Технологическое проектирование предприятий по ремонту подвижного состава

УДК 629.4.083

В. А. Смирнов

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ ПО РЕМОНТУ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

В статье рассматриваются вопросы проектирования предприятий по ремонту подвижного состава железнодорожного транспорта, анализируется современный опыт, приводятся основные критерии оценки качества проектных решений и предлагается методика их оптимизации с использованием средств математического моделирования.

Качественный ремонт подвижного состава является важнейшим фактором обеспечения надежности и безопасности перевозочного процесса на железнодорожном транспорте. Основные технологические требования, инженерная и научная база проектирования предприятий по ремонту подвижного состава сформировались в 60-е - 70-е гг. минувшего века. Разработанные в этот период конструкторские и технологические решения для механизированных комплексов и поточных линий в значительной мере определили облик ремонтного производства до настоящего времени.

В последние годы железнодорожный транспорт переживает этап масштабной модернизации и реконструкции производства, что связано с наметившимися изменениями как в организации и технологии работы системы, так и с появлением новых внешнеэкономических и правовых условий. В их числе отметим следующие:

формирование конкурентного сегмента рынка ремонта подвижного состава; интенсивное обновление вагонного и локомотивного парка, появление принципиально новых узлов и агрегатов в конструкции вагонов и локомотивов;

сокращение объемов ремонта по причине увеличения межремонтных пробегов и, как следствие, недозагрузка производственных мощностей депо в целом;

ужесточение требований к качеству ремонта и нормам простоя со стороны операторов подвижного состава;

активное внедрение новых технологий в ремонтное производство, повышение квалификационных требований к персоналу на фоне ухудшения ситуации на кадровом рынке квалифицированных рабочих и технических специалистов в целом;

появление новых участников процесса в лице заводов изготовителей железнодорожной техники, возрастание роли фирменного обслуживания в системе ремонта;

более жесткие внешнеэкономические и правовые условия, усиление государственного контроля и надзора в области экологии, охраны труда и безопасности на транспорте.

Успешное решение задач модернизации и реконструкции ремонтного производства предполагает создание эффективных инструментов разработки проектных решений и в первую очередь оценки и оптимизации вариантов технологического проекта как центрального элемента проектируемой технологической системы и основы архитектурно-строительной и специальных частей проекта.

Технологическое проектирование - сложный творческий процесс, выполняется, как правило, в несколько этапов, на каждом из которых возможно существование многих вариантов решения одной проектной задачи. Благодаря сложной взаимосвязи отдельных компонентов технологического проекта, таких как оборудование, транспорт, кадровое обеспечение, топливно-энергетические ресурсы, предпочтение того или иного варианта в большинстве случаев не является очевидным, а принятие решения требует тщательного анализа по комплексу показателей.

Многоитерационность процесса проектирования предполагает постоянное решение локальных оптимизационных задач на уровне отдельных технологических позиций, выбора мощности и производительности оборудования, размеров накопителей и т. д., что неизбежно

оказывает влияние на состояние производственной системы в целом, на ее параметры и показатели.

Основными задачами при технологическом проектировании предприятий по ремонту подвижного состава являются следующие:

расчет количества основного и вспомогательного технологического оборудования для выполнения заданной производственной программы;

разработка компоновочных решений, выбор наиболее рационального варианта; расчет количества и показателей эксплуатационной загрузки оборудования; определение емкости накопителей, выбор мест их размещения; разработка логистической концепции производства;

выбор оптимальной производственной программы и режима работы предприятия; динамический анализ потребностей в топливно-энергетических, материальных и трудовых ресурсах в течение рабочей смены, суток, месяца;

оценка технологических рисков, связанных с работой оборудования; комплексное сравнение нескольких вариантов проекта.

Функциональная структура технологического проектирования (рисунок 1) основывается на реализации следующих этапов: структурного анализа объектов ремонта (ОР) и технологических процессов, анализа и синтеза элементов технологической системы (ТС), пространственных структур, процессов функционирования и управления.

