Оценка качества лесных машин в проектировании
В Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года констатируется печальная реальность: «Действующие предприятия лесного машиностроения не обеспечивают необходимый технический уровень и качество выпускаемой лесозаготовительной техники... Разрушена отраслевая научно-исследовательская и проектная база развития лесного машиностроения».
В перечне предпосылок и допущений инновационного сценария развития лесного комплекса, который предусматривает целевые меры государственной поддержки лесного комплекса в дополнение к ранее принятым механизмам, закрепленным в действующем законодательстве, содержится пункт «Восстановление отечественного лесного машиностроения на базе использования отечественного и зарубежного научно-технического потенциала, закупки лицензий, организации совместных производств». А в перечне мероприятий, обеспечивающих восстановление отечественного конкурентоспособного лесного машиностроения указана поддержка деятельности предприятий лесного машиностроения в рамках общей государственной промышленной политики. Также в стратегии содержится перечень основных НИОКР, обеспечивающих инновационное развитие лесозаготовительного производства и лесного машиностроения.
Известно, что в настоящее время вкладываются значительные средства в развитие Онежского тракторного завода (ОТЗ), по сути, последнего действующего завода лесного машиностроения в России. Согласно соглашению о социально-экономическом партнерстве между Правительством Республики Карелия и ОТЗ, предприятие должно повысить качество выпускаемой продукции и сохранить рабочие места. Но объем выпуска лесных тракторов ОТЗ в настоящее время не идет ни в какое сравнение с объемами выпуска в годы существования СССР. А в той же стратегии указано на несоответствие российского лесного машиностроения задачам развития лесного комплекса. Более того, многие опрошенные авторами сотрудники лесозаготовительных предприятий считают, что качество современных лесных машин отечественного производства абсолютно не соответствует их ценам. И если по поводу цены мнения сходятся, то вопрос о том, как оценить качество лесной машины, остается дискуссионным. Целью настоящей статьи является ознакомление читателя с разными подходами к оценке качества лесных машин, в том числе новшеств, привносимых в их конструкцию.
Согласно ГОСТ 15467-79 «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения», качество - это совокупность свойств продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с ее назначением.
Лесные машины относятся к классу продукции, расходующей в процессе эксплуатации свой ресурс. Для оценки технического уровня лесных машин в СССР использовались следующие группы показателей качества: показатели назначения, надежности и долговечности, технологичности, эргономические и эстетические показатели, показатели стандартизации и унификации, патентно-правовые показатели, экономические показатели. В каждой из этих групп использовались комплексные и базовые показатели, каждый из которых отражал ту или иную техническую характеристику машины. Причем все они были тесно связаны, а изменение одного из них влекло изменение других.
Показатели надежности и долговечности согласно теории надежности включают следующие основные подгруппы:
- долговечность, определяемую сроком службы до списания, межремонтным сроком службы, средним сроком службы, назначенным ресурсом, средним, суммарным и межремонтным ресурсами;
- безотказность, которая определялась наработкой на отказ, параметрами потока отказов, интенсивностью отказов, гарантийной наработкой, вероятностью безотказной работы, наработкой до первого отказа;
- ремонтопригодность, определяемую средним временем восстановления, средней и удельной трудоемкостью технического обслуживания, вероятностью восстановления в заданное время, средней и удельной трудоемкостью ремонта, а также интенсивностью восстановления.
Показатели технологичности:
- коэффициент использования металла, определяемый как отношение количества металла, израсходованного на детали (с учетом припусков на резку, вырубку), к общему исходному весу металла;
- коэффициент сборности, выражающий простоту сборки машины;
- коэффициент использования рациональных материалов, позволяющий оценить необходимость использования конкретных материалов для получения конечного результата; если производитель тратит слишком много ресурсов впустую, то машина не может быть успешной;
- трудоемкость изготовления - сумму всех затрат живого труда на изготовление машины;
- ремонтную технологичность, которая характеризует приспособленность конструкции машины или ее элементов к ремонтным работам, проводимым для восстановления работоспособности и ресурса.
