Напечатать документ Послать нам письмо Сохранить документ Форумы сайта Вернуться к предыдущей
АКАДЕМИЯ ТРИНИТАРИЗМА На главную страницу
Дискуссии - Технологии

В.Е. Мочулаев
Энергетический подход к проектированию технологических систем типа «человек – машина – предмет труда – источник энергии»
Oб авторе


В решении проблемы модернизации российской экономики важная роль принадлежит машиностроению, главной задачей которого является создание наукоемкой и эффективной техники, в частности рабочих машин и оборудования. Их применение в отраслях экономики позволит многократно повысить производительность общественного труда, снизить трудоемкость, энергоемкость и материалоемкость выпускаемой продукции и тем самым повысить уровень ее конкурентоспособности на отечественном и мировом рынках.

Создание таких машин должно основываться на современной научной базе, включающей использование новых открытий, изобретений и технологий в различных областях науки и техники; применение современных методов и приемов технического творчества, новых подходов и методов исследования и соблюдения последовательности выполнения всех стадий и этапов создания и освоения новых машин.

Как известно, процесс проектирования любой машины начинается с разработки технического задания, в котором устанавливаются технико-экономические требования, определяющие потребительские свойства и эффективность применения создаваемой машины. Однако практика показывает, что не всегда эти требования соответствуют нормативным значениям в сфере эксплуатации машины, что приводит к снижению ее производительности, энергетической эффективности и ухудшению всех других ее технико-экономических показателей. Такое положение объясняется тем, что при создании машины в должной мере не учитывались параметры сопряженных с ней факторов производства, прежде всего человека, предмета труда и источника энергии, т.е. не реализовывался в должной мере системный подход к проектированию машин.

Для решения этих проблем машиностроителям необходимо в полной мере использовать системный подход к проектированию машин, т.е. осуществить переход от проектирования машин к проектированию целостных технологических систем типа «человек-машина-предмет труда - источник энергии» (ТС).


    1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Формирование параметров целостных ТС требует привлечения знаний не только технических и экономических наук, но и наук, изучающих трудовую деятельность человека, а также смежных прикладных наук (эргономики, инженерной психологии, бионики, кибернетики, научной организации труда и производства и других наук).

Применение знаний указанных выше наук при формировании параметров создаваемых ТС представляет сложную задачу, так как каждая наука имеет свой понятийный аппарат, свои цели и методологию анализа. Важно использовать знания этих наук и выработать на их основе единый подход к формированию и расчету параметров создаваемых ТС.

Одним из возможных путей объединения знаний наук, изучающих трудовые процессы, может служить использование всеобщих свойств материи, какими являются движение, пространство и время.

В настоящее время экономическая наука применяет лишь одно всеобщее свойство материи – время, которое используется в качестве мерила живого и общественного труда. К сожалению, при измерении труда временем не учитываются такие его важные свойства как, например, тяжесть, напряженность, интенсивность и иные свойства живого труда, которые являются составными характеристиками более общего его свойства – движения. Последнее может стать более универсальной мерой труда, чем время.

Роль движения в настоящее время неуклонно возрастает, ибо активное развитие общественного производства означает, в сущности, повышение интенсивности движения (мощности) всех основных производительных сил труда – рабочей силы, орудий и предметов труда, источников движения (энергии).

С позиции философии энергия – это количественная мера движения, выражающая внутреннюю активность материи, способность материальных систем к совершению определенной работы, или преобразованиям во внешней среде, на основе внутренних структурных изменений. В этом случае энергия из связанного состояния (соответствующего массе покоя) переходит в активные формы, например в энергию излучения.

Важность энергии состоит в том, что лишь благодаря энергетическим преобразованиям становятся возможными и материальные преобразования, представляющие сущность любого технологического процесса, совершаемого в рамках технологической системы.

Если при проектировании машины ее энергетические свойств не будут в полной мере согласованы с энергетическими свойствами человека, предмета труда и источника энергии, то энергетические процессы в технологической системе и ее подсистемах не будут соответствовать оптимальным значениям. Это приведет к снижению объемов материальных преобразований в единицу времени, т.е. к снижению производительности системы, что ухудшит все другие ее технико-экономические параметры.

Отсюда следует, что общим подходом к формированию технико-экономических параметров технологических систем может служить энергетический подход.

Энергетический подход является мощным инструментом ученых и инженеров, применяемым для объяснения многих сложных явлений в различных отраслях науки и техники. Такое значение энергетического подхода обусловлено его универсальностью и естественной природой, основанной на использовании физического учения об энергии.

Учитывая универсальный характер энергетического похода, в отечественной и зарубежной литературе выдвигаются многочисленные идее и предложения по его применению в экономической науке и практике. Эти идеи и предложения можно условно разделить на относящиеся к макроэкономике, микроэкономике и прикладной экономике (технико-экономическому анализу машин и оборудования).

В настоящей работе автор не рассматривает многочисленные идеи и предложения о применении энергетического подхода на макро и микроэкономическом уровне. Эти идеи и предложения в ряде случаев связаны с переосмыслением роли и содержания основных категорий экономической теории, таких как труд, процесс труда, производительность труда, рабочая сила, капитал, стоимость, прибавочная стоимость, прибыль, заработная плата, деньги и т.д. Реализация этих идей и предложений - это дело не столь далекого будущего, к которому нужно стремиться путем постановки и решения локальных прикладных задач по применению энергетического подхода в экономике.

Несмотря на получившие названия в литературе, «физическая экономика» (Л.Х. Ларуш, П. Г.Кузнецов), «энергоинформационная экономика» (В.Н.Власов) и другие названия, их применение на практике сдерживается сложностью перестройки всей теоретической и методологической базы экономической теории и, соответственно, ее конкретных экономических наук (отраслевых, функциональных и смежных).

Целью настоящей работы является исследование возможности применения энергетического подхода в решении прикладных задач, в частности, при проектировании ТС, используемых в технологических процессах механической обработки (механических процессах).

К числу механических процессов всегда относят обработочные, переработки, формообразующие и сборочные процессы. Большинству этим процессам присуща незначительная длительность, ярко выраженная прерывность и повторяемость процесса, то есть присущи свойства, характерные для прерывных циклических процессов.