I Т

: 1:1 • 1 : 1 2,3 Р-2.9 ] Р

->

П оследовательность действий

Рисунок 1 - Функциональная структура технологического проектирования предприятий по ремонту подвижного состава: Т - техническое задание; ^ - £3 - этапы проектирования: анализ технологических процессов ремонта, определение размерных параметров, структурирование и конфигурирование ТС; Х1, ..., Х9 -проектные процедуры: анализ и синтез ремонтного задания; разработка функциональной схемы ТС; формирование производственной концепции; разработка спецификации оборудования; формирование требований к системе снабжения и к производственной инфраструктуре; разработка масштабной компоновочно-логистической схемы ТС, планов размещения оборудования, генерального плана застройки; Р11, ..., Р37 - операции проектных

процедур: Р11, ..., Р18 - определение состава ОР; выбор способов организации ремонта; классификация ОР; формирование параметров технологических операций; формирование элементов; определение функциональных взаимосвязей; формирование сети материальных потоков; выбор форм организации производства; Р21, ..., Р2.8 -выбор оборудования, разработка технического задания (ТЗ) на нестандартное оборудование и оснастку; определение потребностей в персонале; расчет параметров производительности ТС; расчет переходного запаса объектов ремонта; расчет потребностей в материалах и комплектующих; расчет потребностей площадей; расчет энергоемкости производства; расчет железнодорожного путевого развития; Р31, ..., Р37 - размещение технологических структур, выбор вариантов построения транспортной системы; расчет транспортных потоков; разработка планов цехов и участков; определение зон территории предприятия; разработка схем путевого развития;

размещение объектов технологической инфраструктуры

На первом этапе осуществляется выбор способов и средств транспортирования ремонтируемых узлов и агрегатов, составление схем маршрутов и расчет объемов грузопотоков, определение структуры и основных параметров складов и накопителей. Успешное решение поставленных задач позволяет на втором этапе осуществить расчет параметров и показателей технологической системы, определить состав оборудования и средств доставки, оценить размеры складов, накопителей, размер оборотного фонда материалов и комплектующих, разработать варианты производственного графика с учетом производительности цехов и участков. Завершающим этапом проектирования является разработка компоновочных и планировочных решений производственных помещений, объектов инженерной, энергетической, социально-бытовой и транспортной инфраструктуры.

На каждом из этапов предполагается оптимизация проектных решений по локальным критериям. В качестве последних используются коэффициенты загрузки технологического оборудования, транспортно-накопительных и складских средств, размер производственных и вспомогательных площадей технологических участков, коэффициенты технологической замкнутости и т. д. [1].

При проектировании производственных систем существует довольно жесткая связь между этими компонентами. Так, например, структура и характеристики ремонтного фонда узлов и агрегатов подвижного состава, технологические требования к ремонту определяют состав технологического оборудования и его характеристики, выбор способа производства, специализацию технологических участков, показатели системы транспортного обслуживания. Последние в свою очередь влияют на компоновочные и планировочные решения, инженерное обеспечение, организацию процессов функционирования производственной системы в целом.

По этой причине после предварительной оптимизации проектных решений на уровне отдельных рабочих мест производится комплексный анализ основных функциональных элементов технологической системы предприятия по группе критериев, отражающих ключевые технические и финансово-экономические показатели инвестиционного проекта.

1. Производственные площади. Стоимость одного квадратного метра промышленного строительства колеблется от 5 до 12.5 тыс. р. Статья «здания и сооружения» находится на первом месте в смете расходов и составляет более 40 % совокупных финансовых затрат.

