В.М. Бродянский, Ю.М. Синявский.
Основы методики проектирования криогенных установок

1.4. Этапы и стадии создания технической системы

Выше отмечалось, что научно-техническая революция перестраивает характер мышления инженера, заставляя его подходить к техническим объектам, как к сложным системам. При этом системный подход внедряется прежде всего в качестве методологии проектирования, т. е. науки о процессе создания новых технических объектов.

Системный подход охватывает проблему значительно шире, чем тот реализационный («процессный»), который до недавнего времени преобладал в технике. Для него характерна всесторонняя разработка первую очередь функциональных связей, причем на первых порах в отрыве от морфологического (структурного) строения объекта и даже от конкретных физических процессов, посредством которых обеспечиваются функциональные связи. Объект на этой стадии проектирования, представляется в виде набора определенных функциональных элементов («черных ящиков») со связями, обеспечивающими выполнение предъявленных к нему требований.

На определенной фазе проектирования необходим переход к конкретным морфологическим элементам и способам их соединения, которые и дают возможность создания реально функционирующей системы. Переход всецело опирается на теоретический анализ процессов, посредством которых осуществляются функциональные связи.

Это наиболее эффективный путь поиска предметных структур, так как системный подход в процессе проектирования позволяет решить поставленную задачу не путем комбинирования отдельных морфологических элементов из определенного заданного набора (методом «проб и ошибок»), а сознательным построением функциональной схемы будущего объекта с последующим обоснованием процесса, обеспечивающего реализацию найденной функции. И, наконец, от процесса совершается прямой переход к морфологической структуре.

В результате появляется возможность представить в виде единого целого не только отдельное устройство, технологическую операцию, производственный процесс, но и собственно процесс проектирования со всем многообразием решаемых при этом задач. Однако, прежде чем перейти к рассмотрению методов построения функциональной схемы процесса проектирования, отметим следующее.

Задача на проектирование может ставиться двояким образом:
1) модернизация действующей системы,
2) разработка качественно новой системы

Под модернизацией системы подразумевается некоторое изменение в схеме или конструкции в системы, не носящее принципиального характера, но позволяющее улучшить технико-эксплуатационные показатели. Параметры и показатели модернизированной системы отличаются от базовой, как правило, незначительно.

При разработке новой системы нет готового прототипа, а если и есть аналог, то он столь отдаленный, что требуется заново разработать все или большинство единиц основного оборудования. Очевидно, что модернизация системы – это частный случай разработки новой системы, требующий обычно меньшего объема и проектной, и исследовательской работ. Тем не менее в обоих случаях как последовательность, так и функциональный смысл осуществляемой операции в целом полностью сохраняются.

Поэтому ниже рассматривается структурно-функциональная схема (этапы и стадии) проектирования применительно к созданию новой системы. Последовательность и взаимосвязь элементов схемы представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Структурно-функциональная схема процесса проектирования

Разработка любой новой технической системы начинается с анализа соответствия поставленной задачи профилю специализации предприятия. Затем выясняются условия работы будущей системы н требования, предъявляемые к ней заказчиком, соответствие их лучшим отечественным и зарубежным аналогам. На основе этой работы, составляющей первый этап проектирования и проводимой, как правило, специалистами проектирующего предприятия совместно с представителями заказчика, формируется задача проектирования. Стоимость и время проведения этого этапа незначительны, но важность его переоценить. Именно на этом этапе формируется генеральная цель разработки системы в целом и в значительной степени намечается ее общий технический уровень.

Реализация поставленной задачи может быть осуществлена, очевидно, только на основе конкретных предложений. Поэтому следующий необходимый второй этап проектирования заключается в получении (сборе) исходных идей. При этом используются все возможные источники как внутренние, так и внешние по отношению к конкретной организации.

К внутренним источникам идей относятся:
- результаты научных исследований и испытаний серийной продукции, выпускаемой на предприятии;
- совершенствование выпускаемых изделий как в конструктивном, так и технологическом отношении; особенно велика здесь роль внедрения новых технологических процессов изготовления деталей и узлов;
- расширение выпуска не основной для данного предприятия продукции. Материалы, технологические процессы, конструктивные решения, применяемые при выпуске побочной продукции, могут быть в ряде случаев с успехом перенесены или, по крайней мере, помогут натолкнуть на интересные идеи для использования при проектировании основной продукции;
- организация творческой атмосферы среди разработчиков технических объектов, направленная на поощрение самостоятельности работников, их новаторства, активности;
- введение системы поощрения за идеи и предложения, вносимые производственниками, лаборантами, младшим обслуживающим персоналом и т. п., теми, кто непосредственно по роду своей деятельности не участвует в проектировании нового объекта.

Внешние источники идей:
- народнохозяйственные планы, директивы центральных органов;
- анализ существующих и возможных условий применения объектов данной отрасли, например криогенной техники;
- продукция родственных предприятий и смежных отраслей;
- предложения фактических и потенциальных заказчиков;
- научно-техническая литература, патентная информация, отчеты по научно-исследовательской работам;
- научно-технические совещания, конгрессы, конференции, выставки, т.е. свободный обмен мнениями в научной и производственной среде.

Таким образом, успех на этом этапе проектирования во многом определяется организацией творческой деятельности на предприятии, в частности уровнем информационного обеспечения процесса проектирования. [Информационное, как и другие виды обеспечения процесса проектирования, рассматриваются в гл. 3.] Ведущая роль принадлежит также изобретательской деятельности сотрудников предприятия.

