Инновационная система для производственного процесса

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Инновационная система для производственного процесса

А.В. Титенок

Сформирована система инновационного творчества, основанная на открытых автором статьи законах и закономерностях развития техники. Представлены показатели, характеризующие новшество.

Ключевые слова: инновационная система; производственный процесс; техника; закономерности развития; техническое творчество.

инновационный новшество техника производственный

Техническое творчество всегда ориентировано на предмет практической реализации намеченной цели с максимально возможной выгодой для существующих условий. В связи с этим средства механизации производства совершенствуются по принципу идеализации в соответствии с генеральной закономерностью (открыта и сформулирована автором статьи) [1]:

1. Процесс совершенствования технических объектов представляет собой явление циклического изменения числа элементов конструкции по принципу: от простого к сложному изделию, затем от сложного к относительно простому изделию. Процесс осуществляется через идеализацию объекта совершенствования, что предполагает: уменьшение числа элементов конструкции при сохранении или увеличении количества выполняемых ими функций; надежность и долговечность работы элементов устройства; эффективность воздействия рабочих органов машины на предмет труда.

2. Процесс совершенствования машин - это объединение определенного количества агрегатов в сложное изделие, последовательно упрощающееся по мере накопления научно-практической информации. Этот процесс предполагает идеализацию изделия и обеспечение массовости потока предмета труда при осуществлении технологического процесса;

3. Процесс совершенствования системы средств механизации труда - это последовательность эволюции (от примитивных орудий труда к системе машин, а затем к системе технологий и машин), которая обеспечивает образование бифуркационного множества технологических процессов (системы технологий), практически реализуемых в системе технологий и машин и предполагающих идеализацию технологий (создание идеальных конкретных технологических процессов), выполняемых идеальными техническими средствами.

Практическое применение принципа идеализации технических объектов способствует изобретению упрощенных, но более эффективных (в сравнении с аналогами и прототипом) устройств и способов осуществления технологических процессов. Алгоритм получения новых технических идей по совершенствованию техники (рис. 1) содержит перечисленные ниже основные этапы и представляет собой детальный перечень основных логических шагов решения поставленной задачи.

Историко-технический анализ процесса совершенствования технических объектов конкретного типа (включая патентные исследования) обеспечивает создание банка данных (альтернатив) о бифуркационном множестве устройств конкретного назначения, что является базой для материализации новых технических идей. На этом этапе необходимо не только уяснить основные закономерности и периоды совершенствования объекта исследования, но и отметить следующее:

Была ли ранее кем-либо выбрана схема устройства, аналогичная предполагаемой.

Если была, то по каким причинам раньше не состоялась ее практическая реализация.

Получили ли развитие при совершенствовании аналога проблемы прочности, надежности машины, трудоемкости технического обслуживания и эксплуатации и в чем заключались принципы разрешения этих проблем.

Исследованы ли физико-механические характеристики предмета обработки или переработки; если исследованы, то в какой степени.

Исследовано ли воздействие подобных машин на окружающую среду и наоборот: какое воздействие оказывают специфические для данной местности природно-климатические особенности на конструкцию машин исследуемого типа и чем характерны конструктивные изменения, если такие имеются, в сравнении с другими условиями?

Рис. 1. Алгоритм инновационного анализа объекта совершенствования

Инженерный анализ ряда конкретных проблем (знания плюс логический вывод) предполагает исследование одного из многих альтернативных вариантов известных или новых технических решений и выполняется в следующей последовательности:

формулирование проблем и их конкретизация;

разработка концепции модели, которая может упростить разрешение сформулированной проблемы;

создание базы знаний: сбор как можно большего количества информации, прямо или косвенно имеющей отношение к сформулированной проблеме и построенной модели; классифицирование этой информации по основным и вспомогательным признакам, характеризующим проблему;

работа с базой знаний: известный экспертам метод прямой цепочки рассуждений (ЕСЛИ...ТО)( предполагает, что конкретно проявившаяся ситуация служит отправной точкой рассуждений; обратная цепочка рассуждений всегда начинается со следствия (ЕСЛИ...ПО ПРИЧИНЕ...ТО...в противном случае, если не получается ожидаемого результата... ПРОВЕРИТЬ ДРУГИЕ ВЕРСИИ - проследить еще одну цепочку);

разработка базы знаний: построение дерева решений, ветви которого заканчиваются логическими выводами, что в зависимости от особенностей мышления конкретного человека может быть оформлено на бумаге или просто запечатлено в мозгу;

преобразование дерева решений в закономерность, закон, правило, формулу, выводы и т.п., но с условием, что это будет единственный путь, ведущий к конечной цели (это определяет чрезвычайную важность данного этапа);

обоснование и выбор конструктивной схемы технического решения на базе аналогов и прототипа; идеализация объекта изобретения: машины или ее элемента.