На этапе предварительной проработки технологических решений потребная производственная площадь рассчитывается по суммарной площади оборудования с учетом дополнительного пространства для зон управления, обслуживания, складирования материалов и комплектующих на рабочих местах, промежуточного складирования ремонтного фонда, путей для транспортировки узлов и деталей, контрольно-испытательных станций, устройств энергоснабжения. Дополнительные площади учитываются в виде соответствующих коэффициентов запаса kiтхх (kтхх > 1), рекомендуемые значения которых приведены в соответствующей справочной и методической литературе [например, см. 2]:

S« = £• -П^Umin,

i=1 i=1

2

где Si - площадь оборудования с учетом зон управления и обслуживания, м ;

K - количество единиц оборудования в цехе в соответствии с принятым вариантом технологических решений.

Задача проектирования может сводиться не только к разработке проектных решений, обеспечивающих выполнение заданной программы ремонта с минимальными затратами, но и к выбору оптимальных масштаба и плана производства, которые должны обеспечить максимальную доходность в сложившихся внешних условиях. Например, соотношения между проектными мощностями для выполнения текущего, деповского и капитального ремонта грузовых вагонов, текущего и среднего ремонта локомотивов, собственного или стороннего ремонта колесных пар и др. В этом случае технологическая система предприятии рассматри-

вается и анализируется с учетом факторов внешнеэкономического окружения и исследуется с применением методов теории игр [3].

Сравнение проектных решений выполняется с точки зрения полезности производственных площадей. Критерий оценки - коэффициент доходности, тыс. р./м :

R

Ks max,

где R - расчетная величина прибыли, которая может быть получена при оказании услуг по ремонту подвижного состава на производственной площади Sxx, тыс. р.

Снижение потребных объемов производственных площадей является комплексной задачей, затрагивающей технологию ремонта, материально-техническое снабжение, производственную логистику, методы организации труда. Задача оптимизации сводится к выбору варианта, обеспечивающего максимальное значение коэффициента Ks, с учетом возможных маркетинговых, технологических и экономических ограничений на параметры реализации проекта.

2. Энергоемкость производства. Затраты топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) составляют до 10 - 12 % себестоимости ремонта подвижного состава. При анализе энергопотребления необходимо выделять переменную составляющую - технологические затраты и условно-постоянную - затраты на энергообеспечение производственной инфраструктуры. Оценка энергетической эффективности вариантов технологических решений производится

по показателю удельной энергоемкости ремонта, т.у.т. или р.:

Nj

X Ср) + С(ОХР)- a j

с

j Nj (t) V '

где С^тх) - технологические затраты топливно-энергетических ресурсов (ТЭР);

С(ОХР) - затраты на отопление, освещение, вентиляцию зданий; N (Т) - программа ремонта за период t (единиц);

at - распределение инфраструктурных затрат по видам ремонта - может быть принято пропорциональным затратам на технологические операции при условии нормировки

n

Xtaj = 1или найдено расчетно-аналитическим путем по результатам энергетического обсле-

j=i

дования предприятия.

Расчет затрат ТЭР на технологические операции ремонта подвижного состава производится по удельным нормам, приведенным в технических характеристиках на оборудование с учетом показателей его использования [4]. Оценка непроизводительных затрат на устранение брака в работе по причине низкого качества ремонта выполняется приближенно с учетом доли дополнительных технологических затрат ТЭР на повторный ремонт в процентном соотношении от плановых затрат.

Суммарная технологическая энергоемкость рассчитывается так:

m n

с ТХ ) = ]Т Nj,

k=1 j=1

где Nj - объем j-го вида ремонта k-го типа подвижного состава за год.

Снижение технологической энергоемкости достигается за счет использования энергосберегающего технологического оборудования, прогрессивных методов ремонта, повышения коэффициента полезного использования площади зданий и сооружений, оптимизации логистики, сокращения брака и возврата на повторный ремонт узлов и агрегатов подвижного состава [5].

