5. Тактика формирования комплекта машин «экскаватор-автосамосвал» с учётом ущерба от загрязнения атмосферного воздуха вредными выбросами

Обоснование решения о том, из каких машин следует составлять комплект, выполняющих заданный объем работ (см. рис. 19), является само по себе достаточно сложной задачей. Ущерб окружающей среде при этом не учитывается. Однако он может повлиять на окончательное решение. На рис. 20 изображена оригинальная структурная схема показателей оценки эффективности использования машин с учетом ущерба от загрязнения атмосферного воздуха.

В эксплуатации используются удельные технико-экономические показатели, соизмеряющие затраты на механизацию с производственным эффектом (производительностью). При этом наиболее комплексным показателем, широко используемым в практике эксплуатации машин, является удельная себестоимость продукции - механизированных работ, услуг (ранее в условиях плановой экономики применялся показатель удельных приведенных затрат).

Удельная себестоимость, единицы продукции С_е в общем виде определяется:

Рис. 19. Схема взаимосвязей элементов комплексно-механизи-рованного процесса: ТП - технологический процесс, КМ – комплект или комплекс машин

Уровни

С_пб1км

Р ис. 20. Иерархическая структурная система показателей оценки эффективности использования средств механизации с учетом удельного эколого-экономического ущерба: - прямое соподчинение показателей; - неполные зависимости между показателями

С_е = С_м-ч/П_э.ч, руб/м³; руб/т,

где С_м-ч - стоимость машино-часа работы машины, руб/ч; П_э.ч - эксплуатационная часовая производительность машины,м³/ч; т/ч.

Входящая в С_е стоимость машино-часа С_м-ч рассчитывается в эксплуатационных организациях по отдельным статьям расходов и затем с определенной (достижимой) ставкой доходности и с учетом НДС предлагается заказчикам машин как договорная цена машино-часа. При лизинговой форме использования техники в основу С_м-ч могут быть положены часовые лизинговые платежи за структурную систему показателей с вертикальными связями соподчинения между ними, разделением показателей по целевым уровням в зависимости от характера и сложности решаемых задач.

В структуру С_е включена себестоимость транспортирования или доставки техники на объект С_е.тр, связанная с переменными транспортными затратами на топливо, компенсацией износа шин.

В структурной иерархической системе (рис. 20) выделена составляющая С_е.пб.

Удельные затраты С_е.пб на перебазирование имеют значение практически для всех машин, в особенности для гусеничных. При повышенных расстояниях перебазирования эти затраты обходятся дороже самих работ. Фактически C_e является суммарной удельной себестоимостью единицы продукции С_е,сум, включающую удельную себестоимость работы С_е, удельную себестоимость машины и её перебазирование (доставки, подачи) к месту работы:

С_{е, сум} = С_{е, раб} + С_е,пб, руб/м³.

Для определения составляющих С_е,раб и C_е.пб. известное выра-жение стоимости машино-часа С_м-ч сгруппируем в две составляющие:

С_м-ч = С_{м-ч, пост} + С_пб/Т_об, руб/ч.,

где C_{м-ч.пост.} – постоянные затраты; С_пб.- переменные затраты; Т_об. – число часов работы машины на объекте.

Число часов работы машины на объекте Т_об выразим через объем работы V_oб и эксплуатационную часовую производительность П_э.ч:

Т_об = V_об/П_э.ч.

Стоимость перебазирования представим:

С_е.пб. = (С_п-р + С_пб1кмВ)2, руб.,

где С_п-р - стоимость погрузки-разгрузки машины на транспортные средства при перебазировании с учетом затрат на монтаж-демонтаж (если он необходим), руб; С_пб1км - удепьная стоимость, руб./1 км; В – дальность транспортирования, км.

Тогда С_м-ч = С_{м-ч, пост} + (С_п-р + С_пб1кмВ)2П_э,ч / V_об, руб/ч определит-

ся при подстановке С_м-ч в выражение C_е,сум. Тогда:

С_е.сум = С_{м-ч. пост} / П_э.ч + (С_п-р + С_пб1кмВ)2 / V_об, руб/м^3.

