Работа № 8
Определение класса ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛИНИЙ
Цель работы: изучение методики морфологиеского анализа технологических линий с целью выявления путей дальнейшего усовершенстования.
Краткие теоретические сведения
Совокупность процессов в машинах, аппаратах и биореакторах технологической линии есть, по существу, один большой процесс. 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, аппаратов и биореакторов. Рассмотрим строение и форму технологической операции и технологического потока, т.е. их морфологию.
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. 1, 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)
Рис. 1. Операция I класса:
а – схема операции; б – устройство для дозирования и формования массы в отливочной машине; 1 – бункер; 2 – корпус отливочной головки; 3 – золотник;
4 – цилиндр мерный; 5 – поршень; 6 – насадка; 7 – форма; 8 – конвейер ленточный
Производительность П 1 машин этого класса операций определяется длительностью Т ц всего технологического цикла обработки объекта.
Цикл включает в себя продолжительности технологического Т техни транспортного Т тр процессов
П I =1/ Т ц = 1/(Т техн + Т тр ) = 1 /(L техн /v техн + L тр /v тр ), (1)
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. 2, 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 ). (2)
где T ц – длительность цикла обработки; h – размер матрицы; v техн и v тр – технологическая и транспортная скорости.
а) б)
Рис. 2. Операция II класса:
а – схема операции; б – устройство для формования массы шнековым нагнетателем;
1 – ленточный конвейер; 2– матрица; 3 – шнек; 4 – бункер
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. 3, 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)
Рис. 3. Операция III класса:
а – схема операции; б – устройство для дозирования массы продукта в виде жгута круглого сечения в роторной режущей машине; 1 – откидной нож; 2 – неподвижная направляющая; 3 – жгут продукта; 4 – ротор
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/vтр), (3)
где T ц – длительность цикла обработки; h – шаг выхода изделий; v тр – транспортная скорость.
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. 4, 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 /Tц) = n [1/ (h/vтр) ],
где n – количество объектов в сечении потока; h – шаг объектов в направлении вектора скорости; v тр – транспортная скорость.
а) б)
Рис. 4. Операция IV класса:
а – схема операции; б – устройство для сушки продукта;
1 – генератор инфракрасного излучения; 2 – воронка; 3 – продукт
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.