Основы конструирования

Задача конструктора состоит в создании машин, полно отвечающих потребностям народного хозяйства, дающих наибольший экономический эффект и обладающих наиболее высокими технико-экономическими и эксплуатационными показателями.

Главными показателями являются: высокая производительность, экономичность, прочность, надежность, малые масса и металлоемкость, габариты, энергоемкость, объем и стоимость ремонтных работ, расходы на оплату труда операторов, высокий технический ресурс и степень автоматизации, простота и безопасность обслуживания, удобство управления, сборки и разборки.

В конструкции машин необходимо соблюдать требования технической эстетики. Машины должны иметь красивый внешний вид, изящную, строгую отделку.

Значимость каждого из перечисленных факторов зависит от функционального назначения машины:

в машинах-генераторах и преобразователях энергии на первом плане стоит величина КПД, определяющего совершенство преобразования затрачиваемой энергии в полезную;

в машинах-орудиях - производительность, четкость и безотказность действия, степень автоматизации;

в металлорежущих станках - производительность, точность обработки, диапазон выполняемых операций;

в приборостроении - чувствительность, точность, стабильность показаний;

в транспортной технике, особенно в авиационной и ракетной,- малая масса конструкции, высокий КПД двигателя, обусловливающий малую массу бортового запаса топлива.

Проектируя машину, конструктор должен добиваться всемерного увеличения ее рентабельности и повышения экономического эффекта за весь период работы. Экономический эффект зависит от обширного комплекса технологических, организационно-производственных и эксплуатационных факторов. В данной книге рассмотрены только те способы повышения экономичности, которые непосредственно связаны с конструированием и зависят от деятельности конструктора.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МАШИН

Экономический фактор играет первостепенную рол», в конструировании. Частности конструкции не должны заслонять основной цели конструирования - увеличения экономического эффекта машин.

Многие конструкторы считают, что экономически конструировать - значит уменьшать стоимость изготовления, машины, избегать сложных и дорогих решений, применять наиболее дешевые материалы и наиболее простые способы обработки. Это только небольшая часть задачи. Главное значение имеет то, что экономический эффект определяется полезной отдачей машины и суммой эксплуатационных расходов за весь период работы машины. Стоимость машины является только одной, не всегда главной, а иногда и очень незначительной составляющей этой суммы.

Экономически направленное конструирование должно учитывать весь комплекс факторов, определяющих экономичность машины, и правильно оценивать относительное значение этих факторов. Это правило часто игнорируют. Стремясь к удешевлению продукции, конструктор нередко добивается экономии в одном направлении и не замечает других, гораздо более эффективных путей повышения экономичности. Более того, частная экономия, осуществляемая без учета совокупности всех факторов, нередко ведет к снижению суммарной экономичности машин.

Главными факторами, определяющими экономичность машины, являются полезная отдача машины, надежность, расходы на оплату труда операторов, потребление энергии и стоимость ремонтов.

Коэффициент использоваиня машины представляет собой отношение времени фактической работы машины за определенный период к длительности этого периода.

Пусть Н - период эксплуатации машины, h - фактическое время работы машины за этот период. Средний за период эксплуатации коэффициент использования

Цисп =

Если машина работает до полного исчерпания своего механического ресурса, то h представляет собой долговечность машины D (общую возможную ее наработку за период эксплуатации). Тогда

Т1ис„ = -.

Величина ri„cn для машин, работающих по календарному режиму, зависит главным образом от: 1) числа рабочих смен и 2) холостого времени (простои из-за неисправностей машины, недогрузка из-за нарушений производственного ритма).

При работе в одну, две и три смены средние значения коэффициента использования соответственно Лисп = 0,2; 0,4; 0,6, при круглогодичной непрерывной работе Т1„сп = 0,95 1. У машин периодического действия, например машины сезонного применения, коэффициент использования снижается до 0,05 - 0,10.

Реитабелыюсть машины q выражается отношением полезной отдачи машины От за определенный период к сумме расходов Р за тот же период:

Сумма расходов в общем случае складывается из стоимости: Эн - расходуемой энергии, Мт - материалов и заготовок, Ин - инструмента, Тр - оплаты труда операторов. Об - технического обслуживания, Рм - ремонта, Нк - накладных цеховых и заводских расходов, Ам - амортизационных расходов:

Р = Эн + Мт -Ь Ин + Тр + Об + Рм -1- Нк + Ам.

Величина q должна- быть больше 1, иначе машина будет работать убыточно, и смысл ее существования утрачивается.

Экономический эффект. Годовой экономический эффект от работы машины (годовой доход)

е = 0т-Р = От(1-) = От(1-1)

где От - годовая отдача, руб/год; Р - сумма эксплуатационных расходов, руб/год.

Суммарный экономический эффект за весь период службы машины (общий доход) равен разности суммарной отдачи 5 От и суммы расходов J]P за период службы (в рублях):

Хе = 1от-хр

или согласно формуле (4) • -

+ 1Тр + 106-ЬНк + ХРм-ь1;Ам). (6)

Отдача машины и эксплуатационные расходы, за исключением Ам и пропорциональны продс1лжительности фактической работы h за период эксплуатации. Амортизационные расходы за период эксплуатации равны стоимости С машины. Ремонтные расходы не находятся в прямой зависимости от h; их размер и периодичность определяются условиями эксплуатации и надежностью машины.

