СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ГРУЗОПОДЪЁМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ЗАМЕНЫ ПРОФИЛЯ СЕЧЕНИЯ СТРЕЛЫ АВТОМОБИЛЬНОГО КРАНА)

ВВЕДЕНИЕ

Рост объёмов строительно-монтажных и погрузочно-разгрузочных работ обусловливает устойчивый спрос на повышение грузоподъёмности и производительности мобильных стреловых самоходных кранов при сохранении базового шасси и минимизации капитальных затрат на модернизацию. Одним из конструктивных решений, позволяющих увеличить грузовой момент без замены силовой установки и ходовой части, является изменение формы поперечного сечения секций телескопической стрелы — в частности, переход от традиционного трапецеидального или прямоугольного профиля к овоидному, обеспечивающему более рациональное распределение материала по сечению и снижение металлоёмкости конструкции при сохранении требуемой прочности и жёсткости.

Любое конструктивное изменение грузоподъёмного оборудования подлежит обязательному технико-экономическому обоснованию (ТЭО), результаты которого определяют целесообразность модернизации. Действующие методики ТЭО новой техники в машиностроении, как правило, опираются на укрупнённые статистические нормативы затрат — усреднённые показатели расхода топлива, смазочных материалов, трудоёмкости технического обслуживания и ремонта, рассчитанные для типовых конструкций [1–4]. Такой подход упрощает расчёт, однако снижает его точность применительно к задачам локальной модернизации отдельных узлов: изменение массы и технологии изготовления конкретного узла явно не отражается в итоговых статьях затрат.

Кроме того, типовые методики ТЭО не предусматривают формальной связи экономической оценки с результатами прочностных расчётов модернизируемой конструкции, выполняемых методом конечных элементов (МКЭ). Между тем именно запас прочности, выявляемый по результатам МКЭ-расчёта, определяет допустимость снижения металлоёмкости и, соответственно, границы применимости экономических выводов [5, 6].

Целью работы является совершенствование методики технико-экономического обоснования модернизации грузоподъёмного оборудования за счёт интеграции пооперационного (технологического) расчёта себестоимости изготовления модернизируемого узла и результатов его прочностной верификации методом конечных элементов, а также апробация предложенной методики на примере модернизации автомобильного крана КС-3574.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследования является автомобильный кран КС-3574 на шасси Урал-5557 (колёсная формула 6×6), базовый вариант (БТ) которого оснащён телескопической стрелой из трёх секций традиционного профиля сечения грузоподъёмностью до 16 т. В модернизированном варианте (НТ) секции стрелы выполнены с овоидным профилем сечения, разработанным по результатам патентного анализа существующих конструктивных решений телескопических стрел.

Экономическая оценка выполнена по традиционной схеме, включающей расчёт следующих показателей:

— капитальные вложения K (стоимость приобретения/изготовления техники, руб.);

— годовые текущие затраты на эксплуатацию U, включающие заработную плату машиниста и ремонтных рабочих, затраты на капитальный ремонт, техническое обслуживание и текущий ремонт, топливо, смазочные материалы, шины, перебазировку и сменную оснастку;

— годовая эксплуатационная производительность Пгод, т/год;

— приведённые затраты на единицу продукции Zуд = U / Пгод + Ен · K / Пгод, где Ен — нормативный коэффициент сравнительной экономической эффективности капитальных вложений (принят равным 0,15 год⁻¹);

— годовой экономический эффект Эг = (Zуд.БТ − Zуд.НТ) · Пгод.НТ;

— срок окупаемости дополнительных капитальных вложений Ток = (Kнт − Kбт) / (Uбт − Uнт), применимый при Kнт > Kбт.

Приведённая схема расчёта соответствует общепринятой в отечественном машиностроении методике оценки эффективности новой техники [1, 7]. В настоящей работе она дополнена двумя элементами.

Во-первых, статья капитальных вложений и связанная с ней статья затрат на капитальный ремонт рассчитывались не по укрупнённым нормативам, а на основе фактического технологического маршрута изготовления модернизируемых деталей стрелы: заготовительная операция (нормализация), лазерная резка листового проката (сталь 15ХСНД, ГОСТ 19281-2014), гибка на листогибочном станке и сверление отверстий. Пооперационный расчёт трудоёмкости и расхода материала позволяет учитывать снижение металлоёмкости овоидного профиля непосредственно в себестоимости изготовления узла [8].

Во-вторых, допустимость снижения металлоёмкости проверялась по результатам конечно-элементного моделирования модернизированной секции стрелы: расчёту эквивалентных напряжений по Мизесу, суммарных перемещений и эквивалентных деформаций. Экономический эффект признаётся обоснованным только при условии, что расчётные напряжения не превышают допускаемых для принятой марки стали с учётом нормативного коэффициента запаса [5, 6].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сводные результаты расчёта технико-экономических показателей базового (БТ) и модернизированного (НТ) вариантов крана КС-3574 представлены в Табл. 1.

Табл. 1. Технико-экономические показатели базового и модернизированного вариантов крана КС-3574

Составлено автором.

Как следует из данных Табл. 1, переход на овоидный профиль сечения секций стрелы обеспечивает одновременное снижение капитальных вложений (на 7,1 %) и годовых текущих затрат (на 0,8 %) при росте годовой эксплуатационной производительности на 8,8 %. Приведённые затраты снижаются с 540 до 482 руб./т (на 10,7 %), годовой экономический эффект составляет 1 005,72 тыс. руб.

