Технико-экономическое обоснование выбора проектного решения

Ниже приводятся две главы из книги – Глебов И.Т., Глухих В.В., Назаров И.В. Научно-техническое творчество: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т., 2002.– 264 с.

Глебов Иван Тихонович

Технико-экономическое обоснование  выбора проектного решения 19. Эффективность проектных решений 19.1. Основные технико-экономические параметры

Все параметры технического объекта можно поделить на две группы по зависимости их от окружающей среды.

Параметры первой группы называют показателями технического уровня. К ним относят показатели массовые, геометрические, компоновочные. Они не зависят от окружающей среды.

Параметры второй группы называют квалиметрическими (квалитет – качество) или основными характеристиками. К ним относят показатели производительности, долговечности, надежности, эксплуатабельности, управляемости, стоимости и др. Эти показатели зависят от окружающей среды [43].

Основными показателями, которые характеризуют процесс разработки и эксплуатации технического объекта, являются время, стоимость и надежность (рис. 33).Эти показатели тесно связаны между собой. Развитие процессов идет по спирали.

Прогнозируя технические решения, следует иметь в виду, что их сложность непрерывно возрастает, и поэтому время, необходимое на их разработку, тоже увеличивается. Кроме того, растет время на изготовление и наладку технических объектов.

Усложнение технических объектов приводит к росту затрат общества на их разработку и эксплуатацию. Чем больше новизна разрабатываемого технического решения, тем выше затраты общества на его разработку и промышленное освоение. Особенно возрастает стоимость ремонта и обслуживания. Например, стоимость изготовления трактора ДТ-75 меньше стоимости его ремонта за срок службы 8…9 лет в 2,5 раза.

Для уменьшения расходов на эксплуатацию необходимо повысить надежность технического объекта в период его использования. Связь показателей “время – стоимость – надежность” может быть и обратно пропорциональной. Например, если разрабатывается технический объект с заданными показателями надежности в заданное время, то придется увеличить стоимость изготовления за счет увеличения трудовых ресурсов или использования дорогостоящих, но надежных, компонентов. Если нет возможности увеличить ресурсы на изготовление, то придется попуститься надежностью за счет увеличения срока разработки.

Эффективность использования технического решения определяют по формуле

,

где П – прирост прибыли;

З – прирост затрат.

Если Э < 3, то за рубежом, например, все работы по разработке нового технического решения прекращаются [13]

19.2. Критерии развития технических объектов 19.2.1. Классификация критериев

Критерии развития – это те параметры технического объекта, которые на протяжении длительного времени монотонно изменяются, приближаясь к своему пределу, и выступают мерой совершенства и прогрессивности.

Технические объекты совершенствуются в направлении улучшения критериев. Поскольку качество любой машины оценивается по нескольким критериям, то принцип прогрессивного развития заключается в улучшении одних и не ухудшении других критериев.

Схема классификации критериев развития приведена на рис. 34 [30].

Для оценки качества машин используют четыре группы критериев развития: функциональные, технологические, экономические и антропологические.

19.2.2. Функциональные критерии развития

Функциональные критерии развития характеризуют производительность, точность и надежность станков. Критерий производительности зависит от ряда параметров (скорость, частота вращения валов, количество шпинделей и т.п.), влияющих на производительность станка.

Точность изготовления изделий регулируется квалитетами.

Критерий надежности отражает свойство машины выполнять определенные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или необходимой наработки [13]. Надежность машины включает показатели безотказности, ремонтопригодности, сохраняемости, долговечности. Количественными критериями надежности служат вероятность безотказной работы, число отказов (или интенсивность отказов) и наработка на отказ.

19.2.3. Технологические критерии развития

Технологические критерии развития характеризуют возможность экономии живого труда при изготовлении и подготовке к эксплуатации машин.

Критерий трудоемкости изготовления машины находят как частное от деления суммарной трудоемкости А_ТС проектирования, изготовления и подготовки к эксплуатации изделия на главный показатель эффективности Q:

 К_т = А_тс/Q.

В качестве главного показателя эффективности машины можно принять установленную мощность приводов, кВт, или другой показатель.

Критерий технологических возможностей отражает простоту и принципиальную возможность изготовления машины. Характеризуется он коэффициентом технологических возможностей К_тв.

Значение коэффициента 0 £ К_тв £ 1, и чем он больше, тем больше сохраняются известные решения в машине, тем в большей степени используются покупные и унифицированные элементы, многократно проверенные в работе и изготовлении.

