Процессы в машинах и аппаратах будущего

Совокупность процессов в машинах и аппаратах технологической линии есть, по существу, один большой процесс (поток). Несмотря на разнообразие технологий и машинно-аппаратурного оформления, общим для различных линий является то, что в них организован и функционирует непрерывный технологический поток преобразования исходного сырья в продукт. Такой поток имеет свои закономерности, которые необходимо знать, чтобы создавать высокоэффективные технологические линии. Конструкторское решение линии в целом должно определять конструкции отдельных машин и аппаратов. Отвлекаясь от конкретных технологий, рассмотрим строение и форму технологической операции и технологического потока, т.е. их морфологию.

Морфология технологической операции. Технологический поток состоит из различных технологических операций преобразования исходного сырья и процессов транспортирования его и промежуточных продуктов между операциями. Собственно технологические операции выполняют две функции: обработку объекта (технологический процесс) и подачу объекта обработки в рабочую зону (транспортный процесс). Комбинация технологического и транспортного процессов приводит к формированию четырех классов операций, предложенных Л.Н. Кошкиным.

В операциях I класса (рис. 5.2, а, б) технологическая обработка массы происходит только после завершения транспортной операции (подачи заготовки в рабочую зону), и наоборот, т.е. один процесс прерывается другим. Это операции дискретного действия.

а)                                                                                                                                        б)

Производительность П₁ машин этого класса операций определяется длительностью Т_ц всего технологического цикла обработки объекта.

Цикл включает в себя продолжительности технологического Т_техн и транспортного Т_тр процессов:

П_I =1/Т_ц = 1/(Т_техн + Т_тр) = 1/(L_техн/v_техн + L_тр/v_тр),

где L_{техн и} L_тр – значения технологического и транспортного перемещений; v_техн и v_тр – технологическая и транспортная скорости.

Чтобы повысить производительность машин, предназначенных для выполнения операций I класса, необходимо сократить продолжительность как технологического, так и транспортного процессов, т.е. как Т_техн, так и Т_тр. Значения технологического и транспортного перемещений полностью определяются геометрическими размерами заготовок, поэтому уменьшение времени на выполнение технологического и транспортного процессов может быть достигнуто только увеличением соответствующих скоростей. Повышение же транспортной скорости ограничивается допустимыми значениями ускорений движения исполнительных органов машин, а увеличение технологической скорости – ее допустимыми значениями, определяемыми физико-механическими, теплофизическими и биохимическими свойствами, т.е. технологическими свойствами обрабатываемого материала. Эти обстоятельства и являются тормозом в повышении выпуска изделий машинами, реализующими операции I класса.

Таким образом, производительность машин, реализующих операции I класса, определяется продолжительностью Т_техн технологического процесса, продолжительностью Т_тр транспортирования обработанного продукта в машине.

Следовательно, длительность цикла Т_ц обусловлена технологическими параметрами операции и динамическими возможностями механизма перемещения продукта в зону обработки и из нее. Таким образом, производительность в каждом конкретном потоке для каждой конкретной операции задана однозначно и не может быть выбрана из условий экономической окупаемости производительности. По этой причине на базе операций I класса нецелесообразно компоновать машины и аппараты в автоматические линии (линии будущего). Другими словами, при компоновке таких линий обязательно окажется, что значение технологических L_техн и транспортных L_тр перемещений, а также технологических v_техн и транспортных v_тр скоростей разных операций в потоке будут различны. Неодинаковыми окажутся и циклы операций Т_ц, что обусловит различную производительность машин и аппаратов в потоке. Поэтому условие равной производительности, необходимое для объединения различных операций I класса в единый поток, не выполняется. Одинаковая производительность машин в таких линиях может быть лишь результатом случайного совпадения значений технологических параметров на разных операциях. Вероятность такого совпадения при более или менее значительном числе операций чрезвычайно мала. Итак, технологические операции I класса не могут служить основой для создания высокоэффективных линий.

Для операций II класса (рис. 5.3, а, б) характерно совпадение во времени транспортного и технологического процессов. Транспортный процесс становится непрерывным, а транспортная v_тр и технологическая v_техн скорости равны между собой.

