Развитие методов технико-экономического анализа конструкции изделия

Киричек А.П. / МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 658.012.12

Актуальность проблемы

Развитие машинной техники обычно сопровождается усложнением ее конструкций. В целях оптимизации параметров создаваемых машин проводят технико-экономический анализ последовательно выполняемыми тремя методами: интуитивным, параметрическим и функционально-стоимостным. Качество и трудоемкость работ по проведению анализа зависит от квалификации и творческих способностей конструктора.

Несмотря на то, что параметрический анализ проводится по разработанным алгоритмам, его метод еще нельзя признать совершенным, так как совершенство алгоритма зависит не только от способностей конструктора, но и от конструктивных особенностей и сложности новой разработки.

Качество результатов использования функционально-стоимостного метода тоже зависит интуиции экспертов при определении важности выполняемых функций составных частей изделия автомобильной промышленности, которых может насчитываться тысячами [1…3]. Этот метод требует больших затрат труда квалифицированных специалистов специально создаваемых в фирмах больших подразделений функционально-стоимостного анализа (ФСА). В практике западных стран рекомендуется организовывать подразделения ФСА, если предполагаемая стоимость отработанной таким образом конструкции может сократиться примерно на 15%. Такому анализу обычно подвергается значительная часть оригинальных сборочных единиц и деталей, из которых оказывается сравнительно небольшой процент частей, подлежащих замене новыми вариантами.

Использование ресурсно-прозрачной безразмерной технологической функции Кочетова позволяет решить проблему повышения качества как параметрического, так и функциональностоимостного анализов и значительно сократить затраты времени, труда и средств на проведение аналитических работ. Технологическая функция (ТФ) позволяет формализовать процессы этих работ, потому что она отражает количественную экономическую взаимосвязь технических параметров изделия, его составных частей и стоимости преобразования производственных ресурсов в новую конструкцию изделия [5–7].

Систематизация технико-экономического анализа

Систематизация анализа предусматривает последовательное выполнение следующих процессов:

– для принятия решения о необходимости проведения анализа предварительно оценивают уровень эффективности или конкурентности Уо объекта по соответствующей ему формуле технологической функции, представленной отношением (У) значений эффективностей нового (qн) к базовому (qб) аналогу, где qi — количество производимой продукции с учетом ее качества на единицу денежных расходов ресурсов;

– для последующего анализа сопоставляют полученное (Уо) и заданное (Уз — прогнозное или нормативное) значения параметров элементов объекта; если Уо < Уз, необходимо проведение параметрического анализа ресурсопотребления конечной продукции по каждому виду ресурса;

– оценка эффективности использования каждого вида ресурса (уровня ресурсоотдачи уi) для выявления ресурса с меньшей эффективностью его использования по соответствующей данному изделию формуле табл. 1;


– анализ низкой эффективности использования этого ресурса и несоответствия значений основных параметров объекта подобным характеристикам конкурирующих аналогов;

Для обеспечения заданной проектной конкурентности объекта определяется нормативное значение уровня его развития на основе техникоэкономического (табл. 1) и инженерного прогнозирования по патентной и другой научнотехнической информации. Такие нормативы для разных целей проектирования (нового, модернизируемого или ремонтируемого) объекта приведены в табл. 2.


– выявление и формулирование возможного конкретного технического противоречия между необходимостью и возможностью создания конкурентного объекта;

– поиск причины (источника) такого противоречия и мер ее устранения;

– решение задачи параметрической оптимизации.

Рекомендуемая методология техникоэкономического анализа предусматривает последовательное применение: параметрического метода технико-экономической оценки, анализа и прогнозирования конструкций (ПАК), динамического анализа ресурсопотребления (ДАР) и функциональностоимостного анализа (ФСА).

Для оценки параметрическим методом образцы должны обладать одинаковым количеством известных параметров, но не меньшим трех.

Уровень качества и экономичности, т. е. эффективности или конкурентности нового технологического или производственного процесса изготовления изделия автомобильной промышленности может быть определен через уровень себестоимости продукции или работы Ус с предварительным расчетом удельных показателей металлоемкости (м) оборудования (фондоемкости продукции), трудоемкости (т), энергоемкости (э) и материалоемкости (с) продукции сопоставляемых вариантов производства:


или непосредственно по индексам исходных технических и экономических параметров [4]


