Глава 26. Показатели технического уровня оборудования

Общие положения

Под техническим уровнем оборудования понимается совокупность показателей, характеризующих его соответствие современным достижениям науки и техники и определяющих степень пригодности оборудования по назначению.

В соответствии с ГОСТ 22851—77 и Методическими указаниями РД-50-149 —79 для оценки технического уровня оборудования применяют следующие группы показателей: назначения, надежности, технологичности, унификации, патентно-правовые, экологические, безопасности, экономические, эргономические и эстетические.

Показатели назначения

Показатели назначения характеризуют свойства оборудования, определяющие основные функции, для выполнения которых оно предназначено, и обуславливают область его применения. К ним относятся: классификационные показатели; показатели функциональной и технической эффективности; показатели состава и структуры.

Классификационные показатели характеризуют принадлежность оборудования к определенной классификационной группировке и дают представление о его основных параметрах. К ним относятся название машины и ее назначение, техническая характеристика (размеры обрабатываемых заготовок и получаемых деталей, скорость подачи, установленные мощности, частота вращения и диаметр режущего инструмента, габаритные размеры и т.д.).

Показатели функциональной и технической эффективности характеризуют полезный эффект от эксплуатации оборудования и прогрессивность технических решений, заложенных в него. Наиболее важными показателями являются следующие.

1.
Производительность машин, выражающая количество продукта, вырабатываемого в единицу времени (шт./ч, м³/ч, м²/ч). При обработке единицы продукции затрачивается время на выполнение основных и вспомогательных операций, которые составляют цикл обработки. Кроме того, имеются внецикловые затраты времени на наладку, уборку, регламентированный отдых рабочего и т.д. Следовательно, калькуляционное время Т_к, мин, учитывающее все виды затрат времени на одно изделие:

где Т_ц — длительность обработки одного изделия; Т_а — внецикловые потери, приходящиеся на одно изделие; Т_{п з} — длительность подготовительно-заключительных операций при обработке партии из п деталей.

Поскольку внецикловые потери могут совпадать с цикловым временем, то

где К_с — коэффициент совпадения внецикловых потерь с цикловым временем.

Различают технологическую, цикловую и фактическую производительность. Технологической (идеальной, фиктивной) называется производительность машины при непрерывной работе, т.е. без потерь времени на вспомогательные операции. На самом деле каждая машина теряет часть времени на вспомогательные и внецикловые операции, так что этот показатель фиктивный и нужен для оценки или сравнения схем и моделей машины по основному показателю — технологичности обработки на машине:

где t_p — время на рабочие ходы, т.е. непосредственно на обработку (резание, сборка, отделка и т.д.).

Цикловой (конструктивной) называется производительность без учета внецикловых потерь. Она характеризует конструктивное совершенство станка:

где t_u — время цикла обработки; К'_с — коэффициент степени совмещения времени холостого и рабочего ходов; t_x — время на холостые ходы при обработке, например на загрузку, закрепление, открепление и съем детали или режущего инструмента и т.д.

Фактической называется производительность с учетом всех видов затрат времени. Она дает представление о производительности станка в реальных условиях производства:

где К_с — коэффициент степени совмещения внецикловых операций с цикловыми; /_вц — время всех внецикловых операций, приходящихся на одну деталь, включая время технического и организационного обслуживания и время перерывов на обед.

Отношение цикловой производительности к технологической называется коэффициентом производительности

Отношение фактической производительности к цикловой называется коэффициентом использования станка

Значения К_п и К_и берут из справочников или подсчитывают по формулам (218) и (219) по фактическим значениям t _р, t _ц и t _Bll.

Фактическая производительность машины за рабочую смену выражается формулами: для проходных машин

где v_s — скорость подачи, м/мин; Т — длительность рабочей смены, мин; i₀ — число одновременно обрабатываемых деталей, шт.; L — длина детали, м; i_п — число проходов для полной обработки детали;

для цикловых машин

где i_ц — число деталей, обработанных за цикл, шт.;

для роторных машин

где п — частота вращения стола; i — число одновременно устанавливаемых деталей.

