Проектирование технологической линии

Современная технологическая линия — сложнейший технический объект. Прошло время приспособлений, устройств, отдельных машин и аппаратов, которые использовали при производстве пищевых продуктов. Сложности объекта соответствуют и многоаспектные вопросы организации создания линии. Все эти вопросы должны знать не только руководитель, но и рядовые разработчики: исследователи технологических процессов, конструкторы машин и аппаратов, проектировщики, изготовители и монтажники линий. Только в этом случае повысится эффективность самого процесса создания линий.

Предпроектные изыскания. Создание или модернизацию технологических линий, как правило, осуществляют на базе результатов законченных научно-исследовательских работ (НИР) по разработке и совершенствованию действующих технологических процессов. Такие НИР могут быть выполнены академическими или отраслевыми научно-исследовательскими организациями с проведением теоретических и экспериментальных исследований фундаментального и прикладного характера.

Наряду с этим на этапах определения исходных требований, технического задания и эскизного проекта, как правило, возникает необходимость провести дополнительные теоретические и экспериментальные изыскания.

Задачи и содержание предпроектных изысканий включают в себя следующие работы:

– анализ научно-технической информации, чтобы изучить состояние вопроса в исследуемой области технологии и техники;

– технико-экономическое обоснование создания линии нового поколения;

– технологические исследования, чтобы определить оптимальные параметры технологического процесса;

– технические исследования с целью выбора оптимального конструктивного исполнения линии и ее составных частей;

– патентные изыскания.

Анализ научно-технической информации. Состояние вопроса изучают по монографиям, справочникам, каталогам, статьям в научной периодической печати, а также путем ознакомления с неопубликованной отчетной научно-технической информацией отраслевых НИИ и КБ, занимающихся аналогичной тематикой. Из этих информационных материалов получают сведения о назначении и области применения исследуемого производства, о свойствах исходного сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции, о научных основах применяемой технологии, об устройстве и принципе действия оборудования, о задачах и опыте усовершенствования технологии и техники, о современных достижениях в смежных передовых отраслях и за рубежом.

Технико-экономическое обоснование (ТЭО). При создании линии нового поколения это обоснование производят, сравнивая технические и экономические показатели базового и проектируемого образцов линий. За базовый образец принимают наиболее близкий по устройству и назначению отечественный или зарубежный аналог действующей линии.

При сравнении технических показателей базового и проектируемого образцов учитывают, прежде всего, показатели назначения, в частности производительность, габаритные размеры, потребление энергоресурсов, материалоемкость, а также характеристики надежности: безотказность, долговечность и ремонтопригодность.

Крайне важное значение имеет показатель, определяемый как удобство санитарной обработки.

При сравнении экономических показателей базового и проектируемого образцов учитывают не только их цены, но и затраты, связанные с транспортированием и монтажом оборудования, с капитальным строительством при подготовке зданий и помещений, с текущим обслуживанием и эксплуатацией линии.

Не менее важный этап технико-экономического обоснования создания новой линии — расчет годового экономического эффекта, когда за базовый образец принимают оборудование, подлежащее замене. Целесообразность новой разработки может подтвердить только положительный годовой экономический эффект, представляющий собой годовую экономию приведенных затрат, т.е. сумму капитальных вложений и текущих затрат, приведенных к одной соразмерности в соответствии с нормативным коэффициентом экономической эффективности.

Капитальные вложения – это единовременные затраты на создание новой линии, в частности стоимость научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, стоимость изготовления опытного образца, его транспортирования и монтажа, затраты на реконструкцию или строительство зданий и вспомогательных производств, а также остаточная стоимость заменяемого оборудования. Весьма важный показатель – срок окупаемости капитальных вложений, т.е. период, в течение которого капитальные вложения соизмеряются с экономией от внедрения.