Производительность П_II машин, реализующих операции II класса, определяется длительностью цикла Т_ц обработки сырья рабочими органами. Этот цикл равен отношению размера матрицы h к технологической или транспортной скорости

П_II = 1/Т_ц = 1/(h/v_техн) = 1/(h/v_тр).

а)                                                                                                                                   б)

Чтобы повысить производительность машин, предназначенных для создания операций II класса, необходимо увеличить транспортную скорость, но поскольку транспортная скорость ограничена (а в пределе равна) технологической, то повышение производительности ограничивается допустимыми значениями технологической скорости, которая в свою очередь обусловлена технологическими свойствами обрабатываемой пищевой среды.

Таким образом, условием одинаковой производительности машин и аппаратов в линии, где реализуются только операции II класса, также является равенство продолжительности технологических циклов. Такое условие обеспечивается лишь в частных случаях. Поэтому вероятность совпадения значений производительности оборудования таких линий весьма мала. Существенным отличием операции II класса является то, что вследствие совмещения технологического и транспортного процессов во времени эти процессы не прерывают один другого и могут происходить непрерывно с постоянной скоростью. Значения скоростей технологического и транспортного процессов не ограничиваются предельными ускорениями деталей транспортирующих механизмов. Производительность операции II класса лимитируется лишь допустимым значением скорости течения технологического процесса. Поэтому высокая производительность сопряжена с жестким технологическим скоростным режимом, но в отличие от операций I класса высокая производительность уже совместима с оптимальными динамическими условиями работы механизмов. В этом заключается важное преимущество операций II класса, существенное с точки зрения коэффициента использования оборудования.

Операции III класса (рис. 5.4, а, б) отличаются от операций II класса независимостью между собой транспортного и технологического процессов. В этих операциях обработка объектов осуществляется при их непрерывном транспортировании совместно с рабочими органами через рабочую зону по какой-либо замкнутой траектории. Машины, созданные по этому принципу, получили название роторных, поскольку транспортный процесс первоначально был реализован как вращательное движение.

а)                                                                                                                                                             б)

Производительность П_III машин для операций III класса, как и для операций II класса, определяется длительностью цикла Т_ц, равного отношению шага h выхода изделий к транспортной скорости v_тр:

П_III = 1/Т_ц = 1/(h/v_тр).

В отличие от операций II класса скорость транспортирования в операциях III класса не ограничивается технологической скоростью. Поэтому при создании машин, реализующих операции III класса, повышение производительности теоретически связано только с увеличением транспортной скорости. Практически же повышение производительности этих машин влечет увеличение длины технологической зоны, что необходимо для сохранения необходимой продолжительности технологической обработки объекта.

В операциях III класса, имеющих важное значение при организации автоматических линий, также важен характер соотношения между производительностью, динамическим режимом работы машин и технологическим режимом процесса. Если в операциях I класса высокая производительность несовместима с оптимальными технологическими и техническими режимами, а в операциях II класса – с оптимальными технологическими режимами, то в операциях III класса можно достичь высокой производительности без использования больших ускорений в механизмах привода и большой скорости технологического процесса. Иначе говоря, как бы ни была велика заданная производительность, она может быть достигнута в результате увеличения скорости транспортного процесса при сохранении любой достаточно малой или достаточно большой (оптимальной) скорости технологического процесса. Следовательно, возможности операций III класса с точки зрения производительности машин не ограничиваются как технологическими свойствами обрабатываемого сырья и промежуточного продукта, так и динамикой привода и рабочих органов машин. Это означает, что производительность машин, в которых осуществляются операции III класса, определяется лишь скоростью процесса транспортирования.

В автоматических линиях использование операций III класса весьма перспективно, поскольку при высокой (в пределе неограниченной) производительности могут быть сохранены оптимальные технологические и динамические режимы, которые обусловливают и технологическую, и конструктивную надежности. При этом, безусловно, обеспечиваются стабильное качество продукции, минимум простоев оборудования по разным причинам и максимальный коэффициент использования машин и аппаратов в технологической линии. Вот почему операции III класса наиболее пригодны для организации технологического потока.

Для операций IV класса (рис. 5.5, а, б) также характерна независимость скорости транспортного процесса от технологической скорости. В операциях IV класса заготовки обрабатываются при транспортировании через рабочую зону. Понятие «рабочий орган» заменяется понятием «рабочая среда», которая осуществляет технологическое воздействие непосредственно на весь поток, происходящий через рабочую зону. Более точно машины этого класса операций следует называть аппаратами.

