольку он напрямую влияет на операционную эффективность всего предприятия. Согласно отраслевой статистике, сварочно-наплавочные способы восстановления деталей составляют от 60% до 80% общего объема ремонтных работ, что делает проектирование эффективного и технически оснащенного сварочно-наплавочного участка краеугольным камнем ремонтно-механического предприятия.

Цель данного проекта — разработка исчерпывающей расчетно-пояснительной записки (РПЗ) по проектированию специализированного участка, способного обеспечить заданную годовую программу ремонта, а также разработка детального технологического процесса сборки типового узла.

Объект проектирования: Сварочно-наплавочный участок ремонтно-механического предприятия.

Предмет проектирования: Методология расчета производственного объема, подбор оптимального оборудования и персонала, разработка технологий восстановления и сборки, а также обеспечение требований охраны труда и качества.

Логика структуры РПЗ выстроена по классическому инженерному алгоритму: от макроуровня (расчет общего объема работ и ресурсов) к микроуровню (детализация технологического процесса, нормирование и контроль качества), что обеспечивает строгое соответствие академическим требованиям курсового проектирования.

Инженерный расчет производственного объема и ресурсов участка

Расчет любого производственного участка начинается с точного определения его годовой загрузки и доступного фонда времени. Этот этап критически важен, поскольку именно он формирует требования к количеству оборудования, площади и численности персонала, определяя в конечном счете экономическую эффективность будущего цеха.

Расчет годового объема работ ($T_{rг}$) и фонда времени оборудования ($F_{д}$)

Годовой объем работ, выраженный в трудоемкости, является ключевым показателем для проектирования. Он представляет собой суммарное время, необходимое для выполнения всей производственной программы на данном участке.

1. Расчет годовой трудоемкости (T_rг):

Годовая трудоемкость работ по ремонту (T_rг), выраженная в нормо-часах, определяется как сумма произведений трудоемкости ремонта каждой i-й детали или изделия на годовую программу их ремонта:

Tᵣᵧ = Σᵢ₌₁ⁿ Tᵢ · Nᵢ

Где:

• T_rг — годовая трудоемкость работ участка (нормо-часы/год).
• Tᵢ — трудоемкость ремонта i-го изделия/детали на данном участке (нормо-часы/шт.).
• Nᵢ — годовая производственная программа ремонта i-х изделий/деталей (шт./год).

Уточнение: Трудоемкость Tᵢ для сварочно-наплавочного участка включает только те операции, которые выполняются непосредственно на этом участке (подготовка к наплавке, наплавка, сварка, зачистка, контроль). При отсутствии детальных маршрутных карт допускается использование укрупненных нормативов, скорректированных коэффициентами (k₁ … k₅), учитывающими тип производства и сложность изделия. Например, корректирующий коэффициент k₁ может варьироваться от 1,0 до 1,3 в зависимости от сложности и требований к восстановлению, что обеспечивает запас по мощности.

2. Расчет действительного фонда времени работы оборудования (F_д):

Производственный фонд времени — это максимально возможное время работы единицы оборудования в течение года. Он всегда меньше календарного фонда времени из-за неизбежных потерь на ремонт, обслуживание и регламентированные простои.

Действительный (эффективный) фонд времени (F_д) рассчитывается по формуле:

Fᵣ = Dᵣ · tₛₘ · nₛₘ · Kᵢₛₚ

Где:

• Dᵣ — количество рабочих дней в году (для пятидневной недели, как правило, 250–255 дней).
• tₛₘ — продолжительность смены (обычно 8 часов).
• nₛₘ — количество смен работы участка (1 или 2).
• Kᵢₛₚ — коэффициент использования рабочего времени (отражает плановые потери на техническое обслуживание и ремонт).

Согласно инженерным нормативам для ремонтных участков машиностроительных предприятий, коэффициент использования оборудования (Kᵢₛₚ) обычно принимается в диапазоне 0,95–0,98. Если принять Dᵣ=255 дней, tₛₘ=8 часов, nₛₘ=1 смена и Kᵢₛₚ=0,96, то:

Fᵣ = 255 · 8 · 1 · 0,96 = 1958,4 часов/год

Определение потребности в оборудовании и численности персонала

Получив данные о годовой трудоемкости и фонде времени, можно перейти к определению необходимой производственной мощности — то есть количества станков и рабочих.

