Технико-экономическое обоснование выбора проектного решения

Нижеприводятся две главы из книги – Глебов И.Т., Глухих В.В., Назаров И.В. Научно-техническоетворчество: Учеб. пособие. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т., 2002.–264 с. 
Глебов Иван ТихоновичТехнико-экономическое обоснование выбора проектного решения/>/>/>19.Эффективность проектных  решений/>/>/>19.1.Основные технико-экономические параметры
Все параметры техническогообъекта можно поделить на две группы по зависимости их от окружающей среды.
Параметры первой группыназывают показателями технического уровня. К ним относят показателимассовые, геометрические, компоновочные. Они не зависят от окружающей среды.
Параметры второй группыназывают квалиметрическими (квалитет – качество) или основнымихарактеристиками. К ним относят показатели производительности, долговечности,надежности, эксплуатабельности, управляемости, стоимости и др. Эти показателизависят от окружающей среды [43].
Основными показателями, которые характеризуют процессразработки и эксплуатации технического объекта, являются время, стоимость инадежность (рис. 33).Эти показатели тесно связаны между собой. Развитиепроцессов идет по спирали.
Прогнозируя технические решения, следует иметь в виду, что их сложностьнепрерывно возрастает, и поэтому время, необходимое на их разработку, тоже увеличивается.Кроме того, растет время на изготовление и наладку технических объектов.
Усложнение технических объектов приводит к росту затрат общества на ихразработку и эксплуатацию. Чем больше новизна разрабатываемого техническогорешения, тем выше затраты общества на его разработку  и промышленное освоение.Особенно возрастает стоимость ремонта и обслуживания. Например, стоимостьизготовления трактора ДТ-75 меньше стоимости его ремонта за срок службы 8…9 летв 2,5 раза.
Для уменьшения расходов на эксплуатацию необходимо повысить надежностьтехнического объекта в период его использования. Связь показателей “время –стоимость – надежность” может быть и обратно пропорциональной. Например, еслиразрабатывается технический объект с заданными показателями надежности взаданное время, то придется увеличить стоимость изготовления за счет увеличениятрудовых ресурсов или использования дорогостоящих, но надежных, компонентов.Если нет возможности увеличить ресурсы на изготовление, то придется попуститьсянадежностью за счет увеличения срока разработки.
/>Эффективность использования технического решения определяютпо формуле
/>,
где  П– прирост прибыли;
      З – прирост затрат.
Если Э />/>/>19.2.  Критерии развитиятехнических объектов/>/>/>19.2.1.Классификация критериев
Критерии развития –это те параметры технического объекта, которые на протяжении длительного временимонотонно изменяются, приближаясь к своему пределу, и выступают меройсовершенства и прогрессивности.
Технические объектысовершенствуются в направлении улучшения критериев. Поскольку качество любоймашины оценивается по нескольким критериям, то принцип прогрессивного развитиязаключается в улучшении одних и не ухудшении других критериев.
/>Схема классификации критериев развития приведена на рис. 34 [30].
Для оценки качества машиниспользуют четыре группы критериев развития: функциональные, технологические,экономические и антропологические./>/>/>19.2.2.Функциональные критерии развития
Функциональные критерииразвития характеризуют производительность,точность и надежность станков. Критерий производительности зависит от рядапараметров (скорость, частота вращения валов, количество шпинделей и т.п.),влияющих на производительность станка.
Точность изготовления изделийрегулируется квалитетами.
Критерий надежности отражает свойство машины выполнять определенные функции,сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежуткавремени или необходимой наработки [13]. Надежность машины включает показателибезотказности, ремонтопригодности, сохраняемости, долговечности. Количественнымикритериями надежности служат вероятность безотказной работы, число отказов (илиинтенсивность отказов) и наработка на отказ./>/>/>19.2.3.Технологические критерии развития
Технологическиекритерии развития характеризуют возможностьэкономии живого труда при изготовлении и подготовке к эксплуатации машин.
Критерий трудоемкости изготовления машины находят как частное от делениясуммарной трудоемкости АТС проектирования, изготовления и подготовкик эксплуатации изделия на главный показатель эффективности Q:
                                         Кт= Атс/Q.
В качестве главного показателя эффективности машиныможно принять установленную мощность приводов, кВт, или другой показатель.
Критерий технологических возможностей отражает простоту и принципиальную возможностьизготовления машины. Характеризуется он коэффициентом технологических возможностейКтв.
  Значениекоэффициента  0 £ Ктв £ 1,  и чем онбольше, тем больше сохраняются известные решения в машине, тем в большейстепени используются покупные и унифицированные элементы, многократнопроверенные в работе и изготовлении.
  Конструкторчасто стремится удовлетворить высокие требования к машине известными,традиционными структурами, используя конструктивные решения, уже отработанныена известных образцах. Такой подход требует минимума затрат времени и средств,но влечет за собой нежелательные последствия.
  Приизлишнем увлечении преемственностью, заимствованием, унификацией, попыткойвоспользоваться тем, что уже создано и опробовано, невозможно обеспечить требуемогороста уровня показателей машин, невозможно лидировать на мировом рынке.Спроектированные таким образом машины быстро морально стареют и через короткоевремя нуждаются в дополнительной модернизации.
  Однакоэто не значит, что надо разрабатывать только новые машины. Как правило,желаемого результата можно достичь при комбинации известных решений с новымиструктурными решениями, построенными на современных физических и технологическихпринципах.
  Обычнов новые современные машины из ранее разработанных прототипов переносится всреднем до 50% конструктивных решений без переделок или с частичными изменениями.При этом высокие значения     показателей преемственности достигаются в основномза счет второстепенных структурных элементов, переносимых из одного поколениямашин в другое.  Основные  подсистемы   при  этом,  как  правило,  создаются заново[43].