Положительный экономический эффект, получаемый от внедрения новой линии, обусловлен снижением затрат производственных ресурсов на выпуск готовой продукции. Основные статьи дополнительного дохода при внедрении новой линии следующие: увеличение объема готовой продукции, сокращение уровня дефектной продукции, отходов и низкосортной продукции, экономия энергоносителей, уменьшение численности производственного персонала и т.п.

Таким образом, достижение наибольшего положительного годового экономического эффекта возможно при снижении капитальных вложений и затрат производственных ресурсов.

Технологические исследования. Эти исследования включают в себя изучение и анализ организации производства, принципов технологических процессов и способов преобразования исходного сырья в готовую продукцию, методов оценки качества исходного сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, а также систем контроля параметров процессов. Технологические исследования, как правило, проводят на действующих линиях и в производственных лабораториях предприятий. Результаты исследований используют при разработке исходных требований, технического задания и выполнении технологической части проекта.

Технические исследования. Эти исследования предусматривают изучение и анализ устройства и принципов действия оборудования технологической линии. Исследуют конструктивное исполнение рабочих органов машин и характер их взаимодействия с обрабатываемым продуктом, определяют оптимальные режимы работы оборудования, рассматривают вопросы надежности и прочности конструкций. Результаты технических исследований используют на всех этапах создания линии от разработки исходных требований до испытаний опытного образца.

Патентные изыскания. В процессе создания новой техники широко используют патентную информацию. Основные направления применения патентной информации следующие:

– оценка технического уровня создаваемой линии;

– экспертиза патентоспособности новой линии;

– экспертиза патентной чистоты новой линии.

Под патентной документацией понимают, прежде всего, официальные публикации патентных ведомств различных стран. К их числу относятся, в первую очередь, официальные патентные бюллетени и описания изобретений к патентам, авторским свидетельствам или к заявкам на изобретения.

Описания изобретений содержат характеристику состояния технической идеи до и после появления данного изобретения. Поэтому патентную информацию широко используют для оценки технического уровня разработок по созданию нового поколения линий.

Поиск для определения уровня технических решений проводят по документации последних лет, но не менее среднего срока обновления основных технических решений. Средний срок обновления технических решений может быть установлен путем изучения данных о реальных сроках действия патентов или путем анализа ссылок, приводимых в патентных документах.

К определению уровня технических решений относится также поиск изобретений перспективных в научно-техническом и коммерческом отношении. Для этого используют различные формальные методы (например, выявление числа патентов-аналогов, поиск по наименованию патентовладельца и т.д.), а также устанавливают масштабы внедрения изобретения по отраслевым, фирменным и специализированным изданиям (например, бюллетени фирм, содержащие информацию о внедренных изобретениях). Такая оценка может быть проведена следующими этапами:

– составление перечня самостоятельных элементов объекта (операций в технологическом процессе, либо сборочных единиц и деталей в конструкции линии или машины);

– выбор эталона для образования логической модели мирового достигнутого технического уровня, а затем прогнозирование мирового перспективного уровня объекта;

– сопоставление существенных признаков отдельных элементов оцениваемого объекта с признаками эталона для выявления отличающихся элементов;

– определение элементов оцениваемого объекта, не отличающихся от аналогичных элементов эталона;

– анализ различных элементов объекта и эталона с целью определения: положительны или отрицательны эти отличия; какой технический эффект, отраженный в эталоне, не может быть получен при использовании объекта.

Одновременно определяют степень промышленной реализации нового технического решения, сопоставляя сведения, имеющиеся в картотеках, составленные на основе хронологического анализа выданных патентов, рекламные материалы и т.п.

Технический уровень оценивают как высокий, если он превышает уровень лучших отечественных и зарубежных образцов, при этом разрабатываемая линия должна быть патентоспособной и обладать патентной чистотой.

Патентоспособными считают объекты техники, разработанные на базе новых конструкций и способов, которые могут быть признаны изобретениями и защищены патентами.

