ФСА для изделия.

Зачем менеджерам заниматься ФСА изделия? Оказывается это необходимый инструмент и управленца, и маркетолога: какие части изделия или процесса надо убрать для формирования себестоимости по таргет-костингу для приемлемой для рынка цены и плановой рентабельности? Причем, без существенного снижения ценности для потребителя. Какие надо добавить для существенного поднятия ценности продукта? А что можно «свернуть», не потеряв ценности, но снизив себестоимость?

ФСА для изделия применяют для решения 2 задач: повышения функциональности системы или изделия и уменьшения затрат на изготовление и эксплуатацию системы[1].

        

Не исключен и третий вариант: одновременное увеличение функциональности и снижение стоимости. Важным является при исследовании и то, что излишними в любом изделии являются от 5 до 95% затрат, которые надо вывявить и «изъять» из изделия.

*Повышение качества функционирования полимерного изолятора для ЛЭП, проведенное А. Скуратовичем, без увеличения затрат[2]. Проблемная ситуация: чтобы увеличить прочность соединения наконечника с полимерным стержнем, пробовали сильнее обжать металлический наконечник, но стержни раскалывались.

  

По результатам ПЭА было предложено в зазор между стержнем и металлическим наконечником поместить порошок твердого вещества. Порошок равномерно распределяет силу сжатия вокруг стержня. Это позволило сильнее обжимать стержень без его разрушения. В результате произошло существенное увеличение нагрузки на разрыв у изолятора без существенного увеличения цены изделия.

     

Как и всякой системности, методу присуща строго определенная последовательность этапов проведения. Мы всегда начинаем с системного подхода (с использованием компонентного, структурного, функционального, параметрического и генетического видов анализа), чтобы прийти к полному исследованию объекта по шагам методами соответствующего анализа и на основании ее строится соответствующая модель:

1.      Компонентная модель системы - состав и иерархия  компонентов (для изделий — сборочные единицы, детали; для  процессов — операции, переходы, оборудование, оснастка и др.). Компонентный анализ рассматривает объект как систему из элементов (подсистем), входящую в систему более высокого ранга (надсистему).

Модель системы:

• вначале строится  исходная модель объекта на иерархической основе. Модель обязательно корректируется по результатам структурного и функционального анализа. И, если объектом функции оказался элемент более низкого иерархического уровня, то элемент  носитель этой функции включается как подсистема в состав связанного с ним элемента верхнего уровня.
• строится по верхнему иерархическому уровню. Если предметом рассмотрения становится подсистема, тогда в модель включаются элементы более низкого иерархического уровня.

Модель объекта с надсистемой:

• После построения модели  объекта к ней «пристыковываются» элементы взаимодействия надсистемы. Модель строится отдельно для каждого этапа жизненного цикла: на разных стадиях объект входит в разные надсистемы и взаимодействует с разными элементами.
• на этапе изготовления — оборудование, оснастка, материалы, комплектующие изделия, конструкторская и иная документация, изготовители, производственные помещения.
• на этапе эксплуатации — сам объект функции, пользователь, а также  системы, взаимодействующие с компонентами верхнего уровня объекта рассмотрения.

*Для ручной мясорубки на этапе эксплуатации главными элементами надсистемы являются: объект функции — продукт (мясо, овощи и пр.), пользователь — руки человека. Есть и другие элементы взаимодействия надсистемы: стол для крепления мясорубки, вода для мытья, стол, миски для продукта и фарша и пр.

• на этапе хранения и транспортирования — транспорт,  грузоподъемные механизмы, упаковка, складские помещения, средства консервации.
• на этапе утилизации – средства транспортировки, складирования и утилизации продукта.
• на всех этапах в модель включается внешняя среда: воздух, вода, пыль; тепловое, механическое, световое излучение, гравитационное и магнитное поля и пр.).

 

2.      Структурная модель - схема взаимосвязей между компонентами системы и надсистемой, расположение их в пространстве. Она строится по установлению связей друг с другом элементов системы и с элементами надсистемы. Структурный анализ определяет взаимодействия между компонентами объекта.

