книги / Надежность и диагностика технологических систем
..pdf1.5. Экономические и социальные аспекты надежности |
41 |
При создании и внедрении ГПС важно заранее определить экономически рациональные границы целесообразного уровня показателей качества, с тем чтобы дополнительные затраты на его обеспечение в период создания автоматизированных ТС были сбалансированы (компенсировались) эффективными результа тами их эксплуатации. Выделяют несколько групп показателей качества. Рассмотрим основные из них.
Показатели назначения характеризуют основные свойства про дукции, определяющие ее главные функции. При этом устанав ливается служебное назначение продукции и область ее рацио нального применения. Как показатели назначения используют:
•классификационные показатели, характеризующие принад лежность продукции к определенной классификационной группе (например, мощность, передаточное число, предел прочности);
•функциональные показатели и показатели технической эф фективности, отражающие эффективность продукции в период эксплуатации и уровень технических решений (например, про изводительность, точность, энергоемкость станка);
•конструктивные показатели, характеризующие уровень про ектно-конструкторских решений (диапазон агрегатирования, мо дульности, унификации, взаимозаменяемости, габариты, масса, коэффициент блочности). Коэффициент блочности Кб определя ется отношением
K6 = Nc/No6,
где Nc — количество специфицированных (т.е. блочных) частей изделия;,No6 — общее количество частей изделия.
Показатели состава и структуры характеризуют процент со держания в продукции каких-либо элементов (например, леги рующих добавок в стали, процентное содержание химических элементов в продукте).
Показатели надежности представляют собой комплекс важ нейших показателей, определяющих стабильность качества изде лий (безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохра няемость). Показатели безотказности (вероятность безотказной работы P(t); наработка на отказ; интенсивность отказов; пара метр потока отказов d)(f)) позволяют проводить количественную оценку качества изделий. Показатели сохраняемости — это гам ма-процентные и средние сроки сохраняемости.
42 |
1. Обеспечение надежности автоматизированных ТС |
Комплексными показателями надежности называют коэф фициенты готовности, технического использования, оператив ной готовности, средней суммарной трудоемкости технического обслуживания и ремонтов.
Выбор норм надежности осуществляется путем определения максимального приведенного значения коэффициента нормиро вания надежности Кн как функции комплекса параметров:
Кн = /(ос, Рх» Р2» У» ^1>^2» Их, ..., Пи),
где а — себестоимость изделия; рх — средние потери из-за отка за; р2.— суммарные затраты на планово-профилактические ра боты за срок службы; у — удельный эффект от использования объекта; — удельные затраты на поддержание работоспособно сти объекта; 82— затраты, необходимые для выполнения задачи; 8 — удельный ущерб, обусловленный вынужденными простоями объекта Пх, ..., Пл.
Показатели технологичности. Понятие технологичности охва тывает широкий спектр условий, влияющих на качество продук ции, себестоимость, трудоемкость и уровень процесса изготовления в целом. Технологичность можно оценить комплексом суммар ных, относительных, сравнительных, структурных и удельных показателей.
Суммарная трудоемкость:
Tpi = S T Pi,
i=1
где Тр* — трудоемкость отдельного i-то вида работ; п — число работ.
Относительная трудоемкость Tpoi показывает долю трудо затрат по данному виду работ:
Тр0( = TPi/Tps.
Структурная трудоемкость Тсх определяется путем сумми рования трудоемкостей по рабочим местам и агрегатам, входя щим в конкретное оборудование или виды работ.
Суммарная себестоимость продукции С£ определяется как проектная, плановая, цеховая, заводская и другие виды себе стоимости.
1.5. Экономические и социальные аспекты надежности |
43 |
Удельная себестоимость Су — себестоимость фактическая Сф относительно базового параметра Бп:
Су = Сф/Б п.
Важным показателем эффективности производства продук ции является коэффициент использования материала Ки>м:
^И.М = Мц/Мз,
где Ми — масса изделия (детали); М3 — масса заготовки. Коэф фициент использования должен стремиться к единице.
Эргономические показатели характеризуют систему чело век — машина и учитывают следующие особенности человека:
•антропометрические (соответствие и гармония между кон струкцией объекта и отдельными наиболее характерными пара метрами человека — рост, форма тела, расположение и размеры различных органов и частей тела);
•физиологические (соответствие параметров и свойств кон струкции изделия естественным, реальным возможностям че ловека — силовым, слуховым, скоростным, зрительным, осяза тельным);
•психологические (соответствие создаваемой конструкции возможности выполнения человеком требуемых функций — восприятие и переработка информации, анализ, принятие пра вильных решений);
•гигиенические (соответствие конструкции требованиям создания комфортных и безопасных для здоровья человека ус ловий — температура, влажность, освещенность, шум, вибра ции, чистота воздуха).
