Формирование массива критериев и показателей решения проблемы

Целевыявление

Сформулировав проблему, определив список участников проблемной ситуации и выявив их проблемы, приступают к выбору критериев, позволяющих оценить движение к целям в процессе проектирования.

Критерии развития являются одновременно важнейшими показателями, или критериями качества, т.е. имеют большое значение при оценке качества ТО. Значение критериев развития особенно важно для специалистов, которые стремятся при разработке новых изделий превзойти уровень лучших мировых достижений. Для решения этих задач критерии развития играют роль компаса, указывающего направления магистрального прогрессивного развития изделий и технологий.

Поскольку любой ТО, как правило, имеет несколько критериев развития, то принцип прогрессивного развития для каждого нового поколения ТО заключается в улучшении одних и неухудшении других критериев.

Наборы критериев развития для различных классов ТО в значительной степени совпадают, поэтому в целом развитие техники в большой мере подчинено единому набору критериев, определяющих развитие техники.

Этот единый набор включает следующие четыре группы критериев:

- функциональные критерии, характеризующие важнейшие показатели реализации функции ТО;

- технологические критерии, связанные только с возможностью и простотой изготовления ТО;

- экономические критерии, определяющие только экономическую целесообразность реализации функции с помощью рассматриваемого ТО;

- антропологические критерии, связанные с вопросами человеческого фактора или воздействия положительных и отрицательных факторов на людей, вызванного созданным ТО.

На рисунке 2.1 показана систематика критериев развития ТО, реализующих различные функции. Этот перечень не претендует на исчерпывающую полноту.

Рисунок 2.1 – Систематика критериев развития техники

Сформулируем условия и требования, которым должны удовлетворять параметры, относящиеся к критериям развития ТО. Иначе говоря, определим условия и требования, с помощью которых для любого класса ТО можно выделить его критерии развития.

Условие измеримости. За критерии развития могут быть приняты только такие параметры ТО, которые допускают возможность количественной оценки по одной из шкал измерений [14]: шкале отношений, шкале интервалов, шкале порядка. Предпочтение отдается шкале отношений, но, если она неприемлема, то шкале интервалов и в последнюю очередь шкале порядка.

Условие сопоставимости. Критерий должен иметь единицы измерения, которые позволяют сопоставить ТО для разных времен и стран. Лучше всего подходят безразмерные величины и удельные величины, с помощью которых можно сопоставлять ТО соответственно с различными функциями и с одинаковой функцией или близкими функциями.

Условие исключения. За критерии могут быть приняты такие параметры ТО, которые в первую очередь характеризуют его эффективность и оказывают определяющее влияние на его развитие. Если эти параметры не принимать во внимание при создании новых поколений ТО (такой мысленный эксперимент нетрудно провести), то это может привести к следующему:

- возникновению нежелательных путей развития рассматриваемого класса ТО;

- полному отсутствию развития;

- значительно меньшей мере удовлетворения потребностей человека (пользователя) или вообще полному неудовлетворению.

Условие постоянства. За критерии могут быть приняты такие параметры ТО, для которых всегда имеет место условие исключения.

Условие минимальности и независимости. Вся совокупность критериев должна содержать только такие, которые не могут быть логически выведены из других критериев или не могут быть их прямым следствием.

После выделения набора критериев развития для интересующего класса ТО конструктор или изобретатель должен дать описание каждого критерия. Такое описание включает следующие сведения.

1. Сущность критерия, время и причины его возникновения.

2. Формула или способ измерения критерия, включая указанные шкалы или единицы измерения.

3. Диапазон и характер изменения значений критерия во времени.

4. Оценка степени общности критерия по трехбалльной шкале:

а) критерий имеет отношение к рассматриваемому классу ТО с одинаковыми или близкими функциями;

б) критерий имеет отношение к нескольким классам ТО с различными функциями, но определенными общими свойствами;

в) критерий имеет отношение к ТО с любой функцией.

Оценка степени общности критерия указывает на возможности заимствования улучшенных технических решений из других областей техники.

5. Оценка изменения относительной значимости (актуальности) критерия в прошлом и обозримом будущем по трехбалльной шкале:

а) актуальность возрастает;

б) остается неизменной;

в) снижается.

6. Основные способы и средства улучшения критерия.