Показатели назначения:
- показатели вертикальной геометрической проходимости: дорожный просвет, определяемый как расстояние от опорной поверхности до низшей точки рамы или трансмиссии машины; углы переднего и заднего свеса, измеряемые между горизонтальной опорной поверхностью и касательными, проведенными к переднему или заднему колесам (или ветвям гусениц) через низшие точки передней и задней частей рамы, установленных в транспортное положение; поперечный радиус проходимости, то есть радиус окружности, проходящей через низшую точку рамы или трансмиссии и касающейся внутренних поверхностей колес (или гусениц) машины; продольный радиус проходимости (для колесных машин), то есть радиус окружности, проходящей через низшую точку шасси в транспортном положении и касающейся передних и задних колес;
- показатели горизонтальной геометрической проходимости машины - характеризуются минимальным радиусом и шириной полосы поворота, определяют маневренность машины, то есть способность поворота или разворота машины на ограниченной площади. Определение минимального радиуса и ширины полосы выполняется для левого и правого поворотов. Измерение радиуса поворота проводят по наружной стороне следа внешнего переднего колеса или гусеницы. Ширина полосы поворота колесных машин определяется как расстояние между наружными сторонами следов внешнего переднего и внутреннего заднего колес;
- показатель тягово-сцепной проходимости - характеризует плавность хода и определяется как отношение рабочей скорости машины в данном режиме работы к теоретической скорости при движении ее по той же опорной поверхности;
- показатель мобильности (или транспортабельности) - определяет подвижность машины, то есть ее способность и готовность к быстрому преодолению расстояния (для самоходных машин используется термин «мобильность», а для машин, перемещающихся с помощью прицепа-тяжеловоза, бортового автомобиля или тягача, - «транспортабельность»);
- показатели технического совершенства, включая производительность в определенных природно-производственных условиях, вид топлива, возможность сохранения подроста, КПД трансмиссии, материалоемкость;
- конструктивные показатели, включая запас крутящего момента, рабочий объем двигателя, номинальную мощность двигателя, номинальное тяговое усилие, номинальную нагрузку;
- классификационные показатели, включая вид выполняемых работ, вид движителя, ширину обрабатываемой ленты леса, принадлежность к группе технологических процессов лесосечных работ, направление зоны обслуживания относительно хода машины.
Показатели стандартизации и унификации:
- коэффициент стандартизации - отношение числа стандартных сборочных единиц и деталей в машине к общему числу сборочных единиц и деталей в машине;
- коэффициент применяемости по типоразмерам:
где QТ - общее число типоразмеров составных частей машины, QТ.ОР - число оригинальных типоразмеров составных частей машины;
- коэффициент повторяемости - отношение общего числа составных частей (элементов) к общему числу типоразмеров составных частей машины;
- степень использования покупных деталей и узлов - отношение стоимости покупных деталей, узлов и прочего, поступающих от предприятий-смежников, к полной себестоимости машины у изготовителя;
- коэффициент унификации с предыдущими моделями - характеризует долю унифицированных составных частей в машине и определяется исходя из общего числа деталей, числа наименований деталей, массы, трудоемкости, производственных затрат для базовой (предыдущей) модели машины.
Показатель универсальности характеризует возможность использования машины с разным сменным оборудованием. Например, лесные машины на экскаваторной базе при замене технологического оборудования могут использоваться как валочные, валочно-пакетирующие, погрузочные, процессорные, лесопосадочные, а также в качестве мульчеров. Подобная конструкция позволяет эксплуатировать машину, по сути, всесезонно на разных операциях, повышает коэффициент ее использования в течение года.
Показатель информативности характеризует возможность получения оператором информации о состоянии, режимах работы машины и предаварийных ситуациях непосредственно в кабине машины. Этот показатель определяется наличием в машине средств встроенной диагностики с выводом информации на табло бортовых приборов и компьютеров, программное обеспечение которых позволяет фиксировать информацию, управлять машиной в рабочем режиме и выдавать информацию на дисплей и в виде распечаток для выполнения расчетов работодателя с оператором.
