книги из ГПНТБ / Барташев Л.В. Технико-экономические расчеты при проектировании и производстве машин

Капитальные затраты для действующей н новой машины соответственно равны 3700 и 1770 р.; отнесенные к одному комплекту банок в 1000 шт. при го­ довой программе /7" = 13 500 комплектов они определились равными для машины КЗД

К у д = 3700 : 13 500 = 0,27 р.;

для машины КЗМ

Я У д = 1770 : 13 500 = 0,13 р.

По приведенной выше расчетной формуле получим годовой экономический эффект от замены старой машины на новую:

Эгф = [(0,18+ 0,2-0,27) —(0,1 + 0,2-0,13)]-13 500 = 1458 р.

Необходимость всемерного снижения эксплуатационных за­ трат вытекает из их многократной повторяемости. Пренебрежение этим обстоятельством во имя разового сокращения издержек производства при изготовлении машины может привести к большим потерям для народного хозяйства.

В заключение следует подчеркнуть, что наряду с показателем экономичности немаловажную роль в качественной оценке машины играют и такие показатели, как удобство обслуживания и ремонта, безопасность в работе, эксплуатационная надежность и долго­ вечность.

2. ЭКОНОМИКА НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАШИН

Значение показателей эксплуатационной надежности и долговеч­ ности возросло в последние годы в связи с теми задачами, кото­ рые призваны выполнять машины в современном производстве, и стремлением обеспечить бесперебойную работу оборудования при наименьших запасах прочности и минимальном весе конструкции. Увеличение габаритов, емкости и грузоподъемности машин, кон­ центрация мощностей, встраивание отдельных агрегатов в авто­ матические линии и т. д. — все это предъявляет очень высокие требования к обеспечению надежности машин в работе и застав­ ляет по-новому ставить вопрос об их качественных характери­ стиках.

В литературе [1, 60, 71, 82 и др.] каждое из этих понятий главным образом в зависимости от того, к каким изделиям — ма­ шинам, приборам, аппаратам оно относится, трактуется по-раз­ ному. Нет необходимости ни приводить различные формулировки, определяющие содержание этих понятий, ни вдаваться в их критику — это увело бы нас в сторону от основного направления нашей работы. Поэтому мы ограничимся лишь наиболее общими определениями, которые помогут уяснить экономические аспекты надежности и долговечности машин.

Эксплуатационная надежность машины — это комплекс ее свойств, обеспечивающих безотказность работы на протяжении межремонтного периода и сохранение присущих ей в соответствии

30

с ее служебным назначением эксплуатационных характеристик: производительности, точности, быстроты реакции и пр.1

Долговечность машины, в нашем понимании, "определяется тем периодом ее работы, в течение которого она обеспечивает более высокую по сравнению с аналогичными машинами экономию общественного труда, а поддержание ее в этом состоянии с помощью ремонтов и модернизации отдельных узлов экономически целе­ сообразно. Другими словами, долговечность машины лимити­

Из приведенных формулировок ясна и органическая связь между надежностью и долговечностью машины и характерные для них отличия. Очевидно, что машина будет тем надежнее, чем дольше она безотказно работает, сохраняя заложенные в ее кон­ струкцию эксплуатационные свойства, т. е. чем длиннее ее меж­ ремонтный период. Увеличение этого периода, при прочих равных условиях, должно привести к сокращению числа ремонтов на протяжении всего срока службы машины, увеличению ее полезной отдачи и уменьшению затрат на ремонт. В этом и состоит экономи­ ческая связь и единая целенаправленность всех мероприятий, направленных на повышение надежности и долговечности машин. Однако если определение сроков экономически целесообразного использования данной конструкции до замены ее новой, более эффективной, не только связано с ее техническими достоинствами, но и лимитируется затратами на ремонт и модернизацию, то такие ограничения в отношении надежности не имеют места, поскольку она характеризуется продолжительностью межремонтного периода.

Само собой разумеется, что для того, чтобы сделать машину возможно более надежной, также нужны определенные затраты, оправданность которых должна быть установлена соответствующим расчетом, но следует учесть, что эти же затраты будут способство­ вать и увеличению долговечности машины.