Функциональные критерии развития ТО. Для каждого ТО функциональные критерии развития представляют собой количественную характеристику основных показателей реализации функции ТО, т.е. эти критерии выявляют на основе анализа описания функции ТО. Поскольку функции ТО характеризуются самыми различными показателями, то практически невозможно дать исчерпывающий перечень функциональных критериев. В связи с этим рассмотрим только некоторые наиболее часто действующие функциональные критерии. Среди них можно выделить три группы критериев (см. рисунок 2.1): производительность, точность и надежность.

Критерий производительности всегда может быть измерен или вычислен. Структура формулы для вычисления критерия и единица измерения производительности могут быть самыми различными. Примеры приведены в таблице 2.6, где приняты следующие обозначения: N – количество операций; t – время; Pg – количество страниц; V – объем информации; Ms – количество микросхем; Ot – количество отверстий; Pd – количество подложек.

Критерий производительности представляет собой интегральный показатель уровня развития техники, который непосредственно зависит от ряда параметров, определяющим образом влияющих на производительность труда. Эти параметры представляют собой как бы частные функциональные критерии. К ним относятся:

Таблица 2.6 – Примеры формул критерия производительности

Наименование ТО	Структура формулы	Единица измерения
Процессор ЭВМ	N / t	операций/с
Принтер	Pg / t	страниц/мин
Модем	V / t	кБит/с
Автоматическая паяльная станция	Ms / t	микросхем/с
Записывающий привод для компакт-дисков CD-ROM	V / t	МБайт/с
Сверлильный станок для изготовления сквозных отверстий печатных плат	Ot / t	отверстий/мин
Установка магнетронного напыления тонких пленок гибридных интегральных микросхем	Pd / t	подложек/час

1) скорость обработки объекта (число оборотов или операций в единицу времени, скорость движения рабочих органов машины, транспортной машины, протекания химической реакции и т.п.);

2) физические и химические параметры (температура, давление, напряжение и др.), определяющим образом влияющие на интенсивность обработки объекта (предмета обработки);

3) степень механизации труда;

4) степень автоматизации труда;

5) непрерывность процесса обработки.

Определим критерии пунктов 3 – 5, которые в отличие от критериев пунктов 1 – 2 являются комплексными и зависят от многих факторов.

Критерий механизации равен отношению механической работы, выполняемой только ТО, ко всей механической работе, выполняемой суммарно ТО и человеком (коллективом людей) при получении определенной продукции.

Критерий автоматизации равен отношению числа управляющих операций, выполняемых только ТО, к общему числу управляющих операций, выполняемых суммарно ТО и человеком при получении определенной продукции.

Критерий непрерывности процесса обработки, связанный с получением определенной готовой продукции, равен отношению числа операций, выполняемых с использованием непрерывных процессов, к общему числу операций с использованием непрерывных и прерывистых процессов воздействия на предмет обработки. Под непрерывными процессами здесь понимается вращательное, поступательное и поточное движение без существенного снижения скорости или безостановочная обработка; под прерывистыми процессами – возвратно-поступательное движение, операции с остановками или прерываниями технологического процесса при переходе к следующей операции и т.п. Следует заметить, что в основе критерия непрерывности процесса обработки лежит один из главных способов повышения производительности труда.

Критерии точности включают следующие частные критерии:

- точность измерения;

- точность попадания в цель;

- точность обработки материала или вещества;

- точность обработки потока энергии;

- точность обработки потока информации.

Для этих частных критериев имеются развитые способы измерения и оценки точности, которые легко найти в специальной литературе.

Критерий надежности включает частные критерии:

- безотказности;

- долговечности;

- сохраняемости;

- ремонтопригодности.

Определение этих критериев для различных ТО легко найти в специальной литературе.

Под надежностью ТО обычно подразумевают способность без отказов выполнять свою функцию с заданной вероятностью в течение определенного интервала времени. Критерий надежности возрастает с увеличением времени и вероятности безотказной работы.

Критерии производительности, точности и надежности представляют собой монотонно возрастающие функции. Актуальность и вес этих критериев всегда были выше по сравнению с другими группами критериев (см. рисунок 2.1) и со временем продолжают возрастать.

Технологические критерии развития ТО. Группа технологических критериев главным образом обеспечивает всестороннюю экономию живого труда при изготовлении ТО и подготовке их к эксплуатации. Кроме того, эти критерии направлены на экономию материалов, зависящую от технологических факторов, что опять вносит определенную долю в экономию живого труда. Можно выделить четыре основных технологических критерия.