Патентоспособность характеризуется новизной и технико-экономической эффективностью технических решений, которые положены в основу оцениваемой разработки.

Техническое решение признается новым в том случае, если до даты приоритета заявки на изобретение сущность этого или тождественного решения не была раскрыта в нашей стране или за границей.

При исследовании новизны патентный поиск осуществляют, как правило, на глубину 50 лет, предшествовавших подаче заявки на изобретение. Для новых областей техники поиск производят, начиная с первых патентных публикаций.

Патентная чистота — это юридическое свойство объекта техники, заключающееся в том, что он может быть свободно использован в данной стране без опасности нарушения действующих на ее территории патентов на изобретения.

Цель экспертизы на патентную чистоту — установить возможность применения данного технического объекта в конкретной стране (или группе стран) и определить меры, обеспечивающие такое использование без нарушения патентов третьих лиц. Экспертиза заключается в отыскании всех действующих в этой стране патентов, имеющих отношение к техническим решениям, примененным в данном объекте, в их анализе, а также в принятии мер, исключающих неблагоприятные факторы.

Экспертизу патентной чистоты проводят технологи, конструкторы, проектировщики, непосредственно разрабатывающие данный объект и знающие все его особенности, при методической помощи работников патентной службы.

Результат предпроектных изысканий. На этапе выполнения предпроектных работ подтверждается технико-экономическая целесообразность создания линии нового поколения, определяются ее основные технические характеристики и формулируются основные технологические и конструктивные принципы ее устройства и функционирования.

На основе материалов, полученных при выполнении предпроектных изысканий, разрабатывают исходные требования заказчика:

– цель разработки технологической линии нового поколения;

– ориентировочную потребность в линиях с начала их серийного производства;

– назначение и область применения линии;

– информацию об устройстве и параметрах аналогичных отечественных и зарубежных линий;

– технико-экономическое обоснование создания новой линии;

– технические характеристики и параметры линии;

– условия эксплуатации линии (режимы и организация работы, технологический комплекс, в котором линия будет использоваться);

– технические требования (в частности условия управления, транспортирования, монтажа, ремонта);

– расчет годового экономического эффекта, подтверждающий экономическую целесообразность создания новой линии.

Таким образом, предпроектные изыскания призваны всесторонне обосновать целесообразность создания линии, избежать ошибок и просчетов на самых ответственных этапах проектирования и конструирования линии.

Применительно к технологическим линиям, проектирование – это целенаправленная последовательность актов принятия решений, приводящая к выявлению окончательных решений, дающих представление о конструкции линии и ее составных частей и являющихся основой для разработки рабочей конструкторской документации.

Сущность проектирования. Проектирование — сложный итерационный процесс, который реализуется на всех этапах создания новой линии и заключается в многократном (повторном) разрешении противоречий между потребностями (требования) заказчика и технико-экономическими возможностями современного производства. На каждом этапе проектирования совершается очередной «виток» прохождения будущего проекта с учетом множества различных критериев и ограничений, определяемых целями создания новой линии и технико-экономическими возможностями достижения этих целей.

Процесс проектирования можно представить в виде спирали, каждый виток которой обязательно проходит все критерии и ограничения, сформулированные в исходных требованиях заказчика (или в техническом задании) и уточненные в ходе дальнейшего проектирования. По мере приближения к окончательному варианту проекта спираль скручивается, отбрасывая все негодные побочные и малозначащие, а также недостижимые в современных технико-экономических условиях проектные решения, оставляя только рациональные. Воплощенные в технической документации, они и составят окончательный проект. Диаметр каждого витка такой спирали сужается, отражая характерную черту процесса проектирования – продвижение от расплывчатой, широкой, неопределенной во многих деталях начальной итерации проекта к конкретному завершенному в технической документации опытного образца линии, т.е. окончательному проекту.