Эксплуатационная надежность машин. Конструктор и технолог своей работой закладывают предпосылки обеспечения надлежащей эксплуатационной надежности создаваемой конструкции. Одним из широко применяемых конструкторами средств повышения на­ дежности машин является ввод дублирующих (резервных) эле­ ментов, причем в некоторых конструкциях (как, например, тор­ моза у пассажирских лифтов, клапаны в паровых котлах и т. п.) они совершенно обязательны, в других их применение должно быть экономически оправдано, в третьих таким способом резерви­

соответствует термину «Безотказность». Согласно той же терминологии долго­ вечность определяется как «Свойство системы или изделия длительно (с возмож­ ными перерывами на ремонт) сохранять работоспособность в определенных ре­ жимах н условиях эксплуатации до разрушения или другого предельного со­ стояния». [1 ] .

31

В автоматических линиях, например, учитывая значительность материального урона, который может принести остановка линии вследствие выхода из строя какого-либо из входящих в нее стан­ ков, нередко ставят дублирующие станки. Однако такое решение не всегда экономически целесообразно. Следует подсчитать, что выгоднее: тратить ли средства на дополнительное оборудование или создать заделы деталей уже прошедших обработку на тех станках, остановка которых наиболее вероятна. При аварийном выходе таких станков из работы питание линии могло бы вестись из заделов и общий ход производства не был бы нарушен.

Во многих случаях вместо элементов-дублеров в местах, под­ вергающихся большим перегрузкам, целесообразнее ставить про­ стые и дешевые предохранительные устройства, которые не только повышают надежность работы машины, но иногда позволяют и уменьшить ее вес за счет снижения запасов прочности деталей.

Высокая надежность некоторых машин (как, например, ме­ таллургических весов) может быть достигнута применением бес­ контактных схем управления приводами, упрощением электриче­ ских схем, уменьшением числа работающих в них контактов и пр. Все эти мероприятия дают возможность наряду с удлинением межремонтного периода повысить технологичность машинных конструкций и снизить затраты на их производство. Так, разра­ ботанная на Московском заводе тепловой автоматики бескон­ тактная электронно-гидравлическая схема для автоматизации •котельных, будучи менее трудоемкой и более компактной, чем применявшаяся ранее, обладает вдвое большей надежностью и дает свыше 1000 р. годовой экономии.

Заслуживают внимания рекомендации Московского станкоинструментального института по применению бесконтактных ра­ диоизотопных датчиков для конечных выключателей, регистри­ рующих наличие или отсутствие радиоактивного излучения, по­ падающего на газоразрядный счетчик.

Для повышения эксплуатационной надежности машин иногда оказывается полезным включать в конструкцию элементы, раз­ гружающие от нагрузок последующие детали в цепи. Ярким при­ мером такого решения задачи может служить применение плава­ ющих хвостовиков в вырубных штампах, исключающих передачу поперечных колебаний ползуна на пуансон. Это позволяет резко увеличить стойкость штампов (вместо 40 ООО ударов такой штамп выдерживает 800 ООО при штамповке и сборке испарителя на автомате Э. Я. Сталбова на рижском заводе «Компрессор»).

Плавающие хвостовики в многооперационных штамповочных автоматах завода ВЭФ позволяют довести стойкость штампов для вырубки деталей из тонкой (0,2 мм) ленты фосфористой бронзы до 15 млн. ударов вместо обычных 2—3 млн.

Совершенствование прочностных расчетов, обеспечение равно­ прочное™ деталей, применение различных средств защиты (демп­ феров, гасителей колебаний, предохранительных муфт и пр.),

32

установление оптимальных зазоров между движущимися поверх* ностями, введение регулировочных узлов и компенсаторов, замена трения скольжения трением качения, улучшение способов смазки и введение дополнительных фильтров для очистки смазочного масла, использование в конструкциях износостойких наплавочных материалов, легированных, термически обрабатываемых сталей, металлокерамики и антифрикционных пластмасс — вот неполный перечень тех решений, которыми может воспользоваться конструк­ тор для повышения надежности и долговечности создаваемых им машин.