Построение структурной модели имеет определенные правила:

• строится в виде матрицы элементов объекта (плюс его надсистемы) одинаковые на осях абсцисс и ординат. На пересечении строк устанавливается наличие связей между элементами.

*Структурный анализ объекта «вешалка для брюк» выглядит следующим образом:

  

По структурной модели мы видим наличие связей между элементами системы, объектом и значимыми элементами надсистемы.

• структурные модели строятся для каждой стадии жизненного цикла и фиксируются все возможные связи для штатной или нештатной ситуации данной стадии жизненного цикла объекта и даются по ним комментарии.
• два элемента модели могут иметь несколько различных связей. Если элемент объекта связан только с одним из остальных элементов, он исключается из модели. Его нужно рассматривать как подсистему элемента, с которым он связан. Если элемент не связан ни с одним элементом объекта, его нужно исключить из модели.
• выделяем связи вещественные (контактные) и полевые (бесконтактные). Полевые связи это - механические, акустические, тепловые, электромагнитные, химические, гравитационные и др. Вещественные и полевые связи, в основном, являются двусторонними и характеризуют взаимодействие элементов. Информационные связи всегда односторонние.

*Связь снайперской винтовки с оптическим прицелом с пальцами и телом стрелка вещественная двусторонняя, а с глазами стрелка — полевая информационная (оптическая) односторонняя.

• производится предварительная функциональная оценка и ранжирование связей по:  полезным, вредным и нейтральным.

*Связь  ножа и решетки  мясорубки — вещественная и полезная. Она дает измельчение продукта (нож и решетка - это режущая пара). Одновременно, она и вредная: приводит к истиранию и нагреву режущей пары.

• дополнительные функции объекта мы выявляем по анализу связей элементов системы и элементов надсистемы на всех этапах жизненного цикла.

*Для ручной мясорубки на этапе эксплуатации есть связь руки человека и прижимающей решетку к ножу гайкой. Связь есть как  в штатных ситуациях (при сборке для подготовки мясорубки к работе и разборке после завершения работ), так ив  нештатных (подкручивании гайки в ходе работы при ослаблении прижима решетки к ножу).

 

3.      Стоимостная модель – поэлементная стоимость изделия на всех этапах. Цель анализа - определение затрат на выполнение функций и их сопоставление со значимостью анализируемых функций. Стоимостной анализ оценивает затраты на всех стадиях жизненного цикла продукта. Типовые НЖЯ, выявляемые  на этапе стоимостного анализа:

• несоответствие между затратами на компонент и его функциональной важностью.

*Функциональная важность трубки ТЭН электрокипятильника - 30%, при этом на нее приходится 75%  затрат.

• применение дорогих материалов, комплектующих изделий, оборудования для изготовления транспортировки, упаковки, хранения, техобслуживания, ремонта.
• высокая трудоемкость, использование труда высокой квалификации, дефицитных профессий.
• несоответствие стоимости  на каждом этапе жизненного цикла продукта  и степени влияния этого этапа  в сравнении с суммой совокупных затрат за весь жизненный цикл объекта.

*Стоимость производства топлива низкого качества для автомобилей существенно ниже стоимости топлива стандарта ЕВРО-5. Соответственно, и цена реализации первого существенно ниже, но его применение требует частого ремонта и пробег с таким топливом аналогичного объема, как правило, на 25-30% меньше. Суммарные затраты на покупку, владение и ремонт автомобиля такого топлива существенно выше, чем топлива стандарта ЕВРО-5.

 

4.      Функциональная модель -  схема функций элементов системы, взаимодействие под- и надсистем. Функциональная модель состоит из:

• ГПФ объекта.
• Основных и вспомогательных функций соответствующего ранга.
• Дополнительных функций. Объектами их являются элементы надсистемы, или сама система в целом.

*ГПФ автомобиля – «перемещать груз». Дополнительные функции автомобиля – «задерживать посторонние предметы от попадания на груз» (пыль, грязь, вода, снег); «удерживать груз» (сиденьями – для людей, креплениями и бортами – для материальных объектов твердых, емкостями – для жидких и газообразных); «освещать пространство перед собой» (для ориентации ночью себя и надсистемы).