Эстетические показатели:
- показатели товарного вида и отделки: выразительность и узнаваемость товарного знака, чистоту выполнения сочленений, скруглений сопрягающихся поверхностей, указателей; цветовой колорит, качество покрытия и отделки поверхностей, а также симметричность, ритм, контрастность, пропорциональность и композицию;
- показатели архитектоники, в т. ч. функциональность формы, целостность композиции, соответствие формы материалу.
Эргономические показатели:
- гигиенические показатели: степень освещения в кабине, уровень токсичности, шума и вибрации, температуру. Работающие машины являются источниками аэродинамического и структурного шума. Аэродинамический шум создается системой газораспределения и охлаждения (вентилятором) двигателя, структурный шум возникает в результате колебаний рамы и трансмиссии. Вибрация, вызывающая механические колебания тела человека, может привести к снижению его работоспособности и оказать негативное воздействие на здоровье. Например, колебания частотой до 2 Гц могут вызывать морскую болезнь; наиболее же опасны вибрации, соответствующие собственным колебаниям человеческого тела (4-8 Гц); колебания частотой 11-45 Гц могут сопровождаться функциональными расстройствами некоторых внутренних органов человека. Общая вибрация от машины передается оператору через пол кабины и сиденье, а локальная - через рычаги и педали управления. На работоспособность оператора влияет также микроклимат в кабине, то есть температура, влажность, скорость движения воздуха, вредные примеси в воздухе, запыленность. Устройство для подачи воздуха в кабину должно обеспечивать движение воздуха на уровне груди оператора со скоростью не более 0,5 м/с при температуре в кабине 22°С и со скоростью не более 1,5 м/с при более высокой температуре. Температура поверхностей внутри кабины (кроме стекол) должна быть не выше 35°С. Предельно допустимые концентрации примесей в воздухе рабочей зоны оператора не должны превышать следующие показатели: пыли - 10 мг/м3, углекислого газа - 20 мг/м3, паров топлива - 100 мг/м3;
- антропометрические показатели, включая соответствие кабины размерам тела оператора, соответствие формы органов управления формам конечностей оператора, удобство расположения органов управления машиной. Работоспособность оператора не менее чем на 15% зависит от расположения органов управления. Органы управления подразделяются на основные - часто или постоянно используемые оператором (органы управления машиной и технологическим оборудованием) и второстепенные, редко используемые оператором (переключатели освещения, стеклоочистителя, стартера, прибора отопления, кондиционера и т. п.). Основные органы управления должны располагаться в зоне комфорта, а второстепенные - в зоне досягаемости. Зоны комфорта - это предпочтительные зоны, в которых основные органы ручного и ножного управления должны быть легко досягаемыми для операторов высокого и низкого роста из положения сидя - рукой, согнутой в локте, и ногой, согнутой в колене. Зоны досягаемости - это зоны, в которых второстепенные органы ручного и ножного управления должны быть досягаемыми для операторов высокого и низкого роста из положения сидя - вытянутой рукой или ногой, при этом допустимы поворот или наклоны оператора вперед и в стороны;
- физиологические показатели - соответствие скорости системы управления и усилий на органах управления возможностям оператора. На обеспечение физиологической активности, то есть на кровообращение, дыхание, поддержание тела в необходимом положении, восприятие внешнего мира в среднем за сутки человек расходует 8400 кДж (медицинская норма в сутки составляет 2344,80 ккал, или 9848,16 кДж). В процессе работы также расходуется дополнительная энергия. Работа считается легкой, если за смену на нее затрачивается до 2100 кДж, средней трудности - до 4200 кДж, выше средней трудности - до 6300 кДж, тяжелой - до 8400 кДж, особо тяжелой - до 10500 кДж. Перегрузка ведет к снижению производительности труда, повышению числа ошибок в процессе работы и предрасположенности к заболеваниям. Например, при увеличении часовых энергозатрат оператора с 420 до 2100 кДжч примерно в четыре раза снижается его производительность и в восемь раз возрастает относительное число ошибок. Согласно требованиям к безопасности и эргономичности конструкции машин усилия на их рычагах не должны превышать 60 Н, на педалях - 120 Н, на рулевом колесе - 115 Н;
