Современные проблемы в области аппаратурного оформления пищевых производств

51

Известен опыт использования глиняного нанокомпозитного материала при производстве пластиковых бутылок. Специалисты компании Kraft Foods разработали проект по созданию интерактивного напитка в новой таре, которая увеличивает срок хранения пива и придет бутылкам большую прочность.

Разработка уплотнительного материала нового поколения – экспандированного фторопласта – основана на многонаправленной волокнистой структуре. Материал характеризуется высокой пластичностью, устойчивостью к давлениям и способностью к сглаживанию неровностей, а также не обладает холодной текучестью. Эти качества в сочетании с присущими исходному материалу (долговечностью, химической стойкостью и экологической чистотой) позволяют использовать его в очень жестких условиях.

В хлебопекарной отрасли большинство предприятий перешло на использование для выпечки хлебобулочных и кондитерских изделий силиконовых ковриков и форм. Антипригарные тефлоновые ленты FORSIL можно использовать многократно (до 2000 выпечек), а также в качестве конвейерных лент для мяса, блинов из муки и др. изделий.

Производством и разработкой полимерных композиционных материалов на основе углеродного волокна занимается госкорпорация «Росатом». Отечественная технология получения углеродных волокон первоначально разработана для предприятий атомной отрасли. По сравнению с обычными конструкционными материалами (алюминием, сталью и др.), композиционные материалы обладают экстремально высокими характеристиками – прочностью, сопротивлением усталости, модулем упругости, химической и коррозионной стойкостью – при существенно меньшей массе. Полимерные композиционные материалы нашли применение в трубопроводном транспорте и товарах народного потребления.

52

5. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ДИЗАЙНА МАШИН И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ.

НОВЕЙШИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

5.1. Научные основы эргономики в машиностроении

Эргономика возникла в связи с усложнением технических средств и условий функционирования в современном производстве, существенным изменением трудовой деятельности человека, в которой оказалось синтезировано множество трудовых функций. Поэтому она формировалась на стыке многих наук – от психологии, гигиены и анатомии до ряда технических дисциплин.

Предметом эргономики как науки является изучение системных закономерностей взаимодействия человека (группы людей) с техническими средствами, объектом деятельности и средой в процессе достижения цели деятельности или при специальной подготовке к ее осуществлению в трудовой и досуговой сферах.

Цель эргономики – повышение эффективности и качества деятельности человека в системе «человек – машина – объект деятельности – среда» при одновременном сохранении здоровья человека и создании предпосылок для развития его личности.

Объектом исследования в эргономике является система «человек – машина – среда», т.е. исследуются взаимосвязи человека с предметным миром в процессе трудовой и других видов деятельности. Но могут рассматриваться и другие системы, например, система взаимодействия людей в производственном или ином коллективе.

Задачей эргономики как сферы практической деятельности является проектирование и совершенствование процессов (способов, алгоритмов, приемов) выполнения деятельности и способов специальной подготовки (обучения, тренировки, адаптации) к ней, а также средств и условий, которые непосредственно влияют на эффективность и качество деятельности и психофизиологическое состояние человека.

53

5.2. Научные основы дизайна в машиностроении

В отличие от инженерной деятельности, дизайн возник под воздействием научно-технического прогресса на стыке материальной и духовной культуры в результате сложного синтеза социального заказа, технических новаций, промышленных технологий и обновленного искусства начала XX века [20].