Таким образом составляющие С_е,_сум определятся из выражений:

С_{е. раб} = С_{м-ч. пост} / П_э.ч, руб/м³;

С_{е. nб} = (C_n-p + C_пб1кмВ)2 / V_oб, руб/м^3;

При С_п-р = 0 С_е.пб = С_{пб1 км}2В /V_oб, руб/м³.

В общем случае в формулы должны подставляться суммарные затраты С_{м-ч.пост}, С_п-р, С_пб1км всех машин.

Таким образом, показатель С_е.пб оценивает удельный вec затрат на перебазирование в себестоимости единицы продукции. Показатель С_е.раб показывает во что обходится единица произведенной работы на строительном объекте без учета затрат на перебазирование. Эти показатели С_е.раб и С_е.пб расположены на II уровне системы (см. рис. 20). На самом высоком уровне расположена суммарная удельная себестоимость единицы продукции, производимой самоходными машинами для решения задач: формирования парков машин и оценки эффективности их использования; распределения машин парка по объектам строительства; оценки различных методов выполнения технологических процессов; оптимизации состава комплектов; сопоставления и выбора машин и вариантов комплектации машин для производства работ; определения областей их рационального использования. В том числе можно определить необходимое (но недостаточное) условие эффективности одной машины по сравнению со второй при сопоставлении машин с разной стоимостью машино-часа.

Необходимым (но недостаточным) условием эффективности одной машины по сравнению с другой является следующее требование: увеличение производительности П_э.ч более дорогой машины должно быть больше относительного увеличения стоимости ее машино-часа. Показатель С_{м-ч.пост} находится в прямом соподчинении с С_е.раб (III уровень системы). По этому показателю оцениваются часовые затраты на эксплуатацию машин, отдельные составляющие которых C_i расположены на IV уровне. Все составляющие C_i здесь не раскрываются, помещены только заявленные выше составляющие. На III уровне помещены также удельные затраты на перебазирование С_пб1км, затраты на погрузку-разгрузку – С_п-р (снять и поставить). Чисто технический показатель машины - производительность часовая или сменная (см. V уровень на рис. 20), которая широко применяется для решений многих задач: нормирование выработки машин, согласование работы ведущей и вспомогательных машин в комплектах, планирование сроков работ, рационализация параметров работы и режимов машин, (циклического или непрерывного действия). Набор входящих в П_э.ч показателей разный: для машин цикличного действия – продолжительность цикла Т_ц, объем продукции за цикл g, коэффициенты наполнения К_н и разрыхления К_рх; для машин непрерывного действия: площадь поперечного сечения потока обрабатываемого материала F_M, v_p - скорость продвижения потока материала (м/ч), К _усл.р-коэффициент условий работы. Показателями VII уровня оцениваются частные эффекты; например, рационализация технологических и транспортных схем. Коэффициент внутрисменного использования машин по времени К_в переводит техническую производительность в эксплуатационную и оценивает потери времени из-за плановых и неплановых перерывов и простоев в работе машин.

На примере показателей VI уровня видно, что показатели одного уровня являются независимыми, решают относительно независимые задачи примерно одинакового уровня сложности, а в совокупности с разных сторон характеризуют вышестоящий показатель. Приведенные показатели VI уровня в свою очередь обуславливаются параметрами строительного объекта, физико-механическими свойствами материала и другими свойствами. Эксплуатационные свойства представляют собой приспособленность машины к эффективному использованию в условиях эксплуатации. По единичным показателям эксплуатационных свойств можно оценить, в какой мере конструкция машины соответствует реальным условиям работы на строительном объекте (скорость, сила тяги и т.п.).

Таким образом, сопоставление и выбор машины начинаются с низового уровня, когда из имеющихся в распоряжении машин отбираются те, которые в состоянии выполнить работу, соответствуют условиям работы на объекте: достаточные проходимость, маневренность, сила тяги; непревышение предельной дальности перемещения материалов (для землеройно-транспортных машин) и т.п. Например, для работы одноковшовых погрузчиков в стесненных условиях строительной площадки должны выбираться маневренные погрузчики с бортовым поворотом или со всеми управляемыми колесами.

