Производственные технологии (2)
advertisement
Садовский, В.В. Производственные технологии: учебник / В.В. Садовский, М.В. Самойлов, Н.П. Кохно [и др.]. – Минск: БГЭУ, 2008. – 431 с. СОДЕРЖАНИЕ Предисловие ......................................................................................... 9 Раздел I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОД СТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ................................... 11 Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ .............................. 11 1.1. Место технологии в современном обществе и производстве .......................................................... 11 1.2. Понйтие и цель изучения технологии .................... 14 Контрольные вопросы ........................................................ 18 Глава 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ................ 19 2.1. Понятие технологического процесса ........................ 19 2.2. Структура и организация технологических процессов 20 2.3. Затраты труда в ходе осуществления технологического процесса. Понятие идеальной технологии ................................................................ 24 2.4. Параметры (показатели) технологического процесса 25 Контрольные вопросы ....................................................... 27 Глава 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНО ЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ .............................. 28 3.1. Технологическое развитие как ключевое звено совершенствования промышленного производства и развития общества .................................................... 28 3.2. Динамика трудозатрат при развитии технологических процессов .................................................................. 29 3.3. Рационалистическое развитие технологических процессов .................................................................... 32 3.4. Эволюционное развитие технологических процессов 35 3 3.5. Революционное развитие технологических процессов .................................................................... 38 Контрольные вопросы ........................................................ 41 Глава 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ... 42 4.1. Общие принципы классификации технологических процессов ..................................................................... 42 4.2. Физические процессы, используемые в технологии 43 4.2.1. Механические процессы .............................. 43 4.2.2. Гидромеханические процессы ...................... 47 4.2.3. Тепловые процессы ........................................ 51 4.2.4. Массообменные процессы ............................. 55 4.3. Химические процессы в технологии ......................... 60 4.4. Биологические процессы в технологии .................... 64 Контрольные вопросы ........................................................ 66 Глава 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ, ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВА ................................. 67 5.1. Понятие системы технологических процессов. Исторические этапы развития систем технологических процессов ..................................................................... 67 5.2. Классификация технологических систем производства, закономерности их формирования и функционирования ...................................................... 70 5.3. Закономерности развития и оптимизации технологических систем ............................................ 73 5.4. Понятие технических систем, законы строения и развития технических систем ................................... 75 5.5. Методы и модели оценки научно-технологического развития производства ............................................. 80 Контрольные вопросы ........................................................ 87 Раздел II. ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОД СТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ .................................. 89 Глава 6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ ХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ... 89 Контрольные вопросы ...................................................... 100 4 Глава 7. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОИ ТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА ................................... 101 7.1. Общие сведения о машиностроении .............................. 101 7.2. Важнейшие технологические процессы заготовительного производства в машиностроении 104 7.3. Важнейшие технологические процессы обрабатывающего производства в машиностроении 117 7.4. Важнейшие технологические процессы сборочного производства в машиностроении .................................... 126 Контрольные вопросы .............................................................. 136 Глава 8. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ .................................................. 138 8.1. Общие сведения о легкой промышленности ... 138 8.2. Общие сведения о текстильных материалах 142 8.3. Основы производства текстильных волокон и нитей .............................................................................. 148 8.3.1. Основы производства и характеристика натуральных текстильных волокон ................. 148 8.3.2. Основы производства и характеристика химических текстильных волокон и нитей .......................... 153 8.3.3. Классификация, виды и строение текстильных нитей .................................................................. 161 8.3.4. Основные этапы производства пряжи ... 164 8.4. Основы производства ткани ............................................ 167 8.4.1. Основы ткачества ............................................. 167 8.4.2. Отделка тканей .................................................. 171 8.5. Основы трикотажного производства ............................. 178 8.5.1. Понятие о трикотаже ......................................... 178 8.5.2. Общие сведения о трикотажных машинах 180 8.5.3. Производство бельевых трикотажных изделий 182 8.5.4. Производство верхних трикотажных изделий .. 184 8.5.5. Производство чулочно-носочных изделий 186 8.6. Основы производства нетканых текстильных материалов ........................................................................ 188 8.6.1. Технологический процесс производства нетканых текстильных материалов .................................... 188 8.6.2. Характеристика ассортимента нетканых текстильных материалов ................... 192 8.7. Основы производства швейных изделий ......................... 196 8.7.1. Материалы для изготовления одежды ... 196 8.7.2. Технологический процесс изготовления швейных изделий ................................................................. 201 8.8. Основы производства пушно-меховых изделий 205 8.8.1. Технология обработки пушно-мехоного сырья 206 8.8.2. Технология скорняжпо-пошивочного производства меховых изделий .................................................. 209 8.9. Основы производства обуви ............................................ 213 8.9.1. Общее понятие об обувных товарах .................. 213 8.9.2. Материалы, используемые при изготовлении обуви ................................................................................ 214 8.9.3. Основы обувного производства ........................ 223 Контрольные вопросы ............................................................... 230 Глава 9. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШ ЛЕННОСТИ .................................................................. 231 9.1. Общие сведения о химической и нефтехимической промышленности .............................................................. 231 9.2. Основы технологии минеральных удобрений 233 9.2.1. Основы технологии азотных удобрений ... 234 9.2.2. Основы технологии фосфорных удобрений 237 9.2.3. Основы технологии калийных удобрений 239 9.3. Основы технологии переработки топлива ...................... 243 9.3.1. Основы технологии прямой перегонки нефти .. 245 9.3.2. Основы технологии крекинга нефтепродуктов 248 9.4. Основы технологии производства и перера ботки полимерных материалов ........................................ 252 9.4.1. Общие сведения о полимерных материалах 252 9.4.2. Основные методы производства синтетических полимеров .............................................................. 255 9.4.3. Основы технологии производства изде лий из пластмасс .................................................. 258 Контрольные вопросы ................................................................ 269 Глава 6 10. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ... 271 10.1. Общие сведения о капитальном строительстве и производстве строительных материалов и изделий ..... 271 10.2. Важнейшие технологические процессы капитального строительства .................................................................. 273 10.3. Основы технологии важнейших строительных материалов 287 10.3.1. Классификация и свойства строительных материалов ......................................................... 10.3.2. Основы технологии керамики .......................... 10.3.3. Основы технологии стекла ............................... 10.3.4. Основы технологии бетона и железобетона .. 10.3.5. Основы технологии производства древесных строительных материалов ................................ 287 290 295 299 306 Контрольные вопросы, ............................................................... 314 Глава 11. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ .............................................. 316 11.1. Общие сведения о пищевой промышленности 316 11.2. Важнейшие технологические процессы пищевой промышленности .......................................................... 317 11.3. Технологические основы важнейших пищевых производств .................................................................... 323 11.3.1. Основы технологии мукомольного производства 324 11.3.2. Основы технологии свеклосахарного производства .............................................................................. 328 11.3.3. Основы технологии кисломолочных продуктов 334 11.3.4. Основы технологии этанола ........................... 339 Контрольные вопросы ............................................................... 342 Раздел III. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВЕН НЫХ ТЕХНОЛОГИЙ .................................................. 343 Глава 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС — ОСНОВА РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОБЩЕСТВА 344 Контрольные вопросы ............................................................... 351 7 Глава 13. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНО ЛОГИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА ........................... 351 Контрольные вопросы ...................................................... 358 Глава 14. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТО МАТИЗАЦИИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА ................................................. 359 14.1. Основы гибкой автоматизированной технологии ................................................................................... 359 14.2. Основы робототехники и роботизации промышленного производства .............................. 363 14.3. Основы роторной технологии обработки изделий ................................................................................... 371 14.4. Программное управление и его системы в промышленном производстве ........................... 377 14.5. Основы информационной технологии в уп равленческой и проектно-конструкторской деятельности ......................................................... 381 Контрольные вопросы ..................................................... 387 Глава 15. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАБОТКИ НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ ............................. 389 15.1. Основы технологии производства композиционных материалов ............................................................. 389 15.2. Основы технологии порошковой металлургии 393 15.3. Электрические методы обработки изделий ... 396 15.4. Основы лазерной технологии ............................... 398 15.5. Основы ультразвуковой технологии .................... 404 15.6. Основы мембранной технологии .......................... 406 15.7. Основы радиационно-химической технологии .. 409 15.8. Основы плазменной и элионной технологии 411 15.9. Основы современной биотехнологии ................. 413 15.10. Общие сведения о нанотехнологии ................... 419 Контрольные вопросы ..................................................... 427 Литература ....................................................................................... 430 8 ПРЕДИСЛОВИЕ Производственная деятельность является основой современной цивилизации. Без развития производства нельзя говорить не только о развитии общества, но и о простом его существовании. Основой производственной деятельности является технология. В технологии как таковой реализованы знания человека об окружающем мире. Технология, используя законы естественных наук (физики, химии, биологии) и опыт практической деятельности, воплотила их в создании тех благ, которых нет в природе. Знание закономерностей и принципов осуществления традиционных и прогрессивных технологических процессов производства позволяет экономисту анализировать реальную производственную ситуацию, на научной основе планировать мероприятия по технологическому развитию производства. Изучение дисциплины «Производственные технологии» дает студентам возможность: • получить представление о технологии как базовом звене современного производства, об общих закономерностях формирования, функционирования и развития технологических процессов и их систем; • овладеть знаниями о категориях курса, технической терминологии и понятиях, теории технологического развития производства и научиться использовать их в своей практической деятельности; • ознакомиться с технологическими основами производства продукции, характерной для нашей страны; • получить представление о перспективах и направлениях научно-технологического развития производства и общества, принципах осуществления прогрессивных технологических процессов, перспективных для внедрения в производство. 9 Учебник написан в соответствии с учебной программой по дисциплине «Производственные технологии» для экономических специальностей высших учебных заведений, утвержденной Министерством образования Республики Беларусь, и состоит из трех основных разделов. В первом разделе «Теоретические основы производственных технологий» изложены общие сведения о технологии производства, закономерностях формирования, функционирования и развития технологических процессов и их систем. Второй раздел «Практические основы производственных технологий» содержит описание важнейших технологических процессов производства, применяемых в настоящее время в Республике Беларусь. В третьем разделе «Научные основы производственных технологий» охарактеризованы важнейшие направления технологического прогресса на современном этапе, основы прогрессивных технологических процессов. Авторами учебника являются: В.В. Садовский — предисловие, главы 1, 6, 8, 12; М.В. Самойлов — главы 2, 4, 6, 7, 11, 12, 13, 14, 15; Н.П. Кохно — главы 1, 2, 3, 5 (параграфы 5.1, 5.2, 5.3, 5.5), 10; А.Н. Ковалев — главы 4, 5 (параграф 5.4), 15; Е.В. Перминов — главы 10, 11, 14; В.В. Паневчик — главы 9, 13; И.М. Миронович — главы 4 (параграфы 4.3, 4,4), 9, 11 (подпараграф 11.3.4); ВЛ. Тарасевич — глава 15. 10 Раздел I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Глава 1. ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ 1.1. Место технологии в современном обществе и производстве Назначение всякого создаваемого людьми объекта (в частности, производства) заключается в выполнении данным объектом определенной функции. Главная функция производства — обеспечение общества необходимыми ему благами (товарами и услугами). Так как большинство товаров и практически все услуги не появляются естественным (природным) путем, их необходимо производить искусственно посредством специально создаваемых производственных систем. Как правило, под производственной системой понимают совокупность определенных материальных элементов, необходимых для осуществления производственного процесса изготовления продукта (товара или услуги). Примерами таких систем в сфере производства товаров могут служить любые промышленные предприятия; в сфере производства услуг — школы, университеты, больницы, театры, музеи и т.д. Производственная система в традиционном толковании включает в себя: предметы труда (сырье), средства производства (оборудование) и работников. Эти составляющие производственной системы вступают в определенное взаимодействие, предусмотренное содержанием производственного процесса, для создания требуемого результата (продукта). Однако, например, предмет труда (сырье) не является частью ни производственной системы, ни производственного процесса, поскольку это то, что перерабатывается производственной системой в ходе производственного процесса. Если производственная система есть совокупность некоторых вещественных элементов, необходимых для создания продукции, то производственный процесс, в первом приближении, 11 есть процесс взаимодействия названных элементов с целью выпуска продукции. Во внешнем проявлении производственный процесс — совокупность действий средств производства и работников по преобразованию сырья (предмета труда) в готовую продукцию. В сфере производства под производственным процессом традиционно понимают совокупность действий работников и оборудования, необходимых на данном предприятии для изготовления или ремонта изделий. Схематично составляющие производственной системы представлены на рис. 1.1, а производственного процесса — на рис. 1.2. Вид, состав, особенности производственной системы всецело зависят от реализуемого производственного процесса. Несмотря на то, что производственный процесс организуют люди, он основан на использовании также естественных (природных) процессов, поэтому нельзя забывать об объективных закономерностях их протекания, которые человек не может изменить по своему желанию. Производственный процесс носит объективный характер, поэтому закономерности его осуществления не связаны жестко с так называемыми общественными формациями, политическими течениями и видами экономики (плановая, рыночная и др.). Любой общественно-экономической формации необходима мо решать задачи производства товаров и услуг для обеспечения своей жизнедеятельности. Очевидно, что различные общественноэкономические формации и виды экономики создают неодинаковые условия для развития производства, поэтому в итоге имеют разные результаты. Для того, чтобы знать, какие условия для успешного развития производства необходимо создать, следует выявить и изучить общие закономерности его формирования, функционирования и развития. Для изучения сущности производственного процесса необходимо выяснить, из каких функциональных элементов он состоит. По назначению в системе производственного процесса выделяются две группы действий: • основные, непосредственно преобразующие предмет труда в продукт. Эту совокупность действий традиционно называют технологией производства; • вспомогательные, которые обеспечивают необходимые условия для выполнения функциональной группы действий. К ним относятся: материально-техническое снабжение, распределение товаров, организация производства, управление им, учет, анализ, контроль хозяйственной деятельности, оплата труда работников и т.