2.
Точность и стабильность обработки. Качество обработки деталей характеризуется точностью их изготовления и шероховатостью обработанной поверхности. Шероховатость обработанной поверхности в значительной степени зависит от вида резания, подачи на резец, скорости резания, остроты резцов.

Точность любого параметра детали является результатом действия множества различных факторов, относящихся к станку, инструменту, обрабатываемой заготовке, режиму, средствам измерения и т.д. Размер детали можно рассматривать как случайную величину х, которая зависит от систематических и случайных погрешностей.

Точность, с которой детали обрабатываются на станке в данный фиксированный момент, называется технологической. Она характеризуется величиной фактической погрешности размеров и формы по сравнению с заданными на чертежах. Технологическая точность должна обеспечить установленный уровень взаимозаменяемости деталей при сборке, заданную точность изделия и экономическую эффективность обработки. На чертежах указывают допустимые погрешности 8, называемые допусками (рис. 59, а). По системе допусков и посадок (по стандарту СТ СЭВ 145—75) допуском называется разность между наибольшим и наименьшим х_нпредельными размерами (? = х_в – х_н). Номинальным считается размер, относительно которого определяются предельные размеры. Совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности для всех номинальных размеров, называется квалитетом. ГОСТ 6449 — 82 для деревообработки предусматривает девять ква- литетов: 10; 11;... 18 (в порядке возрастания допусков и уменьшения точности), допуски на которые обозначаются соответственно 1Т10, 1Т11,... 1Т18.

Рассеивание размеров при обработке заготовок из древесины носит случайный характер и соответствует нормальному распределению. Кривая нормального распределения характеризуется симметричной формой с асимптотическим приближением обеих ветвей к оси абсцисс (рис. 59, б) и описывается формулой

где х — переменная случайная величина; х — среднее арифметическое (или центр рассеивания) случайной величины х; S — среднее квадратическое отклонение случайной величины х; е — основание натуральных логарифмов.

Среднее значение х, или центр рассеивания выборки и, определяют по формуле

где Xj — центр i -го интервала.

Среднее квадратическое отклонение S определяют по формуле:

При оценке точности принято считать предельным отклонением значение ±35, а поле рассеивания — равным? = 6 S, в нем находится 99,73 % всех вероятных размеров деталей.

Технологическую точность определяют по результатам выборки случайно отобранных обработанных на станке деталей в количестве 10... 50 шт. (ГОСТ 1647—70). Выборка такого объема позволяет определить совместное влияние случайных и систематических погрешностей контролируемого параметра точности.

Контролируемый размер детали измеряется с помощью микрометра с ценой деления 0,01 мм. Число замеров каждой детали должно быть не менее трех: посередине и на расстоянии 20... 50 мм от торцов. Данные измерений заносят в протокол и для каждой детали определяют среднее значение размера.

Средние замеры контролируемого параметра обработанных деталей составляют вариационный ряд, который подвергается статистической обработке. Определяют наименьший x_min и наибольший х_тах размер обработки, а весь диапазон от х_тах до x_min разбивают на 6... 15 интервалов. Дальнейшую обработку результатов измерений проводят в табличной форме (табл. 51).

Таблица 51. Пример статистической обработки результатов измерений технологической точности размеров деталей
Среднее значение, или центр рассеивания выборки п, мм, определяют по формуле

Среднее квадратическое отклонение, мм,

Расчет х и S можно вести на ЭВМ или калькуляторе с использованием стандартной программы.

О степени соответствия фактического рассеивания погрешностей нормальному закону распределения можно судить по практической кривой рассеивания (полигону рассеивания) и теоретической кривой нормального распределения, показанным на рис. 59, б. При стабильном технологическом процессе и хорошем техническом состоянии станка полигон рассеивания близок к теоретической кривой.

Значения технологической точности используют для оценки размерной настройки оборудования. Величина е = х - х_д (рис. 59, а) является критерием абсолютной точности настройки станка.

