Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Количественные критерии жизненного цикла изделия машиностроения

Количественные критерии жизненного цикла изделия машиностроения

Приведены результаты анализа критериев, позволяющих на базе информации о параметрах жизненного цикла осуществлять сравнение и селекцию вариантов конструкций изделий машиностроения и предварительно оценивать их конкурентоспособность. Дано формальное представление тривиальных условий сравнения технологичности конструкций изделий.

Одним из базовых понятий, используемых в международных стандартах серии ИСО 9000, является понятие "жизненного цикла изделия" (ЖЦИ). Стандартами определены основные этапы (стадии) ЖЦИ, на каждом из которых решают соответствующие задачи, связанные с обеспечением качества изделия при его производстве и эксплуатации (рис. 1). Для отдельных этапов и ЖЦИ в целом могут быть определены количественные характеристики, применимые как критерии для сравнения изделий одного и того же функционального назначения.

Длительность одних производственных этапов ЖЦИ зависит от объема выпуска изделий, длительность других от объема выпуска не зависит. Длительность ЖЦИ, приведенная к единице произведенной и эксплуатирующейся продукции Tжци(1) может быть определена по формуле

Tжци(1)=(TмTрпTмтоTпп)/N+ TпTкиTухTррTмэTтоTу, (1)

где Ti - длительность этапа ЖЦИ (индекс i каждого этапа см. на рис. 1); N- объем выпуска изделий. Этап монтажа и эксплуатации включает две составляющие - собственно монтаж (м) и эксплуатацию (э):

Tмэ=Tм+Tэ, (2)

При этом желательно, чтобы Тm - min, а Тэ - max или для ресурсных машин

Рис.1. Схема взаимодействия основных этапов ЖЦИ ("петля качества")

Tэ≥[Tэ], (3)

где [Тэ] - временной ресурс машины при заданных условиях эксплуатации. Эффективность ЖЦИ по длительности (ЕЖЦИT) может быть оценена как

ETжци= Tэ/Tжци(1), (4)

Очевидно, что для изделий неограничиваемого ресурса, при N стремящемся к бесконечности

Tэ>>∑Ti, i≡э,

поэтому значение ЕЖЦИT практически всегда будет близким к единице, что делает этот критерий недостаточно чувствительным и информативным при сравнении изделий. Для изделий однократного применения Тэ --> О и ЕTжци -->0. Для изделий ограниченного ресурса, выпускаемых в условиях единичного, серийного типов производств, в особенности сложных и наукоемких:

ETжци=[Tэ] /Tжци(1); 0>ETжци <1. (5)

При сравнении изделий по этому частному критерию лучшим будет то, у которого значение ЕTЖЦИ больше.

Оценку затрат на каждом этапе и в ЖЦИ в целом целесообразно выполнять в расчете на единицу произведенной и эксплуатирующейся продукции. Справедливы соотношения:

Зм=CмTм;

Зрп=CрпTрп;

Змто=CмтоTмто+SресN;

Зпп=CппTпп;

Зп=CпTпN;

Зки=CкиTкиN, (6);

Зух=CухTухN;

Зрр=CррTррN;

Змэ=CмэTмэN;

Зто=CтоTтоN;

Зут=CуTуN;

где 3э- затраты на выполнение этапа ЖЦИ в соответствии с индексацией рис. 1; Ct - удельные затраты для каждого этапа ЖЦИ (имеют разную размерность); S -затраты на приобретение материальных ресурсов, необходимых для выпуска единицы продукции. Суммарные затраты ЖЦИ, приведенные к единице произведенной и эксплуатирующейся продукции

Зжци(1)=(СмТмрпТрп+ СмтоТмтоппТпп)/N+Sрес+ СпТпкиТкиухТух+ СррТррмэТмэтоТто+ СуТу, (7)

Распространенным является мнение о том, что наиболее желательным направлением изменения значения ЗTЖЦИ(1) является его минимизация. Это выполняется для всех этапов, исключая этап эксплуатации, так как справедливо выражение (3). В целом, при необходимости минимизации затрат на эксплуатацию изделия и стремлении обеспечить Тэ - max необходимо существенное уменьшение удельных эксплуатационных затрат (Сэ - min). При этом следует помнить, что последние в значительной мере зависят от значения Тэ:

В период нормальной эксплуатации машины (соответствующий периоду нормального изнашивания наиболее напряженных и ответственных ее элементов) значение Сэ существенно меньше значений, характерных для завершения указанного периода и начала периода катастрофического изнашивания (резкого роста интенсивности отказов).

