Задачи технологического проектирования

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.

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.

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 и расход сырья.

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 машинноаппаратурной 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-аппаратная схема (MAC) —

выходной документ схемной  проработки проектируемой линии. Построением MAC 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 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.

 

 

 

 

 

23.3. Конструирование технологического  оборудования линий

Разработка конструкции  линии направлена на практическое воплощение

принципиальных проектных  решений. Конструкция линии обусловлена

составом, устройством, параметрами  и взаимным расположением ее

частей: машин, аппаратов, приборов и другого оборудования, а также  сборочных

единиц и деталей, из которых  это оборудование состоит.

Сущность  конструирования. Процесс конструирования заключается

в проведении графических  и расчетных операций с целью  выбора и обоснования

таких вариантов конструктивных решений, которые обеспечивают

разработку оптимальной  конструкции, отвечающей требованиям

технического задания  по функционально-техническим параметрам, надежности,

технологичности, безопасности, безвредности, эргономичности

и эстетичности.

Все эти параметры и  характеристики прежде всего зависят от заданной

производительности линии. Чтобы определить функциональнотехнические

параметры оборудования, при  конструировании производят

технологические, кинематические, энергетические, теплотехнические и

прочностные расчеты.

Технологический расчет. При таком расчете учитывают параметры, виды

и особенности технологического процесса, осуществляемого на оборудовании

разрабатываемой конструкции. В основу технологического расчета

линии кладутся следующие  материалы:

• техническое задание, в  котором указаны производительность линии

и групповой ассортимент  готовой продукции;

• стандарты, рецептуры и  технологические инструкции по выработке

изделий;

• инструкции по определению  производственных мощностей предприятий

соответствующей отрасли  пищевого подкомплекса АПК и другую

нормативно-техническую  документацию.

Технологический расчет включает в себя расчеты размеров и скоростей

рабочих органов конструкций, расчеты характеристик теплообменных  поверхностей

аппаратов.

Определение основных конструкторских характеристик  оборудования

(вместимости, рабочих  объемов, размеров и скоростей  рабочих органов

и т.д.) существенно зависит  от принципов его работы: является конструкция

периодического или непрерывного действия, выдает обработанную

продукцию на своей стадии технологического процесса в виде отдельных

порций, поштучно или в  виде непрерывного потока. В первом случае конструктивные

параметры зависят как  от производительности основного оборудования

для обработки продукта, так и от продолжительности загрузки

и выгрузки. Во втором случае продолжительность загрузки и выгрузки не

учитывают, так как они  совмещены во времени с обработкой продукта, но

при этом необходимо определить скорость его перемещения.

При разработке конструкций непрерывного действия одна из важных

задач предварительных исследований и экспериментов — обоснованный

выбор скорости воздействия  рабочих органов или рабочей  среды на обрабатываемый

продукт. Оптимальное значение этой скорости зависит от

многих факторов: химической, физической или микробиологической природы

технологического процесса, структурно-механических характеристик

обрабатываемого продукта, конструктивного исполнения рабочих

органов и т. д.

При конструировании  технологических машин следует иметь в виду, что

параметры режима воздействия  рабочих органов на продукт, прежде всего,

должны обеспечить эффективную  и высококачественную его обработку.

Режимы воздействия должны быть такими, чтобы были исключены  отрицательные

последствия обработки и  снижение пищевой ценности обрабатываемого

продукта из-за изменения  его химического состава и  потребительских

свойств.

Как правило, к началу конструкторских  работ оптимальную скорость

воздействия следует определить на этапе предварительных исследовании

и рекомендовать разработчикам  в виде исходных данных. По известной

скорости потока можно  определить поперечное сечение потока и длину

Ь (м) обрабатывающей части конструкции

По найденному значению сечения потока можно вычислить сечение канала

обрабатывающей части  конструкции, умножив площадь сечения  на

поправочные коэффициенты, учитывающие неравномерность заполнения

канала, неравномерность  и колебания скорости, установку  внутри канала

различных конструктивных элементов, сопротивления потоку и т.д. Зная

сечение канала и руководствуясь конструктивными соображениями, можно

определить его форму  и геометрические размеры.

