ПОНЯТИЕ О КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КОМПЛЕКТОВ И КОМПЛЕКСОВ МАШИН

Прежде чем перейти к конкретным типам машин, рассмотрим общие положения, касающиеся систем механизации строительства мостов.

Механизация строительства предусматривает замену ручного труда машинами с целью освобождения человека от выполнения тяжелых, трудоемких ручных операций, повышения производительности труда и снижения стоимости строительства. Высшей ступенью механизации является автоматизация производственных процессов.

В зависимости от степени оснащения технологических процессов машинами различают частичную и комплексную их механизацию.

Частичная механизация охватывает отдельные технологические операции или виды работ при сохранении значительной доли ручного труда, особенно на вспомогательных работах. В мостостроении к числу таких, достаточно распространенных операций относятся: строповка и временное раскрепление конструкций, устройство подмостей и опалубки железобетонных конструкций, сборка болтовых соединений.

Комплексной механизацией называется такой способ производства работ, при котором все основные и вспомогательные процессы выполняются машинами, увязанными между собой по основным технологическим и техническим параметрам.

Основные процессы на строительстве - это переработка предмета труда - исходного сырья, материалов и полуфабрикатов, а также монтаж (возведение) элементов сооружения.

Вспомогательные процессы - это в основном транспортировка, погрузка и разгрузка материалов, изделии и конструкций, обеспечивающие бесперебойное выполнение основных процессов.

Комплексная механизация осуществляется при помощи комплектов машин, которые становятся основной структурной единицей системы механизации строительства моста [15].

В состав каждого комплекта входят ведущая машина (или машины), выполняющая основной процесс, и вспомогательные (комплектующие) машины, выполняющие вспомогательные процессы.

Первичным звеном в системе механизации является комплексная механизация отдельных технологических операций, осуществляемая операционными комплектами машин (ОКМ). Примеры этих комплектов: средства механизации приготовления бетонной смеси на бетонном заводе; машины по укладке, разравниванию и уплотнению бетонной смеси в опалубке конструкции.

Отдельные ОКМ объединяются в технологические комплекты машин (ТКМ). При формировании ТКМ необходимо обеспечить бесперебойную работу ведущей машины (машин) сырьем, материалами, блоками и конструкциями. В качестве комплектующих машин на строительстве мостов выступают главным образом транспортные средства: единицы железнодорожного, автомобильного, водного транспорта.

Поэтому из схем, представленных в [6, табл. 1.1], в нашем случае приемлемы лишь две: одна ведущая машина (ВМ) (рис. 1, а) или несколько ведущих машин (nВМ) (рис. 1, б) и несколько параллельно работающих вспомогательных машин (mВсМ). При этом один поток транспортных средств может обслуживаться одной или несколькими ведущими машинами. Примеры ТКМ: «бетонный завод - автобетоновозы - средства укладки смеси» или «кран - транспортные средства».

Возможна также особая, но в то же время весьма распространенная (например, при работе сваебойного агрегата, при вибропогружении свай оболочек) схема. Действуют две ведущие машины: кран и агрегат. Непосредственно с комплектующими машинами (транспортом) связан только кран, но агрегат, выполняющий технологический процесс, зависит от работы и крана, и транспорта (рис. 1, в).

Технологические комплекты машин, выполняющие работы по возведению отдельных частей сооружения, в свою очередь объединяются в комплекс машин (КМ) строительства объекта.

Рис. 1. Основные схемы технологических комплектов машин

□ ∆ - ведущие машины; ○ - вспомогательные машины; → - физическая связь; ← - → - технологическая связь

Формирование КМ происходит под действием системообразующих факторов (связей) следующих видов: 1) логических связей отдельных работ; 2) взаимосвязей по потреблению ресурсов типа «материалы»; 3) физических связей разных ТКМ, имеющих общие комплектующие машины; 4) технологических связей комплектов машин между собой; 5) функциональных взаимосвязей физически и технологически не связанных процессов, которые возникают при взаимодействии транспортных потоков в узлах транспортных схем на строительстве объекта.

Логическая связь работ еще не означает их технологическую зависимость. ТКМ, выполняющие те или иные работы, могут действовать независимо друг от друга. Но связь работ этого вида определяет потребность в данный период времени в ресурсе типа «мощности» вида «машины».

Примеры связей второго вида - потребление бетонной смеси с одного завода для разных процессов, потребление различных конструктивных блоков с одного склада разными объектами.

Физические связи ТКМ (в составе КМ) третьего вида имеют место, например, при монолитном бетонировании конструкций, где два отдельных комплекта машин - «бетонный завод - автобетоновозы» и «кран - автобетоновозы» - имеют общие комплектующие транспортные средства.

Технологические связи четвертого вида возникают между ведущими машинами комплектов, обслуживающих один технологический процесс. Это бывает при свайных работах, когда кран разгружает транспортные средства и подает под сваебойный агрегат или вибропогружатель сваи.