Очень большое значение для рациональной организации исполь­ зования машин им1.ет выравнивание сроков службы отдельных деталей путем повышения их ресурса. Так, например, было уста­ новлено, что износостойкость основных деталей пусковых двига­ телей ПД-10М2 (несмотря на то, что в течение сельскохозяйствен­ ного сезона они работают всего 15—20 ч) в 2—3 раза ниже, чем износостойкость деталей тракторных дизелей. Причиной этого явления оказалось засасывание абразивной пыли вместе с возду­ хом. Применение воздухоочистителей на пусковых двигателях в 1,5—2 раза повысило износостойкость их деталей [54].

С экономической точки зрения имеет смысл проектировать симметричные детали, подверженные одностороннему износу, с тем, чтобы при эксплуатации, когда износ достигнет своей пре­ дельной величины, их можно было перевернуть на 180° и заста­ вить работать второй стороной. Практика показывает, что больше 30% зубчатых колес экскаваторов можно изготовлять симметрич­ ными, что позволит увеличить срок их службы примерно на V3, удорожив колеса не более чем на 5%.

В настоящее время очень часто приходится при замене быстро­ изнашивающихся деталей снимать и спаренные с ними детали, износ которых достиг всего 20—30%. Число таких деталей по многим типам машин достигает 60—80% от общего количества деталей в машине. Это обстоятельство заставляет особенно остро ставить вопрос о широком использовании современных средств упрочняющей технологии и в первую очередь применительно к деталям с малым ресурсом работы.

Арсенал средств, которыми сегодня располагает технолог для повышения износостойкости деталей, многообразен и эффективен. «Упрочняющая технология», широко используя современные до­ стижения науки и техники, позволяет значительно (иногда в де­ сятки раз) повышать сроки службы деталей. Общеизвестными являются такие способы упрочнения работающих поверхностей, как хромирование, азотирование, химическое никелирование, обкатка шариками и роликами, дробеструйная обработка, элек­ тромеханическое сглаживание, электроискровое упрочнение и др.

Применение различных методов механического упрочнения позволяет значительно увеличить сроки службы деталей. Так, на заводе им. Лихачева, Минском автомобильном заводе, а также на

Ярославском и Заволжском моторных заводах ежегодно подверг гаются механическому упрочнению свыше 90 ООО деталей.

Упрочнение дробеструйным наклепом дает возможность по­ высить долговечность сварных швов на 300%, коленчатых валов —

На Уралмашзаводе введен новый способ повышения несущей способности резьбовых деталей с помощью вибрирующего ролика. Практика показала возможность эффективного применения этого способа для упрочнения валов длиной 50—2000 мм и более; не­ сущая способность резьбовых деталей, работающих при перемен­ ных нагрузках, повышается на 60—230%.

Применение электроискрового упрочнения валков вальцовых станков с помощью созданной Одесским технологическим инсти­ тутом им. Ломоносова специальной установки (вместо абразивного шлифования) позволило повысить твердость поверхности валков НВ с 400—450 до 620—630 кгс/мм2 , в 1,5—2 раза увеличить (не­ смотря на более высокую производительность) сроки их службы,

Применение новых прогрессивных методов поверхностного упрочнения деталей, таких, как плазменное напыление сверх1 твердыми материалами, метод взрыва, упрочнения с помощью квантовых генераторов и др., позволит нашим заводам еще более эффективно решать проблему повышения межремонтной надеж­ ности машин.

Дополнительные затраты на упрочнение деталей и повышение их износостойкости должны быть оправданы той экономией, кото­ рая может быть получена за счет уменьшения числа ремонтов и расходов на их проведение, за счет снижения простоев оборудова­ ния из-за вывода его в ремонт и, в отдельных случаях, за счет по­ вышения производительности оборудования. Достигаемое сниже­ ние себестоимости продукции может быть определено по следу­

проведения каких-либо мероприятий по повышению износостой­ кости ее деталей); 5 Ш Ш — балансовая стоимость машины; Ь —

34

степень увеличения стоимости машины из-за дополнительных расходов, связанных с повышением долговечности и надежности;

с — степень увеличения производительности машины по той же причине; d — степень снижения себестоимости продукции при работе машины повышенной долговечности.

Отсюда степень снижения себестоимости продукции

Для того, чтобы спроектированная машина действительно обладала той степенью надежности, какая предусмотрена в ее технической документации, совершенно обязательно, чтобы преду­ смотренные в этой документации условия изготовления и техниче­ ские требования были выполнены заводом-изготовителем.