1. Расчет потребного количества единиц оборудования (C_пр):

Потребное (расчетное) количество оборудования каждого типоразмера (например, сварочных тракторов, наплавочных стендов) определяется отношением годовой трудоемкости по данному типу операций (Q) к действительной производительности одной единицы оборудования.

Cₚᵣ = Q / (Fᵣ · Kᵥₙ)

Где:

• Q — годовая трудоемкость операций, выполняемых на данном типе оборудования (нормо-часы).
• Fᵣ — действительный фонд времени работы оборудования (часов/год).
• Kᵥₙ — плановый коэффициент выполнения норм.

Коэффициент выполнения норм (Kᵥₙ) учитывает, что реальная производительность труда рабочих, как правило, превышает установленные нормы. В ремонтном производстве он обычно принимается в диапазоне 1,1 – 1,2. Если Cₚᵣ получается дробным, он округляется до ближайшего большего целого числа (например, 2,3 → 3). Почему необходимо округление всегда в большую сторону? Потому что неполностью загруженная единица оборудования экономически выгоднее, чем остановка производства из-за нехватки мощностей.

2. Расчет численности основного и вспомогательного персонала:

• Численность основных рабочих (Ч_осн):
  Основные рабочие — это те, кто непосредственно выполняет технологические операции. Их численность рассчитывается исходя из общей годовой трудоемкости участка и годового фонда времени одного рабочего:

  Чₒₛₙ = Tᵣᵧ / (Фₛ · Kᵥₙ)

  Где Фₛ — годовой фонд времени одного штатного рабочего (в часах), который учитывает регламентированные невыходы (отпуска, болезни).

• Численность вспомогательных рабочих (Ч_всп):
  Вспомогательные рабочие (наладчики, кладовщики, подсобные рабочие) рассчитываются либо по укрупненным нормативам (таблицам ОНТП), либо детализировано.

  По опытно-статистическим нормативам, для расчета может быть использована формула:

  Чᵥₛₚ = Tᵥₛₚ / Фₛ

  Где Tᵥₛₚ — годовая трудоемкость вспомогательных работ (которая может составлять до 35% от общего фонда рабочего времени основного персонала, включая подготовительные работы, обслуживание и наладку).

Сводный расчет ресурсов участка (Пример)

Показатель	Единица измерения	Формула расчета	Примерное значение
Годовая трудоемкость (Trг)	нормо-ч	Σ Tᵢ · Nᵢ	15 000
Действительный фонд (Fд)	ч/год	Dᵣ · tₛₘ · nₛₘ · Kᵢₛₚ	1958,4 (при Kᵢₛₚ=0,96)
Коэффициент выполнения норм (Kвн)	б/р	Плановый норматив	1,15
Потребное оборудование (Cпр)	ед.	Tᵣᵧ / (Fᵣ · Kᵥₙ)	15000 / (1958,4 · 1,15) ≈ 6,7 → 7 ед.
Основные рабочие (Чосн)	чел.	Tᵣᵧ / (Фₛ · Kᵥₙ)	15000 / (1800 · 1,15) ≈ 7,2 → 8 чел.

Выбор и обоснование оптимальных сварочно-наплавочных технологий

Выбор технологии восстановления определяется типом износа детали и требованиями к восстановленной поверхности (твердость, износостойкость, точность). Для ремонта крупногабаритных деталей (опорные катки, направляющие колеса ДСТ) с большими износами, решающее значение приобретает производительность и качество наплавленного слоя, поскольку эти факторы прямо влияют на расчет производственного объема.

Технологические преимущества автоматической наплавки под флюсом

Автоматическая наплавка под слоем флюса (АФН) является оптимальным решением для восстановления цилиндрических и плоских поверхностей с износами, требующими нанесения значительного слоя металла.

Ключевые преимущества АФН:

1. Высокая производительность: Автоматизированный процесс обеспечивает производительность в 6–10 раз выше, чем при ручной дуговой наплавке, что критично для выполнения больших годовых программ.
2. Экономия материала: Защита зоны дуги флюсом минимизирует потери металла на разбрызгивание, которые составляют всего 1–3%.
3. Стабильность процесса и качества: Обеспечивается стабильное качество шва и равномерное проплавление.
4. Возможность легирования: Заданные химический состав и механические свойства наплавленного слоя могут быть получены не только через проволоку, но и за счет легирующих добавок в флюсе.