Производительность машин П_IV для операций IV класса определяется длительностью цикла Т_ц выхода одного объекта и количеством п объектов в сечении потока:

П_IV = n(1/T_ц) = n[1/(h/v_тр)],

где h – шаг объектов в направлении вектора скорости.

 

При создании машин для операций IV класса повышение производительности может быть достигнуто как в результате увеличения транспортной скорости (при соответствующем удлинении зоны обработки), так и в результате увеличения в поперечном сечении потока количества объектов.

Таким образом, с помощью операций IV класса также можно создавать машины и аппараты любой производительности. Однако в этом случае повысить производительность оборудования можно не только интенсификацией транспортного процесса, но и увеличением числа обрабатываемых объектов в поперечном сечении потока. Следовательно, одинаковая производительность различных операций технологического потока может быть достигнута как путем соответствующего изменения скорости процесса транспортирования в этих операциях, так и путем соответствующего изменения поперечного сечения потока.

Операции IV класса, как и операции III класса, обеспечивают оптимальные условия объединения машин и аппаратов соответствующих конструкций в технологические комплексы, автоматические системы машин.

Итак, только два последних способа выполнения технологических и транспортных процессов, т.е. III и IV классы операций, могут быть в общем случае инженерной основой для создания высокоэффективных потоков в линиях. При этом только операции IV класса в наиболее полной мере соответствуют требованиям высшей формы автоматизма и непрерывности потока, т.е. поток, образованный из операции IV класса, наиболее близок к идеальному потоку.

Однако далеко не все технологические преобразования исходного продукта возможно осуществить в операциях IV класса. Прежде всего это касается формообразования, а также ориентирования, дозирования и других процессов.

Принципиальной основой для широкого осуществления комплексной автоматизации в пищевых и перерабатывающих отраслях АПК являются операции III класса. Теоретически многие технологические процессы возможно реализовать в операциях этого класса.

Вместе с тем технологии, предусматривающие операции III класса, все еще занимают скромное место даже в производствах, имеющих все предпосылки для этого. Поэтому важнейшей задачей комплексной автоматизации является ускорение создания широкого ряда машин для операции III класса и распространение их хотя бы на отдельные части линий.

Машины для операций III класса могут быть выполнены по двум конструктивным схемам – роторной и роторно-конвейерной. По роторной схеме рабочие органы закрепляют на жестких роторах, которые сообщают им необходимые транспортные перемещения, по роторно-конвейерной схеме рабочие органы монтируют на гибких замкнутых транспортных системах – конвейерах.

Необходимо подчеркнуть, что современные технологии разрабатывают без учета того, операции каких классов будут в ней реализованы. В результате этого технологический поток представляет собой набор операций разных классов. С этой точки зрения развитие такой технологии носит тупиковый характер. По-видимому, целесообразно еще на первых этапах разработки технологий предусматривать возможность ее реализации в операциях III и IV классов. Таким образом, речь идет о разработке роторных технологий или частей технологий, которые могут быть названы роторными. Признаками таких роторных технологий и роторных потоков должны быть: несложность структуры; малооперационность; стабильность свойств сырья и промежуточных продуктов, а также параметров окружающей среды; относительная простота рецептуры и формы изделия.

Можно утверждать, что роторная технология и роторный поток не содержат в своей природе противоречие, присущее всем остальным технологиям и потокам: производительность – качество. Это техническое противоречие раскрывается следующим образом: рост производительности ведет к снижению качества продукта, и наоборот. Именно в этом заключается препятствие к повышению производительности современных линий, как правило, базирующихся на операциях I и II классов.

Таковы особенности морфологии технологической операции.

Морфология технологического потока. Рассмотрим существующие и принципиально возможные технологические потоки с точки зрения наличия в них операций определенных классов (табл. 5.4).

В таблице помещена классификация технологических потоков, выполненная В.А. Панфиловым. Классификация создана на основе описанных выше классов операций.

Класс потока определяется наименьшим классом операции в нем. Достаточно даже одной такой операции, чтобы отнести поток к соответствующему классу. Например, в потоке (II) класса наименьшим является II класс операции. Тип потока определяется числом классов операций, его составляющих. Так, поток второго типа состоит только из операций двух каких-либо классов, а поток третьего типа состоит из операций любых трех классов.