- психологические показатели - необходимый образовательный уровень и уровень квалификации оператора, занятость умственным трудом, соответствие имеющимся навыкам работы. Рабочее место оценивается по трем основным критериям: размещение оператора; элементы, обеспечивающие получение необходимой для работы информации (сенсорное поле); органы управления (моторное поле). Возможность восприятия информации оценивается обзорностью фронта работы машины, причем различают показатели обзорности в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Патентно-правовые показатели:
- показатель патентной чистоты, который выражает степень воплощения в машине, предназначенной для реализации только внутри страны, технических решений, не подпадающих под действие выданных в стране патентов исключительного права, а для машин, предназначенных для реализации и за рубежом, - технических решений, не подпадающих также под действие патентов, выданных в странах предполагаемого экспорта. Этот показатель позволяет судить о возможности реализации машины в России и за рубежом без предусмотренных законодательством санкций за нарушения патентного права;
- показатель патентной защиты, который выражает степень защиты машины авторскими свидетельствами в РФ и патентами в странах предполагаемого экспорта или продажи лицензий на отечественные открытия, технические решения и изобретения. Он позволяет судить о воплощении в машинах отечественных технических решений, признанных изобретениями в России и за рубежом;
- показатель территориального распространения - отношение числа стран, в которых машина обладает патентной чистотой, к суммарному числу основных стран-изготовителей и стран вероятного экспорта и продажи лицензий на машину.
Экономические показатели:
- производственные, включая себестоимость машины, отпускную цену, расход материалов, стоимостной показатель патентной чистоты (равный отношению стоимости составных частей, обладающих патентной чистотой, к общей стоимости машины), стоимостной коэффициент применяемости (учитывает суммарную стоимость стандартизованных и унифицированных составных частей машины);
- эксплуатационные, включая годовой расход запасных частей, среднюю и удельную стоимость технического обслуживания, годовой экономический эффект, удельный расход топливно-смазочных материалов, среднюю и удельную стоимость ремонта.
Каждый из вышеперечисленных показателей может быть использован при оценке разных отдельных характеристик лесных машин, но по отдельности эти показатели не могут быть применены для оценки качества лесной машины в целом. Для этого требуется комплексный показатель качества, который должен быть объективным, базироваться на технико-экономических показателях, быть однозначно понятным, выражаться конкретным числом и включать в себя характеристики нескольких свойств машины, необходимых для ее использования по прямому назначению.
Согласно ГОСТ 15467-79 подобным комплексным показателем является интегральный показатель качества продукции:
где КТ - комплексный показатель качества лесной машины; ∑Э - суммарный полезный эффект от эксплуатации лесной машины; ∑Эн - затраты на изготовление лесной машины; ∑Ээ - затраты на эксплуатацию лесной машины.
Суммарный полезный эффект от эксплуатации лесной машины определяется с учетом конструктивных особенностей, природно-производственных условий эксплуатации, нагрузочных и скоростных режимов, технического состояния машины, квалификации оператора. Величина суммарного полезного эффекта ограничивается показателями нагрузки, скорости, энергопроизводительности и фонда рабочего времени.
Например, в результате исследований, выполненных в 70-х годах ХХ века сотрудниками Лесотехнической академии под руководством профессора В. Б. Прохорова, было установлено, что у чокерных тракторов производства ОТЗ суммарный полезный эффект выше, чем у бесчокерных тракторов того же производителя, ввиду того что на ремонт и техническое обслуживание первых требовалось значительно меньше времени, кроме того, чокерные трактора при меньшем весе выполняли трелевку пачки такого же объема, как бесчокерные трактора.