Творческая деятельность - это:

работа с целью получить решение конкретной задачи;

период умственного отдыха, связанного с отвлечением от решаемой задачи;

озарение (как правило, приходящее после одного или нескольких циклов работы и отдыха): видоизменение известной или получение новой идеи, удовлетворяющей поставленной задаче;

допущения, оценка, обобщение новой технической идеи.

Принятие решений - это выбор одной альтернативы из многих, выбор наилучшего решения. Здесь важна способность принимать решения.

В основу технологических машин производственного процесса положен характер отношений между транспортным и технологическим движениями, их влияние на производительность и конструктивные особенности [2]. В машинах I-го класса (по Л.Н. Кошкину) технологическая операция происходит только после завершения транспортной операции. Для этих машин (дискретного действия) характерно прямое противоречие между транспортными и технологическими движениями. Технологическая обработка происходит только после завершения транспортного движения предмета обработки (подачи его в рабочую зону машины) и наоборот - одно движение прерывается другим.

Технологический цикл ТП обработки (переработки) предмета труда определяют по формуле

ТП = LТР / vТР + LТЕХ / vТЕХ ,

где LТР, LТЕХ - величины транспортного и технологического перемещений; vТР, vТЕХ - транспортная и технологическая скорости.

Операционный цикл орудия труда (инструмента) равен ТИ = LТР / vТР + LТЕХ / vТЕХ , рабочий цикл машины равен ТМ = LТР / vТР = LТЕХ / vТЕХ, причем ТП = ТИ = ТМ.

Производительность QM машин первого класса определяется длительностью всего технологического цикла обработки или переработки предмета труда, включающего транспортное и технологическое движения, функционально зависима от скоростей vТР, vТЕХ и соответствующих им ускорений аТР, аТЕХ: QM = f(vТР; vТЕХ; аТР; аТЕХ) = 1/ ТМ = 1/ ТИ = 1/ ТП.

При совершенствовании машин дискретного действия повышение их производительности возможно лишь за счет длительности транспортной и технологической операций.

Для машин II-го класса характерно совпадение транспортного и технологического движений. Транспортное движение становится непрерывным, а транспортная скорость равна технологической скорости. Технологический цикл ТП обработки (переработки) предмета труда зависит от длины участка пути LП от места поступления предмета до его выхода из машины: ТП = LП / vТР = LП / vТЕХ.

Операционный цикл орудия определяется параметрами инструмента LИ:

ТИ = LИ / vТР = LИ / vТЕХ.

Рабочий цикл машины: ТМ = LИ / vТР = LТИ / vТЕХ. В данном случае ТМ = ТИ ТП.

Производительность QM машин II-го класса определяется длительностью выпускного цикла, равного отношению транспортной скорости к шаговому расстоянию между предметами обработки в машине, функционально зависима от скоростей vТР, vТЕХ :

QM = f(vТР) = f(vТЕХ) = 1/ ТМ = 1/ ТИ.

III-й класс отличается независимостью между транспортным и технологическим движениями. Технологический цикл обработки или переработки предмета труда равен ТП = LП/vТР.

Операционный цикл инструмента: ТИ = LИ / vТР.

Рабочий цикл машины определяется временем прохождения шагового расстояния h между двумя смежными рабочими органами или предметами труда: ТМ = h / vТР. В данном случае ТМ ТИ ТП. Возможность увеличения цикла инструмента не ограничена снижением производительности, которая, в свою очередь, ограничена лишь допустимыми значениями транспортной скорости, т.е. зависима от нее: QM = f(vТР) = 1/ ТМ.