Таблица 5.4. Классификация технологических потоков

Количество классов операций в потоке	Наименьший класс операции в потоке
	I	II	III	IV
Один	(I)	(II)	(III)	(IV)
Два	(I — II) (I — III) (1—1V)	(II — III) (II — IV)	(III — IV)	–
Три	(I — II — III) (I — II — IV) (I — III — IV)	(II — III — IV)	–	–
Четыре	(I — II — III— IV)	–	–	­–

Поток, содержащий операции более высокого класса, несомненно, прогрессивнее потока, который составляют операции более низкого класса.

Что же дает эта классификация технологических потоков? С ее помощью можно не только определить место конкретного потока среди всех возможных сочетаний классов операций, но и установить пути совершенствования потока при переходе из класса в класс и из типа в тип, имея в виду гипотетическую цель — поток (IV) класса первого типа, когда все операции в потоке только IV класса.

Благодаря такой классификации можно также четко различать поколения линий внутри классов и между классами, исходя из того, что всего возможно создать 15 поколений потока. И здесь важно не проходить поочередно все эти 15 поколений, а сознательно перешагивать через поколения. Таким образом, классификация позволяет принципиально выявить наиболее целесообразный путь достижения (IV) потока. Как видно, наиболее эффективные решения лежат в верхнем правом углу таблицы, а самый примитивный поток (I) в левом верхнем углу содержит все операции I класса. Преобразование потока (I) в поток (IV) практически идет через потоки второго, третьего и четвертого типов.

Современные технологии перерабатывающих производств – это преимущественно потоки, в которых наименьший I класс и частично II класс операций.

Известно, что подавляющее большинство линий работает десятки лет без существенной модернизации операций, поскольку цель развития линий не только не определена, но даже не просматривается.

Технологии пищевых и перерабатывающих производств — это комплекс операций механического, теплофизического, биохимического и химического воздействия на сельскохозяйственное сырье. Поэтому (III) и (IV) потоки не реальны. По-видимому, наиболее перспективным является поток (III…IV). Такой поток должен включать в себя все операции двух высших классов от дозирования исходного сырья до упаковки готовой продукции. Конечно, это линии далекого будущего, но их нужно себе представлять в виде идеальных целей и работать над их созданием.

Необходимо особо подчеркнуть, что развитие технологических потоков связано прежде всего со стабилизацией входов и выходов отдельных операций.

Задача эта не простая, в частности, потому, что сырье пищевых производств не обладает достаточно стабильными технологическими свойствами по самым разным причинам. И применение операций I класса в начале технологического потока позволяет в какой-то степени нивелировать свойства промежуточных продуктов путем варьирования как продолжительностью обработки, так и другими факторами, воздействующими на сырье (температура, давление и т.п.).

Часто, для того чтобы обеспечить непрерывность технологического потока в условиях нестабильности входов, операции I класса одного назначения функционируют параллельно и поочередно. Такое «запараллеливание» операций I класса применяется и в начале потока, и в середине, и в его конце. Это, конечно, усложняет как структуру потока, так и его компоненты. Таким образом, обеспечение стабильных технологических свойств исходного сырья — обязательное условие перехода к технологическим потокам высших классов.

Необходимость интенсивной работы над тем, чтобы перевести все потоки (I) класса во (II) класс, обусловлена еще и тем, что совершенствование потоков внутри (I) класса неизбежно ведет к созданию и применению робототехники, которая не может быть эффективна, поскольку, по существу, лишь модернизирует примитивные операции I класса. Применение робототехники в определенной мере задерживает создание технологических потоков (II) класса, в которых полностью отсутствуют операции I класса. Конечно, могут и должны быть исключения, но на них надо идти сознательно, рассматривая совершенствование технологии и техники внутри потоков (I) класса лишь как тактическую неизбежность, уступку обстоятельствам. Исследователь, конструктор и проектировщик должны ясно себе представить и предвидеть технологию и технику потоков (II) и (III) классов, где робот останется без работы.

Организация технологического потока определяется не только качеством составляющих его операций, но и видом связей между его отдельными операциями и видом связи ветвей потока.