В технической документации, которая поступает вместе с ма­ шиной к потребителю, должны быть точно оговорены условия ее эксплуатации, даны инструкции по уходу и надзору за ней. Есте­ ственно, что только строгое выполнение всех этих указаний может

вом маслостойком исполнении, рассчитанные на температуру хладоагента до 100° С. Такие вентили работали неудовлетворительно и уже через несколько часов работы выходили из строя. Завод был вынужден от них отказаться. За 1967—1968 гг. Одесский краностроительный завод им. Январского восстания забраковал продукции заводов-смежников на 124 000 р., а завод «Продмаш» — свыше 5000 комплектующих изделий на сумму 400 000 р. и т. д. [6].

Низкое качество изделий заводов-смежников в значительной степени сводит на нет усилия конструкторов и технологов голов­ ных заводов, добивающихся повышения надежности создаваемых

ими машин, и заставляет ужесточать свои требования к изделиям, получаемым по кооперированным поставкам.

Некоторые заводы, перешедшие на систему КАНАРСПИ \ вы­ нуждены подвергать контрольным испытаниям все изделия, полу­ чаемые ими по кооперации, прежде чем ставить их на машину. Для многих заводов очень остро стоит вопрос о повышении долго­ вечности этих изделий, хотя экономическая целесообразность меро­ приятий в этом направлении, конечно, лимитируется сроком службы тех машин, в которые эти изделия входят.

Общая потребность в комплектующих изделиях определяется размерами фонда комплектации, расходуемого при сборке машин, и эксплуатационного фонда, служащего для замены изношенных изделий при ремонте машин. Ни тот, ни другой фонд не остаются постоянными. Конструктивные и технологические мероприятия систематически проводимые с целью улучшения качества созда­ ваемых конструкций, повышения их надежности и долговечности 2 , ведут к сокращению потребности в деталях, узлах -и комплектую­ щих изделиях. Повышение рабочих скоростей и нагрузок, наобо­ рот, сокращает сроки их службы.

Возникает необходимость определить (и систематически, через 2—3 года пересматривать и корректировать) нормативный коэф­ фициент эквивалентности -п, отражающий сложившиеся в отдель­ ных отраслях машиностроения средние соотношения между долго­

в процентах от общей потребности в данных комплектующих изде­ лиях при их существующем качестве и после увеличения их долго­ вечности; 100 — а„ соответствует фонду комплектации (рис. 3).

Сокращение эксплуатационного фонда комплектующих изде­

где р — среднее соотношение между расходами, связанными с за­ меной комплектующих изделий, и их стоимостью.

36

Величина р определяется по формуле

и

Е (Р : Urn)

т— число изделий, заменяемых при ремонте машин. Суммарная экономия от повышения долговечности комплек­

тующих изделий равна

Изложенная методика после разработки на основе статисти­ ческого материала необходимых нормативов может быть, на наш взгляд, успешно применена в технико-экономических расчетах.1 Учитывая характер кривой, показывающей динамику измене­ ния эксплуатационной надежности машин (рис. 4), для подавляю-

вечности

щего их большинства и отдельных механизмов обязательно про­ ведение их обкатки. Этот этап заводских испытаний является особо ответственным, поскольку позволяет конструкторам и тех­ нологам внести последние коррективы в техническую докумен­ тацию и окончательно доработать (довести) машину перед сдачей ее потребителю. О значимости этого этапа конструирования можно судить по таким.примерам. Американская фирма Джон Дир про­ цесс освоения новых моделей тракторов обычно проводит в 3— 4 этапа. Изготовленные в качестве опытных образцов 3—4 трак­ тора передаются заводу, которому в дальнейшем предстоит нала­ дить их серийный выпуск, и научно-исследовательскому центру,

1 См. также [46].

37

занимающемуся проектированием этих машин, для проведения предварительных испытаний и выявления имеющихся недостатков.

После корректировки чертежей согласно полученным замеча­ ниям изготовления новой партии опытных образцов в количестве

ческих реальных условиях будущей эксплуатации. На основании полученных данных о качестве машин, поведении в работе от­ дельных узлов и механизмов, износостойкости деталей и пр. кон­ струкция тщательно отрабатывается на технологичность, вносятся необходимые изменения и улучшения, после чего наступает тре­ тий, пожалуй, наиболее важный и ответственный этап подготови­ тельной работы.