Снижение капитальных вложений подтверждается пооперационным расчётом себестоимости изготовления секции: уменьшение массы заготовки при лазерной резке и однократная операция гибки листового проката снижают трудоёмкость и расход материала по сравнению с традиционным профилем, что отражается и в сопутствующем снижении затрат на капитальный ремонт (с 696 917 до 647 137 руб., на 7,1 %) — статьи, наиболее тесно связанной с металлоёмкостью конструкции [8].

Вместе с тем расчёт по типовой методике показал, что затраты на топливо для варианта НТ практически не изменились (1 057 122 руб. в обоих вариантах, расчётная годовая экономия топлива — 0,00035 кг), несмотря на снижение массы стрелового оборудования. Это указывает на то, что применяемые в типовой методике укрупнённые нормативы расхода топлива не учитывают изменение массы конкретного модернизируемого узла и рассчитаны для машины в целом, а не для стрелового оборудования в отдельности.

Применение классической формулы срока окупаемости к рассматриваемому случаю даёт формально отрицательное значение (Ток = −2,6 года), поскольку капитальные вложения в вариант НТ оказались ниже, чем в вариант БТ (Kнт < Kбт), при одновременном снижении текущих затрат. Отрицательный «срок окупаемости» в данном случае не имеет содержательной экономической интерпретации как период возврата дополнительных вложений, поскольку дополнительных вложений не требуется — модернизация выигрывает по обоим показателям одновременно (доминирующий вариант).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные результаты подтверждают целесообразность включения в методику ТЭО модернизации грузоподъёмного оборудования пооперационного (технологического) расчёта себестоимости взамен исключительно укрупнённых нормативов — по крайней мере для статей затрат, непосредственно связанных с массой и технологией изготовления модернизируемого узла (капитальные вложения, капитальный ремонт). Такой подход обеспечивает более объективную связь экономического расчёта с конкретным конструктивным решением, а не с обобщённой статистикой по парку однотипных машин.

Одновременно выявленное отсутствие экономии по статье «топливо» в рамках типовой методики свидетельствует об ограниченности применяемых нормативов и целесообразности перехода на удельные, весозависимые показатели расхода топлива и смазочных материалов при обосновании модернизаций, связанных со снижением массы металлоконструкций [2, 3].

Показатель срока окупаемости как критерий эффективности неприменим (или требует переинтерпретации) в случаях, когда модернизация одновременно снижает и капитальные, и текущие затраты при росте производительности. В подобных ситуациях предлагается использовать в качестве основного критерия принятия решения показатель годового экономического эффекта Эг и относительное снижение приведённых затрат Zуд, оставляя классическую формулу срока окупаемости для случаев, когда модернизация требует дополнительных капитальных вложений (Kнт > Kбт).

Результаты конечно-элементного моделирования модернизированной секции стрелы показали эквивалентные напряжения по Мизесу на уровне порядка 8 Н/мм² при значительно более высоком пределе текучести применённой стали 15ХСНД, а суммарные перемещения — в пределах долей миллиметра. Столь значительный расчётный запас прочности указывает на наличие резерва для дальнейшей оптимизации массы стрелового оборудования с применением топологической оптимизации сечения, что может составить предмет дальнейших исследований.

Основные выводы работы:

1. Предложена уточнённая методика технико-экономического обоснования модернизации грузоподъёмного оборудования, отличающаяся использованием пооперационного расчёта себестоимости изготовления модернизируемого узла и обязательной проверкой допустимости снижения металлоёмкости по результатам МКЭ-расчёта прочности.

2. Апробация методики на примере крана КС-3574 показала снижение капитальных вложений на 7,1 %, приведённых затрат — на 10,7 % и рост годовой производительности на 8,8 % при годовом экономическом эффекте 1 005,72 тыс. руб.

3. Установлено, что типовая методика расчёта по укрупнённым нормативам не отражает экономии топлива при снижении массы модернизируемого узла, что обосновывает целесообразность перехода на весозависимые удельные нормативы.

4. Показано, что при одновременном снижении капитальных и текущих затрат классический показатель срока окупаемости теряет содержательный смысл и должен быть заменён показателем годового экономического эффекта в качестве основного критерия принятия решения о модернизации.

1. Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники. М. : ВНИИЭСХ, 1998. Ч. 1. 220 с.
2. Степанов М. А. Расчёт экономической эффективности новой строительной техники : учеб. пособие. М. : НИУ МГСУ, 2021. 96 с.
3. Бузырев В. В., Суворова А. П. Экономика строительного предприятия : учебник. М. : Академия, 2021. 336 с.
4. Нормативные показатели расхода топлива и смазочных материалов на автомобильном транспорте. Методические рекомендации. М. : Минтранс России, 2020.
5. Басов К. А. ANSYS: справочник пользователя. М. : ДМК Пресс, 2019. 640 с.
6. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация / пер. с англ. М. : Мир, 1986. 318 с.
7. ГОСТ 27.002-2015. Надёжность в технике. Термины и определения. М. : Стандартинформ, 2016. 28 с.
8. Справочник технолога-машиностроителя : в 2 т. / под ред. А. М. Дальского [и др.]. М. : Машиностроение, 2001. Т. 1. 912 с.
9. Лукманова И. Г., Нежникова Е. В., Резниченко В. С. Управление рисками в строительстве : учеб. пособие. М. : НИУ МГСУ, 2020. 214 с.
10. Асаул А. Н. Экономика недвижимости : учебник. 4-е изд. М. : АНО «ИПЭВ», 2023. 432 с.
11. ГОСТ 19281-2014. Прокат повышенной прочности. Общие технические условия. М. : Стандартинформ, 2015. 36 с.
12. Вишняков Я. Д., Радаев Н. Н. Общая теория рисков : учеб. пособие. М. : Академия, 2018. 368 с.

Все статьи автора «Прудников Николай Константинович»