д. Данная группа действий называется экономической деятельностью, или экономикой производства. Таким образом, технология и экономика производства образуют целостный производственный процесс, или систему производственного процесса. Потребность общества в товарах вызывает необходимость в процессах их изготовления, т.е. в технологиях производства, которые, в свою очередь, требуют осуществления соответствующих видов экономической деятельности, но не наоборот. Схематично систему производственного процесса можно представить следующим образом (рис. 1.3). Стрелки на схеме показывают, что технологическая и экономическая составляющие в процессе производства продукции тесно взаимодействуют. Расположение экономики производ13 ства над его технологией отражает тот факт, что с управленческой стороны экономическая деятельность является основной, а технологическая — соподчиненной (управляемой). Данный подход к исследованию производства позволяет осознать огромную важность экономической деятельности: как любой управляющий элемент системы экономика производства несет ответственность за качество и эффективность используемой технологии производства. Таким образом, производственная деятельность является основой существования как отдельного человека, так и общества в целом. Вот почему все государства, осознавшие важность производственной деятельности, стремятся к ее совершенствованию и развитию. Наиболее эффективно задача развития может быть решена только на базе познанных закономерностей производственного процесса. 1.2. Понятие и цель изучения технологии В повседневном обиходе под технологией понимают чисто техническую науку. Надо отметить, что такое представление объяснимо исторически (впервые понятие «технология» появилось в XIX в. и связывалось именно с промышленным производством, которое было преимущественно машинным). Современное содержание понятия «технология» многообразнее. Наряду с традиционным словосочетанием «технология промышленного производства» во второй половине XX в. появились термины «информационная технология», «технология мышления» и даже «технология творчества». Более того, содержательная часть понятия «технология» распространилась и на сферу производства услуг (искусство, литературу и т.д.). Термин «технология» образован из греческих слов «techne» и «logos» (techne — мастерство, искусство; logos — наука, учение). В дословном переводе технология — наука (учение) о мастерстве, искусстве. Мастерство, пожалуй, самое важное свойство человека. Именно им человек отличается и выделяется из совокупности остальных биологических существ. На уровень мастерства человек поднимается постепенно, проходя этапы усвоения знаний, приобретения навыков, умений и, наконец, достигая мастерства. Поскольку мастерство нематериально, то само по себе оно не может видоизменить материальный объект, например, предмет труда (сырье). Мастерство обеспечивает процесс переработки исходного сырья в готовую продукцию только в совокупности с трудовой деятельностью. Однако именно от уровня мастерства в 14 конечном счете зависит величина трудозатрат в процессе производства продукции. Даже из повседневных представлений для человека ясно, что чем больше мастерства, тем меньше затраты труда на производство продукции. В обеспечении снижения трудозатрат и заключается цель изучения и экономическая роль мастерства. Мастерство связывает воедино природные процессы с трудовыми, формируя, таким образом, целостный процесс переработки сырья в продукт, при этом технология является узловым интегрирующим звеном данного процесса переработки, его сутью. Технология интегрирует в себе знания из многих областей и не может быть сведена ни к физике, ни к химии, ни к любой другой науке о естественных процессах, так как ее предмет — мастерство использования естественных процессов в искусственных условиях производства. Обобщив вышеизложенное, можно сформулировать следующее краткое определение: технология — наука о мастерстве в процессах создания благ. Роль технологии (мастерства) в жизни общества состоит в следующем: • прикладное использование багажа знаний общества. Без технологии знание остается «мертвым», не находит применения; • средство, создающее надприродные блага, которые формируют условия для существования человеческого общества; • предопределение условий использования труда, сбережение его затрат и как следствие — создание благополучия и материального богатства; • человек, коллектив или государство, лишенные необходимых для их функционирования технологий, лишаются самостоятельности и независимости, поскольку не способны воспроизводить условия для собственного существования. Таким образом, технология в прикладном смысле представляет собой реализованные (материализованные) представления о закономерностях изготовления конкретных видов материальных и нематериальных благ. Только тогда, когда человек владеет технологией, появляется возможность многократного воспроизведения процесса изготовления продукции с определенными потребительскими свойствами по заранее известному алгоритму. Поскольку объективные законы окружающего мира являются основой (фундаментом) технологии, последняя может воспроизводиться и повторяться сколь угодно многократно. Технология как наука изучает: • сущность (содержание) процессов производства разнооб разных товаров и услуг; 15 • взаимные внутренние связи между мастерством и трудозатратами на изготовление продукта; • закономерности развития процессов производства товаров и услуг на базе достигнутого уровня знаний человека об окружающем его мире. Наиболее распространена классификация технологий (процессов создания различных благ) по виду полученного блага или результата. Согласно ей технологии делятся на материальные (создающие материальные продукты) и нематериальные, или социальные (создающие нематериальные блага). К числу нематериальных относятся технологии образования, науки, здравоохранения, культуры, литературы, искусства и т.д. Преобладающее большинство материальных технологий являются машинными, т.е. совокупность технологических действий над сырьем осуществляется в основном машинами, аппаратами, техническими устройствами и приспособлениями. В социальных технологиях тоже используются технические средства, но они непосредственно не создают результат, имеют второстепенное значение. Например, результат работы учителя не будет принципиально зависеть от того, из какого материала сделана парта, за которой сидят ученики, или доска, на которой пишет учитель. Следовательно, при достижении конечного результата в материальных технологиях велика роль машин, а в нематериальных — людей, их профессиональных качеств. Нужно отметить, что производственный процесс изучается с разных сторон: технологическая деятельность изучается технологией, экономическая — экономикой. Хотя предметы изучения технологии и экономики различны, оба научных направления преследуют одну цель: при наименьших затратах обеспечить наибольший выпуск товаров. Единство цели объясняется объективным единством и неделимостью производственного процесса. Необходимо добавить, что технология и экономика производства едины и с содержательной стороны. Дело в том, что понятие «технология» в настоящее время включает не только процесс получения материального продукта, но и любые целенаправленные действия, приводящие к удовлетворению некоторой потребности (вспомним термины «технология управления», «технология образования»). Таким образом, технология является стержнем, основой, связывающей воедино естественные, технические и экономические науки. Технология — это наиболее важный элемент, от состояния которого зависит развитие производства и общества. Побудительный мотив развития технологии — преобладание потребностей общества над возможностью их удовлетворения существующими средствами производства. 16 Источник развития технологии — достижения техноди-намики, науки, которая постигает закономерности технологического развития. В контексте определения технологии как элемента производства важно разделить понятия «технология» и «техника». К сожалению, достаточно часто эти термины считаются тождественными по содержанию. Техника на производстве представлена оборудованием — различными машинами, аппаратами, устройствами. Очевидно, что технические устройства используются для осуществления тех или иных технологических действий по производству того или иного продукта, но техника — это не сама технология, так как технологический процесс производства можно реализовать и без использования техники (например, в случае ремесленного, кустарного производства). В современном промышленном производстве технические устройства вместе с людьми воплощают технологию в виде последовательных и заранее определенных действий по превращению исходного сырья в готовую продукцию. Таким образом, техника является только одним из средств осуществления технологии. Изменения в техническом устройстве (в структуре и взаимосвязи его элементов) необязательно вызывают изменение технологии производства продукции с помощью этого устройства. В то же время изменения в способе воздействия на исходное сырье, т.е. в технологии, неизбежно приводят к изменению технического устройства, реализующего эту технологию. Поэтому технология как функциональный элемент материального производства первична по отношению к технике, которая лишь осуществляет те действия в процессе производства продукции, которые предопределены заранее технологией производства. Чтобы изготовить любой товар, необходимы информация о сырье и средствах производства (область технических наук — материаловедение, теория машин и механизмов, сопротивление материалов и др.), соответствующая организация производства, его снабжение, контроль, анализ и т.д. (область экономических наук). Кроме того, всякое производство основано на трудовой деятельности людей. Следовательно, необходимы знания о трудовом процессе, а самое главное — о том, как вызвать интерес человека к активному труду (область общественных наук). При производстве духовных благ дополнительно нужны сведения из области гуманитарных наук. Таким образом, оказывается охваченной практически вся сфера современного научного знания. И это закономерно, так как основой существования общества яв- ляется производство. Поэтому и все знания, которые человек получает за свою жизнь, он с той или иной степенью мастерства использует в будущей профессиональной деятельности. Различные виды профессиональной деятельности человека, по сути, сводятся к роли исполнителя той или иной технологии. Однако необходимо еще раз подчеркнуть, что процесс изготовления любого продукта основан на использовании естественных (природных) процессов, протекающих по своим законам. Человек с помощью науки познает эти объективные процессы и использует их в искусственно созданных условиях производства. Поэтому результативность технологического процесса он может повысить лишь в тех рамках, которые допускают природа, ее законы, а не путем собственного, субъективного волевого решения. Вместе с тем технология является источником неограниченного развития производства и общества. Именно технологическое развитие производства обеспечило нынешние достижения человеческого общества. Оно и в дальнейшем останется определяющим звеном развития мировой цивилизации. Контрольные вопросы 1. Опишите назначение производственной системы. 2. Какие элементы входят в состав производственной системы? Как они взаимосвязаны друг с другом? 3. При каких условиях в производственной системе возможно осуществление производственного процесса? 4. Тождественны ли понятия производственной системы и производственного процесса? 5. Почему сырье не является частью производственной системы? 6. Возможно ли в рамках производственного процесса произвольное изменение действий исполнителей? Почему? Если невозможно, то чем эти действия предопределены? 7. Какие функциональные элементы составляют любой производственный процесс? Каково их назначение? 8. На каком основании молено утверждать, что технология является основным звеном производственного процесса? 9. Каковы сходство и различие между технологией производства и экономикой производства? 10. Что является объектом, изучаемым технологией как наукой? 11. С какими науками технология имеет непосредственные связи? 12. Каково современное понимание технологии? 13. Какие свойства и черты постоянны для всех видов технологий? 14. Назовите характерные признаки материальной технологии. 15. Перечислите характерные признаки социальной (нематери альной) технологии. 18 Глава 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 2.1. Понятие технологического процесса Технологии характеризуются многочисленностью и большим разнообразием. Рассмотрим сходство и различие технологий разных видов. Общим для любых технологий является то, что их создатели и исполнители — люди. Они проектируют технологии в соответствии с принципами и закономерностями человеческой деятельности. Психология, изучающая закономерности деятельности человека, выделяет ее следующие основные принципы: • деятельность есть процесс последовательного получения требуемого результата; • она всегда имеет цель и мотивы; • деятельность строится из элементарных базовых действий, объединяющихся в образования разной иерархии. Перечисленные принципы деятельности человек переносит в технологию. Это ее так называемый «человеческий компонент», общий для всех технологий. Поскольку всякий технологический процесс основан на естественных природных процессах, имеющих свои объективные закономерности, то содержание технологических действий (этапов) предопределяется данными закономерностями. Это отличает технологии друг от друга, придает им индивидуальные, специфические, особенные черты. Таким образом, человек привносит в технологии их этап-ность, целенаправленность, иерархичность структуры, а естественные процессы, на которых они основаны, — содержание и внутреннее взаимовлияние этапов. Как отмечалось ранее, для производства тех или иных видов продукции люди создают производственные системы, в которых реализуются производственные процессы, включающие технологическую и экономическую деятельность. Таким образом, технологический процесс представляет собой основную часть производственного процесса, которая предопределяет последовательность действий по созданию продукции и в свою очередь базируется на использовании естественных (природных) процессов. 19 2.2. Структура и организация технологических процессов Изготовление продукции связано с требуемым изменением сырья, происходящим в результате различных воздействий на него. В общем случае материальным средством воздействия на предмет труда является инструмент. Причем инструменты не обязательно вещественны, часто ими могут быть различные физические поля: гравитационное, электрическое, магнитное и т.д. В химико-технологических процессах порой сложно отличить предмет труда от инструмента. Если в реакцию вступают два вещества, то они оба воздействуют друг на друга и преобразуются, т.е. обладают свойствами и сырья, и инструмента. Поэтому для химикотехнологических процессов в этом отношении характерны свои специфические особенности. На уровне элементарного звена технологического процесса (как и производственного) всю совокупность действий можно подразделить на функциональные и вспомогательные. Функциональной, основной частью элементарного акта преобразования предмета труда в продукт является однократное непосредственное воздействие инструмента на предмет труда. Эту наименьшую часть технологического процесса называют рабочим ходом. Рабочий ход приводит к изменению свойств сырья в направлении свойств получаемого продукта. Вспомогательной частью элементарного акта преобразования предмета труда в продукт является процесс совмещения инструмента с предметом труда. Эту наименьшую часть технологического процесса называют вспомогательным ходом. Вспомогательный ход, как правило, изменяет пространственные характеристики (положение) инструмента и предмета труда. Его назначение — подготовка инструмента и предмета труда к выполнению очередного рабочего хода. При обработке некоторой порции или единицы сырья выполнение вспомогательного хода всегда предшествует реализации рабочего. Вид рабочего хода изменяется при изменении типа воздействия инструмента на сырье, вида инструмента, а также режима такого воздействия. Вид вспомогательного хода предопределяется видом рабочего хода и функционально зависит от него. Последовательное чередование рабочих и вспомогательных ходов образует более высокий иерархический уровень в структуре технологического процесса — технологический переход. Для выполнения технологических переходов, как правило, необходимо осуществить соотвествующую группу вспомогательных действий более высокого иерархического уровня. Она включает действия по загрузке-выгрузке сырья или заготовки, 20 закреплению детали и т.