МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОГО АНАЛИЗА

Формулирование функций не является самоцелью. На последующих творческих этапах проектирования для каждой функции или группы функций выдвигаются способы их реализации, т.

Выделение оптимального варианта осуществляется на основе некоторого критерия оптимальности. В работах Ю. М. Соболева, и Л. Майлза оптимальным признается такое техническое решение, которое обеспечивает минимальные производственные затраты при сохранении качества исполнения функции не ниже определенного уровня. Математически этот критерий можно выразить так:

Snj —gt; min,

і

при Бкач / ^кач б»

где SUj — производственные затраты на функцию или группу функций при /-м варианте; J — упорядоченное множество альтернативных вариантов, способных выполнять функцию (группу функций); ?кач/, БкаЧ'б — показатель качества исполнения функции (группы функций) при /-м базовом вариантах соответственно.

Однако, как показывает опыт проектирования, «удержать» качество исполнения функций на некотором уровне от варианта к варианту невозможно. Стремление снизить затраты тем или иным образом сказывается на качестве исполнения функции. Кроме того, некоторые изделия могут подвергаться анализу и проработке прежде всего из соображений повышения их качества, а снижение затрат в этом случае имеет второстепенное значение. Поэтому возникает необходимость выработки более обобщенного критерия оптимальности, в который качество исполнения функций входило бы на равных основаниях с затратами.

Согласно теории экономической эффективности новой техники условием оптимальности считается минимум суммарных приведенных затрат

ScyM/ = Sn/ + i;^7-»min,              (2.2)

где И j — годовые эксплуатационные издержки на выполнение функции (группы функций) по /-му варианту (без амортизационных отчислений на реновацию); Ек — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, равный 0,15; р — норма амортизационных отчислений на реновацию для машины в целом.

Если в рассматриваемых вариантах качество исполнения функций изменяется незначительно, то можно ограничиться только оценкой производственных затрат.

Собственно аналитическая работа в ФСА включает три взаимосвязанные части: анализ функций, анализ производственных затрат и анализ качества исполнения функций и эксплуатационных издержек. Остановимся на отмеченных частях анализа подробнее.

Анализ функций. Он включает выяснение состава функций и установление их взаимных связей. Анализ функций должен проводиться на базе системного подхода.

Машины относятся к специфицированным изделиям, они состоят из многих составных частей, соединенных между собой сборочными операциями. Согласно ГОСТ 2.108—68 составные части, входящие в конструкцию машины, подразделяются на следующие виды: сборочные единицы, детали, стандартные изделия, прочие покупные изделия и материалы. В соответствии с названными видами составляются разделы спецификации на готовое изделие.

Перед анализом функций необходимо изучить конструктивное строение изделия. На основе спецификации и чертежа общего вида составляется структурная схема изделия в виде графа-дерева. Данная схема наглядно показывает, из каких главных сборочных единиц состоит изделие, а также какие сборочные единицы и детали входят в эти главные сборочные единицы.

Расчленение изделия на главные сборочные единицы следует проводить так, чтобы они были по возможности функционально самостоятельными. Такое членение сложного изделия делает возможным осуществлять конструкторско-технологическую проработку отдельных менее сложных сборочных единиц, рассматриваемых как самостоятельные изделия с очерченным кругом функций.

Системный подход в анализе технологического оборудования означает рассмотрение рабочей машины (пресса, станка, молота и т. п.), с одной стороны, как элемента более крупной производственной системы в виде линии или участка, а с другой, как системы, состоящей из ряда подсистем — различных сборочных единиц. Функции можно рассматривать как отражение взаимодействия различных систем и поэтому иерархия систем предполагает иерархию функций.

Функции, которыми обладает или должен обладать анализируемый объект, как отдельная система, будем называть общесистемными (общеобъектными). При определении этих функций внутреннее строение объекта не затрагивается, т. е. объект рассматривается как «черный ящик» со своими «входами» и «выходами».

Функции, которыми обладают или должны обладать элементы анализируемого объекта, будем называть внутрисистемными (внутриобъектными). Эти функции предопределяются внутренним строением объекта.

Требования вышестоящей системы формируют так называемые требуемые или полезные функции объекта. Чтобы выявить все требуемые функции, необходимо рассмотреть возможные режимы функционирования объекта, так как в каждом режиме функционирования обнаруживается свой состав необходимых функций. Кроме того, на протяжении жизненного, цикла изделие может переходить из одной вышестоящей системы в другую.

Состав требуемых функций должен отвечать требованиям всех этих систем.

В отличие от требуемых функций существуют реальные функции, т. е. те действия, которые может выполнять объект в силу того, что он обладает определенными свойствами. Таким образом, именно свойства объекта и заложенные в нем физические закономерности являются источником реальных функций.

Если сравнить состав требуемых и реальных функций, то среди реальных могут обнаружиться недостающие и ненужные (бесполезные). Недостающие функции нужно придать объекту, с тем чтобы он полнее отвечал требованиям вышестоящей системы, даже если это вызовет дополнительные затраты. Ненужные функции необходимо по возможности исключить и снизить тем самым затраты на изготовление.