Критерий трудоемкости изготовления ТО. Критерий равен отношению суммарной трудоемкости Т _С проектирования, изготовления и подготовки к эксплуатации изделия к его главному показателю эффективности Q, т.е. представляет собой удельную трудоемкость изготовления на единицу получаемой эффективности:

.

Главный показатель эффективности Q выбирают таким образом, чтобы критерий К _Т объективно отражал прогрессивное развитие рассматриваемых ТО. В таблице 2.7 приведены примеры выбора показателя Q для различных ТО. Критерий К _Т представляет собой монотонно убывающую функцию при условии, что сопоставление различных поколений ТО ведется по одному и тому же показателю эффективности Q.

Таблица 2.7 – Примеры показателя эффективности ТО

Наименование ТО	Показатели эффективности
Наименование	Размерность
Процессоры ЭВМ, копировально-множительная техника	Производительность	операций/с, страниц/мин
Трансформатор	Мощность	кВ×А
Электронный усилитель	Коэффициент усиления	дБ
Сканер	Разрешающая способность	точек/дюйм
Электродвигатель	Крутящий момент	Н×м/с
Динамическое ОЗУ	Время доступа	мс
Аккумуляторная батарея	Относительное время работы ко времени заряда	отн. ед.

Критерий трудоемкости является одним из самых древних, поскольку он действует и в сильной степени влияет на развитие ТО, начиная с каменного века, с первых искусственно изготовляемых орудий – ручных рубил. Актуальность этого критерия на протяжении всей истории техники всегда была и остается весьма высокой и неизменной.

Имеются все основания утверждать, что критерий К _Т проявляет свое действие и влияние (в большей или меньшей мере) по отношению к любому классу ТО.

Критерий технологических возможностей. Любой ТО, разработанный только с учетом функциональных и антропологических критериев (требований), может содержать не более пяти типов элементов (агрегатов, узлов, деталей):

- А _с – стандартные или покупные элементы, получаемые в готовом виде;

- А _у – унифицированные элементы, заимствованные из существующих ТО;

- А _н1 – оригинальные (новые) элементы, изготовление которых не вызывает затруднений (могут быть изготовлены на имеющемся оборудовании), но требует разработки и отработки технологии их изготовления;

- А _н2 – оригинальные элементы, изготовление которых вызывает значительные, но преодолимые трудности (требуется разработка новой технологии с предварительным изготовлением технологической оснастки, приобретение дефицитного оборудования и т.п.);

- А _н3 – оригинальные элементы, изготовление которых вызывает принципиальные, пока непреодолимые трудности (отсутствует в принципе или нельзя приобрести необходимое технологическое оборудование или подходящие материалы, требуется предварительное проведение НИР и ОКР и т.п.).

Критерий технологических возможностей, который должен отражать простоту и принципиальную возможность изготовления ТО, можно определять по формуле:

, (2.1)

где k _c, k _у, k _н1, k _н2 – весовые коэффициенты, причем k _c =1, k _c > k _у > k _н1 > k _н2 (например, k _у = 0.5, k _н1 = 0.2, k _н2 = 0.01); А _с, А _у, А _н1, А _н2, А _н3 – соответственно число наименований стандартных, унифицированных и оригинальных элементов в ТО (под одним наименованием может быть несколько одинаковых элементов).

На практике широко используют частные случаи этого обобщенного критерия: критерий стандартизации, когда в числителе формулы (2.1) берется только А _с; критерий унификации, когда в числителе берется А _с + А _у.

Критерий технологических возможностей в любой форме представления изменяет свои значения на отрезке 0 £ К _{т. в} £ 1. Хотя улучшение критерия связано с возрастанием значения К _{т. в}, все же его нельзя отнести к монотонно возрастающим функциям, поскольку часто в новых поколениях ТО для улучшения более важных критериев приходится ухудшать критерий технологических возможностей. Основная форма представления критерия (2.1) стимулирует исключение абсолютно нетехнологичных элементов А _н3 и минимизацию элементов А _у, А _н1, А _н2 в соответствие с их весовыми коэффициентами.