д. Все эти действия называют вспомогательным переходом. Последовательность технологических и вспомогательных переходов образует следующий иерархический элемент технологического процесса — технологическую операцию. Для ее выполнения также необходима своя относительно обособленная группа вспомогательных действий — транспортирование сырья от одного вида оборудования к другому, которую называют вспомогательной технологической операцией. Совокупность всех технологических и вспомогательных операций образует технологический процесс (рис. 2.1), целью которого является изготовление продукта. Как видим, вся структура технологического процесса складывается из рабочих и вспомогательных действий. К рабочим действиям относятся рабочий ход, технологический переход, технологическая операция, к вспомогательным — вспомогательный ход, вспомогательный переход, вспомогательная операция. На каждом иерархическом уровне рабочим действиям соответствует своя группа вспомогательных действий. Рабочие элементы более высокой иерархии состоят из рабочих и вспомогательных элементов более низкого иерархического уровня, образуя структуру, построенную по принципу «матрешки». Отличительными чертами технологической операции являются неизменность метода воздействия на сырье, реализация на определенном виде технологического оборудования. Для технологического перехода характерно постоянство режима обработки предмета труда. При его смене, соответственно, изменяется и технологический переход. Главным свойством рабочего хода является характер (вид) элементарного воздействия инструмента на предмет труда. Стоит отметить, что именно рабо21 чий ход предопределяет все достоинства и недостатки технологического процесса. На выполнение всех рабочих и вспомогательных действий необходимы затраты труда (человеческого и машинного). Именно поэтому трудозатраты на осуществление технологического процесса можно сократить только путем целесообразного видоизменения рабочих и вспомогательных действий. Необходимо отметить, что кроме рабочих и вспомогательных технологических действий в процессе производства продукции присутствует также ряд так называемых обслуживающих действий. К ним относятся действия по наладке и техническому обслуживанию оборудования, контролю качества продукции, ремонту оборудования, техническому испытанию изделий, изготовлению инструментов и др. Обслуживающие действия непосредственно не участвуют в процессе преобразования предмета труда в продукт, поэтому их не относят к технологическим. По организации в пространстве и времени технологические процессы в условиях производства подразделяют на дискретные, непрерывные и комбинированные. Дискретные, или периодические (прерывные) технологические процессы характеризуются чередованием вспомогательных и рабочих действий любой иерархии во времени и выполнением всех технологических действий на одном и том же месте. Таким образом, дискретные процессы компактны в пространстве, но «растянуты», длительны во времени. При этом в стадии обработки находится единица, или одна порция сырья, над которой поочередно выполняются рабочие и вспомогательные технологические действия. Дискретные технологические процессы преобладают в машиностроении, легкой промышленности, капитальном строительстве, добывающих отраслях. Исторически они появились первыми. Противоположны по своей организации непрерывные процессы, характеризующиеся непрерывным и одновременным выполнением рабочих и вспомогательных технологических действий любого иерархического уровня. В этом случае в стадии обработки находится несколько единиц, или порций сырья. Пока над одной порцией выполняются рабочие действия, над другой в это же время, но в другом месте осуществляются вспомогательные. Таким образом, непрерывные процессы компактны во времени, но «растянуты» (разнесены) в пространстве. Наиболее часто непрерывные процессы применяются в химической промышленности, металлургии, энергетике, производстве строительных материалов и изделий. Непрерывные процессы — название условное, поскольку рабочие действия вынужденно останавливаются при техническом 22 обслуживании, ремонте, авариях. Ясно, что необходимо стремиться к сокращению количества таких остановок путем использования более долговечных материалов, увеличивающих срок службы оборудования; повышения качества ремонтов и сокращения их сроков и т.д. На рис. 2.2 схематично представлены дискретные и непрерывные технологические процессы. В силу своих особенностей дискретные и непрерывные технологические процессы имеют ряд преимуществ и недостатков. Непрерывные технологические процессы компактны во времени, позволяют производить большое количество продукции в единицу времени, поэтому применяются в массовом и серийном производстве товаров. Кроме того, к их преимуществам относятся: • постоянство режимов работы оборудования, улучшающее условия его работы и удлиняющее срок службы; • возможность максимальной механизации и автоматизации процесса, так как технологические операции и соответствующее оборудование разделено в пространстве; • создание благоприятных условий для использования вторичных энергоресурсов (например, тепла отходящих газов). Однако непрерывные процессы имеют и ряд недостатков: • большой размер производственных площадей; • значительные затраты па создание производства; • большее количество перемещений предмета труда, т.е. большая доля вспомогательных действий; • непригодность для изготовления крупногабаритных видов продукции, нецелесообразность при единичном производстве, изготовлении пробных партий продукции. 23 Существует принципиальная возможность выбора нужного из двух видов процессов. Например, можно преобразовать непрерывные процессы из дискретных, что ускорит процесс изготовления продукции. По кратности обработки сырья технологические процессы в реальных условиях производства могут иметь разомкнутую (открытую), замкнутую (закрытую) и комбинированную схемы организации потока сырья, подвергаемого превращению в готовую продукцию: • открытая схема — сырье за один технологический цикл обработки превращается в готовую продукцию; • закрытая схема — для полного превращения сырья в продукт требуется многократное повторение цикла обработки; • комбинированная схема — основное сырье превращается в целевой продукт за один цикл, в то время как вспомогательные материалы могут использоваться многократно. 2.3. Затраты труда в ходе осуществления технологического процесса. Понятие идеальной технологии Как отмечалось ранее, технологический процесс производства продукции, как правило, сопровождается соответствующими трудозатратами. Производственные процессы можно сравнить, сопоставив затраты труда на производство разных видов продукции. Труд выступает единым, общим для всех видов технологических процессов критерием оценки их качества с экономической точки зрения. Для производства продукции требуются затраты живого и прошлого (овеществленного) труда. Живой труд — это действия человека, а прошлый — действия машины (станка, устройства и т.д.). Можно сказать, что в общем случае человек и (или) машина выполняют требуемые технологические действия (рис. 2.3). Очевидно, что осуществление данных действий требует соответствующих издержек. Человеку необходимо выплачивать заработную плату, покупка, эксплуатация и обслуживание машины тоже требуют затрат. Таким образом, труд расходуется на выполнение необходимых технологических действий, преобразующих сырье в продукт. Отсюда следует, что ни сырье (предмет труда), ни затраты труда сами по себе не являются элементами технологического процесса (см. рис. 2.1). Хотя стоимость сырья часто причисляют к затратам прошлого труда — это не технологические затраты, к которым относятся издержки на реализацию технологических действий. Несмотря на то, что технологические действия направлены на получение конечного продукта из сырья, стоимость последнего не является технологическими затратами. Затраты живого труда и прошлого труда в сумме образуют расходы на изготовление продукции, формируя показатель совокупных затрат труда. Как отмечалось выше, как человек — исполнитель технологических воздействий на предмет труда, так и машина требуют возмещения трудовых затрат. Но возможна ситуация, когда и инструмент, и объект, приводящий его в действие, являются природными. Речь идет о природных (естественных) процессах, которые могут сами, практически без участия человека создавать конечный результат, так как их протекание самопроизвольно (например, гравитационное поле Земли в сочетании с ветром давно используются для очистки семян от шелухи, течение реки — для транспортирования леса и т.д.). Главное достоинство таких «прирученных» человеком природных процессов — отсутствие затрат на их осуществление. Очевидно, что чем больше самопротекающих природных процессов применяется в технологическом процессе, тем он дешевле. Технология называется идеальной, когда требуемые технологические действия выполняются, а затраты труда практически отсутствуют. Ясно, что необходимо стремиться к использованию именно таких технологических процессов. 2.4. Параметры (показатели) техпологического процесса Для описания отдельно взятого технологического процесса или сопоставления его с другими процессами используют различные показатели, или параметры технологического процесса. 25 Все параметры технологического процесса можно объединить в три группы: • частные, которые позволяют выделять технологические процессы из окружающих. К частным параметрам относят: особенности используемых инструментов, режимы проведения процесса (температура, давление) и т.д.; • единичные, позволяющие сравнивать однотипные технологические процессы. К единичным параметрам относят: материалоемкость, энергоемкость, капиталоемкость, а также такой интегральный показатель как себестоимость, который отображает фактические затраты предприятия в денежном выражений на производство и реализацию продукции; • обобщенные, которые позволяют сравнивать разнородные технологические процессы (трудоемкость, производительность труда). Об экономической эффективности материального производства судят по общеизвестному доказателю, или критерию, —производительности труда. Как отмечалось в параграфе 2.3, на изготовление продукции необходимо затратить живой и прошлый труд, которые в сумме образуют все издержки на изготовление продукции, формируя показатель совокупных затрат труда. В соответствии с этими тремя параметрами трудозатрат различают три вида производительности труда где Пж, Пл, Пс — производительность живого, прошлого и совокупного труда соответственно; Тж0 Тп0, Тс0 — обобщенные затраты живого, прошлого и совокупного труда соответственно; Q — количество произведенной продукции. При определении производительности совокупного труда (Пс) учитываются все производственные затраты на производство продукции. Следовательно, только данный показатель дает полную оценку использования труда в конкретном производстве. Необходимо отметить, что все три выражения (2.1) для определения производительности оперируют одним и тем же значением количества произведенной продукции Q. Если для расчета производительности совокупного труда это справедливо, то при нахождении производительности живого и прошлого труда было бы более правильно использовать показатели количества продукции, произведенной только живым или только 26 прошлым трудом. Например, когда рабочий выпускает продукцию на станке, следовало бы выделить количества продукции, произведенные рабочим Qж и станком Qп. Однако такое деление невозможно осуществить, поскольку продукция изготавливается совместно живым и прошлым трудом. Таким образом, для расчета производительности труда необходимо использовать третью зависимость в выражении (2.1). И живой, и прошлый труд имеют одну природу: это издержки, которые необходимо постоянно снижать путем совершенствования технологии. Для описания технологических процессов широко используют материальные и энергетические балансы. Материальный баланс — это отражение закона сохранения массы веществ в условиях производства. Согласно этому закону, масса исходных веществ (сырья), поступивших для участия в технологическом процессе, равна массе веществ (продуктов и отходов), образовавшихся в результате осуществления технологического процесса. Как правило, материальный баланс составляется на единицу целевого продукта. Энергетический баланс — это количественное выражение закона сохранения энергии в ходе осуществления технологического процесса. Согласно этому закону, количества энергии, потребленной и выделяющейся в ходе процесса, равны. Как и материальный, энергетический баланс составляется на единицу целевого продукта. Контрольные вопросы 1. Чем схожи между собой производственные технологии? Чем они различаются? 2. Дайте определение технологического процесса. 3. На какие две группы подразделяют технологические действия? Каковы принципиальные различия между ними? 4. Какие структурные элементы по иерархии входят в состав технологического процесса? Дайте им краткую характеристику. 5. Каким путем можно уменьшить трудозатраты на осуществление технологического процесса? 6. Какие вам известны способы организации технологических процессов? Дайте им краткую характеристику. 7. Каковы особенности (достоинства и недостатки) протекания дискретных (периодических) технологических процессов? 8. Каковы особенности (достоинства и недостатки) протекания непрерывных технологических процессов? 9. Какие бывают технологические процессы по кратности обработ ки сырья? Дайте им краткую характеристику. 27 10. Каково назначение затрат живого труда в ходе осуществления технологических процессов? 11. Каково назначение затрат прошлого труда в ходе осуществления технологических процессов? 12. Что показывает параметр производительности труда? 13. Какую технологию называют идеальной? 14. Какие параметры используются для описания технологических процессов? Дайте им краткую характеристику. 15. Что представляет собой материальный баланс технологического процесса? 16. Что представляет собой энергетический баланс технологического процесса? Глава 3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 3.1. Технологическое развитие как ключевое звепо совершенствования промышленного производства и развития общества Абсолютное большинство современных исследователей процессов социально-экономического развития общества считает, что рыночная экономика с ее конкурентной основой является залогом процветания нашей цивилизации. Действительно, конкурентные основы рыночной экономики являются стимулом и необходимым условием развития, но этого далеко не достаточно. Несмотря на то, что в большинстве стран мира существуют рыночные отношения, лишь в немногих из них обеспечены достаточно высокий уровень жизни населения, четкая организованность и стабильность общества, социальная защищенность его членов. Как отмечалось ранее, помимо таких понятий и системных проявлений, как экономика и политика, есть еще одна феноменальная составляющая, существенным образом влияющая на состояние человека, общества, отдельно взятого государства и всей цивилизации. Таким особым феноменом, обеспечивающим развитие общества и представляющим собой достаточное условие прогресса, является технология. Именно технология как таковая определяет не только современное состояние общества, его возможности в освоении окружающего мира, но и перспективы развития государства и социума. 28 Для нынешнего этапа развития общества характерна объективная тенденция перехода к технологическим формам организации социальной жизни, при этом ведущим элементом данной тенденции является технологическое развитие. Причем развиваются не только технологии как таковые, но и общество посредством его насыщения различными технологиями в сфере производства как благ, так и услуг. Таким образом, речь идет об осознании того, что технологии являются базовым звеном не только производства, но и общественного прогресса, которое лежит в основе всех социальноэкономических и культурно-исторических процессов. Для того чтобы знать, какие условия необходимо создать для успешного развития государства, нужно выявлять и изучать объективные закономерности развития производства, в частности производственных технологий. Закономерности технологического развития производства имеют большое практическое значение: они позволяют грамотно, научно обоснованно, экономически выгодно управлять функционированием и развитием отдельно взятых предприятия, производственного объединения, региона, что, в свою очередь, отвечает коренным интересам государственного управления. 3.2. Динамика трудозатрат при развитии техпологических процессов Даже несведущему человеку совершенно очевидно, что технологическое развитие должно быть экономически целесообразным. Поэтому основной целью развития технологических процессов является снижение затрат на производство продукции при сохранении или улучшении ее качества. Задача снижения трудозатрат в самом общем виде сводится к некоторому целесообразному видоизменению технологических действий, обеспечивающему в конечном счете экономию затрат труда. Таким образом, любое изменение в технологии неизбежно приводит к изменению структуры технологического процесса, что в свою очередь изменяет трудозатраты на осуществление технологических действий. Поэтому, каждое совершенствование технологического процесса можно и нужно проиллюстрировать динамикой трудозатрат, т.е. изменением затрат труда во времени. Обозначим через Тж(t) и Тп(t) изменение во времени удельных, т.е. приходящихся на единицу продукции, затрат живого и прошлого труда соответственно. Функция суммы Тж и Тп — это фун29 кция изменения удельных затрат совокупного труда во времени. Функции Тж(t) и Тп(t), где t — время, являются непрерывными. В общем случае изменение живого и прошлого труда может идти следующими путями: • одновременное снижение или повышение затрат живого и прошлого труда; • замещение одного вида труда другим. На рис. 3.1 схематично изображены данные варианты динамики трудозатрат. Вариант 3.1, а предполагает постоянное повышение затрат' живого и прошлого труда и, как следствие, — повышение совокупных трудозатрат. При этом производительность труда будет постоянно снижаться. Этот вариант в дальнейшем не будет рассматриваться, так как он является экономически нецелесообразным. 30 Вариант 3.1, б, наоборот, предполагает постоянное снижение трудозатрат на производство продукции. Очевидно, что производительность труда при этом растет, причем этот рост неограничен во времени. Поэтому такой вариант называют неограниченным вариантом динамики трудозатрат. Что касается вариантов 3.1, в и 3.1, г, то они иллюстрируют рост одного из видов труда при уменьшении другого, т.е. речь идет о взаимозамещении живого и прошлого труда. С позиции экономики нужно идти на увеличение одного из видов труда только тогда, когда оно сопровождается большим снижением труда другого вида и, следовательно, уменьшением совокупных трудозатрат в целом. Однако такое взаимозамещение экономически целесообразно лишь до момента времени t* (см. рис. 3.1, в, г), пока совокупные затраты труда уменьшаются. После t* наблюдается их рост, который экономически невыгоден. Вариант 3.1 в предусматривает снижение прошлого труда за счет роста живого. Это экономически выгодно, когда человеческий труд дешевле машинного. Но если обратиться к истории развития производственных процессов, то можно заметить, что исторически наблюдается противоположная тенденция: труд человека заменяется действиями машин и технических устройств, т.е. вариант 3.1, в противоречит мировой исторической тенденции научно-технического прогресса и доводам разума: машина замещает действия человека, но не наоборот. Поэтому такой вариант является ошибочным по смыслу, хотя и может быть экономически выгодным! На практике находит широкое применение другой вариант изменения трудозатрат, показанный на рис. 3.1, г. Он свидетельствует, что живой труд, т.е. труд человека, заменяется на действия машин. Основной причиной замены действий человека на действия производственной техники является прямое назначение машин или устройств. Они предназначены для замещения действий человека. Однако из рис. 3.1, г хорошо видно, что замещение живого труда прошлым со временем становится нецелесообразным. Если до момента времени t* оно ведет к снижению совокупных трудозатрат, то после — к возрастанию. Поэтому при использовании данного варианта очень важно предвидеть момент наступления экономического предела выгодности замещения живого труда прошлым. Вариант замещения ручного труда машинным называют ограниченным вариантом динамики трудозатрат. Л После установления целесообразных вариантов изменения трудозатрат необходимо выявить те изменения в технологии, которые обеспечат их реализацию на практике. 