Часто в ходе ФСА требуемые функции ранжируют с точки зрения их значимости для вышестоящей системы (или для потребителя). J1. Майлз [2.21 ] предложил укрупненное качественное ранжирование функций по значимости для потребления, подразделив их на две категории: на основные функции и вспомогательные или второстепенные функции.

Следует подчеркнуть, что именно требуемые или полезные функции исследуются в ходе ФСА, поэтому очень важно их правильно расклассифицировать и экономически оценить. В зависимости от содержания требуемые общесистемные функции можно подразделить на утилитарные (эксплуатационные), эстетические, эргономические, экологические и продажно-сбытовые.

При ФСА определяются и анализируются как общесистемные, так и внутрисистемные функции. В зависимости от содержания требуемые внутрисистемные функции можно подразделить на рабочие, обеспечивающие и технологические.

Рабочими функциями называются такие действия, которые непосредственно входят в рабочий процесс изделия (машины). Выполняя рабочие функции, элементы конструкции передают или преобразуют различные виды энергии, а также материалы и информацию.

Обеспечивающие функции — это такие действия, выполнение которых необходимо для реализации рабочих функций. Обеспечивающая функция может обслуживать одну или сразу несколько рабочих функций. К числу обеспечивающих относятся функции: соединяющие, разделяющие, крепежно-фиксирующие, а также гарантирующие долговечность, надежность и точность.

Технологические функции—это такие возможности, которые должны обеспечивать элементы конструкции с точки зрения требований технологии обработки и сборочно-разборочных операций.

В методических руководствах по ФСА обычно рекомендуется сначала сформулировать все функции по реальной конструкции, затем функции проанализировать, т. е. подразделить на основные, вспомогательные и ненужные и, кроме того, построить иерархическую схему функций, отражающую их взаимосвязи.

Однако опыт показывает, что, во-первых, составление полного перечня всех функций по исходной, реальной конструкции сковывает творческое мышление для последующего поиска вариантов и, во-вторых, упорядочить набор бессистемно сформулированных функций трудно.

1. Формулировать функции нужно в определенной последовательности и систему функций нужно строить с начала анализа. Исследователь должен определять функции не хаотично, а по определенной системе, наперед зная, какой род функций он собирается назвать.
2. Процесс выявления функций и процесс конструирования должны непрерывно сопутствовать друг другу. Причем по мере развития этих процессов идет непрерывное уточнение как конструкции, так и содержания функций. Функция способствует появлению конструктивных вариантов, ее реализующих, а выбор конструктивного варианта, в свою очередь, порождает функции более конкретного содержания.
3. Если ФСА подвергается реальная конструкция, то необходимо воссоздать эскизную схему, положенную в основу этой конструкции, подвергнуть схему критической оценке и, если не найдется более удачных принципиальных решений, приступить к формулированию функций и их анализу. Процесс формулирования функций как составная часть ФСА и проектирования показан на рис. 2.3.

Сначала формулируют необходимые общесистемные (общеобъектные) функции. В ходе последующего творческого процесса выдвигаются эскизные схемы, позволяющие реализовать общесистемные функции. Затем, анализируя эти альтернативные схемы, получают их сравнительные оценки. Принятие решения означает выбор оптимальной схемы с помощью полученных оценок.

Как только выбрана эскизная схема, можно приступить к формулированию внутрисистемных рабочих функций. Облегчает эту работу метод изучения потоков энергии, массы и информации с помощью графа.

Метод исходит из того, что рабочие функции означают какие- то действия, которые сопровождаются передачей энергии или массы. Кроме того, в некоторых системах имеются потоки информации. Следовательно, если проследить в конструкции все цепочки, по которым передаются различные формы энергии, а также массопотоки и потоки информации, то можно тем самым получить цепочки последовательно и параллельно выполняемых рабочих функций.

Рис. 2.3. Схема процесса формулирования функций

в виде направленного графа, причем в любой машинной системе по каждому энерго- и массопотоку можно обнаружить три комплекса функций.

1. Функции подвода или принятия энергии (или массы), в результате которых система способна воспринять энерго- или массопоток извне от другой системы.
2. Функции преобразования и передачи энергии (или массы). В анализируемых объектах можно наблюдать либо процесс преобразования одного вида энергии в другой (одного состояния вещества в другое), либо процесс передачи энергии (массы) из одного места в другое, либо сочетание того и другого процесса.
3. Функции отдачи конечного результата системы, за счет которых система может отдать результат предшествующих функций во вне или другим системам.

Триада таких функций имеет место и в потоках информации. В самом общем виде последовательность этих комплексов функций можно представить в виде направленного графа (рис. 2.4).

Метод изучения потоков энергии, массы и информации создает единую логику для формулирования всех рабочих функций, унифицирует формулировки и обеспечивает их необходимую обобщенность.

Имея эскизную схему изделия и вытекающий из нее состав рабочих функций, разрабатывают варианты конструктивных ре-

шений (сборочных чертежей), оценивают эти варианты и выбирают оптимальный, в котором рабочие функции реализуются качественно и с небольшими затратами (см. рис. 2.3).

Рис. 2.4. Направленный граф комплек- Как только выбрано кон- сов рабочих функций              структивное              решение,              на              его

основе появляется возможность формулировать следующий класс функций — обеспечивающих. Эти функции целесообразно формулировать в следующей последовательности.

