Аналитический этап ФСА

Тема 3. Аналитический этап ФСА Разработка моделей объекта анализа: компонентной, структурной и функциональной. Правила построения иерархических компонентных моделей. Правила построения структурных моделей. Правила построения функциональных моделей: параметрический анализ функций, Ф/С гистограмма объекта анализа, функциональная значимость элемента. Стоимостной анализ объекта ФСА. Результатом проведения ФСА являются решения, при которых объект анализа приобретает улучшенные потребительские свойства, а так же достигается снижение себестоимости объекта анализа за счет модификации составляющих его элементов. В связи с этим, необходимо определить элементы устройства, у которых избыточная стоимость или недостаточная функциональность, а затем разработать новую конструкцию устройства. Как правило, анализу подвергаются объекты (технические системы), морально устаревшие. Это означает, что все недостатки в них по большей части устранены, все параметры изготовления выверены временем и улучшить их не представляется возможным. Но это не так. Если использовать особые способы анализа для выявления недостатков в таких продуктах и творческие приемы поиска оригинальных решений, то можно существенно улучшить потребительские свойства продукта. На рисунке 1 показана идея (принцип действия) метода ФСА, обеспечивающий выявление элементов ТС, изменение которых улучшит ее функционально-стоимостные показатели. Сначала объект анализа расчленяется на составляющие его компоненты. Затем каждый компонент изучается с точки зрения его функциональности и затрат на его изготовление и эксплуатацию. Как правило, на этом этапе выясняется, что некоторые элементы дорогие, но функций выполняют мало, и наоборот, элемент дешевый а функций выполняет много. Соотношение относительных единиц стоимости к функциональной значимости называют показателем идеальности. Очевидно, что чем больше функциональность и меньше стоимость, тем идеальней элемент устройства. По реальной функционально-стоимостной диаграмме объекта анализа формулируются задачи повышения идеальности системы, т.е. отношение функциональной значимости к стоимости всех элементов должно быть одинаковым. Если это не так, то нужно поставить задачу изменения либо функциональности, либо стоимости. Обе эти задачи могут быть решены за счет изменения конструкции, замены материалов и другими способами модернизации. Рис. 1. Переходы: объект – модель – измененная модель – усовершенствованный объект Функционально-стоимостная модель технической системы имеет вид гистограммы – столбиковой диаграммы (рисунок 2). Она представляет собой график с осью Х и осью Y. На оси Х на равных расстояниях располагают номера элементов от первого до последнего. По оси Y в верхней (положительной) половине откладываются величина функциональной значимости элементов (количество и уровень выполняемых им функций, положение на иерархии фнукций), в нижней (отрицательной) половине их стоимость. Если отношения ФЗ к стоимости у элементов не пропорциональные, то это сразу видно на гистограмме. Выбор же элемента, в первую очередь подлежащего совершенствованию, происходит на основании сравнения этих отношений. Критерий выбора простой - чем меньше элемент значит для системы, тем меньше должна быть его стоимость. Техническая система, у которой отношения функциональной значимости к стоимости каждого элемента пропорциональны, принято считать «идеальной». Поэтому после построения гистограммы выбирают элементы, у которых значение отношения функциональной значимости к стоимости наименьшее, и затем формулируют задачи по его совершенствованию. Рис. 2. Функционально-стоимостная модель ТС в форме гистограммы Чтобы определить функциональную значимость элементов технической системы создаются несколько ее моделей: компонентная, структурная, функциональная и функционально –стоимостная. Процесс построения моделей находится в причинно-следственной зависимости, т.е. одна модель служит для построения другой. Последовательность их разработки изображена на рисунке 3. Шаг 1. В первую очередь строится компонентная модель ТС, для чего необходимо использовать ее чертежи, эскизы и описание ее устройства. Шаг 2. 