Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и постановка задач исследования 8
1.1. Ремонтный фонд электрооборудования сельскохозяйственного предприятия 8
1.2. Анализ способов капитального ремонта электрооборудования 14
1.3. Обзор методов проектирования ЭРП 18
1.4. Расчёт параметров ЭРП 23
1.5. Методы учёта неопределённостей 29
1.6. Постановка задач исследования 35
2. Оптимизация параметров электроремонтного предприятия 38
2.1. Выделение главных параметров ЭРП 38
2.2. Методика исследования 41
2.3. Оптимизация радиуса обслуживания 44
2.3.1. Обоснование целевой функции 44
2.3.2. Оптимизация радиуса обслуживания 48
2.3.3. Определение параметров с учётом неопределённостей 50
2.4. Оптимизация технических и трудовых ресурсов 55
2.4.1. Качественное и количественное описание функции цели 55
2.4.2. Оптимизация внутренних факторов 60
2.4.3. Учёт неопределённостей 63
2.5. Требования к техническому оборудованию мини-ЭРЦ 67
2.6. Выводы 71
3. Экспериментальная проверка рекомендаций по оптимальному построению мини-ЭРЦ 73
3.1. Методика эксперимента 73
3.2. Определение коэффициентов чувствительности по статистическим данным 74
3.3. Расчёт оптимальных параметров мин І I-ЭРЦ 77
3.4. Разработка и описание экспериментальных образцов модульного технологического оборудования 79
3.5. Технологическая компоновка мини-ЭРЦ 91
3.6. Результаты производственной проверки 92
3.7. Выводы 96
4. Технико-экономические показатели 98
4.1. Методика расчёта 98
4.2. Технико-экономическая оценка результатов оптимизации 99
Основные выводы 101
Список литературы 104
Приложения 112
- Обзор методов проектирования ЭРП
- Определение параметров с учётом неопределённостей
- Разработка и описание экспериментальных образцов модульного технологического оборудования
- Результаты производственной проверки
Обзор методов проектирования ЭРП
Анализ публикаций по электрификации сельского хозяйства за последние 40 лет свидетельствует, что до конца 80-х годов проблемы капитального ремонта электрооборудования широко обсуждались в научной, технической и учебной литературе. Последние 2-10 лет этому уделялось мало внимания. Лишь в последние годы стали появляться статьи о необходимости восстановления системы капитального ремонта. Однако они в основном имеют концептуальный характер [34].
Из обзора литературы видно, что основным методом разработки ЭРП служила привязка типовых ЭРЗ, ЭРЦ к конкретным территориям. Хотя типоразмерный ряд ЭРП был ограничен (табл. 1.5), всегда удавалось найти подходящее решение за счёт изменения размеров предприятия.
В типовых проектах было реализовано представление, что идеальное ЭРП должно повторять электромашиностроительные предприятия. По этому принципу выбирался состав участков (слесарно-механической, обмоточной, пропиточной, сборочной и т.д.) и состав оборудования в них [29,70]. При технологической компоновке рациональными схемами считают замкнутый поток - для ЭРЦ и прямой поток - для ЭРЗ, как показано на рис. 1.1. Что касается небольших мастерских или мини-цехов, то их компоновка выполняется по случайным вариантам. Здесь требуется специальное исследование.
Реальные ЭРП не всегда соответствовали типовым проектам, потому что производственная необходимость заставляла учитывать конкретные особенности ремфонда и осуществлять перепланировку и применять технологическое оборудование собственного изготовления. Эти факты свидетельствуют о необходимости более гибкого подхода к проектированию ЭРП, за счет многовариантной компоновки.
При разработке индивидуальных ЭРП используют следующую последовательность [29,33].
1. Анализ зоны обслуживания.
2. Расчет ремонтного фонда базисного района.
3. Расчет радиуса обслуживания, годовой производственной программы и штата ЭРП.
4. Выбор схемы технологического процесса и метода ремонта.
5. Разработка технологии ремонта.
6. Выбор состава участков.
7. Выбор технологического оборудования.
8. Разработка технологической компоновки.
9. Разработка проекта электрификации ЭРП
10. Расчет экономических показателей.