Функциональный анализ рассматривает объект как комплекс выполняемых им функций.  ФА исходит из посылки: выполнению полезных функций в объекте всегда сопутствуют вредные и нейтральные функции.

*Топливо в двигателе внутреннего сгорания выполняет полезную функцию: при воспламенении толкает поршень двигателя, вредную функцию – загрязняет топливную систему, нейтральную – нагревает двигатель.

5.      Параметрический (временной) анализ (ПА) -  уровень выполнения функций системы; суммарное и поэлементное время выполнение операций системой, выявление мест сокращения времени процесса. ПА устанавливает пределы развития объекта — физические, экономические, экологические и др. Для этого выявляют и обостряют ключевые технические противоречия, препятствующие дальнейшему развитию объекта в целом, чтобы поставить задачи по устранению этих противоречий за счет новых решений. Для ПА используются данные об уровне выполнения ГПФ и дополнительных функций продукта.

Параметрический анализ выявляет НЖЯ-следствия  качественных пределов развития продукта.

6.      Генетический анализ (ГА) исследует объект на его соответствие законам развития ТС, изучает историю развития исследуемого объекта: характер изменений его конструкции, технологии изготовления, серийности выпуска используемых материалов и пр. Базовой в ГА является линия жизни системы (закон S-образного развития). Для реальной системы она имеет вид не сглаженной прямой, а ступенчатой. В ГА делаются выводы о положительных и отрицательных последствиях таких изменений, что позволяет сформулировать задачи и предложения по совершенствованию объекта на всех стадиях (предыдущих и последующих) жизненного цикла.

Типовые НЖЯ, которые может дать проведение генетического анализа: 

• несоответствие между реально существующим и потенциально возможным по ЗРТС продуктом.
• недостаточный учет результатов изменений в течение жизненного цикла продукта.

 

7.      Анализ потоков исследует потоки вещества энергии, информации в объекте на основе моделирования этих потоков. Типичные НЖЯ, выявляемые при анализе:

• потери потока (вещества, энергии, информации) на участке «функциональной цепочки».
• «паразитные» цепочки в полезном потоке.
• вредный поток.

*Тепловой поток в дизельэлектростанциях (ДЭС). Особенно летом нужна мощная система охлаждения двигателя.

 

Модель материальных потоков строится по результатам структурного анализа:

• модель лучше строить графическими цепочками прохождения материальных потоков между элементами объекта и надсистемы.
•  все участки потока помечается комментариями, поясняющими направление потока, его величину, изменения и пр.
• Для одного структурного анализа может быть несколько моделей материальных потоков.

*Для ручной мясорубки есть 2 модели: потока вещества (продукта) и  потока механической энергии (усилий). Модель потока механической энергии будет выглядеть следующим образом:

 

Механическая энергия (усилия) в ручной мясорубке передается от человека на ручку и от ручки к шнеку -  100%, а от шнека к корпусу по 4-рем параллельным путям с долей потока:

через продукт —10%;

непосредственно через втулку корпуса —5%;

через решетку и гайку — 5%;

через нож, решетку, гайку — 80%.

 

8.      Определение нежелательных явлений (НЖЯ) системы. Типовые НЖЯ, выявляемые функциональным анализом:

• вредные функции.

*В ручной мясорубке нож выполняет несколько функций: измельчать продукт (полезная функция), нагревать продукт (нейтральная), сминать продукт (вредная).

• функции низкого ранга. Их надо исключать.

*В ручной мясорубке НЖЯ —  функции ранга  ВФ2-1 и ниже.

• небольшое количество полезных функций у одного элемента.
• недостаточный/избыточный уровень выполнения функции.

*Для бурового койлтюбинга  уровень выполнения функции «перемещать буровой инструмент в скважине» по параметру «скорость спуска» — избыточный, а по параметру «износостойкость»— недостаточный.

• дублирование выполнения функции несколькими элементами (одинаковыми, однородными, различными). Дублирование может быть как параллельным, так и последовательным. 
• несогласованность уровней выполнения функций разных элементов объекта в целом.

*Срок службы койлтюбинговой трубы в койлтюбинге на несколько порядков ниже, чем системы «Койлтюбинг» в целом.