Показатели безопасности характеризуют особенности продук ции, обусловливающие безопасность человека при ее эксплуата ции. Экологические показатели входят в структуру показателей безопасности. Они характеризуют уровень вредных воздействий (веществ или энергий) на окружающую среду при эксплуатации изделий.
Показатели унификации характеризуют степень насыщен ности продукции (изделий) стандартными и унифицированными элементами, как правило, уже испытанными и проверенными на практике в других конструкциях. Это повышает надежность
идолговечность создаваемых конструкций.
44 |
1. Обеспечение надежности автоматизированных ТС |
Патентно-правовые показатели характеризуют патентную за щиту и патентную чистоту продукции. Они играют существенную роль при определении конкурентоспособности продукции и учиты вают ряд важных факторов: стоимостные показатели изделия; наличие в изделии новых технических решений и др.
Экономические показатели представляют собой группу важ ных базовых показателей, на основе которых создана вся система оценки качества продукции. Они позволяют учитывать затраты на научно-исследовательскую работу, на эксплуатацию продук ции, а также определять экономическую эффективность в целом. При расчете экономического эффекта делается сравнительный анализ технико-экономических показателей, сопоставление экс плуатационных и производственных затрат для изделия повы шенного качества и его аналога.
Проблема качества, как уже говорилось, является одновре менно как технической, так и социально-экономической задачей. И зачастую основным критерием повышения качества являются не технические возможности, а экономическая целесообразность.
Влияние надежности на эффективность ГПС. Гибкое автома тизированное производство выдвигает проблему обеспечения ка чества и ее основного показателя (надежности) на первый план. Проблема эта не может быть решена только за счет отдельных организационно-технических мероприятий. Здесь нужна единая, комплексная, научно обоснованная система управления качест вом продукции.
Решение проблемы надежности машин — это огромный ре зерв повышения эффективности производства, производительно сти общественного труда. Ненадежная машина не смож ет эф фективно функционировать, так как каждая ее остановка из-за повреждений отдельных элементов или снижения технических характеристик ниже допустимого уровня влечет за собой боль шие материальные убытки, а в отдельных случаях может иметь катастрофические последствия.
Из-за низкой надежности затраты на ремонт и техническое обслуживание машин превышают их начальную стоимость в не сколько раз (у самолетов — до 5 раз, у автомобилей — до 6, у стан ков — до 8 раз). Только из-за коррозии в нашей стране ежегодно теряется до 10 % выплавляемого металла.
1.5. Экономические и социальные аспекты надежности |
45 |
Низкая надежность ТО не позволяет обеспечить эффективность производственных процессов, высокую производительность и ка чество выпускаемой продукции. Кроме того, низкий уровень надежности приводит к тяжелейшим последствиям (авариям, гибели людей и дорогостоящей техники, огромным убыткам).
Экономическая эффективность ТО (станки, роботы, модули) обусловлена прежде всего уровнем его надежности (рис. 1.20). Общий баланс эффективности использования станков с ЧПУ скла дывается из нескольких составляющих (цифры взяты условно):
1)затраты на изготовление станка Ри (Ри= 150 тыс. д.е.) и об служивание при эксплуатации Р0 (отрицательные);
2)прибыль Рс, получаемая от станка (положительные). Эффективность станка (прибыль)
Рэ = Р с- (Ри + Ро)-
.Рис. 1.20. Влияние надежности на экономическую эффективность станков с ЧПУ:
Тэфф — период эффективной работы станка; Ртах — максимальная эффек тивность на станках без систем диагностики; Р&ах — максимальная эффек тивность на станках с системами диагностики; Р§ — расходы на обслужива ние станков с системами диагностики; Тпр— предельный срок эффективной работы станка без систем диагностики; Ток — период окупаемости вводимых в эксплуатацию станков; Р,„ Р,, — расходы на изготовление станков без систем диагностики и с системами диагностики соответственно; Рок, Р„к — прибыль в период окупаемости станков без систем диагностики и с системами . диагностики соответственно
46 |
1. Обеспечение надежности автоматизированных ТС |
|
Прибыль Рэ отличается от теоретической Ртпо ряду причин, |
в том числе, например, из-за недостаточной надежности (отка зов, простоев станка), в результате чего возрастают затраты на ремонт и обслуживание (кривая Р 0).
За счет получаемого от работы станка дохода Рсзатраты на из готовление Ри окупаются за время Ток (период окупаемости), когда величина окупаемости Рок станет равной сумме затрат на изготов
ление Ри и затрат на обслуживание |
, т.е. когда Рок = fp Hч |
|
|
dtc |
dtо J |
При этом Рок = 160 тыс. д.е.*, Ри = 150 тыс. д.е., |
— затраты |
|
|
|
dt0 |
на обслуживание Р0 за период Ток, равные 10 тыс. д.е. Эффек тивный период эксплуатации ГЭфф равен четырем годам (при максимальной эффективности Р тах).