Движение оборудования при ремонте Вспомогательные участки Бытовые помещения
Такая схема расчета позволяет устранить некоторые недостатки метода, привязки типовых проектов. Это достигается за счет более детального учета особенностей зоны обслуживания и ремонтного фонда. Но она имеет свои недостатки, так как основывается на нормативном подходе, когда основные показатели ЭРП выбирают по типовым нормативам. Например, из общего числа производственных рабочих должно быть: электрослесарей - 20%, обмотчиков - 40%, электромонтеров - 10%), обмотчиков - 10%о и т.д. Площадь помещения следует разделять по следующим нормативам: разборочный участок - 0,015 м2/у.е.р., сборочный - 0,010, слесарно-механический - 0,010, обмоточный - 0,020, и т.д.
Чтобы повысить эффективность электроремонтного производства предлагается разрабатывать ЭРП на основе оптимизационных методов [68]. Наибольшее внимание уделяется определению
1 - границ экономической целесообразности ремонта;
2 - радиуса обслуживания;
3 - состава ремонтного фонда.
Для определения целесообразности капитального ремонта предлагаются разные методы. Например, в [5] для практических расчетов рекомендуется оценка эффективности очередного капительного ремонта по следующей формуле: где: Ск - стоимость ремонта, Сн - стоимость нового оборудования, Трцс, Трцн - ремонтные циклы старого и нового оборудования, Эь Эг - годовая экономия (убыток) от снижения себестоимости и эксплуатационных расходов, Сл- ликвидационная стоимость.
Предположим, что для электродвигателя мощностью 1,1 кВт Ск=400 руб, Сн=1100 руб, Трцс=4 ч, Трцн Б лет, Сл=120 руб, Эг= Эг О. По уравнению (1.1) имеем
Следовательно, экономически выгодно произвести капитальный ремонт, а не приобретать новый двигатель.
Когда после капитального ремонта цех выпускает продукцию с повышенной себестоимостью Сс по сравнению с новым оборудованием Сц и варианты имеют разные производительности Рс Рн, тогда следует рассчитать коэффициент эффективности [2,7].
Чем больше величина т, тем более выгоден капитальный ремонт, а при т =1 варианты ремонта или замены равноценны.
Расчеты по (1-1), (1-2) подтверждают целесообразность капитального ремонта электрооборудования в сельском хозяйстве.
При определении целесообразного радиуса обслуживания ЭРП в качестве критерия применяют расчетные затраты. Эр = С+Тр min (1.3) где: С- себестоимость ремонта, ТР - транспортные расходы. По этому критерию получено уравнение оптимального расстояния перевозок где Q - годовая производственная программа, у. е. p. q - плотность размещения ремонтного фонда на элементарной площадке с радиусом гэ=1 м.
Применительно к ЭРП сельскохозяйственного назначения в [29] предложено уравнение оптимального радиуса зоны обслуживания где Ац=7,0 для ЭРЦ, Ат=5,0 для ЭРМ, d - транспортные расходы (d=0,01 - 0,04 при автомобильных перевозках малыми партиями, d=0,005 -крупными партиями), qp - расчетная плотность размещения ремонтного фонда, у.е.р./км2.
По уравнению (1.4) получено гс=346 км, при q=0,25; гс=219 км, при q=2,5. Отсюда следует, что оптимальными являются крупные ЭРЗ с годовой программой около 100 тыс. у.е.р. В [1,2] показано, что радиус перевозок целесообразно увеличить за счет использования сети обменных пунктов и применения железнодорожных перевозок оборудования крупными партиями.
Определение параметров с учётом неопределённостей
В изучаемой задаче исходные данные имеют стохастическую неопределенность, которая обусловлена объективными обстоятельствами любых технико-экономических задач, а также нестабильностью современной экономики АПК. Это проявляется в том, что для любых исходных данных нельзя определить их точные значения, а можно указать лишь интервал возможных значений. В этом случае результаты оптимизации не являются однозначными и ее ценность резко снижается.
Для учета неопределенностей предложены несколько методов [4,21,59,87]. Наиболее простым, красивым и изящным является критериальный анализ, развитый Венниковым В. А. Он основывается на исследованиях оптимальной соразмерности, технико-экономической устойчивости и чувствительности результатов оптимизации.
Оптимальная соразмерность показывает оптимальное соотношение между составляющими целевой функции. Такой обобщенный показатель обычно не зависит от погрешности исходных данных и позволяет найти оригинальные способы реализации оптимальных результатов.