31 3.3. Рационалистическое развитие технологических процессов В предыдущем параграфе дана характеристика ограниченного варианта динамики трудозатрат. Он достигается путем замены живого труда прошлым, т.е. путем механизации и (или) автоматизации технологии производства. Внимательно рассматривая это замещение, можно заключить, что механизация или автоматизация решает проблему рационального использования двух видов труда (см. рис. 3.1, г). Такое развитие называется рационалистическим. Сформулируем закон рационалистического развития технологических процессов: замена действий человека, выполняющего технологические действия, действиями машин и автоматов приводит к увеличению затрат прошлого труда и за счет этого — снижению затрат живого труда (повышению его производительности), при этом по мере рационалистического развития каждое последующее повышение производительности живого труда требует все больших затрат труда прошлого. Особенностью рационалистического развития является его затухающий характер, обусловленный постепенным снижением эффективности от дополнительных затрат прошлого труда. Увеличение объема прошлого труда происходит за счет насыщения производства дополнительными приспособлениями, автоматическими устройствами, т.е. за счет механизации и автоматизации производственных процессов. В связи с этим необходимо сделать вывод об ограниченной эффективности механизации и автоматизации. Более того, автоматизация производства может быть экономически невыгодной (см. рис. 3.1, г справа от t*). Математическая модель рационалистического развития показывает функциональную связь между затратами живого и прошлого труда, снижение затрат живого труда за счет роста прошлого и затухающий характер рационалистического развития. Она имеет вид где dТЖ — элементарное изменение удельных затрат живого труда (знак минус указывает на общее снижение затрат живого труда при рационалистическом развитии); dTn — элементарное приращение удельных затрат прошлого труда; Тж — достигнутый уровень удельных затрат живого труда; k — коэффициент пропорциональности; т — показатель степени. Сомножитель Тmж отражает убывание элементарного уменьшения живого труда при условии, что т > 0. Чем ниже значе32 ние достигнутого уровня затрат живого труда, тем меньше его элементарное уменьшение dТж. После интегрирования обеих частей соотношения (3.1) и математических преобразований модель рационалистического развития имеет вид Обратные величины Тж и Тц в правой части выражения (3.3) являются ничем иным, как производительностями труда (живого и прошлого соответственно), поскольку нами исследуются удельные затраты труда (т.е. затраты труда на единицу продукции). Параметр У дает обобщенную характеристику технологического процесса со стороны затрат как живого, так и прошлого труда. Он называется уровнем технологии и отражает качественную сторону технологического процесса. Значение параметра У остается постоянным все время, пока происходит рационалистическое развитие технологического процесса, так как при пом сущность технологических действий не изменяется. Уровень технологии отражает нематериальный фактор развития технологического процесса — уровень мастерства, с которым живой и прошлый труд используются в технологическом процессе. Каждому технологическому процессу присуще свое значение параметра У, что объясняет потенциальные возможности повышения производительности труда и одновременно предполагает и очерчивает их предел. При известных величинах затрат живого и прошлого труда па весь объем выпущенной продукции Q уравнение для расчета величины уровня технологии принимает вид Уравнение (3.4) получено из зависимости (3.3) путем подстановки значений параметров производительности живого и прошлого труда (2.1). 33 Как следует из зависимости (3.4), показатель уровня технологии является взвешенным или усредненным по затратам живого и прошлого труда, т.е. его значение не зависит от объемов производства. Это свойство показателя уровня технологии позволяет осуществлять качественное сравнение различных по масштабу производств. С учетом того, что народное хозяйство государства является верхним иерархическим уровнем производственных систем, имеется объективная основа для расчета показателя уровня технологии в масштабах страны. И хотя такая оценка носит усредненный ориентировочный характер, ее важно знать как для отдельного производства, так и для государства. Как отмечалось ранее, рационалистическое развитие соответствует ограниченному варианту развития. Поэтому принципиально важно предвидеть наступление момента времени t*, соответствующего экономическому пределу (границе) рационалистического развития, когда совокупные затраты труда становятся минимальными (см. рис. 3.1, г). Однако развитие технологического процесса с временной координатой жестко не связано. Возможны моменты ускоренного или замедленного развития. Поэтому установим соотношение между базовыми переменными рационалистического развития: затратами живого (Тж) и прошлого (Тп) труда. Уже отмечалось, что рационалистическое развитие носит затухающий характер. Для одинакового снижения затрат живого труда на каждом следующем шаге развития приходится все больше наращивать затраты труда прошлого. В результате неизбежно достигается такое состояние технологического процесса, когда снижение затрат живого труда и прирост прошлого сравниваются, т.е. достигается нулевая отдача от затрат прошлого труда (вклад в технологический процесс АТП равен получаемому результату в виде снижения живого труда AТЖ). В соответствии с законом рационалистического развития происходит постепенная (пошаговая) замена живого труда (АТЖ) прошлым (АТП). После каждого шага определяется новое соотношение между Тж и Тп, на основании которого устанавливается целесообразность следующего шага и т.д. до предельного соотношения Тж = Тп, при котором рационалистическое развитие достигает предела экономической целесообразности. Следовательно, на границе рационалистического развития наступает равенство между затратами живого и прошлого труда: До этого затраты живого труда превышают затраты прошлого, что следует из рис. 3.1, г. Очевидно, что производительность живого труда будет ниже производительности прошлого только при выполнении условия 34 Тж > Тп. Живой труд при этом будет менее ценен, поэтому экономически целесообразна замена его на прошлый. Таким образом, затраты живого труда не могут быть ниже затрат прошлого. В крайнем предельном случае они уравниваются. На рис. 3.2 показано граничное соотношение между Тж и Тп при рационалистическом развитии технологического процесса. 3.4. Эволюционное развитие технологических процессов Эволюционное развитие технологических процессов предполагает снижение затрат труда на осуществление технологического процесса за счет улучшения только вспомогательных действий. Поскольку оба вида труда (живой и прошлый) в общем случае расходуются на выполнение как рабочих, так и вспомогательных действий, можно предложить следующую схему взаимосвязи трудозатрат со вспомогательными действиями технологического процесса (рис. 3.3). Если, например, вспомогательные действия сокращаются на некоторую величину A, это приводит к соответствующему снижению затрат живого АТЖ и прошлого АТП труда. Если на эту часть вспомогательных действий затрачивается только один вид труда, то снижаются издержки только на него. Вариант динамики трудозатрат, представленный на рис. 3.1, б соответствует схеме на рис. 3.3, т.е. эволюционное развитие технологического процесса обеспечивает неограниченное во времени снижение трудозатрат. Обобщая вышеизложенное, сформулируем закон эволюционного развития: целесообразные изменения в области вспомогательных действий приводят к снижению совокупных затрат труда или повышению производительности совокупного труда. Экономический эффект от эволюционного развития (снижение затрат на выполнение вспомогательных действий) может быть достаточно ощутимым, так как в абсолютном большинстве случаев в структуре технологического процесса вспомогательных действий гораздо больше, чем рабочих. Сократить долю вспомогательных действий, сущность которых в основном сводится к пространственному перемещению предмета труда и (или) инструмента, в простейшем случае можно путем рационального размещения технологического оборудования, сводящего перевозки полуфабриката к минимуму. Примером практической реализации эволюционного развития технологических процессов являются роторные технологии. По сравнению с традиционными организационными схемами непрерывных технологических процессов они позволяют значительно повысить пространственную компактность и за счет этого снизить трудозатраты на выполнение вспомогательных действий. В приведенных выше примерах задача уменьшения затрат решена непосредственно через снижение доли вспомогательных действий. Однако ее можно решить и путем повышения технологических возможностей инструмента. Например, при токарной обработке деталей можно сделать резец обоюдоострым, позволяющим снимать стружку не только при его движении вдоль детали, но и в обратном направлении. В таком случае вспомогательный ход (перемещение резца относительно детали без воздействия на нее) значительно сокращается, что влечет за собой соответствующее снижение трудозатрат. При этом, естественно, требуются некоторые дополнительные затраты на получение более технологичного инструмента, которые в будущем окупаются снижением доли вспомогательных действий. 36 При эволюционном развитии технологических процессов необходимо также учитывать следующие моменты: • повышение мощности технологического оборудования приводит к увеличению объема выпускаемой продукции. Если затраты на сырье и рабочие действия в данном случае увеличиваются пропорционально объему выпуска, то затраты на вспомогательные действия, как правило, в такой же зависимости не возрастают; • часто транспортное оборудование не работает в номинальном по мощности режиме, поэтому его догрузка не влечет увеличение затрат на транспортирование. Именно по этой причине крупные производства обеспечивают большее снижение себес-юимости продукции, чем маломощные; • для непрерывных технологических процессов, характеризующихся одновременным выполнением рабочих и вспомогательных действий, снизить затраты на вспомогательные действия можно путем замедления их длительности до длительности рабочих действий. Хотя при эгом выполняемая работа, а, значит, и расход энергии на перемещение сырья остается прежним, выигрыш обеспечивается за счет меньшей стоимости менее мощных транспортных средств. Существуют и другие пути эволюционного совершенствования технологического процесса. Иногда существует принципиальная возможность полного исключения вспомогательных действий и соответствующих затрат. Такое возможно тогда, когда инструмент и предмет труда находятся в пост оянном контакте, и не требуется совмещать их в пространстве (например, если в качестве инструмента выступает окружающая среда (воздух). Кислород, содержащийся в воздухе, является инструментом для всех процессов окисления. Под воздействием окружающей среды (естественных циклов замерзания и оттаивания) улучшается качество глины. Возможен вариант почти полного исключения затрат на выполнение вспомогательных действий. Для этого надо найти «бесплатное» транспортное средство в виде природных эффектов и явлений. Так, при перемещении груза сверху вниз мы час-го используем силу тяжести и не задумываемся, что это самый жономически выгодный способ осуществления вспомогательных действий. Для этой цели также можно использовать, например, течение воды, таяние и образование льда, ветер, дождь, морские приливы и т.д. Очевидно, что когда нельзя применить естественные природные процессы, полное исключение затрат на выполнение вспомогательных действий невозможно по технологическим 37 причинам. Но к нему необходимо стремиться, так как это самый выгодный способ повышения производительности труда. В отличие от рационалистического, эволюционное развитие обеспечивает снижение совокупных затрат за счет не замещения живого труда прошлым, а сокращения затрат на выполнение вспомогательных действий технологического процесса, в первую очередь, путем сокращения их доли в структуре всех технологических действий. В результате значение показателя уровня технологии повышается. Но такое повышение не имеет скачкообразный характер, так как основная доля затрат определяется видом рабочих действий. 3.5. Революционное развитие технологических процессов Революционное развитие технологических процессов предусматривает снижение совокупных затрат труда путем целесообразного видоизменения рабочих действий, а точнее, рабочего хода как базового элемента всех рабочих действий более высоких иерархических уровней. При восхождении по иерархии рабочие действия низших уровней поглощаются действиями высших, что следует из структуры технологического процесса (см. рис. 2.1). При этом на каждом новом иерархическом уровне к соответствующим рабочим действиям добавляются вспомогательные. Рабочие действия составляют большую часть всех технологических действий, поэтому именно с ними связаны основные трудозатраты на выпуск продукции. Даже с учетом того, что в настоящее время технологические процессы осуществляются с помощью машин, на выполнение рабочих действий затрачивается главным образом прошлый труд. Поэтому существенно снизить его затраты в технологическом процессе можно путем революционных преобразований. По динамике трудозатрат революционное развитие соответствует варианту неограниченного снижения трудозатрат во времени (см. рис. 3.1, б). В результате революционного развития, как правило, пропорция между затратами живого и прошлого труда изменяется в сторону увеличения доли живого. Этот вывод очевиден, так как новые технологии, как правило, недоработаны в рационалистическом и эволюционном планах, т.е. на начальном этапе их внедрения в производство плохо оснащены технически. Отметим, что, исходя из структуры технологического процесса (см. рис. 2.1), к рабочим действиям следует относить только рабочие ходы из каждого технологического перехода, 38 так как все остальные рабочие технологические действия включают вспомогательные. Принципиальные пути возможного видоизменения рабочих и вспомогательных действий существенно различаются. Сократить количество рабочих действий (их долю) нельзя, так как в этом случае предмет труда не претерпит необходимых изменений для преобразования в продукт. Следовательно, для снижения трудозатрат на выполнение рабочих действий нужна их кардинальная перестройка. При этом произойдет изменение типа воздействия на предмет труда. Новый тип воздействия, как правило, влечет изменение инструмента, что, в свою очередь, приводит к формированию принципиально новых по содержанию вспомогательных действий. Таким образом, осуществляется коренная перестройка технологического процесса (рис. 3.4). Подобные процедуры перестройки в любых по происхождению объектах называют революционными. Сформулируем закон революционного развития технологических процессов: целесообразные изменения в области рабочих ходов обеспечивают снижение совокупных затрат труда — как правило, в большей степени за счет снижения затрат прошлого труда. Только революционное развитие позволяет скачкообразно снизить трудозатраты в технологическом процессе. Рассмотрим направления революционного преобразования технологических процессов, которые позволяют снижать трудозатраты путем повышения результативности существующих рабочих действий. К их числу относится, в частности, повышение технологичности предмета труда, т.е. его пригодности к обработке способом, предусмотренным имеющимся видом рабочего хода. Например, поскольку нагрев металла перед обработкой давлением позволяет повысить результативность этого процесса, появляется новая операция — нагрева, затраты на которую должны окупиться за счет более легкой, а значит, менее затратной последующей обработки. 39 Для революционного преобразования используют также по вышение технологических возможностей инструмента. Ско рости и режимы, при которых инструмент воздействует на предмет труда, могут быть изменены, если преодолеть причи ны, препятствующие этому. Например, скорость обработки ре занием ограничена тем, что рабочая кромка резца испытывает высокие температурные нагрузки, под действием которых она теряет нужные механические свойства. Для устранения данно го недостатка целесообразно повысить красностойкость резца, что позволит увеличить скорость обработки и, соответственно, снизить трудозатраты на единицу продукции. Стимулирующую роль по отношению к рабочим действиям технологического процесса выполняют различные способы внешнего воздействия. К их числу следует отнести: изменение температуры, давления, использование традиционных и биологических катализаторов, окислителей, электронно-ионных воздействий, радиационного облучения и т.д. Усовершенствования такого рода, повышая результативность рабочего хода, не меняют его сущности: эффект достигается в рамках известных рабочих воздействий на предмет труда. Рассмотрим пути революционного развития, с помощью которых можно принципиально поменять вид рабочего хода. Технологические процессы изначально формируются, исходя из особенностей получаемого продукта. Каждый вид продукта обладает строго определенным кругом свойств (физических, химических, механических, геометрических, потребительских и т.д.), в соответствии с которыми подбирается вид сырья. Цель технологии — придание сырью ряда недостающих свойств будущего продукта. При этом при переработке имеющегося сырья в нужном направлении технология может исходить только из его свойств. Например, высушить можно только влажный твердый материал, разрезать — только твердый, отлить — только жидкий. Таким образом, совокупность рабочих действий технологического процесса функционально зависит от свойств предмета труда, причем каждый вид рабочего хода базируется на одном или нескольких свойствах материала, в то время как другие его качества остаются неиспользованными. Именно неиспользованные ранее свойства предмета труда, как правило, становятся источником новых видов рабочего хода, новых технологий. При революционном развитии возможны принципиальные изменения рабочего хода, технологии, основанные на ранее не использованных свойствах сырья. Только принципиальное изменение рабочих действий позволяет существенно повысить уровень технологии и осуществить 40 значительное снижение трудозатрат. Примером таких революционных преобразований технологического процесса является порошковая металлургия. Она пришла на смену традиционной обработке деталей резанием. Порошковая технология предусматривает получение металлических порошков с последующим спеканием их в детали под высокими давлением и температурой. Предложенную последовательность связей можно развернуть в виде следующей замкнутой логической цепи: продукт — свойства продукта — свойства сырья — сырье — свойства сырья — технология — продукт. С учетом того, что мы живем в век бурных изменений в технологии производства, потребность в революционном обновлении технологических процессов будет возникать все чаще. Контрольные вопросы 1. Почему технологическое развитие является ключевым звеном совершенствования промышленного производства и развития общества? 