где uo, uт, uэ, uс — индексы цен ресурсов, расходуемых при эксплуатации нового и базового образцов машин (единицы массы машины, чел-ч. труда, кВт-ч энергии, единицы массы сырья или материала конечной продукции); до, дт, дэ, дс — доли затрат ресурсов в структуре себестоимости конечной продукции (работы), производимой базовым образцом техники (соответственно: амортизация оборудования, оплата труда с учетом выплат на социальные нужды, затраты на энергию и сырье или материалы); m — уровень конструктивной массы нового оборудования относительно базового; t — уровень срока службы нового оборудования; l = Lн / Lб — уровень трудоемкости эксплуатационного обслуживания нового образца по отношению к базовому; при одинаковой продолжительности смен работы в сопоставляемых вариантах уровень трудоемкости численно равен уровню численности рабочих; kу.т — коэффициент эргономичности, учитывающий условия труда при новом варианте техники kу.т = k1*k2*k3...kn, k1...kn — коэффициенты изменения производительности труда рабочих в новом варианте производства при изменении условий труда (запыленности, температуры, освещенности, шума, токсичности и др.); их значения определяются по графикам производительности труда или потерь рабочего времени; при отсутствии графиков — экспертным методом балльных оценок; w =Wн /W — уровень установленной мощности двигателей нового оборудования; r = Rн /R — уровень расхода сырья и материалов при новом оборудовании.

Сумма долей затрат на преобразование ресурсов составляет характеристическое уравнение производства, которое является ресурсной структурой издержек производства или себестоимости продукции


Для образцов оборудования равного возраста и класса исполнения при одинаковых условиях их изготовления (по лицензии) и эксплуатации значения цен одноименных ресурсов принимаются одинаковыми, а их индексы uо = uт = uэ = uс = 1, то есть ui = 1. При этом формула (8) значительно упрощается.

При оценке машин затраты на сырье и материалы производимой продукции или работы не учитываются (дс = 0), так как их наибольшая доля (дс > дт + дэ + до) искажает конструктивно-технологические преимущества нового образца, тем более что машины могут обрабатывать, перерабатывать, транспортировать материалы и сырье разной стоимости.

Тогда формула (2) принимает дополнительно укороченный вид


При отсутствии в выставочных проспектах показателей качества, надежности, долговечности, эргономичности их индексы k, п, t, kут приравниваются единице, а формула уровня конкурентности становится очень простой и удобной для оперативной оценки, ходя с калькулятором по выставке:


Для автоматического оборудования, не требующего значительных затрат труда наладчика, т = 0; дт = 0; kут = 1; дс = 0. Для оборудования, не требующего расхода топлива и энергии, например, механизмов, э = 0; дэ = 0; дс = 0. При этом формулы уровня конкурентности оказываются совсем короткими.

Оценка уровня У, Уэ или Ус проводится по этапам:

– оценка соответствия образца стандартным требованиям качества методом прямого сопоставления новых и базовых значений показателей эргономики и безопасности (kут >= 1);

– оценка уровня конкурентности образцов изложенными методами при условии выполнения стандартных требований качества (У >= 1);

При несоблюдении стандартных требований на первом этапе новый образец не подлежит техникоэкономической оценке. При наличии нескольких образцов нового аналогичного (по назначению и области применения) оборудования с уровнем У > 1 принимают образец с наибольшим значением У.

Для оценки У технологических линий и комплексов машин показатели расхода ресурсов (оборудования, энергии) определяют суммированием одноименных показателей по всем машинам. Главным параметром эффекта является производительность технологической линии или комплекса.

Случаи сопоставления нового и базового образцов оборудования приведены в табл.3.


Случай 2 предусматривает оценку иностранных образцов по сравнению с отечественными аналогами. При необходимости показатель уровня иностранного образца (Уб) может быть заменен показателем отечественного (У) по соотношению У = 1 /Уб , где Уб — уровень эффективности иностранного варианта при сопоставлении с отечественным.

К случаям 1 и 2 относятся как выбор нового образца взамен устаревшего, так и выбор лучшего образца в качестве базы для сравнения.

В формулах (1), (2), (3) индекс uo <> 1 в тех случаях, когда степень сложности сопоставляемых образцов, их возраст и качество материалов (сырья) различны (случай 1 в табл.1). Индекс uт <> 1, если система управления новым образцом существенно отличается от базовой и поэтому требует другой квалификации и оплаты труда обслуживающих рабочих.

Если отличающиеся условия труда невозможно учесть расчетом, то в варианте с худшими условиями следует добавить затраты, необходимые для доведения его эргономичности до уровня лучшего варианта; при этом kут = 1.

Формула (2) и ее разновидности называются технологической функцией, отражающей рост экономичности и полезности производства в зависимости от интенсивности использования ресурсов.

