Основные направления по проектированию новых и реконструкции действующих промышленных предприятий

Основные направления по проектированию новых и реконструкции действующих промышленных предприятий

На Украине и за ее пределами с каждым годом все большее внимание уделяют всестороннему развитию машиностроения, которое служит основой технического перевооружения всех областей промышленности и сельского хозяйства в условиях рыночной экономики. Особое внимание уделяют созданию высокоэффективных автоматизированных механосборочных производств на базе технического перевооружения, а также реконструкции действующих производств на основе использования современного оборудования и способов управления всеми этапами производственного процесса.

Особое внимание уделяют реконструкции и техническому перевооружению действующих предприятий, так как средства, которые выделяют на эти цели, окупаются в среднем в 3 раза быстрее, чем при создании аналогичных мощностей за счет нового строительства.

Следует отметить, что технологическое проектирование механосборочного производства прошло путь от систематизации практического опыта проектирования до создания научных дисциплин, рассматривающих закономерности производственного процесса изготовления изделий на машиностроительном предприятии с минимальными приведенными затратами, одной из которых и является изучаемая дисциплина.

Впервые научные положения по технологическому проектированию механосборочного производства в начале 30-х годов были сформулированы в работах известных ученых: И. А. Тиме, П. А. Гавриленко, М. Е. Егорова, В. Ф. Ждановича, Б. С. Балакшина; в 70−90-х годах дополнены в трудах Д. В. Чарнко, В. С. Мамаева, Е. Г. Осипова, Г. М. Мельникова, В. П. Вороненко, А. А. Андерса и других. На их основе было спроектировано и построено большое количество машиностроительных заводов с современным производством.

Наибольшими из них являются: в России — Тульский и Ижевский оружейные заводы, Московский, Горьковский и Ярославский автомобильные заводы, Свердловский завод тяжелого машиностроения, Челябинский и Волгоградский тракторные заводы; на Украине — Харьковские тракторный завод и танковый завод им. Малышева, Днепропетровский машиностроительный завод (Южмаш), Запорожский и Кременчугский автомобильные заводы, Киевское машиностроительное объединение им. Артема, Львовские автобусный завод и завод автопогрузчиков, Херсонский и Тернопольский комбайновые заводы и др.

Для быстрого решения поставленных задач в машиностроении созданы отраслевые научно-исследовательские и проектно-конструкторские институты (НИПКИ) и специальные проектно-конструкторские бюро (СПКБ), которые соответственно занимаются гражданским проектированием машиностроительных заводов и цехов, а также проектированием объектов новой техники и военно-промышленного комплекса (ВПК).

Основой проекта участка или цеха является детально разработанная технологическая часть, которая определяет ведущую роль инженера-технолога в процессе проектирования механосборочного производства. Однако необходимость решения вопросов остальных частей проекта (строительной, энергетической, санитарно-технической и проч.) требует от проектировщика широкого кругозора и глубоких знаний разнообразных дисциплин. Поэтому дисциплина «Механосборочные участка и цехи в машиностроении» является профилирующей и завершающей в системе подготовки инженеров широкого профиля и базируется на знании всех предыдущих дисциплин. Основной целью этой дисциплины является подготовка инженеров к самостоятельной работе относительно реализации разработанных производственных процессов в процессе внедрения нового оборудования, технического перевооружения, реконструкции производства и создания новых цехов. Необходимость такой работы возникает на заводах, фабриках, в проектных организациях, планирующих ведомствах и учреждениях.

Механосборочное производство — это сложная динамическая система, структура и параметры которой зависят от сложности конструкции, номенклатуры выпускаемой продукции и характеристик производственного процесса ее изготовления. В состав механосборочного производства входят производственные участки и вспомогательные подразделения.

Производственным процессом в машиностроении называют совокупность действий, которые необходимы для выпуска готовых изделий из полуфабрикатов. Основа производственного процесса — это технологический процесс изготовления изделий, во время которого происходит изменение качественного состояния объекта производства. Для обеспечения бесперебойного выполнения технологического процесса изготовления изделий в механосборочном производстве служат вспомогательные процессы.