Вначале определяются соединительные функции, которые возникают вследствие того, что все устройства в объекте должны быть связаны между собой: жестко или подвижно, разъемно или неразъемно. Эти функции выполняются элементами деталей (резьбой, отверстиями, пазами и т. д.), специальными деталями и устройствами (крепежными деталями, шарнирами, муфтами и т. д.), а также сваркой, пайкой, склейкой и т. д.

Для установления минимального состава соединительных функций исходят из того, что передача энергии (или массы) между устройствами, реализующими рабочие функции, должна осуществляться кратчайшим путем. Поэтому соединительные функции образуются как бы на «стыках» смежных рабочих функций. Вершины направленного графа, где дугами являются рабочие функции, указывают на соединительные функции, которые можно изобразить в виде замкнутых петель.

Затем выявляются разъединительные (изолирующие) функции, которые являются следствием требований о том, что устройства должны быть в конструкции отделены друг от друга. Разъединительные функции выполняются различными устройствами электрической, тепловой, магнитной и другой изоляции, системами дистанционного разнесения, подшипниками и скользящими втулками, разделяющими вращающиеся части от певращающихся и т. д.

Далее выявляются фиксирующие функции, выполнение которых предполагает занятие каждым элементом конструкции строго определенного положения в пространстве. Необходимое число этих функций зависит от механической жесткости (прочности) устройств, выполняющих рабочие, соединительные и разъединительные функции.

Выбранные конструктивные решения, выполняющие рабочие функции, могут предъявлять особые требования по обеспечению их долговечности и надежной работы. Таким образом, появляется необходимость выполнять специальные функции, гарантирующие надежность, точность и долговечность (например, защиту от коррозии, попадания посторонних предметов, электромагнитных полей, охлаждение, смазку отдельных устройств и т. д.).

После того как сформулирован состав необходимых обеспечивающих функций, конструкторы ищут и разрабатывают устройства, позволяющие выполнить эти функции с минимальными затратами. В итоге получают законченные конструктивные решения (рабочие чертежи) по всем деталям.

На завершающем этапе выявляются технологические функции. Для этого к каждой детали предъявляются требования производственного характера, а именно: что нужно иметь в конструкции, чтобы деталь можно было обрабатывать или собирать.

Технологические функции означают необходимость приспособления конструкции к требованиям определенных технологических процессов. Примерами технологических функций являются: «позволяет отливать в песчаную форму», «позволяет выход шлифовального круга», «позволяет проход инструмента для сборки» и т. д.

Реализация технологических функций заставляет отрабатывать конструкцию на технологичность, в ряде случаев вносить в конструкцию коррективы, предусматривая такие элементы, как технологические выступы, окна, отверстия, захваты для инструмента, сглаженные переходы и т. д.

Анализ функций рассмотрим на конкретном примере. Объектом анализа являются бытовые пружинные весы подвесного типа. Весы должны обеспечивать измерение массы до 10 кг с погрешностью 100 г.

Общесистемная функция объекта FO «измеряет массу». Как предмет широкого потребления, весы должны обладать эстетической функцией, вызывая у потребителей чувство удовлетворения от внешних форм и окраски, а также эргономической функцией, предполагающей удобство удержания весов в руках и наблюдения показаний при измерении. Функция FO «измеряет массу» может быть выполнена весами разных принципиальных схем: пружинными, рычажными, магнитоэлектрическими и т. д. Положим, что мы решаем сохранить прежний принцип работы, использующий эффект деформации упругого элемента (пружины) под действием веса груза. Выбор эскизной схемы позволяет приступить к формулированию внутрисистемных функций.

Для выявления рабочих функций воспользуемся описанным выше методом изучения энергопотоков с помощью графа. Триада рабочих функций данного объекта выглядит так: F1 «подводит силу тяжести к упругому элементу», F2 «преобразует силу в деформацию (перемещение)» и F3 «позволяет регистрацию деформации» (табл. 2.2). Взаимосвязи рабочих функций изображены на рис. 2.5, а в виде направленного графа, стрелки (дуги) которого означают отдельные функции. Нетрудно убедиться, что в любой конструкции весов пружинного типа обязательно имеют место три отмеченные рабочие функции. В табл. 2.2 носители рабочих функций названы в обобщенном виде, чтобы не было указания на их конструктивное исполнение.

Рис. 2.5. Направленный граф функций для весов: а — рабочих функций; б — рабочих и соединительных функций

Формулирование следующего класса функций — обеспечивающих — невозможно до тех пор, пока не будут приняты решения о конструктивном исполнении носителей рабочих функций.

На творческих этапах проектирования для каждой рабочей функции могут быть предложены различные технические решения или устройства, способные эту функцию выполнять. Все возможные варианты решений целесообразно систематизировать с помощью морфологической матрицы (рис. 2.6).