Параметрический анализ основан на взаимосвязях технических параметров объекта и экономических показателей эффективности его эксплуатации. С целью определения необходимости анализа предварительно проводится оценка уровня эффективности или конкурентности (Уо) будущего объекта в типичных условиях эксплуатации относительно лучших известных отечественных и зарубежных образцов по формуле технологической функции. Если Уо <= 1, объект неконкурентоспособен, и поэтому необходим его анализ.

Для будущих образцов уровень эффективности (конкурентности) должен быть существенно больше единицы, так как к моменту постановки их на производство конкурирующие аналоги также будут более эффективными. Степень увеличения проектного уровня эффективности зависит от цели разработки и сложности объекта. Нормативные значения уровня эффективности или конкурентности могут определяться разными способами:

– прогнозированием по формуле (2) или

– нормированием по формулам табл. 1.

В соответствии с табл. 2 для модернизации объекта уровень эффективности должен быть не менее 1,2, для создания нового образца средней сложности Уо >= 1,4, для сложных образцов машин и автоматов У >=1,6, так как за продолжительный период разработки и постановки на производство конкурирующие аналоги тоже будут обладать большей эффективностью и к тому времени понизят текущий уровень конкурентности нашего объекта. Для быстро развивающихся изделий приборостроения и электронной (в том числе вычислительной) техники требования к повышению уровня конкурентности значительно выше, т. е. сроки их разработки для достижения нормативного значения уровня конкурентности (например, 1,6 и выше) значительно меньше, чем для рабочих машин.

Если кратко указанные выше требования не выполняются, приступают к анализу данного объекта.

На этом этапе проводится оценка роста эффективности ресурсопотребления каждого из четырех видов ресурса i по формулам ресурсоотдачи (табл. 1).

Если значения уровней ресурсоотдачи i-го ресурса не соответствуют указанным выше требованиям, необходима доработка проектной документации той части проекта, которая в наибольшей степени влияет на использование данного ресурса. Это же условие распространяется и на составные части объекта.

Для выявления необходимости оптимизации проектного решения применяется метод динамического анализа ресурсопотребления. Динамический анализ проводится для той части проекта, которая относится к ресурсу с низким уровнем ресурсоотдачи уi < 1.

Динамический анализ ресурсопотребления предложен И.М. Сыроежиным в 80-х годах [8]. Его последователи А.В. Завгородняя и Л.В. Неверовский в 1984 г. опубликовали этот метод, названный динамическим нормативом [1]. Метод позволяет быстро найти резервы и пути повышения эффективности производства. Динамический норматив представлен последовательностью неравенств индексов эффективности использования производственных ресурсов (труда, материалов, основных производственных фондов). оптимизация проектного решения необходима при любом результате оценки уровней эффективности ресурсопотребления, так как она обеспечивает сбалансированность расходов преобразуемых ресурсов в продукт при данном уровне развития технологии.

Общий порядок проведения анализа эффективности производства зависит от результатов оценки объекта (Уо > 1 или Уо < 1).

В первую очередь сопоставляются индексы уровней фактической, плановой или прогнозной фондоотдачи (уфф), эффективности использования материально-энергетических ресурсов (умф), производительности живого труда (утф) в сравнении с прошлым (базовым) вариантом производства.

Условие роста эффективности производства отражается динамической моделью эффективности использования ресурсов процесса производства продукции [1, 8]:


В соответствии с ресурсной структурой издержек производства или себестоимости продукции динамический норматив Сыроежина дополнен уровнем эффективности энергопотребления уэ:


При анализе конструкции машин, обрабатывающих материалы разной прочности и стоимости стоимость материалов продукции, скрывающей конкурентные конструкторские преимущества нового образца (ум = 0). Тогда динамический норматив ресурсопотребления (1) примет вид


Затем, в случае положительного результата оценки объекта (У > 1), полученные численные значения индексов уjф ресурсоотдачи выстраиваются в возрастающий ряд членов неравенства. При сопоставлении числового неравенства с динамическим нормативом выявляется тот индекс уjф, который нарушает последовательность расположения членов норматива, т.е. уjф < у(j-1)ф.

После этого проводится анализ использования соответствующего вида ресурса.

В случае отрицательного результата (у < 1) вначале анализу подлежит использование того вида ресурса, для которого индекс ресурсоотдачи оказался меньшим единицы уjф < 1.

В любом случае (у > 1 или у < 1) оценки объекта по результатам анализа уровня ресурсоотдачи j-го ресурса (уjф) на основе выявленных причин понижения (уjф < 1) или недостаточного повышения (уjф < у(j-1)ф ) разрабатываются меры по его увеличению до значения, отвечающего динамическому нормативу (8).