Разработка проектно-конструкторской документации – чрезвычайно трудоемкий, сложный и ответственный этап создания новой линии. В нем участвуют многочисленные коллективы инженерно-технических работников различных специальностей: технологи-пищевики и машиностроители, конструкторы, исследователи, экономисты, патентоведы, дизайнеры, расчетчики и др. От качества проектно-конструкторской документации полностью зависит возможность практической реализации разработки, ее технические и экономические показатели.

В зависимости от вида объектов проектирования различают технологическое и техническое проектирование.

Технологическое проектирование. Цели технологического проектирования состоят в обосновании производительности и ассортимента выпускаемой продукции проектируемой линии, в разработке оптимальной технологической схемы, а также в выборе оптимальных технологических режимов, которые обеспечивают рациональную обработку исходного сырья и выпуск готовой продукции в соответствии со стандартами и техническими условиями.

Задачи технологического проектирования:

– теоретическое и экспериментальное обоснование структуры и параметров технологических процессов;

– разработка методов контроля’ качества исходного сырья, промежуточных продуктов и готовой продукции;

– анализ результатов предпроектных изысканий и опытно-промышленных испытаний;

– анализ решений при рассмотрении всех видов проектной документации.

Задачи технологического проектирования решают инженеры-технологи данного вида производства, которым принадлежит ведущая роль. Это обусловлено тем, что именно инженеры-технологи в соответствии с результатами технологического проектирования выдают задание на техническое проектирование и конструирование машин, согласовывают результаты выполнения этих заданий на этапах разработки рабочей документации, изготовления и испытаний опытного оборудования.

Техническое проектирование. Цель технического проектирования, которое является начальным этапом конструирования, – выработать определенную концепцию, замысел конструктивного решения технологической части проекта. Задачи технического проектирования линии — разработка принципиальной схемы ее устройства, конструктивного устройства ее составных частей, выполнение кинематических, силовых и прочностных расчетов. Техническое проектирование оформляют в чертежах общего вида линии, ее составных частей, а также в расчетно-пояснительных записках технического предложения, эскизного или технического проектов.

Техническое задание (ТЗ) на линию. Это основной исходный документ для ее разработки. Роль и значение этого документа значительно выше значения ТЗ на проектирование отдельных машин и аппаратов. ТЗ на линию не только определяет требования к отдельным функциональным подсистемам и единицам оборудования, но и обеспечивает их сбалансированность и четкое взаимодействие.

При сложившейся системе разработки и изготовления линий для перерабатывающих отраслей АПК техническое задание часто является единственным общесистемным документом, регламентирующим интеграцию отдельных элементов линии в единую систему. Поэтому процесс разработки ТЗ с полным основанием можно считать важнейшей составной частью технического проектирования линии. Подготовку технического задания выполняет разработчик, который затем согласовывает ТЗ с научно-исследовательской организацией, выдавшей исходные требования, с органами, осуществляющими надзор за безопасностью, охраной здоровья и природы, с предприятием-потребителем, где предполагается монтаж и испытания опытного образца линии, а также с заводом, на котором этот образец будут изготовлять. Техническое задание утверждает основной заказчик, финансирующий разработку новой линии.

Техническое задание, как правило, должно состоять из следующих разделов:

– наименование и область применения (использования) линии;

– цель и назначение разработки, а также перечень основных документов по результатам ранее приведенных работ, которые необходимо использовать при разработке;

– технические требования и экономические показатели;

– порядок контроля и приемки линии, а также стадии и этапы ее разработки.

В разделе «Технические требования» указывают требования и нормы, определяющие показатели качества и эксплуатационные характеристики линии с учетом действующих стандартов и норм, а также совершенного технического уровня. В общем случае в этом разделе должны быть следующие сведения:

– наименование, количество и назначение основных составных частей линии; конструктивные требования к линии и ее составным частям;

– основные технические параметры линии, определяющие ее целевое использование и применение, а также свойства, отражающие ее техническое совершенство по уровню и степени потребляемого сырья, материалов, топлива и энергии при эксплуатации, например, производительность, удельный расход сырья, энергоносителя и т.п.;

– требования к надежности: долговечности, безотказности, сохраняемости и ремонтопригодности;

– требования безопасности и охраны природы;

– эстетические и эргономические требования;

– требования к патентной чистоте;

– условия эксплуатации, требования к техническому обслуживанию и ремонту;

– требования к исходному сырью и эксплуатационным материалам.