2. Что является целью развития технологических процессов? 3. Что отражает динамика трудозатрат? Какие варианты динамики трудозатрат вам известны? Дайте им краткую характеристику. 4. Какой вариант динамики трудозатрат является неограниченным? Почему он получил такое название? 5. Какой вариант динамики трудозатрат является экономически нецелесообразным? Почему? 6. Какие варианты взаимозамещения трудозатрат Вам известны? Чем они отличаются друг от друга? 7. Какой вариант динамики трудозатрат является ограниченным? Почему он получил такое название? 8. Какой вариант динамики трудозатрат извращает смысл создания техники, хотя и экономически выгоден? Почему? 9. В чем заключается смысл рационалистического развития? 10. Что показывает параметр уровня технологии? Как его рассчитывают? 11. Почему при рационалистическом развитии величина уровня технологии не изменяется? 12. Охарактеризуйте границу рационалистического развития. 13. В чем заключается смысл эволюционного развития? 14. Приведите примеры эволюционного развития. Охаракте ризуйте их. 15. В чем заключается смысл революционного развития? 16. Приведите примеры революционного развития, реализуемые в условиях производства. Охарактеризуйте их. 17. Как изменяется величина уровня технологии при революционном развитии? Почему? 41 Глава 4. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Как отмечалось ранее, технологический процесс, будучи основой любого производственного, является реализацией естественных (природных) процессов в рамках сложившейся производственной системы. Исходя из этого, любую производственную технологию можно рассматривать как естественный (природный) процесс, воспроизведенный в искусственных (т.е. созданных человеком) условиях производства. Такой подход позволяет дать общую классификацию технологических процессов, используемых в производстве, с точки зрения их естественной (природной) сущности и свести все многообразие технологических процессов в основные группы, особенностью каждой из которых будет способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе его целенаправленного преобразования в продукт труда. 4.1. Общие принципы классификации технологических процессов Все многообразие процессов, используемых технологией, с точки зрения их естественной (природной) сущности можно условно разделить на четыре основные группы: физические, химические, биологические процессы и процессы мышления. Такая упрощенная классификация не исключает реализацию более сложных по своей сути процессов: физико-химических, биохимических и т.д. Физические процессы связаны с такими преобразованиями сырья в продукт, при которых существенных изменений химической структуры исходных веществ не происходит (например, вода в форме льда, жидкости, пара имеет одну и ту же химическую формулу — H2O, хотя свойства этих веществ значительно отличаются друг от друга). Все физические процессы, используемые в технологии, в свою очередь, можно подразделить на следующие подгруппы: • механические процессы; • гидромеханические процессы; • тепловые процессы; • массообменные процессы. Подробнее об этих процессах — в подпараграфах 4.2.1, 4.2.2, 4.2.3, 4.2.4. Химические процессы связаны с глубокими и, как правило, необратимыми изменениями химической структуры (формулы) исходных веществ и, следовательно, их свойств. 42 Подробнее об этих процессах — в параграфе 4.3. Биологические процессы связаны либо с использованием живых микроорганизмов с целью получения требуемых продуктов (традиционная биотехнология), либо с воспроизведением в искусственных условиях процессов, протекающих в живой клетке (современная биотехнология). Подробнее о биологических процессах — в параграфе 4.4. С помощью процессов мышления человек постигает не только окружающий мир, но и собственное «я». Без них невозможно существование важнейших областей человеческой деятельности — науки, образования, культура. 4.2. Физические процессы, используемые в технологии 4.2.1. Механические процессы Механические процессы связаны с преобразованием исходных веществ, находящихся в твердом агрегатном состоянии, которое сопряжено с изменением положения, формы, размеров, соотношения твердых тел в смесях. Исходя из этого, выделяют следующие разновидности механических процессов: • транспортные процессы; • процессы формообразования и формоизменения твердых тел; • процессы соединения твердых тел; • процессы изменения размеров твердых тел; • процессы сортировки, смешивания, дозирования. Общим для всех этих разновидностей Является механический способ воздействия средств труда на предмет труда в процессе получения продукции. Транспортные процессы предназначены для перемещения насыпных и штучных грузов по заданной трассе без остановок для загрузки и разгрузки. Транспортные процессы являются неотъемлемой частью технологического процесса и делятся на две большие группы: • процессы непрерывного транспорта (ленточные, пластинчатые, винтовые транспортеры, элеваторы и т.д.); • процессы дискретного транспорта (вагоны, вагонетки и т.д.). Процессы формообразования и формоизменения твердых тел подразделяются на две большие группы: • процессы, основанные на использовании методов пласти ческой деформации (обработка давлением)' 43 • процессы, основанные на механическом изменении формы, размеров твердых тел путем снятия поверхностного слоя с обрабатываемого материала (обработка резанием). Обработка материалов давлением заготовок деталей машин — один из наиболее распространенных и прогрессивных методов обработки, так как но сравнению с другими способами обеспечивает меньшие потери металла и увеличение его прочности, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, дает широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов. Методами пластической деформации получают заготовки и детали из стали, цветных металлов и их сплавов, пластмасс, резины, керамических материалов, стекла, химических волокон, пластиков и др. Подробнее сущность процессов обработки металлов давлением будет рассмотрена в параграфе 7.2. Высокой точности и малой шероховатости поверхности деталей можно достичь с помощью механической обработки резанием, т.е. обработки со снятием слоя материала и образованием стружки. Процесс резания осуществляется рабочими движениями. Главным рабочим движением называется то, при котором образуется стружка, вспомогательным (движением подачи) — то, которое обеспечивает процесс резания на всей обрабатываемой поверхности. Количественной характеристикой главного рабочего движения является скорость резания U, а вспомогательного — подача S. Эти две величины, а также глубина резания t, равная толщине слоя материала, снимаемого с заготовки, входят в состав режимных параметров, т.е. определяют производительность и себестоимость обработки. Подробнее сущность процессов обработки материалов резанием будет рассмотрена в параграфе 7.3. Процессы, соединения твердых тел широко применяются в современном производстве. Строго говоря, по своей сути они не являются чистыми представителями механических процессов, так как в ходе их осуществления происходят более сложные физические (тепловые и диффузионные) и физико-химические явления, и в эту группу отнесены условно — с точки зрения получаемого результата в сопоставлении с такими механическими процессами, как формообразование и формоизменение твердых тел. В различных конструкциях изделий и сооружений используют подвижные и неподвижные соединения отдельных их частей и деталей, а также разъемные и неразъемные соединения. 44 К разъемным (демонтируемым) соединениям относят такие, которые могут быть полностью разобраны без повреждения составляющих их частей и крепежных деталей. Остальные относят к неразъемным соединениям, которые, в свою очередь, можно разделить на две группы. К первой относят соединения с гарантированным натягом, получаемым без дополнительных средств крепления. Они используются, как правило, при сборке готовых деталей. Ко второй группе относят соединения, осуществляемые с помощью сварки, пайки, склеивания, клепки. Их широко используют как при сборке, так и в заготовительном производстве. Подробнее сущность процессов получения разъемных и неразъемных соединений будет рассмотрена в параграфе 7.4. Процессы изменения размеров твердых тел условно подразделяют на дробление (крупное, среднее, мелкое) и измельчение (тонкое и сверхтонкое). В зависимости от физико-механических свойств и размеров кусков измельчаемого материала выбирают тот или иной вид воздействия. Так, дробление твердых и хрупких материалов производят раздавливанием, раскалыванием и ударом, твердых и вязких — раздавливанием и истиранием. Дробление материалов обычно осуществляется сухим способом (без применения воды), тонкое измельчение часто проводят мокрым способом (с использованием воды). При мокром измельчении не наблюдается пылеобразование и облегчается транспортирование измельченных продуктов. По своему назначению измельчающие машины условно делятся на дробилки крупного, среднего и мелкого дробления и мельницы тонкого и сверхтонкого измельчения. Процессы сортировки, смешивания и дозирования. Сортировка (разделение) твердых зернистых материалов на классы по крупности кусков или зерен называется классификацией. Существуют два основных способа классификации: 1) ситовая (грохочение) — механическое разделение на ситах; 2) гидравлическая — разделение смеси на классы зерен, обладающих одинаковой скоростью осаждения в воде или воздухе. Разделение смеси зерен на классы в воздушной среде называется воздушной сепарацией. Процессы гидравлической классификации и воздушной сепарации будут рассмотрены в группе гидромеханических процессов. Классификация может иметь самостоятельное значение — для приготовления готовых продуктов определенных сортов (сортировка) или быть вспомогательной операцией для предварительной подготовки материала к последующей обработке. 45 Наиболее широко классификация используется совместно с процессами измельчения. Основная часть аппаратов для грохочения (грохотов) — рабочая поверхность, изготовляемая в виде проволочных сеток (сит), стальных перфорированных листов (решет) или параллельных стержней (колосников). Под эффективностью классификации понимается отношение массы материала, прошедшего через сито (подрешетного продукта), к массе материала данной крупности, содержащегося в исходном продукте. Эффективность классификации зависит от большого числа факторов, в том числе конструкции машины и свойств материала. Смешивание — это процесс образования однородных систем из сыпучих материалов. Механизм действия процесса смешивания весьма сложен и зависит от большого количества факторов (главным образом — от конструкции смесителя и режима его работы). Теоретически в результате смешивания должна получиться такая смесь материала, что в любой ее точке (пробе) к каждой частичке одного из компонентов примыкают частицы другого компонента в количествах, определяемых заданными соотношениями. Однако такое идеальное расположение частиц в смеси в реальных условиях не наблюдается. Смешивание осуществляют механическим, гидравлическим, пневматическим и некоторыми другими способами. Машины, применяемые для смешивания, называются смесителями. К пневмосмесителям относятся аппараты, в которых смешивание осуществляется в слое псевдоожиженного газом (воздухом) зернистого материала. Такие аппараты отличаются высокой эффективностью, малым временем смешения, отсутствием вращающихся частей, но требуют установки пылеулавливающих устройств. Широко применяются вибросмесители, в которых необходимая циркуляция сыпучего материала достигается с помощью вибрации. Процессы дозирования твердых материалов применяются в химической, пищевой промышленности, производстве строительных материалов и во многих других отраслях и осуществляются дозаторами. От точности дозирования во многом зависят качество продукции и рациональное расходование материала. Дозирование материалов можно производить по объему и массе. Оборудование для объемного дозирования проще по устройству, чем весовые дозаторы, но точность его работы ниже, так как в этом случае сказывается влияние изменения плотности материала. 46 По режиму работы различают дозаторы циклического и непрерывного действия. Весовые автоматические дозаторы являются наиболее совершенными, в результате их применения устраняется ручной труд, сокращается время дозирования, появляется возможность автоматизировать работу смежного технологического оборудования. Главным рабочим органом всех весовых дозаторов являются весовые механизмы, которые можно разделить на поворотные и рычажные. 4.2.2. Гидромеханические процессы Гидромеханические процессы связаны с одновременной переработкой веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях (твердом, жидком, газообразном), — так называемых неоднородных систем. При этом, как правило, химическое взаимодействие между этими веществами не происходит. Гидромеханические процессы можно условно подразделить на следующие группы: • процессы получения неоднородных систем; • процессы разделения неоднородных систем; • процессы транспортирования жидкостей и газов. Неоднородными, или гетерогенными, системами называют системы, состоящие из двух и более фаз. Большинство промышленных химико-технологических процессов (см. подробнее параграф 4.3) относится к гетерогенным. Механизм гетерогенных процессов сложен, так как представляет собой совокупность взаимосвязанных физико-химических, явлений и химических реакций или только физико-химических явлений. Увеличение движущей силы гетерогенного процесса достигается повышением концентрации реагирующих веществ, проведением процесса при оптимальных температурах, давлении и т.д., максимальным развитием межфазной поверхности, воздействием на гидродинамические условия процесса. Процессы, основанные на взаимодействии газообразных и жидких фаз (г—ж), широко используются в химической и смежных с ней отраслях промышленности. Процессы с участием твердых и жидких фаз также служат основой многих производств. Любая неоднородная бинарная система состоит из дисперсной (внутренней) фазы и дисперсионной среды, или сплошной (внешней) фазы, в которой распределены частицы дисперсной фазы. По физическому состоянию фаз различают следующие виды неоднородных систем: суспензии, эмульсии, пены, пыли, дымы и туманы. 47 Суспензии — неоднородные системы, состоящие из жидкости и взвешенных в ней твердых частиц. В зависимости от размеров твердых частиц суспензии условно делят на грубые (более 100 мкм), тонкие (0,5—100 мкм) и мелкие (ОД—0,5 мкм). Эмульсии — системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней капель другой жидкости, не смешивающейся с первой. Размер частиц дисперсной фазы может колебаться в широких пределах. Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, но при незначительных размерах капель (менее 0,4—0,5 мкм) или при добавлении стабилизаторов они становятся устойчивыми, и расслаивания долго не происходит. Пены — системы, состоящие из жидкости и распределенных в ней пузырьков газа. Эти газожидкостные системы по своим свойствам близки к эмульсиям. Пыли и дымы — системы, состоящие из газа и распределенных в нем частиц твердого вещества. Пыли образуются обычно при механическом распределении частиц в газе (при давлении, смешивании, транспортировке твердых материалов и др.). Размеры частиц пыл ей — 3—70 мкм. Дымы возникают в процессах конденсации паров (газов) при переходе их в жидкое или твердое состояние, при этом образуются твердые, взвешенные в газе частицы размером 0,3—5 мкм. При образовании дисперсной фазы из частиц жидкости примерно таких же размеров (0,3—5 мкм) возникают системы, называемые туманами. Пыли, дымы и туманы представляют собой аэродисперсные системы, именуемые аэрозолями. Для получения неоднородных систем широко применяется перемешивание в жидких средах. Способы перемешивания определяются агрегатным состоянием перемешиваемых материалов и целью перемешивания. Независимо от того, какая среда смешивается с жидкостью (газ, жидкость или твердое сыпучее вещество), различают два основных способа перемешивания: механический (с помощью мешалок различных конструкций) и пневматический (сжатым воздухом или инертным газом). Кроме того, применяют перемешивание в трубопроводах, куда помещают винтовые насадки, специальные вставки, а также с помощью сопел и насосов. Для экономичного проведения процесса надо, чтобы требуемый эффект перемешивания достигался за наиболее короткое время. При оценке расхода энергии перемешивающим устройством следует учитывать общий расход энергии за время, необходимое для получения заданного результата перемешивания. Разделение неоднородных систем проводится с одной из следующих целей: 1) очистка жидкой или газовой фазы от при48 месей; 2) выделение ценных продуктов, диспергированных в жидкой или газовой фазе. Выбор метода разделения обусловлен главным образом размером частиц, разностью плотностей дисперсной и сплошной фаз, вязкостью сплошной фазы. Применяют четыре основных метода разделения — отстаивание, фильтрование, центрифугирование, мокрое разделение. Отстаивание — осаждение, происходящее иод действием силы тяжести. Отстаивание в основном применяется для предварительного грубого разделения. Его проводят в аппаратах, называемых отстойниками, или сгустителями. Отстаивание является самым дешевым способом разделения, наиболее эффективным при разделении грубых суспензий и эмульсий. Фильтрование — процесс разделения с помощью пористой перегородки, способной пропускать жидкую (газообразную) среду, но задерживать взвешенные в ней твердые частицы. Под действием разности давлений жидкости по обе стороны от фильтрующей перегородки жидкость проходит через ее поры, а твердые частицы задерживаются на ней, образуя слой осадка. От правильного выбора фильтровальной перегородки во многом зависят производительность фильтра и чистота получаемого фильтрата. Число конструкций фильтровального оборудования велико. Наиболее распространены барабанный и ленточный вакуумфильтры, карусельный фильтр, фильтровальные патроны. Центрифугирование — процесс разделения эмульсий и суспензий в поле центробежных сил с использованием сплошных или проницаемых для жидкости перегородок. Под действием центробежных сил суспензия разделяется на осадок и жидкую