К настоящему времени отдельные элементы энергетического подхода применительно к подсистемам (компонентам) ТС описаны в литературе по технико-экономическому анализу рабочих машин и оборудования, эргономике, физиологии труда, инженерной психологии, организации труда и производства и в специальной технической литературе.

Учитывая настоятельную необходимость создания энергосберегающей и энергоэффективной техники, в работах советских ученых-экономистов Л.Б. Барташева, К.М. Великанова, Г.Б. Каца, А.С. Некрасова, Е.К. Смирницкого, Л.Я. Шухгальтера и др.,

используемых для проведения технико-экономического анализа машин и оборудования, предложены такие важные параметры, как мощность, расход энергии, энергоемкость, коэффициент полезного действия, энергетический уровень механизации (автоматизации) труда и др.

Наряду с энергетическими параметрами предлагаются и производные от них параметры – производительность, грузоподъемность, рабочая поверхность, рабочий объем, давление, температура и др.

Все перечисленные выше параметры входят в состав эксплуатационных параметров и характеристик, которые в значительной степени определяют потребительские свойства создаваемых машин.

Однако, как бы ни была совершенна машина, ее эффективное использование зависит от эксплуатационных свойств (параметров) взаимодействующих с ней компонентов, прежде всего человека, предмета труда и источника энергии.

Проблема взаимодействия человека и современной техники – проблема «человек – машина» (СЧМ) – превратилась в одну из основных проблем современной науки. На ее решение направлены такие фундаментальные и прикладные науки, как физиология, психология, кибернетика, эргономика, инженерная психология, бионика и др. науки.

Фундаментальным понятием в науках о труде является понятие - «трудовая деятельность», которую условно разделяют на три типа: энергетическую, управляющую и эвристическую. В реальных условиях в чистом виде не существует ни один из этих типов, в какой-то мере все они перекликаются в любой производственной деятельности. Поэтому при классификации трудовой деятельности человека исходят из того, деятельность какого типа преобладает.

Деятельность человека осуществляется благодаря двум тесно связанным способностям организма - дееспособности и работоспособности. Дееспособность – этот способность формировать целесообразную деятельность, она создает качественную сторону трудовой деятельности человека. Работоспособность – это способность организма к психофизиологическому действию. Действие это может состоять в превращении одного вида энергии в другой вид, в преобразовании объекта из одного вида в другой и т. п.

Наряду с общими понятиями, характеризующими трудовую деятельность человека, в прикладных науках о труде, в частности инженерной психологии, появились критерии оценки деятельности человека-оператора: быстродействие, надежность, точность, напряженность. Специфической характеристикой оператора, не имеющей своего аналога для машинных звеньев, является напряженность его деятельности. Функциональное напряжение оператора при выполнении производственной задачи может быть отнесено к двум сторонам – энергетической и информационной. Обе имеют место при всех видах трудовой деятельности, но в зависимости от того, какая сторона деятельности преобладает, труд относят к физическому или умственному труду.

Функциональное напряжение организма при физической работе называют тяжестью труда, а при умственной работе – напряженностью труда.

Энергетическая природа физической деятельности человека описана в работах известных физиологов труда – Г. Лемана, С.А. Косилова, Е.Ф. Полежаева, И.И. Лихницкой и др. Например, в работе [4} указывается, что всякая физическая деятельность организма связана с расходом энергетических потенциалов организма, поэтому физическое напряжение – это прежде всего энергетическое понятие.

В работе [7} показано, что работоспособность человека на различных его уровнях – нейрофизиологическом и внутриклеточном – имеет энергетическую основу.

Критериями оценки человек как источника энергии является функциональный расход (функциональный обмен) и энергетический коэффициент полезного действия, который аналогичен по своему содержанию механическому коэффициенту полезного действия. Однако это критерий для работающего человека ни в какой мере не имеет того определяющего и универсального значения, как в оценке работающей машины.

С.А. Косилов в работе [3] отмечает, что коэффициент полезного действия работника довольно низок и составляет при подъеме тяжестей 8,4 %, работе напильником - 10,2 %, вращении рукоятки 20 % . Максимальный КПД может достигать 30 %.

Следовательно, значительная часть энергии не может быть использована на труд, так как идет на внутреннюю работу организма и не находит внешнего выражения.

В процессе трудовой деятельности человека происходит превращение энергии в работу. Интенсивность работы во времени характеризует мощность человека. Соответственно полезной и затраченной работе различают полезную и потребляемую мощность человека.

Достижения современной психофизиологии труда позволили определить уровень часовой напряженности (мощности) потребления рабочей силы для преимущественно физического труда. Так, в соответствии с действующим государственным стандартом по эргономическим требованиям к производственному оборудованию, «конструкция производственного оборудования должна обеспечивать такие физические нагрузки на работающего, при которых энергозатраты организма работающего в течение смены не превышали бы 1046,7 кДж/ч (250 ккал/ч)» [1]. Однако механизм реализации этого требования при проектировании производственного оборудования в литературе не описан.

Анализ приведенных выше критериев и параметров оценки деятельности человека и машины в трудовом процессе показывает, что человека и машину характеризуют такие общие энергетические параметры как мощность, коэффициент полезного действия и расход энергии. Кроме человека и машины, аналогичными энергетическими параметрами характеризуются и источники энергии, снабжающие энергией машину.

Что касается энергетических параметров предмета труда, то следует отметить, что любой предмет труда является веществом, обладающим внутренней энергией и массой. Величина внутренней энергии вещества (предмета труда) определяется в соответствии с законом взаимосвязи массы и энергии. Наличие у вещества внутренней энергии подтверждается присущими ему физическими свойствами.

В специальной технической литературе приводятся многочисленные параметры, косвенно характеризующие энергетические свойства твердых веществ. Такими параметрами являются твердость, прочность, износостойкость, жесткость и т.д.