  Критерийиспользования металлов Ким характеризует технологический процесс изготовления деталей машины и равенотношению массы машины G к массе израсходованных материалов Р (при этомпокупные комплектующие элементы не учитываются): Ким = G/P .
  Значение Ким  в целом не превышает 0,55.
  Критерийрасчленения машины на элементы служитмерой оптимальности расчленения машины на узлы и детали с целью упрощениятехнологии разработки, доводки, изготовления, ремонта, модернизации, унификациии стандартизации.
  Чемменьше в машине сборочных единиц и деталей, тем меньше ее масса, выше жесткостьи надежность, меньше трудоемкость механической обработки и сборки.
  Большеерасчленение машины на сборочные единицы и детали тоже имеет свои преимущества.Большее расчленение машины с новыми элементами позволяет сократить время и трудоемкостьразработки и доводки машины в целом. В процессе разработки и доводки новогостанка экономичнее и проще устранять недостатки отдельных более простых узлов идеталей. Расширяются возможности унификации и стандартизации./>/>/>19.2.4.Экономические критерии развития
Критерий металлоемкости Км  равен отношению массы машины  Gкк ее главному  показателю  эффективности  Q  (установленная    мощность, кВт,максимальная ширина обработки, см, для фуговальных, рейсмусовых  и  других станков,  производительность,  шт./мин,  м/мин и т.д.):  Км =  Gк/Q.
Критерий энергоемкости Кэ находится как отношение затраченнойэнергии при эксплуатации в единицу времени W к одному из показателей эффективностиQ:  Кэ =  W/Q .
Критерий затрат наинформационное обеспечение Киоопределяется как отношение затрат S на приобретение и эксплуатациювычислительной техники, разработку программного или информационного обеспеченияк одному из показателей эффективности Q:  Кио = S/Q.
Критерий габаритныхразмеров Кг равенотношению габаритных размеров машины  V к  ее эффективности  Q: Кг=  V/Q .
Чем меньше значение Кг, тем меньше  машина занимает производственную площадь, тем меньше расходматериалов на ее изготовление./>/>/>19.2.5.Антропологические критерии развития
Антропологические критерииразвития обеспечивают  максимальную приспособленность машины к человеку,снижение дискомфорта,         повышение положительных эмоций.
Критерий эргономичности характеризует использование в системе человек-машинафизических, психологических и интеллектуальных возможностей человека. Критерийравен отношению реализуемой эффективности системы человек–машина к максимальновозможной эффективности этой системы.
Критерии красоты, безопасности и экологичности характеризуютвнешний вид машины, ее безопасность и способность не причинять вреда окружающейсреде./>/>/>19.2.6. Критерии для оценки деревообрабатывающих машин
  Общееколичество критериев, применяемых для оценки деревообрабатывающих машин, можноразделить на две группы: общие для всех случаев (глобальные) и критерии,характерные для частных случаев [44].
  Изчисла глобальных наиболее важными считают следующие:
  –повышение уровня автоматизации основных технологических операций;
  –повышение уровня механизации и автоматизации  вспомогательных операций;
  –повышение непрерывности процесса обработки;
  –увеличение надежности работы станка;
  –снижение уровня трудозатрат живого труда в изделии;
  –снижение общей трудоемкости изделия;
  –повышение уровня технологичности станка;
  –снижение материалоемкости (металлоемкости) станка;
  –достижение оптимального расчленения станка на части;
  –снижение энергопотребления;
  –уменьшение габаритов станка;
  –улучшение условий эксплуатации и обслуживания станка;
  –повышение безопасности работы и обслуживания станка;
  –улучшение внешнего вида (красоты) станка;
  –повышение экологичности станка.
  Вкачестве частных критериев, часто используемых при оценке станков и ихузлов, назовем следующие:
  –высокая скорость резания;
  –широкий диапазон регулирования подачи;
  –плавность регулирования подачи;
  –точность и стабильность базирования;
  –точность обработки;
  –качество обработки;
  –устойчивость к вибрациям;
  –высокая износостойкость;
  –защищенность от перегрузок;
  –низкий уровень шума;
  –отсутствие монотонности в работе оператора;
  –легкость обслуживания;
  –простота системы управления;
  –отсутствие «капризных» механизмов, требующих частой наладки;
  –простота и удобство наладки станка.
  Длякаждого конкретного случая проектирования технической системы конструкторподбирает перечень критериев развития из списка глобальных и частных критериев.Основой для выбора служат требования, предъявляемые к проектируемой системе.При этом уже на стадии выбора проектного решения конструктор стремится, чтобысистема максимально удовлетворяла всем выбранным критериям./>/>/>Контрольные вопросы изадания
1.  Как называют параметрытехнического объекта, зависимые и независимые от окружающей среды?
2.  Что такое критерии развития?
3.  Приведите классификацию критериевразвития.
4.  Как критерии развития учитываютпреемственность технических объектов?
5.  Поясните сущность критериярасчленения технического объекта на элементы.
6.  Что учитывают эргономическиекритерии развития?
7.  Какие критерии называют общими ичастными?/>/>/>19.3. Оптимизация техническихрешений/>/>/>19.3.1.Общие сведения
Для решения задачиоптимизации необходимо иметь множество возможных (альтернативных) решений Y (рис. 35). В этом множестве можно выделить множество допустимых решений Yд. Решение называютдопустимым, если оно удовлетворяет ограничениям (требованиям, предъявляемым кобъекту): ресурсным, социальным и т.д. При этом
Yд  Í Y,
гдесимвол Í означает, что множество Yд естьчасть или совпадает с множеством Y возможных решений. В множестве допустимыхрешений можно выделить множество эффективных решений Yэ,которое включает в себя несравнимые между собой наилучшие решения:
Yэ Í Yд.
Решение Yэ называется оптимальным,если оно обеспечивает экстремум (максимум, минимум) одновременно всех критериев.Оптимальное решение находится в множестве эффективных решений:
Yо Í Yэ.
