Тема № 10 Примеры художественно-технических решений в модернизации оборудования и автоматов для пищевых производств

Литература

Выводы

Примеры художественно-технических решений в модернизации оборудования и автоматов для пищевых производств

Дизайн активно воздействует на техническую сторону конструкторского решения. Изменение формы, рекомендации по замене материала и т.п. зачастую приводят к расчленению машины или аппарата, уменьшению его массы, металлоемкости и габаритных размеров.

В качестве примера такого воздействия рассмотрим последовательность компоновки месильной машины, которая может использоваться в кондитерской, хлебопекарной и других областях [1].

Машина состоит из станины, чаши, механизма опрокидывания чаши и пульта управления (рис.9.7, а). Станина представляет собой две параллельные сварные стенки, соединенные стальной плитой. В передней части станины размещены двигатель вращения чаши и механизм ее опрокидывания. В чаше происходит смешивание и увлажнение массы. Вся машина установлена на специальном бетонном фундаменте. Пульт управления представляет собой прямоугольный блок с кнопками на лицевой панели. Рядом с передней плоскостью фундамента установлена протирочная машина, предназначенная для просеивания рабочей массы. При опрокидывании чаши рабочая масса высыпается на сито протирочной машины. В рабочем положении чаша полностью закрыта крышкой.

Сверху на крышке, расположен дозатор, регулирующий подачу воды. В крышке имеются три отверстия для механизированной засыпки компонентов. После загрузки чаши включаются механизмы вращения чаши и лопастей (лопасти и чаша имеют общую ось вращения, но вращение происходит в противоположных направлениях). После окончания процесса смешивания механизмы вращения выключаются, а механизм подъема крышки чаши включается. Подъем осуществляется при помощи гидравлического цилиндра прямолинейного движения, при этом габариты машины увеличиваются в высоту на 500-600 мм.

Как только крышка поднята, включается механизм опрокидывания чаши. Она входит в положение «разгрузка», опрокидываясь под углом 95 °. Масса высыпается из чаши в протирочную машину.

После разгрузки чаша очищается, промывается и вновь возвращается в горизонтальное положение. Крышка с лопастями и механизмы их вращения опускаются; крышка снова закрывает чашу, и рабочий процесс повторяется.

Задача новой конструкторской разработки заключается в том, чтобы при заданной рабочей мощности значительно уменьшить размеры машины, обеспечить удобство ее обслуживания и свободный доступ ко всем уздам, разработать более выразительный облик машины.

Процесс компоновки машины прошел ряд этапов.

Рис.9.7. Месильная машина и последовательность этапов ее компоновочного решения:

а- основные компоновочные блоки; 1- станина, 2-чаша, 3 – механизм опрокидывания чаши, 4 – крышка, 5 – пульт управления, 6 – бетонный фундамент;

б – первый этап поисков – компоновка основных функциональных блоков машины, объемно-пространственное решение машины; в – на этом этапе и последующих этапах обрабатываются более частные компоновочные задачи; г – отрабатываются конструктивное и пластическое решение механизмов вращения лопастей и подъема крышки; д – окончательный вариант.

Начальный этап поиска – компоновка основных функциональных блоков и объемно-пространственное решение машины. На этом этапе необходимо было уменьшить общую высоту машины, а также повысить уровень загрузки. Поэтому были начаты поиски возможностей для опрокидывания чаши на большей высоте (имелся в виду дополнительный подъем чаши в горизонтальном положении). Как видно из схемы (рис.9.7, б) механизм, поднимающий чашу, при той же высоте станины позволяет исключить бетонный фундамент. Однако опрокидыванию чаши мешает крышка с лопастями, хотя они и подняты на максимальную высоту.

В дальнейшем предполагалось ввести дополнительный механизм, который поворачивал бы крышку с лопастями вокруг оси колонны (рис.9.7,б), при этом чаша могла бы свободно опрокидываться под любым углом.

Пульт управления предлагалось монтировать на корпусе станины с таким расчетом, чтобы рабочий, стоя у пульта, мог одновременно наблюдать за всеми операциями по переработке рабочей массы.

Хотя основные наметки были правильными, их нельзя было признать удовлетворительными. Так, нерационально было вводить дополнительные механизмы – это усложнило бы машину и вызвало значительные трудности в ее конструкции, изготовлении и управлении. Кроме того, это существенно не улучшало внешний облик машины.

В следующем варианте был предложен новый принцип конструкции крышки и ее подъема.