Пятый вид связей характерен именно для мостостроения, где, в силу необходимости проведения работ на акваториях, возникают многоступенчатые транспортные схемы. Например, при бетонировании опоры моста бетонную смесь вначале транспортируют автобетоновозами по суше, затем в бадьях доставляют на транспортных плашкоутах к опоре, где укладывают плавучим краном. Но если при этом одновременно сооружается несколько опор, грузопоток, проходя через единый транспортный узел - перегрузочный кран на причале - функционирование технологически не связанных процессов зависит от работы перегрузочного узла.

При подборе состава ТКМ работу ведущей машины (машин) и вспомогательных машин необходимо увязать по технологическим параметрам, в первую очередь по производительности. Во-вторых, состав комплекта должен быть экономически эффективен. Однако при наличии связей пятого типа правильный подбор состава отдельных ТКМ отнюдь не гарантирует достижение максимальной производительности комплекта. В комплексе взаимосвязанных ТКМ производительность отдельных машин может меняться в весьма широких пределах. Это обстоятельство и определяет основную сложность анализа и регулирования производительности системы механизации строительства моста (см. [15]).

Важнейшим показателем комплексной механизации строительства является производительность машин и комплектов машин, т.е. количество продукции, выраженное в определенных единицах измерения (весовых, объемных и др.), которые машина или комплект могут производить в единицу времени (час, смену).

Однако до сих пор объективность использования этого показателя довольно низка из-за того, что производительность машины - случайная величина, зависящая от ряда факторов:

- конструктивных качеств машины, параметры которых переменны. Один предмет труда машина может обрабатывать при различных скоростях движения рабочих органов, что в немалой степени зависит от квалификации субъекта - оператора машины;

- надежности машины как элемента технической системы, зависящей от режимов эксплуатации и обслуживания машины;

- конкретных производственных условий и организации труда, влияющих, прежде всего на движение рабочих органов и параметры обработки предмета труда, - при использовании ОКМ;

- операционных взаимосвязей в рамках одного технологического процесса - при формировании ТКМ;

- организационных условий строительства, представляющего собой сложную вероятностную систему, которая подвержена воздействию комплекса дестабилизирующих факторов, - при формировании КМ;

- неопределенности исходной информации и недостаточной информированности лица, принимающего решения, - при организационно-технологическом проектировании и управлении строительством.

Несмотря на эти факторы, придающие производительности машины существенную неопределенность, имеются относительно стабильные показатели работы машины - конструктивные свойства, которые можно принять за основу исследования.

Можно выделить следующие четыре категории производительности строительных машин.

Конструктивно-расчетная (номинальная) производительность Q_м определяется при однозначно заданных параметрах ее работы в режимах, близких к предельным. Номинальная производительность характеризует конструктивные возможности машины и используется в основном для сравнения вариантов новых машин.

Техническая производительность Q_т рассчитывается при непрерывной работе в конкретных производственных условиях, при хорошо организованном технологическом процессе, нормальных режимах и нагрузках на рабочие органы машины.

Эксплуатационная производительность Q_э - это фактическая производительность машины с учетом организационных условий работы (технологических перерывов, времени обслуживания и др.). Ее можно выразить через техническую производительность Q_т посредством приближенной формулы

Q_э = Q_т K_ип·K_в (1)

где K_т - коэффициент использования производительности машины; K_в - коэффициент использования полного рабочего времени. Различают часовую Q_э.ч и сменную эксплуатационную производительность Q_э.см. Значение коэффициента К_в для различных машин составляет 0,75-0,85.

В основу рассмотренных выше видов производительности положено представление об однозначной заданности основных параметров процессов и машин, т.е. Q_м, Q_т, Q_э есть детерминированные характеристики отдельных машин.

Прогнозируемая (вероятная) производительность комплекта (комплекса) машин характеризует реальные условия работы комплекта с учетом случайных процессов взаимосвязанного функционирования машин в рамках организации строительства, а также процессов, приводящих к выходу машин из строя, и процессов их восстановления. Данный вид производительности - вероятностная величина, используемая в качестве проектного параметра механизации. Она определяется в зависимости от эксплуатационной производительности Q_э по формуле

(2)

где К_п - коэффициент простоя машины, т.е. отношение суммарного времени ее простоев к общему времени работы; К_и - коэффициент использования машины, К_и = 1-К_п; К_г - коэффициент готовности, представляющий собой характеристику безотказной работы машины. В расчетах обычно оперируют величиной сменной производительности .

Для определения коэффициента К_п используют методы теории массового обслуживания либо моделирование системы механизации на ЭВМ, а коэффициент K_г определяют на основе теории надежности [6], [15].

При расчете прогнозируемой производительности ТКМ или КМ прежде всего необходимо знать техническую Q_т и эксплуатационную Q_э производительности отдельных машин комплектов. Существуют следующие методы определения производительности строительных машин.