Затраты на изготовление лесной машины характеризуют сложность, технологичность и степень унификации ее конструкции, уровень технологии и объем производства, уровень материально-технического обеспечения предприятия, взаимодействие завода-изготовителя с поставщиками комплектующих, затраты на транспортировку машин в дилерские центры, а также хранение изготовленных машин.
В результате упомянутых исследований было установлено, что по мере увеличения массы тракторов ОТЗ возрастают затраты на изготовление машин, и стоимость единицы массы растет. С другой стороны, при росте установленной мощности стоимость единицы мощности снижается, то есть увеличение установленной мощности позволяет получать энергонасыщенную машину с меньшими затратами на изготовление.
Затраты на эксплуатацию лесной машины включают амортизацию, расходы на ремонт и техническое обслуживание, топливно-смазочные и расходные материалы. Профессор В. Б. Прохоров предложил следующее выражение для определения комплексного показателя качества лесной машины (для трелевочного трактора):
где 367 - коэффициент пропорциональности; ηt - общий коэффициент использования времени; ηm - коэффициент полезного действия передаточного механизма; ηδ - коэффициент буксования; ηG - коэффициент полезного использования массы трактора; ψΣ - суммарный коэффициент сопротивления движению (Н/т); L - расстояние трелевки (км); γ - плотность древесины (т/м3); Nэ - эффективная мощность двигателя (кВт); Тр - фонд времени работы трактора (ч); ν - коэффициент, учитывающий рентабельность завода-изготовителя и расходы на хранение и доставку трактора к месту эксплуатации; αm - стоимость единицы массы трактора (руб./кг); Gm - конструктивная масса трактора, (кг); αN - стоимость единицы мощности трактора (руб./кВт); ЦБ - балансовая стоимость трактора (руб.); ρ - средняя тарифная ставка основных и вспомогательных рабочих (руб.); Кн - коэффициент перехода от тарифной ставке к полной заработной плате; А - показатель, учитывающий стоимость килограмма топлива и его доставку; β1 - коэффициент использования двигателя по времени; β2 - коэффициент использования двигателя по мощности; q - удельный расход топлива (кг/кВт·ч); В - показатель приведения затрат к сопоставимым условиям; Ср - затраты на техническое обслуживание и ремонт, приходящиеся на 100 ч работы трактора (руб.); п - показатель возрастания трудоемкости проведения текущих ремонтов; α - коэффициент удельных затрат материалов на единицу мощности трактора (руб./кВт•ч).
Это выражение включает в себя параметры, прямо или косвенно отражающие разные характеристики трактора, при помощи этого выражения можно с высокой степенью точности и достоверности оценивать качество трактора, сравнивать новую или модернизируемую модели с существующими, прогнозировать показатели перспективных моделей и выполнять их оптимизацию по разным параметрам.
Анализ влияния эффективной мощности двигателя на комплексный показатель качества показал, что чем сложнее условия эксплуатации, то есть чем больше сопротивление движению машины, тем больше требуется энергетических затрат на достижение одного и того же показателя качества. Причем для данных конструкции и условий эксплуатации машины есть предел повышения мощности.
Анализ влияния фонда времени работы машины на комплексный показатель качества показал, что при достижении определенного срока эксплуатации машины показатель качества почти перестает повышаться из-за роста затрат на эксплуатацию, то есть для каждой машины наступает момент, когда ее эксплуатация становится невыгодной.
Анализ влияния коэффициента полезного использования массы трактора на комплексный показатель качества показал, что, при прочих равных условиях, чем меньше масса машины, тем показатель качества выше.
В результате проф. В. Б. Прохоров предложил оценивать качество проектируемых лесных тракторов, используя выражение:
где θ - уровень качества машины; КТС - комплексный показатель качества сравниваемой машины; QТБ - комплексный показатель качества базовой машины.
Очевидно, что при θ ‹ 1 качество сравниваемой машины ниже качества базовой, а при θ › 1 сравниваемая машина лучше базовой.