3. Производственная логистика. Сравнение нескольких вариантов размещения технологического оборудования, накопителей, складов, компоновки производственных цехов и участков выполняется по критерию минимума мощности технологического грузопотока, тм [2]:

z h

F = ЕЕ т • 1аы ^ ш1п

1=1 аЫ=1

где г - число перемещаемых узлов и деталей подвижного состава;

h - число операций в производственном процессе ремонта ¿-го узла или детали; т.1 - масса узла или детали 1-го наименования, т;

- расстояние между а-й и Ы-й рабочими позициями, на которое происходит перемещение 1-го наименования изделия, м.

Показатель является условным, так как не учитывает характеристики транспортной системы, наибольшее распространение он получил на этапе предварительной оценки компоновочных и планировочных решений.

4. Запасы незавершенного производства. Удельная потребность в материальных запасах т на единицу ремонта определяется объемом неснижаемого резервного фонда технически исправных узлов и агрегатов т(РЗ) и непосредственно объемами незавершенного производства продукции т(ТХ), обусловленными собственной технологической емкостью цехов и участков в случае, когда время полного цикла технологических операций ремонта оборудования превышает норму простоя подвижного состава на ремонте:

т^РЗ 3 + т^ТХ 3

т.

N ^)

> шт.

Объем незавершенного производства зависит не только от производственной программы предприятия и времени ремонта, но и в существенной мере от системы организации производства, эффективности производственной логистики и материально-технического снабжения. Эффективным способом сокращения запасов при ремонте подвижного состава является внедрение технологий «бережливого» производства.

5. Производственная мощность и производительность труда. Реализуемая проектная мощность и производительность труда являются наиболее важными интегральными показателями, характеризующими эффективность предложенных вариантов технологических проектных решений. Ввиду чрезвычайной сложности точной оценки данных показателей аналитическим способом на практике ограничиваются расчетом производственной мощности по производительности лимитирующей группы технологического оборудования (или участка). Вычисления производятся по средним нормам трудоемкости для типовых технологических процессов с учетом поправочных коэффициентов. Общее решение для расчета производительности труда с учетом показателей надежности оборудования может быть представлено в виде выражения [6]:

Р

П к

R • Т • е

I=1

F

->шах

где к - коэффициенты, учитывающие показатели прогрессивности оснащения, механизации, автоматизации, гибкости технологического оборудования и другие особенности производства;

R - потребная численность персонала;

F - годовой фонд рабочего времени, ч;

Т - средняя трудоемкость ремонта единицы подвижного состава, чел.-ч;

t - время работы технологического оборудования, ч.;

X - приведенная интенсивность отказов машин и механизмов, 1/ч.

Обобщая изложенное, можно констатировать, что традиционные экспертные и расчетно-аналитические методики оценки качества технологических проектных решений являются весьма приближенными, не учитывают ряд принципиально важных вопросов, связанных с работой системы транспортного обслуживания, материально-технического снабжения, взаимодействия технологических позиций и участков, неравномерной загрузки оборудования в течение рабочей смены и ряд других, играющих важную роль в работе предприятия.

Как показывает современная отечественная и зарубежная практика, одним из наиболее эффективных методов оценки проектных решений является имитационное математическое моделирование. Проведение серии вычислительных экспериментов позволяет не только с более высокой точностью рассчитать рассмотренные выше параметры и показатели работы предприятия, но и получить максимально полную информацию о динамическом поведении технологической системы еще до фактического ее запуска в эксплуатацию.

Для задач имитационного моделирования технологических процессов ремонта подвижного состава предлагается использование моделей, созданных на основе ориентированных паттерновых сетей [7, 8]. Основным понятием теории паттернов является понятие абстрактной образующей (паттернового модуля) и неотделимых от нее связей. Паттерновые сети строятся из образующих путем попарного объединения связей различных образующих в связки. Множество всех образующих называется составом сети, а множество всех связок -структурой.

Множество G образующих сети конечно и образующие пронумерованы. Каждая образующая g е G полностью определяется вектором своих признаков:

a

где i - порядковый номер образующей;

yik, к = 1,...,- атрибуты образующей;

mi и ri - количество входящих и исходящих связей;

Pk,к = 1,...,mi и А™*, к = 1,. .,r - показатели входных и выходных связей образующей.