Устойчивость характеризует степень отклонения целевой функции в области оптимума при отступлении управляемого фактора от оптимального значения. В данном случае это изменение минимальных расчетных затрат (Зр) при изменении радиуса обслуживания ЭРП (Ro). Если большие отклонения радиуса от Ro приводят к малому увеличению Зр, то целевую функцию считают экономически устойчивой, когда малые отклонения Ro вызывают большое увеличение затрат - функция является экономически неустойчивой. Результаты исследования позволяют интервалы оптимальных значений параметров ЭРП.
Чувствительность характеризует влияние погрешности исходных данных на точность оптимизации. Она позволяет установить ту степень точности, при которой надо собрать исходные данные, чтобы обеспечить заданную точность оптимизации.
При определении оптимальной соразмерности используются понятия критериев подобия, которые определяют каждую составляющую целевой функции в долях от оптимального значения затрат. В наше - случае для переменной части себестоимости Ср и транспортных расходов, а также ущерб Тр +У критерии развития имеют вид
Доказано, что для функции вида (2.9) критерии подобия однозначно определяются показателями степени ас и оц. оптимизируемого параметра
Таким образом, обобщенный подход позволяет сразу, без знания большого числа исходных данных, найти решение задачи. Оно соответствует следующему положению: ЭРП имеет оптимальный радиус обслуживания(перевозок) при такой годовой производственной программе, когда переменная составляющая себестоимости ремонта у.е.р равна (или на 20% больше) транспортных расходов с учетом ущерба.
Напомним, что в себестоимости выделяют параметр-составляющую а, убывающую с ростом годового объема ремонта, и составляющую с -наименьшая себестоимость при объеме ремонта Q -со. По данным В.Е. Алферова а 0,6(а+с); с 0,4(а+с)
На этом основании можно ориентировать эксплутационные службы на организацию такого ЭРП, в котором при себестоимости ремонта, например, Ср=200 руб/у.е.э. транспортные расходы с учетом ущерба не превышают 120 руб/у.е.р.
Для учета устойчивости необходимо представить целевую функцию (2.9) в относительных единицах, заменив константы А и В через критерии подобия (2.12), а управляемый фактор в долях от относительного значения
Как видно нашу задачу можно отнести к экономически устойчивой.
Чтобы сохранить увеличение расчетных затрат до +5% радиус перевозок может отличаться от оптимального на 40% при ас =0,5, а при ас =0,3 на 20-60%. Другими словами, отступления в меньшую сторону с экономических позиций предпочтительней, чем в большую. Это подтверждает наше предположение о перспективности создания мини-ЭРП.
Исследования чувствительности по методу критериального анализа основываются на анализе уравнений оптимальных параметров, в которых все факторы выражены в относительных единицах. За базовые значения принимаются некоторые произвольные, например, оптимальные величины.
Вначале определим наибольшую погрешность определения Rno Зро когда все исходные данные получены с точностью 5%. Это будет тогда, когда при расчете радиуса будут следующие сочетания а =1,05;ц =0,95; qp =0,95; при расчете затрат а =1,05; ц =1,05; qp =l,05.
Подставляя эти значения в (2.18) получим SR"=1,06, 53"=1,05
Аналогичным образом возможные погрешности составляют 8R"=0,99, 5з"=0,94. Таким образом возможные погрешности составляют 1,0-+6,0% при определении радиуса и -7,-0-+5.0% при определении затрат.
Кривые чувствительности показаны на рис 2.4. Они построены для иллюстрации влияния каждого фактора отдельно - если изменяется ах, то другие принять неизменяемыми Цх=Цх=1,0.
Оптимизируемые параметры менее чувствительны к qp. учитывая допущения, принятые ранее при определении плотности размещения ремонтного фонда, можно считать, что qp можно найти с высокой точностью. Следовательно оправдано не учитывать влияние qp на погрешность оптимизации. Тариф на перевозки изменяется в очень широких пределах. Использование средних значений не обеспечит требуемую точность. Чтобы учесть неопределенность этого фактора надо проводить многовариантные расчеты в диапазоне возможных значений ц - от цтіп до цтах. Таким образом остается один фактор - а. Чтобы обеспечить точность оптимизации 5%, параметр а должен определяться с точностью 10%.
Разработка и описание экспериментальных образцов модульного технологического оборудования
Расчёт оптимальных параметров мини-ЭРЦ показал важную экономическую роль правильного выбора оборудования. Допустимые отклонения оптимального обеспечения техническими ресурсами значительно меньше, чем для обеспечения трудовыми ресурсами. Индекс обеспеченности технологическим оборудованием на 40% больше, чем по нормативному расчёту (в стоимостном выражении).
