_Глава-2 Производительность (Лекции ОПиЭНТО)

2. ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МАШИН

Основными характеристиками любой технологической машины яв­ляются качество и количество выпускаемой продукции (производитель­ность). И если показатели качества бесконечно разнообразны в зависимо­сти от видов продукции и требований к ним, то показатели количества выпускаемой продукции едины для любого вида оборудования. Отсюда – становление и развитие особого раздела науки о машинах: теории произ­водительности машин.

Теория производительности включает в себя:

1) научно-методические основы (важнейшие понятия и определе­ния, концептуальные положения; количественные показатели, их взаимо­связь и методы оценки и т.д.);

2) фундаментальное направление (раскрытие причинных связей и закономерностей построения и развития машин методами и средствами данной теории; структурный и функциональный анализ и синтез машин и их систем, в том числе взаимосвязь производительности с технологиче­скими, конструктивными, эксплуатационными и другими параметрами);

3) прикладное направление (решение практических задач расчета, конструирования, эксплуатации и исследований с использованием крите­рия производительности).

При создании новой техники расчеты и анализ производительности необходимы:

• на ранних этапах проектирования (техническое задание и техни­ческое предложение), при выборе принципиальных проектных решений (методы и маршрут обработки, структура и компоновка машин);

• на завершающих этапах проектирования (рабочий проект и тех­ническая документация), когда уточняются характеристики реализован­ного проекта;

• на этапах приемосдаточных испытаний, пуска и освоения при сравнительной оценке расчетных и фактических показателей работоспо­собности;

• в период стабильной эксплуатации, когда оцениваются возмож­ные резервы производительности в данных конкретных условиях, а также организуется обратная связь: от опыта применения к последующему про­ектированию.

2.1. Показатели производительности

Во всех случаях количественно рассчитываются и оцениваются одни и те же показатели, однако сначала они выступают как расчетные, ожи­даемые величины, а далее — как фактические.

Теория производительности органически связана с такими научны­ми разделами, как теория надежности машин, инженерная теория техни­ко-экономической эффективности, теория дифференциации и концентра­ции операций, теория оптимального проектирования и т.д.

Производительность машины - это количество годной продук­ции, выдаваемой машиной в единицу времени.

Для того чтобы численно оценить производительность ^, следует количество годной продукции 2, выпущенное за какой-то период време­ни 0, разделить на длительность этого периода:

Q= z/Ө (2.1)

Размерность производительности зависит от размерности продукции и времени. Для технологических машин характерна штучная продукция; время может оцениваться в минутах, часах и т.д. Отсюда – размерности Q:

шт./мин, шт./ч, шт./смена, шт./мес., шт./год.

Вместо двух последних часто употребляют выражения "месячный выпуск", "годовой выпуск".

Разумеется, выпущенная продукция должна соотноситься не с абсо­лютным календарным временем, а лишь с плановым фондом, когда ма­шина должна работать.

При оценке производительности часто используется её показатели.

Номинальная производительность - это производительность ма­шины при ее бесперебойной работе и отсутствии брака.

Для машин дискретного (иначе "циклического") действия характер­но чередование несовмещенных рабочих и холостых ходов цикла Т:

T=t_р +t_х, (2.2)

где t_Р - время рабочих ходов как время технологического воздействия (обработка, контроль, сборка и т.д.);

t_х - время холостых ходов, не совмещенных с рабочими и с другими холостыми ходами.

Отметим первое концептуальное положение теории производитель­ности.

Так как технологическая машина создается именно для техноло­гического воздействия, любое время функционирования, когда техноло­гический процесс прерывается, является бесполезно затраченным, поте­рянным для основного функционального назначения.

Поэтому несовмещенные с обработкой холостые ходы, сколь бы необходимыми они ни бы­ли (зажим, разжим и т.п.), по существу, есть цикловые потери времени.

Если машина дискретного действия за время цикла Т, мин, выдает р шт. изделий, номинальная производительность есть цикловая производи­тельность, шт./мин:

(2.3)

В простейшем случае, когда за цикл выпускается одно изделие,

. (2.3а)

В машинах непрерывного действия холостые ходы либо отсутствуют, либо полностью совмещены с рабочими (круглошлифовальные стан­ки, работающие напроход: прокатные и волочильные станы, тоннельные термические агрегаты, бумагоделательные машины и т.д.).

