Экономические основы конструирования машин
Глава 2
Целью создания практически любой машины является получение какого-либо продукта или выполнение производственного процесса с экономическим эффектом (с прибылью). Естественно, что и конструкция машины не должна заслонять основной цели – увеличения экономического эффекта. [36]
На первый взгляд, кажется, что экономически конструировать - значит уменьшать стоимость изготовления машины, избегать сложных и дорогих решений, применять наиболее дешевые материалы и наиболее простые способы обработки. Однако, это только небольшая часть задачи. Главное значение имеет то, что экономический эффект определяется величиной полезной отдачи машины и суммой эксплуатационных расходов за весь период работы машины. Стоимость машины является только одним не всегда главным, а иногда и очень незначительным составляющим этой суммы.
Экономически направленное конструирование должно учитывать весь комплекс факторов, определяющих экономичность машины и правильно оценивать относительное значение этих факторов. Это правило часто игнорируют. Стремясь к удешевлению продукции, конструктор нередко добивается экономии в одном направлении и не замечает других, гораздо более эффективных путей повышения экономичности. Более того, частная экономия, осуществляемая без учета совокупности всех факторов, нередко ведет к снижению суммарной экономичности машин.
Главными факторами, определяющими экономичность машин, являются величина полезной отдачи машины, долговечность, надежность, расходы на оплату труда операторов потребление энергии и стоимость ремонтов.
Коэффициент использования машины представляет собой отношение времени фактической работы машины за определенный период к длительности этого периода.
Пусть H — период эксплуатации машины, h — фактическое время работы машины за этот период. Средний за период эксплуатации коэффициент использования
ηисп = h/H (2.1)
Если машина работает до полного исчерпания своего механического ресурса, то h представляет собой долговечность машины D (общую возможную ее наработку за период эксплуатации). Тогда
ηисп = D/h (2.2)
Величина ηисп для машин, работающих по календарному режиму, зависит главным образом от: числа рабочих смен и холостого времени (простои из-за неисправностей машины, недогрузка из-за нарушений производственного ритма). При работе в одну, две и три смены средние значения коэффициента использования соответственно ηисп = 0,2; 0,4; 0,6, при круглогодичной непрерывной работе ηисп = 0,95 - 1. У машин периодического действия, например машины сезонного применения, коэффициент использования снижается до 0,05—0,1.
Рентабельность машины q выражается отношением полезной отдачи машины ОТ за определенный период к сумме расходов Р за тот же период:
q = ОТ/Р (2.3)
Сумма расходов в общем случае складывается из стоимости:
Эн - расходуемой энергии, МТ - материалов и заготовок, Ин - инструмента,
Тр - оплаты труда операторов, Об - технического обслуживания,
Рм - ремонта, Нк - накладных цеховых и заводских расходов, Ам - амортизационных расходов:
Р = Эн + МТ + Ин + Тр + Об + Рм + Нк + Ам. (2.4)
Величина q должна быть больше 1, иначе машина будет работать убыточно и смысл ее существования утрачивается.
Экономический эффект.Годовой экономический эффект от работы машины (годовой доход)
Q = ОТ - Р= ОТ 
(2.5)
где ОТ — годовая отдача, руб./год; Р — сумма эксплуатационных расходов , руб./год.
Суммарный экономический эффект 
Q за весь период службы машины (общий доход) равен разности суммарной отдачи 
и суммы расходов 
за период службы (в рублях):
или согласно формуле (2.4)
(2.6)
Отдача машины и эксплуатационные расходы, за исключением 
и 
, пропорциональны продолжительности фактической работы h за период эксплуатации. Амортизационные расходы за период эксплуатации равны стоимости С машины. Ремонтные расходы не находятся в прямой зависимости от h; их размер и периодичность определяются условиями эксплуатации и надежностью машины.
Выделяя факторы и Ам = С, получаем
= h [OТ - (Эн + Мт + Ин + Тр + Об + Нк)] - - С. (2.7)
Если машина работает до исчерпания механического ресурса (h = D), то
= D [ОТ - (Эн + Мт + Ин + Тр + Об + Нк)] - - С. (2.8)
Повышение отдачи может выражаться или в увеличении числа единиц продукции или в увеличении стоимости каждой единицы (повышение качества продукции, увеличение объема операции, выполняемых над заготовкой).
В первом случае расход материалов и инструмента пропорционален отдаче:
Мт + Ин = а*ОТ, где а — доля стоимости материала и инструмент; в стоимости продукции, колеблющаяся в зависимости от профиля продукции в пределах 0,1—0,5.
В таком случае уравнение (2.8) приобретает следующий вид:
= D [ОТ (1 - а) - (Эн + Тр + Об + Нк)] - - С. (2.9)
Накладные расходы принято выражать в долях трудовых затрат:
Нк = Тр b, где b — фактор пропорциональности, колеблющийся в зависимости от типа и организационной структуры производства в пределах 0,5-3.
Введем эту зависимость в уравнение (2.9), тогда получаем
= D[ОТ(1 - а) + Эн + (1 + b)Тр + Об] - - С. (2.10)
Срок окупаемости Н0К определяется как период службы, при котором суммарный экономический эффект равен стоимости машины, т. е.
С = Нок ηисп (ОТ - Р) - Ам, (2.11)
где Р — годовые эксплуатационные расходы,
Р = Эн + Мт + Ин + Тр + Об + Нк.
Затраты на ремонт, как правило весьма малые в первые годы эксплуатации, игнорируют.
Расход на амортизацию за срок окупаемости
А м =СНок /Н = СНок ηисп / D, (2.12)
где Н — период службы машины см. формулу (2.2).