Завод, на котором будет развернуто производство тракторов новой модели, выпускает его первую партию в количестве 300— 500 шт. и продает ее на льготных условиях, обязывая при этом покупателей регулярно передавать ему в течение установленного срока свои замечания об эксплуатационных качествах машин, их надежности, удобстве управления и производстве текущего ре­ монта, замеченных дефектах и пр. Собранный таким путем доста­ точно большой и объективный статистический материал служит основанием для внесения последних коррективов в созданную кон­ струкцию и окончательной отработки (в течение полутора-двух месяцев) всей технической документации. Вслед за этим разверты­ вается в полном объеме серийное (или массовое) производство новых машин.

На киевском заводе «Красный экскаватор» обкатка головного образца машин проводится в течение 200 ч по 16—18 ч в сутки. Через 200—300 ч работы машину разбирают для замера износа (конечно, было бы правильней такие замеры делать без разборки

проверяет работу первой партии машин (до 500 шт.) каждой новой модели, проводит периодический контроль качества серийных ма­ шин, подвергая их обкатке в течение 45 мин без нагрузки и 30 мин с нагрузкой. Все эти меры способствуют улучшению качества вы­ пускаемых заводом экскаваторов Э-153.

Однако не на всех заводах к этому заключительному этапу технической подготовки производства относятся с должным вни­ манием, что влечет за собой серьезные потери для народного хо­ зяйства. Так, например, новые тракторы Минского тракторного завода перед запуском их в производство испытывались меньше 5 мес, к тому же в условиях, далеких от реальных условий буду­ щей эксплуатации. Это привело к тому, что в процессе работы трак­ торов в поле были обнаружены многие конструктивные недора­ ботки, что вынудило завод затратить свыше 50 млн. руб. на пере­ делку отдельных узлов, изменение технологии, создание новой оснастки и пр. Народное хозяйство понесло значительные убытки

38

Систематическое изучение конструкторскими бюро многих за­ водов поведения созданных ими машин в эксплуатации, периоди­ ческая рассылка опросных листов, имеющая целью выявить и про­ анализировать обнаруженные дефекты, выезды конструкторов и технологов на места работы машин — все эти меры проводятся ради контроля эксплуатационных характеристик машин и их дальнейшего улучшения.

В этом отношении положительным был опыт Сызранского завода «Сельмаш» инженеры которого вместе с механизаторами, изучавшими работу машин непосредственно на полях, тщательно проанализировали результаты проведенных испытаний и уста­ новили точные сроки службы 74 сборочных единиц и деталей. На основе анализа заводом были разработаны единые технические условия На изготовление, хранение и транспортировку запасных частей, что способствовало повышению их износостойкости и уве­ личению сроков службы.

Полезными являются также выезды конструкторов, технологов и механиков для детального ознакомления с работой импортных машин, по конструкции аналогичных созданной. Это позволяет критически сопоставить свою конструкцию с зарубежной, выявить все то, что должно быть учтено в последующих проектах и может быть исправлено в изготовленной и сданной в эксплуатацию ма­ шине.

Все эти мероприятия направлены к тому, чтобы значительно повысить качество выпускаемых нашими заводами машин, сделав их конкурентоспособными на мировом рынке. Введенная государ­ ственная аттестация качества промышленной продукции наряду

сужесточением требований к качеству, включаемых в стандарты,

иразвитием материальных стимулов, предусмотренных новым Положением о ценообразовании, несомненно, будет способство­ вать успешному решению этой задачи.

Итак, эксплуатационная надежность машин определяется мно­ гими факторами. Одни из них предопределены качеством самих машин, совершенством их конструкций, эксплуатационных пара­ метров, рекомендованных методов изготовления, другие зависят от качества изготовления, его соответствия заложенным в техни­ ческой документации требованиям, третьи — от условий эксплуа­ тации, соблюдения инструкций, определяющих нормы эксплуа­ тации.

• Для того чтобы определить уровень достигнутой надежности машины и ее отдельных элементов, нужно соответствующие ка­ чественные показатели.

1 См. также [62].

39