Основные этапы производственного процесса: получение и складирование заготовок, доставка заготовок к рабочим позициям (рабочим местам), разнообразные виды обработки, перемещение полуфабрикатов между рабочими позициями, контроль качества, хранение на складах, сборка изделий, испытание, регулировка, окраска, отделка, упаковка и отгрузка заказчику.

Производственный процесс называется комплексным, если выполняется в одном цехе, или распределяется на части и, соответственно, называется производственным процессом, который выполняется, например, в заготовительном, сборочном, механическом цехе и тому подобное.

Производственный процесс является поточным, если заготовки, детали или собираемые изделия в процессе производства находятся в движении, причем это движение осуществляется с постоянным тактом в рассматриваемый отрезок времени. Время пролеживания полуфабриката между операциями в этом случае равно или кратно такту. При непоточном производстве полуфабрикаты находятся в движении с различной продолжительностью операций и пролеживания между ними.

Программа выпуска, которая установлена для производства — это совокупность изделий установленной номенклатуры, которые выпускают в заданном объеме за год. Объем выпуска — это количество изделий, которое необходимо изготовить за единицу времени (год, квартал, месяц).

Производственная мощность механосборочного производства — это максимально возможный выпуск продукции заданной номенклатуры и количества за определенный период времени при установленном режиме работы. Различают действительную и проектную мощность. Производственная мощность действующего производства не является постоянной и зависит от технического уровня работающих, уровня использования основных и оборотных фондов, уровня механизации и автоматизации и прочих факторов.

Календарное время изготовления изделий от начала производственного процесса до его окончания называют производственным циклом. Производственный цикл может быть расчетным (или нормированным) и фактическим. В процессах, которые повторяются непериодически, вместо термина «производственный цикл» обычно используют термин «продолжительность процесса» .

Перемещение заготовок, полуфабрикатов или изделий в промышленном производстве может осуществляться поштучно или партиями. Партия — это определенное количество заготовок, полуфабрикатов или изделий, которые одновременно поступают на рабочую позицию (рабочее место).

В зависимости от содержания операции и организации ее выполнения, рабочая позиция (место) может состоять из технологического оборудования (единицы или нескольких единиц), накопителей с полуфабрикатами, одного рабочего или группы рабочих, средств автоматической загрузки и разгрузки оборудования (роботов, манипуляторов, автоматических агрегатов загрузки), режущего и контрольно-измерительного инструментов, технологической оснастки, средств технического обслуживания и охраны труда, элементов системы управления.

Производственным участком называют часть объема цеха, в которой размещены рабочие позиции (места), объединенные транспортно-накопительными устройствами, средствами технического, инструментального и метрологического обслуживания, средствами управления участком и охраны труда, и на которой осуществляются технологические процессы изготовления изделий определенного назначения. Другими словами, производственный участок имеет конкретное целевое назначение.

Следующей, более крупной организационной единицей является производственный цех. Он представляет собой производственное административно-хозяйственное обособленное подразделение завода. Цех состоит из производственных участков, вспомогательных подразделений, служебных и бытовых помещений, а также помещений общественных организаций.

Вспомогательные подразделения обеспечивают бесперебойную работу и обслуживание производственных участков. Например, это отделения для восстановления режущего инструмента, контрольное и ремонтное отделения, отделение для приготовления и раздачи смазочно-охлаждающих жидкостей и др.

По характеру выполняемой работы производственное оборудование делят на основное и вспомогательное. Основное (технологическое) производственное оборудование непосредственно выполняет операции технологического процесса. Вспомогательное оборудование осуществляет обслуживание основного оборудования и непосредственно не участвует в технологическом процессе изготовления изделий.

За общую площадь цеха принимают сумму производственной и вспомогательной площадей (без служебно-бытовой площади).

В состав производственной площади включают площади, которые занимают рабочие позиции (места), вспомогательное оборудование, которое находится на производственных участках, проходы и проезды между оборудованием внутри производственных участков (кроме площади магистрального проезда).