Т а б л и ц а 2.2

Состав необходимых внутрисистемных функций для весов

Рис. 2.6. Морфологическая матрица для выбора вариантов конструкции весов

Морфологическая матрица является хорошим средством упорядочения информации о технических идеях по реализации отдельных функций. Проблема же синтеза конструкций весьма сложная и произвольное комбинирование вариантов с помощью морфологической матрицы приводит к примитивным и ошибочным представлениям. Дело в том, что некоторые конструктивные решения по разным функциям либо вообще не «стыкуются», либо для возможной «стыковки» требуют сложных промежуточных устройств. Например, в нашем случае, если в качестве упругого элемента взять сжимаемый сплошной брусок из резины, то для подвода усилия к нему можно применить устройство только в виде коромысла.

Вообще при осуществлении синтеза необходимо выделить базовую функцию, т. е. ту функцию, носитель которой образует как бы «ядро» всей конструкции объекта и предопределяет конструктивные решения по другим функциям. В нашем примере такой базовой функцией является функция F2. Решения по функциям F1 и F3 в значительной степени зависят от того, какой упругий элемент по функции F2 будет выбран. Поэтому задачу выбора оптимального варианта конструкции нужно начинать с выбора варианта по базовой функции.

На начальных этапах проектирования из множества конструктивных вариантов выбирается обычно два-три варианта для

последующей проработки. Для этого организуется экспертный опрос, в ходе которого специалисты (эксперты) дают заключения по каждому варианту либо в произвольной форме, либо подчеркивая подходящий ответ из набора типовых ответов, либо оценивая качество вариантов в баллах по некоторым критериям. Наиболее простой и доступной формой экспертного анализа вариантов является составление таблиц вида «преимущества — недостатки». В табл. 2.3 приведен пример качественной оценки вариантов при проектировании весов. В результате проведенного сравнительного анализа были отобраны для дальнейшей проработки два варианта: весы со спиральной пружиной и весы с комбинацией из двух цилиндрических пружин растяжения.

Качественная оценка вариантов конструкции, выполняющих функцию F2 «Преобразует силу в деформацию»'

Далее формулируется минимальное число обеспечивающих функций, состав которых несколько различается у выбранных вариантов конструкции.

Таблица 2.3

Состав необходимых соединительных функций легко обнаруживается с помощью направленного графа (рис. 2.5, б). Каждая вершина графа указывает на соединительную функцию. Эти функции изображены в виде замкнутых петель. Состав соединительных функций приведен в табл. 2.2.

Минимальный состав фиксирующих функций, обеспечивающих строго определенное положение в пространстве неподвижных и ограничение степеней свободы подвижных частей, находится при изучении эскизных схем. Для этого к каждому носителю рабочей и соединительной функции поставим вопросы: Нужно ли устройство закрепить неподвижно? Нужно ли устройство направлять или ограничивать при движении? В табл. 2.2 приведены фиксирующие функции от F6 до F11.

Затем находим функции, гарантирующие надежность и точность работы изделия. В нашем примере к ним относятся F12 и F13.

На последующих творческих этапах для каждой обеспечивающей функции выдвигаются конструктивные решения их реализации подобно тому, как это делалось для рабочих функций. При этом конструктивные решения касаются способов крепления и соединения, выбора материалов и размеров. Исследуются также возможности совмещения в одной детали нескольких функций.

Состав функций дополняется указанием функционально обусловленных свойств и параметров, которые выражают количественные требования к функциям. Функционально обусловленные параметры обнаруживаются, если к функциям поставить вопросы такого вида: Насколько напряженно? Насколько долго? Как часто? При каких условиях? С какой последовательностью и интенсивностью должна выполняться функция?

Функционально обусловленные параметры конкретизируют конструктивное решение и накладывают определенные ограничения. Так, функция «проводит электрический ток» может быть осуществлена с помощью провода, полосовой шины, скользящего контакта, металлической ленты и т. д. Однако, если заданы такие параметры, как сила тока, напряжение, влажность и температура среды, усилие на проводник, то это вынуждает конструкторов остановиться на вполне определенном устройстве.

Выявленный по описанной выше процедуре минимальный состав необходимых функций помогает в ряде случаев обнаружить недужные составные части у реальных конструкций. Последние могут иметь место по ряду причин: приспособили какое-то изделие для иного применения, но при этом «забыли» убрать из него то, что в новых условиях не используется; повысились качество и стабильность свойств используемых материалов и устройств, но регулирующие органы сохранились, хотя надобность в них отпала; внесли конструктивные изменения в одну часть конструкции, но забыли откорректировать остальные части, в результате

получили функционально дублирующие друг друга устройства и т. д.

Обнаружить ненужные элементы можно с помощью таблицы распределения функций между конструктивными частями объекта. В строках такой таблицы указываются необходимые функции, а в столбцах — конструктивные элементы. В столбце каждого элемента знаком «+» отмечаются те функции, в выполнении которых он участвует. В столбце ненужного элемента таких знаков не будет. В качестве примера в табл. 2.4 приведены функции и конструктивные элементы крышки гидравлического цилиндра (рис. 2.7).

Анализ функций показывает, что отверстие с резьбой и ввернутая в это отверстие пробка не участвуют в выполнении полезных функций, следовательно, данные элементы являются ненужными. Когда-то подвод масла осуществлялся через крышку, но потом масло в цилиндр стали подводить через боковую стенку, а отверстие в крышке сохранилось.