IV-й класс характеризует еще и независимость других технологических параметров (понятие «обрабатывающий инструмент» заменяется понятием «обрабатывающая среда»). Технологический цикл, как и у III-го класса машин, равен ТП = LП / vТР. Операционный цикл инструмента и рабочий цикл машины определяются размерами предметов d в направлении их потока: ТИ = d / vТР; ТМ = d / vТР. Тогда ТИ = ТМ ТП.

В машинах IV-го класса повышение производительности достигнуто не только за счет увеличения скорости, но и за счет увеличения числа предметов n переработки или обработки в поперечном сечении потока: QM = f(vТР; n) = n/ ТМ.

В роторных машинах нашел свое отражение принцип третьего класса, где технологические движения хотя и не совпадают с транспортными, но являются их функциями во времени. Этот тип машин характерен относительно непродолжительными технологическими операциями. Анализ транспортно-технологических процессов с помощью классификации Л.Н. Кошкина не позволяет выполнить количественную оценку соотношения транспортных и технологических операций для выявления рациональной схемы транспортно-технологической машины.

Целесообразно различать последовательные (ПС) и параллельные (ПР) транспортно-технологические процессы (ТТП), соответствующие машинам I-го и II-го классов (рис. 2). Для последовательного процесса характерна очередность выполнения операций: сначала транспортная, затем технологическая и т.д. Параллельные процессы характеризует совместимость обеих операций во времени. Длительность ТТП складывается из суммы времени, затраченного на осуществление транспортных (tСТР) и технологических (tСТЕХ) операций, и выражается известными формулами: tCПС = tCТР + tCТЕХ; tCПР = tCТР = tCТЕХ.

Рис. 2. Алгоритм инновационного анализа транспортно-технологических процессов

Взаимодействие рабочего органа машины и объекта переработки или обработки может быть индивидуальным, поточным или массовым. Индивидуальное взаимодействие характерно некоторым интервалом между технологическими операциями. Поточное взаимодействие происходит над объектами, следующими в рабочей зоне один за другим. Оно характерно тем, что начало операции над последующим объектом опережает окончание процесса переработки или обработки предыдущего. Массовая обработка осуществляется в какой-либо среде или воздействием какого-нибудь конкретного поля сразу на весь материал.

Для оценки контакта взаимодействия (КВ) рабочего органа машины и перерабатываемого или обрабатываемого материала целесообразно ввести понятие о рангах этого взаимодействия: потенциальном (rП) и фактическом (rФ). Потенциальным рангом назовем число, определяемое формулой rП = l + 1, где l - показатель степени размерности типа контакта: точки (Т), линии (Л), поверхности (П), объема (О). Например, точка не имеет размерности, следовательно, rП = 1.

Фактический ранг отражает реальность взаимодействия рабочего органа (среды) и объекта производства. Используя понятие о рангах контактного взаимодействия, необходимо определить коэффициент соответствия потенциального и фактического контакта рабочего органа и упомянутого объекта производства KS = rф / rП.

После этого следует приступить к оценке транспортно-технологического процесса в целом. Рассчитывается критерийя совместимости во времени транспортных и технологических операций: ТС = tCТЕХ/ tCТР.

Если ТС 1, процесс назовем согласованным (СП), в случае ТС 1 процесс будет противоречивым (ПП). Если процесс согласованный, следует выяснить, является ли он параллельным (СП = ПП?) Если да, то имеем рациональную конструкцию. Если нет, то необходимо искать возможность компоновки рациональной технологической машины. Здесь тоже два варианта решений: положительный и отрицательный. В случае противоречивого процесса выявляем потенциальные возможности сокращения времени технологической операции за счет использования известных физических, химических, биологических и т.п. эффектов, известных средств механизации или разработки новых машин и механизмов: ТП = ТС / KS TC?.

Если есть возможность вместо линейного механического воздействия осуществить поверхностное или объемное, то появляется возможность разработки рациональной технологической машины. В противном случае процесс анализа целесообразно начинать с пересмотра конструкции применяемой в технологическом процессе транспортной машины. После определения рациональной схемы технологической машины рассчитываем конечный критерий: ТК = tCТЕХ/ tCПС 1?.