Кинематический  расчет. Основные кинематические параметры  рабочих

органов необходимо знать для того, чтобы получить единицу продукции

(или единицы промежуточного  продукта) в строго определенный  отрезок

времени — рабочий цикл, который является величиной обратной производительности.

Поэтому, обрабатывая продукт (непрерывно или периодически),

рабочие органы должны иметь  заданный ритм движения, перемещаясь

с необходимой скоростью  или частотой вращения. Установив  рабочий

цикл конструкции, можно  найти нужный ритм работы ее отдельных  рабочих

органов, а при известных  конструктивных параметрах последних  вычислить

их необходимые скорости движения.

При выборе законов движения и параметров рабочих  органов необходимо

учитывать ускорение последних, так как при большом ускорении возрастают

силы инерции, действующие  как на обрабатываемый продукт, так

и на опоры рабочего органа. При больших значениях сил  инерции может

нарушаться связь рабочего органа и продукции, в результате чего технологическая

операция будет выполняться  некачественно.

Кинематическая  схема представляет собой чертеж, на котором при помощи

условных графических  обозначений дано изображение всех элементов

привода, начиная от электродвигателя до рабочих органов, их соединение

и взаимоположение, направленное на осуществление, управление,

регулирование и контроль заданных законов движения.

Выполняя  кинематический расчет привода устройства, определяют

основные кинематические параметры, которые должны быть, указаны

затем на кинематической схеме. Кроме того, эти данные необходимы для

расчета элементов привода  на прочность.

Циклограммы разрабатывают для взаимной увязки структуры исполнительного

механизма, в состав которого входит рабочий орган, обрабатывающий

продукт, и кинематика отдельных  звеньев этого механизма. В циклограмме

отражены совокупность, продолжительность  и соотношения

рабочих и холостых ходов, а также остановок рабочих  органов устройства

при выполнении им заданных технологических операций в пределах одного

кинематического цикла. Циклограмма  дает наглядное представление о

согласованной работе отдельных  механизмов, приводящих в движение рабочие

органы, направленной на выполнение технологических операций.

По циклограмме можно  также определить кинематическое взаимодействие

всех рабочих органов  в любой момент времени и при  необходимости

найти конкретные значения таких параметров, как длина перемещений,

скорость и ускорение. Эти данные используют для энергетического

и прочностного расчетов.

Энергетический  расчет. Такой расчет проектируемой  конструкции выполняют

с целью  выбора ее привода, определения его  характеристик, обеспечивающих

работоспособность и надежность конструкции с учетом потребного

количества энергии. Расход потребной энергии зависит от скорости

движения рабочего органа и значения результирующей силы, приложенной

к нему при работе устройства. Результирующая сила формируется взаимодействием

многих сил, возникающих  при работе технологической машины,

основными из которых являются следующие.

Силы  сопротивления — это технологические силы, на преодоление

которых затрачивается работа, необходимая для выполнения технологического

процесса. Значение этих сил  зависит от многих факторов:

физико-механических свойств  обрабатываемого продукта, скорости и температурных

режимов обработки, производительности машины, материала

и формы рабочих органов  и т.п. Правильно вычислить технологические

силы чрезвычайно важно, так как от того, насколько точно  будут соответ-

ствойать их исходные значения, принимаемые при расчетах, истинным

нагрузкам при работе машины, зависит качество ее функционирования.

Обычно технологические  силы определяют экспериментальным или расчетным

путем на этапах предварительных  исследований и проектирования

конструкции и выдают конструктору в качестве исходных данных.

Силы  непроизводственного сопротивления  — это силы, на преодоление

которых затрачивается дополнительная работа сверх той, которая необходима

для преодоления полезного  сопротивления. В основном непроизводственные

силы связаны с преодолением сил трения в кинематических

парах.

Динамические  силы — силы инерции, возникающие при движении элементов

конструкции с ускорением. Их значение зависит от ускорения  и

массы подвижных деталей  конструкции.

Силы непроизводственного  сопротивления и динамические силы

обычно рассчитывают при  конструировании устройства.

Все указанные силы во время  работы конструкции, как правило, не

остаются постоянными. За определенный промежуток работы (цикл) меняются

их направление и значение. Поэтому очень важно установить тот

момент времени, в который  элементы конструкции оказываются  нагруженными

наибольшим суммарным  усилием, на которое затем и производят

энергетический и прочностной  расчеты.