фазу — фугат. Процессы центрифугирования проводят в центрифугах. Основной конструкционный элемент любой центрифуги — барабан (ротор) со сплошными или перфорированными стенками, вращающийся в неподвижном кожухе. Внутренняя поверхность ротора с перфорированными стенками часто покрывается фильтровальной тканью или тонкой металлической сеткой. Центрифуги могут быть отстойными и фильтрующими. В отстойных центрифугах (со сплошными стьнками) производят разделения суспензий и эмульсий по принципу отстаивания, причем действие силы тяжести заменяется действием центробежной силы. Разделение эмульсий в отстойных центрифугах называют с е п а р а ц и е й , а устройства, в которых осуществляют этот процесс, — сепараторами. Пример такого процесса — отделение сливок от молока. В фильтрующих центрифу49 гах (с проницаемыми стенками) разделение суспензий осуществляют по принципу фильтрования, используя вместо разности давлений действие центробежной силы. Разделение жидких неоднородных систем под действием центробежных сил осуществляют и в аппаратах, не имеющих вращающих частей, — гидроциклонах. Их достоинствами являются высокая производительность, отсутствие движущихся частей, компактность, простота и легкость обслуживания, невысокая стоимость, широкая область применения (сгущение, осветление, классификация). Недостатки гидроциклонов — быстрый износ корпуса, в силу чего его часто изготавливают со сложной футеровкой из износостойких материалов (резины, керамики, металлических сплавов и др.), высокая влажность осадка. Транспортирование жидкостей и газов осуществляется в промышленности в основном по трубопроводам. Трубопроводный транспорт прогрессивен, экономичен, выгоден. Для него характерны отсутствие потерь материалов в ходе транспортировки и возможность автоматизации данного процесса. Различают магистральные и промышленные трубопроводы. В систему трубопроводного транспорта входят: 1) трубопроводы; 2) резервуары-хранилища; 3) транспортирующие машины, которые в случае перемещения жидкостей называются насосами, а газов — компрессорами. Насосы и компрессоры служат для создания перепада давления на концах трубопроводов, благодаря которому и происходит перемещение жидких и газообразных сред. Для регулирования потоков жидкостей и газов на трубопроводах устанавливают так называемую трубопроводную арматуру: краны, вентили, задвижки. В настоящее время широко распространено транспортирование сыпучих материалов с помощью движущегося потока воздуха. Такой вид транспортирования называют пневмотранспортом. Пневмотранспортирующие установки могут быть всасывающими (вакуум-транспорт) и нагнетательными (пневмотранспорт). Принципиальной разницы между ними нет, поскольку в обоих случаях движущей силой является разность давлений на входе и выходе из трубопровода, обеспечивающая нужную скорость воздушного потока. Таким образом перемещают пылевидные, порошкообразные, зернистые, мелкокусковые грузы: цемент, гипс, соду, мел, полиэтилен и т.д. Широкое распространение пневмотранспорта, особенно на предприятиях по переработке пластмасс, строительных материалов, объясняется следующими причинами: • возможностью перемещения материалов в горизонтальном, наклонном, вертикальном направлениях; 50 • герметичностью трубопроводов, отсутствием потерь транспортируемых материалов; • сравнительной простотой конструкции и ее обслуживания и эксплуатации при незначительных занимаемых площадях; • возможностью полной автоматизации процесса транспортирования и распределения материала по бункерам; • возможностью совмещения транспортирования материала с его одновременной сушкой подогретым воздухом. 4.2.3. Тепловые процессы К тепловым относятся процессы, скорость которых определяется скоростью переноса энергии в форме теплоты: нагревание, охлаждение, испарение, плавление и др. Процессы переноса теплоты часто сопутствуют другим технологическим процессам: химического взаимодействия, разделения смесей и т.д. По механизму переноса энергии различают три способа распространения теплоты — теплопроводность, конвективный перенос и тепловое излучение. Теплопроводность — перенос энергии микрочастицами (молекулами, ионами, электронами) за счет их колебаний при тесном соприкосновении. Процесс протекает по молекулярному механизму и поэтому теплопроводность зависит от внутреннего молекулярного строения рассматриваемого тела и является постоянной величиной. Конвективный перенос теплоты (конвекция) — процесс переноса теплоты от стенки к движущейся относительно нее жидкости (газу) или от жидкости (газа) к стенке. Таким образом, он обусловлен массовым движением вещества и происходит одновременно путем теплопроводности и конвекции. В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвекцию. При в ы н у ж д е н н о й конвекции движение обусловлено действием внешней силы — разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например, ветром). При е с т е с т в е н н о й конвекции движение возникает вследствие изменения плотности самой жидкости (газа), обусловленного термическим расширением. Тепловое излучение — перенос энергии в форме электромагнитных колебаний, поглощаемых телом. Источниками этих колебаний являются заряженные частицы — электроны и ионы, входящие в состав излучающего вещества. При высоких температурах тел тепловое излучение становится преобладающим по сравнению с теплопроводностью и конвективным обменом. 51 На практике теплота чаще всего передается одновременно двумя (или даже тремя) способами, однако превалирующее значение обычно имеет какой-либо один способ передачи теплоты. При любом механизме переноса теплоты (теплопроводностью, конвекцией или тепловым излучением) количество передаваемого тепла пропорционально поверхности, разности температур и соответствующему коэффициенту теплоотдачи. В наиболее распространенном случае теплота передается от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Такой вид теплообмена называется теплопередачей, а участвующие в ней среды — теплоносителями. Процесс теплопередачи состоит из трех стадий: 1) передача теплоты стенке нагретой средой (теплоотдача); 2) перенос теплоты в стенке (теплопроводность); 3) перенос теплоты от нагретой стенки в холодную среду (теплоотдача). На практике широко применяются следующие разновидности тепловых процессов: • процессы нагревания и охлаждения; • процессы выпаривания, испарения, конденсации; • процессы искусственного охлаждения; • плавление и кристаллизация. Нагревание и охлаждение сред проводят в аппаратах, называемых теплообменниками. Наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники, представляющие собой пучок параллельных труб, помещенных в общий кожух с герметично подсоединенными к нему по концам трубными досками. Хорошие условия теплопередачи обеспечиваются в теплообменниках типа «труба в трубе», в которых одна жидкость движется по внутренней трубе, а вторая — в противоположном направлении в кольцевом пространстве между внутренней и наружной трубами. В тех случаях, когда различие физических свойств обменивающихся теплотой сред велико, эффективно применение со стороны газа оребренных теплообменных поверхностей (например, в радиаторах автомобилей, некоторых типах батарей водяного отопления). Для передачи тепла при нагревании используют вещества, называемые теплоносителями. Наиболее распространенным теплоносителем является водяной пар. Для нагревания до температур более 180—200 ° С используются высокотемпературные теплоносители: нагретая вода, расплавленные соли, ртуть и жидкие металлы, органические соединения, минеральные масла. Во многих процессах, протекающих при высоких температурах, используется нагревание топочными газами, получае52 мыми в печах. Таковы, например, процессы обжига и сушки, широко распространенные в производствах строительных материалов, химической и целлюлозно-бумажной промышленности. Для нагревания в широком диапазоне температур применяется электрический нагрев. Электронагреватели удобны для регулирования, обеспечивают создание хороших санитарногигиенических условий, но относительно дороги. Для охлаждения сред используют вещества, называемые хладагентами. Наиболее распространенным хладагентом является вода. Однако в связи с быстро возрастающим дефицитом воды во всем мире большое значение приобретает использование в данном качестве воздуха. Теплофизические свойства воздуха неблагоприятны (малые теплоемкость, теплопроводность, плотность), поэтому коэффициенты теплоотдачи к воздуху ниже, чем к воде. Для устранения этого недостатка повышают скорость движения воздуха для увеличения коэффициента теплоотдачи, оребряют трубы со стороны воздуха, увеличивая поверхность теплообмена, а также распыляют в воздух воду, испарение которой понижает температуру воздуха и увеличивает за счет этого движущую силу процесса теплообмена. Выпаривание — процесс удаления растворителя в виде пара из раствора нелетучего вещества при его кипении. Выпаривание применяется для выделения нелетучих веществ в твердом виде, концентрирования их растворов, а также получения чистого растворителя (последнее осуществляется, например, опреснительными установками). Чаще всего выпариванию подвергаются водные растворы, а теплоносителем служит водяной пар. Движущей силой процесса является разность температур теплоносителя и кипящего раствора. Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах. Испарение — процесс удаления жидкой фазы в виде пара из различных сред, главным образом путем их нагрева или создания иных условий для испарения. Испарение осуществляется при проведении многих процессов. В частности, в методах искусственного охлаждения применяют испарение различных жидкостей, обладающих низкими (обычно — отрицательными) температурами кипения. Конденсацию пара (газа) осуществляют либо путем охлаждения пара (газа), либо посредством охлаждения и сжатия одновременно. Конденсацию используют при выпаривании, вакуум-сушке для создания разрежения. Пары, подлежащие конденсации, отводят из аппарата, в котором они образуются, в закрытый аппарат, охлаждаемый водой или воздухом и служащий для сбора паровконденсатов. 53 Процесс конденсации осуществляется в конденсаторах смешения или поверхностных конденсаторах. В конденсаторах смешения пар непосредственно соприкасается с охлаждаемой водой и полученный конденсат с ней смешивается. Так проводят конденсацию, если конденсируемые пары не представляют ценности. В поверхностных конденсаторах тепло отнимается от конденсирующегося пара через стенку. Наиболее часто пар конденсируется на внутренних или внешних поверхностях труб, омываемых с другой стороны водой или воздухом. Конденсат отводят отдельно от хладагента, и если он представляет ценность, используют. Процессы искусственного охлаждения применяют при некоторых процессах абсорбции, при кристаллизации, разделении газов, сублимационной сушке, для хранения пищевых продуктов, кондиционирования воздуха. Большое значение приобрели такие процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях. Так, используя глубокое охлаждение, путем частичного или полного сжижения разделяют газовые смеси для получения многих технологически важных газов (например, азот, кислород и др.). Искусственное охлаждение всегда связано с переносом тепла от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой, что требует затрат энергии. Поэтому введение энергии в систему является необходимым условием получения холода. Оно достигается следующими основными методами: • испарением низкокилящих жидкостей. При испарении такие жидкости, имеющие обычно отрицательные температуры кипения, охлаждаются до температуры кипения; • расширением газов дросселированием, путем пропускания их через устройство, вызывающее сужение потока (шайбу с отверстием, вентиль) с последующим его расширением. Энергия, необходимая для расширения газа (для преодоления сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет потока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа; • расширением газа в детандере — машине, устроенной подобно поршневому или турбокомпрессору, — газовом двигателе, который одновременно совершает внешнюю работу (перекачивает жидкости, нагнетает газы). Расширение сжатого газа в детандере происходит без обмена теплом с окружающей средой. При этом совершаемая газом работа производится за счет его внутренней энергии, в результате чего газ охлаждается. 54 Плавление используется для подготовки полимеров к формованию (прессованию, литью под давлением, экструзии и т.д.), металлов и сплавов к литью различными способами, стеклянной шихты к варке и выполнения многих других технологических процессов. Наиболее распространенным способом плавления является передача тепла через металлическую стенку, обогреваемую любым способом: теплопроводностью, конвективным переносом или тепловым излучением без удаления расплава. При этом скорость плавления определяется только условиями теплопередачи: коэффициентом теплопроводности стенки, градиентом температур и площадью контакта. В практике достаточно часто используют плавление электрической, химической и другими видами энергии (индукционный, высокочастотный нагрев и т.д.), сжатием. Кристаллизация — процесс выделения твердых веществ из насыщенных растворов или расплавов. Это процесс, обратный плавлению. Таким образом, тепловой эффект кристаллизации равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту плавления. Каждому химическому соединению соответствует одна, а чаще несколько кристаллических форм, отличающихся положением и числом осей симметрии (металлы, сплавы металлов). Это явление носит название полиморфизма (аллотропии). Обычно кристаллизацию осуществляют из водных растворов, понижая растворимость кристаллизуемого вещества за счет изменения температуры раствора или удаления части растворителя. Использование данного способа характерно для производства минеральных удобрений, солей, получения ряда полупродуктов и продуктов из растворов органических веществ (спиртов, эфиров, углеводородов). Такую кристаллизацию называют изотермической, так как испарение из растворов идет при постоянной температуре. Кристаллизация из расплавов осуществляется путем их охлаждения водой, воздухом. Из кристаллизующихся материалов (металлов, их сплавов, полимерных материалов и композитов на их основе) получают разнообразные изделия методами прессования, литья, экструзии и т.д. 4.2.4. Массообменные процессы В технологии широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи. Они характеризуются переходом одного или нескольких веществ из одной фазы в другую. 55 Подобно теплопередаче, массопередача — сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, через поверхность (границу) раздела фаз и в пределах другой фазы. Эта граница может быть подвижной (массопередача в системах «газ - жидкость», «пар — жидкость», «жидкость — жидкость») либо неподвижной (массопередача с твердой фазой). Для массообменных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз, которую по этой причине стремятся сделать максимально развитой, и движущей силе, характеризуемой степенью отклонения системы от состояния динамического равновесия, выражаемой разностью концентрации диффундирующего вещества, которое перемещается от точки с большей к точке с меньшей концентрацией. На практике используются следующие виды процессов массопередачи: абсорбция, перегонка, адсорбция, сушка, экстракция. Абсорбция — процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый газ (абсорб-тив) химически не взаимодействует с абсорбентом. Физическая абсорбция в большинстве случаев обратима. Па этом ее свойстве основано выделение поглощенного газа из раствора — десорбция. Сочетание абсорбции с десорбцией позволяет многократно применять поглотитель и выделять поглощенный компонент в чистом виде. В промышленности абсорбцию применяют для извлечения ценных компонентов из газовых смесей или очистки этих смесей от вредных веществ, примесей: абсорбция SO3 в производстве серной кислоты; абсорбция НС1 с получением соляной кислоты; абсорбция NH3. паров С6Н6, H2S и других компонентов из коксового газа; очистка топочных газов от SO2; очистка от фтористых соединений газов, выделяющихся при производстве минеральных удобрений, и т.д. Аппараты, в которых осуществляются абсорбционные процессы, называют абсорберами. Как и другие процессы массопе-редачи, абсорбция протекает на поверхности раздела фаз, поэтому такие аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между жидкостью и газом. Перегонка жидкостей применяется для разделения жидких однородных смесей, состоящих из двух или более летучих компонентов. Это процесс, включающий частичное испарение разделяемой смеси и последующую конденсацию образующихся паров, осуществляемый однократно или многократно. В ре56 зультате конденсации получают жидкость, состав которой отличается от состава исходной смеси. Если бы исходная смесь состояла из летучего и нелетучего компонентов, то ее можно было бы разделить на компоненты путем выпаривания. Перегонкой же разделяют смеси, все компоненты которых летучи, т.е. обладают определенным, хотя и разным давлением пара. Разделение перегонкой основано на различной летучести компонентов при одной и той же температуре. Поэтому при перегонке все компоненты смеси переходят в парообразное состояние в количествах, пропорциональных их летучести. Различают два вида перегонки: простая перегонка (дистилляция) и ректификация. Дистилляция — процесс однократного частичного испарения жидкой смеси и конденсации образующихся паров. Ее обычно используют лишь для предварительного грубого разделения жидких смесей, а также для очистки сложных смесей от примесей. Ректификация — процесс разделения однородных смесей жидкостей путем двухстороннего массо- и теплообмена между жидкой и паровой фазами, имеющими различную температуру и движущимися относительно друг друга. Разделение обычно осуществляют в колоннах при многократном (на специальных перегородках (тарелках) или непрерывном контакте фаз (в объеме аппарата). Процессы перегонки широко применяются в химической промышленности, где выделение компонентов в чистом виде имеет важное значение в производствах органического синтеза полимеров, полупроводников и т.д., в спиртовой промышленности, в производстве лекарственных препаратов, в нефтеперерабатывающей промышленности и т.д. Адсорбция — процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом — адсорбентом. Поглощенное вещество называют адсор-батом, или адсорбтивом. Процессы адсорбции избирательны и обычно обратимы. Выделение поглощенных веществ из адсорбента называют десорбцией. Адсорбция применяется при небольших концентрациях поглощаемого вещества, когда надо достичь почти полного его извлечения. Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров (например, при очистке аммиака перед контактным окислением, осушке природного газа, выделении и очистке мономеров в производствах синтетического каучука, пластмасс и т.д.). 