3.
Геометрическая точность. Геометрической точностью называется точность изготовления машины. Существуют стандартные виды испытаний станков на геометрическую точность, при которых проверяется точность изготовления отдельных элементов машины: прямолинейность или плоскостность (рис. 60, а) направляющих или поверхностей столов, точность вращения шпинделей — радиальное (рис. 60, б) и осевое (рис. 60, в) биение, точность ходового винта и др., правильность взаимного положения и движения узлов и элементов машины, параллельность (рис. 60, г, д) или перпендикулярность (рис. 60, е) основных направляющих или поверхностей стола и осей шпинделей, соосность или параллельность (рис. 60, ж) шпинделей, смещение валов (рис. 60, з) или суппортов в зазорах опор и направляющих.

Проверку геометрической точности машин проводят по нормам ГОСТа, которые приводятся в техническом паспорте на оборудование. Например, плоскостность проверяют следующим образом. На проверяемую поверхность (см. рис. 60, а) в продольном и диагональном направлениях устанавливают калибровочные плитки или щупы одинаковой толщины класса точности 2. На них проверочной гранью кладут контрольную линейку класса точности 3. Просвет между поверхностью и гранью линейки проверяют щупом. Сравнение наибольшей погрешности с ее допускаемыми значениями, указанными в техническом паспорте или ГОСТе, позволяет определить класс точности станка.

4.
Жесткость. Жесткостью называется способность машины или ее элементов оказывать сопротивление деформирующему действию внешних сил. При определении статической жесткости С проводится нагружение неработающего станка (механизма, узла, детали) статической силой F_v Н, и измерение перемещения z элемента станка в направлении действия вектора силы:

Технологическая система станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД) представляет собой упругую систему, деформации которой под действием сил, возникающих при обработке, вызывают погрешности обработки. Поэтому придание механизмам машины достаточной жесткости и сохранение ее в процессе эксплуатации машины является гарантией обеспечения технологической точности.

На рис. 61, а приведена схема измерения статической жесткости шпинделя. Сила нагружения шпинделя создается парой винт—гайка 5, 6, контролируется по индикатору 7 динамометром ДОСМ-3 8 и передается через шарик 4 и призму 3. При использовании шарика можно наиболее точно выдержать координату точки приложения силы и поворачивать призму при нагружении, когда меняется расположение нагружаемых элементов. Перемещение измеряют индикатором часового типа ИЧ-10 2 с ценой деления 0,01 мм. Индикатор устанавливают на станине экспериментальной установки на специальной или стандартной стойке. Измерения проводят при ступенчатом нагружении и разгружении вала 1. Весь цикл измерений повторяется дважды, а при большом разбросе показаний (более 10 %) — трижды. На каждой ступени для нагрузки и разгрузки вычисляют среднее арифметическое перемещения и по этим данным строят характеристику перемещения узла (рис. 61, б).

Нагрузочная и разгрузочная линии образуют петлю гистерезиса, которая определяет работу, затрачиваемую на трение в стыках. По кривым нагрузки и разгрузки можно построить усредненную линию, пересечение которой с осью z показывает величину зазора z_3. Тогда упругое перемещение узла z = z_тах - z₃, а жесткость рассчитывается по формуле

Жесткость серийно выпускаемых машин должна нормироваться техническими условиями или ГОСТами.

Динамическая жесткость определяется для работающего станка и в значительно большей степени отражает реальную способность механизма (узла, детали) оказывать сопротивление деформирующему действию внешних сил, возникающих в процессе обработки. При этом силы могут иметь как статический, так и динамический характер, обусловленный процессом резания и инерционными нагрузками от неуравновешенных вращающихся масс.

По аналогии с формулой (226) динамическая жесткость С_дин определяется как отношение действующей нагрузки F_дин к упругому перемещению (виброперемещению) Z_дин:

Показатели надежности

Основные понятия и определение теории надежности регламентированы ГОСТ 27.002—83.

Надежность — свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспортировки.

Состояние машины, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской документации, считается работоспособным. Если хотя бы один из этих параметров не соответствует требованиям документации, наступает событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния машины, которое называется отказом.