Ограничения: Существенным недостатком является значительный тепловой ввод, который может вызывать коробление деталей. Технология ограничивает наплавку деталей малого диаметра (рекомендуется применять для диаметров не менее 50–60 мм). Не следует ли при выборе технологии АФН всегда учитывать последующую термообработку для снятия напряжений?

Применение наплавочных материалов и требования к качеству

Для достижения требуемой износостойкости используются специальные легированные наплавочные проволоки. Выбор материала должен быть обоснован условиями работы восстановленной детали (трение, ударные нагрузки, абразивный износ).

Оптимальный выбор материала: Для деталей, работающих в условиях трения металла о металл при знакопеременных и ударных нагрузках (например, катки, валы, оси), рекомендуется использовать легированную наплавочную проволоку, например, Нп-30Х5 по ГОСТ 10543-98.

Химический состав (Нп-30Х5):

• Углерод (С): 0,27–0,35%
• Хром (Cr): 4,00–6,00%
• Марганец (Mn): 0,40–0,70%

Высокое содержание хрома обеспечивает формирование карбидов, что критически повышает износостойкость. Наплавленный металл, в зависимости от режима и скорости охлаждения, должен обеспечивать твердость в диапазоне 49–57 HRC.

Нормативные допуски для ответственных узлов

При проектировании ремонтно-технологического процесса необходимо строго соблюдать нормативы точности, установленные для восстановленных деталей, особенно после финишной механической обработки (шлифования). Высокая точность, например, для сборочных работ является приоритетной.

В качестве примера рассмотрим восстановление коленчатых валов — одного из наиболее ответственных узлов ДВС:

1. Критерий начала ремонта: Ремонт (включая наплавку и последующее шлифование) требуется, если овальность или конусность шеек превышает 0,03 мм.
2. Критерий качества после восстановления: После наплавки, шлифования и доводки овальность и конусность шеек коленчатого вала должны быть не более 0,007 мм. Это требование подтверждает, что сварочно-наплавочный участок должен быть укомплектован высокоточным шлифовальным оборудованием, способным обеспечить необходимую точность.

Контроль качества коленчатых валов

Деталь	Параметр контроля	Требование до ремонта (max)	Требование после ремонта (max)
Коленчатый вал (шейка)	Овальность/конусность	0,03 мм	0,007 мм
Вал, ось (посадочная поверхность)	Твердость наплавки	—	49–57 HRC

Разработка технологического процесса сборки типового узла и нормирование

Сварочно-наплавочный участок, как правило, является частью общего ремонтно-механического цеха. Восстановленные детали поступают на сборочный участок, где происходит окончательная сборка узлов. Разработка технологического процесса (ТП) сборки требует тщательного планирования и точного нормирования, поскольку ненормированные операции приводят к задержкам и перерасходу бюджета.

Схема технологического процесса сборки

Разработка ТП сборки начинается с изучения конструкторской документации (сборочные чертежи) и Технических Условий (ТУ) на сборку, которые регламентируют последовательность, зазоры, натяги и усилия затяжки резьбовых соединений.

Технологический процесс сборки узла (например, коробки передач или опорного катка) разбивается на следующие логические группы операций:

1. Вспомогательные операции: Приемка деталей, промывка, сушка, обезжиривание, проверка наличия и комплектности, визуальный контроль восстановленных поверхностей.
2. Сборочные операции (основные): Установка деталей на стенд, запрессовка подшипников, монтаж валов, установка прокладок, закрепление корпусных деталей.
3. Слесарные операции: Подгонка (при необходимости), снятие заусенцев, регулировка зазоров (например, тепловых зазоров в подшипниках), затяжка резьбовых соединений с контролем момента (по ТУ).
4. Контрольные операции: Проверка соосности, перпендикулярности, осевого люфта, усилия затяжки, герметичности (при необходимости).
5. Заключительные операции: Установка защитных крышек, консервация, маркировка.