Условие динамического норматива является достаточно жестким для производства, но его соблюдение необходимо для гарантии повышения хозрасчетной эффективности, особенно при автоматизации производства в процессе технического перевооружения или реконструкции предприятия.

В системе СТЭР динамический норматив является основным инструментом экономического анализа развития производства на любом уровне управления им.

Динамический норматив отражает важную закономерность технологического развития, которая объясняется просто. С ростом производительности машин производительность живого труда растет пропорционально, а в результате автоматизации производства производительность труда возрастает многократно и почти скачкообразно. При этом рост эффективности использования сырья и материалов не зависит от производительности машин. Расход материальных ресурсов пропорционален массе продукции, а удельный расход зависит от их физико-механических и химических свойств и от совершенствования технологии их преобразования в продукцию. При этом следует отметить весьма низкую чувствительность снижения материалоемкости продукции при совершенствовании производства любым способом, за исключением высокоэффективной замены обычного материала. Четвертый член динамического норматива (уровень фондоотдачи) — довольно инерционный показатель. Отечественная и мировая практика технологического развития показала незначительное повышение фондоотдачи в результате относительного удешевления машин. Во многих отраслях материального производства она понижалась или, в лучшем случае, оставалась постоянной. В машиностроении этот показатель незначительно повышался. Такое явление объясняется небольшим снижением металлоемкости технологических машин с увеличением их производительности. Только при успешной замене принципа действия машин и конструкционных материалов можно значительно снизить их металлоемкость.

Функционально-стоимостной анализ (ФСА) предусматривает поиск наиболее экономных способов реализации технических решений изделия автомобильной промышленности и его составных частей.

Степень детализации процессов ТЭА возрастает на последующих стадиях разработки, когда увеличивается количество частных параметров изделия.

Функционально-стоимостной анализ проводится для той части проекта, которая относится к ресурсу с уровнем ресурсоотдачи уi, который нарушает строгое неравенство динамического норматива.

Таким путем трудоемкость и стоимость работ по ФСА многократно сокращается.

Формализация методов технико-экономического анализа изделий автомобильной промышлености

Параметрический анализ

Технологическая функция (ТФ), основанная на едином динамическом критерии эффективности, предусматривает производную от этого критерия классификацию параметров и показателей по их функциональному признаку. Все показатели делятся на показатели результатов (полезности или эффекта), увеличение численных значений которых свидетельствует об увеличении полезности объекта, и показатели затрат, рост которых отражает повышение его стоимости.

Применение ТФ (в системе СТЭР) позволяет проводить выбор оптимального варианта конструкции по наибольшему значению уровня эффективности (У), который для единичных машин или технологической линии рассчитывается по технологической себестоимости продукции. При необходимости оптимизации распределения ресурсов для преобразования их в изделие анализ проводится рассмотренным выше методом динамического норматива. Оптимизация и выбор параметров составных частей изделия, включая детали машин, конструкционные материалы, методы и режимы их обработки могут проводиться так же в системе СТЭР с помощью модификаций ТФ, т. е. на основе динамического анализа. Динамический анализ также является параметрическим, но основан на соотношении темпов изменения эффективности использования взаимосвязанных ресурсов производства или эксплуатации техники.

Анализ конструкций изделий автомобильной промышленности должен проводиться с двух позиций рассмотрения машины:

– как объекта эксплуатации в типовых условиях применения

– как предмета ее производства в заводских условиях.

В первом случае целью анализа является обеспечение роста эффективности эксплуатации машин у ее потребителя, во втором — повышение эффективности ее изготовления путем отработки конструкции на технологичность.

В связи с созданием системы СТЭР порядок и процедуры технико-экономического анализа существенно упростились.

Результатом оценки окажется один из двух случаев ответа:

– первый — удовлетворительные значения ресурсоотдачи всех используемых ресурсов, т.е. уi (1-n) > 1 или

– второй — неудовлетворительные значения эффективности использования некоторых ресурсов уi < 1.

В любом из этих случаев анализ необходимо продолжить.

В первом случае следует сопоставить полученные значения ресурсоотдачи с динамическим нормативом для обнаружения менее эффективного использования ресурса. При необходимости повысить эффективность использования соответствующего ресурса прибегают к подбору более эффективного варианта конструкции или технологического процесса с помощью метода функционально-стоимостного анализа (ФСА).

Во втором случае можно сразу приступать к подбору эффективного варианта конструкции, от которой может зависеть интенсивность использования соответствующего ресурса.