Оборудование может потерять работоспособность в двух случаях: когда его узлы перестают функционировать или когда оно в процессе работы не обеспечивает требуемые параметры в заданных пределах (технологическую и геометрическую точность, равномерность перемещений и т.д.). В связи с этим различают отказы элементов и параметрические отказы.

Отказы элементов являются явными и обнаруживаются обычным наблюдением. Это поломки, пластические деформации и разрушение контактирующих поверхностей, которые сопровождаются остановкой машины. Они легко обнаруживаются в общем потоке отказов. Различают внезапные и постепенные отказы элементов.

Внезапные отказы возникают как следствие перегрузок, связанных с неизбежными случайными колебаниями внешних условий и флуктуациями взаимодействия элементов. Если в случайном стационарном процессе наблюдается колебание нагрузки R(t) около среднего уровня R, возможен момент t₀, когда она достигнет значения, превосходящего допустимый, предельный уровень R_n, и тогда произойдет отказ. Этот процесс носит название схемы мгновенных повреждений.

Постепенные отказы элементов машины происходят в результате накапливания износных, или усталостных, повреждений. Вследствие потери начальной прочности происходит поломка или пластическое деформирование детали.

Наиболее типичная для реальных машин схема возникновения отказа — это нарушение характеристик в результате действия нескольких причин, например нагрузки R(t) стационарного случайного процесса при уменьшающемся вследствие износа предельно допустимом уровне нагружения R_n(t).

Параметрические отказы приводят к такому состоянию машины, при котором она не обеспечивает сохранение в допустимых пределах своих выходных характеристик. При этом машина продолжает функционировать. Такой отказ простым наблюдением за работой машины выявить практически невозможно. Для его обнаружения требуются специальные работы по определению численных значений выходных параметров станка. Если момент появления отказа не был зафиксирован, дальнейшая эксплуатация неисправного станка может нанести значительный экономический урон вследствие выпуска некачественной продукции. Поэтому большое значение имеет информация о границах работоспособности машины и динамике изменения выходных параметров, которые и являются определяющими при анализе параметрического отказа. Параметрические отказы носят обычно постепенный характер и подразделяются на отказы по технологическим и функциональным параметрам.

К технологическим относятся отказы по критериям точности обработки, шероховатости поверхности, качеству отделки и т.д. Отказ наступает в тот момент, когда численное значение критерия превышает регламентированную ГОСТом величину.

Появлению технологического отказа предшествует процесс ухудшения параметров технического состояния станка, и при выходе какого-либо одного или нескольких из них за предельные значения, регламентируемые ГОСТом и ТУ, наступает отказ по функциональному параметру.

Надежность — сложное свойство, которое в зависимости от назначения машины и условий ее применения представляет собой сочетание свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность — свойство машины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки (продолжительности или объема работы машины).

Долговечность — свойство машины сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность — свойство, характеризующее приспособленность машины к предупреждению и обнаружению отказов и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Сохраняемость — способность объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в период и после хранения и (или) транспортирования.

Количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта, осуществляется с помощью единичных или комплексных показателей надежности. Их оценку проводят статистическими методами.

Для оценки безотказности чаще всего служит наработка на отказ. Средняя наработка на отказ Т₀ — это среднее арифметическое значение наработок между отказами для совокупности (выборки) N машин:

Другим показателем безотказности является вероятность безотказной работы Р (/), или, как его часто называют, коэффициент надежности. Он характеризует вероятность того, что в заданном интервале времени t = Т не возникает отказа машины. Например, если вероятность безотказной работы машины в течение Т = 1000 ч составляет 0,95, то это означает, что из большого числа машин данной модели в среднем около 5% машин потеряют свою работоспособность раньше, чем через 1000 ч работы. Применительно к выпуску одного изделия вероятность безотказной работы определяет шансы изделия проработать без отказов заданный период времени:

где Т = t₂ — t₁, п и п₀ — число отказов на момент времени t₁ и t₂ соответственно.