Во время переработки мяса чаша вращается, но ее вращение не представляет опасности для обслуживающего персонала. Поэтому было решено не делать на крышке чаши боковых стенок, что позволило бы откидывать ее назад. Для этого на боковых стенках станины устанавливаются подшипники, при помощи которых осуществляется подъем крышки.

Двигатель вращения лопастей находится на нижней плоскости корпуса механизма и служит своего рода противовесом. Когда крышка с лопастями поднята, корпус механизма вращения принимает почти вертикальное положение и при этом оказывается в нише между подшипниками. Вырез в задней стенке станины, соответствующий дуге, по которой опускается двигатель, и просвет между подшипниками создает гнездо, в которое свободно входит двигатель. В результате этого улучшилось объемное построение машины, так как в старой конструкции именно этот узел – механизм подъема крышки и механизм вращения лопастей – был громоздким и отличался хаотичностью компоновки.

Следующий этап поисков – решение более частных компоновочных задач. Он явился следствием предыдущего этапа: принятый принцип открывания крышки и принцип опрокидывания чаши машины вызвали необходимость повышения высоты разгрузки чаши.

В старой конструкции, т.е. при наличии фундамента, опрокидывания осуществлялось вращением вокруг оси, расположенной в середине чаши (рис.9.7, в). В окончательном варианте опрокидывание производится вращением вокруг оси, расположенной у наружного края станины. При подобном опрокидывании чаша поднимается в вертикальное положение под углом 95 °, имея уровень разгрузки относительно пола около 700 мм, в результате чего протирочная машина свободно подходит под опрокинутую чашу. Таким образом. Отпадает необходимость в фундаменте, что значительно уменьшает общую высоту машины.

Логика творческого поиска привела к разработке механизма для нового способа опрокидывания чаши. Трудность конструирования механизма опрокидывания заключалась в том, что при подъеме чаши и ее опрокидывании возникал огромный силовой момент, требующий механизма большой мощности. Следовало учесть все конструкции чаши, рабочей массы, находящейся в ней, а также механизма вращения и его двигателя, которых жестко соединены с корпусом чаши и располагаются под его днищем.

Следующим этапом поисков наилучшей компоновки была разработка механизма вращения лопастей (рис.9.7, г). Вытянутая прямоугольная форма корпуса этого механизма обусловлена характером ременной передачи и других узлов. В начале предполагалось использовать два двигателя для двух различных операций – вращение лопастей и подъема крышки. Но в дальнейшем было решено заменить его одним двигателем, который по своей мощности способен обеспечить нормальную работу обоих механизмов.

В окончательном варианте (рис.9.7, д) корпус единственного двигателя в этом узле почти не виден, а при опрокидывании крышки он полностью входит в специальное гнездо. Это следует отнести к числу достоинства новой конструкции рассматриваемой машины. В результате рациональной компоновки машина получилась удобной и экономичной в эксплуатации. По сравнению с аналогами она имеет улучшенную форму, в конструкции машины учтены эргономические требования, предъявляемые к подобному оборудованию.

Анализ этой машины показал как последовательно, шаг за шагом, художники-конструкторы продвигались к окончательному варианту компоновки. Начав с устранения отдельных недостатков машины, они пришли к новой оригинальной схеме, выгодно отличающейся от изделий-аналогов. Этому способствовали, с одной стороны, внимательный учет функциональных и конструкторских требований, а с другой – попытка представить логичную структуру машины в целом, в органичной взаимосвязи всех ее элементов. Два цикла поисков – компоновка основных функциональных блоков и решение производных, более частых задач – привели к разработке проекта машины, отвечающей требованиям, выдвинутых заказчиком проекта.

Рассмотрим другой случай. На рис.9.8, а представлена хлебопекарная тоннельная печь ПХК-50 [1].

Схема облицовки печи нерациональна с точки зрения технологии изготовления и монтажа. Наличие верхнего стыкового пояса 3 ухудшает внешний вид, усложняет конструкцию, и увеличивает металлоемкость. Сами панели 1 слишком громоздки по величине, в связи с этим их монтаж более сложен. Кроме того, обеспечить хорошее качество большой поверхности всегда труднее, чем маленькой. Приборы контроля и управления 2 расположены на самих панелях. В процессе выпечки от воздействия высоких температур панели имеют незначительное перемещение, что может сказаться на работе приборов.