Критерий технологических возможностей отражает фактор наследственности в технике, аналогичный фактору наследственности в живой природе, определяемому законом Дарвина. При переходе от одного поколения ТО к другому критерий К _{т. в} заставляет в наибольшей мере сохранять и использовать проверенные практикой функциональные элементы, отработанную технологию их изготовления и существующее технологическое оборудование. Поскольку за каждое конструктивное изменение в новом поколении ТО приходится «платить» значительными дополнительными затратами, связанными с изменением технологического процесса и созданием соответствующего технологического оборудования, приспособлений и инструментов, тем более имеется риск, что новые элементы не оправдают себя на практике.

Критерий технологических возможностей начал оказывать влияние на развитие техники с конца XVIII века, когда значительно возросла сложность ТО и в достаточной степени развилось «машинное производство машин», орудий труда и оружия, выпускаемых большими сериями. Актуальность критерия технологичности сильно возросла в первой половине XX века и продолжает расти до сих пор.

Критерий технологических возможностей имеет отношение к любому классу ТО.

Критерий использования материалов. Для изготовления элементов ТО используют различные природные материалы, отлитые заготовки, стандартные корпуса, кабели и шины, специальные профильные заготовки (валы, шары, шестерни) и др. В процессе обработки исходного материала и заготовок появляются обрезки, стружка и другие отходы, в результате чего масса готовых деталей и, соответственно, ТО получается меньше массы израсходованных материалов. В связи с этим потери, например, черных металлов в машиностроении составляют 20…25%, отходы металла в стружку при обработке резанием – до 28%. В целом коэффициент использования металла не превышает 0.55.

Поскольку доля отходов в большей мере проявляется от технологических процессов и технологического оборудования, существует и действует технологический критерий использования материалов К _и.м, равный отношению массы изделия G к массе израсходованных материалов P (при этом покупные комплектующие элементы не учитываются):

. (2.2)

В случае, когда в ТО используются материалы, значительно различающиеся по стоимости, при вычислении критерия К _и.м рекомендуется пользоваться следующими зависимостями:

, (2.3)

, (2.4)

где i = 0, 1, …, m – номера используемых различных материалов; q_i – масса i -ого материала, используемого в ТО; k_i – весовой коэффициент i -ого материала (можно принять , где i = 0, 1, …, m); с_i – стоимость единицы массы i -ого материала; с ₀ – стоимость единицы массы основного материала; p_i – масса i -ого материала, израсходованного на изготовление элементов ТО.

Критерий К _и.м представляет собой монотонно убывающую функцию, которая принимает значения в интервале 0 £ К _{и. м} £ 1. Несмотря на тенденцию монотонного убывания, функция (2.2) иногда имеет ступенчатые (скачкообразные) возрастания, обычно связанные с переходом на новые технологические процессы со значительно большей производительностью или новые более дешевые материалы.

Критерий К _и.м можно назвать коэффициентом полезного использования материалов, поскольку по содержанию, характеру и диапазону изменения он близок к энергетическому коэффициенту полезного действия.

Критерий использования материалов начал проявлять свое действие около 40 тыс. лет назад, когда более совершенные разнообразные каменные орудия стали в значительно большем количестве изготовлять в основном из кремня, обсидиана, агата и других нешироко распространенных и находящихся в ограниченных количествах минералов. В это время сформировалась технология экономного использования материалов. Актуальность критерия К _и.м на протяжении всей истории техники всегда была и остается высокой и неизменной по отношению к любому классу ТО.

Критерий расчленения ТО на элементы. Почти каждый ТО можно выполнить из существенно меньшего числа элементов (узлов и деталей), чем он сделан на самом деле. Например, некоторые простые функциональные узлы можно изготовить в виде одной микросборки, отдельные ЭРЭ объединить в интегральную микросхему и т.п. Такая минимизация числа элементов дает, казалось бы, определенный выигрыш за счет исключения элементов сопряжения и соединения (уменьшается общая масса изделия, повышается его жесткость и надежность, уменьшается трудоемкость механической обработки и сборки и т.д.). Однако такое кажущееся упрощение конструкции, наряду с указанными положительными моментами, часто приносит несоизмеримо большие потери. Дело в том, что большое расчленение часто сокращает время и трудоемкость разработки и доводки изделия в целом, поскольку в каждом новом изделии, как бы хорошо оно ни было спроектировано, имеются более или менее совершенные узлы. Поэтому в процессе разработки и доводки нового изделия экономичнее и проще устранять недостатки отдельных более простых узлов, чем сложных узлов или изделия в целом. Большое расчленение ТО на узлы и детали облегчает и расширяет унификацию и стандартизацию с присущими им преимуществами, позволяет чрезмерно сложные (с точки зрения изготовления) по конструкции элементы собирать из простых однотипных элементов.