Долговечность оценивают по следующим показателям. Средний ресурс Т_р — математическое ожидание ресурса, или средняя наработка от начала эксплуатации до предельного состояния. Для большей части деревообрабатывающего оборудования такое состояние определяется выходом за пределы норм точности, регламентированных ТУ, по основным проверкам, определяющим технологическую точность:

где N — число станков, поставленных на испытания; T_pj — ресурс j -го станка с начала эксплуатации до выхода за пределы норм точности.

Средний срок службы Т_с есть математическое ожидание срока службы, т. е. наработка от ввода совокупности машин данного типа в эксплуатацию до окончательного снятия с эксплуатации (капитального ремонта):

где N — число станков, поставленных на испытания; T_cj — срок службы j -го станка с начала эксплуатации до первоначального капитального ремонта.

Ремонтопригодность оценивается по среднему времени восстановления работоспособного состояния Т_в — математическому ожиданию времени восстановления работоспособного состояния машины после отказа:

где T_Bi — длительность восстановления работоспособного состояния при /-м отказе;

— общее число отказов за время испытаний.

Сохраняемость характеризуется средним сроком сохраняемости T_сх — математическим ожиданием срока сохраняемости совокупности машин данного типа:

где L — число машин, поставленных на испытания; T_cxi — срок сохраняемости j -й машины.

Комплексные показатели надежности. Показателем, определяющим долговечность машины с учетом затрат времени, идущих на восстановление ее работоспособности, служит коэффициент использования К_ТИ:

где T_раб — математическое ожидание суммарного времени работы машины за некоторый период эксплуатации;

— математическое ожидание суммарной продолжительности ремонтов и обслуживания машины за этот же период эксплуатации.

Коэффициент К_TИ — безразмерная величина (0 < К_ТИ < 1). Он численно определяет вероятность того, что в данный произвольно взятый момент времени машина работает, а не ремонтируется.

Для оценки надежности с учетом непредусмотренных простоев оборудования служит коэффициент готовности К_г, который численно равен вероятности того, что машина окажется работоспособной в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование машины по назначению не предусматривается:

Показатели технологичности. Эти показатели характеризуют свойства продукции, обуславливающие оптимальное распределение затрат материалов, средств, труда и времени при технологической подготовке производства, изготовлении и эксплуатации продукции. К числу основных показателей этой группы относят показатели трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.

Показатели унификации. Эти показатели характеризуют насыщенность машины стандартными, унифицированными и оригинальными составными частями, а также уровень унификации с другими машинами. К ним относят: коэффициент повторяемости, коэффициент изменяемости и коэффициент унификации.

Патентно-правовые показатели. Группа патентно-правовых показателей подразделяется на подгруппы показателей патентной защиты и патентной чистоты. Показатели патентной защиты выражают степень защиты машины авторскими свидетельствами в Российской Федерации и патентами в странах предполагаемого экспорта или продажи лицензий на отечественные изобретения.

Показатель патентной чистоты выражает степень воплощения в машине, предназначенной для реализации только внутри страны, технических решений, не попадающих под действие выданных в России патентов исключительного права, а для машины, предназначенной для реализации и за рубежом, технических решений, не попадающих также под действие патентов, выданных в странах предполагаемого экспорта. Он позволяет судить о возможности беспрепятственной реализации машин в России и за рубежом.

Экологические показатели. Эти показатели характеризуют уровень вредных воздействий на окружающую среду, возникающих при эксплуатации машин. Для обоснования необходимости учета этих показателей проводится анализ процессов эксплуатации машины в целях выявления возможных химических, механических, звуковых, биологических и других воздействий на окружающую природную среду. К экологическим показателям относятся: содержание вредных примесей или пыли, выбрасываемых в окружающую среду; вероятность вредного излучения в окружающую атмосферу и т. д.

При выборе экологических показателей надо исходить из стандартов, рекомендаций, правил международных организаций, занимающихся вопросами охраны природы, системой государственных стандартов в области охраны природы и др.