При разработке новых лесных машин, внедрении в них новых технических решений надо ориентироваться не на конкретную модель, а на перспективы развития всего семейства машин этого типа, то есть оценка прогрессивности внедряемых технических решений должна опираться на потенциальные возможности семейства машин и степень их морального износа. Проблема учета срока морального износа и потенциальных возможностей разных семейств машин до сих пор остается нерешенной.
Понятие технологичности разработки предполагает эффективность конструктивно-технических решений, обеспечивающую возможность быстрой организации серийного производства новых машин либо возможность использования нового технического решения на уже налаженном производстве без значительных финансовых затрат и затрат времени. Оригинальность внедряемых технических решений оценивается совокупностью признаков, отличающихся от прототипа, позволяющей получить положительный эффект.
Для оценки технологичности внедряемого технического решения можно использовать коэффициент применяемости (КПР), определяемый по выражению:
где ∑Соб - общее число (или стоимость) составных частей, входящих в машину; ∑Со - число (стоимость) оригинальных составных частей машины.
Коэффициент применяемости характеризует готовность производства к внедрению новых технических решений. Поскольку технологичность учитывается только при оценке новых решений, можно утверждать, что по мере роста коэффициента применяемости повышается оценка технологичности, то есть между ними существует линейная зависимость.
Профессором СПбГЛТУ Г. М. Анисимовым в конце ХХ века сформулированы два направления совершенствования лесных машин: экстенсивное - путем повышения мощности двигателя, рабочей скорости, грузоподъемности, и интенсивное - путем увеличения надежности, сокращения затрат на техническое обслуживание, улучшение условий труда работы операторов, повышение проходимости. Второе направление признано приоритетным.
В качестве резюме можно отметить, что поддержка отечественного лесного машиностроения если и осуществляется, то выборочно и неэффективно. Например, ООО «Лестехком» и подобные предприятия поддержки не получают, зато вред от введения утилизационного сбора ощущают все компании ЛПК. Сдерживающим, а в текущей ситуации блокирующим фактором развития отечественного лесного машиностроения являются ставки по кредитам. Отечественную технику приобретали в основном лесозаготовительные предприятия среднего уровня, у которых не было внутренних финансовых структур. Повышение ставок по кредитам и лизингу лишило их возможности покупать новую технику.
Важно также давать правильную оценку выгодности применения той или иной машины, основными аспектами которой являются: первоначальная стоимость; стоимость владения где затраты на стоимость технического обслуживания за год эксплуатации, стоимость текущего ремонта, поскольку гарантия покрывает далеко не весь ремонт, а по истечении гарантии стоимость ремонта сильно меняется; финансовые затраты, включая издержки по кредитам, потерю стоимости при продаже техники, бывшей в употреблении, из расчета на год эксплуатации; стоимость эксплуатации на единицу продукции, расходы на топливно-смазочные материалы и оплату труда оператора; коэффициент технической готовности (КТГ), являющийся основным определяющим фактором надежности техники. Высокий КТГ можно обеспечить за счет высокой надежности техники и правильной эксплуатации или обслуживания, быстрого ремонта и доступности запасных частей и специалистов-ремонтников высокого уровня; наличия подменной машины.
К сожалению, в настоящее время отечественные предприятия лесного машиностроения не могут выполнить ни один пункт по обеспечению КТГ. Почему - это отдельный вопрос.
Продать бывшую в употреблении отечественную лесную машину сегодня можно только с большой потерей стоимости. Первоначальная стоимость и низкие затраты на техническое обслуживание и ремонт не могут склонить лесозаготовителей к покупке машин отечественного производства.
Для возрождения отечественного лесного машиностроения нужна не поддержка отдельных предприятий, а коренное изменение ситуации в машиностроении в целом по стране.
Игорь ГРИГОРЬЕВ,
д-р техн. наук, проф., зав. каф. ТЛЗП СПбГЛТУ
Алексей ЧУРАКОВ, канд. техн. наук