Атрибуты и показатели связей образующих являются переменными величинами. Множества Dik, Dk и D°k" допустимых значений переменных yik, Pk и р™' определяют информационное содержимое образующей и называются доменами соответствующих переменных. Для дискретных паттерновых сетей домены всех переменных являются конечными или счетными множествами. Состав, структура и содержание определяют структурный скелет сети.

На каждой связке паттерновой сети устанавливается бинарное отношение между двумя

п out п in ^

переменными р и р , называемое отношением связей, принимающим значение «истина» (соединенное состояние) либо «ложь» (разъединенное). Структурные связи паттерновых сетей всегда являются истинными, а каждая связка ассоциированной паттерновой сети может находиться в двух состояниях - истинном или ложном. Состояние связки зависит от значений соответствующих показателей связей.

Образующая может быть визуально представлена в виде графической схемы. Изобраен-ные на схемах входные и выходные связи ориентированных образующих наглядно представляют входы и выходы технологических операций с номером к (рисунок 2).

Для технологической сети образующие являются технологическими операциями. Количество входящих и исходящих связей образующей определяется типом и взаимосвязями технологической операции. Домены атрибутов образующих содержат возможные значения параметров технологических операций, условия их выполнения и другую необходимую информацию.

Технологические позиции и участки представляют собой стандартные фрагменты общей сети - регулярные конфигурации, составленные из комбинаций паттерновых модулей, связи между которыми полностью определяются технологическим процессом ремонта.

Паттерновая сеть является средой для дискретного динамического моделирования технологических процессов ремонта подвижного состава. Работа модели основывается на прин-

ципе моделирования особых состояний системы - характерных событий, наступающих в момент возникновения заявки на транспортное обслуживание при завершении технологической операции. Событие служит условием соединения связок паттерновой сети.

В качестве исходных данных при разработке имитационной модели использованы спецификация, характеристики оборудования и план его размещения, стандартное описание технологических процессов, ожидаемые проектные показатели согласно требованиям технического задания. Итоговым результатом вычислительных экспериментов является фактический график работы по каждой единице технологического оборудования с учетом перечисленных выше условий и ограничений.

По результатам имитационного моделирования оцениваются следующие параметры и показатели, характеризующие качество проектных технологических решений: фактическая производительность предприятия (цеха, участка), ед./день -

1 т

т к=1

где т - количество рабочих дней в интервале моделирования; коэффициенты загруженности оборудования по времени -

Т

раб

Т

мод

где Траб - общее время работы в интервале моделирования; Тмод - длина интервала моделирования; среднее время ожидания средства доставки, мин, -

1 1

1Ж {к)- {к)),

1 к=1

где d - общее количество заявок на перемещение ремонтируемых узлов и агрегатов; tнв {к) - время начала выполнения заявки; tп {к) - время поступления заявки;

средняя длина очереди заявок на перемещение ремонтируемых узлов и деталей, шт.,

1

Т

мод

Е N,

к=1

где N - количество заявок на перемещение на к-й минуте моделирования; средняя дальность единичного перемещения, м, -

1 d

1 Е/

к=1

где I - протяженность маршрута перемещения при выполнении заявки;

грузовая работа подъемно-транспортных механизмов за цикл ремонта одной единицы оборудования подвижного состава, т-м, -

а

Е тк • 1к,

к=1

где g - общее количество заявок на перемещение за цикл ремонта.

Полученные результаты являются основой для локальной оптимизации проектных решений отдельных технологических участков и цехов по ремонту подвижного состава: уточнения компоновочных и планировочных схем, выбора параметров технологического оборудования, состава и количества средств доставки, размеров и мест размещения промежуточных накопителей, режима и графика работы [9].

Алгоритм оптимизации проектных решений с использованием результатов имитационного моделирования может быть представлен в виде схемы, приведенной на рисунке 3.