Краткий анализ прикладного применения энергетического подхода показывает, что отдельные его элементы применятся в технико-экономическом анализе рабочих машин и оборудования. Возможно его применение и для описания энергетических характеристик предмета труд и источника энергии. Кроме того, данные фундаментальных и прикладных наук о труде, используемые в нормативных документах, подтверждают применение элементов энергетического подхода в системе научной организации труда и производства. Особенно это наглядно проявляется в действующей системе стандартов безопасности труда, например, в системе аттестации рабочих мест по условиям труда, в частности, при оценке тяжести труда [8], в системе санитарно-гигиенических требований к воздуху рабочей зоны, в которой установлено разграничение работ по тяжести на основе общих энергозатрат организма [2] и других нормативных документах.

Однако раздельное применение энергетического подхода к описанию энергетических параметров машины, человека, предмета труда и источника энергии не позволяет достоверно обосновывать параметры ТС при ее создании и подтверждать их нормативные значения при совершении в ней технологических процессов.

В этой связи возникает необходимость в разработке физических представлений об энергетике технологических процессов и концептуальных моделей для их описания, на которых строится система формирования основных параметров создаваемых ТС и их компонентов.

Употребляемые в статье понятия «технологическая система» и «технологический процесс» (ТП) являются взаимосвязанными понятиями. Их взаимосвязь выражается в том, что ТС – это ТП в статике, ТП – это ТС в динамике. В современном понимании, технологический процесс – это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда. К предметам труда относятся заготовки и изделия.


2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭНЕРГЕТИКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Следует отметить что, энергетический подход, как универсальный инструмент познания окружающего мира, возник в связи с введением в физику термина «энергия» и открытием наиболее общих законов природы. К ним относятся - закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения момента импульса, закон сохранения массы, закон взаимосвязи массы и энергии, первое и второе начала термодинамики и другие законы, положенные в основу разработки и развития физического учения об энергии. Указанные законы составляют основу энергетического подхода. Однако для их использования в решении поставленных задач необходимо выработать физические представления об энергетике технологических процессов, т.е. об источниках, преобразователях, передатчиках и потребителях энергии, и на основе указанных выше законов и физических представлений разработать концептуальные модели для описания энергетики таких процессов.

Как известно, каждый технологический процесс совершается за счет затраты и преобразования энергии. Эта цепь энергетических преобразований в технологическом процессе начинается с изменения энергетического состояния источника энергии, последующего изменения энергетического состояния энергетической цепи, связывающей источник энергии с предметом труда, и заканчивается изменением энергетического состояния предмета труда [5]. Так что можно сказать, что все технологические процессы являются процессами энергетическими. И в этой связи все материальные изменения, представляющие сущность любого технологического процесса, должны рассматриваться как вторичные, т.е. как следствие энергетических преобразований [9].

Следовательно, помимо процессов преобразования материалов необходимо анализировать и изучать, вызвавшие их процессы и законы преобразования энергии.

Необходимыми условиями для совершения технологических процессов в ТС являются: а) наличие основных факторов производства (производительных сил) – человека, предмета труда, средства труда и источника энергии; б) наличие энергетического потенциала у источника энергии, обеспечивающего передачу энергии в направлении предмета труда по энергетической цепи, связывающей предмет труда с источником энергии [1].

В технологических процессах применяются различные источники энергии. Так, для организма человека источником энергии служит пища, содержащая химическую энергию, которая преобразуется в механическую энергию (мышцы, сердце, осмотическую работу секреции желез, всасывание в кишечнике) и электричество (нервные клетки). Для функционирования средства труда (машины) применяются различные источники энергии, например, механическая энергия человека, первичная или вторичная энергия неживой природы.

Но энергия содержится не только в вышеперечисленных источниках энергии. Как утверждают известные американские ученые: Г. Одум и Э. Одум: «Любое вещество, необходимое для осуществления энергетического процесса, содержит внутри себя компонент энергии» [6].

Из технической термодинамики известно, что полный запас энергии, заключенной в твердом, жидком или газообразном теле, называется его внутренней энергией. В понятие внутренней энергии, наряду с тепловой, может входить механическая, электрическая, магнитная, химическая энергия, и всегда входит внутриатомная энергия.

Однако ни один из компонентов технологического процесса не может высвободить свою энергию сам по себе без взаимодействия с другими компонентами. Поэтому лишь при взаимодействии происходит высвобождение внутренней энергии. Так, например, при горении топлива (взаимодействие топлива с кислородом) его внутренняя энергия (химическая) преобразуется в тепловую энергию. Потеря или накопление внутренней энергии веществом (телом) приводит к разрушению (изменению) его формы, строения, структуры и других свойств. Такова энергетическая природа любого вещества, а также и энергетическая природа компонентов технологического процесса.

В трудовом процессе организм человека выполняет функцию преобразователя химической энергии пищи в другие виды энергии внутри организма (рассмотренные выше) и передатчика механической энергии от своего двигательного аппарата к предмету труда.

Некоторые виды орудий труда при определенных условиях становятся источниками энергии. Например, рабочие машины при своем функционировании становятся источниками различных видов энергии, которые проявляются в виде тепла, света, шума вибрации и т.п.

Таким образом, с энергетической точки зрения человек и машина выполняют в технологическом процессе функции преобразователей и передатчиков энергии. Потребителем энергии является, как правило, предмет труда. Однако имеются случаи, когда и предмет труда выступает в роли источника энергии, например уран, используемый в термоядерных процессах при производстве электрической энергии.

Для того, чтобы энергия от источника энергии передавалась предмету труда необходимо создать на концах кинематической (энергетической) цепи, связывающей предмет труда с источником энергии, различные энергетические потенциалы. Разность энергетических потенциалов обуславливает движение потока энергии от наибольшего потенциала к наименьшему потенциалу с преодолением сопротивлений при своем движении и растратой на эти сопротивления части своей внутренней энергии.

В этой связи основным понятием в энергетике технологического процесса является энергетический потенциал, который характеризует ту часть внутренней энергии производительной силы, которая используется в технологическом процессе.

В технической термодинамике абсолютные величины внутренней энергии, содержащиеся в веществе, не определяют, а определяют лишь изменения внутренней энергии, что и характеризует его энергетический потенциал, т.е. энергетический потенциал производительной силы технологического процесса.