Поскольку все критерии одновременно не могут принятьэкстремальные значения, то при решении многокритериальной задачи находят толькорациональное решение.
/>Таким образом, задачаоптимизации направлена на          определение наилучшего (рационального)решения, путем           последовательного сужения множеств Y, Yд,Yэв соответствии с допустимыми ограничениями ипринятыми критериями [45, 46]:
Yо  Í Yэ  Í Yд Í Y.
Чем больше подобраноальтернативных вариантов, и чем более удачно подобраны критерии, тем большевероятность того, что найденное решение будет самым лучшим.
В инженерной практикеоптимизации можно отметить два правила:
–   получение желаемого эффекта приминимуме затрат;
–   получение максимального эффектапри использовании заданных ограниченных ресурсов.
Эти правила обрели значение экономических законов.
Субъектом всякогорешения является лицо, принимающее решение (ЛПР). Это собирательное понятие,включающее как одно индивидуальное лицо, так и группу лиц (групповое    ЛПР) [47].
ЛРП осуществляет выбор решения. Выбор – это ключеваяпроцедура процесса оптимизации. Выбор может быть критериальный, волевой и случайный.
С помощью критериев решаются одно- и многокритериальныезадачи. Выбор с помощью критериев – самый точный.
Волевой выбор решения представляет собой осознанный иответственный выбор в условиях, когда отсутствует полный комплекс критериев.
Случайный выбор применяется при полном незнании критериевоценки. Им можно пользоваться, когда область допустимых решений минимальна./>/>/>19.3.2.Концепция принятия решений
Концепцияпринятия решений представляет собою       систему взглядов, которая определяетобщую направленность и методику принятия решений. Концепция включает следующие пункты [47].
1.  В задаче принятия решений ЛПРвыполняет основную роль.  Оно принимает решения на основе своих предпочтений инесет за них ответственность.
2.  Эксперты выполняют вспомогательнуюроль. Они несут ответственность только за свои рекомендации.
3.  Измерение качества решенийосуществляется на основе формирования альтернативных вариантов и их сравнительнойоценки. Для оценки нужны альтернативные варианты, хотя бы два. Сравнительнаяоценка решений является единственным способом измерения предпочтительности вусловиях отсутствия эталонов.
4.  В условиях неопределенности можетне существовать единственного оптимального решения. Для ЛПР, имеющих различныепредпочтения, решения будут разными./>/>/>19.3.3.Ранжирование
Для облегчения процессавыбора, исследуемые варианты оцениваются количественно и качественно.Количественное измерение важности и предпочтительности вариантов решений выполняетсяметодом ранжирования.
Ранжирование– это процедура упорядочения. Выполняетсяона ЛПР. При ранжировании варианты решений расставляются в порядке предпочтенияпо отношению к каждому критерию.
Если среди вариантов нетэквивалентных (равнозначных) решений, то из них можно составить последовательность
/>,                                          (37)
где   вариант х1 болеепредпочтителен из всех вариантов;
        вариант х2 менеепредпочтителен х1, но предпочтительнее всех остальных и т.д.
Отношение (1) можно записать отношением чисел
с1 >с2 >с3 >…>сm.
Возможна обратная последовательность чисел
с1 с2 с3 сm.                                            (38)
Если наиболее предпочтительному варианту присвоить число 1, то получимчисловую последовательность
1
Здесь числа 1, 2, 3,…m называют рангами.
При ранжировании наиболее предпочтительному варианту присваиваетсяранг, равный единице, второму по предпочтительности – ранг, равный двум и т.д.Для эквивалентных вариантов назначаются одинаковые ранги, равные среднемуарифметическому значению рангов. В этом случае, например, ранги  r1 =r2 =r3 = (3+4+5)/3 = 4./>/>/>19.3.4.Выбор эффективных решений
Выбор решений – этозаключительный и наиболее ответственный этап процесса принятия решений. Выборвыполняют путем последовательного сужения области решений и уменьшениянеопределенностей. При этом множество допустимых вариантов решений сужается домножества эффективных вариантов решений. Процедура эта выполняется следующимобразом.
Пусть множество допустимыхрешений содержит варианты Y1, Y2,…Y8. Для оценки вариантовподобраны критерии вариантов  А1, А2,…А6.
Для определения эффективныхрешений значения всех критериев развития по вариантам приводят к рангам, ирезультаты заносят в таблицу (табл. 21).
Таблица 21
Ранжирование вариантов решений по критериям Решения Критерии развития
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Y1 1 2 1 1 1 1
Y2 2 3 2 2 2 1
Y3 3 1 3 3 3 3
Y4 4 1 4 4 4 3
Y5 2 2 2 2 3 2
Y6 3 3 3 3 4 2
Y7 4 1 4 4 5 4
Y8 5 1 5 5 6 4
Сначала ранжируют вариантырешений по критерию А1. Для этого надо определить: в какомрешении критерий А1 наилучшим образом реализован. Вприведенном примере предпочтение отдано варианту Y1, и ему присвоен ранг 1. Остальные варианты решений менеепредпочтительны, и им присвоены ранги в пределах 2…5. Затем решения ранжируютпоследовательно по остальным критериям.
Определение областиэффективных решений делается путемпопарного сравнения вариантов решений. Сравнение выполняются по принципуПарето, согласно которому одно решение Yiпредпочтительнее другого решения Yj,если выполняется векторное отношение“не хуже”:
(уi1, уi2,…уiq,) ³ (уj1,уj2, …уjq,).
Таким образом, однорешение предпочтительнее другого, если все значения рангов первого решения нехуже значений соответствующих рангов второго решения и, по крайней мере, дляодного критерия имеет место строгое предпочтение.
Будем сравнивать решенияпопарно. Сравниваем ранги решений Y1 и Y2.Первое решение будет предпочтительнее второго, так как его ранги выше, а шестойранг не хуже чем у второго. Второе решение исключается из дальнейшегорассмотрения.