После подстановки значения Ам в уравнение (2.11) получаем
(2.13)
Пример. Пусть С = 30000 p.; D = 5 лет; ηисп = 0,4 (работа в две смены); ОТ = 250 000р,
Эн = 5000р; Мт + Ин = 40000р, Тр + Об = 80000р, Нк = 30000 р./год. Сумма расходов
Р = 5000 + 40000 + 80000 + 30000 = 155000 р./год.
Согласно формуле (2.13) срок окупаемости
При работе в одну смену цисп - 0,2 и Нок = 2,72 года.
Коэффициент эксплуатационных расходов. Назовем коэффициентом эксплуатационных расходов котношение суммы расходов за весь период работы машины к ее стоимости:
, (2.14)
Тогда уравнение (2.8) можно представить в следующем виде:
(2.15)
Коэффициент стоимости машины (процентное отношение стоимости машины к сумме расходов)
(2.16)
Как видно из ф-лы (2.14) коэффициент эксплуатационных расходов возрастает с увеличением долговечности и при больших значениях D может достигать 50-100. Соответственно и снижается доля стоимости машины в общей сумме расходов.
Структурный анализ
Если определить зависимость экономического эффекта от долговечности, отдачи и эксплуатационных расходов, пользуясь формулой (2.8), то суммарный экономический эффект за весь период эксплуатации с учётом формулы (2.9) составит 
, (2.17)
Отсюда видно, что повышение стоимости машины, направленное на увеличение ее долговечности, вполне целесообразно, так как выигрыш от увеличения долговечности намного превосходит снижение экономического эффекта из-за удорожания машины. На рис. 2.1 показан график этих зависимостей для одного из конкретных случаев. Например, увеличение исходной долговечности в 5 раз (с 2 до 10 лет), сопровождаемое повышением стоимости машины даже вдвое, увеличивает, согласно формуле (2.17), экономический эффект в 9 раз.
Снижение энергопотребления (увеличение КПД станка) в рассматриваемом случае влияет крайне незначительно. Повышение КПД даже на 20% (кривая 6) увеличивает экономический эффект при
D = 1 год только на 2,5% ,а при
D = 10 лет - на 1,3%.
Снижение расходов на труд (частичная автоматизация, допускающая применение менее квалифицированного труда) в реальных пределах на 30% (кривая 7), увеличивает экономический эффект по сравнению с исходным (кривая 1) в 1,35 раза при D = 1 год и в 1,2 раза при D = 10 лет.
Рис. 2.1
Наиболее эффективно увеличение отдачи (повышение производительности обработки, применение специализированной оснастки, обработка по настроенным операциям и др.). Так, увеличение отдачи в 1,5 раза (кривая 8) повышает экономический эффект по сравнению с исходным в среднем в 2 раза, а увеличение отдачи вдвое (кривая 9) - в 3 раза.
Приведенный график является схематичным. Помимо оговоренных выше упрощающих предположений, в нем не учтена динамика изменения эксплуатационных факторов, например вероятного увеличения стоимости энергии и материалов с течением времени, уменьшения производительности машины по мере износа. Тем не менее он дает отчетливое представление о влиянии эксплуатационных расходов на экономический эффект для машин-орудий. В других категориях машин и при другой структуре эксплуатационных расходов влияние различных факторов на экономический эффект может быть иным.
На практике, как правило экономический эффект в наибольшей степени зависит от величины полезной отдачи и долговечности машины. Эти факторы должны стоять в центре внимания при конструировании машин. Столь же большое значение имеет надёжность, определяющая общий объём и стоимость ремонтов, производимых за время эксплуатации машин.
На практике расходы на ремонт могут достигать очень большой величины, превышая в некоторых случаях стоимость машин в несколько раз. Иногда расходы на ремонт поглощают большую часть доходов, приносимых машиной, что делает эксплуатацию машины нерентабельной.
В настоящее время назрела задача перехода на безремонтную эксплуатацию, под этим понимают:
-устранение капитальных ремонтов;
-устранение восстановительного ремонта и замена его комплектационным ремонтом, осуществляемым сменой износившихся деталей, узлов и агрегатов;
-устранение вынужденных ремонтов, вызванных поломкой и износом деталей, систематическим проведением планово-предупредительных ремонтов.
Перевод на безремонтную эксплуатацию является комплексной задачей. Предпосылками решения этой задачи являются:
-увеличение срока службы изнашивающихся деталей;
-построение машины по агрегатному принципу, допускающему независимую смену изнашивающихся пар деталей и узлов;
-создание на машинах неизнашивающихся фиксирующих поверхностей, служащих базами при установке сменных деталей.
Конструктивным мероприятиям должны сопутствовать организационно-технические, главным из которых является централизованное изготовление запасных деталей и узлов.
Из сказанного выше отнюдь не вытекает, что конструктор может ослабить внимание к задаче уменьшения стоимости машин. Как было показано, роль фактора стоимости зависит от категории машин и может быть значительной у машин с малыми энергопотреблением, и расходами на труд, а также у машин с относительно небольшим периодом службы. Необходимо только правильно оценивать значение этого фактора среди других факторов повышения, экономичности и уметь поступиться им в случаях, когда уменьшение стоимости вступает в противоречие с требованиями увеличения полезной отдачи, долговечности и надежности.
Решение всех перечисленных выше задач следует положить в основу деятельности конструктора, который должен, во-первых, задавать тон «политике машиностроения», во-вторых, создавать конструкции, обеспечивающие увеличение экономической эффективности машины, сокращение эксплуатационных расходов и уменьшение стоимости машиностроительной продукции в целом.