Продолжительность этапа относительно невелика. Обусловлено это прежде всего тем, что работа по сбору идеи проводится не только в течение этого этапа, а постоянно всеми специалистами проектных подразделений предприятия. Результаты этой работы составляют содержание постоянно по¬полняющегося так называемого «портфеля идей» предприятия (подразделения), который прежде всего и используется.

Важность этапа чрезвычайно значительна, поскольку от количества и особенно качества базовых идей во многом зависит возможность наиболее полного удовлетворения тех требований, которые предъявлены к будущей системе.

Собранные идеи – это исходный материал для разработки системы. Он может быть достаточно богатым и вместе с тем содержит, как правило, взаимоисключающие, а порой несовместимые для разработки идеи. Поэтому прежде всего нужен костяк (одна или несколько идей), на основе которого строится система, удовлетворяющая основным требованиям. Анализ имеющихся идей и выбор на его основе тех нескольких, которые в принципе могут быть положены в основу разработки как системы в целом, так и ее отдельных элементов, составляют третий этап проектирования.

Этап проводится наиболее высококвалифицированными специалистами и руководителями предприятия. По времени он относительно непродолжителен, но на этом этапе закладывается основа проектируемой системы, те технико-эксплуатационные показатели, которые должны быть получены при ее реализации.

Оставленные для дальнейшей проработки идеи должны быть подвергнуты дополнительному анализу на возможность них технической реализации в конкретных условиях. При этом определяются требуемый объем научно-исследовательских и экспериментальных работ, степень необходимой перестройки производства, приобретение основного и вспомогательного оборудования, соисполнители работы, в тот числе поставщики комплектующих изделий, намечается комплекс органи-зационных мероприятий; оцениваются финансовые и трудовые затраты.

На основе анализа возможностей предприятия, составляющего четвертый этап проектирования, уточняются исходные данные и «выходные» параметры системы; производится предварительное определение ее технико-экономических показателей и эффекта от внедрения в народное хозяйство. Работа на этапе завершается составлением технического задания (Т3) на проектируемую систему.

Анализ возможностей производства осуществляется относительно узким кругом высококвалифицированных специалистов и требует непродолжительного времени.

Согласование и утверждение технического задания позволяют перейти к собственно разработке системы, составляющей пятый этап проектирования, существенно более продолжительный, чем предыдущие. Он состоит из нескольких стадий, рассматриваемых ниже, и включает проведение необходимых НИР, окончательное определение характеристик будущей системы, ее технологический расчет, конструирование отдельных элементов и системы в целом. Таким образом, на этом этапе на основе абстрактно-теоретического анализа осуществляется переход к морфологической структуре системы, посредствам которой обеспечивается реализация функциональных связей, найденных на предшествующем этапе.

Пятый этап завершается назначением технологии изготовления, выпуском документация на изготовление, обслуживание и эксплуатацию системы. Проводится окончательная проверка на патентную чистоту конструкции, которая отражает технический уровень системы.

На этапе разработки системы участвует широкий круг специалистов разного профиля; в том числе младший технический персонал. Этап относительно трудоемкий, он занимает до 50%, а иногда и более суммарного времени, отводимого на проектирование. Общая стоимость работ к концу этапа составляет 40-50% полных затрат на проектирование.

Разработанная система должна быть проверена на работоспособность и соответствие действительных характеристик и расчетных, на технологичность изготовления, соответствие квалификации рабочих, а также уточнение времени и себестоимости изготовления. С этой целью предусматривается шестой этап проектирования – опытное производство, - в течение которого осуществляется изготовление и испытание опытной партии системы (опытная партия крупномасштабных систем, например воздухоразделительных установок, может состоять даже из одного экземпляра). По результатам изготовления и испытания одной партии дается заключение о качестве разработанной системы, возможности запуска ее в серийное производство и при необходимости проводится корректировка технической документации. Этап трудоемкий, занимает 20-25% общего времени проектирования.

Завершается проектирование организацией выпуска изделия в нужном количестве – большими или малыми сериями. На этом, седьмом этапе проектирования заканчивается технологическая и организационная подготовка производства, определяется объем серии, составляется программа выпуска. Изготавливается установочная, а затем головная (контрольная) партия, после чего проводится последняя корректировка документации применительно к основному производству. Этап наиболее капиталоемкий: стоимость его работ может составлять 30-50% всех затрат.

Рассмотренный выше в значительной степени качественный характер изменения стоимости работ в процессе проектирования, а также влияния отдельных этапов на конечные результаты можно проиллюстрировать графиками, представленными на рис. 1.5. Стоимость работ так же, как и время t (в процентах от суммарного времени проектирования), затрачиваемые на проведение первых нескольких этапов (обозначены на рисунке римскими цифрами), относительно небольшие. Однако влияние этих этапов на результаты проектирования, а следовательно и их значение в целом чрезвычайно велико.

Это связано с тем, что любое неоптимальное решение, принятое на первых этапах, приводит не только к нерациональным затратам средств и времени на всех последующих, наиболее капиталоемких этапах, но к относительно более низким, чем можно было получить, технико-эксплуатационным или экономическим показателям разработанной и внедренной системы. Исправление ошибки, допущенной на начальной стадий проектирования, требует фактически повторения заново большей части работы. Поэтому очень важно своевременно исключить из разработки предложения, имеющие ограниченную ценность, и не «потерять» ни одной интересной перспективной идеи.

Рис. 1.5. Характер изменения относительной стоимости работ и относительного влияния отдельных этапов на конечные результаты в процессе проектирования.

Следующая страница: 1.4a. Стадии разработки системы