Применение в мини-ЭРЦ традиционного технологического оборудования, которое обычно используют на крупных ремонтных предприятиях, не позволяет выполнить требования оптимального построения мини-ЭРЦ, так как увеличение капиталовложений в оборудование и здание существенно больше допустимых 40%. При этом в структуре себестоимости отчисления на содержание ремонтной базы достигает 50%, что не соответствует оптимальной структуре, полученной по уравнению (2,31).
Названные причины выдвинули задачу разработки нового оборудования для мини - ЭРЦ. В работе рассмотрены принципы построения такого оборудования на примере модульных стендов, технологической компоновки и устройства капельной пропитки обмотки электродвигателей.
Оборудование для мини-ЭРЦ должно удовлетворять противоречивым требованиям. С одной стороны, каждое устройство (стенд, приспособление и т.п.) должны иметь индивидуальное Функциональное назначение в соответствии с его участием в технологическом процессе ремонта. С другой стороны — оно должно быть унифицированным и однотипным, что обеспечит снижение затрат на создание и обслуживание. Таким требованиям удовлетворяет модульное оборудование, которое комплектуется из конструктивно одинаковых стендов, но оснащается набором специальных инструментов и приспособлений. Модуль - это часть технологического оборудования мини-ЭРЦ, предназначенная для выполнения нескольких операций технологического процесса, и оформленная в виде однотипных верстаков.
Чтобы выбрать количество модулей для оснащения мини-ЭРЦ по ремонту электродвигателей в таблице 3.3 выделены и сгруппированы технологические операции ремонта, требующие однотипные инструменты и приспособления и обеспечивающие отдельные завершённые стадии ремонта.
В итоге установлено, что весь парк технологического оборудования ЭРЦ может быть заменен 5-ю (6-ю) модулями:
1. разборки,
2. удаления обмотки,
3. изготовления новой обмотки,
4. сушки и пропитки изоляции,
5. сборки,
6. испытания.
На основании типового оснащения технологических процессов ремонта выбрано минимально - необходимое оборудование для механизации и качественного выполнения всех операций ремонта и разработаны характеристики модулей (табл.3.4)
Описание экспериментальных образцов
Модуль разборочный. Предназначен для выполнения 6 - ти операций ремонта электродвигателей. Состоит (рис. 3.1) из 2 - х верстаков типа А (800x800x800мм) - 1 и одного - типа Б (400x800x800мм) - 7. Модуль снабжен набором ключей; ванными для мойки деталей - 4; съемными для снятия подшипников; ручной фрезой для отрезки лобовых частей; съемником для удаления обмоток — 5% индукционным нагревателем для выжига изоляции перед удалением обмотки — 6. Модуль имеет вытяжной зонт — 3, под котором размещают ванночки и индукционный нагреватель.
На модуль поступает очищенный электродвигатель. Здесь его разбирают, промывают детали, диагностируют узлы и детали, вырезают лобовую часть с одной стороны и выжигают изоляцию, затем вытягивают обмотку и очищают пазы. С разборочного модуля очищенный статор передается на обмоточный модуль, а остальные детали и узлы - на стеллаж для их хранения или на сборочный модуль.
Модуль обмоточный. Предназначен для выполнения всех операций по укладке в статор новой обмотки. Состоит (рис. 3.2) из одного верстака типа А. Имеет аппарат для контроля обмотки - 2; стеллаж для инструмента и заготовок - 3; намоточный станок - 4; картонорубильный станок - 5; трансформатор для пайки проводов - 6; приспособления для формирования пазовых коробочек; поворотная подставка для статора - 7 и инструмент обмотчика.
На модуль поступает очищенный статор. Его обмеряют и заготавливают пазовую изоляцию, которую затем укладывают в статор. Подбирают провод и шаблон и наматывают катушки. Далее укладывают катушки и собирают схему обмотки. Заканчивают операции проверкой вращающегося поля и передают статор на пропитку.
Модуль пропитки и сушки. Предназначен для пропитки изоляции лаком, сушки обмотки и покрытия лобовых частей эмалью. Состоит (рис. 3.3) из двух верстаков типа А и одного - типа Б. Снабжен сушильным шкафом - 2, измерительной аппаратурой - 3, вытяжным зонтом - 4, устройствами капельной пропитки - 5, ванной для пропитки погружением 6 и индукционным нагревателем - 7 и ёмкостями для хранения лака.