Нормативный метод - часовая производительность ведущей машины, непрерывно работающей в течение смены, задается в производственных нормах выработки машины (ЕНиР) как результат наблюдения за процессом. Метод прост, особенно при наличии компьютерной базы данных, содержащей ЕНиР. Но использование его на практике может давать весьма существенные погрешности, т.к. техническая производительность машин зависит от конкретных условий, которые сложно учесть в нормах.

Метод «де факто» - среднечасовая эксплуатационная производительность машин определяется по фактической выработке машин в предшествующий отчетный период по формуле

(3)

где V_ф - объем фактически выполненных работ за отчетный период; Т_ф - фактическое рабочее время одной среднесписочной машины, ч.

Оценка производительности по фактической выработке машин также сопряжена с рядом трудностей: при осреднении теряется специфика конкретных технологических условий, а отчетные данные по механизации, если и имеются в мостостроительных организациях, то чаще всего не позволяют сделать объективные выводы.

Аналитический (расчетный) метод состоит в определении значений технической производительности машин по формулам, в основу которых положены некоторые теоретические представления о физике процессов взаимодействия машин с предметами труда в заданных условиях.

Данный метод позволяет получать достоверные значения детерминированной производительности машины. Однако, чтобы пользоваться им, необходимо знать размеры и скорость движения рабочих органов машины (по справочным данным), а также условия их движения.

Энергетический метод основан на законе сохранения энергии и для конкретной машины и режимов ее работы сводится к составлению и интегрированию уравнения производственного процесса

(4)

где ε = Wδ/Q₀; W - сила сопротивления среды на длине пути δ; Q₀ - производительность машины за производственный цикл t₀; k - коэффициент полезного действия; N - мощность источника энергии.

Энергетический метод - перспективное средство анализа производственных процессов. Этот метод объективен, но еще недостаточно разработан для практического определения производительности машин.

Расчет часовой технической производительности машин Q_T также может производиться по следующим аналитическим формулам:

- для машин циклического действия

Q_т = 60G(V)/t_ц, (5)

где Q_т - техническая производительность в т/ч или м³/ч; G(V) - масса груза в т (G) или объем материала в м³ (V); t_ц - время цикла, мин;

- для машин непрерывного действия

Q_т = 3600G(V)v, (6)

где G(V) - масса груза в т (G) или объем материала в м³ (V), приходящийся на 1 м длины рабочего несущего органа машины; v - линейная скорость движения рабочего органа, м/с.

Общие формулы (5), (6) модифицируются с учетом принципа действия машин конкретного типа [10], [15].

Пример 1. Рассчитаем аналитическим методом значение эксплуатационной сменной производительности стрелового гусеничного крана ДЭК-251, производящего укладку бетонной смеси в опалубку конструкции в бункерах вместимостью 3 м³.

Грузоподъемные краны - машины циклического действия, для которых время цикла в формуле (5) определяется следующим образом (см. [15]):

t_ц = 2,5H/v₀ + 2(l₁/v₁ + l₂/v₂ + l₃/v₃) + t_p.0,

где H, l₁, l₂, l₃, - соответственно высота подъема крюка, длина передвижения крана, величина изменения вылета стрелы, угол поворота стрелы в плане; v₀, v₁, v₂, v₃ - скорости подъема груза, передвижения крана, изменения вылета и поворота стрелы соответственно; t_p.0 - продолжительность ручных операций по строповке и закреплению груза.

В данном случае принимаем следующие технологические параметры работы крана: Н = 4 м; l₁ = 0 (кран работает стационарно); l₂ = 0 (кран работает на постоянном вылете); l₃ = 0,5 (кран совершает полоборота); t_p.0 = 2×2 = 4 мин.

Средние скорости движения v_i, принимаем по справочнику [12, табл. 21.4, с. 422]: v₀ = 5 м/с; v₃ = 0,3 мин^-1.

Тогда

t_ц = 2,5×4/5+2×(0+0+0,5/0,3)+4 = 9,3 мин;

По формуле (5) определяем часовую техническую производительность крана:

Q_т = 60×3,0/9,3 = 19,4 м³/ч.

Наконец, по формуле (1) при К_ип = 1, К_в = 0,85 и продолжительности смены t_c = 8,2 ч определяем эксплуатационную сменную производительность крана по укладке бетонной смеси:

Q_э.cм = 19,4×8,2×1,0×0,85 = 135 м³/см.

Приведенный пример показывает, что относительно несложный аналитический расчет позволяет в каждом конкретном случае оценивать реальную производительность машины, исходя из заданных параметров технологического процесса и скоростей движения основных рабочих органов машины. В этом несомненное преимущество метода по сравнению с использованием каких-то осредненных нормативов производительности (выработки) машин.

Производительность некоторых машин, которую сложно рассчитать по формулам, определяется по фактическим, нормативным или паспортным данным машины.