Следующим этапом сопоставления машин (вверх по иерархической вертикали) является оценка их по показателям более высоких уровней, применяемым для решения указанных выше задач. Далее, при движении снизу вверх происходит переход от технических к технико-экономическим показателям, осуществляется обобщение показателей, учет экономической эффективности.

При движении вниз по иерархической вертикали происходит конкретизация показателей, сопровождающаяся расширением их наборов, учетом конструктивных особенностей машин и их эксплуатационных свойств.

Суммарная удельная себестоимость единицы продукции С_е.сум может быть выражена через число часов работы на объекте Т_об. Для этого выполняемый объем работы V_oб определим через число часов работы Т_об и эксплуатационную часовую производительность П_э.ч и учтем с помощью коэффициента К_{орг-технол} практические сбои в реализации П_э.ч при работе на реальных объектах:

V_об = П_э.чT_об/К_{орг-технол},

где К_{орг-технол} — коэффициент организационно-технологической надежности работ на объекте, принимается 1,1…1,15. В итоге, для машин, перебазируемых с помощью спецсредств:

С_е.сум = С_{м-ч.поcт}/П_э.ч + (С_п-р + С_пб1кмВ)2К_{орг-техноп}/(П_э.чТ_об), руб/м^3.

Для пневмоколесных (самоходных) машин:

С_е.сум = С_{м-ч,пост}/П_э.ч + С_{пб1 км}В2К_{орг-технол}/(П_э.чТ_об), руб/м^3.

Из этих зависимостей видно, что с увеличением числа часов работы на объекте Т_об ( на повышенных объемах V_об) удельная себестоимость единицы продукции С_е.сум уменьшается за счет уменьшения второго слагаемого - затрат на перебазирование, отнесенных к числу часов Т_об. Продолжительность работы сопоставляется с плановой Т_об ≤ T_{об.план} или N_см = Т_об/8 ≤ N_{см.план}.

Выполнение работы осуществляется при расходе топлива Q и сопровождается вредными выбросами (см. табл. 10) в атмосферу. Их предельно допустимые концентрации приведены в табл. 11, что создает ущерб окружающей среде [18].

Таблица 10

Образование токсических веществ при сжигании органического топлива*, г/кг

Показатель	Бензин	Дизтопливо	Природный газ	Мазут	Уголь
СО	274	7,1	Незначит.	0,05	0,09
CmHn	24	16,4	-	-	-
Nox	13,5	26,4	0,063	13,8	9,07
Сажа	1,4	13,2	0,24	0,56	1,95
Свинец	8,4	-	Нет данных	-	0,018
Бенз(α) пирен	7,210-5	10,510-5	-	x	X
SO2	1,1	4,8	0,0006	27,7	60,4
Альдегиды	0,5	1,2	Нет данных	-	-
* – при сжигании нефти и угля в атмосферу выбрасывается 99% полициклических ароматических веществ (ПАУ), образующихся при сжигании всех видов топлив

Таблица 11

Предельно допустимые концентрации в атмосферном воздухе, мг/м³ [6]

Показатель	Максималь-ная разовая	Среднесу-точная	Класс опасности	Коэфф. относительной агрессивности
СО	3	1	4	1
Nox	00,85	0,085	2	41
CmHn				2
SO2	0,5	0,05	3
Альдегиды (формаль-дегид)	0,035	0,035
Бенз(α)пирен		0,003	1	41106
Сажа	0,15	0,005	3	100

Схема расчета удельного ущерба на единицу объема работы (выработки) комплекта машин «Экскаватор-самосвал»

1. Расчет объема работ (производительности) комплекта машин (за час, сутки, месяц, год) или определения наработки.

2. Расчет расхода топлива за выполненный объем работ или расчет выбросов вредных веществ (СО, СН, NO₂ и др.).

3. Расчет эколого-экономического ущерба от сгорания топлива или от вредных выбросов.

4. Расчет удельного ущерба на единицу объема работы (выработки) комплекта машин (механизмов).