3. Затем строится структурная модель. Для этого на компонентной модели указываются все существенные связи в ТС и ее внешние взаимодействия. Шаг 4. Построение функциональной модели ТС выполняется на основании изображения ее структурной модели, в которой расписаны все потоки ВЭИ. Рис. 3. Последовательность построения моделей ТС и сведения, используемые для этой цели Шаг 5. Функциональная модель ТС, является основанием для расчета функциональной значимости ее элементов. При этом учитываются такие показатели функций элементов как: количество, качество выполнения и положение на иерархическом уровне функциональной модели. Совместное представление стоимости элементов и их функциональной значимости (ФЗ) позволяет построить функционально-стоимостную модель ТС (гистограмма). Шаг 6. В процессе анализа параметров функций ТС выявляется их избыточность или недостаточность. Это служит основанием для постановки цели использования ресурсов или устранения недостатка функционирования. Так же выявляются свойства компонентов, которые существенной роли для выполнения главной функции ТС не играют. Ставится задача по использованию этих свойств как дополнительного «бесплатного» ресурса, уже имеющегося в ТС. В пособии подробно рассматривается процедура выявления функциональной значимости с позиций инженера. В тоже время ФЗ элементов можно получить на основании экспертных оценок специалистов, не выполняя сложного анализа. Однако такой субъективный подход приводит к значительным ошибкам при определении функциональной значимости элементов. Построение компонентной модели объекта анализа Компонентный анализ рассматривает объект как систему, включающую в себя составные элементы (подсистемы) и входящую, в свою очередь, в систему (системы) более высокого ранга (надсистемы). Компонентный анализ выполняется на основе построения компонентной модели объекта1. Технические системы представляют собой совокупность элементов, имеющих определенное назначение, и обеспечивающих выполнение ее главной функции. Задача исследователя системы понять способ выполнения главной функции, предварительно изучив назначение, устройство и функционирование каждого элемента по отдельности. Не всегда эта задача имеет простое решение. В отношении одних ТС это легко, для других сложно. В основном, трудности возникают из-за того, что ТС различаются по уровню сложности, например, ключ от двери (простая ТС) и автомобиль (сложная ТС). Поэтому при изучении устройства любой сложности его расчленяют на более простые компоненты – сначала на основные и вспомогательные функциональные узлы, затем на элементы, каждый из которых раскладывается на простые функциональные части. Под функциональными узлами ТС подразумевают ее части, в которых элементы объединены в подсистемы, предназначенные для выполнения сложной функций. Узлы, элементы и части элементов обозначают одним термином – компонент. В справочниках понятие компонент определяется как часть чего-либо. Поэтому процедура анализа (разложение на составляющие части) устройства ТС, позволяющая понять ее состав, называется компонентным анализом, а модель в виде иерархической схемы, получаемая в результате этого анализа, называют компонентной моделью ТС. На рисунке 3.1.1 показана компонентная модель для условной ТС, у которой имеются: три функциональных узла, шесть элементов, составляющие узлов, а два элемента, состоят из двух простых функциональных компонентов. Рис. 3.1.1. Представление компонентной модели ТС в виде иерархической схемы 1 Николаева, Н. Г. Функционально-стоимостный анализ в управлении качеством продукции и процессов жизненного цикла : учебное пособие / Н. Г. Николаева, Е. В. Приймак. — Казань : Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2013. — 204 c. Основные понятия При изучении методики построения компонентной модели на аналитическом этапе часто встречаются термины, значение которых приведены ниже. • Элемент ТС – неделимая часть ТС, выполненная как одно целое. • Узел – соединение нескольких элементов ТС, обеспечивающих достижение одной сложной функции. • Компонент – часть чего-либо. • Простой функциональный компонент – часть элемента, выполняющая одну единственную функцию. • Компонентная модель – представление ТС в виде иерархической схемы, отражающей ее состав в виде узлов, элементов и простых функциональных компонентов. • Простая функция – одно единственное действие, выполняемое компонентом. • Сложная функция, действие, которое выполняется посредством сочетания нескольких (более 2-х) простых функций. Как видно из рисунка 3.1.1, в компонентной модели необходимо указать как минимум три уровня компонентов: узловой, элементный и уровень функциональных компонентов элементов. Выявление узлов ТС. В теории решения изобретательских задач для выявления ключевых узлов технической системы используется ЗПЧС (закон полноты частей системы). Этот закон отражает факт такой комплектации ТС, при котором