 

Одновременное применение разных видов анализа дает дополнительные существенные НЖЯ: проверку на согласованность взаимодействующих элементов (генетический анализ) лучше провести с использованием матриц взаимосвязи элементов объекта (структурный анализ).

Само наличие любого компонента рассматривается как НЖЯ: его создание и функционирование – это всегда затраты ресурсов. Его функции могут быть «переданы»  оставшимся элементам или элементам надсистемы.

Если существенных НЖЯ или нежелательных элементов (НЭ) не выявлено, то проводим диагностический анализ и выбираем другие подсистемы для анализа. Далее – процедура сначала.

9. Формулирование задач на совершенствование системы и устранение НЖЯ. По имеющимся НЖЯ решаем задачи двух типов:

• не содержащие технического противоречия (ТП), формулируя предложение по устранению НЖЯ инженерными методами или простыми методами нахождения решений (мозгового штурма пр.).

*Снижение стоимости изготовления зубчатых секций ротора очесывающей жатки зернового комбайна[3], проведенной А. Скуратовичем. Очесывающие жатки обрывают только колосья растений с помощью вращающегося ротора с зубчатыми стальными секциями из дорогой пружинной нержавеющей стали. Отходы стали после лазерной вырезки секций составляли 35,7%. Была поставлена задача по уменьшению НЖЯ: снижению отходов стали.

 

Секции резались из исходного листа. Получалось из одного листа вырезать 32 зубчатых секций для ротора. Переделали сам элемент секции - круглую «канавку-головку» в основании «зуба». Такая конструкция, как оказалось, не повлияла на работоспособность и на долговечность элемента, но существенно увеличила «выход» элементов с одного стального листа – с 32 секций до 48. И, соответственно, отходы упали с 35,7% до 9,9%.

 

В результате увеличилось количество секций из 1 листа стали, на 17% уменьшилось время вырезки одной секции и отходы уменьшились в более чем 3,5 раза.

 

При этом расход дорогостоящей стали снижается, время вырезки одной секции уменьшается, а функционирование секций ротора очесывающей жатки зернового комбайна контакта не ухудшается (нет ТП).

• содержащие ТП методами ТОС и ТРИЗ.

*Для проведения буровых работ буровая труба должна быть:

   - жесткой, чтобы обеспечивать направленное бурение в твердых породах;

   - гибкой, чтобы входить в ствол скважины целиком без свинчивания отдельных звеньев.

Это техническое противоречие разрешено в койлтюбинге: в нем жесткая многозвенная труба заменена  на койлтюбинговую: жесткую для проводки скважины бурением и гибкую для намотки многокилометровой трубы на барабан.

            

10. Выявляем функциональные зоны с наибольшими затратами.

11. Выявляем имеющиеся вещественно-полевые ресурсы для решения поставленных задач. Если мы знаем носитель проблемной функции (недостаточно или избыточно выполняемой; или вредной) и ее объект, мы можем определить «портрет» искомого ресурса и составить перечень требований к нему.

 

 

Теперь уже проще найти подходящий ресурс из имеющихся в системе или надсистеме. Эти ресурсы можно определить перебором вариантов по таблице 1,4. Учебного пособия С.Кукалева[4].

12. Провести решение по алгоритму АРИЗ.

*В обычной мясорубке стоимость измельчающего продукт винтового ножа, выполняющего вместе с решеткой ГПФ системы, и стоимость барашка, поддерживающего ручку кручения, оказались одинаковыми. В ТРИЗовкой ФСА эту функцию и ее стоимость надо убрать.

                   

ИКР: Барашка нет, а функция выполняется. Решение простое – шлиц в насадке ножа для присоединения ручки не прямой, а под углом (байнетный затвор).

 

Самым простым «усеченным» методом ФСА для уменьшения стоимости изделия или его компонентов является поэлементный анализ (ПЭА – Инструмент № 3.). Он относительно прост, достаточно эффективен, не требует специальных знаний, требует лишь инженерных знаний в предметной области, знания логики, и результат достигается простым перебором не более чем 10 вариантов решения по простым методам (метод фокальных объектов, метод мозгового штурма и пр.).