Рисунок 3 - Алгоритм оптимизации проектных решений методами имитационного моделирования

Оптимизация технологических решений методами имитационного моделирования представляет собой многоитерационный процесс и производится в несколько этапов. На первом этапе формируется и реализуется в компьютерном виде собственно имитационная модель, разрабатываются план и сценарии вычислительных экспериментов, готовятся массивы данных структурных параметров и переменных модели.

После проведения эксперимента (одного или заданной серии) делается вывод о достижении поставленных целей, соответствии полученных результатов плану эксперимента, полноте и достаточности данных для оценки проекта. В случае необходимости производятся корректировка исходных данных и дополнительные итерации.

Далее производится интерпретация полученных данных и оценка проекта по комплексу показателей, рассмотренных выше, принимается решение о целесообразности улучшений или завершении работ и оформлении результатов.

Но основании изложенного можно сделать выводы.

1. Технологическое проектирование предприятий по ремонту подвижного состава представляет собой сложный многошаговый итерационный процесс, отдельные элементы функциональной структуры которого тесно взаимосвязаны между собой.

2. Оптимизация проектных решений производится на нескольких уровнях агрегирования при формировании технологической системы от отдельного рабочего места до участка, цеха и предприятия в целом по группе критериев, отражающих ключевые технические и финансово-экономические показатели инвестиционного проекта: производственные площади, энергоемкость, запасы незавершенного производства, производственную мощность и производительность труда.

3. Наиболее достоверная оценка качества технологических решений возможна путем динамического имитационного моделирования технологических процессов ремонта подвижного состава, позволяющего провести анализ работы предприятия и взаимодействия ключевых

подсистем ремонтного производства, таких как оборудование, транспорт, материально-техническое снабжение, планирование и управление.

4. В качестве способа реализации предлагается использование методики моделирования на основе модульного принципа паттерновых сетей, позволяющей обеспечить высокую степень детализации представления объекта исследования при приемлемых трудозатратах и сроках создания имитационной модели.

Список литературы

1. Проектирование автоматизированных участков и цехов [Текст] / В. П. Вороненко, В. А. Егоров, М. Г. Косов и др.; под ред. Ю. М. Соломенцева. - М.: Высшая школа, 2003. - 272 с.

2. Грундиг, К. Г. Проектирование промышленных предприятий: Принципы. Методы. Практика [Текст]: Пер. с нем. / К. Г. Грундиг.- М.: Альпина Бизнес Букс, 2007. - 340 с.

3. Кини, Р. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения [Текст]: Пер. с англ. / Р. Кини, Х. Райфа.- М.: Радио и связь, 1981. - 560 с.

4. Методика проведения энергетических обследований потребляющих устройств, обеспечивающих тягу поездов и ремонтное производство на железнодорожном транспорте: Инструктивно-методические указания комплексной системы энергетического обследования [Текст] / Под общ. ред. В. Т. Черемисина / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2004. - 429 с.

5. Смирнов, В. А. Энергосбережение при ремонте и техническом обслуживании локомотивов [Текст] / В. А. Смирнов, А. С. Талызин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 4. - С. 41 - 49.

6. Болотин, М. М. Математические модели инженерного анализа вагонных депо [Текст] / М.М. Болотин // Мир транспорта. - 2005. - № 3. - С. 4 - 15.

7. Grenander, U. General Pattern Theory / U. Grenander. - Oxford University Press, 1993. - 904 p.

8. Смирнов, В. А. Имитационное моделирование технологических процессов ремонта подвижного состава [Текст] / В. А. Смирнов, А. М. Семенов // Материалы междунар. науч.-практ. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований - 2012». -Одесса: Куприенко, 2012. - Вып. 1. - Т. 1. - С 74 - 77.

9. Смирнов, В. А. Модульный принцип моделирования технологических процессов ремонта подвижного состава [Текст] / В. А. Смирнов, А. М. Семенов // Мир транспорта. - 2012, № 4.