Расчет объема работ (производительности) комплекта машин (за час, сутки, месяц, год) или определения наработки.

Эксплуатационная часовая производительность комплекта находится по одной из двух формул в зависимости от соотношения фактического количества самосвалов, работающих с одним экскаватором M_факт и расчетным количеством М_расч.

При M_факт меньше М_расч самосвалов не хватает, производительность определяется по циклу самосвала:

П = (3600q_cK_cM_фактК_{пр.вероят}К_в) / K_pxt_{ц с}, м³/ч.

При M_факт больше М_расч наблюдается избыток самосвалов.

Производительность находится по экскаватору:

П = (3600q_cK_cК_{пр.вероят}К_в) / K_pxt_n, м³/ч ,

где К_рх - коэффициент разрыхления грунта в ковше экскаватора, К_в = 0,7 - коэффициент внутрисменного использования машин по времени; K_{пр.вероятн} - коэффициент простоев машин в комплекте из-за неравномерности поступления самосвалов, K_{пр.вероятн} = 0,85; К_с - коэффициент использования вместимости самосвала, q_c – вместимость кузова самосвала; t_п - продолжительность погрузки самосвала экскаватором; t_{ц с} - время 1 цикла самосвала.

Расчет расхода топлива за выполненный объем работ или расчет выбросов вредных веществ (СО, СН, NO_x и др.)

Норма расхода топлива машины Q, л на планируемое время Т определяется по общепринятой формуле:

Q = q_н T(1 + Д_р) + НS (1 + Д_т) / 100,

где: q_н - часовая норма расхода топлива на работу машины, л/маш.-ч; Т - время работы машины, маш.-ч; Н - линейная норма расхода топлива машины, л/100 км; S - пробег машины, км; Д_р, Д_т - обобщающие поправки на факторы, вызывающие дополнительный расход топлива при работе машины и при ее пробеге (транспортирова-

нии).

Часовая норма расхода топлива машины qн, кг/маш.-ч определяется по формуле:

q_н = q_eNK10^-3,

где q_e - удельный расход топлива двигателя, г/кВт ч; N - мощность двигателя машины, кВт; К - интегральный нормативный коэффициент изменения расхода топлива в зависимости от режимов загрузки двигателя машины (далее - интегральный коэффициент); 10^-3 - переводной коэффициент граммов в килограммы.

Расчет эколого-экономического ущерба от сгорания топлива или от вредных выбросов.

Величина экономического (эколого-экономического) ущерба от загрязнения атмосферы валовыми выбросами определяется по зависимости:

F_н = γσfМ_пр,

где, F_н – экономический ущерб, руб.; γ – нормируюшая константа, переводящая уровень загрязнения территории в денежный эквивалент (на 2008 г. γ = 80 руб/усл.т); σ – показатель (безразмерный) относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха, зависящий от типа территории (курорты, санатории, заповедники σ = 10; пригородные зоны отдыха, садовые участки, центральные зоны городов σ = 8; территории промпредприятий σ = 4; леса σ = 0,2…0,02; пашни σ = 0,25…0,025); f - коэффициент (безразмерный) учитывающий характер рассеивания примеси в атмосфере (для самоходных машин f = 5); М_пр – приведенная масса выброса загрязняющих веществ от сжигания 1 тонны топлива ДВС, усл.т.

М_пр = ΣA_im_i,

где А_i – показатель относительной опасности (относительно окиси углерода) i-го вредного вещества или коэффициент агрессивности, усл.т./т; m_i – масса выбросов i – го вещества, т/год.

Расчет удельного ущерба на единицу объема работы (выработки) комплекта машин (механизмов).

Удельный эколого-экономический ущерб определяется отношением экономического ущерба от загрязнения атмосферы вредными веществами (денежного эквивалента вреда окружающей среде) от вредных выбросов (F) к производительности П или наработке Т машины.

F_т.уд = F / T или F_т.уд = F / П.

Значение F определяется через F_н (см. табл. 12) и расход топлива Q за расчетный период: F = F_нQ.

Машина, обеспечивающая меньшее значение F_п.уд (F_{т уд}), более предпочтительна.