Дизайн как феномен индустриальной эпохи активно проявил себя с самого начала XX века. Две международные школы заложили основы дизайна на научных основах: Staatliches Bauhaus в Германии (существовавшая с 1919 по 1933 год) и Высшие художественно-технические мастерские в России (созданные в 1920 году). Дизайн развивался и локально, о чем свидетельствуют многочисленные национальные школы дизайна. Высокий уровень развития зарубежного дизайна в сочетании с опытом его применения создают во многих случаях труднопреодолимые для отечественных производителей барьеры с высокой добавленной стоимостью. Причиной тому прогрессирующее отставание России в развитии дизайна, который вопреки законам рынка, историческому опыту и современной практике ведущих экономик мира продолжает оставаться на периферии инновационного развития отечественного научно-промышленного комплекса. Как следствие, для большинства промышленных предприятий типичным является «лоскутный» характер применения дизайна. Косвенным подтверждением системного характера проблемы является аналогичное положение по отношению к инновационным процессам в экономике такой близкой к дизайну дисциплины, как эргономика.

Основополагающим импульсом в зарождении методологии дизайна следует считать сложные процессы качественного перехода от ремесленного типа деятельности в эпоху промышленной революции. Воплощая многовековой опыт предшествующих поколений, форма традиционных изделий наряду с высокими функциональными качествами естественным образом несла в себе отпечаток породившей ее культуры. При этом орудийный способ производства на протяжении многих тысячелетий обеспечивал единство утилитарных и эстетических свойств орудий труда, одежды, предметов домашнего обихода и т. д.

54

Обратной стороной перехода к промышленным технологиям и углубления процессов разделения труда стала утрата первыми промышленными фабрикатами единства потребительских качеств продукции. Классическая инженерная деятельность ориентирована на решение лишь технических и технологических проблем. Возник разрыв между возрастающим совершенством технических решений и нередко архаичной, а во многих случаях примитивной, внешней формой изделий. Даже в отношении традиционных бытовых товаров наглядно проявлялось противоречие между возросшими технологическими возможностями и устаревшей формой, ориентированной на ручное изготовление. Как правило, уродливые по внешнему исполнению и неудобные в обращении (эксплуатации) промышленные изделия способствовали образованию все более агрессивной по отношению к человеку техногенной среды.

Реакцией общества на ухудшение качества жизни стало формирование к середине XIX века социального заказа, направленного на активизацию поисков иных подходов и принципов создания продукции. Становление качественно новых методов проектирования потребовало объединения усилий прогрессивно мыслящих художников, архитекторов, инженеров Европы и Америки на протяжении большей части XIX – начала XX века. Результатом совместных поисков и стало формирование принципиально новой профессии, которая сегодня известна как дизайн. Его наиболее характерной чертой является широкий диапазон компетенций: от общехудожественной подготовки до знаний техники и промышленных технологий. То есть, в отличие от инженерного проектирования, методология дизайна сформировалась на стыке техники и искусства. Лишь с возникновением дизайна в дополнение к инженерным методам проектирования появилась методически обусловленная возможность обеспечить приемлемый баланс потребительских (эксплуатационных) свойств промышленной продукции, некогда присущих орудийному способу производства [21].

В целом для дизайна характерны: 1) проектный тип деятельности; 2) ориентация на комплексное удовлетворение утилитарных и эстетических потребностей человека; 3) воплощение

55

неразрывной связи между эстетикой, техникой и технологией; 4) рыночные подходы к созданию продукции; 5) функционирование одновременно в экономическом и социально-культурном пространстве. С учетом совокупности признаков и применительно к теме исследования под дизайном понимается один из междисциплинарных видов проектной деятельности, направленной на совершенствование и гармонизацию процессов взаимодействия человека с техногенной средой путем синтеза в его методологии гуманитарных и естественнонаучных компетенций.

Недоработки в дизайне приводят к снижению конкурентоспособности изделий промышленности [22]. Так, нарушение принципа единства технического и эстетического совершенства продукции, как правило, приводит к тому, что при прочих равных условиях уродливая внешняя форма способна в значительной мере дискредитировать даже высокотехнологичные решения. Не случайно существует явно выраженная обратная зависимость между уровнем конкурентоспособности отраслей отечественной промышленности и степенью влияния дизайна на формирование конкурентных преимуществ. Конкурентоспособность отрасли тем выше, чем ниже потенциальное влияние фактора дизайна (отрасли добывающей промышленности, металлургия, нефтехимическая промышленность). В то же время там, где роль дизайна возрастает (машиностроение, легкая промышленность), наблюдается более низкий уровень конкурентоспособности, причем при сопоставимых системных проблемах, которые в равной степени характерны для всех отраслей. Именно поэтому дизайн следует рассматривать не с точки зрения обеспечения конкурентоспособности продукции, а в общем контексте функционирования производственных систем.