Затем сравниваем Y1и Y3. Все ранги первого решения выше, чем у третьего, но  второйранг хуже и поэтому третье решение исключить из рассмотрения нельзя.
Сравнивая попарно остальныерешения, приходим к выводу, что все они хуже, чем решения Y1и Y3. Все они исключаются из дальнейшего рассмотрения.
Таким образом, областьдопустимых решений сужена до двух эффективных решений Y1 и Y3./>/>/>19.3.5.Определение единственного решения
Определение единственногорешения – заключительный этап процедуры выбора. Для решения задачи нужна дополнительнаяинформация.     Если такой информации нет, то решение можно выбрать из областиэффективных решений волевым порядком. Волевое решение будет близко к        оптимальному.
Дополнительная информацияможет быть подготовлена группой экспертов, которые могут установить вес wj  для каждого выбранного      критерия. Вес критерия назначают впределах 0…1 (1 – существенная      значимость критерия; 0,5 умереннаязначимость; 0 – несущественная       значимость). Для оптимального решения
/>,                                       (40)
где Кs – значения рангов для каждого решения.
Для предыдущего примера результаты выбора рациональногорешения сведены в табл. 22.
Таблица 22
Выборрационального решенияРешения Критерии развития
/>
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Y1 1/1 2/2 1/0,5 1/0,4 1/0,2 1/0,1 3,2
Y3 3/3 1/1 3/1,5 3/1,2 3/0,6 3/0,3 7,6
Вес wj 1 1 0,5 0,4 0,2 0,1 Примечание. В числителе – значения рангов; в знаменателе произведение значения ранга на вес.
Оптимальным будет решение Y1.
Таким образом,рациональным будет то решение, для       которого указанная сумма будетминимальна./>/>/>19.3.6.Пример выбора оптимального решения
Дано: на начальной стадиипроектирования лесопильной установки для распиловки бревен на пиломатериалыбыло предложено три варианта установки: лесопильная рама Р, ленточнопильныйстанок Л, круглопильный станок Ц.
Основные требования,предъявляемые к лесопильной установке:
–   минимум энергопотребления;
–   максимальная производительность;
–   максимальный выход пиломатериаловза счет сокращения доли опилок;
–   минимальная металлоемкость;
–   надежность, безотказность вработе.
Требуется выбрать для дальнейшего проектирования лучшуюлесопильную установку.
Решение. За критерии оценки вариантов приняты указанные требования:
К1 – критерийэнергопотребления;
К2 – критерийпроизводительности;
К3 – критерийвыхода пиломатериалов;
К4 – критерийнадежности;
К5 – критерийметаллоемкости.
Определение множестваэффективных решений. Для этогосоставим табл. 23 и проведем ранжирование вариантов по каждому критерию.
Таблица 23
Ранжирование вариантов по критериям
 Варианты Критерии
К1
К2
К3
К4
К5 Р 2 2 2 1 3 Л 1 3 1 2 1 Ц 3 1 3 3 2
Критерий К1 – энергопотребление. Энергопотребление будет меньше длятого станка, у которого пила будет тоньше. По энергопотреблению предпочтениеотдается ленточнопильному станку и ему присваивается  ранг 1. Лесопильная рамаменее предпочтительна, а круглопильный станок – самый энергоемкий.
Критерий К2 – производительность. Анализ производительности сделанпо известным серийно выпускаемым станкам моделей Ц8Д8,    2Р50-3, ЛБЛ-150.Максимальная скорость подачи Vsm приведена к одной пиле:
для круглопильного станкаЦ8Д8 –  ранг R = 1;  
   Vsm =VsZ/1000 = 60 × 8 =480 м/мин;
для лесопильной рамы 2Р50-3 –ранг R = 2;  
   Vsm = S2xnZ/1000 =  75 × 360 × 10/1000 = 270 м /мин;
для ленточнопильного станкаЛБЛ-150 – ранг R = 3;   Vsm = 90 м/мин.
Критерий К3 – выход пиломатериалов. Предпочтение вариантов связанос толщиной пилы станка. Чем тоньше пила, тем меньше образуется опилок и тембольше выход пиломатериалов.
Критерий К4 – надежность, безотказность в работе. О надежностиработы станка будем судить по безотказной работе пилы (возможные отказы – обрывполотна пилы, потеря плоского напряженного состояния).
Критерий К5 – металлоемкость. Считаем, что самым легким станкомбудет ленточнопильный, ему присвоим ранг 1.
Сравнение вариантов ведемпопарно по принципу Парето. Согласно принципу Парето первый вариант решенияпредпочтительнее второго, если ранги первого решения по всем критериям не хужесоответствующих рангов второго решения.
Попарное сравнение вариантовпоказало, что эквивалентных и заведомо плохих вариантов станков нет. Всеварианты можно отнести к эффективным решениям.
 Поиск единичного,наилучшего решения. Для выбора наилучшего варианта необходимо дополнительнознать весовой коэффициент Кs для каждого критерия. Значения коэффициентовнаходятся экспертной комиссией на основании личных предпочтений каждого изэкспертов. Оптимальное решение находится минимизацией суммы эффективных вариантов(табл. 24):
/>.
Таблица 24
ОптимизациявариантовВарианты Критерии
/>
К1
К2
К3
К4
К5 Р 2/1 2/0,4 2/1 1/0,4 3/0,9 3,7 Л 1/0,5 3/0,6 1/0,5 2/0,8 1/0,3 2,7 Ц 3/1,5 1/0,2 3/1,5 3/1,2 2/0,6 5,0
Кs 0,5 0,2 0,5 0,4 0,3
Лучший вариант –ленточнопильный станок./>/>Контрольные вопросы
1.  При каких условиях возможнорешение задачи оптимизации?
2.  Поясните  содержание концепциипринятия решений при оптимизации.