Кроме того, надо принимать  во внимание то, что в целом ряде технологических

машин, перерабатывающих сельскохозяйственное сырье, пусковые

нагрузки могут намного  превышать номинальные силы, вычисленные

для установившегося режима работы машины.

Расчет  потребной мощности предусматривает вычисление потребного

количества энергии на ведущем валу устройства и на валу электродвигателя.

Вычислив  требуемую мощность электродвигателя, подбирают его типоразмер.

Так как для рассчитываемого  привода могут быть выбраны двигатели

с различными значениями частоты  вращения вала и соответственно

различные передаточные механизмы, то рассматривают несколько вариантов

кинематической структуры  привода. Оптимальным признают вариант,

отвечающий конкретным требованиям конструктивного исполнения

и условиям эксплуатации проектируемой  машины. При этом надо учитывать,

что с повышением частоты  вращения уменьшаются масса и  габари-

гы двигателя, снижается его стоимость, но при этом уменьшается ресурс.

Поэтому для привода общего назначения, если нет специальных  указаний,

предпочтительны двигатели  с частотой вращения 1500 или 1000 мин"1.

Теплотехнический  расчет выполняют для того, чтобы определить основные

конструктивные параметры  и размеры теплообменных аппаратов, а

также требуемый расход теплоносителей (пара, воды, хладагентов и воздуха).

Тепловой  расчет теплообменных аппаратов  основан на совместном решении

уравнения теплового баланса  и уравнения теплопередачи.

Полученные значения конструктивных параметров основных рабочих

емкостей, органов, площадей и т.п. обусловливают как габариты указанных

элементов в отдельности, так и габариты проектируемых  машин и аппаратов.

Кроме того, зная их, можно  провести правильную рациональную

компоновку отдельных  составных частей линии в целом, выбрать типы

транспортирующих и вспомогательных  устройств, назначить виды и места

размещения возможных  контролирующих приборов, регулирующих

приспособлений и т.п.

Конструктивные параметры  аппарата зависят прежде всего от способа

передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

При конструировании  теплообменной аппаратуры необходимо обеспечить

высокий тепловой поток, экономичность  аппарата и рациональный

температурный режим воздействия  на обрабатываемый продукт.

Высокий тепловой поток можно достичь рациональным конструктивным

исполнением аппарата, правильным выбором оптимальных значений

параметров теплоносителей, строгой цикличностью и непрерывностью

процесса и оптимальным  выбором режима работы аппарата.

Экономичность теплообменного аппарата обеспечивается рациональным

расходом теплоносителей, а также таким исполнением  конструкции,

при котором эффективность процессов теплопередачи не зависит от параметров

окружающей среды и  сохраняется в условиях воздействия  на тепл

ообменные поверхности обрабатываемого продукта. Кроме того, необходимо

создать герметичность и  тепловую изоляцию рабочих объемов, в

которых протекают теплообменные процессы.

Рациональный  температурный режим воздействия  на обрабатываемый

продукт предусматривает обеспечение в допустимых пределах продолжительности

температурного воздействия  и уровня значений температуры,

при которых гарантируется сохранение пищевой ценности обрабатываемого

продукта и исключается  возможность отрицательного воздействия

высоких (или низких) температур, вызывающих разложение, пригорание,

прогоркание и т.п. пищевого продукта.

Графическая часть конструирования. Проработка конструкции линии

в целом, ее составных частей, а также конструктивных элементов  предполагает

реализацию двух взаимосвязанных  процедур.

Первая процедура связана  с расчленением конструкции на составные

части и элементы с учетом их функционально-технического назначения,

вторая — с компоновкой  их взаимного расположения с учетом обеспечения

эффективности их функций, а  также требований надежности, технологичности,

безопасности, безвредности, эргономичности и эстетичности.

Линии могут быть расчленены на отдельные машины, аппараты, механизмы,

приборы, вспомогательные  устройства и т.п., а также на определенные

группы вышеуказанных  видов оборудования, связанные с  выполнением

общей функции: установки, агрегаты, модули и т.д. Машины