Техническое задание, как правило, разрабатывают квалифицированные технологи при непосредственном участии конструкторов-разработчиков создаваемой линии.

Проектную документацию разрабатывают после утверждения технического задания, в нее включают техническое предложение, эскизный и технический проекты.

Техническое предложение. На этапе технического предложения решают задачи структурного построения линии и ее подсистем, формулирования функциональных требований к ведущим машинам и аппаратам линии. На этом этапе производят следующие работы: анализируют исходное техническое задание с точки зрения функциональных возможностей, стоимости, производительности, компоновочных характеристик и т.д.; принимают наиболее существенные решения относительно возможных путей реализации требований к линии и ее подсистемам, сформулированных в техническом задании с учетом современных научно-технических достижений в исследуемой и смежных отраслях; выбирают критерии для оценки эффективности проектных решений; намечают основные направления машинно-аппаратурного оформления технологического процесса и конструкторско-технологических решений.

При разработке технического предложения патентные исследования служат для обоснования выбора оптимального варианта машинно-аппаратурной схемы линии. Обосновывают целесообразность использования известных технических решений с точки зрения оптимального и перспективного вариантов разработки: выявляют новые области применения известных способов и устройств, новые материальные возможности способов их реализации; намечают пути создания новых технических решений, которые в совокупности с известными должны обеспечить заданные технико-экономические показатели разрабатываемой линии с учетом патентоспособности и патентной чистоты.

Эскизный проект. В этом проекте линии должно содержаться окончательное решение о выборе оптимального технологического процесса, его машинно-аппаратурного оформления в виде конкретного варианта компоновки технологического оборудования линии и описания ее устройства и принципа действия, а также технологические, кинематические и прочностные расчеты, подтверждающие работоспособность выбранного варианта.

Эскизное проектирование линии предусматривает следующий перечень работ:

– технологическую проработку линии, в том числе построение принципиальной технологической схемы с указанием значений параметров технологического процесса на всех стадиях;

– продуктовый расчет исходного сырья, промежуточных полуфабрикатов, готовой продукции и отходов производства в соответствии с ассортиментом и заданной производительностью;

– определение мест и методов контроля параметров технологического процесса.

Продуктовый расчет данного вида выпускаемой продукции включает в себя расчеты расхода исходного сырья, вспомогательных материалов, полуфабрикатов собственного производства и поступающих со стороны, других компонентов в зависимости от заданной производительности линии, рецептуры и нормативно-технических требований.

Обычно линия, технологическая машина или аппарат имеют несколько конструктивных элементов, в которых по стадиям технологического процесса последовательно обрабатываются исходное сырье и полуфабрикаты. Расчленив процесс на отдельные операции, и выполнив соответствующие продуктовые расчеты, можно вычислить объемный расход компонентов на той стадии технологического процесса, для которой проектируется данная конструкция составной части линии.

Следующий этап эскизного проекта — машинно-аппаратурное оформление линии, в том числе построение машинно-аппаратурной схемы и составление спецификации входящего в нее оборудования. В этих документах определен полный состав основного и вспомогательного оборудования и дана детальная информация об его технических характеристиках, устройстве и принципе действия. При этом принимают решение о применении серийного оборудования, необходимости его модернизации либо о разработке и создании принципиально новых конструкций. Машинно-аппаратурная схема (МАС) – выходной документ схемной проработки проектируемой линии.