Рекомендуется пропитывать изоляцию капельным способом а сушить на индукционном нагревателе и токовым способом. Вместе с тем модуль имеет традиционное оборудование для пропитки обмотки погружением ее в лак и сушки в шкафу.
Слесарный модуль. Предназначен для сборки двигателя и выполнения слесарно - механических операций. Он состоит из 3-х верстаков типа А (рис. 3.4) и содержит традиционное оборудование: заточной и сверлильный станки, тиски, инструменты и другое оборудование.
Результаты производственной проверки
Для производственной проверки принят ЭРЦ Государственного унитарного предприятия (ГУП) "Михайловская птицефабрика" Татищевского района Саратовской области.
ЭРЦ птицефабрики предназначен для капитального ремонта электродвигателей, используемых на предприятии. Годовая производственная программа ЭРЦ ориентирована на ремонт ограниченной структуры электродвигателей по исполнению и мощности: это двигатели типа 4А, Да, АИР мощностью от 0,4 до 5,0 кВт.
В ЭРЦ работают 2-4 электрослесаря, 1-2 из которых специализируются на изготовлении новых обмоток. Другие выполняют остальные операции капитального ремонта.
Технологическая компоновка ЭРЦ показана на рис. 3.6. Пунктирными линиями показано перемещение двигателя в процессе ремонта. Технологические характеристики ЭРЦ приведены в таблице 3.5.
ЭРЦ недостаточно полно оснащён технологическим оборудованием. Участок пропитки и сушки не имеет контрольно - измерительной аппаратуры. Испытательный стенд не обеспечивает проведение всех измерений. Для выбора рационального способа модернизации необходимо выполнить анализ показателей ЭРЦ.
Результаты обследования ЭРЦ свидетельствуют о существенных недостатках в организации капитального ремонта электродвигателей. Технологическая компоновка не соответствует замкнутому или прямому потоку ремонта, что вызывает встречные потоки движения деталей и увеличивает трудозатраты на капитальный ремонт. Значительная часть операций не оснащена оборудованием и приспособлениями, что увеличивает продолжительность ремонта. В технологическом процессе не предусмотрен межоперационный контроль и послеремонтные испытания. Отсутствует автоматическое управление сушкой и пропиткой изоляции. Имеются другие отступления от типового процесса ремонта.
В результате ЭРЦ выпускает продукцию низкого качества и с большими затратами труда. Срок службы капитального отремонтированного электродвигателя не превышает 1 год.
Основным направлением совершенствования ЭРЦ является создание мини - ЭРЦ с модульным оборудованием. Для этого необходимо:
- разработать рациональную компоновку мини - ЭРЦ;
- создать модульное технологическое оборудование для капитального ремонта электродвигателей;
- разработать устройство капельной пропитки электродвигателей;
- разработать устройство для индукционного выжига и сушки изоляции;
- оценить технико - экономические показатели мини - ЭРЦ.
Традиционный расчёт ЭРЦ начинают с расчёта объёма ремонтного фонда, а затем определяет количество исполнительной и другие параметры. В данной ситуации заданной являются площадь помещения для ЭРЦ
Необходимо определить параметры ЭРЦ, при которых будут удовлетворены потребности птицефабрики в капитальном ремонте электродвигателей мощностью от 0,5 до 5,0 кВт.
В основу расчёта принимаем известные нормативные данные:
- годовой фонд рабочего времени — 1900 ч-час;
- трудозатраты на КР — 12,5 ч-час / у.е.р. Результаты расчёта приведены в таблице 3.2
Из полученных данных следует вывод о целесообразности разработки для птицефабрики мини-ЭРЦ на 3 электрослесаря. Это полностью обеспечит своевременный, качественный и эффективный ремонт 1200-2000 электродвигателей находящихся в птичниках при сроке службы 3-5 лет.
Для определения количества и размеров производственных участков, а также требований к модульному оборудованию в таблицах 3.3, 3.4 приведена структура трудозатрат и площадей ЭРЦ.
Таким образом, по традиционным нормативам площадь мини-ЭРЦ птицефабрики должна быть от 60 до 100 м . Существующее помещение имеет площадь 80 м и может быть использовано для создания мини-ЭРЦ. Данные табл. 3.3, 3.4 позволяют определить рациональные размеры каждого участка и размеры модульного оборудования.
Чтобы осуществить модернизацию ЭРЦ с наименьшими затратами необходимо использовать Г - образную схему технологической компоновки по рис.3.6