Конструктор часто стремится удовлетворить высокие требования к машине известными, традиционными структурами, используя конструктивные решения, уже отработанные на известных образцах. Такой подход требует минимума затрат времени и средств, но влечет за собой нежелательные последствия.

При излишнем увлечении преемственностью, заимствованием, унификацией, попыткой воспользоваться тем, что уже создано и опробовано, невозможно обеспечить требуемого роста уровня показателей машин, невозможно лидировать на мировом рынке. Спроектированные таким образом машины быстро морально стареют и через короткое время нуждаются в дополнительной модернизации.

Однако это не значит, что надо разрабатывать только новые машины. Как правило, желаемого результата можно достичь при комбинации известных решений с новыми структурными решениями, построенными на современных физических и технологических принципах.

Обычно в новые современные машины из ранее разработанных прототипов переносится в среднем до 50% конструктивных решений без переделок или с частичными изменениями. При этом высокие значения показателей преемственности достигаются в основном за счет второстепенных структурных элементов, переносимых из одного поколения машин в другое. Основные подсистемы при этом, как правило, создаются заново [43].

Критерий использования металлов К_им характеризует технологический процесс изготовления деталей машины и равен отношению массы машины G к массе израсходованных материалов Р (при этом покупные комплектующие элементы не учитываются): К_им = G/P .

Значение К_им в целом не превышает 0,55.

Критерий расчленения машины на элементы служит мерой оптимальности расчленения машины на узлы и детали с целью упрощения технологии разработки, доводки, изготовления, ремонта, модернизации, унификации и стандартизации.

Чем меньше в машине сборочных единиц и деталей, тем меньше ее масса, выше жесткость и надежность, меньше трудоемкость механической обработки и сборки.

Большее расчленение машины на сборочные единицы и детали тоже имеет свои преимущества. Большее расчленение машины с новыми элементами позволяет сократить время и трудоемкость разработки и доводки машины в целом. В процессе разработки и доводки нового станка экономичнее и проще устранять недостатки отдельных более простых узлов и деталей. Расширяются возможности унификации и стандартизации.

19.2.4. Экономические критерии развития

Критерий металлоемкости К_м равен отношению массы машины G_к к ее главному показателю эффективности Q (установленная мощность, кВт, максимальная ширина обработки, см, для фуговальных, рейсмусовых и других станков, производительность, шт./мин, м/мин и т.д.): К_м = G_к/Q.

Критерий энергоемкости К_э находится как отношение затраченной энергии при эксплуатации в единицу времени W к одному из показателей эффективности Q: Кэ = W/Q .

Критерий затрат на информационное обеспечение К_ио определяется как отношение затрат S на приобретение и эксплуатацию вычислительной техники, разработку программного или информационного обеспечения к одному из показателей эффективности Q: К_ио = S/Q.

Критерий габаритных размеров К_г равен отношению габаритных размеров машины V к ее эффективности Q : К_г = V/Q .

Чем меньше значение К_г , тем меньше машина занимает производственную площадь, тем меньше расход материалов на ее изготовление.

19.2.5. Антропологические критерии развития

Антропологические критерии развития обеспечивают максимальную приспособленность машины к человеку, снижение дискомфорта, повышение положительных эмоций.

Критерий эргономичности характеризует использование в системе человек-машина физических, психологических и интеллектуальных возможностей человека. Критерий равен отношению реализуемой эффективности системы человек–машина к максимально возможной эффективности этой системы.

Критерии красоты, безопасности и экологичности характеризуют внешний вид машины, ее безопасность и способность не причинять вреда окружающей среде.

19.2.6. Критерии для оценки деревообрабатывающих машин

Общее количество критериев, применяемых для оценки деревообрабатывающих машин, можно разделить на две группы: общие для всех случаев (глобальные) и критерии, характерные для частных случаев [44].

Из числа глобальных наиболее важными считают следующие:

– повышение уровня автоматизации основных технологических операций;

– повышение уровня механизации и автоматизации вспомогательных операций;

– повышение непрерывности процесса обработки;

– увеличение надежности работы станка;

– снижение уровня трудозатрат живого труда в изделии;

– снижение общей трудоемкости изделия;

– повышение уровня технологичности станка;

– снижение материалоемкости (металлоемкости) станка;

– достижение оптимального расчленения станка на части;

– снижение энергопотребления;

– уменьшение габаритов станка;

– улучшение условий эксплуатации и обслуживания станка;

– повышение безопасности работы и обслуживания станка;

– улучшение внешнего вида (красоты) станка;

– повышение экологичности станка.

