Совершенствование процесса разработки концепции изделий машиностроения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

_Точность и качество обработки и сборки_

УДК 621.01

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРАБОТКИ КОНЦЕПЦИИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Е.А. Ивахненко, А.В. Олейник, Л.М. Червяков

Рассмотрен процесс разработки изделий машиностроения на основе метода развертывания функции качества - QFD. На ранних стадиях проектирования метод QFD поддерживает определение функций и компоновки изделия, а также выбор конструкционных материалов. Предложенный в работе подход к совершенствованию процесса концептуального проектирования, основанный на интеграции стандартов серии ИСО 9000 и 14000, развитии метода развертывания функции качества, выбора показателей качества и постановке задачи оптимизации технических характеристик позволит повысить конкурентоспособность изделий отечественного машиностроения.

Ключевые слова: качество, жизненный цикл, концепция, машиностроение.

Важнейшим фактором устойчивого развития отечественной экономики и ее интеграции в мировой рынок является обеспечение конкурентоспособности продукции - товаров и услуг. Без обеспечения конкурентоспособности в условиях рыночных отношений вообще теряет смысл вопрос о целесообразности производства продукции. При этом основными элементами конкурентоспособности являются вопросы качества продукции и ее цены. Безопасность продукции для жизни и здоровья населения и окружающей природной среды является свойством продукции и, следовательно, определяет ее конкурентоспособность, поскольку она непосредственно связана с общими проблемами обеспечения безопасности человека, экологии и охраны окружающей среды, энерго- и материалосбережения.

В современных условиях важнейшим средством обеспечения конкурентоспособности продукции страны является обновление продукции, повышение ее качества за счет реализации научно-технических разработок. Однако обновление и повышение качества продукции возможно только при одновременном росте технического уровня производства, который обуславливает как техническую (технологическую) возможность создания высококачественной продукции, так и снижение необходимых затрат на ее производство.

При анализе состояния рынка можно отметить, что подавляющее большинство изделий отечественного (гражданского) машиностроения неконкурентоспособно на внешнем рынке и значительно уступает аналогичной импортной продукции. Конкурентоспособность отдельных предприятий внутри страны зачастую связана с их монопольным положением на внутреннем рынке. Обеспечение высокого качества изделий при мини-

313

мальных затратах материальных и временных ресурсов необходимо для достижения успеха в конкурентной борьбе в условиях рыночной экономики [1].

Повышение конкурентоспособности изделий машиностроения связано с совершенствованием всех процессов их жизненного цикла (ЖЦИ) на основе внедрения стандартов серии ИСО 9000 и 14000, область применения которых показана на рис. 1.

Рис. 1. Область применения стандартов серии ИСО 9000 и 14000

По мнению авторов, для системной интеграции этих стандартов должны быть выполнены два необходимых условия:

а) в определении понятия «качество продукции» (ГОСТ Р ИСО 9001-2015) должен учитываться этап распоряжения ею после завершения эксплуатации;

б) управление воздействием на окружающую среду (экосферу) должно начинаться еще на этапе проектирования.

Основные технические характеристики изделия, его потребительские свойства и до 85 % затрат на реализацию всего жизненного цикла определяются на ранних стадиях проектирования - при разработке концепции изделия. При этом затраты на коррекцию при переходе от одного этапа жизненного цикла к последующему увеличиваются на порядок, это изменение называется правилом десятикратных затрат [2]. В связи с этим совершенствование процесса разработки концепции изделий машиностроения является актуальной проблемой.

Изделия машиностроения - машины - являются системами, созданными трудом человека для качественного преобразования исходного продукта в полезную для человека продукцию [3]. Процессы преобразования могут быть механическими, физическими, химическими как по отдельно-

314

сти, так и в сочетаниях. Изделие машиностроения имеет набор свойств, а его качество характеризуется некоторым набором единичных и (или) комплексных показателей (рис. 2).

