CC BY
9
Оценка фактора времени в технических системах на примере изготовления изделий тяжелого и атомного машиностроения
П.Д. Кравченко, Ю.П. Косогова
Волгодонский инженерно-технический институт -филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»
Аннотация: В данной работе проведена оценка времени изготовления изделий атомной отрасли в зависимости от сложности технологических операций, времени обоснования выбора варианта изготовления, выполнения обязательных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Фактор времени, как элемент системы технического прогресса представлен на практическом примере замены тяжелого металлообрабатывающего оборудования на мобильные малогабаритные блоки. Ключевые слова: оценка фактора времени, обечайка, парогенератор, роликоопорные стенды.
Любой технологический процесс изготовления объекта можно представить в теоретическом плане в виде математических формул. Поскольку параметров при изготовлении объектов тяжелого машиностроения практически неограниченное множество, ограничимся рассмотрением фактора времени, обращая внимание на изделия атомного машиностроения. Специализированные отрасли машиностроения - судовое, авиационное, военное, космическое - имеют свои особенности, учет которых при оценке фактора времени требует рассмотрения и анализа множества элементов, из которых часть относится к государственной тайне, а часть - к изобретательским и "know-how" решениям.
Традиционно для изготовления изделий тяжелого машиностроения (весом в десятки, сотни и тысячи тонн) в горной, подъемно-транспортной, транспортной и атомной отраслях строятся производственные здания и сооружения, обеспечивающие надежность, безопасность и требуемое качество технологического процесса изготовления, а впоследствии, и самого изделия при его использовании [1-3].
Время при проектировании и строительстве сооружений в данной статье не рассматривается, но косвенно учитывается при общей оценке фактора времени в отрасли атомного машиностроения [4, 5].
Формализуем задачу с помощью математики [6, 7]. Формула (1) представляет зависимость фактора времени от основных составляющих технологического процесса изготовления объекта
Т*=/(М, Ыт> С), (1)
где Т; - время изготовления объекта для использования в технических системах (ТС); М - материалоемкость объекта; Ыт - количество технологических операций при изготовлении объекта; С - сложность технологических операций при изготовлении объекта.
Формула (1) представляет изменение фактора времени только в технологическом процессе изготовления объекта.
Рассмотрим изменение фактора времени в зависимости от материалоемкости объекта, как представлено в формуле 2:
М = /(тст, тсп, тпл, шт), (2)
где М - время обоснования выбора варианта; тст - масса стали (чугуна) в объекте; тсп - масса цветных металлов и сплавов; тпл - масса композитных и других материалов; тт - масса горюче-смазочных материалов.
Формула (2) представляет зависимость фактора времени от массы используемых в объекте всех материалов.
Фактор времени в зависимости от количества технологических операций определяется по формуле 3:
^Т = /Оп,Пт,Пф,Пс), (3)
где Мт - время обоснования правильного выбора оптимальной системы операций; пП - количество операций с изменением первоначального переменного состояния формы изделия (плавление); пт - количество операций под влиянием изменения температуры без изменения формы изделия (термообработка); Пф- количество операций с изменением формы изделия (механическая обработка резанием, штамповка, ковка, прокат); пС-количество операций проверки результатов технологического процесса (контроль).
Фактор времени, зависящий от сложности технологической операции, определяется по формуле (4):
С = /(С0,псо,пно), (4)
где С - время оценки сложности; С0 - сложность технологической операции, зависящая от сложности применяемого технологического оборудования и времени исполнения операции; псо - количество сложных операций; пно -сложность операций, не имеющей аналога в практике, требующая применения изобретательских методов для изготовления объекта.
Общее полное время изготовления объекта описывается формулой (5), где учтен фактор времени от идеи создания объекта и неизбежности учета времени при проектировании и выполнении обязательных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР)
^ = ТПр, (5)
где - время изготовления объекта от идеи до использования его на практике; Тпр - время проектирования объекта.
Изменение фактора времени при проектировании и НИОКР представлено в формуле (6)
ТПр=/(Л^к,Упп), (6)
где Мр - время обоснования количества руководителей проекта; Мк -количество конструкторов, ученых, технологов; Упп - уровень профессиональной подготовки для работы с применением рационализаторских и изобретательских методов.
В приведенных выше формулах не показаны факторы потери времени, зависящие как от политических, так и социально-экономических условий при изготовлении объекта. Не учтен фактор времени от ошибочных решений. Не учтены факторы времени при ускорении технологического процесса при использовании изобретений и быстродействующих
электронно-вычислительных машин, для создания программного обеспечения.