На вспомогательных площадях размещают все оборудование и устройства вспомогательных систем, которые не расположены на производственных участках, а также магистральные и пожарные проезды. Магистральные проезды предназначены для движения автопогрузчиков, грузовых автомобилей и уборочных машин. Их выполняют шириной не менее 4,0 м в соответствии с нормами технологического проектирования.

Служебно-бытовая площадь цеха состоит из конторских помещений (административно-конторские службы, конструкторские и технологические бюро) и бытовых помещений (гардеробные, душевые, комнаты отдыха, столовая и т. д.).

В механосборочном производстве для осуществления производственных процессов предусмотрены следующие категории работающих:

Производственные (основные) рабочие — непосредственно выполняют операции технологического процесса изготовления изделий.

Вспомогательные рабочие — обслуживают технологические процессы изготовления изделий.

Инженерно-технические работники — выполняют обязанности по управлению, организации и подготовке производства, и должны иметь квалификацию инженера или техника.

Служащие — выполняют административно-хозяйственные функции, ведут финансирование, учет и статистический учет, решают социально-бытовые и подобные вопросы.

Младший обслуживающий персонал составляют сторожа, гардеробщики и уборщики бытовых и конторских помещений.

Одним из этапов проектирования механосборочного производства является компоновка цеха — это выполнение взаимного расположения площадей производственных участков, вспомогательных отделений, магистрального проезда и служебно-бытовых помещений на площади цеха. После этого выполняют взаимное расположение технологического и вспомогательного оборудования и прочих производственных средств и устройств на площадях цеха. Этот процесс называется планировкой цеха и выполняется после разработки производственного процесса.

Одним из показателей организации производственного процесса является грузопоток. Это сумма однородных грузов (в тоннах, штуках), которые перемещают в определенном направлении между отдельными пунктами погрузки — разгрузки за единицу времени (час, смену, сутки и т. д.). Грузопотоки различают по видам грузов, направлениям перемещения и интенсивности. Интенсивность — это количество транспортных перемещений через рассматриваемый участок в единицу времени.

Механосборочное производство обычно размещают в унифицированных зданиях, имеющих один или несколько пролетов. Пролет — это часть здания, которая ограничена в продольном направлении двумя параллельными рядами колонн. Расстояние между осями колонн в продольном направлении называют шагом колонн, в поперечном направлении — шириной пролета. Они образовывают сетку колонн. Высота пролета — это расстояние от уровня пола до нижней части несущих конструкций покрытия здания.

При проектировании современного механосборочного производства необходимо ориентироваться на комплексную автоматизацию. При этом для обеспечения должного эффекта следует придерживаться, по возможности, одинакового уровня автоматизации основных и вспомогательных процессов.

Планировку оборудования при техническом проектировании выполняют в масштабе 1: 100 для малых и средних цехов и 1: 200 для больших цехов. В дальнейших в рабочих чертежах монтажные планировки выполняют обычно в масштабе 1: 50 с привязкой оборудования к конструктивным элементам здания.

При выполнении планировки учитывают такие основные факторы как доступ к рабочим позициям; удобство работы рабочего и доставки заготовок к рабочему месту; близость бытовых помещений, достаточное освещение и обмен воздуха, близость комнат для курения и туалетов, раздевалок, душей и столовых, удобное расположение автоматов или фонтанчиков для питья, телефонов и т. д. К примеру, коммуникации санитарно-технических и энергетических служб не должны проходить через зону работы транспортной системы и представлять опасность для рабочих, оборудования и обрабатываемых материалов. Необходимо также обеспечить выполнение противопожарных мероприятий, например, все двери должны открываться наружу и т. д.

На планировке изображают и показывают: пересечение колонн с фундаментами, магистральные проезды, внешние и внутренние стены, окна, ворота и двери, основное и вспомогательное оборудование, расположение работающих, подвалы, каналы, шахты и антресоли, станки, рабочие столы, подставки, места для хранения инструмента, складирования заготовок и готовых изделий, транспортные устройства, площадки для контроля, места для мастеров, длину и ширину пролетов и всего цеха, шаг колонн, ширину проходов и проездов, длину и ширину каждого вспомогательного отделения, расстояние от станков до колонн, а также между станками и рабочими местами; габаритные размеры больших станков, нумерацию оборудования с ее расшифровкой в спецификации, названия всех производственных отделений и участков, способы защиты работающих.