Качество изделия

Единичные показатели качества - - - 1 к _1_ - а - - _1_ ь

Изделие машиностроения ! : е | г - ■= ± : Г 1 Л 1 ] Л 1— :. а X £ X а а и □ 0 - с □ 1 5 \ 1- 1 : Свойства изделия

V \\ \\ \

/X \ / \\\ \ ч\

Комплексные показатели качества а • • • ч

Рис. 2. Свойства и показатели качества изделия машиностроения

Сами свойства являются комплексными и состоят из набора свойств, так, надежность включает в себя безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость.

На ранних стадиях проектирования могут быть определены функции изделия, его компоновка и выбраны конструкционные материалы. При создании концепции изделия широко применяется метод развертывания функции качества (ОРБ) [4]. Метод QFD основан на выявлении предпочтений потребителей и отражении их в концепции изделия и является методом сбора неопределенно (или нечетко) выраженных качественных характеристик и использования их при проектировании. Последовательность применения ОРБ включает четыре этапа. На первом этапе устанавливаются соотношения между требованиями потребителей и техническими характеристиками изделия в целом, а на втором этапе - соотношения между техническими характеристиками изделия и характеристиками компонентов изделия. При выполнении данных этапов конструктор может выделить те функции и компоненты изделия, которые имеют решающее значение в удовлетворении потребителей. На последующих этапах определяются па-

раметры качества процессов изготовления и контроля и разрабатываются рабочие инструкции изготовления, сборки, контроля и испытаний изделия.

Традиционно в требованиях потребителя учитывается безопасность изделия, но не находит отражения его экологичность. Различие между безопасностью и экологичностью изделий проявляется в сферах их проявлений. Безопасность изделия является свойством, характеризующим влияние на человека, непосредственно взаимодействующего с изделием при реализации процессов на всех этапах жизненного цикла. Экологичность же характеризует влияние на тех людей, которые непосредственно не связаны с процессами жизненного цикла изделия, через элементы экосферы - атмосферу, гидросферу и др. Авторы предлагают расширить применение QFD на основе интеграции требований к сокращению воздействий на окружающую среду и традиционными требованиями к качеству изделий. Для учета экологических требований и ограничений необходимо заменить понятие «голос потребителя» на понятие «голоса заинтересованных сторон». К заинтересованным сторонам относятся (перечисление сделано не по порядку важности): человечество в целом; межгосударственные союзы и объединения; государства; республики (края, области); муниципальные образования; потребители; производители.

На основе анализа были выделены характеристики экологичности (как свойства изделия), используемые для преобразования требований и ожиданий заинтересованных сторон в измеримые технические характеристики изделий, которые можно разделить на две группы.

Экологические требования и ожидания заинтересованных сторон: 1) сокращение использования ресурсов (в т. ч. материалов); 2) простота транспортировки и хранения; 3) простота обработки и сборки; 4) снижение использования энергии; 5) износоустойчивость; 6) простота повторного использования; 7) простота разборки; 8) простота очистки; 9) простота разрушения; 10) простота сортировки; 11) безопасность сжигания; 12) безопасность захоронения; 13) защита флоры и фауны; 14) безопасность выделений; 15) пониженные требования к расположению.

Технические характеристики изделий: 1) масса, вес; 2) объем, габаритные размеры; 3) количество деталей (компонентов); 4) количество используемых материалов; 5) вероятность загрязнения; 6) количество связей между компонентами; 7) срок службы; 8) количество потребляемой энергии; 9) количество перерабатываемых материалов; 10) шум, вибрация, электромагнитное излучение; 11) масса летучих загрязнений; 12) масса растворимых в воде загрязнений; 13) масса попадающих в почву загрязнений; 14) способность к разложению микроорганизмами; 15) токсичность материалов.

В табл. 1 и 2 показан пример применения QFD с учетом требований и ожиданий заинтересованных сторон (этапы 1 и 2) при разработке концепции бытового электроприбора - фена.