Анализ формул (1-6) приводит к необходимости сделать предварительные замечания, способствующие дальнейшему обоснованию влияния фактора времени (7^) на развитие машиностроения и техносферы. Анализ формулы (1) и развитие её в формулах (2-4) позволяет проследить логическую последовательность создания объекта с оценкой фактора времени за период изготовления объекта и его влияния на результат: чем массивнее объект, тем больше времени на его изготовление, чем больше операций и, чем они сложнее, тем больше времени на изготовление объекта и т. д.
Формулы (5, 6) объясняют влияние фактора времени уже с элементами системы создания объекта - проектирование (НИОКР) [8] и организация этого процесса.
Оценим фактор времени (7^), анализируя организацию процесса производства объектов тяжелого и атомного машиностроения. Отказ от тяжелого механического оборудования и применение мобильных металлорежущих блоков, базирующихся на самом объекте, свойства которого позволяют использовать его в качестве жесткой базы для указанных блоков, приводит к значительному снижению удельной металлоемкости технологического оборудования. Применение напольного грузоподъемного и транспортирующего оборудования с отказом от мостовых кранов приводит к значительному снижению стоимости строительства корпусов. Вышеизложенное иллюстрируется схемой проектного развития концептуальной модели, представленной на рисунке 1.
Схема (рис. 1 а) характеризуется:
- большим объемом фундамента 1, массивными колоннами 2, мостовым краном 3 большой грузоподъемности, металлоконструкциями перекрытия 4;
И
- большим объемом производственных помещений, связанных с габаритами технологического оборудования;
- наличием зоны 6 практически неиспользуемого объема производственного помещения.
На схеме (рис.1 б) представлен вариант концептуальной модели с применением мобильных металлорежущих блоков и напольного оборудования. Она характеризуется:
- значительно меньшим объемом фундамента 12 облегченного типа, в связи со снижением нагрузок на колонны, воспринимающих только вес перекрытия, и снеговые и ветровые нагрузки;
- меньшим объемом производственного помещения;
- меньшими массами несущих опорных конструкций, перекрытия, опор кантователя, канатных лебедок, гидравлических подъемных устройств (домкратов), опорной колонны с монтируемыми на ней мобильными металлорежущими блоками.
Предварительные расчеты удельной металлоемкости (например, на 1 м длины цеха) предложенного варианта показывают, что она снижается на один - два порядка по сравнению с существующими схемами.
Оценим фактор времени при определении качества процесса проектирования технологического процесса изготовления изделий атомного машиностроении [9, 10]. Фрагмент системы представлен на рисунке 2. На схеме представлены мостовой кран 1 массой тмк, подкрановое основание 2 массой тпк, станок 3 массой тс с обечайкой 4 массой то и кантователь 5 массой тк. Обечайка перемещается со станка на кантователь и обратно для поворота на 180°. По данным производства можно условно принять: среднюю массу обечайки то=100 т; массу кантователя напольного тк=110 т; массы тс станка и тпк мостового крана в 3...5 раз больше то, масса тпк подкраного основания на порядок больше то; в целом, суммарная масса
N
технологического, транспортного и нестандартного оборудования составляет тысячу тонн, энергоносыщенность - тысячи киловатт.
Рис. 1. - Базовая модель развития концептуального решения: а) существующая система; б) предложенная модель: 1 - фундамент; 2 -колонны; 3 - мостовой кран; 4 - металлоконструкции крыши; 5 -неиспользуемое пространство; 6 - граница пространства проектируемого
помещения; 7 - напольный кантователь; 8 - карусельный станок; 9 -обечайка; 10 - канатная лебедка; 11 - подвижная опора.; ЦМ - центр масс
объекта
Критерием качества проектирования этой системы принимаем удельную металлоемкость Муд т.е. отношение суммы масс оборудования и производственных сооружений к массе оборудования объекта, формула (7):
™МК+™ПК+™С+™К
МУД =
то
(7)
Рис. 2. - Существующая схема системы механической обработки обечаек в атомном машиностроении
Аналогично определяем критерий удаленной энергоёмкости Еуд процесс:
Е =
Еуд
емк+ес+епер+ек то
(8)
где ЕМК, ЕС, Епер, Ек - установленные мощности, соответственно, мостового крана, карусельного станка, средства перемещения и напольного кантователя.
С использованием эвристических методов проектирования предложена новая, близкая к оптимальной по критериям удельной металлоемкости и энерговооруженности, схема механической обработки обечайки на роликоопорных стендах, представленная на рис. 3. Внутренняя поверхность обечайки 1 обрабатывается с помощью блока 3, вращающегося относительно оси 4, жёстко закреплённой внутри обечайки с помощью распорных элементов 2. Наружную и торцевые поверхности можно обработать с помощью мобильного блока 5. Возможны и другие схемы базирования мобильных блоков при обработке обечайки на роликовых опорах 6, причём масса блоков и направляющих колец составляет менее 10т.