По виду связи между операциями любой технологический поток можно отнести к одному из трех типов (рис. 5.6).

Рассмотрим поток с жесткой связью. в этом потоке предусмотрена жесткая связь между выходом каждой предыдущей и входом каждой последующей операции. Естественно, что длительность цикла каждой операции должна быть одинаковой или кратной циклу ведущей операции или группы ведущих операций.

Поток с полужесткой связью содержит группы операций, имеющие жесткие связи лишь внутри группы. Между собой эти группы имеют гибкие связи в виде операции хранения. Конструктивно операция хранения реализуется в накопителях, бункерах, емкостях, ветвях контейнеров и т.д.

Поток с нежесткой (гибкой) связью характеризуется тем, что операция хранения предполагается между каждыми двумя технологическими операциями.

По виду связи ветвей технологические потоки могут быть неразветвленные и разветвленные, причем последние содержат сходящиеся, расходящиеся и параллельные ветви (рис. 5.7).

В простейшем случае операции составляют одну цепочку – неразветвленный поток. Такой поток предназначен для преобразования преимущественно одного вида сырья в один вид продукции (выработка цельного молока, патоки из крахмала, овсяной крупы и т.д.).

Разветвленный сходящийся технологический поток формируется в процессе получения из нескольких видов сырья одного вида продукции (производство хлеба, сыра, пирожных и тортов, карамели с начинкой и т.д.).

Разветвленный расходящийся технологический поток возникает при изготовлении из одного вида сырья нескольких видов конечного продукта (получение белых столовых виноматериалов из винограда, муки первого и второго сорта при помоле пшеницы, шоколада, какао-масла и какао-порошка при переработке какао-бобов и т.д.).

Технологический поток с параллельными ветвями образуется в случае одновременного параллельного функционирования ряда идентичных операций из-за недостаточной их производительности против предшествующих, последующих или тех и других одновременно.

В разветвленном потоке можно выделить главные и вспомогательные ветви: на главной выполняются ведущие операции, а на вспомогательной – операции по изготовлению и мойке тары, дополнительных полуфабрикатов.

Таковы особенности морфологии технологического потока.

Проблемы развития технологического потока. Современные технологические потоки далеки от идеального потока по всем показателям.

Скорость потока при функционировании оборудования непостоянна на различных участках, а само функционирование периодически прерывается из-за вмешательства человека.

Плотность потока также неодинакова на всех участках и весьма мала вследствие больших расстояний между объектами обработки, а их положение не является оптимальным.

На отдельных участках производства имеются неподвижные запасы незавершенной продукции, находящиеся в неориентированном состоянии. Поэтому в состав линии входят накопители самых разных конструкций и устройства для ориентации объектов обработки.

Требования к идеальному потоку и реальное состояние оборудования технологических линий позволяют сформулировать проблемы развития пищевой технологии и пищевого машиностроения. Подчеркнем, что это – проблемы создания идеальных потоков. Но даже частичное решение этих проблем может иметь очень большое значение для совершенствования производства того или иного пищевого продукта.

Первая проблема – это осуществление одинаковой производительности на всех операциях, объединенных в технологический поток. При неодинаковой производительности каждой операции межоперационная передача объектов обработки превращается из простого перемещения их по одной и той же траектории в распределение на несколько ручьев при переходе от более производительных машин к менее производительным или, наоборот, в слияние нескольких ручьев в общий поток. Это приводит к значительному удорожанию машинно-аппаратурного оформления технологического потока. Поскольку длительность цикла каждой операции в потоке, как правило, различна, то и одинаковая производительность машин и аппаратов в линии не обеспечивается.

Не решает проблемы и выравнивание производительностей технологических машин по наименьшей производительности, так как в этом случае более производительное оборудование оказывается недогруженным и часть рабочего времени простаивает или работает с пониженной производительностью.

Решение проблемы неодинаковой производительности заключается в устранении зависимости качества продукции от скорости технологического потока. Только это позволит иметь на всех операциях одинаковую свободно выбираемую производительность. Речь идет о полном разрешении основного технического противоречия непрерывного производства: производительность – качество продукции.