В качестве частных критериев, часто используемых при оценке станков и их узлов, назовем следующие:

– высокая скорость резания;

– широкий диапазон регулирования подачи;

– плавность регулирования подачи;

– точность и стабильность базирования;

– точность обработки;

– качество обработки;

– устойчивость к вибрациям;

– высокая износостойкость;

– защищенность от перегрузок;

– низкий уровень шума;

– отсутствие монотонности в работе оператора;

– легкость обслуживания;

– простота системы управления;

– отсутствие "капризных" механизмов, требующих частой наладки;

– простота и удобство наладки станка.

Для каждого конкретного случая проектирования технической системы конструктор подбирает перечень критериев развития из списка глобальных и частных критериев. Основой для выбора служат требования, предъявляемые к проектируемой системе. При этом уже на стадии выбора проектного решения конструктор стремится, чтобы система максимально удовлетворяла всем выбранным критериям.

Контрольные вопросы и задания

1.   Как называют параметры технического объекта, зависимые и независимые от окружающей среды?

2.   Что такое критерии развития?

3.   Приведите классификацию критериев развития.

4.   Как критерии развития учитывают преемственность технических объектов?

5.   Поясните сущность критерия расчленения технического объекта на элементы.

6.   Что учитывают эргономические критерии развития?

7.   Какие критерии называют общими и частными?

19.3. Оптимизация технических решений 19.3.1. Общие сведения

Для решения задачи оптимизации необходимо иметь множество возможных (альтернативных) решений Y (рис. 35). В этом множестве можно выделить множество допустимых решений Y_д. Решение называют допустимым, если оно удовлетворяет ограничениям (требованиям, предъявляемым к объекту): ресурсным, социальным и т.д. При этом

Y_д Í Y,

где символ Í означает, что множество Y_д есть часть или совпадает с множеством Y возможных решений. В множестве допустимых решений можно выделить множество эффективных решений Y_э, которое включает в себя несравнимые между собой наилучшие решения:

Y_э Í Y_д.

Решение Y_э называется оптимальным, если оно обеспечивает экстремум (максимум, минимум) одновременно всех критериев. Оптимальное решение находится в множестве эффективных решений:

Y_о Í Y_э.

Поскольку все критерии одновременно не могут принять экстремальные значения, то при решении многокритериальной задачи находят только рациональное решение.

Таким образом, задача оптимизации направлена на определение наилучшего (рационального) решения, путем последовательного сужения множеств Y, Y_д, Y_э в соответствии с допустимыми ограничениями и принятыми критериями [45, 46]:

Y_о Í Y_э Í Y_д Í Y.

Чем больше подобрано альтернативных вариантов, и чем более удачно подобраны критерии, тем больше вероятность того, что найденное решение будет самым лучшим.

В инженерной практике оптимизации можно отметить два правила:

–    получение желаемого эффекта при минимуме затрат;

–    получение максимального эффекта при использовании заданных ограниченных ресурсов.

Эти правила обрели значение экономических законов.

Субъектом всякого решения является лицо, принимающее решение (ЛПР). Это собирательное понятие, включающее как одно индивидуальное лицо, так и группу лиц (групповое ЛПР) [47].

ЛРП осуществляет выбор решения. Выбор – это ключевая процедура процесса оптимизации. Выбор может быть критериальный, волевой и случайный.

С помощью критериев решаются одно- и многокритериальные задачи. Выбор с помощью критериев – самый точный.

Волевой выбор решения представляет собой осознанный и ответственный выбор в условиях, когда отсутствует полный комплекс критериев.

Случайный выбор применяется при полном незнании критериев оценки. Им можно пользоваться, когда область допустимых решений минимальна.

19.3.2. Концепция принятия решений

Концепция принятия решений представляет собою систему взглядов, которая определяет общую направленность и методику принятия решений. Концепция включает следующие пункты [47].

1.   В задаче принятия решений ЛПР выполняет основную роль. Оно принимает решения на основе своих предпочтений и несет за них ответственность.

2.   Эксперты выполняют вспомогательную роль. Они несут ответственность только за свои рекомендации.

3.   Измерение качества решений осуществляется на основе формирования альтернативных вариантов и их сравнительной оценки. Для оценки нужны альтернативные варианты, хотя бы два. Сравнительная оценка решений является единственным способом измерения предпочтительности в условиях отсутствия эталонов.