Таким образом, в отношении дизайна отечественная промышленность сталкивается с комплексной проблемой, решение которой требует реализации системных подходов, что, в свою очередь, предполагает формирование соответствующего науч- но-методического обеспечения. Целевая функция дизайна заключается в совершенствовании процессов взаимодействия между человеком и созданной им среды путем формирования целостной в функциональном и эстетическом отношении пред-

56

метно-пространственной (жилой, производственной, социальнокультурной), а также информационно-коммуникационной среды. С экономической точки зрения функции дизайна (в совокупности с другими методами) обеспечивают прогрессирующее повышение эффективности функционирования человекомашинных систем.

Профессор Л.А. Зеленов в 1962 году в труде «Принципы дизайна» изложил нижеперечисленные шесть принципов научной система дизайна [21].

Социологический принцип – учет структуры и динамики общественных потребностей с целью создания полезных продуктов.

Инженерный принцип – учет технических, конструктивных и технологических закономерностей с целью создания функционально совершенных изделий.

Эргономический принцип – учет анатомических, физиологических и психологических характеристик человека с целью создания удобных изделий.

Экономический принцип – учет затрат живого и овеществленного труда с целью создания рентабельных, экономически целесообразных изделий.

Экологический принцип – учет особенностей абиотических и биотических систем с целью создания экологически чистых, природоохранных изделий.

Эстетический принцип – учет композиционных закономерностей с целью создания прекрасных, эстетически выразительных изделий. Эстетический принцип и показатель качества в дизайне являются интегративным, производным от других принципов и показателей. Логика деятельности дизайнера первым долгом ориентирует его на решение эстетической задачи, но эстетическая выразительность, эстетическое совершенство промышленного изделия могут быть достигнуты только при условии выявления в нем гармонического единства меры предмета и меры человека.

57

5.3. Конструкционные материалы в аппаратурном оформлении пищевых производств

Материалы для изготовления аппаратов пищевой технологии должны удовлетворять требованиям стандартов и технических условий, а их механические характеристики должны быть подтверждены сертификатами предприятийизготовителей. При выборе конструкционного материала для тех или иных целей выявляются рабочие условия эксплуатации: температура, давление, характеристики сырья. Кроме того, инженер должен руководствоваться не только соответствием его свойств эксплуатационным и технологическим характеристикам, но и экономической целесообразностью [23]. В практической деятельности этот критерий в значительной степени определяется стоимостью материала.

Для изготовления химических и пищевых аппаратов применяют следующие конструкционные материалы [14]: углеродистую сталь (ГОСТ 380), низколегированную сталь (ГОСТ 5058), высоколегированные стали и сплавы, коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные (ГОСТ 5632), двухслойные стали (ГОСТ 10885), серый чугун (ГОСТ 1412), жаростойкий и коррозионностойкий чугун (ГОСТ 11849), ковкий чугун (ГОСТ 1215), алюминий (ГОСТ 11069) и его сплавы (ГОСТ 4784), медь (ГОСТ 4783), латуни (ГОСТ 15527), бронзы (ГОСТ 18175), свинец (ГОСТ 3778), сплавы на никелевой основе ХН65МВ и Н70МФ (ГОСТ 5632), титан и его сплавы (АМТУ 388).