При проведении анализа нужно учитывать также и то, что в конструкции могут быть ненужные элементы в результате унификации, тогда их присутствие должно быть экономически обосновано.

Анализ производственных затрат на создание функций. Эта

часть ФСА тесно переплетается с анализом функций и является его продолжением и развитием.

Характерной особенностью анализа затрат при ФСА является переход от оценки затрат по предметам к оценке затрат по функциям, что вытекает из главной идеи ФСА: ценность имеют функции и нужно знать, во что обходится их создание.

В рамках анализа затрат решаются следующие задачи: 1) выявляются «центры тяжести» по затратам, т. е. те части в реальной конструкции объекта, которые имеют повышенные мате-

риало- и трудоемкость; 2) намечается нижний уровень затрат, являющийся как бы экономическим ориентиром («целью по затратам») для разработчиков; 3) оцениваются и анализируются затраты по функциям или группам функций для нескольких альтернативных технических решений и определяется тем самым их относительная экономичность.

Аналитический процесс является весьма трудоемким, а его эффективность зависит от наличия скрытых резервов в конструкции. Поэтому, чтобы не расходовать время и средства вхолостую, необходимо с самого начала работы нащупать «слабые места», потенциально податливые к рационализации и повышению экономичности.

Можно предположить, что наиболее вероятна возможность найти излишние затраты в тех составных частях конструкции, которые имеют наиболее высокую себестоимость.

В установлении очередности анализа может быть полезен метод распределения составных частей изделия на следующие группы: группа А, включающая сборочные единицы и детали с высокой себестоимостью и составляющая в сумме 75% себестоимости изделия; группа В, в которую входят сборочные единицы и детали со средней себестоимостью, их удельный вес равен 20% в себестоимости изделия; группа С, включающая дешевые сборочные единицы и детали, составляющие в сумме 5% себестоимости изделия [VIII].

Исследование ведется в такой последовательности. Сначала все составные части располагаются в порядке убывания их себестоимости. Затем строится так называемая суммирующая кривая, которая показывает нарастание затрат объекта по мере включения в него упорядоченных выше частей. Ясно, что вначале ход этой кривой крутой, так как идет включение наиболее дорогих частей, а затем ход ее становится все более пологим. На рис. 2.8 в качестве примера показана суммирующая кривая для генератора переменного тока, состоящего из шести сборочных единиц, суммарная технологическая себестоимость которых равна 9,41 р. Последняя величина разбивается на три части: 7,06 р. (75%), 1,88 р. (20%) и 0,47 р. (5%) и на графике проводятся горизонтальные линии, соответствующие этим числам.

Точки пересечения горизонтальных линий с суммирующей кривой дают три группы А, В и С. В нашем примере в группу А попадают выпрямительный блок, статор и крышка со стороны привода, в группу В — ротор и в группу С — крышка со стороны контактных колец, шкив и вентилятор.

Структура затрат у сборочных единиц и деталей разная, поэтому ранжирование рассматриваемых сборочных единиц и деталей по отдельным статьям расходов также будет меняться. Распределение частей конструкции между группами А, В и С может корректироваться с учетом того вида затрат, который особенно важен для данного производства. Так, на рис. 2.8 показана также суммирующая кривая по заработной плате основных рабочих, она указывает на значительную трудоемкость ротора. Поэтому ротор был переведен в группу А, а на его место в группе В поставили крышку, со стороны привода.

Рис. 2.8. Суммирующие кривые (для определения себестоимости нужно значения по оси ординат умножить на 1 р., для определения заработной платы — на 0,1 р.)

Важным понятием в ФСА является понятие затрат на функцию (или функциональных затрат). Затраты на функцию равняются затратам на изготовление носителя этой функции. Аналогично затраты на группу функций равны затратам на изготовление объекта, выполняющего данную группу функций.

Затраты на функции можно классифицировать по целому ряду признаков (табл. 2.5).

В зависимости от полноты учета калькуляционных статей могут определяться прямые производственные, прямые и цехо-

Таблица 2.5

Классификация затрат на функции

вые косвенные, полные заводские затраты. Обычно при ФСА ограничиваются расчетом только прямых производственных затрат, включающие затраты на основные материалы, покупные изделия и производственную заработную плату. Именно эти статьи расходов чувствительны к изменению конструкции. Тем не менее и прямые затраты подвержены влиянию многих производственных факторов (технологии, организации труда и производства, серийности выпуска, качества управления, уровня специализации и т. д.). Чтобы элиминировать влияние производственных факторов при сравнении экономических показателей, исходные данные в расчетах приводят к сопоставимому виду, т. е., если нужно, их корректируют на единый средний уровень организационно-технологических условий.

Из отмеченных выше элементов производственных затрат особый упор делается обычно на оценку материальных затрат, как наиболее весомых и доступных для расчета. Более подробный расчет затрат с включением косвенных цеховых и заводских расходов осуществляется на завершающих этапах проектирования и освоения серии, когда определяются фактический экономический эффект и цена.

В зависимости от готовности объекта к моменту расчета затрат их можно подразделить на фактические, относящиеся к реальной выпускаемой конструкции, проектные, оцениваемые на стадии проектирования, и прогнозные, определяемые на пред- проектной стадии.