При выполнении планировки ввиду большого количества типов и типоразмеров строительных элементов и производственного оборудования целесообразно пользоваться общепринятыми условными обозначениями (см. справочную литературу).

машиностроение реконструкция техническое перевооружение При проектировании одновременно разрабатывают и решают технологические, экономические и организационные задачи, тесно связанные между собой.

В общем виде задачу на проектирование можно сформулировать в следующем виде: спроектировать цех или участок, которые обеспечивают выпуск изделий определенной номенклатуры, нужного качества, заданной программы выпуска при условии достижения минимально возможных приведенных затрат на изготовление с учетом всех требований к охране труда. Для решения технологических задач необходимо: проработать изделия на технологичность, спроектировать технологические процессы, определить трудоемкость и станкоемкость операций, выявить типаж и количество оборудования, состав и количество работающих, нормы затрат материалов, определить площади и размеры участков и цеха, разработать компоновку и планировку оборудования, сформулировать задачи для строительного, сантехнического и энергетического проектирования.

Для решения экономических задач необходимо: дать расчет себестоимости и рентабельности выпуска изделий; определить удельные приведенные затраты, размеры основных и оборотных средств; составить калькуляции; решить вопросы финансирования и прочие.

Для решения организационных задач необходимо: выбрать принципы формирования производственных подразделов и разработать структуру управления, научную организацию труда, документооборот, организацию служб производства и т. д.

Каким образом выбрать наилучший вариант проектного решения? За критерий оптимальности проекта механосборочного производства принимают показатель приведенных затрат изготовления изделий, но из-за сложности определения этого показателя на практике используют интегральный критерий качества планировки оборудования, который имеет вид векторного функционала.

f (W₁, W₂) ext.

Здесь W₁ — критерий оптимальности мощности грузопотока:

W₁=,.

где n — количество наименований изделий, которое перемещают на участке (в цехе) за рассматриваемый отрезок времени (год);

— количество операций в производственном процессе изготовления і-го изделия;

— масса, т, і-го изделия;

— расстояние, м, междум им рабочим местом, на которое перемещают і-тое изделие;

W₂=N/V — критерий максимального сбора продукции с единицы объема, где N — программа выпуска изделий в цеха, шт.;

V — общий объем цеха, м³.

Фактический уровень эффективности проекта определяют по отношению к нормативным показателям, которые принимаются как 100%.

Таким образом, разработанный проект механосборочного производства должен удовлетворять определенным критериям качества проектирования. Могут быть предложены дополнительные критерии, например, трудоемкость и станкоемкость изготовления изделий, коэффициент загрузки оборудования и прочие. Однако нужно иметь в виду, что чрезмерное количество показателей повышает трудоемкость и погрешность расчетов, что ведет к отсутствию эффекта, которому мы ожидали.

Выбранные показатели должны обеспечивать оценку качества решений по единой форме на этапах процесса разработки всех разделов проекта и получения сравнительных результатов по всем разделам и в совокупности.

Проектирование механосборочного производства включает к себя последовательно структурно-функциональный, алгоритмический, параметрический и планировочный этапы.

Структурно-функциональный этап может быть приведен в виде структурной модели, которая отображает состав, тип и взаимную связь элементов, и функциональной модели, которая учитывает свойства элементов и системы, необходимые для выполнения ими своего служебного назначения.

Алгоритмический этап включает в себя составление алгоритмической модели, которая содержит взаимные связи между элементами и системами в процессе производства.

Параметрический этап состоит из определения количественных значений взаимных связей между отдельными физическими параметрами элементов системы. Параметрические модели представляют собой уравнения материально-энергетического баланса в разнообразных проявлениях.

На планировочном этапе решают задачи размерных связей между отдельными элементами системы. Модели этого этапа подобные структурным моделям, но отношения между элементами оценивают в матрице евклидового пространства.