потоки вещества, энергии и информации, проходя через систему от источника к объекту воздействия, приводят к выполнению ее главной функции. При этом любая техническая система должна содержать, как минимум, 4 функциональных узла, условно называемых - двигателем, трансмиссией, рабочим органом и органом управления. Под двигателем понимается часть технической системы, преобразующая энергию источника в вид, необходимый для действия рабочего органа. Трансмиссия служит для передачи энергии от двигателя к рабочему органу. Рабочий орган служит для выполнения главной функции ТС. Орган управления служит для оптимизации взаимодействия двигателя, трансмиссии и рабочего органа при выполнении ТС главной функции (действие на объект функции). Схематически закон полноты частей системы представлен на рисунке 3.1.2. Рис. 3.1.2. Представление о технической системе, согласно ЗПЧС В большинстве случаев в устройстве можно выделить указанные крупные функциональные части и определить элементы, которые к ним относятся. Например, электрический водяной насос состоит из следующих крупных функциональных узлов: «Двигатель» - преобразует электрическую энергию «Источника энергии» в механическую энергию вращения, необходимую для работы «Рабочего органа». «Трансмиссия» - передает вращение от вала электродвигателя к лопаткам насоса (рабочего органа). «Рабочий орган» - лопатки и камера насоса, создающие напор воды. «Орган управления» - в нашем случае можно отметить только один элемент ТС, включающий и выключающий электродвигатель. Таким образом, ТС «Электрический водяной насос» состоит из четырех функциональных узлов: электродвигатель, системы управления электродвигателем, насоса и соединительной муфты, связывающей их. Компонентная модель на уровне функциональных узлов имеет следующий вид (рисунок 3.1.3). Рис.3.1.3. Компонентная модель ТС «Электрический водяной насос» на уровне описания основных функциональных узлов Далее каждый функциональный узел должен рассматриваться как подсистема. В нашем примере электродвигатель состоит также из узлов и его анализ проводится аналогично. Так, соединительная муфта не содержит узлов, а состоит из трех элементов: фланец вала электродвигателя, гибкая часть муфты и фланец вала насоса. Поэтому соединительная муфта разбивается только на элементы, а каждый из них на простейшие функциональные части – простые функциональные компоненты. Рассмотренная ранее в примере яхта согласно ЗПЧС может быть представлена в виде следующей модели (рис. ) Рис. 4. Модель яхты в соответствии с ЗПЧС Из этой модели можно выделить три ключевых узла: корпус для перевозки груза по воде, систему управления и ветряной привод. Корпус нужен для перевозки груза, система управления и систему предотвращающую переворот яхты при порыве ветра для управления. Соответствующая этой модели компонентная схема имеет вид (рис. 5) Рис. 5. Компонентная модель технической системы «Яхта» на уровне крупных функциональных узлов Дальнейшее расчленение каждого узла ведет к построению многоуровневой иерархической компонентной модели устройства (рисунок 6). Рис. 6. Компонентная модель технической системы «Яхта» расчлененная на относительно простые компоненты – несколько иерархических уровней. Как в любой полной функциональной системе между компонентами существует связь, необходимая для передачи энергии, вещества или информации. Описание этих связей возможно разными способами, например, можно установить парные взаимодействия между выделенными элементами и указать в каком направлении по этим взаимодействиям передаются энергия, вещество и/или информация. Модель, на которой изображены связи между компонентами объекта (ТС) называют структурной моделью (рис.1.). Яхта Система управления Рулевая система Рулевое перо Шверт Руль Вертяной привод Корпус Мачта Передний парус С3 С2 С4 С1 Паруса Задний парус С5 С6 Рис. 1. Структурная модель ТС яхта Связи в ТС Контакт, соединение, через которые компоненты оказывают взаимное влияние друг на друга, называют связью межу ними. Все связи можно условно разделить по трем признакам (рисунок 2): степени полезности для ТС, времени существования и действию в пространстве. Различают три степени полезности:  полезная – главная функция без нее либо выполняется очень плохо, либо вообще не выполняется  нейтральная – наличие связи никаким образом не влияет на выполнение главной функции ТС  вредная – ухудшает выполнение главной функции ТС По времени существования связи бывают:  постоянные  периодические  разовые По виду действия в пространстве:  непострественная  полевая  