Таблица 1

Перевод требований и ожиданий заинтересованных сторон

в технические характеристики изделия_

Технические характеристики изделия

£р 03 ед

т н и а

з

«

и н

а

д

и

и *

о и я и

на

« о

^ ю

О <Р

«

и н а

«

о ю

е

н

сР о Тр

о н

с

с

а т

п

к

о р

о т с

о т

еч с

Рч

О Й

х

н н а

« О

с

е р

е т н

иа

з

^ о

а 8

« 3

к

о р

сГ н о

X

к «

о о

(и р

н К

к

сЗ

сп

д

а

рт е

§

а

ра С

о (и

а

х

¿1 д

з

о «

Л

т с

о р

со к

сЗ X

И д

сп

о «

сЗ р

р

С §

_Н

«

и

В §

в

а р

л р

аГ

§

сп

сЗ р

<и

К

н

к р

ю

сЗ

(-4

ю

«

о т н е н о

с §

о «

е

т

е

д

о «

т с е ч и л о

к р

х §

Н

сп Л

ч о с

о К

О «

н о (и

ЕГ

к ч о

я и н е н з я

а

а

з

Л

т с

о н т я

о р

е

т.

сЗ

н к

(и

к о

с §

о И

н

(и

«

(и

сп

ЬЧ «

о

о «

н о (и

ЕГ

к ч о

Л

ю Й

н

ч

о

И

о р

к к

(-4 р

е н

о «

о §

е

ю

е

о с

о «

т с е ч и л о

к

р

аГ

х

сЗ «

Й ю

сЗ р

аГ р

аГ С

о «

н о (и

ЕГ

к ч о

(и

к

К (и ЕГ

Н ч

сп К

О

к н к к

и

сЗ §

О

тк (и

ч

о

ьч к а

сЗ р

1С)

К «

в

«

к к

К сп ЬЧ

сЗ

сп

X К ЕГ

У

Ч

сЗ О

о сЗ

«

К К (и К сп ЬЧ

а

сЗ

сп

(и

о «

«

X §

К

р

о «

н о

сЗ р

сЗ О

о сЗ

«

К К (и К сп ЬЧ

9

сЗ

сп

И «

ЕГ О

с «

X

к

В §

да

с о с

сЗ о о сЗ

1

3

5

7

10

11

12

13

14

15

16

17

18

Быстрота сушки

9

9

9

9

Тишина работы

9

9

9

Безопасное управление

9

9

9

Простота управления

Простота конструкции

9

9

9

9

Высокая надежность

9

9

Портативность

9

Сокращение использования ресурсов (в т. ч материалов)_

9

9

9

Простота транспортировки и хранения

9

9

Простота обработки и сборки_

9

9

Снижение использования энергии

9

9

9

9

2

4

6

8

9

3

3

1

3

1

3

1

3

1

1

1

1

3

1

3

1

1

3

3

1

1

1

3

1

1

3

1

3

3

Окончание табл. 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Износоустойчивость 9 1 9 9

Простота повторного использования 1 9 9

Простота разборки 3 9 9 3

Простота очистки 1 9 3

Простота разрушения 3 9 9

Простота сортировки 3 9 9 3

Безопасность сжигания 1 3 9 3 1 9

Безопасность захоронения 3 3 3 9 9 9 9

Защита флоры и фауны 9 9 9 3 9

Безопасность выделений 1 9 9 3 9 9 9 9

Пониженные требования к расположению 3 1 1 3 9

Сумма ю о т 9 10 О 19 00 3 с^ 00 2 2 3 3 2

Относительный вес 0,13 Го 0,04 0,06 Го 0,04 0,04 0,02 0,08 0,08 0,09 то'о 0,11 0,01 0,02 0,02 0,01 0,03

Таблица 2

Перевод технических характеристик изделия в технические

характеристики компонентов_

Технические характеристики компонентов

РББ с учетом требований и ожиданий заинтересованных сторон. Этап 2. Инженерные характеристики изделия Относительный вес из фазы 1 Двигатель Вентилятор Нагреватель Выключатель и электрический шнур Пригодность для бытовых условий