Последовательность действий по поэлементному анализу (ПЭА) такова[5]:

1. Разделить деталь (конструкцию) на элементы (компоненты).

Элемент (компонент) - любая конструктивная составляющая, определённая требованиями к детали, её функциям или дополняющая её конструктивное оформление: материал, чистота поверхности, размер, допуск, отделка, резьба, отверстие, фаска, радиус. Компонентная модель строится по уровням по правилу: чрезмерно высокий иерархический уровень мало информативен, слишком иерархический низкий уровень существенно затрудняет анализ.

*Уровень 3 для анализа компонентной модели изделия «Автомобиль» будет вполне достаточным[6], как нижний уровень иерархии в построении компонентной модели. В модели не обязательно соблюдать принцип симметрии. Важен принцип достаточности и целесообразности. Сами компоненты выбираются с целями и ограничениями проекта. Само собой, система «Автомобиль» в общем случае состоит из элементов 1 уровня: двигателя, рабочего органа, трансмиссии, системы управления, дополнительных элементов. Но для конкретных целей, например, для системы управлением зажигания и работы системы впрыска и поджига или системы энергопитания двигателя, можем ограничить компонентный анализ до необходимых и влияющих элементов: на 2 уровне – электросистема, топливная система и система управления.

 

Уровень 3 является, конечно, достаточным с компонентами генератор, провода, аккумулятор. Исследование уровня 4 уже не имеет практической ценности и уводит нас для данного целевого анализа от главного.

**Компонентная модель изделия «Вешалка для брюк» выглядит так: на уровне надсистемы для нас важны направляющая, на которую вешается сама вешалка для брюк и руки человека, которые вкладывают и зажимают брюки в вешалку и вешают саму конструкцию на направляющую.

               

Вешалка состоит из 5 компонентов 2 уровня: крючок (1), корпус (2), направляющая (3), прищепка (3), пружина – внутри прищепки (5). Третий уровень для нас излишен для анализа.

 

 

На этапе эксплуатации в модели участвуют и элементы надсистемы:  пользователь – руки человека, место закрепления крючка вешалки (направляющая для вешалки, гвоздь  и пр.). И главное – сам объект функции – брюки.

 

***Компонентная модель изделия «Мясорубка ручная» выглядит следующим образом:

 

В надсистеме есть два основных элемента – стол, на который крепится мясорубка, и руки человека, передающие механическую энергию вращению ручки. Объект функции здесь – продукт для измельчения. В надсистему можно добавить и воду для мытья мясорубки, и миску, в которую попадает измельченный продукт.

 

 

Система мясорубка (верхний уровень) состоит из 7 элементов 2 уровня, элементы 3 уровня являются для анализа излишними.

 

1. Строим структурную модель объекта в виде матрицы связей элементов объекта и элементов надсистемы.

*Матрица взаимосвязи элементов для объекта «мясорубка ручная» будет выглядеть следующим образом:

 

А модель «вешалка для брюк» так:

 

Строго говоря, структурный и компонентный анализы не вполне являются анализами. Как правило, они не дают весомых выводов, а лишь подготавливают нас к лучшему пониманию системы и проведению функционального анализа.

 

1. Расписать функцию каждого из элементов. Какие элементы выполняют основные и вспомогательные функции:

• Основные – элементы, от которых зависит удовлетворение эксплуатационных требований, предъявляемых к данной детали, её функции, к изделию в целом. Они влияют на разные факторы работы детали: её качество, надёжность, взаимозаменяемость и др., - и обеспечивают выполнение возложенных на деталь функций.
• Вспомогательные – элементы, которые не влияют непосредственно на качество изделия, его работу и не определяются требованиями, предъявляемыми к данной детали с точки зрения её эксплуатации.
• Дополнительные – элементы, которые дают дополнительные функциональные преимущества изделию.

Построить на основе данных, собранных выше, матрицу соответствия элементов и функций с оценкой их функциональной значимости.