Из представленных выше суждений можно выделить общие физические представления, необходимые для описания энергетики технологического процесса:

- каждая производительная сила технологического процесса обладает внутренней энергией;

- внутренняя энергия каждой производительной силы технологического процесса способна к изменению при определенных условиях;

- часть внутренней энергии производительной силы технологического процесса, способная к растрате, составляет энергетический потенциал производительной силы;

- технологический процесс совершается при наличии необходимых производительных сил, образующих энергетическую цепь для передачи энергии от источника энергии к предмету труда;

- передача энергии обеспечивается за счет разности энергетических потенциалов, созданных на конечных звеньях энергетической цепи, связывающей источник энергии с предметом труда.

При описании энергетики технологических процессов, совершаемых в ТС, введем следующие допущения:

- человек рассматривается в совокупности с пищей, что делает его источником, преобразователем и передатчиком энергии;

- физическая природа разрушения (изменения) предмета труда от воздействия на него энергии не рассматривается;

- во внимание принимаются лишь затраты человеческой энергии, связанные с выполнением физической трудовой деятельности человека;

- потери энергии внутри источников энергии условно не рассматриваются;

- технологические процессы совершаются в изолированных от внешних факторов ТС.


3. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ОПИСАНИЯ ЭНЕРГЕТИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Предлагаются три модели для описания энергетики технологических процессов, совершаемых в ТС, одна из которых, представляет собой структурно-энергетическую модель, другая – уравнение энергетического баланса, а третья – уравнение, отображающее превращение энергии в работу. Эти модели предлагаются для описания энергетики трех видов технологических процессов механической обработки: ручного, машинно-ручного и машинного (автоматизированного), чтобы показать процесс последовательного замещения человека машиной по энергетическим функциям и потери энергии при передаче ее от источника энергии к предмету труда.

В качестве иллюстрации рассмотрим энергетическую сущность ручного технологического процесса, состоящего из предмета труда, ручного средства труда (инструмента) и человека (работника).

На рис.1 представлена структурно-энергетическая модель ручного технологического процесса, в котором компоненты технологического процесса изображены в виде прямоугольников, разделенных зонами взаимодействия. Векторная линия над прямоугольниками изображает энергетическую цепь, связывающую предмет труда с источником энергии. А ответвления от этой линии – потоки энергии, поступающие в зоны взаимодействия компонентов технологического процесса.



Рис. 1. Структурно-энергетическая модель ручного технологического процесса

Ч – человек; СТ – средство труда; ПТ – предмет труда; 1 – зона взаимодействия

человека и средства труда; 2 – зона взаимодействия средства труда и предмета

труда.

В данном процессе человек с помощью средства труда воздействует на предмет труда с целью его целесообразного изменения (обработки). На осуществление этих взаимодействий затрачивается энергия человека, поток которой исходит от него и поступает в зоны 1 и 2, осуществляя взаимодействие компонентов технологического процесса, и к предмету труда на его обработку.

В рассматриваемом процессе предмет труда и средство труда не являются источниками энергии, а их материальное разрушение происходит за счет энергии человека, часть которой непроизводительно растрачивается в двух зонах взаимодействия, а другая часть поступает на целесообразное изменение предмета труда.

Уравнение энергетического баланса для ручного технологического процесса будет иметь следующий вид

ΔΕч = ΔΕ1 + ΔΕ2 + ΔΕчmin (1)

где ΔΕч - изменение энергетического потенциала человека или расход энергии

человека на выполнение технологического процесса;

ΔΕ1 и ΔΕ2 - энергия человека, затраченная на разрушение компонентов соответственно

1 и 2 зон взаимодействия при выполнении технологического процесса;

ΔΕчmin – минимальная энергия человека, используемая непосредственно на

обработку предмета труда при выполнении технологического процесса.

Минимальная энергия ΔΕчmin может служить в качестве своеобразной константы обрабатываемого предмета труда, зависящая от его способа обработки, физико-химических и иных свойств, и является полезной энергией, затрачиваемой человеком.

Потоки энергии, поступающие от человека в зоны взаимодействия компонентов, распределяются внутри каждой зоны пропорционально сопротивляемости компонентов разрушению. Так, в зоне 1 одна часть энергии из потока, поступившего в зону 1, растрачивается на разрушение средства труда со стороны действия человека, а другая часть – на разрушение двигательного аппарата человека (например, рук человека) со стороны действия средства труда. Аналогичным образом происходит распределение потока энергии, поступившего в зону – 2. Одна часть энергии растрачивается на разрушение предмета труда со стороны действия средства труда, другая часть энергия растрачивается на разрушение средства труда со стороны действия предмета труда. В зонах 1 и 2 происходит потеря энергии, т.е. неполезное ее использование. А энергия человека, используемая непосредственно на изменение формы и размеров предмета труда, является полезной энергией.

Но разрушение компонентов технологического процесса есть следствие работы сил, приложенных в зонах взаимодействия, вызванных к действию изменением энергетического потенциала человека, т.е. превращением растраченной энергии в работу. Тогда уравнение, отображающее превращение энергии в работу, будет иметь вид


ΔΕч = A1 + A2 + Aчmin = Ач (2)

где A1 и A2 - работа, затраченная на разрушение компонентов соответственно 1 и 2 зон взаимодействия;

Aчmin - минимальная работа, потребная для целесообразного изменения предмета труда (полезная работа);

Ач - полная работа, затраченная человеком на выполнение ручного технологического процесса.

В каждой зоне взаимодействия действуют силы, равные по величине, но вызывающие деформацию взаимодействующих компонентов в зависимости от их сопротивляемости разрушению. При разных деформациях взаимодействующих компонентов работа разрушения их в зонах взаимодействия будет различной.

Иллюстрацией наблюдаемого разрушения может служить процесс ручной ковки металла. Человек (кузнец) растрачивает свою энергию на сообщение кузнечному молотку определенных движений. Молоток изменяет форму обрабатываемой заготовки (т.е. ее разрушает) и в тоже время от этого молоток расплющивается у бойка, т.е. изменяются (разрушаются) как заготовка, так и молоток. От действия рук человека ручка молотка изнашивается (полируется), а кожа рук человека изнашивается. При этом молоток разрушается с двух сторон, а обрабатываемая заготовка и человек – с одной стороны.