Детализированное нормирование времени на сборочные работы

Нормирование сборочных работ позволяет рассчитать годовую трудоемкость сборочного участка и определить потребность в сборочных стендах и персонале. Основной задачей является определение штучного времени (t_шт) на выполнение одной операции:

tₛₕₜ = tₒₛₙ + tᵥₛₚ + tₒᵦ + tₚ

Где:

• t_шт — штучное время.
• t_осн — основное время (непосредственное выполнение операции: установка, затяжка).
• t_всп — вспомогательное время (взятие инструмента, подача детали).
• t_об — время на обслуживание рабочего места (чистка, смазка, подналадка).
• t_п — время на отдых и личные надобности.

Согласно общемашиностроительным нормативам, для слесарно-сборочных работ, не требующих сложных настроек, время на обслуживание рабочего места и время на отдых и личные надобности (t_об + t_п) нормируется как процент от оперативного времени (t_осн + t_всп):

tₒᵦ + tₚ = 6% · (tₒₛₙ + tᵥₛₚ)

Детализация норматива: Из этих 6% обычно 4% отводится на отдых (для снятия физического утомления) и 2% на личные надобности. Использование этого строгого норматива обеспечивает методологическую корректность курсовой работы и предотвращает превышение установленных сроков.

Требования к контролю качества и охране труда на участке

Качество сварных и наплавленных соединений напрямую влияет на надежность и ресурс восстановленной машины. Проектирование участка должно учитывать не только технологические, но и нормативные требования к контролю и безопасности, поскольку ошибки на этом этапе влекут за собой юридические и финансовые риски.

Нормативные методы контроля качества сварных соединений

Для обеспечения высокого качества восстановления деталей необходимо использовать комплекс методов контроля. Методы контроля качества сварных соединений устанавливает ГОСТ 3242-79 (Классификация) и более современный ГОСТ Р 52630-2012 (Требования к качеству).

Основные методы контроля:

1. Визуальный и измерительный контроль (ВИК):
   Это обязательный первичный контроль. Он позволяет выявить поверхностные дефекты (трещины, поры, прожоги, наплывы) и проверить геометрию. Допускается отклонение размера и формы сварного соединения от заданных величин не более 0,1 мм.
2. Неразрушающие методы:
   • Ультразвуковой контроль (УЗК): Применяется для обнаружения внутренних дефектов (непроваров, шлаковых включений, внутренних трещин) в толстостенных деталях (ГОСТ 14782).
   • Радиографический контроль (РТ): Обеспечивает точную фиксацию внутренних дефектов, применяется для наиболее ответственных соединений (ГОСТ 7512).
   • Капиллярный контроль (Цветная/Люминесцентная дефектоскопия): Используется для выявления мельчайших поверхностных трещин, не видимых невооруженным глазом.

Важный технологический аспект: Окончательный контроль качества сварных соединений, особенно сосудов и ответственных деталей, подвергаемых термической обработке (нормализации для снятия внутренних напряжений), должен проводиться после термической обработки.

Инженерные решения по производственной санитарии и безопасности (Детализация ПДК и Вентиляции)

Сварочно-наплавочный участок является зоной повышенной опасности, связанной с выделением токсичных аэрозолей, газов, интенсивного излучения и тепловых рисков.

1. Вентиляция и очистка воздуха:

Ключевым требованием является обеспечение качества воздушной среды. Сварочные цеха должны быть оборудованы как общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией, так и местной вытяжной вентиляцией (МВО) на каждом посту.

При проектировании МВО необходимо придерживаться строгих инженерных нормативов:

• Для стандартного сварочного поста при ручной дуговой сварке черных металлов требуемый объем удаляемого воздуха составляет не менее 1500 м³/ч.

2. Контроль токсических веществ (ПДК):

Наибольшую токсическую опасность при сварке/наплавке легированных сталей (например, с использованием проволоки Нп-30Х5, содержащей хром и марганец) представляют соединения марганца.

Критически важный санитарный норматив: Предельно допустимая среднесменная концентрация (ПДК) марганца в сварочном аэрозоле должна составлять не более:

• 0,2 мг/м³ (для аэрозоля дезинтеграции).
• 0,03 мг/м³ (для аэрозоля конденсации).

Превышение этих значений требует немедленного усиления вентиляции или применения более эффективных средств индивидуальной защиты.

3. Организация рабочего пространства и безопасность:

Для защиты смежных рабочих мест от излучения, искр и брызг необходимо устройство сварочных кабин. Нормативные размеры кабин для работы с изделиями до 0,5×0,5 м принимают 3×3 м. Высота стенок должна быть не менее 2 м с обязательным зазором 200 мм между полом и стенкой для обеспечения нижней вытяжки воздуха. К выполнению электросварочных работ допускаются лица, имеющие группу по электробезопасности не ниже II.

