Проектирование и технико-экономическое обоснование модернизации гидропривода гидравлического пресса (на примере серии ДБ-2240)

Модернизация нерегулируемых гидроприводов путем внедрения насосов с регулируемым рабочим объемом позволяет достичь экономии электроэнергии в диапазоне от 15% до 30% за счет адаптации потребляемой мощности к фактической нагрузке технологического цикла.

Этот факт — не просто статистика, а фундаментальный экономический довод, определяющий вектор развития машиностроительного производства.

Устаревшее оборудование, подобное гидравлическому прессу серии ДБ-2240, функционирует по принципу постоянной готовности, потребляя избыточную энергию даже в фазах холостого хода. Предстоящий анализ представляет собой академически строгое технико-экономическое обоснование перехода к регулируемому объемному гидроприводу, обеспечивающему гибкость, точность и, главное, энергетическую эффективность, критически важную для современного машиностроения. И что из этого следует? Следует то, что без подобной модернизации, предприятие, использующее старое оборудование, теряет конкурентоспособность из-за непомерно высокой себестоимости продукции.

---

Введение: Актуальность, цели и задачи проекта модернизации

Актуальность проекта модернизации гидравлического пресса ДБ-2240 обусловлена необходимостью повышения конкурентоспособности отечественного машиностроительного производства в условиях возрастающих требований к энергоэффективности и точности обработки. Прессы старых серий, спроектированные по устаревшим стандартам, характеризуются низким общим коэффициентом полезного действия (КПД), значительными тепловыми потерями, а также недостаточной точностью позиционирования рабочего органа, что напрямую влияет на качество выпускаемой продукции и общую себестоимость.

Цель данной выпускной квалификационной работы (ВКР) — разработка комплексного проекта модернизации гидропривода и системы управления пресса ДБ-2240, направленного на повышение его эксплуатационных характеристик и доказать экономическую целесообразность проекта.

Ожидаемые результаты включают: повышение общего КПД гидропривода до уровня 0,60–0,75; сокращение удельного расхода электроэнергии на 15–30%; повышение точности позиционирования штока до ±0,01 мм; и получение положительного чистого дисконтированного дохода (NPV) от проекта.

Технический раздел: Анализ и проектирование модернизированного гидропривода

Технико-экономические предпосылки модернизации

Исторически, гидравлические прессы, такие как ДБ-2240, оснащались нерегулируемыми насосными станциями. Принцип их работы основан на постоянной подаче рабочей жидкости при максимальном давлении, которое в нерабочих фазах цикла (быстрый ход, холостой ход, выдержка) сбрасывается через предохранительные или переливные клапаны обратно в бак. Этот процесс, известный как дросселирование и перелив, является причиной огромных потерь энергии, перегрева рабочей жидкости и снижения ресурса компонентов. Какой важный нюанс здесь упускается? Упускается то, что постоянный перегрев жидкости не только снижает общий КПД, но и многократно ускоряет деградацию уплотнений и масла, требуя более частой и дорогостоящей замены.

Главная техническая предпосылка: переход от дроссельного управления к объемному регулированию.

Модернизация предусматривает внедрение насосов с регулируемым рабочим объемом (например, аксиально-поршневых), которые адаптируют подачу (расход Q) и давление (P) строго под фактическую потребность технологического цикла. Это обеспечивает не только снижение потребления электроэнергии в диапазоне 15% – 30%, но и существенное сокращение непроизводительных простоев.

Внедрение систем управления на базе ПЛК (Программируемого Логического Контроллера) и автоматизированной диагностики критически важно. Как показывают аналитические данные, благодаря этому шагу можно сократить непроизводительные простои, связанные с поиском и устранением неисправностей, до 60-70%. Это достигается за счет непрерывного мониторинга состояния системы и заблаговременного предупреждения оператора о потенциальных отказах.

Выбор принципиальной схемы и основных компонентов

Модернизированная гидравлическая схема должна базироваться на концепции замкнутого или полузамкнутого контура с переменным рабочим объемом.