Если считать t_р за интервал выдачи одного изделия, то при t_х = 0

(2.4)

где К - технологическая производительность как производительность машины непрерывного действия, работающей без остановов, ее техноло­гический потенциал. Однако К - это характеристика и машин дискретно­го действия. Для машин дискретного действия

(2.5)

где - коэффициент производительности, численно равный доле рабочих ходов в длительности цикла.

Концептуально, без всякой математики, можно утверждать, что полезная отдача машины (а это Q) зависит прежде всего от прогрессивности технологического процесса, положенного в основу машины (К), и совер­шенства ее конструкции (). Формула (3.5) позволяет количественно оценить оба фактора просто и наглядно. Так, если К = 2 шт./мин и = 0,5, то в идеальном случае (когда = 1), при полном использовании возможностей технологии, машина выдавала бы К = 2 шт./мин, но конст­рукция такова, что эти возможности используются лишь наполовину, значитQ = 2· 0,5 = 1 шт./мин. И если машина оказалась малопроизводи­тельной, то в этом виноваты либо непрогрессивная технология, либо не­совершенная конструкция, либо и то и другое.

Отсюда - еще одно концептуальное положение теории производи­тельности:

Идеальной считается машина непрерывного действия с пол­ным использованием возможностей технологии; всякая дискретная ма­шина есть частное вынужденное решение, и следует искать пути все­мерного сокращения холостых ходов и приближения к непрерывности действия.

Важнейшим движущим фактором совершенствования любых машин является прогресс технологии, достигаемый интенсификацией режимов, дифференциацией и концентрацией операций, применением новых высо­коинтенсивных методов и процессов. Все это сокращает t_р и повышает К, рост К есть мера прогресса технологии. Но как это отражается на произ­водительности машин? Ведь, например, применение скоростного резания никак не связано напрямую с временем установки и закрепления загото­вок, подвода и отвода суппортов, т.е. t_Х= const. Аналогично применение высокоинтенсивных испарителей при вакуумном нанесении тонких пле­нок никак не влияет на длительность откачки технологической камеры.

Если преобразовать формулу (2.3.а) к виду

и построить график Q_ц =f(K) при t_х = const (рис. 2.1), то можно понять, что зависимость эта асимптотическая т.е. рост производительности ма­шин при неизменности конструкций непропорционален прогрессу техно­логии.

Рис.2.1. Зависимость цикловой производительности от технологический производительности при неизменных холостых ходах

Отсюда вытекает следующее концептуальное положение тео­рии производительности.

Каж­дый раз, когда прогресс техноло­гии уже не может обеспечить значительный рост производи­тельности, на смену сущест­вующей машине приходит новая, более совершенной конструкции, с меньшими холостыми ходами. Это дает новый толчок разви­тию технологии, что будет про­должаться до тех пор, пока и новая машина не исчерпает себя.

Таким образом, развитие технологических машин есть сочетание не­прерывного прогресса технологии с периодическими революционными преобразованиями конструкции.

Приведем примеры. Высокоскоростное резание стало эффективным лишь с появлением быстрозажимных патронов, механизмов быстрого подвода и отвода суппорта и т.д. Ускорение поездов метро эффективно при новых конструкциях вагонов, с более широкими дверями.

Фактическая производительность. Ни одна машина не может функционировать бесперебойно. Рассмотрим типовую диаграмму функ­ционирования, например в течение одной рабочей смены Q_см (рис.2.2).

Рис. 2.2. Диаграмма времени работы и простоев при эксплуатации машин

Если бы машина всю смену ра­ботала без останова, то зависимость выпущенной продукции от прорабо­танного времени при неизменности рабочего цикла Т выражалась бы прямой линией. К концу смены при полностью использованном для ра­боты времени = θ_р было бы по­лучено шт. продукции; произво­дительность по общему определе­нию

.

Ясно, что θ_Р = z_т / Т, при Т=2 мин за смену произведено z_т= 240 шт., тогда θ_Р = 2-240 = 48 0 мин. Отсюда

Это и есть вывод Q_ц, о котором было сказано выше.

Но реально за смену будет произведено не z_т, а гораздо меньше про­дукции, так как наряду с интервалами бесперебойной работы у машин были простои θ_i. Последние могли произойти из-за неполадок в самой машине, смены и регулировки инструмента, отсутствия обрабатываемых изделий и т.д. Кроме того, существуют и регламентированные простои в начале смены (разогрев, выведение на режим и т.д.) и ее конце (уборка и очистка), часто это время называют подготовительно-заключительным.

Итак, плановый фонд времени работы θ включает в себя две катего­рии временных затрат: интервалы бесперебойной работы и время просто­ев θ_п, т.е.

.