Выделяя факторы Рм и Ам = С, получаем

j:e = ft[OT-

- (Эн -Ь Мт + Ин + Тр -t- Об + Нк)] -

-ХРм-С. (7)

Если машина работает до исчерпания механического ресурса (ft = D), то

Хе = /)[От-

- (Эн -Ь Мт -Ь Ин -Ь Тр -(- Об -t- Нк)] -

-Рм-С (8)

Повышекие отдачи может выражаться или в увеличении числа единиц продукции, или в увеличении стоимости каждой единицы (повышение качества продукции, увеличение объема операции, выполняемых над заготовкой). В первом случае расход материалов и инструмента пропорционален отдаче: Мт +Ии = = йОт, где fl-доля стоимости материала и инструмента в стоимости продукции, колеблющаяся в зависимости от профиля продукции в пределах 0,1 - 0,5.

В таком случае уравнение (8) приобретает следующий вид:

XG = D [От(1 - а) - (Эн + Тр -(- Об -(- Нк)] -

-J;Pm-C. (9)

Накладные расходы принято выражать в долях трудовых затрат: Нк = ЬТр, где b - фактор пропорциональности, колеблющийся в зависимости от типа и организационной структуры производства в пределах 0,5-3,0.

Введем эту зависимость в уравнение (9) и получим

1е = [От(1 - а) -Ь Эн + (1 -t- 6)Тр -Ь Об] -

-ХРм-С (Ш)

Срок окупаемости Ноц определяется как период службы, при котором суммарный эконо-

мический эффект равен стоимости машины, т. е.

С = Яо«т1„с„(От-Р)-Ам, (U).

где Р - годовые эксплуатационные расходы, Р = Эн + Мт + Ин + Тр + Об + Нк.

Затраты на ремонт, как правило, весьма малые в первые годы эксплуатации и ими пренебрегают.

Расход на амортизацию за срок окупаемости

Ам =

(12)

где Н - период службы машины, см. формулу (2).

После подстановки значения Ам в уравнение (И) получаем

Яо. =----zr. (13)

Писп

(работа в две смены); От =15000; Эн = 500; Мт + + Ин = 4000; Тр + Об = 3000; Нк = 3000 р./год. Сумма расходов

Р = 500 + 4000 + 3000 + 3000 = 10 500 р./год.

Согласно формуле (13) срок окупаемости

2000

О" 0,4(15000-10500 - 400)

: 1 2 года.

При работе в одну смену т) = 0.2 и Н = = 2,4 года.

Коэффициент эксплуатационных расходов.

Назовем коэффициентом эксплуатационных расходов к отношение суммы расходов за весь период работы машины к ее стоимости:

Р(Эн-ьМт-ьИн-ьТр-ЬОб-ьНк)-ЬРм-ьС С

(14)

Тогда уравнение (8) можно представить в следующем виде:

Xe = DOT-JtC. (15)

Коэффициент стоимости машины (процентное отношение стоимости машины к сумме расходов)

с = 100% = 100%.

(16)

Как видно из формулы (14), коэффициент эксплуатационных расходов возрастает с увеличением долговечности и при больших значе-

ниях D может достигать 50 - 1СЮ. Соответственно снижается доля стоимости машины в обшей сумме расходов.

Структурный анализ. Пользуясь формулой (8), определим зависимость экономического эффекта от долговечности, отдачи и эксплуатационных расходов.

Пример. Возьмем металлорежуший станок стоимостью С = 2000 р., с отдачей От = 20 ООО р./год Мощность приводного электродвигателя 10 кВт. Станок работает в две смены с коэффициентом загрузки 0.85.

При пятидневной рабочей неделе число рабочих дней в году 5 52 = 260, а за вычетом праздничных дней (в среднем 5 дней в году) - 255. Годовое число рабочих часов станка 255-16-0,85 = 3480.

При общем числе часов в году 365 • 24 = 8760 коэффициент использования станка

1исп =

3480 876Ь

= 0,4.

Так как станок работает до исчерпания механического ресурса, то из формулы (2) получаем период D

службы Н =-= 2,5 лет.

Писп

Допусти.м, что станок работает в среднем на 0,7 номинальной мощности. При стоимости 1 кВт/ч 2,5 к. годовой расход на электроэнергию Эн = = 3480 10 • 0,7 0,025 = 600 р./год

Пусть годовая заработная плата оператора 1600 р., тогда при двусменной работе затраты на оплату труда Тр = 3200 р./год.

Расходы на обслуживание станка включим в оплату труда оператора. Накладные расходы примем равными 100% Тр. Доля материала и инструмента в стоимости продукции а = 0,25, т. е. Мт -ь Ин = = 0,25 От = 5000 р./год.

Примем, что расход на ремонт за весь период эксплуатации равен стоимости станка = С).

Согласно формуле (9) суммарный экономический ффект за период эксплуатации

£ G = D [От (1 - а) - (Эн + Тр + Нк)] - Рм - С = = D [2бООО 0,75 - (600 + 3200 + 3200)] -

-2000 - 2000 = 80000-4000. (17)

С учетом формулы (17) построен график (рис. 1), показывающий влияние D, От, Эн, Тр и С на экономический эффект при изменении долговечности от 1 до 10 лет (Н = 2,5 25 лет). За единицу принят экономический эффект JQq "Р" • год.

С увеличением долговечности от 1 года до 10 лет относительный экономический эффект (кривая ;) повышается в 19 раз. Кривая аппроксимируется формулой XC/EGo= l экономический эффект возрастает примерно вдвое быстрее, чем долговечность.

Средняя за период службы рентабельность, равная согласно формулам (3) и (4)

Ео

YP 0(Эн-ьМт-ьИн-ьТр + Нк) + 2С