Предельный срок эффективной работы станка составит 9 лет, т.е. когда прибыль Рс = 450 тыс. д.е., а суммарные затраты на изготовление и обслуживание достигнут 150 и 300 тыс. д.е. со ответственно. Дальнейшая эксплуатация станка после этого экономически нецелесообразна.
Оснащение станков с ЧПУ системами диагностики и контроля позволяет повысить коэффициент технического использования (за счет снижения количества отказов, исключения поломок, ос тановов, простоев), получить прибыль Рд > Р с и эффект Р£ >РЭ, хотя начальные затраты >РИ. Максимальный, стабильный эффект Р тах можно получать в течение длительного периода эксплуатации (больше 10 лет, см. рис. 1.20).
Проблема надежности связана со всеми этапами жизненного цикла изделия — проектированием, изготовлением и эксплуа тацией. Основные решения по надежности, принятые на стадии проектирования и изготовления машины, непосредственно ска зываются на эксплуатационных и экономических показателях, которые нередко вступают в техническое противоречие. Поэтому необходимо выявление связей между показателями надежности и возможностями их повышения на каждом из этапов проекти рования, изготовления и эксплуатации машин. Повышение на дежности машин, с одной стороны, связано с дополнительными материальными затратами, а с другой — с повышением эффек-
*
Условные денежные единицы.
1.5. Экономические и социальные аспекты надежности |
47 |
тивности капитальных вложений, уменьшением затрат общест венного труда на ремонт и обслуживание техники, с устранением потерь от простоя машин в ремонте (см. рис. 1.20).
Показателем надежности с экономической точки зрения могут служить суммы затрат, связанных с изготовлением и эксплуа тацией машины, отнесенные к длительности ее эксплуатации:
(1.1)
где Кэ — экономический показатель надежности, руб/ч; Q„ — стоимость изготовления новой машины; Q0— стоимость эксплуа тации машины; Тэ — период эксплуатации машины, ч.
Следует стремиться к минимальному значению показателя Кэ за счет рационального распределения капиталовложений между сферой производства и сферой эксплуатации. При прочих равных условиях, чем дешевле изделие, тем больше затрат приходится на его эксплуатацию. Здесь возникает проблема компромиссов.
Соотношение между стоимостью изготовления и эксплуата ции машины характеризуется коэффициентом эксплуатацион ных издержек:
(1.2)
Повышение уровня надежности требует дополнительных за трат. Поэтому часто оперируют понятием цены надежности QH. Общие затраты на изготовление изделия Qaскладываются из ос новных (базовых) затрат Q6, не зависящих от требований надеж ности, и от Яд — дополнительных затрат, обусловленных требова ниями надежности:
Qn —Об + Од* |
(1.3) |
Подставляя значение Q„ в формулу (1.2), получим
Ои _ 0„
(1.4)
0 н + 0 э 0 б + ( 0 д + 0 э )
На стадии проектирования и изготовления точно подсчитать затраты (QAи Q3) не представляется возможным. Поэтому для прогнозирования затрат на повышение надежности в ряде случаев
48 1. Обеспечение надежности автоматизированных ТС
применяют сравнение с прототипом на основании общих эмпи рических зависимостей, полученных при обработке опытных данных о цене надежности.
При определении экономически оптимального уровня надеж ности изделия следует иметь в виду, что требования безотказно сти связаны с затратами на изготовление и эксплуатацию изделия следующим образом: при более высоких требованиях к безотказ ности работы изделия необходимы повышенные затраты на его изготовление (Q„), но зато при эксплуатации величина затрат Q3 снижается. Поэтому, если выразить суммарные затраты на из готовление и эксплуатацию машины (Q„ + Q3) в функции вероят ности безотказной работы P(t) в течение периода рациональной эксплуатации t = Тэ, то минимум этой функции определит эко номически оптимальный уровень безотказности изделия.
В качестве примера на рис. 1.21 |
|
|
приведены затраты на изготовление |
|
|
и эксплуатацию робокар в зависи |
|
|
мости от вероятности безотказной |
|
|
работы P(t). При изменении тре |
|
|
бований безотказности P(t) от 0,53 |
|
|
до 0,95 затраты на парк робокар Q„ |
|
|
возрастают соответственно с 380 до |
|
|
1800 тыс. д.е., а эксплуатацион |
|
|
ные затраты Q3 снижаются с 2120 |
|
|
до 300 тыс. д.е. В результате опти |
|
|
мальный уровень надежности в дан |
|
|
ном случае соответствует P(t) = 0,75. |
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 P(t) |
|
При большем влиянии безотказно |
Рис. 1.21. Влияние требований |
|
сти на эксплуатационные затраты |
||
оптимальное значение P(t) будет |
безотказности на затраты |
|
при изготовлении Q„ |
||
сдвигаться в сторону более вы со |
||
и эксплуатации <3Э робокар |
||
ких значений. Поэтому во многих |
||
|
случаях с экономической точки зрения выгодно делать более надежное изделие даже в том случае, если к нему не предъявляют ся высокие требования безотказности по условиям эксплуатации.