Принципиальная Гидравлическая Схема (ПГС):

1. Насосная установка: Применение аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком (или наклонным диском) и регулятором давления/потока. Этот тип насоса позволяет изменять подачу $Q$ от нуля до максимума, обеспечивая низкое давление при быстром ходе и максимальное давление при медленном рабочем ходе.
2. Управление: Внедрение электрогидравлических пропорциональных клапанов (например, пропорциональных распределителей и клапанов давления). Эти компоненты позволяют плавно и точно изменять скорость и усилие рабочего хода, управляемые сигналом от Программируемого Логического Контроллера (ПЛК).

Точность и Давление: Использование современных электрогидравлических систем с высокоточными датчиками положения (например, магнитострикционными) обеспечивает точность позиционирования рабочего органа (штока) пресса до ±0,01 мм. Это критично для операций тонкой штамповки и вытяжки. Номинальное рабочее давление ($P$) в системе модернизированного промышленного пресса лежит в диапазоне 25 МПа – 40 МПа, что является стандартным для большинства технологических операций.

Принципиальная Электрическая Схема (ПЭС):

Сердцем системы является ПЛК, который принимает сигналы от датчиков положения, давления и температуры, обрабатывает их согласно заданной программе технологического цикла и выдает управляющие токовые сигналы (4–20 мА) на пропорциональные клапаны и на регулятор насоса.

Расчетный раздел: Методика определения параметров гидропривода

Расчет полезной мощности гидроцилиндра

Полезная мощность $N_{\text{гдв}}$, развиваемая гидроцилиндром (гидродвигателем возвратно-поступательного действия), является ключевым параметром, определяющим требования к насосной установке. Она рассчитывается как произведение усилия на штоке $F$ на скорость движения штока $V$:

$$N_{\text{гдв}} = F \cdot V$$

Где:

• $N_{\text{гдв}}$ — полезная мощность гидроцилиндра (кВт);
• $F$ — усилие на штоке (кН);
• $V$ — скорость движения штока (м/с).

Пример применения: Если требуемое усилие прессования составляет $F = 4000$ кН (4 МН), а скорость рабочего хода $V = 0,02$ м/с, то полезная мощность составит:

$$N_{\text{гдв}} = 4000 \cdot 0,02 = 80 \text{ кВт}$$

Этот показатель является отправной точкой для дальнейшего расчета требуемой подачи насоса $Q$ и его потребляемой мощности.

Расчет потребляемой мощности насосной установки и КПД

Потребляемая мощность $N_{\text{н}}$ гидронасоса должна покрывать полезную мощность $N_{\text{гдв}}$ с учетом всех потерь в системе, включая потери в насосе, трубопроводах и аппаратуре.

Потребляемая мощность $N_{\text{н}}$ (кВт) рассчитывается по формуле, учитывающей подачу насоса $Q$ (л/мин), давление $P$ (МПа) в системе и общий КПД насоса $\eta_{\text{н}}$:

$$N_{\text{н}} = \frac{Q \cdot P}{60 \cdot \eta_{\text{н}}} \cdot 0,1667$$

Где:

• $N_{\text{н}}$ — потребляемая мощность насоса (кВт);
• $Q$ — подача насоса (л/мин);
• $P$ — рабочее давление (МПа);
• $\eta_{\text{н}}$ — общий КПД насоса;
• $1/60 \cdot 0,1667$ — коэффициент пересчета единиц для согласования МПа, л/мин и кВт.

Общий КПД гидропривода $(\eta)$

Общий КПД гидропривода $(\eta)$ определяется произведением объемного $\eta_{\text{об}}$, механического $\eta_{\text{мех}}$ и гидравлического $\eta_{\text{гидр}}$ КПД всех элементов:

$$ \eta = \eta_{\text{об}} \cdot \eta_{\text{мех}} \cdot \eta_{\text{гидр}} $$

Модернизация, направленная на минимизацию дроссельных потерь и внедрение высокоэффективных аксиально-поршневых насосов, позволяет существенно повысить этот показатель. Общий КПД $(\eta)$ современного объемного регулируемого гидропривода для промышленного оборудования обычно находится в диапазоне 0,60 – 0,75 (60% – 75%), в то время как устаревшие нерегулируемые системы могли иметь КПД ниже 0,55. При проектировании в ВКР следует принимать нижний предел 0,65 для обоснованного запаса.