Как известно, любая работа совершается во времени. Если обе части уравнения (2) разделить на время, затраченное на выполнение работы человеком, то получим баланс мощностей ручного технологического процесса.

Аналогичные модели можно получить в случае рассмотрения автоматизированной ТС, когда человек (оператор) осуществляет только контроль за ходом выполнения технологического процесса и затраты физической энергии на выполнение контрольных операций условно не учитываются.

Если на рис.1 вместо ручного средства труда изобразить машину-автомат, а вместо человека – источник энергии неживой природы, то после таких преобразований получим структурно-энергетическую модель автоматизированного технологического процесса (рис.2).


 

Рис. 2. Структурно-энергетическая модель машинного (автоматизированного) технологического процесса

НП – энергия неживой природы; М – машина; 3 – зона взаимодействия источника

энергии неживой природы и машины; 4 – зона взаимодействия машины и предмета труда.


Уравнение энергетического баланса для машинного (автоматизированного) технологического процесса будет иметь вид


ΔΕнп = ΔΕ3 + ΔΕм + ΔΕ4 + ΔΕнпmin (3)

где ΔΕнп - изменение энергетического потенциала источника энергии неживой природы или расход энергии неживой природы на выполнение технологического процесса;

ΔΕ3 и ΔΕ4 - энергия неживой природы, затраченная на разрушение компонентов соответственно 3 и 4 зон взаимодействия при выполнении технологического процесса;

ΔΕм - энергия неживой природы, затраченная в машине (потери энергии в машине) при выполнении технологического процесса;

ΔΕнпmin - минимальная энергия неживой природы, используемая на целесообразное изменение предмета труда при выполнении технологического процесса (полезная энергия, затрачиваемая неживой природой).

Уравнение, отображающее превращение энергии в работу, будет иметь вид


ΔΕнп = A3 + Aм + A4 + Aнпmin = Анп (4)


где A3 и A4 - работа, затраченная на разрушение компонентов соответственно 3 и 4 зон взаимодействия при выполнении технологического процесса;

Aм - работа, затраченная на разрушение (износ) машины при выполнении технологического процесса;

Aнпmin- минимальная потребная работа для целесообразного изменения предмета труда при выполнении технологического процесса, т.е. полезная работа, затраченная неживой природой;

Анп – полная работа, затраченная неживой природой на выполнение технологического процесса

Если разделить обе части уравнения (4) на время, затраченное на выполнение технологического процесса, то получим баланс мощностей машинного (автоматизированного) технологического процесса.

При соединении структурно-энергетической модели ручного технологического процесса со структурно-энергетической моделью машинного (автоматизированного) технологического процесса можно получить структурно-энергетическую модель машинно-ручного технологического процесса (рис.3).

Формирование параметров машинно-ручных ТС при их проектировании представляет наиболее сложную задачу для машиностроителей. Это объясняется тем, что производственные результаты функционирования ТС во многом зависят от энергетических возможностей (потенциала) человека (работника) и степени их использования в технологическом процессе.


 

Рис. 3. Структурно-энергетическая модель машинно-ручного технологического процесса


 

Уравнение энергетического баланса для машинно-ручного технологического процесса будет иметь вид


ΔΕч + ΔΕнп = ΔΕ1 +ΔΕ2 +ΔΕ3+ΔΕм +ΔΕ4+ΔΕчmin+ΔΕнпmin (5)

Баланс работ и мощностей машинно-ручного технологического процесса строятся на основе использования уравнений (2) и (4).

Если в приведенных выше структурно-энергетических моделях изменение предмета труда в пространстве и времени представить в виде цепочки технологических операций, то получим структурно-энергетические модели технологических операций (ручной, машинно-ручной и машинной / автоматизированной). Любые технологические процессы разделяются на ряд технологических операций, законченных по месту их выполнения. Это следует из стандартизированного понятия «технологическая операция», согласно которому технологическая операция – это законченная часть технологического процесса, выполняемого на одном рабочем месте. Поэтому все технологические системы, в которых осуществляются технологические операции, именуются технологическими системами типа «рабочее место».

На основе выработанных физических представлений об энергетической сущности технологических процессов и представленных моделей для описания их энергетики становится возможным разработка методологии формирования и расчета основных параметров проектируемой ТС и ее подсистем (компонентов) типа «рабочее место».


4. ФОРМИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Исследование структурно- энергетических моделей технологических процессов показывает, что не вся энергия источников идет на выполнение полезной работы (то есть, на работу целесообразного изменения предмета труда или его целесообразного перемещения в пространстве, или на совместное выполнение этих работ), а только часть ее – минимальная энергия. Остальная часть энергии растрачивается непроизводительно (рассеивается) при ее преобразовании и передаче от источников энергии к предмету труда.

Степень полезного использования энергии в технологическом процессе назовем энергетическим коэффициентом полезного действия (КПД) технологического процесса.

КПД ручного технологического процесса рассчитывается по формуле


КПДр = ΔΕчmin / ΔΕч (6)

где КПДр – коэффициент полезного действия ручного технологического процесса;

ΔΕчmiп - полезная энергия, затрачиваемая человеком на обработку предмета труда (полезные энергозатраты человека);

ΔΕч - полная энергия, затрачиваемая человеком на обработку предмета труда (полные энергозатраты человек).

КПД машинно-ручного технологического процесса рассчитывается по формуле


КПДмр = (ΔΕчmin + ΔΕнпmin ) / (ΔΕч + ΔΕнп ) (7)

где КПДмр – энергетический коэффициент полезного действия машинно-ручного технологического процесса;

ΔΕнпmin – полезная энергия, затрачиваемая на обработку предмета труда источником энергии неживой природы (полезные энергозатраты неживой природы, машины);

ΔΕнп - полная энергия неживой природы, затрачиваемая на обработку предмета труда.

КПД машинного (автоматизированного) технологического процесса рассчитывается по формуле


КПДм = ΔΕнпmin / ΔΕнп (8)

КПД каждой энергетической цепи, связывающей источник энергии с предметом труда, будет равен произведению КПД, составляющих ее элементов. А КПД каждого элемента цепи равен отношению энергии выхода к энергии входа в элемент этой цепи.