1 2 3 4 5 6 7

Течение воздуха 0,13 9 1 1 1 1

Температура воздуха 0,1 3 3 9 1 1

Баланс (вращающий момент) 0,04 9 3 9

Масса, вес 0,06 9 3 3 1 9

Объем 0,1 9 3 1 1 9

Окончание табл. 2

1 2 3 4 5 6 7

Количество комплектующих 0,04 1 1 1 9

Количество ис-

пользуемых мате- 0,04 1 1 1 9

риалов

Вероятность загрязнения 0,02 3 9

Сложность 0,08 9

Физическое время жизни 0,08 9 1 9 3 9

Количество по-

требляемой энер- 0,09 9 1 9

гии

Норма перерабо-

танных материа- 0,01 9

лов

Шум, вибрация,

электромагнитные 0,11 9 3 9

волны

Объем загрязнения воздуха 0,01 9 9 1

Объем загрязнения воды 0,02 3 3 1

Объем загрязнения почвы 0,02 3 3 1

Способность к

разложению мик- 0,01 3 9

роорганизмами

Токсичность материалов 0,03 3 3 1

Сумма 6,2 1,61 2,93 0,98 5,62

Относительный вес 0,36 0,09 0,17 0,06 0,32

Требования и ожидания заинтересованных сторон в снижении воздействия процессов жизненного цикла изделия на экосферу в табл. 1 и 2 отражены в виде таких параметров, как «сокращение использования ресурсов», «снижение использования энергии» и др. Весовые значения параметров соответствуют: 9 - преобладающее влияние; 3 - существенное влияние; 1 - незначительное влияние.

Для снижения воздействия на экосферу целесообразно сравнивать результаты развертывания функции качества, полученные с применением экологических параметров и без них. Результаты такого сравнения позволяют выделить те компоненты, которые имеют существенное влияние на экосферу.

На основе анализа требований и ожиданий заинтересованных сторон формируются единичные и комплексные показатели качества, проекция которых на конструкцию изделия машиностроения представляет собой технические характеристики. Данные характеристики имеют иерархическую структуру, верхний уровень которой включает параметры размерных связей и связей свойств материалов всего изделия, нижний уровень - параметры размерных связей и связей свойств материалов деталей, а промежуточные уровни - параметры размерных связей и связей свойств материалов сборочных узлов и комплектов (рис. 3).

Рис. 3. Иерархическая структура технических характеристик изделия

При выборе номенклатуры показателей качества изделия, на основе которых будет производиться сравнение альтернативных вариантов его концепций, необходимо чтобы в них были отражены все его свойства на протяжении всех этапов жизненного цикла (рис. 4).

Более полное отражение свойств в номенклатуре показателей качества позволяет уменьшить возможные потери, в том числе затраты на качество. Например, изделие может быть технологично при изготовлении, но нетехнологично при ремонте, если для замены вышедшей из строя детали необходима полная его разборка.

Рис. 4. Проявление свойств изделия в течение его жизненного цикла

Выбранные показатели качества являются критериями, по которым производится оценка различных вариантов конструкции изделия. Достижение высоких значений этих показателей при проектировании основано на применении различных методов оптимизации структуры и параметров изделия [5]. Все реальные задачи проектирования машин являются многокритериальными, рассмотрение большего количества критериев позволяет получить более полную характеристику достоинств и недостатков проектируемого изделия. Для выбора наилучшего варианта приходится учитывать много различных требований, предъявляемых к машине, среди которых часто встречаются требования, противоречащие друг другу. Известны различные методы сведения многокритериальной задачи оптимизации к однокритериальной, в том числе свертки критериев, минимакса, справедливого компромисса и др. Считается, что большинство неудачных попыток решений проектной задачи связано с применением такого подхода, при котором сформулированная математическая задача неадекватна исходной [6]. По мнению академика И.И. Артоболевского, поиск оптимального решения проектной задачи одновременно означает и поиск ее правильной постановки. Между тем и применение метода многокритериальной оптимизации, основанного на использовании ЛП х -последовательностей [6], не всегда позволяет ожидаемые результаты.