Проведя расчеты и анализ в соответствии с блок-схемой алгоритма (рис. 2) можно сделать выводы о том, с каким типом ТТП мы имеем дело и есть ли возможность его усовершенствовать. Блок-схема алгоритма для анализа транспортно-технологических процессов с их количественно-качественной оценкой является «прозрачным ящиком», имеет один вход и несколько выходов, число которых растет в зависимости от несовершенства процесса. При правильной организации поиска рационального ТТП и технических объектов для его осуществления один или несколько вариантов решения поставленной задачи могут быть рациональными.

Патентное исследование показало, что еще в 30-е гг. в нашей стране предпринимались попытки создания техники на основе использования принципа гусеничных машин. Основным элементом предложенной техники в то время являлась бесконечно-замкнутая цепь, на которой монтировали различные рабочие органы или которую саму применяли как рабочий орган. Для осуществления технологического процесса обработки материала использовали эффект неподвижности горизонтального участка цепи относительно объекта воздействия. Предложенные конструкции машин не нашли в те годы применения из-за отсутствия мощной и скоростной техники, недостаточного уровня подготовки кадров, многих нерешенных технологических проблем, отсутствия крупных комплексов, способных эффективно эксплуатировать сложную, высокопроизводительную технику. Впоследствии это направление развития машин было забыто. Устройства были выполнены на уровне идеи. В начале 70-х гг. Л.Н. Кошкин обратился к проблеме создания технологических машин. В основу был положен роторно-конвейерный принцип. В различных отраслях промышленности технологические роторные линии (именно линии, а не конструкции устройств, использующих в своей работе принцип вращения) нашли широкое применение.

Было предложено блочно-модульное устройство для обработки и переработки материалов, содержащее периферийные, промежуточные и один центральный вращающиеся модули, размещенные на общем основании и объединенные в блоки, которые по своей сути являются роторными технологическими линиями [3].

Автором статьи разработана экспертная система информационного проектирования новшеств, сущность которой заключается в следующем. На любом этапе творческой работы нет ясности в том, сколько требуется информации для ответа на конкретный вопрос. В таких случаях удобно использовать принцип экспертной системы. Она предусматривает создание области запросов и базы знаний. Область запросов - основной предмет экспертной системы (например, о процессе совершенствования техники). База знаний - это массив информации, который формирует автор новшества. Информация может быть постоянной и переменной. Постоянная информация - основа базы знаний. Информационное проектирование - это способ получения проекта нового механизма, машины или технической системы (от подготовки исходных данных до выработки конкретных рекомендаций) путем накопления, анализа и обобщения историко-технической и научно-практической инженерной информации. Экспертная система информационного проектирования новшеств представлена:

Алгоритмами: инновационного анализа объекта совершенствования (взаимосвязи прикладных вопросов историко-технического исследования и основных вопросов производства); инновационного анализа транспортно-технологических процессов.

Критериями: функционально-энергетико-структурного описания объектов; уровня совершенства техники; уровня технологичности устройств.

Алгоритм анализа объекта совершенствования представляет собой детальный перечень главных логических шагов, требуемых для решения поставленной задачи. Это взаимосвязь парных факторов, где прикладные вопросы историко-технического исследования ((Когда произошло научно-техническое событие? Какое произошло научно-техническое событие?) + (Почему оно стало возможным? Какие выводы следуют из анализа этого события?)) переходят при осуществлении инновационного процесса в основные вопросы производства ((Что производить? Как изготовить?) + (Для кого предназначена продукция? Сколько требуется новых изделий?)). Проведя расчеты и анализ в соответствии с алгоритмом анализа транспортно-технологических процессов (рис. 2), можно сделать выводы о типе транспортно-технологического процесса и возможности его совершенствования.

Основной метод информационного проектирования новшеств предполагает экспертизу набора концепций и определяется комплексом критериев совершенствования средств механизации труда, которые формируются на основе объективных законов и закономерностей, характеризуют причины появления, существования и совершенствования объектов (критерии функционирования объекта; критерии условий его функционирования; критерий уровня совершенства объекта и критерий уровня его технологичности). Несоответствие функции и структуры объектов предъявляемым к ним требованиям разрешается взаимной трансформацией, причем роль функции в этом процессе является доминирующей. Энергетическое взаимодействие элементов устройства обеспечивает выполнение его функционального назначения.