3.  Что такое ранжирование? Каковапроцедура его  выполнения?
4.  Приведите пример ранжирования.
5.  Как осуществляется оценкавариантов по принципу Парето?
6.  Как найти наилучший вариантрешения задачи?/>/>/>20. Технико-экономическое обоснование проектногорешения
Любая приближенная оценка разрабатываемого техническогорешения лучше, чем отсутствие оценки
(Из книги Евланова Л.Г. «Теория и практика применениярешений»)
 
  Каждое техническое решение, закладываемое вразрабатываемый объект, влечет за собой определенные затраты в изготовлении,эксплуатации и последующей утилизации и поэтому должно быть экономическиоправданным.
Ужев начальной стадии проектирования разработчик имеет дело с вариантами решениязадачи. Хорошо бы дать качественную и количественную оценки каждого из этихвариантов. Однако в начале проектирования конструктор не располагает достаточнымиданными для количественной оценки критериев. Значения критериев можно сосчитатьтолько лишь при детальной проработке интересующего варианта конструкции, на чтобудет потрачено время и материальные ресурсы. В связи с этим выбор      варианта производят по методике, изложенной выше.
Ниже разобран пример решения задачи./>/>/>20.1. Задача
  Пустьтемой проекта будет разработка линии для сращивания короткомерных пиломатериаловпо длине. Информационные исследования уже выполнены и представлены на рис. 12 и14. Опираясь на них, надо выбрать прототип с целью его улучшения. Это ответственнаязадача, так как прототип формирует сущность проектного решения. Если прототипбудет выбран неудачно, то и проектное решение будет слабым.
Улучшая прототип, надо подготовить множество альтернативныхвариантов решения задачи с тем, чтобы из них выбрать наилучшее решение.Алгоритм разработки проектного решения можно представить схемой (рис.36) [14,43].
1. Описание проблемнойситуации.   В деревообрабатывающемцехе  образуются   кусковые  отходы  сухих  пиломатериалов  длиной 100… 300мм. Объем отходов – 2 м3 в смену.  Сейчас эти отходы не находятприменения и сжигаются. Цех несет убытки.
Для разрешения проблемнойситуации кусковые отходы древесины можно склеивать по длине на зубчатые шипы.Так, по крайней мере, делается в мировой практике.
Этому мешает отсутствие необходимого оборудования. Существующиелинии, например фирмы Dimter, позволяют склеивать пиломатериалы длиной только220...1000 мм или 300...2000 мм. Эти линии имеют большую производительность изначительные габариты (ширина их 5 м, а длина 15 м).  Линии не пригодны дляработы в небольших цехах – они занимают большую производственную площадь, и ихневозможно загрузить по производительности.  
Решение проблемы позволит дополнительнополучить около 1,7 м3 пиломатериалов в смену по одному цеху.
  2.Описание функции техническогообъекта. Обобщенное описание: линия должна обеспечить нарезание зубчатыхшипов на обоих торцах заготовок немерной длины, нанесение клея на шипы, сборкуи продольное прессование склеиваемых заготовок. Получаемая на выходебесконечная лента пиломатериала должна раскраиваться на заданный размер подлине.
Количественное описание:размеры склеиваемых заготовок, мм:  длина   100...300,  ширина   50...150,  толщина   25...50,  производительность – 2 м3 кусковых отходов в смену.
  3.Выбор прототипа и составление списка требований к нему. На основании имеющейся обобщенной информации (см.рис.12 и 14) можно сделать вывод, что наиболее перспективными являются те линиисращивания пиломатериалов по длине, в которых заготовки складываются в пакетформы «брус» для нарезания зубчатых шипов и нанесения клея, а затемпоштучно подаются на сборку и продольное сжатие в продольный пресс.
 
  /> />
Известна линия сращивания пиломатериалов подлине, включающая ленточный реверсивный конвейер 1, смонтированный навертикальной оси, с возможностью поворачиваться к упору 2 и пилофрезерному узлу3 с клеенаносящим    устройством   4,  смонтированными  на   суппорте  5  (рис. 37, а). За ленточным конвейером расположен механизм поштучнойвыдачи 6 заготовок, продольный пресс 7 с подающим конвейером и тормознойколодкой 8, а также торцовочный станок 9.
/>

  Списоктребований. Улучшенная линия должна обеспечить:
  –обработку кусковых отходов древесины размерами, мм: длиной 100...300; шириной50...150 и толщиной 25...50;
  –образование на линии минимума новых древесных отходов;
  –снижение энергоемкости пресса;
  –уменьшение габаритов;
  – производительность линии около 2 м3 в смену.
           4. Список недостатков прототипа. Прототип имеет следующие недостатки:
а) на линии невозможнообработать заготовки длиной 100 мм, так как их трудно сбазировать изафиксировать на конвейере, а затем передать пакет на следующий конвейер. Этообъясняется тем, что радиус барабанов, на которые надета  лента конвейера,соизмерим с длиной заготовки;
б) шипы на переднем и заднемторцах заготовок нарезаются зеркально,  в  результате  чего  после  склеивания боковая  кромка  ленты получается  ступенчатой,  уходящей  в  отход  при  последующей обработке   (рис. 37, б);
в)  линия имеет большиегабаритные размеры и занимает большую производственную площадь;
г) пресс слишком энергоемок.
Указанные недостатки можноранжировать (расставить по важности) следующим образом: а, б, г, в.
5. Формулировка задачи.
Дано:  Линия для склеивания пиломатериалов по длине назубчатые шипы включает шипорезный станок с поворотным на вертикальной осиконвейером, упором и механизмом резания на суппорте и продольный пресс сконвейером и тормозной колодкой.
Список требований (изложитькратко): длина заготовок 100...300 мм, количество новых отходов, энергоемкостьи габариты линии свести к минимуму, производительность – 2 м3  в смену.