Следует также отметить, что при чрезмерно мелком дроблении ТО на элементы многие из этих достоинств оборачиваются недостатками.

Кроме указанных технологических причин, на расчленение ТО влияют также функциональные, экономические и антропологические факторы. Это влияние рассматривается при исследовании соответствующих критериев.

Таким образом, всегда существует оптимальное расчленение ТО на узлы и детали, которое значительно упрощает технологию разработки, доводки, изготовления, ремонта и модернизации изделий, является основой для унификации и стандартизации.

Критерий К _Р расчленения ТО на элементы обеспечивает в каждом новом поколении изделий приближение к оптимальному разделению на элементы. Ввиду сложности определения этого критерия не будем давать его аналитического выражения, которое при необходимости можно взять из книги [15].

Критерий К _Р имеет отношение к любому классу ТО, которые состоят более чем из одного элемента, серийно изготовляются и от поколения к поколению притерпевают прогрессивные конструктивные изменения.

Экономические критерии развития ТО. Критерий расхода материалов. Всесторонняя экономия материалов при разработке и изготовлении ТО вызвана рядом факторов. К основным причинам уменьшения расхода материалов относятся:

- снижение стоимости ТО, поскольку стоимость материалов в ТО составляет 25…65% их себестоимости;

- снижение транспортных и погрузочно-разгрузочных расходов при перевозке исходного сырья и материалов для изготовления ТО и при транспортировании готовых ТО к месту их использования;

- экономия энергии при эксплуатации ТО (таких, как транспортные, обрабатывающие и другие машины и устройства), в которых значительная часть энергии затрачивается на обеспечение поступательного, возвратно-поступательного, вращательного и других видов механического движения.

Критерий расхода материала К _М равен отношению массы технической системы G к ее главному показателю эффективности Q:

, (2.5)

т.е. представляет собой удельную массу материалов на единицу получаемой эффективности.

Показатель эффективности Q выбирают в соответствии с рекомендациями данными выше.

Следует заметить, что формула (2.5) в случаях использования в ТО материалов с значительно различающейся стоимостью оказывается малочувствительной к изменению массы дорогих материалов, которые обычно применяют в небольших количествах. В таких случаях рекомендуется определять приведенную массу G _П по формулам (2.3), (2.4), данным для критерия использования материалов.

Критерий расхода материалов является одним из самых древних. Актуальность его на протяжении всей истории техники всегда была и остается весьма высокой и неизменной.

Критерий К _М, как правило, представляет собой монотонно убывающую функцию при условии, что сопоставление различных поколений ТО ведется по одному показателю эффективности Q. Имеются все основания утверждать, что критерий К _М проявляет свое действие и влияние (в большей или меньшей мере) по отношению к любому классу ТО.

Критерий расхода энергии. При изготовлении и/или эксплуатации ТО, как правило, расходуется определенное количество энергии. Поскольку удовлетворение возрастающих потребностей людей обычно жестко ограничивается имеющимися энергетическими возможностями, то указанные затраты энергии всегда стремятся свести к минимуму. В связи с этим существует и действует критерий расхода энергии:

, (2.6)

где W _П – полная затрата энергии за время эксплуатации ТО; E – затраты энергии при изготовлении ТО; Т – время эксплуатации ТО.

Формулу (2.6) рекомендуется использовать в случаях, когда величины W _П и E соизмеримы. Для многих ТО W _П >> E. В таких случаях используется более простая формула критерия:

, (2.7)

где W – затраты энергии при эксплуатации ТО в единицу времени.

Поскольку большинство конструктивных мероприятий по улучшению критерия (2.7) сводятся к повышению доли энергии, используемой непосредственно для выполнения полезной работы, то в инженерной практике широко используют еще одну модификацию критерия расхода энергии, называемую коэффициентом полезного действия. Эта модификация критерия равна отношению полезной работы (энергии) W ₀ к затраченной работе (энергии) W:

. (2.8)

Коэффициент полезного действия (КПД) в какой-то мере можно назвать частным случаем критерия (2.7), тем более, что, например, для двигателей, генераторов, трансформаторов и других ТО, производящих энергию, критерий (2.8) равен обратной величине критерия (2.7). Несмотря на частный характер критерия (2.8), он имеет самостоятельное значение и особенно удобен при разработке улучшенных (по энергетическим показателям) модификаций ТО.