В рассмотренном выше примере фактические затраты на функцию «измеряет массу» равны затратам на изготовление весов, а именно 34,9 к.

Для выполнения одной и той же функции (группы функций) могут быть предложены разные варианты технических решений, при этом и затраты будут различные по величине. Характерной особенностью ФСА является ориентирование разработчиков на так называемую «цель по затратам», количественным выражением которой являются минимально необходимые затраты.

Под минимально необходимыми затратами* понимается такой нижний уровень затрат, который может быть достигнут при разработке наиболее экономичных технических решений, реализующих эту функцию (группу функций).

Назначение «цели по затратам» имеет большое психологическое и стимулирующее значение для разработчиков, позволяет преодолеть мыслительную инерцию и скептицизм, создает основу для материальной заинтересованности исполнителей. Понятие «цели по затратам» аналогично таким понятиям, как «идеальное техническое решение» или «идеальный технический результат», которые служат ориентиром в творческом поиске для разработчиков и изобретателей.

Минимально необходимые затраты на функцию (группу функций) могут быть оценены разными путями, однако во всех случаях в основе такой оценки лежит сравнение альтернативных вариантов.

Первый наиболее простой путь заключается в подборе для анализируемого объекта близкого аналога, который обладал бы тем же составом общесистемных функций, что и анализируемый объект, и имел бы при одинаковых качественных характеристиках меньшую себестоимость. Затраты на такой аналог и являются минимально необходимыми. К сожалению, возможности этого пути ограничены, так как часто не удается найти подходящий аналог.

Второй путь предполагает расчленение объекта на составные части и сравнение альтернатив по отдельным составным частям. Минимально необходимые затраты соответствуют затратам на объект, состоящий из самых дешевых в изготовлении функциональных блоков.

Наибольшую сложность при установлении минимально необходимых затрат вызывают объекты, которые невозможно расчленить на функционально самостоятельные блоки. Для этого случая Л. Майлз предложил прием условного членения объекта на части, являющиеся носителями отдельных внутрисистемных функций. Идея приема выражена девизом: «расчлени и усовершенствуй». Работа выполняется в такой последовательности. Составляется перечень необходимых внутрисистемных функций. Затем для каждой функции подбирается самое дешевое в изготовлении устройство. Суммируя затраты на эти устройства, получают минимально необходимые затраты на объект.

Таким образом, изделие как бы сравнивается с неупорядоченным набором простых и дешевых устройств, имеющих в совокупности тот же состав внутрисистемных функций, что и у анализируемого изделия, причем считается, что «стыковка» устройств друг с другом не обязательна.

Описанный прием носит искусственный характер, в нем не учитывается проблема синтеза конструкции, поэтому результат получается условным и весьма приблизительным. Суть приема хорошо иллюстрирует следующий простой пример, взятый из книги JI. Майлза [2.21 ]. Объектом анализа была стальная шпилька, предназначенная для крепления таймера (датчика времени) к щиту и изготовлявшаяся в количестве 200 000 шт. в год. До проведения ФСА шпилька имела вид, показанный на рис. 2.9, а, изготовлялась на автоматическом винторезном станке и имела себестоимость 8 центов за 1 шт.

В ходе анализа установили, что шпилька должна выполнять следующие функции: функцию 1 «удерживать меньшую лицевую часть таймера»; функцию 2 «создавать промежуток между двумя частями таймера»; функцию 3 «крепить двухфунтовый (800-граммовый) таймер к щиту».

Далее подобрали простые конструктивные устройства, которые могут выполнять каждую из перечисленных функций в от-

Рис. 2.9. Шпилька таймера: а — до проведения ФСА; б — после проведения ФСА

дельности и иметь низкую себестоимость. Перечень таких устройств и их себестоимость приведены в табл. 2.6.

Большая разница между фактической себестоимостью в 8 центов и минимально необходимой в 1 цент указывала на то, что применявшаяся шпилька конструктивно и технологически несовершенна. Далее осуществлялся творческий этап отработки конструкции шпильки так, чтобы отбор идей и вариантов шел в направлении достижения себестоимости шпильки не ниже 1 цента.

Идею рационализации конструкторам «подсказал» обыкновенный гвоздь примерно тех же размеров, что и шпилька, и имеющий себестоимость 0,1 цента. Чтобы гвоздь справлялся с перечисленными тремя функциями, его нужно подвергнуть следующей трансформации: 1) немного переместить шляпку вдоль стержня; 2) сделать шляпку шестигранной; 3) посередине гвоздя сделать другую шляпку для выполнения разделяющей функции № 2; 4) с обоих концов гвоздя нарезать резьбу. Технически все перечисленные преобразования оказались возможными.

Новая конструкция шпильки после проведения ФСА показана на рис. 2.9, б, ее себестоимость составила 0,8 цента, т. е. экономия составила 8 — 0,8 = 7,2 цента или 14 400 долл. в год, причем себестоимость усовершенствованной шпильки оказалась

Т а б л и ц а 2.6 Определение минимально необходимых затрат ца шпильку

даже ниже ранее намеченного уровня, рассчитанного, казалось бы, условным приемом функционального членения.