Список недостатков прототипа(изложить кратко): невозможно обработать короткие заготовки, образуется многоновых отходов, пресс энергоемок, большие габариты линии.
Требуется изменить прототип иустранить его недостатки при заданных ограничениях./>/>/>20.2.Преобразование задачи
При решении сложную задачуделят на несколько простых. Количество простых задач равно количествунедостатков. Для каждой простой задачи формулируется техническое противоречие,и подбираются приемы решения.
Недостаток 1 – невозможно на ленточном конвейере сбазировать изакрепить пакет  из коротких заготовок для механической обработки. Обычныйспособ устранения недостатка (СУ) – уменьшить радиус барабана конвейера. Дляидеального случая радиус барабана должен равняться нулю. Нежелательный эффект(НЭ–2), который при этом возникнет – при радиусе барабана, равном нулю, лентаконвейера не сможет перемещаться. Технические противоречия: ТП–1 – если радиусбарабана  конвейера уменьшить до нуля, то короткие заготовки хорошо базируютсяи фиксируются на конвейере, но лента конвейера не  может  двигаться  (конвейер становится  неработоспособным); ТП–2 – если радиус барабана не уменьшать, токонвейер работоспособен, но на нем невозможно сбазировать и зафиксироватькороткие заготовки для нарезания шипов. При базировании заготовки с помощьюленты конвейера должны упереться торцами в упор.
Подберем эвристические приемы(см. приложение 1).
ЭП1 – 1.4. Перейтиот криволинейных частей к прямолинейным.
ЭП2 – 3.1.Изменить традиционную ориентацию объекта в пространстве: горизонтальноеположение на вертикальное.
ЭП3 – 7.12.Выделить в объекте самый нужный элемент и усилить его или улучшить условия егоработы.
Использовать стандарты 1.1.1,  1.1.3 (см. п. 7.2).
Недостаток 2 – из-за зеркального нарезания шипов на заготовкахбоковые кромки склеенной ленты получаются ступенчатыми, из-за чего образуютсяновые отходы.
СУ – при перебазированиипакета для нарезания шипов с другой стороны  заготовок  пакет надо сдвинутьвбок на половину шага шипов. НЭ–2 – усложняется кинематика устройства базированияпакета. Технические противоречия: ТП–1 – если пакет заготовок сдвинуть вбок наполшага шипов, то боковая кромка склеенной ленты будет плоской, и количествоотходов при последующей обработке будет сведено к минимуму, но усложняетсякинематика устройства для базирования; ТП–2 – если пакет вбок не сдвигать, то кинематикамеханизма базирования не усложняется, но объем отходов при последующейобработке увеличивается.
Для решения воспользуемсястандартом  1.1.3.
ЭП1 – 5.11.Разделить объект на части, способные перемещаться относительно друг друга.
Недостаток 3 – пресс слишком энергоемок.
СУ – исследования показывают,что усилие прессования зубчатых шипов можно снизить, если статическое усилиесжатия заменить усилием ударного или вибрационного действия. НЭ–2 – существенноусложняется   конструкция  тормозного устройства. Технические противоречия: ТП–1 – если тормозное усилие пресса выполнить ударным, то снижается усилиепрессования, но усложняется конструкция тормозного устройства; ТП–2 – еслитормозное усилие сохранить обычным, то конструкция тормоза не     усложняется,но усилие сжатия шипов велико.
ЭП1 – 5.7.Разделить объект на две части – тяжелую и легкую, передвигать только легкуючасть.
ЭП2 – 5.14. Компенсироватьдействие массы объекта  соединением его с объектом, обладающим подъемной силой.
Использовать стандарты1.1.3,  1.1.7.
Недостаток 4 – большие габаритные размеры.
СУ –  заготовки с нарезаннымишипами подавать в пресс непосредственно из пакета с позиции нарезания шипов.НЭ–2 – уменьшается      производительность. Технические противоречия :  ТП–1–если заготовки подавать в пресс из пакета с позиции нарезания шипов, тоуменьшаются габариты линии, но убывает ее производительность; ТП–2 – еслипри       загрузке пресса  заготовки подавать не из пакета, то производительностьлинии не уменьшается, но увеличиваются ее габаритные размеры.
Поскольку по условию задачипроизводительность линии требуется снизить, то можно считать, что данноетехническое противоречие не обостренное. Недостаток 4 можно устранить обычнымспособом: подавать       заготовки в пресс непосредственно из пакета./>/>/>20.3. Поиск новых идей решения
На данном этапе необходимонайти новые идеи решения поочередно всех задач.
Устранение недостатка 1. С целью базирования и фиксации пакета заготовок длянарезания шипов можно применить:
1) стол с направляющейлинейкой и прижимом, пакет прижимать к упору и разворачивать вручную;
2) то же, но вместо столаиспользовать трубу прямоугольного поперечного сечения;
3) из ЭП2– 3.1 истандарта 1.1.1 следует, что нужно использовать для базирования и перемещенияпакета имеющееся даровое поле – гравитационное. Это можно сделать, если горизонтальное(традиционное) положение пакета при базировании и нарезании шипов заменить навертикальное положение.
Используя стандарт 1.1.3,решаем, что стол или трубу следует закрепить на горизонтальном валу с цельюразворота стола на 180° с помощью, например, пневмоцилиндра.
Устранение недостатка 2. Для смещения пакета заготовок вбок на половину шагазубчатых шипов можно предложить следующие варианты:
1) направляющую линейку столасмещать вбок между регулируемыми упорами пневмоцилиндром;
2) по стандарту 1.1.3,предлагается следующий вариант: если вал стола (трубы)  снабдить паройвинт-гайка, то при повороте вала на 180° стол сместится вбокна половину шага резьбы винта.