57 Различают физическую и химическую адсорбцию. Физич е с к а я обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента. При х и м и ч е с к о й адсорбции, или хемосорбции, возникает химическое взаимодействие между молекулами поглощенного вещества и поверхностями молекулярного поглотителя. В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой поверхностью нор, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента. В промышленности в качестве поглотителей применяют активированные угли, минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.) и синтетические ионообменные смолы (иониты). Сушкой называют процесс удаления влаги из различных (твердых, вязкопластичных, газообразных) материалов. Предварительное удаление влаги осуществляется обычно более дешевыми механическими способами (отстаиванием, отжимом, фильтрованием, центрифугированием), а более полное обезвоживание — тепловой сушкой. По своей физической сущности сушка является сложным диффузионным процессом, скорость которого определяется скоростью диффузии влаги из глубины высушиваемого материала в окружающую среду. При этом происходит перемещение тепла и влаги внутри материала и их перенос с поверхности материала в окружающую среду. По способу подвода тепла к высушиваемому материалу различают следующие виды сушки: • конвективная — путем непосредственного соприкосновения высушиваемого материала с сушильным агентом, в качестве которого обычно используют нагретый воздух или топочные газы в смеси с воздухом; • контактная — путем передачи тепла от теплоносителя к материалу через разделяющую их стенку; • радиационная — путем передачи тепла инфракрасными лучами; • диэлектрическая — путем нагревания в поле токов высокой частоты. Под действием электрического поля высокой частоты ионы и электроны в материале меняют направление движения синхронно с изменением знака заряда: дипольные молекулы приобретают вращательное движение, а неполярные молекулы поляризуются за счет смещения их зарядов. Эти процессы, сопровождаемые трением, приводят к выделению тепла и нагреванию высушиваемого материала; 58 • сублимационная — сушка, при которой влага находится в виде льда и переходит в пар, минуя жидкое состояние, при глубоком вакууме и низких температурах. Процесс удаления влаги из материала протекает в три стадии: 1) снижение давления в сушильной камере, при котором происходят быстрое самозамораживание влаги и сублимация льда за счет тепла, отдаваемого самим материалом; 2) удаление основной части влаги сублимацией; 3) удаление остаточной влаги тепловой сушкой. При любом методе высушиваемый материал находится в контакте с воздухом, который при конвективной сушке является и сушильным агентом. Скорость сушки определяется количеством влаги, удаляемой с единицы поверхности высушиваемого материала в единицу времени. Скорость сушки, условия ее проведения и аппаратурное оформление зависят от природы высушиваемого материала, характера связи влаги с материалом, размера и толщины материала, внешних факторов и т.д. Экстракция — процесс извлечения одного или нескольких компонентов из растворов или твердых тел с помощью избирательных растворителей (экстрагентов). При взаимодействии исходной смеси с экстрагентом в нем хорошо растворяются только извлекаемые компоненты и почти не растворяются остальные. Процессы экстракции в системах «жидкость—жидкость» находят широкое применение в химической, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Они используются для выделения в чистом виде различных продуктов органического и нефтехимического синтеза, извлечения и разделения редких и рассеянных элементов, очистки сточных вод и т.д. Экстракция в системах «жидкость—жидкость» представляет собой массообменный процесс, протекающий с участием двух взаимно нерастворимых или ограничено растворимых жидких фаз, между которыми распределяется экстрагируемое вещество (или несколько веществ). Для повышения скорости процесса исходный раствор и экстрагент приводят в тесный контакт перемешиванием, распылением и т.д. В результате взаимодействия фаз получаются экстракт — раствор извлеченных веществ в экстрагенте и рафи-нат — остаточный исходный раствор, из которого с той или иной степенью полноты удалены экстрагируемые компоненты. Полученные жидкие фазы отделяются друг от друга отстаиванием, центрифугированием или другими гидромеханическими 59 способами, после чего производят извлечение целевых продуктов из экстракта и регенерацию экстрагента из рафината. Основное достоинство процесса экстракции в сравнении с другими процессами разделения жидких смесей (ректификация, выпаривание и др.) — низкая рабочая температура процесса, которая часто является комнатной. 4.3. Химические процессы в технологии Химические процессы лежат в основе химической технологии, которая представляет собой науку о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки природного и сельскохозяйственного сырья в продукты потребления и продукты, применяемые в других отраслях материального производства. Все, что связано с расходованием материальных ресурсов в народном хозяйстве, на три четверти зависит от использования химических знаний и применения химической технологии, «химических навыков». Более гого, современная химическая технология, используя достижения других естественных наук — прикладной механики, материаловедения и кибернетики, изучает и разрабатывает совокупность физических и химических процессов, машин и аппаратов, оптимальные пути осуществления данных процессов и управления ими во многих отраслях промышленно1 о производства различных веществ, продуктов, материалов и изделий. Химическая технология является научной основой нефтехимической, коксохимической, целлю-лозно-бумаяшой, пищевой, микробиологической промышленности, промышленности строительных материалов, черной и цветной металлургии и других отраслей. В последние десятилетия химико-технологические процессы используются практически во всех отраслях промышленного производства. Химико-технологический процесс (XTII) можно разделить на три взаимосвязанные стадии: • подвод реагирующих веществ в зону реакции; • собственно химические реакции; • отвод полученных продуктов из зоны реакции. Подвод реагирующих веществ может осуществляться абсорбцией, адсорбцией или десорбцией газов, конденсацией паров, плавлением твердых компонентов или растворением их в жидкости, испарением жидкостей или возгонкой твердых веществ (см. подпара1рафы 4.2.3, 4.2.4). 60 Химические реакции как второй этап ХТП обычно протекают в несколько последовательных или параллельных стадий, приводящих к получению основного продукта, а также ряда побочных продуктов (отходов), образующихся при взаимодействии примесей с основными исходными веществами. При анализе же производственных процессов часто учитывают не все реакции, а лишь те из них, которые имеют определяющее влияние на качество и количество получаемых целевых продуктов. Отвод полученных продуктов из зоны реакции может совершаться аналогично подводу, в том числе посредством диффузии, конвекции и перехода вещества из одной фазы (газовой, твердой, жидкой) в другую. При этом общая скорость технологического процесса определяется скоростью одного из трех составляющих элементарных процессов, протекающего медленнее других. Различают следующие разновидности химико-технологических процессов: • гомогенные и гетерогенные (могут быть экзотермическими и эндотермическими, обратимыми и необратимыми); • электрохимические; • каталитические. Гомогенными процессами называют такие, в которых все реагирующие вещества находятся в одной какой-нибудь фазе: газовой (г), твердой (т), жидкой (ж). В этих процессах реакция обычно протекает быстрее, чем в гетерогенных. В целом механизм всего технологического процесса в гомогенных системах проще, как и управление процессом. По этой причине на практике часто стремятся к проведению именно гомогенных процессов, т.е. переводят реагирующие компоненты в какую-либо одну фазу. В гетерогенных процессах участвуют вещества, находящиеся в разных состояниях (фазах), т.е. в двух или трех фазах. Примерами двухфазовых систем могут быть: г — (несмешивающиеся); г — т ; ж — т ; т — т (разновидные). В производственной практике чаще всего встречаются системы г — ж, г — т, ж — т. Нередко процессы протекают в сложных гетерогенных системах (г — ж — т, г — т — т, ж — т — т). К гетерогенным процессам относятся горение (окисление) твердых веществ и жидкостей, растворение металлов в кислотах и щелочах и др. Все химические процессы протекают либо с выделением, либо с поглощением теплоты: первые называются экзотермическими, вторые — эндотермическими. Количество выделяе61 мой или поглощаемой при этом теплоты называют тепловым эффектом процесса (теплоты процесса). Теоретически все химические реакции, осуществляемые в ХТП, обратимы. В зависимости от условий они могут протекать как в прямом, так и в обратном направлениях. Во многих случаях равновесие в реакциях полностью смещается в сторону продуктов реакции, а обратная реакция, как правило, не протекает. По этой причине технологические процессы делятся на обратимые и необратимые. Последние протекают лишь в одном направлении. Электрохимические процессы относятся к такой науке, как электрохимия, которая рассматривает и изучает процессы превращения химической энергии в электрическую и наоборот. Поскольку электрический ток — это перемещение электрических зарядов, в частности электронов, то основное внимание электрохимия сосредотачивает на реакциях, в которых электроны переходят от одного вещества к другому. Такие реакции в химии называются окислительно-восстановительными. Примерами осуществления перехода химической энергии в электрическую могут служить гальванические элементы, предназначенные для однократного электрического разряда: непрерывного или прерывистого. После разряда они теряют работоспособность. Разновидностью гальванических элементов являются аккумуляторные батареи, например, свинцовый аккумулятор. В отличие от гальванических элементов, работоспособность аккумулятора после разряда можно восстановить путем пропускания через него постоянного тока от внешнего источника. Процессы перехода электрической энергии в химическую называются электролизом. Согласно ионной теории электролиза, прохождение постоянного электрического тока через электролит осуществляется с помощью ионов. На электродах, подводящих электроток, происходит перенос электронов к ионам либо от них. При этом в электрическом поле положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные (анионы) — к аноду. На катоде происходит восстановление, на аноде — окисление ионов или молекул, входящих в состав электрона. Электролиз нашел широкое применение в следующих основных промышленных процессах: извлечение металлов (алюминия, цинка, частично меди); очистка (рафинирование) металлов (меди, цинка и др.); нанесение гальванических покрытий; анодирование (оксидирование) поверхностей. Нанесение гальванических покрытий (электроосаждение) осуществляется на катоде. Катод в этом случае погружается в 62 электролит, содержащий ионы электроосаждаемого металла. В качестве же анода используется электрод из того металла, которым наносят покрытие. Метод электроосаждения включает гальваностегию — нанесение покрытия толщиной 5—50 мм и гальванопластику — получение сравнительно толстых, но легко отделяющихся слоев. Гальваностегию используют для защиты изделий от коррозии, повышения их износостойкости, придания им способности отражать свет, электропроводности, термостойкости, антифрик-ционности и других свойств, а также для декоративной отделки. Гальванопластика позволяет получать копии, воспросизводящие мельчайшие подробности рисунка или рельефа поверхности. Анодирование, или анодное оксидирование — это образование на поверхности металла слоя его оксида при электролизе. Этому процессу обычно подвергают сплавы на основе легких металлов. Образующиеся слои оксидов могут быть тонкими, или барьерными (менее 1 мкм), и толстыми — фазовыми, или эмалеподобными (десятки и сотни мкм). Структуры и химический состав оксидов зависят от природы металла, электролита и условий процесса. При этом на одном и том же металле можно получать фазовые оксиды с разной структурой, а следовательно, и с различными свойствами (твердостью, окраской, электрической проводимостью и т.д.). Тонкие слои используют в основном в радиоэлектронике. Фазовые слои защищают металл от коррозии, обеспечивают износостойкость изделий, образуют прозрачные или цветные декоративные покрытия. Каталитические процессы, называемые катализом, осуществляются с целью изменения скорости химических реакций. Различают положительный и отрицательный катализ, в зависимости от того, ускоряет катализатор реакцию или замедляет ее. Как правило, термин «катализ* определяется как ускорение реакции, в то время как вещества, ее замедляющие, называются ингибиторами. Важными компонентами промышленных катализаторов являются промоторы — вещества, добавление которых к катализатору в малых количествах (обычно долях процента) увеличивает его активность, селективность или устойчивость. Вещества, действие которых на катализатор приводит к снижению его активности или полному прекращению каталитического действия, называются каталитическими ядами. В качестве катализаторов в промышленности чаще всего применяют платину, железо, никель, кобальт и их оксиды, оксид ванадия (V), алюмосиликаты, некоторые минеральные кис63 лоты и соли; катализаторы используются как в окислительновосстановительных, так и кислотно-основных реакциях. Каталитические процессы, вызванные переносом электронов, относятся к окислительно-восстановительному катализу. Он применяется в производстве аммиака, азотной кислоты, серной кислоты и др. К кислотно-основному катализу относятся каталитический крекинг, гидратация, дегидрация, многие реакции изомеризации, конденсации органических веществ. В промышленности встречается и так называемый полифункциональный катализ, в котором имеет место совмещение рассмотренных выше двух важнейших видов катализа. 4.4. Биологические процессы в технологии Биотехнология представляет собой совокупность промышленных методов, в которых для производства различных продуктов используются живые организмы и биологические процессы. Подобные процессы были известны еще с древних времен: хлебопечение, приготовление вина, пива, сыра, уксуса, молочных продуктов, способы обработки кожи, растительных волокон и др. Научные же основы биотехнологии были заложены в XIX в. французским ученым Л. Пастером (1822—1895), положившим начало микробиологии. Биопромышлешюсть, в основе которой лежит биотехнология, производит кормовые и пищевые белки, аминокислоты, ферменты, витамины, антибиотики, этанол, органические кислоты (например, лимонную, изолимонную, уксусную и др.), регуляторы роста растений, многие пестициды, лечебные и иммунные препараты для человека и животных. Новые направления физико-химической биологии, получившие развитие во второй половине XX в., значительно расширили возможности процессов биотехнологии, особенно генной и клеточной инженерии. Последняя получила распространение в сельскохозяйственном производстве, например, при выведении безвирусных растений, получении кормов и т.д. Достоинством биологических процессов является то, что они используют возобновляемое сырье (биомассу) и протекают в мягких условиях (при комнатной температуре, нормальном давлении), с меньшим числом технологических этапов. Их отходы доступны последующей переработке. Особенно выгодно (экономически и технологически) применение биотехнологических процессов в случае производства относительно дорогих, 64 но малотоннажных продуктов. Они же лежат в основе пищевой промышленности. Сегодня биотехнология рассматривается как наука, возникшая на стыке нескольких биологических дисциплин: генетики, вирусологии, микробиологии и растениеводства. Она стремительно выдвигается на передний край научно-технологического прогресса, чему способствуют два обстоятельства. С одной стороны, бурное развитие современной молекулярной биологии и генетики, опирающихся на достижения химии и физики, позволило использовать потенциал живых организмов в интересах хозяйственной деятельности человека. С другой — наблюдается острая практическая потребность в новых технологических процессах, призванных ликвидировать нехватку продовольствия, минеральных ресурсов, улучшить состояние здравоохранения и охраны окружающей среды. Биотехнология практически уже вносит и, вероятно, внесет и в будущем решающий вклад в решение этих важнейших проблем человечества. Основным процессом, используемым в традиционной биотехнологии, является брожение. Брожение (ферментация) — процесс расщепления органических веществ, преимущественно углеводов, на более простые соединения под влиянием микроорганизмов или выделенных из них ферментов. Этот процесс может осуществляться в организме животных, растений и многих микроорганизмов как с участием кислорода ( а э р о б н ы й ) , так и без участия молекулярного кислорода ( а н а э р о б н ы й процесс). Известны различные типы брожения. Они классифицируются чаще всего по производимым конечным продуктам (спиртовое, молочнокислое, пропионово-кислое, метановое брожение и др.) и протекают в основном анаэробно. Спиртовое брожение протекает в несколько стадий и используется для промышленного получения этила (в основном из зерна ржи) для алкогольных напитков, в виноделии, пивоварении и при подготовке теста в хлебопекарной промышленности. В присутствии кислорода спиртовое брожение замедляется или вовсе прекращается. Молочнокислое брожение имеет большое значение при получении различных молочных продуктов (кефир, простокваша и др.), квашении овощей (например, капусты), силосовании кормов для животных (в сельском хозяйстве). Пропионово-кислое брожение используется в молочной промышленности для изготовления многих твердых сыров. Масляно-кислое брожение приводит к порче пищевых продуктов, вспучиванию сыра и банок с консервами. Раньше оно 65 использовалось для получения масляной кислоты, бутилового спирта и ацетона. Метановое брожение встречается в природе в заболоченных водоемах. Оно используется в промышленности и бытовых очистных сооружениях для обезвреживания органических веществ сточных вод. Образующийся при этом метан в смеси с углекислым газом используется в качестве топлива. Основные процессы и направления развития современной биотехнологии рассмотрены в параграфе 15.9. Контрольные вопросы 1. Какими особенностями характеризуется протекание физических процессов, используемых в технологии? 2. Какими особенностями характеризуется протекание химических процессов, используемых в технологии? 3. Какими особенностями характеризуется протекание биологических процессов, используемых в технологии? 4. В чем особенность протекания механических процессов? Дайте характеристику и технико-экономическую оценку основным механическим процессам. 5. В чем сущность обработки материалов давлением? Дайте характеристику и технико-экономическую оценку обработке материалов давлением. 