Рис.9.8. Хлебопекарная тоннельная печь ТХК-50: а – базовое конструкторское решение формы; б – новое художественно-техническое решение формы.

В конструкторском решении, предложенном для устранения недостатков (рис.9.8, б) введен горизонтальный функциональный поясок, на котором смонтированы приборы. Конструкция как бы расчленена. Убран стыковочный пояс, панели стыкуются на верхней плоскости. Это позволило уменьшить размеры панелей и, следовательно, улучшить качество поверхности и облегчить монтаж. На работу приборов, размещенных на функциональном поясе, перемещение панели (расширение-сжатие от нагрева и охлаждения) не оказывают влияния.

Изменение конфигурации верхних панелей с прямоугольной на радиус зрительно уменьшает габариты печи. Введение стандартной подсечки 4 (ступенька внутрь) способствует определенной легкости (печь не растет из пола), размеры нижней части зрительно уменьшаются.

Разъем, перенесенный на верхнюю крышку, стал не видим, одновременно это дало возможность заменить верхний металлический лист на асбестовую панель, уменьшив тем самым металлоемкость.

Было изменено и цветовое решение. Вместо белых тонов, которые при больших объемах нерациональны (белый цвет зрительно увеличивает размеры, черный – уменьшает), был введен светло-бежевый тон. Это улучшило психологический климат для обслуживающего персонала.

На приведенном примере видно как, казалось бы, чисто эстетическое решение привело к облегчению монтажных работ, экономии металла, улучшению условий труда.

В разработке нового художественно-технического решения конструкции автомата с приставкой для жарки пирожков (рис.9.9) и упаковки их в целлофановую пленку использован другой подход [1].

По предложению дизайнера в автомате изменена схема движения пирожков, а обжарочная ванна установлена внутри корпуса автомата. В результате удалось значительно уменьшить в сравнении с прототипом его габариты: высота стала равной 1600 мм вместо 2400 мм, ширина 1260 мм против 1900 мм ранее. Автомат решен в едином комплексе с приставкой, при этом сохранена возможность самостоятельности его использования.

Рис. 9.9. Автомат для обжаривания и упаковки пирожков

При разработке быстродействующего вертикального автомата для фасовки и упаковки сыпучих товаров в сварные пластиковые пакеты в качестве объекта-аналога принят образец, представленный на рис.9.10 (поз.а) [1].

На рис.9.10 а представлено образец-аналог автомата. Конструкция автомата открытая, композиционное равновесие узлов отсутствует. Машина кажется неустойчивой, опрокидывающийся влево, хотя бобинодержатель с тянущим элементом пленки легкий. Сам бобинодержатель расположен внизу и оператор при его замене должен сильно нагибаться. Округлая форма (конус) загрузочной воронки слишком резко контактирует с прямоугольными формами остальной конструкции. Загрузочная воронка с механизмом дозирования выглядит оторвано, а вся форма плохо выражает функциональность и лишь конструктивно связывает элементы автомата.

Пульт управления расположен низко и будет неудобен для работы оператора. Кроме того, он на всю свою ширину выступает за раму, что также создает неудобство для работы. Сварная конструкция рамы предусматривает изготовление автомата в едином экземпляре или мелкими партиями. Для серийного изготовления раму следует изготавливать литой.

На рис.9.10.б представлен вариант этого автомата в закрытом варианте, где форма практически не изменена. Добавлены боковые панели, закрывающие конструкцию, и пульт управления утоплен внутрь и теперь расположен заподлицо с боковой панелью. Для заправки пленки необходимо снимать панели целиком, что вызовет неудобство в работе и увеличит время на вспомогательные операции, уменьшив производительность.

На рис.9.10 в представлен новый вариант автомата, предложенный дизайнером. Бобинодержатель поднят вверх и убрана его консоль за счет удлинения рамы. Поперечные уголки рамы приподняты от пола, что позволило повысить устойчивость аппарата (на четыре точки, а не на две линии). Добавлена регулировка опор для установки совместно с сопутствующим оборудованием.

Рис.9.10. Автомат фасовочный ФП-1

Общая конструкция автомата выполнена закрытой, но т.к.к оператору необходимо заправлять пленку в рабочие органы, на боковых панелях предусмотрены люки, прикрытые дверцами. Пульт управления выполнен в горизонтальном варианте и поднят вверх. Загрузочной воронке придана прямоугольная форма, что соответствует общей компоновке и будет способствовать облегчению загрузки продукта, т.к. его можно будет загружать по всей ширине воронки. Некоторая сложность изготовления воронки прямоугольной формы компенсируется вышеперечисленными преимуществами

В результате этих мероприятий облегчилось работа оператора, а зрительное восприятие формы улучшилось.