Устранение недостатка 3. Для снижения энергоемкости пресса можно применитьударную или вибрационную тормозную нагрузку. Предлагаются следующие варианты:
1) применить маховик сприводом, вращающийся навстречу подаче заготовок в пресс и кратковременносоприкасающийся с заготовками;
2) согласно стандарту 1.1.7маховик должен соприкасаться с легкой промежуточной деталью, взаимодействующейс заготовками и выполненной из износостойкого материала.
Устранение недостатка 4:  подавать заготовки в пресс непосредственно из пакета,расположенного горизонтально.
Итак, по задаче создано 8вариантов разрешения технических противоречий. Проведем их анализ./>/>/>20.4. Анализ полученныхвариантов идей
Анализ вариантов проводится сцелью определения их совместимости в разрабатываемой технической системе ивозможности нежелательных влияний на другие части системы (табл. 25).
Таблица 25
Анализ последствий использования новых технических решений
 
Отрицательные  последствия,
влияющие на  другие  подсистемы
Положительные последствия,
 влияющие на  другие  подсистемы Вариант 1. Стол с направляющей линейкой и прижимом: Ручной труд Можно обрабатывать детали Вариант 2. Стол в виде трубы прямоугольного сечения: Ручной труд, неудобно обслуживать Можно обработать короткие детали Вариант 3. Стол (труба) на поворотном валу: Ручная загрузка пакета Позволяет базировать, фиксировать и    перевертывать пакет Вариант 4. Направляющая линейка, смещаемая  вбок: Усложняет конструкцию Позволяет правильно базировать Вариант 5.  Вал  снабдить  парой   винт-гайка:
 Нет Позволяет правильно базировать Вариант 6.  Маховик  с  приводом  в  контакте  с  заготовками: Подгорание  древесины Уплотняет шиповое соединение Вариант 7.  Маховик  в  контакте  с  промежуточной  деталью, контактирующей с заготовками в прессе: Нет Уплотняет шиповое соединение Вариант 8. Стол (трубу) фиксировать горизонтально для подачи заготовок в пресс: Нет Упрощает загрузку пресса />/>/>20.5.Синтез работоспособных технических решений
 Из вариантов идей, анализкоторых приведен в табл. 25, попытаемся составить несколько вариантов проектныхрешений задачи. Цель этого этапа – составить  как можно больше работоспособныхвариантов системы.
При разработке вариантов проектных решений широко пользуютсяметодом инверсии. В устройствах иногда бывает выгодно поменять узлы (детали)ролями, например, перемещаемый узел сделать неподвижным, ведущую деталь сделатьведомой. Целесообразно бывает инверсировать формы деталей, например, наружныйконус заменить внутренним, выпуклую поверхность – вогнутой [48]. Каждый разконструкция при этом  приобретает новые свойства./> />
Вариант 1. Линия включает суппорт 1 с фрезой 2, столом 3 и устройством для нанесенияклея (рис. 38). Над столом смонтирован вал 4, соединенный с кассетой 5 для заготовокв виде трубы прямоугольного поперечного сечения.  Пресс содержит подающиевальцы 6, тормозную колодку 7, взаимодействующую с заготовкой и расположеннуюмежду упорами, ограничивающими ее ход. Маховик 8 с приводом можеткратковременно взаимодействовать с колодкой. Вал 4 имеет винтовую нарезку,взаимодействующую с гайкой. За прессом смонтировано пильное устройство 9.
При работе линии пачкузаготовок немерной длины загружают в кассету. Заготовки падают на стол, и торцыих выравниваются. После этого заготовки зажимают прижимом. Включают суппорт,шипы нарезаются и смазываются клеем. Кассету с помощью вала поворачивают на 180онад столом, при этом винтовая нарезка вала смещает кассету вбок. Нарезают шипына противоположных торцах заготовок. Кассету ставят в горизонтальное положение,и  заготовки поштучно подают в пресс. Маховик ударной нагрузкой упрессовываетшипы. Образуется непрерывная склеенная лента, которую распиливают по длинепильным устройством 9.
Вариант 2. Решение отличается от варианта 1 тем, что заготовкивручную базируют по направляющей линейке и крепят на столе каретки, которуювручную перемещают относительно фрезы и клеенаносящих дисков. Стол с помощьюэксцентриков может подниматься на половину шага шипов. После нарезания шиповзаготовки вручную подают в пресс.
Вариант 3. Решение отличается от варианта 2 тем, что впрессе        маховик кратковременно  взаимодействует непосредственно с заготовкой.
Вариант 4. Решение отличается от варианта 2 тем, что столкаретки выполнен ступенчатым, причем одна ступенька выше другой на половинушага шипов.
Вариант 5. Решение отличается от варианта 4 тем, что столвыполнен плоским, но для поднятия пакета  заготовок на половину шага шипов подпакет кладут прокладку.
Предложенные вариантыпредставляют собою область допустимых решений./>/>/>20.6. Оценка вариантов и выборрешения
 На этом этапе сначалауточняется область эффективных решений, а затем выбирается окончательныйвариант решения задачи, рекомендуемый для дальнейшей конструкторской проработки.
Будем считать, что достижениеудачного результата обеспечивают следующие  критерии:
А1 –увеличение надежности работы линии;
А2 –снижение энергопотребления;
А3–повышение уровня автоматизации;
А4 –точность и стабильность базирования;
А5 –простота и удобство наладки станка;
А6 –простота системы управления.
Варианты Yi и критерии Аjзанесем в табл. 26 и произведем ранжирование вариантов.
Таблица 26
Ранжирование вариантов решений
 Решения Критерии
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Y1 1 1 1 1 1 2
Y2 2 1 2 2 1 1
Y3 2 1 2 2 1 1
Y4 3 1 2 2 1 1
Y5 4 1 2 3 1 1
Сравнивая варианты попарно в соответствии с принципомПарето, отметим, что вариант Y2предпочтительнее вариантов Y3, Y4, Y5, так как каждый его рангне хуже соответствующих рангов указанных вариантов. Вариант Y1 имеет ранги болеевысокие, чем вариант Y2, заисключением рангов по критерию А6. Отсюда следует, что вобласть эффективных решений входят только варианты Y1, Y2.