На базе установленных полезных и полных энергозатрат системы и ее компонентов следует рассчитывать их КПД за цикл технологической операции и на производство единицы продукции.

Энергетический КПД системы за цикл технологической операции будет иметь вид


КПДц = ΔΕцmin / ΔΕц (9)

где КПДц – коэффициент полезного действия системы за цикл технологической операции;

ΔΕцmin – минимальные (полезные) энергозатраты, необходимые на обработку предмета труда за цикл технологической операции;

ΔΕц – полные энергозатраты, необходимые на обработку предмета труда за цикл технологической операции.

На основе формулы (15) можно рассчитать КПД компонентов ТС (человека и машины) за цикл технологической операции, аналогично и на производство единицы продукции.

В машинно-ручных технологических процессах (операциях) обработка предмета труда осуществляется за счет потребления полезной энергии человек и энергии неживой природы. Доля полезной энергии неживой природы в общей сумме затрат полезной энергии человека и неживой природы характеризует энергетический уровень механизации живого труда в системе.

Количественно этот параметр для машинно-ручных технологических процессов может быть рассчитан по формуле


ЭУ = ΔΕнпшт / (ΔΕчшт + ΔΕнпшт ) (10)

где ЭУ – энергетический уровень механизации живого труда в технологическом

процессе (ТС);

ΔΕнпшт– полезные энергозатраты неживой природы (машины) на изготовление единицы продукции;

ΔΕчшт - полезные энергозатраты человек на изготовление единицы продукции.

Наряду с энергетическим уровнем механизации живого труда определяется и временной уровень механизации труда. Он определяется как частное от деления машинного времени к штучному времени, затрачиваемому на обработку предмета труда.

Однако при оценке состоянии механизации труда механизации живого труда в системе предпочтение следует отдавать энергетическим, а не временным параметрам, так как последние обладают определенным недостатком. Например, с уменьшением доли машинного времени за счет повышения рабочих скоростей и сокращения холостых ходов наблюдается тенденция к снижению временного уровня механизации живого труда в системе. Такую тенденцию нельзя признать правомерной, так как полезная энергия, необходимая для обработки предмета труда, не меняется, а уменьшение времени обработки вызывает пропорциональное увеличение мощности обработки, т.е. происходит интенсификация режима работы машины, а передача энергетических функций от человека к машине не происходит.

С повышением степени механизации технологического процесса происходит перераспределение полезных энергозатрат, поступающих на обработку предмета труда от человека и машины, но их общая сумма остается при этом постоянной. Так как КПД машины значительно выше КПД человека, то за счет этого полные энергозатраты технологического процесса (системы) на обработку предмета труда будут более низкими, чем до его совершенствования.

Отсюда следует, что повышение степени (уровня) механизации (автоматизации) технологических процессов ведет к снижению энергоемкости продукции, а значит – к повышению энергетического совершенства или энергетической эффективности системы в целом.

Выполнение каждой технологической операции характеризуется двумя конечными результатами – энергетическим и вещественным (материальным).

Энергетический результат заключается в том, что полезная энергия источников энергии ТС растрачена на обработку предмета труда, а вещественный результат – в том, что предмет труда обработан, т.е. превращен в продукт труда на определенной стадии технологического процесса. Эти результаты взаимно обусловлены, так как без растраты энергии не происходит и обработка предмета труда. Отсюда следует, что периодическое повторение циклов технологической операции означает соответствующее повторение полезных энергозатрат.

Следовательно, выпуск продукции технологическим процессом (операцией) находится в прямой зависимости от полезных энергозатрат ТС. Эти энергозтраты, отнесенные к цикл технологической операции, выражают среднюю полезную мощность технологической операции


Рс = ΔΕцmin / Тц (11)

где Рс - средняя полезная мощность технологической операции;

ΔΕцmin – полезные эергозатраты системы за цикл технологической операции;

Тц - цикл технологической операции.

Если теперь в формуле (10) энергетическую характеристику числителя заменить на эквивалентную ей вещественную характеристику результата функционирования ТС, то тогда получим штучную производительность технологической операции (системы)


Вшт = Nц / Тц (12)

где - Вшт – штучная производительность операции (системы);

Nц – количество одновременно обрабатываемых предметов труда за цикл технологической операции.

Параметр «штучная производительность» широко используется в технической и экономической литературе применительно к продукции машиностроения, в частности для определения производительности многих видов строительных и дорожных машин, полимерного, полиграфического, металлорежущего и других видов оборудования циклического действия. Однако этот термин используется неправомерно, так как продукцию производят технологические процессы, а не машины.

Что касается понятия «производительность машины», то сущность его в экономическом смысле заключается в высвобождении производственных рабочих (человека) из процесса труда путем замещения энергетических функций человека энергетическими функциями машины, обеспеченными энергией неживой природы.

Иллюстрацией последовательного замещения человека машиной могут служить представленные выше структурно-энергетические модели технологических процессов.

Назовем этот параметр «экономическая производительность машины», чтобы не смешивать его с техническим пониманием производительности машины.

Тогда под экономической производительностью машины следует понимать абсолютное количество работников, высвобождаемых вследствие замещения человека машиной [5].

Численное значение экономической производительности машины следует определять как отношение полезных энергозатрат неживой природы (машины) при выполнении технологического процесса (операции) к нормативному уровню полезных энергозатрат человека, высвобождаемого вследствие применения машины в этом процессе (операции). В общем виде этот показатель может быть рассчитан по формуле


ЭПм = Вшт * ΔΕнпшт / ΔΕчт (13)

где ЭПм - экономическая производительность машины;

Вшт – штучная производительность процесса (операции) в единицу времени;

ΔΕнпшт– полезные энергозатраты машины на изготовление единицы продукции;

ΔΕчт – нормативный уровень полезных энергозатрат человека за единицу времени.

Для определения экономической производительности рабочих машин существенное значение имеет установление нормативного уровня полезных энергозатрат человека при выполнении им производственной работы.