Построением МАС завершается стадия работ по созданию линии, когда основная роль отводилась технологическому проектированию. В дальнейшем ведущим становится техническое проектирование, хотя, безусловно, элементы технологического проектирования будут присутствовать на всех последующих этапах создания линии.

По заданным значениям производительности линии и продолжительности обработки сырья и полуфабрикатов, а также длины межоперационных связей рассчитывают технологические циклы машин и аппаратов, скорости рабочих органов и исполнительных механизмов для осуществления поступательного перемещения обрабатываемых продуктов от входа в линию к выходу из нее. Кинематические расчеты выполняют в соответствии с технологическими требованиями, чтобы на всех стадиях технологического процесса обеспечить такие режимы обработки продукта, которые необходимы для выпуска качественной продукции. Результаты кинематических расчетов используют для выбора серийных машин и аппаратов, а также для проектирования кинематических схем вновь разрабатываемых конструкций.

Эскизный проект предполагает также определение следующих характеристик: энергетических, обеспечивающих силовые возможности оборудования; прочностных, обусловливающих прочность и жесткость конструкций; динамических, гарантирующих качество конструкций и долговечность машин и аппаратов. Энергетические и прочностные расчеты выполняют также для вычисления следующих показателей: полезной (технологической) мощности, потребляемой при производстве продукции; расхода энергоносителей; геометрических размеров; устойчивости наиболее нагруженных конструкций и деталей машин и аппаратов. Необходимость таких расчетов возникает при разработке нового оборудования или при проверке технических возможностей серийно выпускаемого оборудования.

В результате разработки чертежей общего вида линии и ее подсистем, вычерчивания вариантов принципиальных схем и сборочных чертежей, вновь разрабатываемых машин и аппаратов в значительной мере конкретизируется эскизный проект линии. Завершают проект расчетом ожидаемого экономического эффекта от внедрения проектируемой линии.

Технический проект. Этот проект служит для выявления окончательных решений, дающих представление о конструкции линии и ее составных частей, и является основой для составления рабочих чертежей. При выполнении технического проекта в общем случае производят следующее:

– отрабатывают конструктивные решения и вычерчивают общие виды машин и аппаратов, чертежи сборочных единиц и наиболее сложных деталей, рабочих органов, исполнительных механизмов и др.;

– уточняют кинематические, энергетические и прочностные расчеты, которые приобретают характер поверочных расчетов;

– составляют необходимые принципиальные схемы: кинематические, электрические, гидравлические, схемы автоматизации и др.;

– отрабатывают конструкции на безопасность, технологичность, эргономичность, эстетичность;

– уточняют выбор покупных комплектующих изделий, конструкционных материалов, заготовок;

– разрабатывают, изготовляют и испытывают макеты и экспериментальные образцы;

– выполняют патентные исследования в части определения патентоспособности и обеспечения патентной чистоты отдельных сборочных единиц и деталей, разрабатываемых машин и аппаратов;

– прорабатывают эксплуатационные характеристики оборудования линии с учетом условий и особенностей монтажа и наладки на паспортные режимы, а также требований удобства обслуживания, ремонта, диагностирования, устойчивости к воздействию внешних факторов (внешней среды), возможности быстрого устранения отказов, контроля качества работы линии;

– согласовывают габаритные, установочные и присоединительные размеры, а также параметры энергоносителей с предприятием-потребителем опытного образца линии.

В результате рассмотрения этапов технологического и технического проектирования можно сделать следующие выводы. На этапе технологического проектирования большая часть задач имеет ярко выраженный структурный характер. При этом в работе участвует, как правило, небольшое число специалистов высокой квалификации. Этап технического проектирования характеризуется увеличением трудоемкости, следовательно, большим числом разработчиков.

Таким образом, проектирование линии направлено на разработку проектно-конструкторской документации, к которой относятся техническое предложение, эскизный и технический проекты. Каждый из этих документов последовательно анализируют, обсуждают, корректируют и принимают как основу для дальнейшей разработки линии.