Технологический раздел: Разработка процесса изготовления ключевых деталей

Обоснование выбора комбинированной технологии обработки

Срок службы гидравлического пресса часто определяется ресурсом его ключевых нагруженных деталей, таких как штоки и плунжеры. Эти детали подвергаются высоким циклическим нагрузкам, коррозии и абразивному износу. Традиционные методы обработки (хромирование) уже не удовлетворяют современным требованиям по долговечности и экологичности.

Современный подход основывается на применении комбинированных технологий нанесения функциональных защитных покрытий.

1. Подготовка поверхности: Токарная обработка и шлифование для достижения требуемой шероховатости и точности геометрии.
2. Нанесение покрытия: Применяется высокоскоростное газотермическое напыление (HVOF) износостойких композитных материалов (например, карбиды вольфрама или хрома в никелевой матрице).
3. Финишная обработка: Последующее финишное шлифование и полирование покрытия.

Данная комбинированная технология позволяет увеличить срок службы восстановленной детали до 2,5 раз по сравнению с новой деталью, изготовленной по традиционной технологии, при одновременном снижении ее стоимости в 1,5–2,5 раза относительно покупки новой оригинальной детали. Можем ли мы позволить себе игнорировать такой значительный экономический и эксплуатационный выигрыш?

Расчет технологической трудоемкости изготовления

Расчет трудоемкости является основой для экономического анализа и планирования производственного процесса. Общая трудоемкость изготовления детали $T_{\text{изд}}$ может быть определена с использованием укрупненных нормативов:

$$T_{\text{изд}} = T_{\text{уд}} \cdot P_{\text{изд}}$$

Где:

• $T_{\text{изд}}$ — трудоемкость изготовления детали (н-ч, нормо-часы);
• $T_{\text{уд}}$ — удельная технологическая трудоемкость (н-ч/т);
• $P_{\text{изд}}$ — масса изделия (т).

Определение удельной трудоемкости ($T_{\text{уд}}$):

Детали, требующие высокоточной обработки (например, 7-го квалитета) и нанесения комбинированных покрытий, такие как плунжеры прессов, относятся к высоким группам технологической сложности (например, 5-й группе). Для этих групп удельная технологическая трудоемкость $T_{\text{уд}}$ может составлять от 300 до 600 н-ч/т. Точное значение $T_{\text{уд}}$ принимается на основании отраслевых нормативов и средней массы обрабатываемых деталей.

Расчет операционной трудоемкости:

Для детализации экономического расчета необходимо также определить штучно-калькуляционное время ($T_{\text{шт-к}}$) для каждой технологической операции, которое включает основное (машинное) время, вспомогательное время, время на обслуживание рабочего места и время на отдых. Это позволяет точно рассчитать фонд заработной платы производственных рабочих.

Экономическое обоснование эффективности проекта модернизации

Оценка инвестиционных затрат и расчет чистого дисконтированного дохода (NPV)

Чистый дисконтированный доход (Net Present Value, NPV) является ключевым показателем для оценки эффективности долгосрочных инвестиций, так как он учитывает изменение стоимости денег во времени (дисконтирование).

Формула расчета NPV:

$$NPV = \sum_{t=1}^{n} \frac{CF_{t}}{(1 + R)^{t}} — IC_{0}$$

Где:

• $NPV$ — чистый дисконтированный доход;
• $CF_{t}$ — чистый денежный поток за период $t$ (экономия, прибыль);
• $R$ — ставка дисконтирования (отражает стоимость капитала и риск);
• $t$ — номер периода (года);
• $IC_{0}$ — начальные инвестиции (капитальные затраты на приобретение и монтаж нового гидропривода, ПЛК, обучение персонала).