В соответствии с эргономическими требованиями [1], «конструкция производственного оборудования должна обеспечивать такие физические нагрузки на работающего, при которых энергозатраты организма в течение рабочей смены не превышали бы 1046,7 кДж/ч (250 ккал/ч)». Такой пороговый уровень часовых энергозатрат (мощности) человека соответствует по современной классификации тяжести и напряженности труда [2] - категории 3 (тяжелые физические работы). Это самый высокий уровень тяжести и напряженности труда, который является предельно допустимым для организма человека. Он может быть использован в качестве нормативного уровня в технологических процессах, в которых невозможно обеспечить оптимальные физические нагрузки на организм работающего по техническим причинам.

При установлении нормативного уровня полезных энергозатрат человека следует исходить из потребной для нормальной жизнедеятельности организма человека физической нагрузки. В соответствии с рекомендациями физиологов труда человеку необходимо затрачивать на мышечную деятельность в среднем не менее 1200-1300 ккал/сутки [10]. Тогда часовые энергозатраты при восьми часовом рабочем дне составят 150 ккал/ч, т.е. 628 кДж/ч., что соответствует работам категории 1а (легкие физические работы) [2]. Этот уровень энергозатрат, как оптимальный, и следует принять в качестве нормативного уровня при определении экономической производительности машин.

На основе использования данных по нормативному уровню полезных энергозатрат человека в единицу времени и данных по уровню полезных энергозатрат человека на единицу продукции можно установить штучную производительность ручного и машинно-ручного технологических процессов (операций) по энергетическому режиму труда человека


Вшт = ΔΕчт / ΔΕчшт (14)

При определении штучной производительности процесса по формуле (14) следует учесть влияние условий труда, в которых будет функционировать проектируемая ТС.

В современном представлении под условиями труда понимается совокупность факторов трудового процесса и рабочей среды, в которой осуществляется трудовая деятельность человека [8]. В соответствии с действующим руководством [8] условия труда работников разделены на 4 класса:

- оптимальные условия труда (1 класс) – условия, при которых сохраняется здоровье работника и создаются предпосылки для поддержания высокого уровня работоспособности;

- допустимые условия труда (2 класс) характеризуются такими уровнями факторов среды и трудового процесса, которые не превышают установленных гигиенических нормативов для рабочих мест, а возможные изменения функционального состояния организма восстанавливаются во время регламентированного отдыха или к началу следующей смены и не оказывают неблагоприятного действия в ближайшем и отдаленном периоде на состояние здоровья работников и их потомства. Допустимые условия труда относят к безопасным;

- вредные условия труды (3 класс) характеризуются уровнями факторов рабочей среды, воздействие которых в течение рабочей смены (или ее части) создают угрозу для жизни, высокий риск развития острых профессиональных поражений, в т.ч. и тяжелых форм;

- опасные условия труда (4 класс) характеризуются наличием вредных факторов, уровни которых превышают гигиенические нормативы и оказывают неблагоприятное воздействие на организм работника и / или его потомство.

Применение формулы (14) при проектировании ТС возможно для оптимальных (1 класс) или допустимых (2 класс) условий труда, установленных в руководстве [8].

Для условий вредных и опасных труда необходимо использовать рекомендации физиологов труда.

Выражение (14) может быть использовано в сфере эксплуатации ТС в следующих случаях:

- если плановая норма выработки продукции, установленная по временному режиму труда человека, превышает норму выработки, рассчитанную по энергетическому режиму труда человека, то следует откорректировать плановую норму выработки продукции, чтобы не допустить физической перегрузки человека и его преждевременного изнашивания и старения;

- при возможном пересмотре действующих норм выработки продукции необходимо определить уровень физической нагрузки на организм работающего и сравнить этот уровень с нормативным (628 кДж/ч) и предельно допустимым (1046,7 кДж/ч) уровнями полезных энергозатрат и принять следующие решения:

а) при недогрузке до нормативного уровня энергозатрат и фактического перевыполнения норм выработки большинством работников возможно увеличение плановой нормы выработки до фактического значения;

б) при превышении нормативного уровня энергозатрат большинством работающих повышение нормы выработки вводить не следует без совершенствования форм и методов организации труда и культуры производства.

Следует отметить, что замещение человека машиной происходит лишь в период ее функционирования, границей которого является наступление у машины предельного состояния. Продолжительность работы машины до наступления у нее предельного состояния называется ресурсом до капитального ремонта машины.

Замещение полезных энергозатрат человека полезными энергозатратами машины за ресурс до ее капитального ремонта определяется по формуле


ΔΕчрmin = Вшт * ΔΕнпшт * Трк (15)

где ΔΕчрmin – полезные энергозатраты человека за ресурс до капитального ремонта машины;

Трк – ресурс до капитального ремонта машины.

Параметр ΔΕчрmin выражает в энергетических единицах количество живого труда замещаемого применением машин в общественном производстве и является его натуральным измерителем.

Для получения экономии затрат совокупного общественного труда, выраженного в энергетических единицах, необходимо, чтобы полезные затраты на воспроизводство машины были меньше полезных энергозатрат человека за ресурс до капитального ремонта машины. Это обусловлено действием закона экономической целесообразности применения машин в общественном производстве (т.е. в целях удешевления продукта, изготовляемого с их помощью).

Если полезные затраты на воспроизводство машины будут равны полезным энергозатратам человека за ресурс машины, то экономии совокупного общественного труда не будет. В этой связи полезные энергозатраты человека за ресурс до капитального ремонта машины, выраженные в стоимостных измерителях, могут служить в качестве предельной стоимости машины или верхнего предела цены машины с учетом стоимости энергии, затраченной за ресурс до капитального ремонта машины.

Предельная стоимость машины может быть определена о формуле


Цм = (ΔΕчрmin * Сч) - Сэн (16)

где Цм – предельная стоимость машины;

Сч – уровень оплаты труда человека, замещаемого машиной, за единицу полезных энергозатрат в рыночных условиях;

Сэн - стоимость энергии, расходуемой машиной за ресурс до ее капитального ремонта.

Ставка оплаты труда человека (работника) за единицу полезной энергии может быть рассчитана на основе использования оплаты труда работника за единицу времени в стоимостном выражении по формуле


Сч = Ст / ΔΕчт (17)

где Ст - уровень оплаты труда работника в стоимостном выражении за единицу рабочего времени в рыночных условиях.