На рис.9.11 представлен тестосмеситель А2-ХТН, разработанный дизайнером совместно с конструктором. Композиция четкая, формообразование передает функциональность изделия. Отводящий конвейер разделен на два и первый выполнен горизонтально. Это позволило при выработке мелкоштучных изделий на двухкарманной делительной головке препятствовать слиянию кусков теста которое было возможно при одновременном падении на наклонный конвейер.

В качестве изделия, имеющего негармоничную форму, рассмотрим [1] тестомесильную машину И8-ХТА, представленную на рис.9.12.

Машина непрерывного действия предназначена для замеса теста в тестоприготовительном агрегате.

Предложенная форма машины разработана инженером-констуктором без учета дизайнера. Было решено проверить ее форму и ее соответствие функциональному назначению одним из способов пропорционирования (графическое построение).

Рис.9.11. Тестосмеситель А2- ХТН

Рис.9.12. Тестомесильная машина И8-ХТА

Форма тестомесильной машины закрытая, функциональность не просматривается. С целью проверки гармоничности пропорции месильной машины строим две системы прямых на двух ее проекциях. Вписываем нижнюю горизонтальную часть машины в прямоугольник АОВР и проводим диагональ АВ. Далее пытаемся связать верхнюю часть машины с ее нижней частью, проведя через точку С прямую перпендикулярную АВ. Эта прямая дает случайную точку D на наклонной грани узла и не совпадает с верхней точкой К существующей конструкции, задавая тем самым высоту узла по границе линии КL. Это подтверждает и линия КЕ, проведенная через точку Е перпендикулярно АВ, если вписать верхнюю часть машины (без патрубка) в прямоугольник ОКLС.

На этой же проекции машины возможно согласовать и другие ее узлы и детали. Например, прямоугольную крышку – панель с жалюзами. Для этого строим центр системы подобных треугольников, гипотенузы которых перпендикулярны АВ. Если построение начать от передней грани нижней части машины, от точки а, то такими прямыми будут fd, cd, ek, lm, ng, причем вертикальная линия gn не совпадает с краем прямоугольной крышки панели, т.е. эта крышка-панель должна закачиваться по линии gn или может быть продолжена до линии ts (обозначена пунктиром). Подобным образом проверяется пропорциональный строй машины на другой ее проекции с помощью системы полных прямых MN, GI, IV и VW. Причем линии GI как бы снижают высоту строения верхней части машины по линии ZI, совпадающей с линией KL на боковой проекции.

По результатам проверки можно сделать вывод, что форма машины не гармонична, нуждается в композиционной организации, в частности пропорционировании связи своих узлов. Сама конструкция машины требует дизайнерской проработки.

1. В процессе проектирования машины или технологического оборудования задачей конструктора и дизайнера является обеспечение комплекса требований к изделию: специальных, функциональных, эргономических, эстетических и экономических.

2. Стадии проектирования включает: техническое предложение, эскизный проект, технический проект, разработка рабочей документации. Указанные работы проводятся на основании технического задания (заявки) заказчика машины. В каждом их этапов для дизайнера (или художественно-конструкторской деятельности разработчика) устанавливается определенный перечень работ в проектировании с целью достижения высоких эстетических и эргономических показателей качества машины.

3. Алгоритм процесса конструирования машины (изделия) с учетом требований к ее основным свойствам, влияющим на ее форму, включает требования (критерии) технического задания к качеству, порядок и перечень шести этапов процесса конструирования.

4. В проектировании сложного технологического оборудования, например поточных линий, используется системный подход, включающий изучение функциональных и эргономических связей как внутри объекта проектирования, так и его взаимодействия в системе «человек – машина» и «человек –машина – окружающая среда».

5. приведены особенности проектирования машин и аппаратов пищевых производств, а также примеры художественно-технических решений в модернизации: месильной машины; хлебопекарной тоннельной печи; автомата для обжаривания и упаковки пирожков; фасовочного автомата.

1. Калачев М.В. Дизайн машин и аппаратов пищевых производств. М.: ДеЛипринт, - 2001. – 138 с.

2. Тьялве Э. Краткий курс промышленного дизайна (пер.анг.). М.: Машиностроение, - 1984. – 191 с.