Критерии (2.6), (2.7), как правило, представляют собой монотонно убывающую во времени функцию при условии, что сравнение различных поколений ТО ведется по одному и тому же сопоставимому показателю эффективности Q. Критерий (2.8) является монотонно возрастающей функцией, которая принимает значения в интервале 0 < К _Э < 1; при этом подразумевается сравнение ТО с одинаковыми физическими принципами действия. История техники знает немало случаев, когда переход на более перспективный источник энергии происходил со снижением КПД. Примером в радиоэлектронике может служить переход от источников вторичного электропитания (ИВЭП) без частотного преобразования энергии с КПД порядка 30…40% к ИВЭП с преобразованием частоты с КПД 70…80%.

Критерий расхода энергии является также одним из самых древних, поскольку, начиная с каменного века, люди стремились при получении единицы продукции минимизировать затраты энергии. Актуальность этого критерия на протяжении всей истории техники была и остается весьма высокой и неизменной.

Имеются все основания утверждать, что критерий (2.6) проявляет свое действие и влияние (в большей или меньшей мере) по отношению к любому классу ТО.

Критерий затрат на информационное обеспечение. В последнее время в связи с широким использованием вычислительной техники проявились и возросли затраты на подготовку и обработку информации при создании и эксплуатации многих ТО. Эти затраты становятся сопоставимыми с затратами на материалы и энергию, а прибыли от них быстро возрастают. В связи с этим появилась необходимость введения критерия затрат на информационное обеспечение в виде соотношения:

, (2.9)

где S – затраты на подготовку и обработку информации, включающие стоимость или эксплуатацию вычислительной техники, разработку (или аренду) программного и информационного обеспечения и т.д.

Критерий (2.9) представляет собой монотонно убывающую функцию. Однако критерий может иметь скачки, когда дополнительные значительные затраты S связаны с переходом на принципиально новую перспективную вычислительную технику, которая сразу не дает опережающего повышения эффективности ТО.

Критерий габаритных размеров ТО. Снижение габаритных размеров ТО и их элементов связано в первую очередь с получением следующих выгод:

- уменьшение площади и объема ТО;

- уменьшение площади земли, занимаемой непосредственно ТО или зданиями, в которых находятся ТО;

- увеличение полезного объема в ТО типа летательных или космических аппаратов, судов, подводных лодок и т.д.;

- сокращение расходов по защите ТО (расходы на материал корпуса, кожухи, чехлы, лакокрасочные покрытия и т.п.) и уходу за ними;

- сокращение расходов по транспортированию ТО.

Критерий габаритных размеров равен отношению основных габаритных размеров технического объекта V к его эффективности:

.

Если наиболее важным является снижение объема ТО, то V = L × B × H; если снижение занимаемой площади представляется более важным показателем, чем объем, то V = L × B, если наиболее важным из габаритных параметров является уменьшение некоторого линейного размера, то V = L (L, B, H – соответственно длина, ширина и высота ТО). За эффективность Q принимают те же показатели, что и в критерии использования материалов.

Критерий К _Г, как правило, представляет собой монотонно убывающую функцию при условии сопоставления различных поколений ТО по одному и тому же сопоставимому показателю эффективности Q. Актуальность этого критерия все время монотонно возрастает.

Критерий К _Г имеет влияние на развитие подавляющего большинства ТО за исключением тех, у которых уменьшение габаритных размеров функционально ограничено, например, размерами человека, животных и других объектов, имеющих неизменные размеры.

Антропологические критерии развития ТО. Группа антропологических критериев обеспечивает по возможности наибольшее соответствие и приспособление ТО к человеку, снижение дискомфорта и повышение положительных эмоций, снижение или исключение вредных и опасных (непосредственных или опосредованных) воздействий ТО на человека.

Критерий эргономичности ТО. Эффективность многих ТО в значительной степени зависит от того, насколько они приспособлены к психофизиологическим качествам человека-оператора, использующего этот ТО или управляющего им при воздействии на предмет обработки, т.е. насколько в системе человек-машина использованы физические, психические и интеллектуальные возможности человека.

Свойство системы «человек-машина» изменять свою эффективность в зависимости от степени использования возможностей человека-оператора называют эргономичностью. Эффективность ТО при этом в первую очередь выражается через функциональные критерии развития ТО, например, производительность, надежность, точность и др.