Применение защитных покрытий на аппаратах исключает необходимость использования дефицитных материалов. Основными материалами, которые применяются для защиты от коррозии, являются: кислотоупорный кирпич, диабазовая плитка, диатомовый кирпич, углеграфитовые кирпич и плитка, андезитовые камни, асбозуритовая масса, кислотоупорные цементы, полиизобутилен, асбест, фторопласт, эмалевые покрытия. В настоящее время созданы ситалловые эмали, которые обладают высокими механическими и термическими свойствами. Выбор конструкционных материалов осуществляется согласно рекомендациям специальной литературы [14, 15, 23 и др.].

58

Наиболее дешевым материалом являются углеродистые стали, причем их цена меняется в зависимости от вида полуфабриката (пруток, сорт, лист). Наиболее высокую стоимость имеют тонколистовые стали.

Стоимость легированных сталей определяется не только типом и размерами полуфабрикатов, но также количеством и стоимостью входящих в них легирующих элементов. Так, стоимость низколегированных сталей, легирующими элементами в которых являются недорогие хром, марганец, кремний, незначительно отличается от стоимости углеродистых сталей. Обычно же стоимость легированных сталей тем выше, чем больше в них дорогостоящих элементов. Например, быстрорежущие инструментальные стали – Р18, Р6М6 и др., в состав которых входят вольфрам и молибден, в 15–20 раз дороже углеродистых качественных сталей.

При выборе конструкционного материала инженер должен учитывать также длительность эксплуатации изделия. Так, для коррозионностойких материалов при контакте с агрессивными пищевыми средами (рассолами, тузлуками, кислотами и др.) даже обладающую хорошей коррозионной стойкостью нержавеющую сталь типа Х18Н10Т бывает целесообразно заменять титановыми сплавами.

Одним из важнейших факторов, влияющих на экономическую целесообразность выбора материала, служит учет затрат на изготовление тех или иных изделий из данного материала (расход материала в стружку, стоимость механической обработки и др.). Примером удачного выбора более экономичных способов изготовления деталей является получение литых изделий, либо применение безотходных технологий, например, штамповки вместо резания, либо прессования изделий из порошков. При выборе материала следует учитывать и количество запасных деталей для обеспечения той же долговечности, время простоя техники, особенно если речь идет о замене деталей в поточных линиях и других агрегатах.

Известно, что эксплуатационные характеристики можно повысить термической либо химико-термической обработкой. Но в данном случае следует учитывать добавочные расходы на

59

создание дополнительных производственных помещений и их оборудование, затраты на проведение самих операций термообработки и особенно химико-термической обработки. Учет этот следует проводить в сопоставлении с выгодами, получаемыми за счет повышения свойств и увеличения срока службы деталей.

Полимерные материалы в изделиях применяются для замены традиционных материалов и в новых технологиях. Из них изготавливают конструкционные детали различного назначения. Полимерные композиционные материалы на основе полипропилена широко используют во многих отраслях промышленности. Это большая номенклатура марок полипропилена, включающая базовые марки полипропилена, рандом-сополимер (статистический сополимер), блок-сополимер, наполненные и морозостойкие композиции. Из полимерных материалов на основе полипропилена изготавливают комплектующие деталей автомобилей: бамперы, панели приборов, спойлеры, корпуса аккумуляторов; корпусные детали бытовой техники, трубы, фитинги, пленки различного назначения и др.

Расширение сферы применения полимерных материалов в промышленности сдерживается отсутствием научно обоснованного подхода к выбору критериев работоспособности, методов оценки надежности изделий, недостаточным опытом их эксплуатации в различных условиях. В настоящее время не имеется экспериментальных данных и методов оценки надежности, учитывающих вариации поведения полимерных материалов. Особенностью полимерных композиционных материалов является значительный разброс прочностных и деформационных характеристик в исходном состоянии, а также их изменение и рассеяние в процессе эксплуатации. Кроме того, отсутствуют методы оценки надежности изделий из полимерных материалов на этапах проектирования, производства и эксплуатации с учетом статистической изменчивости их характеристик.