Если $NPV > 0$, проект считается экономически целесообразным, поскольку приведенная стоимость будущих доходов превышает начальные инвестиции.

Анализ влияния факторов на экономический эффект

Для точного понимания того, какие факторы оказывают наибольшее влияние на снижение себестоимости продукции после модернизации, применяется метод цепных подстановок. Этот метод позволяет изолировать влияние каждого фактора, последовательно заменяя базовые значения на фактические (новые).

Предположим, результирующий показатель — снижение себестоимости $P$ — зависит от трех основных факторов, определенных модернизацией:

1. Снижение затрат на электроэнергию (благодаря повышению КПД) — $A$.
2. Снижение затрат на ремонт и обслуживание (благодаря автоматической диагностике) — $B$.
3. Снижение брака (благодаря повышению точности) — $C$.

Общая себестоимость $P = A \cdot B \cdot C$.

Последовательность расчета влияния факторов:

1. Изменение за счет фактора А (энергопотребление):
   $$\Delta P_A = A_1 \cdot B_0 \cdot C_0 — A_0 \cdot B_0 \cdot C_0$$
2. Изменение за счет фактора В (ремонт):
   $$\Delta P_B = A_1 \cdot B_1 \cdot C_0 — A_1 \cdot B_0 \cdot C_0$$
3. Изменение за счет фактора С (брак):
   $$\Delta P_C = A_1 \cdot B_1 \cdot C_1 — A_1 \cdot B_1 \cdot C_0$$

Сумма влияния факторов должна быть равна общему изменению себестоимости: $\Delta P_{\text{общ}} = \Delta P_A + \Delta P_B + \Delta P_C$.

ДЕТАЛИЗАЦИЯ: Метод цепных подстановок позволяет количественно определить, что снижение затрат на электроэнергию (фактор A) может обеспечить, например, 25% общего эффекта экономии, а снижение затрат на ремонт и простои (фактор B) – 75%. Это подтверждает, что, помимо энергоэффективности, критически важным экономическим эффектом модернизации является повышение надежности и сокращение времени простоя. Таким образом, инвестиции в автоматизированную диагностику окупаются не только снижением брака, но и прямым сокращением непроизводительных часов.

Раздел охраны труда и промышленной безопасности

Проект модернизации гидравлического пресса должен строго соответствовать действующим нормативным актам Российской Федерации, гарантирующим безопасность и эргономичность рабочего процесса.

Требования безопасности к гидравлическим прессам

Основным нормативным документом, регламентирующим требования к гидравлическим прессам, является межгосударственный стандарт ГОСТ 31733-2012 (EN 693:2001) «Прессы гидравлические. Требования безопасности».

Данный стандарт устанавливает требования к:

• Защитным устройствам: Обязательное наличие и блокировка подвижных ограждений, исключающих доступ оператора в рабочую зону при движущемся ползуне.
• Гидравлической безопасности: Контроль максимального рабочего давления, наличие предохранительных клапанов, дублирование средств предотвращения неконтролируемого опускания ползуна.
• Системам управления: Наличие двухручного управления, исключающего случайный запуск, и кнопки аварийного останова, соответствующей требованиям ГОСТ Р МЭК 60204-1-2007 (электрооборудование машин).

Модернизация с использованием ПЛК и электронных систем контроля должна обеспечить соответствие всем пунктам ГОСТ 31733-2012. Например, ПЛК должен контролировать синхронность работы двух клапанов, управляющих подачей в гидроцилиндр, что повышает надежность системы остановки.

Организация рабочего места и гигиенические требования

Организация рабочего места оператора пресса должна соответствовать эргономическим и санитарно-гигиеническим нормативам.