Критерий эргономичности для конкретного ТО равен отношению реализуемой эффективности системы «человек-машина» к максимально возможной эффективности этой системы. Он представляет собой зависящую от времени монотонно возрастающую функцию, стремящуюся к своему пределу, равному единице. В книге [15] дан способ вычисления критерия эргономичности.

Критерий эргономичности можно интерпретировать как коэффициент полезного действия человека в системе «человек-машина», тем более, что граница и характер изменения значений этого критерия такие же, как у энергетического коэффициента полезного действия.

Критерий эргономичности действует с древнейших времен по отношению ко всем ТО, с которыми взаимодействует человек-оператор. Актуальность и значимость этого критерия оставалась стабильной до начала XIX века. Начиная со второй половины XIX века стали быстро возрастать разнообразие и сложность машин, станков, аппаратов, в результате чего стали также расти и расширяться требования к человеку-оператору. Особенно усилился этот процесс во второй половине XX века, т.е. актуальность и значимость критерия эргономичности в последнее столетие возрастала и продолжает расти, что вызвало формирование и развитие новой научной дисциплины – эргономики, основная прикладная ориентация которой заключается в проектировании и создании оптимальных по эффективности сложных человеко-машинных систем.

Критерий красоты ТО. Эстетическое влияние ТО здесь понимается шире, чем принято в дисциплине по технической эстетике и художественному конструированию. В книге [15] предлагается способ количественной оценки критерия красоты.

Критерий безопасности ТО. Многие ТО, а также выпускаемая ими продукция и используемое сырье оказывают или могут оказать на работающих и окружающих людей различные вредные или опасные воздействия:

- повреждение или поражение органов, приводящее к временной потере трудоспособности;

- тяжелые повреждения или поражения, приводящие к постоянной потере трудоспособности (перевод на инвалидность);

- смертельный исход (исходы).

В связи с этим существует критерий безопасности, под действием которого ТО в своем развитии имеет тенденцию понизить или исключить вредные и опасные воздействия на окружающих людей.

Критерий безопасности ТО можно определять по формуле

,

где n – число вредных и опасных факторов; b _i – весовой коэффициент i -го фактора, который выбирается в соответствие с градацией по тяжести вредных и опасных воздействий ТО при условии, что ; g _i – весовой коэффициент i -го вредного или опасного фактора, который принимает следующие значения: g _i = 1 при ; ; S_i – величина i -го вредного или опасного фактора, вызванного рассматриваемым ТО (это может быть вероятность легкой или тяжелой травмы, уровень радиации, звуковая или вибрационная нагрузка, концентрация отравляющих веществ в воздухе и т.д.); - нормативное (предельно допустимое) значение i -гo вредного или опасного фактора (будем так задавать значения величин S_i, , чтобы всегда иметь , а допустимое значение ).

Для каждого нового класса ТО требуется проведение специальных исследований и обоснований для выбора совокупности факторов S_i; их нормативных значений и весовых коэффициентов b _i.

Легко видеть, что при условии ненарушения нормативов, когда все , критерий K _б принимает значения 0 £ К _б£ 1. При нарушении любого из нормативов получаем К _б > 1 и, если нарушение связано с фактором, имеющим относительно большой вес b _i, то К _б >> 1.

Следует заметить, что когда ведется оценка вредных действий ТО на окружающих людей, то часто наряду с рассматриваемым ТО аналогичные вредные воздействия оказывают и другие существующие ТО. В таких случаях рассматривают вопрос не только о невозможности создания проектируемого ТО, но и об исключении существующих ТО, которые имеют свою долю в нарушении нормативов.

Критерий безопасности имеет отношение ко всем классам ТО, которые своим функционированием, выпускаемой продукцией или используемым сырьем оказывают или могут оказать на окружающих людей вредное или опасное воздействие.

Критерий экологичности. Критерий экологичности, или критерий сохранения окружающей среды, должен регулировать взаимоотношения между естественной природой и ТО с точки зрения комфортности и возможности жизни людей.

Критерий экологичности в общем виде можно выразить зависимостью

, (2.10)

где S _н – площадь территории (суши и воды), на которой по одному или нескольким факторам имеются недопустимые (выше нормы, но ниже критических) загрязнения или изменения; S _к – площадь территории, на которой по одному или нескольким факторам имеются критические загрязнения и изменения, при которых жизнь человека становится смертельно опасной или невозможной; S ₀ – вся площадь страны (или интересующего региона, области и т.д.), которая должна быть постоянной величиной.