Заключение

Данное методическое руководство представляет собой исчерпывающую основу для разработки курсового проекта по проектированию сварочно-наплавочного участка и технологического процесса сборки.

В результате проделанных расчетов и обоснований мы получили:

1. Надежную расчетную базу: Использована стандартная методология расчета годовой трудоемкости и фонда времени, с применением актуальных отраслевых коэффициентов (Kᵢₛₚ в диапазоне 0,95–0,98) и коэффициентов выполнения норм.
2. Технологическую конкретику: Обоснован выбор высокопроизводительной автоматической наплавки под флюсом и определены конкретные материалы (Нп-30Х5) для обеспечения требуемой твердости (49–57 HRC), а также приведены строгие нормативные допуски для ответственных деталей (овальность коленчатых валов не более 0,007 мм).
3. Детализированное нормирование: Технологический процесс сборки узла нормирован с учетом общемашиностроительных нормативов, включая точное выделение времени на отдых и личные нужды (6% от оперативного времени).
4. Нормативную безопасность: Проект включает строгие инженерные требования по охране труда, включая расчетный объем воздуха для вентиляции (1500 м³/ч) и контроль за ПДК токсичных веществ (марганец), что обеспечивает полное соответствие требованиям производственной санитарии и нормативно-правовой базы (ГОСТ, ТУ).

Таким образом, расчетно-пояснительная записка, разработанная на основе представленных данных, будет полностью соответствовать строгим академическим и инженерным требованиям курсового проектирования, демонстрируя глубокое владение методиками расчета и нормативной базой.

Список использованной литературы

1. Технология машиностроения и производство машин: мет. ук. к курс. пр. / Сост. А. П. Улашкин, А. Л. Филонников. — Хабаровск, 2002. — 28 с.
2. Иванов М. Н. Детали машин: учебник. — М.: Высш. шк., 1991. — 383 с.
3. Жолобов А. А. Проектирование технологических процессов сборки машин: учебник. — М.: Высш. шк., 2005.
4. Микотин В. Я. Оборудование ремонтных предприятий: учебник. — М.: Колос, 1997.
5. Ахумов А. В. Справочник нормировщика. — Л.: Машиностроение, 1987. — 458 с.
6. ГОСТ Р 52630-2012. Соединения сварные. Методы контроля. — Введ. 2012-07-01.
7. Требования охраны труда при выполнении сварочных работ // КонсультантПлюс : справочно-правовая система. URL: consultant.ru (дата обращения: 23.10.2025).
8. Технологический процесс сборки узлов машин и аппаратов // ТГТУ. URL: tstu.ru (дата обращения: 23.10.2025).
9. Расчёт потребного количества оборудования и коэффициента загрузки // StudFile. URL: studfile.net (дата обращения: 23.10.2025).
10. Наплавка под слоем флюса как способ восстановления валов и плоских деталей // tutmet.ru. URL: tutmet.ru (дата обращения: 23.10.2025).
11. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ ИЗДЕЛИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ: методические указания. — Томск: ТПУ. URL: tpu.ru (дата обращения: 23.10.2025).
12. Кравченко Л. С. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА СБОРКИ // core.ac.uk. URL: core.ac.uk (дата обращения: 23.10.2025).
13. ОБЩЕСОЮЗНЫЕ НОРМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ, ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И МЕТАЛЛООБРАБОТКИ // meganorm.ru. URL: meganorm.ru (дата обращения: 23.10.2025).
14. Классификация способов восстановления деталей машин // extxe.com. URL: extxe.com (дата обращения: 23.10.2025).
15. Восстановление деталей наплавкой // rstp.ru. URL: rstp.ru (дата обращения: 23.10.2025).
16. Проект сварочно-наплавочного участка с разработкой технологического процесса восстановления вала трактора // vmasshtabe.ru. URL: vmasshtabe.ru (дата обращения: 23.10.2025).
17. Восстановление деталей сваркой и наплавкой: способы и методы восстановления, особенности, технологический процесс // sibadi.org. URL: sibadi.org (дата обращения: 23.10.2025).