В зависимости от степени самостоятельности оцениваемых функций затраты на них можно разделить на автономные, приростные и долевые. Такое разделение затрат имеет большое значение с точки зрения установления зависимости себестоимости объекта от затрат на выполняемые им функции. В ходе анализа очень важно выяснить, как изменится себестоимость объекта, если изменятся затраты на ту или иную внутрисистемную функцию.

Под автономными затратами на функцию понимаются затраты на устройство, которое может выполнять только эту функцию, не участвуя в выполнении других функций.

Если объект состоит из нескольких конструктивно самостоятельных однофункциональных блоков, соединенных недорогими связующими элементами (проводами, крепежными деталями, трубопроводами и т. п.), то затраты на этот объект примерно равны сумме автономных затрат на отдельные внутрисистемные функции. Так, регулятор расхода газа для печей выполняет общесистемную функцию «поддерживает постоянный расход газа», он состоит из трех функционально и конструктивно самостоятельных частей: датчика давления, задающего устройства и исполнительного механизма. Затраты на указанную общесистемную функцию есть сумма автономных затрат на три внутрисистемные функции, выполняемые перечисленными составными частями.

Очень часто встречаются конструкции, части которых выполняют одновременно несколько внутрисистемных функций и конструктивно взаимосвязаны. В этом случае для оценки автономных затрат на отдельные функции приходится мысленно или эскизно представить возможные однофункциональные элементы и оценить затраты на них.

Рассмотрим пример. На рис. 2.10 показано крепящее устройство

Рис. 2.10. Крепящее устройство выпрямительного блока

выпрямительного блока, включающее болт 11, две гайки 8 и две шайбы 6. Крепящее устройство выполняет следующие функции: F1 «подводит переменный ток» (от подводящего провода 7 к выводам 5 и 9 вентилей), т. е. его верхняя часть служит клеммой; F2 «крепит токопро- вод», т. е. крепит клемму; F3 «крепит токосъемник «плюс», т. е. крепит катодную шину 4 к анодной шине 2. Крепежные функции F2 и F3 осуществляются через изолирующие втулки 10, 3 и 1.

Определим автономные затраты на функцию F1. Для этого поставим такой вопрос: Что нужно, чтобы соединить электрически провод 7 с выводами 5 и 9? Причем крепить это соединение ни к чему не нужно. Нетрудно представить себе, что для этого достаточно иметь болт длиной 10 мм (0,25 к.), одну гайку (0,24 к.) и одну шайбу (0,03 к.), все это будет стоить 0,52 к. Следовательно, автономные затраты на функцию F1 равны 0,52 к.

Точно таким же образом можно установить, что для реализации только функции F2 достаточно иметь болт длиной 15 мм (0,34 к.), гайку (0,24 к.) и шайбу (0,03 к.), автономные затраты на функцию F2 составят 0,61 к. Функция F3 может быть выполнена болтом длиной 28 мм (0,54 к.), гайкой (0,24 к.) и шайбой (0,03 к.), ее автономные затраты равны 0,81 к. Сумма автономных затрат на функции FI, F2 и F3 составит 0,52 +0,61 + 0,81 =1,94 к.

Крепежное устройство, реализующее одновременно три перечисленные функции, состоит из болта длиной 35 мм (0,64 к.), двух гаек (0,48 к.), двух шайб (0,06 к.) и стоит 1,18 к.

Таким образом, в результате совмещения в крепящем устройстве нескольких функций затраты на это устройство оказываются ниже суммы автономных затрат на отдельные функции.

Несовпадение себестоимости объекта с алгебраической суммой затрат на его функции является проявлением одного из основных законов теории систем, согласно которому свойство системы не является простой суммой свойств входящих в систему элементов. С действием этого закона аналитики сталкиваются постоянно при попытках расчленить общие затраты на объект между его составными частями или функциями. Обычно обнаруживается такой комплекс общесистемных затрат, разнести который между составными частями или функциями можно только условно. К числу этих затрат относятся, например, затраты на общую сборку изделия, его проверку и испытания.

Как же все-таки соотносятся затраты на весь объект с затратами на его функции? Чтобы ответить на этот вопрос, представим себе процесс изменения объекта и его затрат при последовательном придании ему функций. Предварительно расставим функции по значимости их автономных затрат. В нашем примере на первом месте окажется функция F3 (0,81 к.), на втором — функция F2 (0,61 к.) и на третьем — функция F1 (0,52 к.). Наиболее близко по размерам и очертаниям к конечной конструкции устройство, выполняющее функцию F3: болт длиной 28 мм, гайка и шайба. Это устройство и будет исходным.

Поставим такой вопрос: Что нужно добавить к исходному устройству, чтобы оно могло выполнять еще и функцию F2? Нетрудно заметить, что для этого достаточно увеличить длину болта на 2 мм, чтобы можно было прижимать лепестки проводов. Устройство, выполняющее две функции F3 и F2, будет стоить 0,84 к. Прирост затрат на объект составляет 0,03 к.

Далее, чтобы перейти от полученного двухфункционального устройства к конечной конструкции, выполняющей три функции

F3y F2 и FI, нужно удлинить болт на 5 мм и добавить еще одну гайку и шайбу. Прирост затрат от добавления функции F1 составит 0,34 к.