Последовательность проектирования по данному принципу будет такой. На основании начальных данных, которое определены при условии работы механосборочного производства, и разработанных технологических процессов изготовления изделий проектируют основные и вспомогательные системы, а после этого выполняют пространственное согласование всего оборудования, формируя комплексное механосборочное производство.

На этапе синтеза производственной системы выполняют формирование системы материальных, энергетических и информационных потоков.

Проектирование вспомогательных систем осуществляют аналогично основной системе.

В общем случае проектируют несколько вариантов и затем выбирают оптимальный вариант. Количество вариантов проекта зависит от уровня унификации проектных решений и сложности объекта проектирования.

Возрастающие требования к качеству проектов и сокращению сроков выполнения проектных работ приводят к необходимости использования систем автоматизированного проектирования (САПР) производственных систем.

Основное назначение САПР состоит в принятии эффективных решений во время разработки объекта проектирования. Уровень эффективности выполнения проектных процедур оценивают через технико-экономические показатели. Благодаря анализу ТЭП выявляют факторы влияния на технологический процесс проектирования. Таким образом, создают обратную связь, что позволяет постоянно совершенствовать систему с целью достижения нужного эффекта.

Непрерывность процесса принятия решений обеспечивают за счет стандартизации взаимных требований разделов проекта, создания нормативов, базы унифицированных решений и централизованного хранения справочной информации.

В основу САПР производственных систем закладывают четыре уровня и две подсистемы — проектирующую и обеспечивающую. Первая подсистема решает проектные задачи, а вторая представляет собой общесистемные методы и способы, которые обеспечивают выполнение проектного процесса. На первом уровне иерархии САПР происходит окончательное формирование проекта, при этом используют результаты решений второго уровня, на котором проводят проектирование основной и вспомогательной систем. На третьем и четвертом уровнях каждую подсистему представляют в виде совокупности программ и подпрограмм.

При проектировании участков и цехов на САПР возлагают следующие задачи:

определение общей трудоемкости и станкоемкости по типам оборудования для заданной программы выпуска;

определение количества оборудования, основных и вспомогательных рабочих;

определение производственных и вспомогательных площадей;

выбор оптимальной компоновки цеха и планировки оборудования;

определение количества транспортных и складских средств, режущих и вспомогательных инструментов, контрольно-измерительных средств и прочее;

определение технико-экономических показателей проекта.

Решить указанные задачи можно путем создания унифицированных технологических модулей и системного подхода к проектированию однородных производств.

Принципиальное отличие САПР от традиционной системы проектирования состоит в том, что машинное проектирование становится организационно-технологической системой, в которой действия проектировщиков и работа технологических средств имеют постоянную связь и объединены общей целью. Другим свойством САПР является единство информационных потоков как системно-организующего фактора на всех этапах разработки проекта. Принятие проектных решений осуществляют на основе проведения математического эксперимента с имитационной моделью проектируемого объекта или составляющих его элементов.

Автоматизация предусматривает передачу ЭВМ функций управления ходом проектирования, согласование формируемого решения с показателем эффективности объекта. Это требует наличия в памяти ЭВМ комплекса моделей проектируемых объектов и архива нормативно-справочных данных (банка данных).

Системный подход к решению задач унификации нуждается в проведение декомпозиции объектов проектирования с целью отделения однородных объектов, а также с целью учета взаимных связей между ними.

Во время декомпозиции объектов используют принципы функциональности и минимальности. Принцип функциональности состоит в том, что элементы должны быть по возможности отделенными, чтобы для них можно было сформировать собственную цель функционирования элемента какого-нибудь уровня. Принцип минимальности состоит в получении минимума уровней декомпозиции. Глубина унификации должна обеспечить решение задач унификации без раскрытия внутреннего содержания элемента.

Таким образом, унификация отдельных этапов проектирования и модульный принцип построения унифицированных элементов технологических систем позволяют шире и эффективнее использовать САПР.

Реализация всего вышеупомянутого позволяет при использовании САПР значительно сократить срок проектирования, обеспечить необходимый уровень качества и эффективности проектов, эффективно решать проблемы, которые возникают перед проектировщиками, постоянно совершенствовать проектное дело, уменьшать стоимость проектных работ.