Для выбора наилучшего решения нужны  дополнительныесведения по весу критериев. Если такие сведения получить трудно, то решениеможно принять волевым путем. Из таблицы видно, что более предпочтительновыглядит вариант Y1. Его ипринимаем за наилучшее решение.
Если все-таки вес критериев можно установить, тосведения об эффективных вариантах и весе критериев надо занести в табл. 27
Таблица 27
Выборнаилучшего решения
 Решения Критерии
/>
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Y1 1/0,3 1/1 1/0,1 1/1 1/0,8 2/1 4,2
Y2 2/0,6 1/1 2/0,2 2/2 1/0,8 1/0,5 5,1 Вес 0,3 1 0,1 1 0,8 0,5
Наилучшее решениесоответствует варианту Y1, так какдля него значение /> меньше, чем длявторого варианта.
Итак, вариант проектногорешения по теме выбран. Это вариант 1. Далее следует провести подробноеописание предлагаемого варианта со ссылками на позиции схемы. На этомтехнико-экономическое обоснование проектного решения заканчивается./>Заключение
Изучение предлагаемой книгипозволяет читателю приобрести новые знания, умения и навыки в области научныхисследований и конструирования. Эти знания могут быть использованы при изучениидругих учебных дисциплин, а умения и навыки будут закреплены при выполнениистуденческих исследовательских работ, а также курсовых и дипломных проектов.
Учебная дисциплина“Научно-техническое творчество” изучает две первые подсистемы единой системы“наука – техника – производство”. Во введении к книге показано, что все частиуказанной системы тесно взаимосвязаны друг с другом и опираются на потребность.
На основании изложенного вкниге материала можно сделать следующие выводы.
1. Учебная дисциплина“Научно-техническое творчество”  опирается на научную базу, котораяскладывалась годами. В книге неоднократно делаются ссылки на историю развитиянауки и техники. Исторически сложился язык науки, основные понятия и определения,методология.
Изучив и освоив общиесведения о научно-техническом творчестве, обучающийся сможет мыслить иобсуждать различные вопросы на языке науки.
2. Любое новое знание обобъекте техники опирается на старое знание. Для получения нового знанияисключительную роль приобретает информация. Потоки информации в современноммире настолько велики, что использовать их в полном объеме становится невозможно.
Для того, чтобы облегчитьдоступ к информации следует на стадии ее подготовки и поиска применятьтрудосберегающие технологии. Подобранная и обработанная информация должнаиспользоваться многократно различными специалистами. Для этого информациядолжна быть систематизирована и представлена в виде структурных матриц,обобщенных графов и фактографических графиков.
Основное требованиек информации – меньше текста и больше матриц, графов и графиков.
3. Большинство научных,технических, технологических, экологических и других проблем и задач невозможнорешить без проведения измерений. Так как любые результаты измерений являютсяслучайными величинами (из-за невозможности исключения ошибок измерения), топодход к ним должен основываться на методах математической статистики и теориивероятностей. Случайные величины подчиняются законам распределения Гаусса,Пирсона, Стьюдента, Фишера и др.
Для оценки результатов измерениянадо иметь представление об ошибках измерения: абсолютной и относительной, случайнойи систематической и др.  Надо освоить законы накопления ошибок.
Спецификой измерений в химиии химической технологии (и особенно при выполнении лабораторных работ) можносчитать малое число, а иногда и отсутствие параллельных (повторных, кратных)измерений, что затрудняет оценку погрешностей, проведение анализа и выбор формыпредставления конечных результатов измерений.
4. Научное исследование частовыполняется путем проведения эксперимента. Эксперимент ставится на модели(экспериментальной установке) по определенному плану. Часто используют четыретипа планов: для применения корреляционного анализа, дисперсионного анализа,регрессионного анализа и для решения оптимизационных задач. Освоив указанныеметодики, читатель будет уверенно чувствовать себя при проведении и обсуждениинаучно-исследовательских работ
5. Результаты прикладныхнаучных исследований используются при разработке технических объектов вкачестве новых параметров, новых режимов работы устройства, новых компонентоввещества, новых принципов действия устройства и др.
6. Движущей силой процессасовершенствования технического объекта является обостренное техническоепротиворечие. Технических объектов без противоречий не бывает. При созданиинового технического объекта устраняется обостренное противоречие, ноодновременно с этим зарождается другое противоречие, которое пока необостренное. Со временем это противоречие становится обостренным, тормозитжелаемое функционирование объекта и его надо будет устранить.
7. Для разработки новыхтехнических объектов разработаны различные методики. Известные методытехнического творчества можно объединить по принципу их схожести в несколькогрупп: мозговой атаки, морфологического анализа, “контрольныхвопросов”, методы эвристических приемов. Самая сильная группаметодов относится к алгоритмам решения изобретательских задач, например,АРИЗ-85-В, а также к стандартам на решение изобретательских задач,разработанным Г.С. Альтшуллером.
Таким образом, для решениятехнических задач имеется достаточное количество методов. При этом первыечетыре метода активизируют творческий процесс, а последние два помогают генерироватьновые идеи. Для успешной работы, особенно молодым специалистам, достаточноосвоить 3…5 методов.
8. В процессе разработкинового технического объекта необходимо подготовить несколько вариантов решениязадачи, а затем выбрать несколько (до 15) критериев, с помощью которых будетвыбрано оптимальное решение.
Работая с книгойсамостоятельно, надо последовательно изучать излагаемый материал. Самоконтрольможно провести с помощью контрольных вопросов. Только после того, как пройденныйматериал будет надежно усвоен, можно переходить к изучению следующегоматериала. Для запоминания терминов, определений можно пользоваться глоссарием(приложение 4).