Принципы оптимизации технических решений

Обычно при рассмотрении вопросов оптимизации технических систем, которые, как правило, обладают множеством разнородных параметров, используют многокритериальный подход. Такой подход обусловлен отсутствием сведений о количественной взаимной связи разных параметров технической системы. Для принятия однозначного решения оптимизационной многокритериальной задачи используется метод сведения критериев или разных параметров с помощью взвешивания их значимости в обобщаемом численном критерии. Практически такие задачи оптимизации решаются методом перебора разных проектных вариантов.

Использование технологической функции (ТФ), функционально связывающей разнородные параметры технических и технологических систем, значительно меняет процедуры их оптимизации. Так как ТФ отражает экономическую цель инженерной деятельности, то в качестве коэффициентов весомости в ней используются доли потребления основных ресурсов в ресурсной структуре издержек производства или себестоимости продукции. Такая особенность ТФ позволяет повысить объективность оценки результатов оптимизации технической системы при обычном переборе вариантов.

Кроме того, аналитическая взаимосвязь параметров системы позволяет заменить дискретный метод перебора вариантов аналитическим методом.

Обратимся к формуле ТФ для машины:


В этой формуле кроме экономической связи технических и эргономических параметров (в составе формулы коэффициента условий труда kу.т) обнаруживаются физические связи производительности машины (или процесса) и расхода основных материалов, массы транспортной машины и мощности ее привода, мощности привода и производительности погрузочной машины и других параметров (например, скорости, грузоподъемности). Поэтому при оптимизации технической системы в качестве независимых переменных можно выбрать главные параметры в зависимости от назначения и вида технической системы и получить систему уравнений оптимизационной задачи и цены ресурсов. Доли затрат на ресурсы пропорционально зависят от физического расхода и цен. Физический расход определяется технико-эксплуатационными параметрами технической системы.

Относительно удачным методом оптимизации конструкторских решений может явиться метод динамического анализа ресурсопотребления, отражающий принципиальную сущность технического прогресса.

Следует отметить и другой подход к оптимизации параметров технических и технологических систем — аналитический расчет параметров исходя из прогнозных цифр социально-экономического развития страны и отраслей производства.

В целях обеспечения осуществления национальных прогнозов социально-экономического развития в качестве аргумента можно принять рост или относительный прирост производительности труда, уровень снижения материалоемкости и энергоемкости выпускаемой техники, повышение ее надежности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Завгородняя А.В., Неверовский Л.В. Совершенствование системы показателей эффективности и качества. — Л.: ЛДНТП, 1984. — 28 c.

2. Ипатов М.И. Технико-экономический анализ проектируемых автомобилей. — М.: Машиностроение, 1982. — 272 с.

3. Кац Г.Б., Ковалев А.П. Техникоэкономический анализ и оптимизация конструкций машин. — М.: Машиностроение, 1981. — 214 с.

4. Ковалев А.П. и др. Справочник по функционально-стоимостному анализу / А.П. Ковалев, Н.К. Моисеева, М.Г. Карпунин / М.Г. Карпунина, Б.И. Майданчика. — М.: Финансы и статистика, 1988. — 431 c.

5. Кочетов В.В., Колобов А.А., Омельченко И.Н. Инженерная экономика: Учебник. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — 668 с.: ил.

6. Кочетов В.В. Оценка технического уровня машин и оборудования // Стандарты и качество. — 1981. — №3. — С. 55—59.

7. Кочетов В.В. Эффективные методы обеспечения конкурентности изделий // Машиностроитель. — 2005.– №6. — С. 32–35.

8. Сыроежин И.М. Совершенствование системы показателей эффективности и качества. — М.: Экономика, 1980. — 256 с.

9. Павловский М.А., Путята Т.В., Теоретическая механика — Киев: Вища Школа, 1985. — 327с.

Развитие методов технико-экономического анализа конструкции изделия

Киричек А.П., МГТУ им. Н.Э. Баумана

В статье кратко изложены формализованные по единому критерию эффективности проектных решений методы технико-экономического анализа: параметрический, динамического ресурсопотребления и функциональностоимостного анализа, позволяющие значительно повысить качество и экономичность изделий и сократить затраты времени, труда и средств на проведение проектноконструкторских и технологических работ.

DEVELOPMENT OF METHODS OF THE TECHNICALLY ECONOMICAL ANALYSIS OF CONSTRUCTION OF THE ITEM

Kirichek A., Moscow State Technical University n.a. N.E. Baumana (MSTU)

This article briefly identifies the methods of technically economical analysis. The methods are classified according to the criterion of project solution efficiency. They are parametrical, dynamic source consumption analysis, function and cost analysis. All of them enable to increase the quality and efficiency of the items and reduce time, labor and other expense on the carrying out project- construction and technological works.