Замещение человека машиной за ресурс до ее капитального ремонта можно выразить в трудовых единицах по формуле


Тчм = ЭПм * Трк (18)

где Тчм – трудоемкость работ, замещаемых применением машины за ресурс до ее капитального ремонта.

Параметр Тчм выражает экономию живого труда в сфере применения машины. Он, как и параметр ΔΕчрmin , может служить в качестве предельной стоимости машины с учетом стоимости энергии, затраченной машиной за ресурс до ее капитального ремонта.

При использовании этого параметра предельная стоимость машины определяется по формуле


Цм = (Тчм * Св ) – Сэн (19)

где Св – уровень оплаты труда работника, замещаемого машиной, за единицу рабочего времени в рыночных условиях.

Величина предельной стоимости машины является ориентиром для потребителя и производителя машин. Этот ориентир важен и для оценщиков машин и оборудования, который в теории оценки может служить в качестве стоимости замещения при оценке рыночной стоимости машин.

Следует отметить, что параметры ЭПм , ΔΕчрmin и Тчм являются универсальными социально-экономическими константами рабочих машин. Они не зависят от вида продукции, производимой с их помощью, и позволяют сравнивать машины различного класса, вида и назначения.

Параметр «экономическая производительность машины» может быть использован в системе оценки технического уровня и качества машин. При его применении в оценке устраняются резкие колебания численных значений удельных параметров (удельная энергоемкость, материалоемкость, трудоемкость и т.д.) машин, производящих разнородную продукцию, что имело место при применении параметра «штучная производительность машины». Кроме того, этот параметр может быть использован в экономической науке в качестве коэффициента перевода машиноемкости в трудоемкость, как это представлено в формуле (18).

Для формирования и расчета параметров проектируемой ТС и ее компонентов требуются следующие основные исходные данные:

1.Параметры готовых изделий (форма, размеры, масса, материал, технологические допуски параметров и т. д.) - из рабочих чертежей.

2.Параметры обрабатываемых заготовок (форма, размеры, масса, материал и т.д.) - из карт заготовок.

3.Данные по режимам, времени обработки и исполнителям технологических элементов каждой технологической операций - из технологической документация на типовые процессы обработки заготовок на машинном компоненте ТС.

4.Параметры тяжести и напряженности труда работника по выполняемым с его участием элементам технологических операций [1,2,8].

5.Параметры условий труда работника [8].

6.Параметры оплаты труда работника, замещаемого машиной (по уровню оплаты труда в сходных условиях работы).

7.Параметры оплаты труда работника, взаимодействующего с машиной.

8.Параметры источника энергии неживой природы (при использовании, например. электрической энергии: мощность, напряжение, сила и частота тока, расход энергии и др.).

На основе исходных данных следует формировать следующие основные технико-экономические параметры проектируемой ТС и ее компонентов:

1) энергетическая производительность;

2) штучная производительность, исчисленная:

- по временному режиму труда работника;

- по энергетическому режиму труда работника;

3) нормативный уровень тяжести труда работника;

4) энергетический коэффициент полезного действия;

5) уровень механизации (автоматизации труда):

- временной уровень механизации живого труда;

- энергетический уровень механизации живого труда;

6) энергетический коэффициент полезного действия машины;

7) экономическая производительность машины;

8) средний ресурс до капитального ремонта машины;

9) трудоемкость работ, замещаемых машиной за ресурс до ее капитального ремонта;

10) предельная стоимость машины и другие параметры.

Все эти параметры должны входить в состав технического задания на создание и освоение ТС. Более подробно методика расчета указанных выше параметров создаваемых ТС и их компонентов изложена в работе [5] с приведением примера расчета этих параметров применительно к технологическим системам для сборки автопокрышек.

В заключение следует отметить, что разработанное автором содержание энергетического подхода применительно к проектированию технологических систем типа «человек – машина - предмет труда – источник энергии» может быть использовано в качестве методологической базы на ранней стадии (стадии научно-исследовательских работ) и проектной стадии (стадии опытно-конструкторских работ) создания и освоения технологических систем. Более того, разработанная и апробированная методологическая база энергетического подхода может успешно применяться и в сфере эксплуатации действующих технологических систем механического класса.


ЛИТЕРАТУРА


1. ГОСТ 12.2.049 -80 ССБТ. Оборудование производственное. Общие эргономические требования. – М.: Издательство стандартов, 1980. – 20с.

2. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. – М.: Издательство стандартов, 1988. – 10 с.

3. Косилов С.А. Физиологические основы НОТ. – М.: Экономика, 1969. 302 с.

4. Лихницкая И.И. Методика определения степени физического напряжения при производственной деятельности и возможности ее использования в мероприятиях по научной организации труда. – Л.: ЛДНТП, 1973 - 30 с.

5. Мочулаев В.Е. Методология и практика применения энергетического подхода в машиностроении. – Ярославль: Издательство Ярославского гос. ун – та, 2003. – 103с.

6. Одум Г., Одум Э. Энергетический базис человека и природы /Пер. с англ., под ред. и с предисл. канд. филос. наук А.П. Огурцова. – М.: Прогресс, 1978. – 379с.

7. Полежаев Е.Ф. Физиологические основы работоспособности // Психофизиологические и эстетические основы НОТ. - М., 1971. – С. 64-81.

8. Р.2.2.2006 – 05. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда / Утверждено главным государственным врачом РФ 29.07.2005 г. Введено в действие с 1 ноября 2005 г.

9. Степанов В.С. Химическая энергия и эксергия веществ. – Новосибирск: Наука, 1985. – 101 с.

10. Физиология человека /Под ред. А.Н. Крестникова. – М.: Медгиз, 1954. – 319 с.



В.Е. Мочулаев, Энергетический подход к проектированию технологических систем типа «человек – машина – предмет труда – источник энергии» // «Академия Тринитаризма», М., Эл № 77-6567, публ.15882, 11.04.2010

[Обсуждение на форуме «Публицистика»]

В начало документа

© Академия Тринитаризма
info@trinitas.ru