Показатели безопасности. Эти показатели характеризуют особенности машины, обуславливающие при ее эксплуатации или потреблении безопасность обслуживающего персонала. Помимо этого показатели безопасности должны отражать требования, обуславливающие меры и средства защиты человека в условиях аварийной ситуации, не санкционированной и не предусмотренной правилами эксплуатации, в зоне возможной опасности. Примерами показателей безопасности могут служить: вероятность безопасной работы человека в течение определенного времени; время срабатывания защитных устройств; сопротивление изоляции токоведущих частей, с которыми возможно соприкосновение человека; наличие блокирующих устройств или аварийной сигнализации и т.д.

При выборе показателей безопасности необходимо руководствоваться системой государственных стандартов по безопасности труда; правилами и нормами по технике безопасности, пожарной безопасности, производственной санитарии; стандартами, рекомендациями, правилами СЭВ, ИСО и др.

Экономические показатели. Эти показатели представляют собой особую группу показателей, характеризующих затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию машины.

Себестоимость изготовления продукции. Этот показатель используется для оценки эффективности внедрения нового оборудования. Когда при применении новой машины меняется стоимость материалов, составляют расчет общей стоимости изделия, т.е. суммируют затраты по следующим элементам: материал основной и вспомогательный,

заработная плата с начислениями, электроэнергия и сжатый воздух, эксплуатация режущего инструмента и приспособлений и т.д.

Если общезаводские затраты до и после внедрения машины не меняются, то достаточно рассчитать цеховую себестоимость изделия. Когда применение новой машины не влияет на стоимость материалов, можно ограничиться сопоставлением себестоимости ее обработки. Себестоимость обработки (С₀) может быть определена через ее трудоемкость q и стоимость единицы трудоемкости С в которую включены все виды эксплуатационных затрат:

Эффективность окупаемости капитальных затрат. Этот показатель определяется временем t, лет, по истечении которого дополнительные капитальные затраты К_доп на новую машину окупаются уменьшением эксплуатационных расходов С_э на каждое изделие:

где С_э — разница себестоимости С₂ нового и С[ старого изделия, С_э = С, — С₂; /д — годовой действительный фонд времени работы машины, ч; — часовая фактическая производительность машины.

Этот показатель не должен превышать 3... 4 лет с момента начала эксплуатации нового оборудования.

При выборе новой машины часто приходится сравнивать экономическую эффективность нескольких вариантов машин. В этих случаях удобно пользоваться формулами, по которым лучший вариант будет определяться наименьшей суммой приведенных затрат:

где К_i — капитальные вложения по каждому варианту; Т₀ — отраслевой нормативный срок окупаемости; С_i — себестоимость продукции за год по тому же варианту; Е — коэффициент сравнительной эффективности, безразмерная величина, обратная числу лет окупаемости капитальных вложений.

Рентабельностью называют показатель, определяющий степень прибыльности предприятия.

Рентабельность производства, %, определяется по формуле

где П_в — прибыль по валовому выпуску; С_в — себестоимость по валовому выпуску.

Прибыль на единицу изделия:

где Ц — отпускная цена; С — себестоимость одного изделия.
Контрольные вопросы и задания

1.
Дайте определение понятия «технический уровень».

2.
Перечислите показатели технического уровня оборудования.

3.
Как определяется технологическая точность станка?

4.
Какие параметры характеризуют поле рассеивания размеров обработанной партии деталей?

5.
В чем заключается оценка точности станка?

6.
Как определить, правильно ли настроен станок?

7.
Что такое технологическая точность, от чего она зависит и на что влияет?

8.
Как определяют плоскостность рабочих столов?

9.
Что такое геометрическая точность и каким способом она определяется?

10.
Что такое статическая жесткость, от чего она зависит и на что влияет?

11.
Что такое динамическая жесткость и в чем ее отличие от статической жесткости?

12.
Дайте определение производительности машины.

13.
Дайте определение понятия «надежность».

14.
Перечислите свойства надежности и их показатели.

15.
Что такое отказ оборудования и чем он отличается от повреждения или неисправности?

16.
Приведите классификацию отказов — параметрического и элементов.

17.
Как определить себестоимость обработки?