И
Рис. 3. - Проектная модель обработки обечайки на роликоопорном стенде с мобильными металлорежущими блоками
М, _ Шб1+^б2+Р МУд тО
Удельная металлоёмкость согласно схеме, представленной на рис. 2, определяется по формуле 9:
п^ . _1_-т___1_Р
(9)
где тБ1, тБ2 и тР - массы металлорежущих блоков и роликоопорного стенда, то - масса объекта.
Анализ формул (1-6) приводит к заключению, что создание объекта может быть существенно сокращено по фактору времени при выполнении условий, представленных в формулах (7-9), фрагментами технических решений, полученных в результате использования изобретательских методов. В литературных источниках часто употребляется словосочетание «ускорение технического прогресса». В данной работе фактор времени как элемент системы технического прогресса представлен на практическом примере замены тяжелого металлообрабатывающего оборудования на мобильные малогабаритные блоки.
Литература
1. Бадрахан А.И., Шурдумова Э.Г. Понятие отраслевой конкурентоспособности и принципы управления ее повышением на предприятиях машиностроительного комплекса // Фундаментальные исследования. 2016. № 4-3. С. 563-567.
2. Орлов В.В., Косырев К.Л., Дуб В.С. Металлургия и машиностроение - традиции и инновации // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2019. Т. 75. № 12. С. 1321-1331.
3. Protasov A.V., Sivak B.A. Modern development tendencies of ladle vacuum treatment // Тяжелое машиностроение. 2019. №5-6. С. 60-63.
4. Лоскутов И.А. Расчет суммарного времени, затраченного на монтаж силового, управляющего, включающее радиоэлектронное оборудование для АЭС. Базовое уравнение // Журнал технических исследований. 2019. Т. 5. № 2. С. 9-13.
5. Боброва Т.В., Панченко Р.М. Техническое нормирование рабочих процессов в строительстве на основе пространственно-временного моделирования // Инженерно-строительный журнал. 2017. №8 (76) С. 84-97.
6. Малышев Ю.М., Щуренко Н.Н. Фактор времени в оценке сроков строительства и освоения производственных мощностей // Нефтегазовое дело. 2010. Т. 8. № 1. С. 90-94.
7. Муравьев И.И., Острейковский В.А., Шевченко Е.Н. Модели оценки фактора времени в теории техногенного риска динамических систем // Труды международного симпозиума надежность и качество. 2015. С. 24-27.
8. Кравченко П.Д., Косогова Ю.П., Приходько О.Л. Особенности методики выполнения научно-исследовательской работы в интегрированной системе СПО и ВПО // Инженерный вестник Дона. 2018. №2. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_218_Kravchenko.pdf_86012e27bf.pdf.
9. Кравченко П.Д., Косогова Ю.П. Расчетное обоснование способа применения съемных грузозахватных устройств при перемещении эллипсоидных днищ корпусного оборудования АЭС // Инженерный вестник Дона. 2020. №1. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_15_1_Kravchenko.pdf_37ffaf2207.pdf.
10. Kravchenko P.D., Yablonovsky I.M., Fedorenko D.N. New engineering decisions in nuclear engineering // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11, № 3. pp. 1951-1955.
References
1. Badrakhan A.I., Shurdumova E.G. Fundamental'nye issledovanija. 2016. № 4-3. pp. 563-567.
2. Orlov V.V., Kosyrev K.L., Dub V.S. Chernaja metallurgija. Bjulleten' nauchno-tehnicheskoj i jekonomicheskoj informacii. 2019. Vol. 75. № 12. pp.1321-1331.
3. Protasov A.V., Sivak B.A. Tjazheloe mashinostroenie. 2019. №5-6. pp. 60-63.
4. Loskutov I.A. Zhurnal tehnicheskih issledovanij. 2019. T. 5. № 2 pp.
9-13.
5. Bobrova T.V., Panchenko P.M. Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. 2017. №8 (76) pp. 84-97.
6. Malyshev Yu. M., Schurenko N.N. Neftegazovoe delo. 2010. ^ 8. № 1. pp. 90-94.
7. Murav'ev I.I., Ostrejkovskij V.A., Shevchenko E.N. Trudy mezhdunarodnogo simpoziuma nadezhnost' i kachestvo. 2015. pp. 24-27.
8. Kravchenko P.D., Kosogova Yu.P., Prikhodko O.L. Inzenernyj vestnik Dona, 2018. № 2. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_218_Kravchenko.pdf_86012e27bf.pdf.
9. Kravchenko P.D. Kosogova Yu.P. Inzenernyj vestnik Dona, 2020. № 1. URL: ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_15_1_Kravchenko.pdf_37ffaf2207.pdf.
10. Kravchenko P.D., Yablonovsky I.M., Fedorenko D.N. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2016. Vol. 11. № 3. pp. 1951-1955.