Процесс последовательного добавления функций позволяет уяснить смысл так называемых приростных затрат на функцию. Под приростными затратами на функцию понимается такое изменение затрат или себестоимости объекта, которое вызывается прибавлением (или удалением) этой функции. При этом очередность добавления функций ведется в порядке убывания их автономных затрат.

Исходную функцию, автономные затраты на которую полностью включаются в затраты на объект, будем называть ведущей функцией по затратам. Выявление ведущих функций — важный момент в анализе, в результате которого обнаруживаются так называемые «центры тяжести», служащие объектом пристального внимания разработчиков. Следует обращать внимание и на функции с большими приростными затратами.

В нашем примере ведущей по затратам функцией является F3, большими приростными затратами обладает F1.

Подводя итог, можно сказать, что затраты на многофункциональный объект состоят из автономных затрат на ведующую функцию и суммы приростных затрат на остальные функции, предварительно упорядоченные по их экономической весомости:

тде Соб — себестоимость объекта; Ав — автономные затраты на ведущую функцию; — приростные затраты на і-ю функцию.

Величина приростных затрат на функцию зависит не только от того, насколько дорог в изготовлении носитель этой функции, но и в значительной мере от того, насколько удачно синтезирован носитель функции с носителями других функций.

Можно подобрать дешевые устройства для каждой функции, но при синтезе этих устройств получить довольно дорогую в изготовлении и неэкономичную в эксплуатации конструкцию. Осуществляя анализ, нельзя упускать из виду последующий синтез. Материалистическая диалектика указывает, что в познании анализ всегда выступает в тесном единстве с противоположным ему приемом — синтезом. «Мышление, — писал Ф. Энгельс, — состоит столько же в разложении предметов сознания на их элементы, сколько в объединении связанных друг с другом элементов в некоторое единство. Без анализа нет синтеза» г.

Можно прийти к совершенно неудовлетворительному результату, если сложный процесс синтеза конструкции подменить простым комбинированием элементов с помощью, например, морфологической матрицы.

Размер приростных затрат как раз и указывает на то, насколько рационально конструктор решил задачу синтеза.

Функции и их носители, объединяемые в одной конструкции, часто находятся в техническом противоречии друг с другом. Острота этого противоречия между разными видами функций разная. Так, 'не возникает никакого затруднения объединить в одном устройстве и механическое, и электрическое соединение. А вот синтезирование изолирующей функции с функцией крепеж- но-фиксирующей осуществить сложнее. При синтезе конструкции приходится часто отказываться от многих дешевых вариантов по ряду функций. Например, крышка электродвигателя должна выполнять две функции: «защищать от попадания посторонних предметов» и «пропускать воздух для охлаждения». Между этими функциями явное техническое противоречие, оно особенно заметно, если рассматривать функции отдельно. Минимальные затраты на первую функцию — это себестоимость штамповки из металлического листа, а минимальные затраты на вторую функцию равны нулю, так как для нее никакой крышки не нужно.

Сетка и штампованная деталь с отверстиями — это варианты конструкции, в которых достигнут компромисс между противоречивыми функциями, причем у второй функции уже обнаруживаются приростные затраты (на создание отверстий в крышке).

При проведении ФСА могут также определяться долевые затраты на функцию, которые представляют собой часть затрат на изделие, отнесенную к данной функции. Если деталь, например, участвует в выполнении нескольких функций, то тело детали мысленно «разрезается» на части, которые относят к той или иной функции. Пропорции, в каких мысленно расчленено тело детали, используются и для расчленения затрат между функциями. Понятно, что сумма долевых затрат на функции равна затратам на объект.

В работе [2.18] для определения долевых затрат на функции рекомендуется экспертный метод, с помощью которого для каждой функции устанавливается коэффициент весомости. Долевые затраты на функцию определяются как произведение затрат объекта на коэффициент весомости функции.

Минимально необходимые долевые затраты на функцию могут быть рассчитаны методом «теоретической оценки», сокращенно TEF (Theoretical evaluation of function [2.17]). Метод предполагает использование различных математических моделей, построенных на основе законов физики, механики и других наук. В ходе инженерных расчетов находят минимальные размеры и массу объекта для выполнения функции. За минимально необходимые затраты на функцию принимаются затраты на теоретическую массу материала объекта, способного осуществить эту функцию. Например, изображенная на рис. 2.2 консольная балка выполняет функцию — «держит груз». Если известны масса груза, упругие свойства материала, длина и допустимый прогиб балки, то с помощью формулы (2.1) можно рассчитать сечение и теоретическую массу балки, а следовательно, и минимально необходимые затраты. Для облегчения расчетов применяются различные номограммы.

Анализ затрат на функции — довольно трудоемкий этап ФСА. Чтобы выполнить эту работу быстро и качественно, следует избегать чрезмерной детализации и подробности расчетов. Разного рода экономические «мелочи» и «нюансы» отвлекают внимание разработчиков от решения основных задач. Во многих случаях нет большой необходимости определять затраты по каждой внутрисистемной функции, а можно ограничиться расчетами затрат на группу функций, носители которых подвергаются усовершенствованию сразу в комплексе.