*Таблица соответствия элементов и функций для изделия  «мясорубка» представлена ниже. ГПФ мясорубки – измельчать продукт. Основные функции элементов мясорубки: шнека с корпусом – F4 — «вводить продукт (в решетку)»; шнека, корпуса и ножа с решеткой — F2—«измельчать продукт» и F3 – «калибровать продукт». Их объектом является «продукт» – объект ГПФ. Эти функции образуют последовательные действия с одним объектом и ранг их определяется местом действия в обратной последовательности: самый высокий ранг у функции F2, самый низкий – у F4.

Гайка, шнек и корпус несут вспомогательные функции - F1 – «прижимать нож к решетке»; ручка - F5 — «вращать шнек»; шнек и винт – F6 — «крепить ручку к шнеку»,

  

1. Оценить себестоимость изготовления элементов. Себестоимость вычисляем только по проходным затратам, по методике Прохода[7]. Иной метод вычисления себестоимости ведет к искажениям правильного понимания затрат на продукцию. Установить взаимосвязь значимостью и относительной важностью функций. Выбрать для переделки несколько элементов с наибольшим значением коэффициента Р - «стоимость элемента/относительная важность выполняемой им функции».

*Анализ взаимосвязей функций и элементов обычной вешалки для брюк приводим с таблице ниже[8]. ГПФ вешалки для брюк – аккуратно повесить брюки. Для ее выполнения нужно сделать 3 основных функции: охватить брюки с помощью прищепки, создать усилие по их сжиманию с помощью пружины и подвесить с помощью крючка.

В вешалке есть 3 основных функции – подвесить брюки (с помощью крючка), охватить брюки (с помощью прищепки) и создать усилие (с помощью пружины). Самыми важными функциями здесь являются функции F₄ и F₅. Они де являются самыми дорогими по стоимости изготовления. Но такой же дорогой является вспомогательная функция F₃. Сравнивая стоимость с относительной важностью выполнения функции, мы понимаем, что наши основные усилия должны быть направлены на сокращение стоимости вспомогательного элемента – направляющей. Об этом же указывает коэффициент Р = стоимость/ относительная важность. Значит, первым в переделке элемента ради его удешевления стоит элемент 3 (Р=3,0), вслед за ним элемент 4 (Р=1,33). Или мы подвергаем исправлению элементы с коэффициентом Р выше, чем среднее его значение на 1 деталь (среднее Р на 1 деталь в нашем случае равно 1,37). Если же не удается изменить основные функции, то можно попробовать устранить вспомогательные - F₂  и  F_3, у которых высокий коэффициент Р (1,0 и 3,0 соответственно).

 

1. Переделать элемент(ы) с самым большим значением коэффициента Р с функциями и характеристиками не хуже и дешевле инженерными методами перебором не более, чем 10 вариантов.

*В случае с вешалкой для брюк конструкцию действительно можно изменить, избавившись от элементов 2 и 3, несущих вспомогательные функции. И сделать конструкцию из 2 элементов: каркаса (возложив на него функции подвесить и охватить брюки) и стоппера (с функцией создать усилие при удерживании брюк). Каркас, в нашем случае, может состоять из изогнутой проволоки со загнутым концом, конец проволоки можно загнуть – получится крючок. Простейшим устройством, создающим усилие для неспадения со скользкого металла брюк, является нескользкая полиэтиленовая оболочка. Итога 2 элемента теперь являются носителями 3 основных функций. Тогда матрица соответствия функций и компонентов покажет нам следующую картину:

  

Суммарная стоимость элементов изделия уменьшилась на 33% при выполнении элементами только основных функций. Общий коэффициент упал до 1,33, и его значение при пересчете на 1 элемент составило 0,67 при первоначальном значении

1,37. Мы свернули вешалку до двух элементов, выполняющих все три основные функции: роль направляющих, прищепки и пружины выполняет нескользкая полиэтиленовая оболочка, удерживающая брюки от падения.

 

 

Можно пойти по пути увеличения функциональности изделия, оставив 3 основных элемента с 3-мя основными функциями. Но теперь конструкция может удерживать несколько брюк и пальто.

 

                                     

 

Затраты возросли гораздо в меньшей степени, чем увеличена функциональность объекта «вешалка для брюк».