Таблица 12

Нормативы экономического ущерба (F_H) от сгорания 1 тонны

топлива, руб./т.

Вид топлива	Город с высокой плотностью населения, числ. 1 млн. и выше σ = 8	Город со средней плотностью населения, числ. менее 1 млн. σ = 4	Пригородные дороги и территории σ = 2	Ненаселенные территории σ = 1
НЭБ	25850	1425	712	356
ДТ	7053	3526	1763	882
ГДТ 80%-СПГ 20% ДТ	3228	1614	807	404
СПГ	2292	1146	573	286
Принятые сокращения: ДТ – дизельное топливо, СПГ – сжатый природный газ, ГДТ – газодизельное топливо, НЭБ – неэтилированный бензин

Приведенные сокращения F_H соотносятся с 2005 г. В настоящее время значение F_H в два раза больше по сравнению с 2005 г., т.к. величина Х на 2005 г. составляла 40 руб./усл.т., а с 2006 г. – 80 руб/усл.т.

Пример расчета удельного ущерба (F_удп) на единицу объема работы комплекта машин.

Исходные данные объекта приведены в табл. 13, характеристики экскаваторов – в табл. 14, автосамосвалов – в табл. 15.

Последовательность расчета.

Число ковшей грунта n, загружаемых экскаватором в самосвал, определяется сначала по вместимости кузова самосвала:

,

где К_{н э} = 1,2 – коэффициент наполнения ковша экскаватора.

Полученное значение n^l округляется до ближайшего целого, и

Таблица 13

Исходные данные

Объем работ на объекте Vоб, м3	Дальность перебазирования техники на объект с базы В, км	Плановое количество смен работ на объекте, Nм, смены	Тип грунта	Обору-дование экска-ватора	Путь транспортирования
					Дальность транспо-вания грунта L, м	Поверх-ность
4500	30	10	Суглинок мягкий, 1 группы	Прямая лопата	3000	шоссе

Таблица 14

Технико-эксплуатационные характеристики одноковшовых

экскаваторов

Показатель	Марка экскаватора
	ЭО-4124	ЭО - 4112
Вместимость основного ковша общего назначения, qэ, м3	1	0,65
Мощность двигателя Nэ, кВт	96	60
Продолжительность рабочего цикла Тц э, с	22	20
Стоимость машино-часа Сэм-ч, руб/ч	475	425
Удельная стоимость перебазирования Сэ пб1км, руб/км	46,8	44,1
Стоимость погрузки-разгрузки Сэп-р, руб	331	325
Стоимость перебазирования на объект и с объекта Сэ пб, руб	331 + 46,8В	325 + 44,1В

Таблица 15

Технико-эксплуатационные характеристики

автомобилей-самосвалов

Показатель	Марка самосвала
	КАМАЗ-65111	МАЗ-5551
Вместимость кузова, qс	6,6	5,5
Грузоподъемность, Qc, т	13	10
Мощность двигателя Nс, кВт	210	170
Масса порожнего автосамосвала Gс, т	-	-
Время разгрузки с маневрами tразгр,с	120	90
Время смены у эскаватора tсм,с	40	40
Стоимость машино-часа Ссм-ч, руб/ч	320	245
Удельная стоимость перебазирования Сс пб1км, руб/км	4,8	4,3
Стоимость погрузки – разгрузки Сс п-р, руб.	15,5	12,5
Стоимость перебазирования на объект и с объекта Сс пб, руб.	15,5В	12,5В

проверяется по условию непревышения грузоподъемности самосвала

,

где ρ – объемная масса грунта.

Если n’ > n”, то за фактическое число ковшей принимаем n”, округленное в меньшую сторону, если n’ < n”, принимаем равной n’ округленное до ближайшего целого числа.

Фактическая загрузка самосвалов оцениваются коэффициентами использования вместимости:

K_q = q_эK_нэn / q_c; K_Q = (q_эK_нэnρ) / Q_cK_px.