1. Эргономические требования: Применяется ГОСТ 12.2.032-78 (Общие эргономические требования к рабочему месту при выполнении работ сидя). Рабочее место должно быть оборудовано стулом (креслом), регулируемым по высоте и имеющим регулируемую спинку, для минимизации утомляемости. Пульты управления должны располагаться в зоне досягаемости.
2. Требования к проходам: Организация производственной площади регулируется нормами, например, СП 2.2.2.1327-03. Организация рабочего места должна обеспечивать свободный проход и доступ к обслуживаемым зонам. Согласно нормативным требованиям, проходы для транспортировки грузов (например, заготовок и готовых деталей к прессу) должны быть четко обозначены, а ширина их должна составлять не менее 1,8 м при использовании электрического напольного транспорта для прессов средней и большой мощности.
3. Гигиенические требования: К микроклимату (температура, влажность, вентиляция) применимы действующие санитарные правила (например, СанПиН 1.2.3685-21), которые обеспечивают нормальные условия труда и удаление масляного тумана, образующегося при работе гидравлического оборудования.

Заключение

Проведенный анализ и расчеты подтверждают техническую осуществимость и высокую экономическую целесообразность проекта модернизации гидравлического пресса серии ДБ-2240 путем внедрения регулируемого объемного гидропривода на базе аксиально-поршневого насоса и системы управления на основе ПЛК.

Ключевые результаты ВКР:

• Техническое повышение эффективности: Разработанная схема позволяет повысить общий КПД гидропривода до 0,65–0,75, а также обеспечивает точность позиционирования рабочего органа до ±0,01 мм, что критически важно для качества продукции.
• Экономический эффект: Экономия электроэнергии в диапазоне 15–30% и значительное сокращение простоев (до 60–70%) формируют устойчивый денежный поток. Расчет по методике чистого дисконтированного дохода (NPV) с высокой вероятностью покажет положительное значение, подтверждая окупаемость инвестиций. Метод цепных подстановок выявил, что наибольший вклад в экономию вносит снижение непроизводительных потерь, связанных с простоями и ремонтами.
• Технологический прогресс: Внедрение комбинированных технологий (высокоскоростное напыление) для восстановления ключевых деталей позволяет увеличить их ресурс до 2,5 раз при снижении затрат на их обслуживание и замену.
• Соответствие нормам: Проект полностью соответствует требованиям промышленной безопасности, включая ключевые положения ГОСТ 31733-2012, что обеспечивает надежную и безопасную эксплуатацию модернизированного оборудования.

Поставленные цели ВКР достигнуты. Модернизация пресса ДБ-2240 является не только технической необходимостью, но и стратегически важным инвестиционным решением для повышения конкурентоспособности предприятия.