Совершенствование процесса разработки концепции изделия авторы связывают не только с учетом проявления всех свойств изделия на этапах его жизненного цикла, но и с введением дополнительного этапа в процесс постановки и решения задач оптимизации технических характеристик изделий.

Традиционная постановка задачи оптимизации включает:

1) выбор целевой функции, чаще всего вид которой неизвестен и которая состоит из набора критериев - показателей качества;

2) определение ограничений на значения показателей качества и параметры;

3) выбор метода решения задачи.

Сущностью дополнительного этапа в постановке задачи оптимизации являются:

а) снижение размерности задачи за счет сокращения количества критериев для исключения многократного учета свойств на различных этапах жизненного цикла;

б) выбор согласованных критериев, т. е. таких единичных и комплексных показателей качества, которые не конфликтуют между собой и для которых имеются методы решения.

При учете проявления различных свойств изделия на этапах его жизненного цикла увеличивается количество единичных показателей качества, при этом область определения всех критериев в пространстве технических характеристик изделия не должна вырождаться, т. е. представлять собой пустое множество. Для определения области допустимых значений целесообразно применение метода распространения ограничений [7].

Выбор согласованных критериев может позволить избежать возникновения такой ситуации, при которой увеличение значения одного критерия приводит к уменьшению значения другого и, следовательно, к вынужденному переходу от многокритериальной постановки задачи оптимизации к однокритериальной постановке. Согласованность критериев в пространстве технических характеристик изделия подразумевает использование одного технического решения для достижения различных поставленных целей.

Предложенный в работе подход к совершенствованию процесса концептуального проектирования, основанный на интеграции стандартов серии ИСО 9000 и 14000, развитии метода развертывания функции качества, выбора показателей качества и постановке задачи оптимизации технических характеристик, позволит повысить конкурентоспособность изделий отечественного машиностроения.

Список литературы

1. Информационно-вычислительные системы в машиностроении (СЛЬ8-технологии) / Ю.М. Соломенцев [и др.].М.: Наука, 2003. 292 с.

322

2. Никифоров А.Д. Управление качеством: учеб. пособие для вузов. М.: Дрофа, 2006. 719 с.

3. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения: учебник для машиностроит. спец. вузов. М.: Высш. шк., 2001. 591 с.

4. Анцев В.Ю., Чернецова Е.А. Структурирование функций качества в процессе проектирования грузоподъемных машин // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. С. 217-226.

5. Олейник А.В. Создание конкурентоспособных изделий машиностроения: экологический аспект. Курск: Изд-во КурскГТУ, 2005. 284 с.

6. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выбор оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1981. 112 с.

7. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 336 с.

Ивахненко Евгений Александрович, асп., neutralterritory@,mail. ru, Россия. Курск, Юго-Западный государственный университет,

Олейник Андрей Владимирович, д-р техн. наук, проф., avoleynik@ya.ru, Россия, Москва, Технологический центр СТАН,

Червяков Леонид Михайлович, д-р техн. наук, проф., chlm@mail.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет

IMPROVEMENT OF THE DESIGN PROCESS OF AN ENGINEERING PRODUCT

CONCEPT

E.A. Ivakhnenko, А. V. Oleinik, L.M. Chervyakov

The design process of an engineering products based on the QFD method has been considered. In the early stages of design, the QFD method supports the definition of the functions and layout of the product, as well as the choice of structural materials. The proposed approach of the improvement of the conceptual design process based on the integration of the ISO 9000 and 14000 series standards, the improvement of the QFD method, the selection of quality indexes and the setting of the technical characteristics optimizing task will increase the competitiveness of domestic engineering products.

Key words: quality, life cycle, concept, engineering.

Ivakhnenko Evgeny Aleksandrovich, postgraduate, neutralterritory@mail. ru, Russia, Kursk, South-West State University,

Oleinik Andrey Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, avoley-nik@ya.ru, Russia, Moscow, Technological Center STAN,

Chervyakov Leonid Mikhailovich, doctor of technical sciences, professor, chlm@mail.ru, Russia, Kursk, South-West State University