Вторая проблема – сохранение коэффициента использования машин при увеличении числа объединяемых в технологический поток операций. Эта проблема состоит в том, что при объединении существующих машин и аппаратов в линию остановка каждой из них приводит к остановке всей линии и, следовательно, к снижению коэффициента ее использования. Очевидно, что начиная с некоторого числа операций нецелесообразен переход от раздельных машин к линиям.

Не является решением вопроса и создание запасов объектов обработки, позволяющим каждой машине работать независимо от остановок других машин и сохранять, таким образом, свой коэффициент использования. Применение накопителей резко удорожает стоимость передающих устройств. Кроме того, создание накопителей, не выполняющих необходимые технологические функции, не только бесполезно, но и вредно, ибо в результате этого увеличиваются производственный цикл, объем незавершенного производства и размеры площадей. Применение накопителей уже делает поток не непрерывным, что противоречит условию идеального технологического потока – постоянная скорость на всем его протяжении.

Решение проблемы состоит, с одной стороны, в сжатии технологии во времени и пространстве, а с другой – в повышении надежности оборудования.

Третья проблема – универсальность машин и аппаратов, позволяющая обрабатывать сырье с различными физико-механическими свойствами и выпускать изделия разной формы. Сущность этой проблемы состоит в том, что машины, аппараты и тем более линии обеспечивают обычно производство лишь одного конкретного изделия данной геометрической формы из одного набора сырья. Снятие с производства данного пищевого продукта и переход к выпуску нового приводят к прекращению использования линии и к необходимости создания новой или усовершенствования ранее известной. При отсутствии универсальности линий потребовалось бы бесчисленное множество специальных линий для каждого пищевого продукта. Учитывая постоянную смену самих объектов производства и тенденцию к ее ускорению, можно сделать вывод о невозможности производства пищевых продуктов на основе специальных линий.

Решение проблемы универсальности машин и аппаратов состоит в создании линий, осуществляющих одновременное изготовление различных номенклатур изделий, что обеспечивает равномерный выпуск каждой номенклатуры и полностью устраняет частые переналадки линий. Примером такой линии является линия производства конфет «Ассорти», когда одновременно вырабатываются изделия разной формы и с разной начинкой.

Четвертая проблема – непродолжительность времени выпуска конкретного продукта, обусловленная малой потребностью или необходимостью большого ассортимента. Ее решение предполагает обеспечение универсальности линий относительно исходного сырья и формы изделия. Однако только универсальность линий не может быть достаточным условием для решения этой проблемы. Ведь смена объектов производства может стать настолько частой, а периоды производства настолько короткими, что потери времени на переоснастку машин будут приводить к недопустимым снижениям коэффициента использования и фактической производительности линии.

Решение этой проблемы с учетом того, что рост частоты смены объектов производства представляет собой одну из общих тенденций развития технологии и техники, должно состоять в полном устранении потерь рабочего времени при переходе к выпуску на линии нового продукта. Реализация этого требования предполагает не только автоматическую смену рабочих органов машин без прекращения нормального движения потока, но и непрерывную адаптацию межоперационных транспортных устройств к сменяющимся объектам обработки.

Пятая проблема состоит в том, чтобы созданный идеальный технологический поток был рентабельным. Дело в том, что переход к идеальной системе машин часто технически возможен, но экономически нецелесообразен, так как затраты могут быть больше экономического эффекта от эксплуатации. Исключение необходимо делать для опасных и вредных производств, где основным критерием является не экономический эффект, а безопасность человека и его здоровье.

Как известно, для объединения технологических машин в высокоэффективную линию нужны межоперационные транспортные, управляющие, контролирующие и другие вспомогательные устройства. Все эти устройства не повышают производительности, а стоимость их примерно такая же, как самих технологических машин, что приводит к удорожанию линии и удлинению срока ее окупаемости настолько, что она изнашивается физически, а чаще морально раньше, чем окупается.

Таким образом, для обеспечения эффективности разрабатываемой системы машин и аппаратов необходимо использовать такие технологические машины, производительность которых может быть любой и определяться экономической окупаемостью.

Рассмотренные выше пять проблем развития технологического потока, в сущности, показывают направления создания новых линий. При этом методически важно сформулировать идеальные цели, а затем, исходя из реальных обстоятельств и возможностей, решать соответствующие задачи.

Этот подход значительно целесообразнее традиционного усовершенствования технологии и техники.