через третий элемент Анализ связей между компонентами в ТС проводится в табличной форме (таблица 1, для ТС «Яхта»). В столбцах и строках таблицы записывают все элементы ТС, а в ячейках, расположенных на пересечении строк и столбцов анализируемого взаимодействия элементов записывают «П», если связь полезная, «Н» -нейтральная, «В» вредная. Таблица 1 Связи в ТС «Яхта» Руль Шверт Руль Шверт Корпус Мачта Передний парус Задний парус Корпус Мачта Передний парус Задний парус П П П П П (С2) П (С3) П П (С4) П (С5) П (С6) В таблице показаны также и номера связей для рисунка 1, соответствующие тем, которые занесены в таблицу. Функциональная модель Функциональная модель технической системы – это описание способа получения главной функции ТС за счет совокупности функций ее компонентов. Функциональная модель ТС внешне не отличается от компонентной, только вместо названий компонентов должны быть записаны их функции. В связи с этим, необходимо правильно определить действия всех составляющих ее компонентов. Сделать это можно следующим образом (рисунок 3). На структурной модели были расставлены связи между компонентами и направления потоков ВЭИ, по этим связям (рисунок 3а). Из двух взаимодействующих компонентов носителем является тот, от которого исходит действие, а объектом тот, на который оно оказывается (приходит) (рисунок 3б). Остается описать само действие, название которого совпадет с названием потока, протекающего по этой связи записать его на место компонента (рисунок 3в). Рис. 3. Последовательность действий при определении функций компонентов ТС Классификация функций Разнообразные формы проявления функций в технических системах создают трудности для их точного определения и названия. Каждый специалист, использующий метод ФСА в своей поисковой деятельности, давал функциям такие названия, которые по его мнению соответствовали действительности. Широкое распространение метода в 1960 1980 годах привело к тому, что Государственный комитет СССР по науке и технике специальным постановлением утвердил наиболее полную классификацию (1982 год). Функции группировались по следующим признакам: область проявления, роль в удовлетворении потребности, роль в обеспечении работоспособности объекта, степень полезности (рисунок 1). Внутри каждой группы функции делились на подгруппы. Рис. 1. Классификация функций Охарактеризуем коротко каждую подгруппу. (1) Внешние функции – характеризуют взаимодействия ТС с внешней средой. Внутренние функции – описывают взаимодействия между компонентами ТС. Главные функции – определяют достижение ТС назначения. Второстепенные функции – не влияют на работоспособность, отражают побочные цели создания ТС (эргономика, эстетика). Основные функции – действия узловых компонентов, обеспечивающих выполнение главной функции. Вспомогательные функции – действия обеспечивающие выполнение основных функций. элементов и их компонентов, Полезные функции – отражают функционально необходимые потребительские свойства обеспечивают выполнение главной функции ТС. Бесполезные (вредные) функции – не оказывают влияние на выполнение главной функции, но и не мешают ее выполнению. Вредные функции оказывают отрицательное действие на работоспособность объекта, ухудшают его потребительские свойства, удорожают его. Описание функций в сочетании их места в иерархической схеме позволяет получить значимость каждой из них, и использовать это значение при построении функционально-стоимостной диаграммы. Рис. 10. Результат моделирования объекта ФСА – функционально-стоимостная диаграмма. На диаграмме видно, что элемент ось 8 имеет лучшее соотношение стоимость /функциональная значимость, чем элемент колесо 9. Это позволяет сформулировать как минимум 3 задачи: 1 – добавить функции заднему колесу самоката, например, торможение или 2 - снизить его стоимость за счет изменения конструкции колеса (это уже чисто конструкторская задача), или 3 – выполнить так называемую «свертку», изготовить колесо с осью таким образом, чтобы колесо само создавало опору и свободно крутилось – это уже изобретательская задача. Вопросы для самопроверки 1. Какие объекты выбираются для проведения ФСА? 2. Раскройте на примере содержание процедуры объект – модель – измененная модель – усовершенствованный объект 3. Раскройте содержание действий, при разработке моделей объекта ФСА 4. В чем идея построения компонентной модели объекта ФСА? 5. Какую роль выполняют связи между компонентами в любой системе? 6. Какие виды связей Вам известны? 7. Раскройте назначение и содержание функциональной модели объекта ФСА.