Уровень надежности машин характеризуется в первую очередь двумя такими важнейшими показателями, как безотказность и долговечность. При этом надо учитывать, что последствия от казов обусловлены как видом отказа, так и целевым назначени ем машины (табл. 1.2 и 1.3).
I
Таблица 1.2
Экономические и социальные последствия отказов машин различного назначения
Вид отказа и его |
Результат отказа |
Тип машины |
Вероятность |
|
социальное |
безотказной рабо |
|||
и вид ущерба |
О |
|||
значение |
или устройства |
ты |
||
|
|
|||
Катастрофиче- |
Катастрофа, пожар, взрыв, авария, затоплеВоенная и космическая тех Р(*) = 0,99999 «1 |
|||
ский (недопусти- |
ние, заражение местности, невыполнение от- |
ника, летательные аппараты, |
|
|
мый) отказ |
ветственного задания, гибель людей и дорого подъемно-транспортные маши |
|
||
|
стоящей техники, невосполнимые потери, не ны, химические объекты, зда |
|
||
|
поправимый ущерб |
ния и сооружения |
|
|
Технологический |
Работа с ухудшенными параметрами, на по Технологическое оборудование, P(t) = 0,99 - |
|||
отказ |
ниженных режимах, с нарушением требуемо сельхозмашины, сложные при 0,999 |
|||
|
го ритма и регламента (остановы, сбои, регу боры и инструмент |
|
||
|
лировка). Значительный экономический ущерб |
|
|
|
Отказы допусти |
Работа с перебоями, нарушение ритма, оста Машины и устройства неот Р(*) = 0,99 |
|||
мые (бытовые, |
новы, потеря времени, воздействие на психо ветственного назначения, бы |
|
||
устранимые, не |
физическое состояние человека. Экономический товая техника, приборы, ин |
|
||
опасные) |
эффект незначительный |
струменты |
|
надежности аспекты социальные и Экономические .5.1
v£>
Таблица 1.3
П араметры , определяющ ие долговечность маш ин различного целевого назначения
Машины |
Решаемые |
|
различного целевого |
||
задачи |
||
назначения |
||
|
Технологические Изменение формы или свойств объекта труда
Контрольно- |
Контроль параметров |
измерительные |
машин и технологиче |
|
ских процессов |
Счетно- |
Решение математиче- |
решающие |
ских задач, моделиро |
|
вание и управление |
Энергетические |
Преобразование энер |
|
гии |
Тип машин
Технологические машины (станки, роботы, прессы, сварочные агрегаты); машины сельскохозяйственные, тек стильные, полиграфические
Измерительные машины, комплексы, приборы, инструменты; сортировочные автоматы, испытательная техника
Электронно-вычислительные цифровые и аналоговые машины и персо нальные компьютеры, периферийные устройства и оргтехника
Электродвигатели, турбины, двигате ли внутреннего сгорания, реактивные двигатели
Параметры, определяющие долговечность машин
Качество, производительность, экологичность, безопасность
Точность, стабильность изме рений, разрешающая способ ность
Правильность решений, бы стродействие
Мощность, скорость, КПД, безопасность, экологичность
Химико |
Получение новых мате |
Машины химических отраслей, метал |
Качество продукции, произ |
технологические |
риалов |
лургические комплексы |
водительность, безопасность, |
|
|
|
экологичность |
Транспортные |
Перемещение объектов, |
Автомобили, самолеты, суда, подъем |
Грузоподъемность, мощ |
|
грузов, людей |
но-транспортные машины, железнодо |
ность, скорость, безопасность, |
|
|
рожная техника |
производительность, эколо |
|
|
|
гичность, комфортабельность |
Медицинская |
Лечение, профилакти |
Хирургические машины и аппараты, |
техника |
ка болезней, диагности диагностическая и исследовательская |
|
|
рование, получение |
аппаратура |
|
анализов, исследование |
|
Военная техника |
Специальные задачи |
Танки, БМП, ракеты, корабли, самолеты |
Точность функционирования и точность показаний; безот казность, безопасность, эко логическая чистота
Специальные параметры
Ol
о
ТС автоматизированных надежности Обеспечение .1