Функционально-энергетико-структурное описание объектов и систем (FES) удобно осуществлять в виде формулы FES = [(Ent Ex) : Eff (Lim 1, ..., Lim N)] (A, B, ..., N),

где Ent - исходное состояние продукта переработки или обработки; Ex - результат труда, вид готовой продукции; Eff - эффект (механический, физический, химический или др.), примененный для преобразования сырья в готовую продукцию, или действие, направленное на осуществление конкретного процесса или технологической операции; Lim 1, ..., Lim N - особые условия, требования или ограничения; A, B, ..., N - известные или оригинальные элементы, узлы, агрегаты и т.п., обеспечившие достижение требуемого эффекта и выполнение особых условий, ограничений. По своей сути FES-характеристика является аналогом классификации, но более точным и конкретным для рассматриваемого типа устройств.

Принципиальные различия основных критериев заключаются в следующем: как новшество и инновацию, с учетом экономических показателей, а также методов оценки и контроля надежности, более точно объект характеризует критерий уровня совершенства; критерий уровня технологичности более полно характеризует объект как конструкцию. Требуется сравнение известного устройства и потенциального новшества по показателям технико-технологических критериев. Для оценки уровня совершенства техники применена единая абсолютная ограниченная шкала (от 0 до 1) - шкала желательности.

Критерий уровня совершенства техники определяется формулой

TC = T1T2T3T4 1, (1)

где T1 = [a + b/( + 1) + ... + m/( + 1)] /N; T2 = 1 - tCТО/tK; T3 = 1 - tCРП/tK; T4 = (1 - tCРО/tK). Здесь N - общее количество элементов, из которых состоит технический объект (эти элементы разбиваются на группы, имеющие примерно одинаковые ресурсы, по a, b,..., m единиц; в процессе проведения планово-профилактических мероприятий возможна замена изношенных элементов новыми деталями, которые разделяются по видам: ,..., ); tCTO - суммарное время проведения всех видов технического обслуживания; tCРП - суммарное время всех видов плановых ремонтов; tCPO - суммарное время устранения отказов; tK - планируемый срок службы устройства. (Критерий может быть выражен с использованием показателей стоимости.)

Критерий уровня технологичности поясняется выражением

ТК = КблКм.унКу.ТПКпр.ТП 1,

где Кбл - коэффициент блочности; Км.ун - коэффициент межпроектной унификации элементов конструкции; Ку.ТП - коэффициент унификации технологических процессов изготовления изделия; Кпр.ТП - коэффициент прогрессивности технологических процессов изготовления изделия.

Чем ближе к 1 показатели упомянутых критериев, тем выше уровень совершенства реальной конструкции в сравнении с аналогами. Критерии не отрицают, а дополняют известные из квалиметрии показатели эффективности конструкции машин. Поясним сходство и различие методов теории надежности и критерия уровня совершенства. Надежность изделия - это сумма нескольких показателей: технической надежности его в условиях производственных испытаний (сдача-приемка готовой машины) - НП; гарантии отсутствия вредного воздействия внешней среды - НВ; надежности оператора системы «человек-машина» (согласно ГОСТ 26387-84, свойство человека-оператора сохранять работоспособное состояние в течение требуемого интервала времени) - НЧ; надежности в конкретных условиях функционирования изделия - НК; гарантии общественной полезности изделия (отсутствие вредного воздействия на окружающую среду) - НО.

Математическая модель надежности эффективного удовлетворения потребностей людей функционирующими или совершенствуемыми изделиями имеет вид

Н = НПНВНЧНКНО.

Абсолютная надежность маловероятна, сумма надежности Н и ненадежности N равна единице (Н + N = 1). Задачу надежности можно решать, оценивая ненадежность формулами

N = 1 - Н; N = аМ,

где а - показатель ненадежности (0,1... 0,5), характеризует уровень ненадежности; м - показатель степени, характеризует уровень надежности. Тогда Н = 1 - аМ. Я.Дитрих равнил два варианта. Ненадежность получения желаемого результата: N1 = 0,1; N2 = 0,01. Надежность эффективного удовлетворения потребностей людей конкретным изделием: Н1 = 0,90,90,90,90,9 = 0,59049; Н2 = 0,990,990,990,990,99 = 0,649539; N1 = 0,41; N2 = 0,35. N = (N1 - N2) / N1 100% = 14,63%. Повышение надежности эффективного удовлетворения потребностей почти на 15% потребовало десятикратного повышения надежности изделия.