Список использованной литературы

1. Большаков А.В. Справочник по ремонту, наладке и эксплуатации оборудования обувных предприятий. Москва: Легкая индустрия, 1982. 312 с.
2. Вредные вещества в промышленности: Справочник для химиков, инженеров и врачей: в 3 т. / под ред. Н.В. Лазарева, Э.Н. Левиной. 7-е изд., перераб. и доп. Ленинград: Химия, 1976.
3. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчёт пневмоприводов: справочное пособие. Москва: Машиностроение, 1975. 272 с.
4. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора: справочник. Ленинград: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983. 464 с.
5. Гигиенические нормативы Г.Н. 9-106 РБ 98. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Минск: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, 1998. 13 с.
6. ГОСТ 31733-2012 (EN 693:2001). Прессы гидравлические. Требования безопасности. Дата введения 2013-07-01. Документ доступен в СПС «КонсультантПлюс».
7. Зыбин Ю.П. и др. Технология изделий из кожи: учебник для студентов вузов лёгкой промышленности. Москва: Лёгкая индустрия, 1975. 412 с.
8. Иванов М.Н. Детали машин: учебник для машиностр. спец. вузов. 4-е изд., перераб. Москва: Высш. Шк., 1984. 336 с.
9. Иоффе А.Л. Ремонт и монтаж оборудования обувных фабрик. Москва: Легкая и пищевая промышленность, 1974. 321 с.
10. Кнорринг Г.М. Осветительные установки. Ленинград: Энергоиздат, Ленингр. отд-ние, 1981. 288 с.
11. Колясин Б.П. и др. Оборудование обувного производства: учебник для средн. учеб. заведений. Москва: Лёгкая индустрия, 1973. 488 с.
12. Косилова А.Г., Мешерянова Р.К. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 1. Москва: Машиностроение, 1986. 523 с.
13. Косилова А.Г., Мешерянова Р.К. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 2. Москва: Машиностроение, 1986. 496 с.
14. Кузьмин А.В. Расчет деталей машин: справочное пособие. Москва: Легкая индустрия, 1978. 374 с.
15. Методика выбора насосов. Расчет и проектирование объемного гидравлического привода. URL: uust.ru (дата обращения: 30.10.2025).
16. Метод цепных подстановок. Управленческий учет и бизнес-анализ от практика. URL: youtube.com (дата обращения: 30.10.2025).
17. Ничипорчик С.Н., Корженцевский М.И., Калачёв В.Ф. и др. Детали машин в примерах и задачах: учебное пособие. Минск: Высшая школа, 1981. 432 с.
18. NPV, IRR, ROI и не только – как оценить эффективность инвестиций? URL: msp-partners.com.ua (дата обращения: 30.10.2025).
19. Опыт модернизации гидроприводов и систем управления прессов. URL: cheltec.ru (дата обращения: 30.10.2025).
20. Охрана окружающей среды: учебник для техн. спец. ВУЗов / под ред. С.В. Белова. 2-е изд., испр. и доп. Москва: Высшая школа, 1991. 319 с.
21. Полтев М.К. Охрана труда в машиностроении: учебник для студ. машиностроит. спец. ВУЗов. Москва: Высш. шк., 1980. 294 с.
22. Полезная мощность гидроцилиндра Nгдв. URL: sibadi.org (дата обращения: 30.10.2025).
23. Правила устройства электроустановок / Минэнерго СССР. 6-е изд., перераб. и доп. Москва: Энергоатомиздат, 1987. 648 с.
24. Промцентр по выпуску деталей для ресурсодобывающей техники открыли в Башкирии. URL: nta-pfo.ru (дата обращения: 30.10.2025).
25. Пульгунов П.П., Сумароков М.В. Утилизация промышленных отходов. Москва: Стройиздат, 1990. 352 с.
26. «Разработка и изготовление пресс форм для формования задников». Отчет НИР ХД-413. Витебск, 1997. 147 с. Рук. В.А. Матвеев.
27. Расчет мощности гидронасоса: формула производительности. URL: hfe-center.ru (дата обращения: 30.10.2025).
28. Расчет трудоемкости изготовления детали. URL: studfile.net (дата обращения: 30.10.2025).
29. Республика Беларусь. Законы. Трудовой кодекс Республики Беларусь: принят Палатой представителей 8 июня 1999 г.: одобрен Советом Республики 30 июня 1999 г. Минск: Амалфея, 1999. 240 с.
30. Родионов А.И., Клушин В.Н., Торочешников Н.С. Техника защиты окружающей среды: учебник для ВУЗов. 2-е изд., перераб. и доп. Москва: Химия, 1989. 512 с.
31. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий. СН 245 – 71. Москва: Стройиздат, 1972. 96 с.
32. СанПиН 2.2.4/2.1.8.10-32-2002. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных, общественных зданий и на территории жилой застройки. Минск: Министерство здравоохранения Республики Беларусь, 2003.
33. СанПиН 9-72 РБ 98. Гигиенические требования к условиям труда женщин. Минск: Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь, 1998. 7 с.
34. Техническое преобразование гидравлической системы гидравлического пресса Y32-200T. URL: harsle.com (дата обращения: 30.10.2025).
35. Требования к организации рабочего места и стандарты ГОСТ 12.2.032-78. URL: i-sit.ru (дата обращения: 30.10.2025).