Продолжительность цикла самосвала

Т_{ц с} = Т_пэ + t_дв + t_разгр, с,

где Т_пэ - продолжительность погрузки грунта экскаватором в самосвал, с; t_дв – продолжительность движения груженого и порожнего самосвала, с.; t_разгр – продолжительность разгрузки, с.

Т_пэ = Т_цэ + t_см, с.,

где Т_цэ – продолжительность рабочего цикла экскаватора, с.; t_см – время смены у экскаватора.

Продолжительность движения самосвала:

t_дв = (3,62L) / U_ср,

где, U_ср – среднетехническая скорость движения самосвала, км/ч; L - дальность транспортировки грунта.

Время рейса самосвала

Т_{с рейс} = t _дв + t _разгр.

Необходимое количество самосвала:

М_расч = Т_цс / Т_nэ.

Полученную величину M_расч следует округлить до ближайшего целого числа.

Эксплуатационная производительность комплекта «экскаватор-самосвал» находится по одной из двух зависимостей, приведенных выше, с учетом описанных ограничений.

Стоимостные показатели рассчитывают следующим образом:

удельная себестоимость работы машины на объекте:

C_{e раб} = С_мчэ + (С^с_{мч пост}М_факт) / П_эчк + (С_{с 1км}2LK_px) / q_cK_q;

суммарная себестоимость:

C_e = C_{e раб} + (С_пбэ + С_пбс*М_факт) / V_об;

расчетное число смен:

N = 1,1V_об / 8П_эчк ≤ N_пл;

расчет расхода топлива для комплектов

Q = q_н T(1 + Д_р) + НSМ_расч (1 + Д_т)/100.

Расчет экономического (эколого-экономического) ущерба F_H от загрязнения атмосферы валовыми выбросами производят по приведенной выше зависимости.

Удельный эколого-экономический ущерб определяют по отношению к производительности F_{п уд} или наработке F_т.уд. (см. выше).

Суммарная себестоимость с учетом удельного эколого-экономического ущерба

С_еΣ = С_{е сум} + F_п.уд.

Расчет сводится в табл. 16.

Таблица 16

Таблица результатов

Показатель		Варианты комплектов
1		2	3	4	5
Марка экскаватора		ЭО-4124	ЭО-4112	ЭО-4124	ЭО-4112
Марка самосвала		МАЗ-5551	КАМАЗ 55111	КАМАЗ 55111	МАЗ-5551
Вместимость ковша qэ, м3		1	0,65	1	0,65
Коэффициенты использования вместимости	Кqc	1,09	1,18	1,09	1,13
	Kqc	0,92	0,92	0,85	0,96
Цикл самосвала
Продолжительность погрузки, Тп, с		150	240	172	200
Продолжительность движения груженого и порожнего самосвала, tдв с		613,6	675	675	613,6
Продолжительность разгрузки, tразгр с		90	120	120	90
Продолжительность цикла самосвала, Тцс, с		854	1035	937	934
Время рейса самосвала, Тс рейс, с		704	795	765	734
Фактическое количество самосвала в комплекте Мфакт		6	4	5	5
Эксплуатационная часовая производительность П, м3/ч		77,83	58,61	74,75	60,51

Продолжение табл. 16

1	2	3	4	5
Удельная себестоимость работы машины на объекте Се,раб, руб/м3	29,69	33,1	32,2	31,74
Суммарная себестоимость Се, руб./м3	30,58	33,88	33,1	32,52
Расчетное число Nсмен	6,7	8,9	7	8,6
Расход топлива для комплектов Q, кг	1022	1112	1143	1007
Экономический (эколого-экономичес-кий) ущерб F, руб./т	7053	7053	7053	7053
Удельный эколого-экономический ущерб Fп.уд., руб./м3	1,6	1,74	1,79	1,58
Суммарная себестоимость с учетом удельного эколого-экономического ущерба СеΣ, руб./м3	32,18	34,84	34,89	34,1

В данном примере «экологическая» надбавка к себестоимости работ не изменила результат, показывающий, что первый из четырех комплектов «экскаватор-самосвал» - лучший, с учетом величины ущерба окружающей среде от загрязнения её вредными выбросами, не смотря на то, что «надбавка» в 4-м варианте минимальна.