К факторам загрязнения и изменения среды относятся:

а) инородные примеси, вносимые в атмосферу, воду и землю в виде новых веществ, физических полей и воздействий; различные газы и пыль, выделяемые заводами и транспортными машинами; загрязнение воды и земли промышленными сбросами, пестицидами; радиоактивное, шумовое и тепловое загрязнение среды и многое другое;

б) изменения в неживой природе в виде отклонений от естественной нормы концентрации веществ, характеристик физических полей и воздействий, рельефа и структуры поверхности земли и др.;

в) изменения в живой природе в виде отклонений от естественной нормы числа особей существующих видов на единицу площади, исчезновения существующих видов или появления новых.

До начала XIX века отношение (2.10) по существу не действовало как критерий. В XIX веке его действие постепенно возрастало, а в первой половине XX века стало ускоренно расти, и это ускорение усилилось в последнее время особенно за счет составляющей S _к. В это время собственно и возникла проблема охраны окружающей среды, и стали вводить соответствующее законодательство.

Следует отметить, что жесткое влияние критерия К _эк не подразумевает абсолютного прекращения нежелательных загрязнений и изменений природы, поскольку первейшие потребности растущего народонаселения нельзя удовлетворить, не производя таких изменений. Этот критерий в первую очередь должен влиять на выбор средств минимального воздействия на природу, на серьезное обоснование нормативов загрязнения и изменения среды, нарушение которых приносит несоизмеримо больший вред по сравнению с пользой или вообще недопустимо. Под средствами минимального воздействия на природу понимается также широкое использование компенсационных мероприятий, которые обеспечивают в целом уменьшение или стабилизацию критерия К _эк. Например, одновременно с созданием интересующих ТО, которые повышают критерий экологичности, исключают некоторые существующие ТО или проводят специальные мероприятия по восстановлению природы и т.д.

Сфера действия критерия экологичности весьма широкая. Он имеет отношение ко всем классам ТО, производство и функционирование которых загрязняет и изменяет природу.

В вопросах сохранения окружающей среды решающее значение имеет психологический фактор. Здесь в первую очередь должна быть в принципе изменена психологическая установка всех лиц, которые непосредственно вносят или могут внести определенное загрязнение и изменение природы, приводящее к повышению К _эк. Этот круг лиц для краткости назовем вредителями природы. Такие люди и в отдаленные времена сознавали, что их действия вызовут некоторые нежелательные изменения окружающей среды. Однако при этом, как правило, считалось, что природа справится с вносимыми загрязнениями и изменениями, которые будут иметь сугубо локальный характер и в итоге не окажут существенного влияния на здоровье и самочувствие людей.

Психологическая установка вредителей природы должна теперь в принципе измениться, поскольку природа в последнее время в результате суммирования многих нежелательных воздействий оказалась «предельно напряжена» по отношению ко многим факторам загрязнения и изменения. В связи с этим, в отличие от прежних времен, теперь даже небольшое, казалось бы, локальное загрязнение и изменение часто оказывается «последней каплей», вызывающей неожиданные крупные нежелательные или даже катастрофические изменения, которые у большинства людей (в том числе у самих вредителей природы, их родных и близких) вызывают повышение дискомфорта, ухудшение самочувствия и состояния здоровья.

Важность критерия экологичности заключается в том, что при решении очень многих задач поиска более эффективных конструкторско-технологиче-ских решений нужно стремиться понизить К _эк. Кроме того, в настоящее время открылось большое поле благородной творческой деятельности – улучшение экологии инженерными средствами, основывающимися на новых конструктурско-технологических решениях.

Применительно к задачам конструирования РЭА можно рекомендовать в качестве функциональных критериев технические параметры данного вида изделия, определяемые стандартами различного уровня, надежность и группу условий эксплуатации. Технологические показатели довольно подробно рассмотрены выше и также могут быть взяты из соответствующих нормативных документов, используемых участниками проектирования. К экономическим показателям, безусловно, относятся цена, энергопотребление, КПД, масса, объем, коэффициенты заполнения узлов по массе, объему и площади. Антропогенные показатели также определены ГОСТами системы безопасности труда, экологическими ограничениями и такими эргономическими и эстетическими факторами как мода, современное состояние дизайна, «капризы» заказчика.

Дата добавления: 2014-12-27