Эффективность ЖЦИ по затратам (Езжци)

Eзжциэжци(1), (8)

Очевидно, что ЕзЖЦИ --> 1. При макроанализе ЖЦИ удобно представить 3жци(1) в форме

Зжци(1)эи, (9)

где Зэ - затраты на эксплуатацию изделия; Зи - затраты на изготовление единицы изделия. В каждое из значений Зэ и Зи включены значения затрат ряда соответствую-щих этапов ЖЦИ, приведенные к единице изделия. На рис. 2 графически показано изменение значений Зэ, Зи и ЗTЖЦИ(1) в зависимости от изменения уровня качества изделия, который может характеризоваться, например, предельной точностью основных функциональных сопряжений деталей машины. Рост уровня качества изделия сопровождается (например, при фиксированном времени эксплуатации) уменьшением эксплуатационных затрат и увеличением затрат на изготовление машины.

Рис. 2. Зависимость суммарных затрат ЖЦИ (ЗЖЦИ(1), затрат на изготовление (Зи) и эксплуатацию (Зэ) от уровня качества изделия)

График изменения суммарных затрат ЗTЖЦИ(1)имеет явно выраженный экстремальный характер. Зона минимальных значений ЗTЖЦИ(1) на рис. 2 заштрихована и соответствует оптимальному уровню качества изделия. Рост или уменьшение уровня качества изделия неизбежно приведет к увеличению суммарных затрат ЖЦИ. Изделие уровня качества, отвечающего зоне оптимума (см. рис. 2), вероятно, будет конкурентоспособным на рынке машин тождественного функционального назначения. Изменение затрат, соответствующее рис. 2, отвечает фиксированной конструктивной схеме изделия.

При стремлении минимизировать затраты на эксплуатацию изделия трудно объяснить желательное направление изменения значенияЕзЖЦИ . Критерий (8) становится не вполне определенным.

В общепринятом определении технологичности конструкции изделия [1] указывается на необходимость минимизации (оптимизации) затрат по всему ЖЦИ, однако это входит в противоречие со стремлением увеличить временной ресурс машины. Существующее определение технологичности не учитывает полезный эффект от эксплуатации машины, хотя ясно, что для машин различных конструкций он может быть различным даже при близости суммарных затрат ЖЦИ. Указанные недостатки снижают определенность понятия "технологичность конструкции изделия" и ограничивают его применимость при сравнении последних.

При сравнении вариантов изделий одного и того же функционального назначения и соблюдении других известных условий сравнимости информативным является критерий удельных затрат по всем этапам ЖЦИ (СЗжци):

Сжци=(Cм+Cрп+Cмто+Cпп)/N+ Cп+Cки+Cух+Cрр+Cмэ+ Cто+Cу, (10)

Желательно, чтобы СЖЦИ --> min.

Любое изделие машиностроения создают и изготовляют с целью получения полезного эффекта при его эксплуатации. В зависимости от назначения изделия (машины) полезный эффект за ЖЦИ (бжци) может быть выражен в различных единицах и сравнительно просто определяется в результате статистической обработки данных о загрузке машины в период эксплуатации. При сравнении изделий эффективными являются критерии вида "полезный эффект/затраты":

Kи=Qжцижци(1)= Qжци/(Зэи), (11)

Более совершенному и конкурентоспособному изделию соответствует большее значение Ки. На рис. 3 показано изменение значений Ки в зависимости от изменения значений переменных правой части выражения (11). Гиперболы 1 и 2 соответствуют различным значениям Q1жци и Q2жци (Q1жци< Q2жци). Изделия И1и И2, соответствующие отмеченным на графиках точкам, для которых Кк1 = Ки2, следует считать изделиями одного уровня конкурентоспособности, несмотря на различие в полезном эффекте и суммарных затратах ЖЦИ. Изделие И1 более предпочтительно, чем И3, так как при равенстве полезных эффектов З1ЖЦИ(1)3ЖЦИ(1) . Изделие И2 предпочтительнее И3 по существенному различию полезных эффектов при равенстве суммарных затрат ЖЦИ.

Конкурентоспособность изделия (Kc) может быть более точно оценена по формуле, являющейся следствием из формулы (11):

Kс=Qжци/(Зэи), (12)

где Ци - цена изделия. Из (12) вытекает крайне важный вывод, часто игнорируемый отечественными производителями машин: конкурентоспособность изделия при повышении цены может быть обеспечена лишь при соответствующем уменьшении эксплуатационных затрат или увеличении полезного эффекта за время ЖЦИ.