В результате функционирования изделия могут проявляться негативные факторы - «антипотребности». В связи с этим введено понятие надежности проявления общественно полезных потребностей НО в конкретных условиях функционирования изделия.

НО = НЗ NА; NА = 1 - НА,

где НЗ - надежность эффективного удовлетворения проектной потребности; NА - ненадежность проявления «антипотребности»; НА - надежность проявления «антипотребности».

Критерий уровня совершенства изделия не позволяет учесть проявление «антипотребностей», вредного воздействия изделия на окружающую среду и наоборот - воздействия на него среды. В этом заключается его недостаток. По мнению автора данной статьи, потенциально вредное воздействие внешней среды на изделие (НВ) и потенциально вредное влияние изделия на окружающую среду (НО) целесообразно исследовать параллельно инженерному анализу надежности техники методом экспертных оценок значимости факторов, а не субъективно, что объясняет отсутствие НВ и НО в формуле (1).

Можно констатировать, что критерий совершенства техники включает в себя показатели уровней ее совершенства и несовершенства. Их сумма, как и в случае суммирования надежности и ненадежности эффективного удовлетворения потребностей сообщества людей функционирующими или совершенствуемыми объектами, равна единице.

Преимущество показателей критерия совершенства техники заключается в возможности количественно и качественно охарактеризовать структурные составляющие объекта. Что же касается упомянутых показателей надежности (НП, НЧ, НК), то все они в предлагаемом критерии совершенства определяются через выражения, учитывающие разброс ресурсов отдельных элементов, потребность в планово-профилактических мероприятиях и ремонте, возможность внезапных отказов. Преимущество критерия уровня совершенства техники заключается и в том, что он объективно характеризует структурные показатели и надежность новшеств в сравнении с их прототипами, реально отражая изменения, соответствующие генеральной закономерности совершенствования конструкций.

Главные различия основных критериев заключаются в следующем: как новшество более точно объект характеризует критерий уровня совершенства; как конструкцию объект более полно характеризует комплексный показатель уровня технологичности; как инновацию, с учетом экономических показателей, более точно характеризуют объект методы оценки и контроля надежности. Нельзя не учитывать критерии качества изделий и защиты потребителя, определяемые общеизвестными экономическими методами. К современным методам относится, например, алгоритм расчета технико-экономических показателей комплектов машин, который учитывает суточные затраты труда для основных и вспомогательных операций; годовые затраты труда, связанные с эксплуатацией технических средств и выполнением ручных операций; годовые затраты труда на выполнение технического обслуживания и ремонта; оплату труда; капитальные вложения; амортизацию техники; затраты на электроэнергию и топливо; эксплуатационные расходы; приведенные и прочие затраты и т.п.

Рис. 3. Инновационные показатели ТТП

В конечном итоге сравнение базового и нового вариантов устройств практически сводится к сравнению оценок средств, приходящихся на их содержание. В дополнение к этой оценке требуется сравнение известного устройства и потенциального новшества по показателям технико-технологических критериев: уровня совершенства и уровня технологичности, - с учетом их оптимизации в соотношении с экономическими показателями идеализации устройств (рис. 3).

Лишь учет всех упомянутых критериев может дать полную количественно-качественную характеристику технического объекта за полный период его жизненного цикла.

Таким образом, получены знания, моделирующие процесс совершенствования изделий, имеющие прикладной характер (для создания и экспертизы новшеств) и практическую ценность, которая состоит в значительном социально-экономическом эффекте, получаемом в условиях реализации новых знаний при создании нового поколения техники.

Список литературы

1. Титенок, А.В. Экспертная система информационного проектирования новшеств / А.В. Титенок // Управление изменением. -2001. - № 1. - С. 15-38.

2. Титенок, А.В. Анализ и экспертиза транспортно-технологических процессов / А.В. Титенок // Технические, экономические и экологические проблемы транспорта: сб. ст. - 2008. - С. 67-79.

3. А.с. 20219 РФ, МПК7 А 01 D 33/08; A 23 N 12/02; A 01 F 29/00. Блочно-модульное устройство для обработки и переработки материалов / А.А. Артюшин, А.В. Титенок, И.А. Титенок. - Опуб. 27.10. 01, Бюл. № 30.

Размещено на Allbest.ru