Рис. 3. Зависимости критерия "полезный эффект/затраты" (Ки) от соотношений полезного эффекта (QЖЦИ) и суммарных затрат ЖЦИ (ЗЖЦИ(1))

Представленные рассуждения позволяют уточнить и конкретизировать существующее недостаточно формальное понятие "технологичность конструкции". При сравнении вариантов А и В конструкции изделия более технологичному варианту (пусть А) отвечает система условий:

То же может быть представлено в форме

Приведенные соотношения можно считать формальным представлением тривиальных условий сравнения технологичности конструкций изделий. При нарушении хотя бы одного из неравенств в (13) или (14) результат сравнения технологичности конструкций уже не является очевидным и тривиальным. При определении варианта более технологичной конструкции изделия необходимо использование аппарата многокритериального выбора [2].

Универсальность и рекомендуемая область применения каждого из критериев ЖЦИ различны (табл. 1). Использование приведенных критериев позволяет на базе имеющейся информации о параметрах жизненного цикла осуществлять объективное сравнение и селекцию вариантов конструкций изделий и предварительно оценивать их конкурентоспособность. Формальный характер критериев позволяет их применение при разработке методического обеспечения автоматизированных систем поддержки решений, принимаемых и реализующихся в ЖЦИ.

Материалы статьи отражают результаты исследований, выполненных авторами по программе "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", финансируемой Министерством образования РФ.


1. Основные критерии ЖЦИ машиностроения
Наименование критерия Обозначение Формула определения Желательное направление изменения Указания по применению
Длительность каждого этапа ЖЦИ в отдельности Тжци(1) (1) Для всех этапов, кроме этапа эксплуатации - min; для этапа эксплуатации - max Частная оценка этапов. Выбор более долговечного изделия
Длительность ЖЦИ, приведенная к единице произведенной и эксплуатирующейся продукции Тжци(1) (1) Не определено Не рекомендуется для применения. Могут сравниваться отдельно суммарные длительности минимизируемых этапов и длительности времени эксплуатации
Эффективность ЖЦИ по длительности ЕжциT (4) Значение, равное единице Для изделий неограниченного ресурса не рекомендуется для применения
(5) Применим для изделий ограниченного ресурса при единичном, серийном типах производств
Затраты на каждом этапе ЖЦИ, приведенные к единице произведенной и эксплуатирующейся продукции Зi (6) Для всех этапов, кроме этапа эксплуатации - min; для этапа эксплуатации при неуказанном сроке эксплуатации - не определено Частная оценка этапов. Предварительный выбор более дешевого в производстве и монтаже изделия
Суммарные затраты ЖЦИ, приведенные к единице произведенной и эксплуатирующейся продукции Зжци(1) (7) Не определено, если не ограничена длительность эксплуатации. Минимизация, если длительность эксплуатации ограничена Не рекомендуется для применения. Частный критерий для оценки технологичности конструкции изделия
Эффективность ЖЦИ по затратам Eжциз (8) Значение, равное единице Универсальный критерий при обязательной сравнимости условий применения, прежде всего, длительности эксплуатации
Удельные затраты по всем этапам ЖЦИ Сжци (10) Минимизация Сравнение вариантов конструкций изделий одного и того же функционального назначения (частный критерий для оценки технологичности конструкции изделия)
"Полезный эффект/затраты" Ки (11) Максимизация Универсальный критерий качества изделий при соблюдении условий сравнимости. Предварительная оценка конкурентоспособности изделий
Конкурентоспособность изделия Кс (12) Максимизация Оценка конкурентоспособности при сравнении вариантов конструкций изделий
Тривиальные условия сравнения технологичности конструкции изделий (13)
(14)
Сравнение технологичности конструкции изделий

Литература

  1. В.М. Бурцев, А.С. Васильев, A.M. Дальский и др.; Под ред. A.M. Дальского.Технология машиностроения: В 2 т. Т. 1. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 1998. 564с.
  2. Брахман Т.Р. Многокритериальноcть и выбор альтернатив в технике. М.: Радио и связь, 1984. 288 с.

Справочник. Инженерный журнал. №1, 2004, с. 5-9
А.И. КОНДАКОВ, А.В. ХАРИТОНОВ (МГТУим. Н.Э. Баумана)

Статьи партнеров