6. В чем сущность механической обработки материалов резанием? Дайте характеристику и технико-экономическую оценку обработке материалом резанием. 7. Какие основные способы создания соединения деталей вам известны? Дайте им сравнительную технико-экономическую оценку. 8. Какие процессы изменения размеров твердых тел вам известны? Чем принципиально отличается дробление от измельчения? 9. В чем сущность процессов разделения твердых тел по размерам? Какие основные способы классификации вам известны? 10. В чем сущность и назначение основных процессов смешивания материалов? Какие способы смешивания вам известны? 11. В чем сущность и назначение основных процессов дозирования материалов? Какими основными способами можно проводить дозирование материалов? 12. В чем особенность протекания гидромеханических процессов? Дайте характеристику и технико-экономическую оценку основным гидромеханическим процессам. 13. Какие основные методы разделения неоднородных систем вам известны? Дайте им сравнительную технико-экономическую оценку. 14. Какие технологические процессы относят к тепловым? Охарактеризуйте основные способы передачи тепла. 15. В чем особенность протекания процессов выпаривания, испарения, конденсации? Охарактеризуйте эти процессы и дайте им сравнительную технико-экономическую оценку. 66 16. Какие виды процессов массопередачи вам известны? Дайте им сравнительную технико-экономическую оценку. 17. Какие технологические процессы относят к химическим? В чем состоят особенности и специфика химико-технологических про цессов? 18. В чем заключается сущность электрохимических процессов? Приведите примеры использования таких процессов на практике. 19. Что представляют собой каталитические процессы? В чем сущность катализа? 20. Какие технологические процессы относят к биологическим? Что представляет собой биотехнология? Глава 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ, ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОИЗВОДСТВА 5.1. Понятие системы технологических процессов. Исторические этапы развития систем технологических процессов В условиях производства технологические процессы вступают во взаимосвязи, образуя объекты более высокого иерархического уровня — системы технологических процессов. Система (гр. — systema) — целое, состоящее из частей (множества элементов), находящихся в отношениях и связях друг с другом. Под технологическими системами понимают совокупность взаимосвязанных технологических действий различного иерархического уровня, взаимодействующих с окружением как целое. Взаимосвязанность элементов систем обуславливает необходимость определенного соответствия между уровнем состояния системы и отдельно взятых элементов. Элементы (технологические процессы), не соответствующие по уровню системе, могут ею отторгаться. Это необходимо учитывать, например, при введении высоких технологий в отечественные технологические системы. Системообразующим параметром для технологических систем служит новая функция. Именно невозможность выполнения требуемой функции отдельными элементами (технологическими процессами) заставляет объединять их в технологические системы. 67 Очевидно, что создание систем требует дополнительных затрат на организацию связей между элементами. Но эти дополнительные затраты в будущем окупаются новым эффектом, получаемым от функционирования системы. В производственной системе нет технологических процессов, функционирующих независимо от других. Все технологические процессы объединяются в системы разного уровня. Очевидно, что посредством каналов связей оказывается взаимное влияние как со стороны технологического процесса на состояние и уровень развития технологической системы, так и с ее стороны на уровень развития технологического процесса. С одной стороны, системы, находящиеся на качественно высоком уровне, оказывают благотворное влияние на технологические процессы, «подтягивают» их до своего уровня, с другой — высокие технологии (технологические процессы) стимулируют развитие технологических систем. Ясно, что технологические системы по сравнению с отдельными технологическими процессами обладают большим «весом», поэтому среда технологий оказывает значительное влияние на формирование, функционирование и развитие отдельно взятой технологии. Несмотря на возможные различия между уровнями развития технологической системы и отдельного технологического процесса, должно соблюдаться определенное соответствие, предписываемое системными связями. Выход за его пределы неизбежно приведет к нарушению функционирования системы. Первой исторической формой систем технологических процессов были цехи ремесленников, объединявшие работников одной специальности. Если до появления цеховых структур ремесленники работали в разных помещениях, самостоятельно, то в цехе — в одном помещении, совместно. Принципиальных изменений в технологическом процессе изготовления продукта при переходе к цехам ремесленников не произошло. Эффект такого объединения сказался на повышении производительности труда. Это объясняется тем, что, во-первых, совместная работа ремесленников создавала условия для обмена опытом между ними, чего не было при кустарном производстве; во-вторых, в каждом цехе ремесленников был работник, выполнявший комплекс профессиональных действий быстрее и качественнее друт гих и являвшийся источником передового опыта. Каждый ремесленник в цехе выполнял весь комплекс работ, необходимый для выпуска продукта, осуществлял свой технологический процесс. Поэтому цеховые структуры организационно объединяли параллельно протекающие однотипные технологические процессы, связанные между собой информационными ка68 налами, обеспечивающими обмен опытом. Такую структуру технологических систем принято называть параллельной. На следующем историческом этапе появилось мануфактурное производство, основанное на общественном разделении труда. Мануфактура (лат. manus — рука, factura — изготовление; в дословном переводе означает « ручное изготовление ») — предприятие, основанное на разделении труда и преимущественно ручной технике. Таким образом, в мануфактуре вся совокупность технологических действий, которую в цехе выполнял один ремесленник, была расчленена на части (технологические операции), каждую из которых выполнял отдельный исполнитель. Отметим, что основной экономический выигрыш был получен не за счет более быстрого выполнения исполнителем меньшей совокупности действий, а за счет существенного (в несколько раз) снижения доли вспомогательных действий. При этом отдельные технологические операции были связаны материальными потоками предмета труда: продукт предыдущей операции становился предметом труда для последующей и т.д. Соответствующую технологическую структуру называют последовательной. Появление мануфактур вызвало рост производительности труда за счет его общественного разделения. При этом не происходило принципиальных изменений в технологическом процессе. Мануфактурное производство создало благоприятные условия для разработки и использования первых образцов техники. Технологические операции по сравнению с технологическим процессом в целом значительно упростились. Малое количество и постоянная повторяемость движений стали причиной изобретения первых простейших механизмов. Машинное производство возникло в результате промышленного переворота во второй половине XVIII в. Па смену человеку, вручную приводящему в действие инструмент, пришли машины и механизмы. Затем появились современные организационные формы технологических систем (фабрики и заводы), сочетающие в себе параллельные и последовательные структуры. Следующий этап исторического развития систем технологических процессов — возникновение промышленных объединений, отраслей народного хозяйства, монополий, концернов. Последние образовали структуры наиболее высокого уровня — народно-хозяйственного комплекса государства. 69 5.2. Классификация технологических систем производства, закономерности их формирования и функционирования Технологические системы классифицируются по следующим признакам: • по структуре (параллельные, последовательные и комбинированные технологические системы); • уровню иерархии (масштабности) (технологический процесс, производственный цех, производственное предприятие, отрасли, отраслевые комплексы, народнохозяйственные комплексы, государства); • уровню автоматизации (механизированные, автоматизированные и автоматические технологические системы); • уровню специализации (специальные, специализированные и универсальные технологические системы). Различные структуры технологических систем схематично изображены на рис. 5.1. Элементы параллельной системы (рис. 5.1, а) не зависят друг от друга по материальным потокам сырья (предметным связям), но соединены информационными связями, которые служат для передачи умения и мастерства по изготовлению того или иного продукта, так как в параллельные технологические системы объединяются однотипные по своей сути технологические процессы (вспомним цехи ремесленников). Общий объем выпуска параллельной системы в натуральном виде складывается из суммы выпусков всех элементов системы. Выход из строя одного из элементов параллельной системы не влечет за собой прекращение функционирования всей системы. Такие системы еще называют системами с нежесткими технологическими связями с учетом того, что при решении задач развития технологической системы, как правило, необходимо прибегать к остановке и реконструкции некоторого элемента. Параллельные системы позволяют осуществлять такой вывод одного элемента без ущерба для других. Это свойство параллельных систем показывает их приспособленность к технологическому развитию. Кроме того, однотипность элементов параллельной системы приводит к упрощению обслуживания и управления. Таким образом, характерной особенностью параллельных технологических систем является создание условий для технологического развития. Примерами параллельных технологических систем могут служить технологические участки в производственном цехе, однотипные предприятия в отрасли и т.д. В последовательной системе технологических процессов (рис. 5.1, б) элементы жестко связаны между собой предметными связями: продукт первого элемента системы становится сырьем для второго и т.д. Для бесперебойного функционирования последовательной системы технологических процессов необходимо обеспечить согласованность между элементами системы по объему перерабатываемого продукта и времени обработки. Выход из строя одного элемента системы ведет к прекращению функционирования всей системы. Поэтому последовательные системы еще называют системами с жесткими связями. Последовательные технологические системы обеспечивают наращивание объема выпускаемой продукции в единицу времени без принципиальных изменений технологических операций. Причем объем полученной системой продукции в натуральном виде определяется, как правило, лимитирующим звеном, т.е. элементом, имеющим наименьшую пропускную спо71 собность и предопределяющим общий выпуск системы. Реальные последовательные технологические системы могут не находиться в оптимальном состоянии. Таким образом, характерной особенностью последовательных систем является возможность увеличения объема выпуска и практическая невозможность технологического развития в рамках этой системы. Примерами последовательных систем технологических процессов могут служить цехи в структуре предприятия, предприятия, образующие последовательную цепочку по переработке одного предмета труда. Реальные технологические системы могут быть комбинированными. Структура комбинированной системы схематично представлена на рис. 5.1, в. Для анализа таких систем необходимо использовать сведения как из области параллельных, так и последовательных систем. В комбинированных системах может наблюдаться преобладание одних или вторых структур. Не вызывает сомнений, что перед любой производственной системой всегда стоят две стратегические задачи: увеличение выпуска продукции и развитие технологии производства. Решение первой задачи обеспечивают последовательные, а второй — параллельные технологические системы. Закономерным является чередование параллельных и последовательных структур при увеличении иерархии технологических систем: • последовательность технологических операций образует последовательную систему технологического процесса; • однотипные технологические процессы объединяются в параллельную систему производственного цеха; • последовательность цехов образует последовательную технологическую систему предприятия; • однотипные предприятия объединяются в параллельную систему отрасли народного хозяйства; • последовательность отраслей образует преимущественно последовательную систему хозяйственных комплексов; • разнотипные, не связанные между собой комплексы образуют народное хозяйство государства. Знание закономерностей формирования технологических систем позволяет по-новому взглянуть на проблему управления производством, находить оптимальные решения для согласованного и сбалансированного их функционирования. 72 5.3. Закономерности развития и оптимизации технологических систем Очевидно, что системы технологических процессов находятся на более высоком иерархическом уровне по сравнению с отдельно взятым технологическим процессом. Однако в методическом плане подход к системам разного иерархического уровня неизменен. Если на уровне технологического процесса были выделены два принципиальных вида действий (функциональные (рабочие) и вспомогательные), то такие действия имеются и в технологических системах разного уровня и происхождения. Функциональными в технологических системах являются элементы, обеспечивающие выпуск продукции. В качестве вспомогательных составляющих выступают связи между элементами технологических систем. Например, элементы последовательной системы технологических процессов связаны между собой материальными потоками предмета труда. Сущность этого вида связей — пространственное перемещение предмета труда — такая же, как и вспомогательных действий технологического процесса, т.е. природа связей в технологических системах и вспомогательных действий технологического процесса одинакова. Это касается и параллельных систем технологических процессов. В отличие от последовательных систем, в них осуществляется пространственное перемещение не предмета труда, а нового знания, производственного опыта по соответствующим информационным каналам. Следовательно, развитие технологических систем во многом напоминает развитие технологических процессов, которое было рассмотрено ранее (см. главу 3). Рационалистическое развитие предполагает взаимозамещение живого труда прошлым, относящееся к любым действиям из всей совокупности технологических действий системы технологических процессов. Это может быть взаимозамещение внутри отдельного элемента технологической системы (рассмотренное выше) или взаимозамещение на уровне вспомогательных действий, обеспечивающих реализацию технологических связей между элементами системы. Например, в параллельной системе технологических процессов для налаживания обмена производственным опытом могут быть использованы технические средства на базе компьютерной техники, позволяющие накапливать, обрабатывать, сохранять и передавать информацию. Такие компьютерные центры передового технологического опыта целесообразно организовывать для обучения, переподготовки, повышения квалификации персонала. 73 Соотношение между затратами живого и прошлого труда при условии сохранения целесообразности рационалистического развития на уровне всей системы должно быть в пользу живого труда. Так, на уровне отдельного технологического процесса было установлено рекомендуемое соотношение Тж > Тп, такая же пропорция, очевидно, должна выполняться на уровне всей системы технологических процессов. Эволюционное развитие систем технологических процессов предусматривает снижение совокупных затрат труда за счет улучшения вспомогательных действий как внутри элементов системы, так и за их пределами (в области системных технологических связей). Например, сокращение расстояния перемещения предмета труда между элементами последовательной технологической системы приведет к снижению трудозатрат. Это может быть достигнуто рациональным выбором поставщиков сырьевых материалов, организацией собственных производственных элементов, строительством предприятий непосредственно у источников сырья и т.д. Революционное развитие систем технологических процессов предусматривает повышение результативности функциональных (рабочих) действий или их принципиальную замену и практически не отличается от рассмотренного ранее соответствующего типа развития технологического процесса. При этом революционное развитие некоторого элемента технологической системы приводит к повышению качественных характеристик всей системы. Необходимо отметить специфические особенности развития параллельных и последовательных технологических систем. Как было отмечено ранее, задачи развития более успешно решаются именно в рамках параллельных технологических систем. При этом, как правило, выделяется наиболее технологически отсталое звено системы, которое и совершенствуют в соответствии с его внутренними потребностями. В силу того, что окружающие звенья параллельной системы технологических процессов являются однотипными, для развития отсталого звена используют передовой опыт других аналогичных звеньев. Когда уровень развития всех звеньев параллельной системы технологических процессов выравнивается, прибегают к другим приемам, повышающим качественную сторону элементов и всей системы, например, использованию результатов научных разработок, покупке патентов и лицензий, обмену технологиями и т.д. По-другому строится технологическое развитие в рамках последовательных систем технологических процессов. Такие 74 системы не приспособлены к технологическому развитию из-за наличия жестких связей между их звеньями. Поэтому на время реконструкции технологически отсталого звена последовательной системы целесообразно перейти на более высокий иерархический уровень (параллельную систему) и действовать вышеизложенным образом. Кроме рационалистического, эволюционного и революционного развития на уровне систем технологических процессов может быть осуществлена процедура оптимизации, позволяющая также повысить производительность труда. Оптимизация технологических систем предполагает получение большего результата без качественного изменения объекта и его элементов при прежних затратах за счет более умелого использования объекта оптимизации. Именно в этом заключаются основные достоинства процедуры оптимизации. Условием оптимизации является максимум системного выпуска при постоянстве затрат прошлого и живого труда в системе до и после оптимизации. Элементы системы качественно не изменяются, поэтому значения параметров уровня технологии в элементах системы также остаются неизменными. Задача оптимизации состоит в некотором оптимальном перераспределении трудозатрат между элементами системы, обеспечивающем максимизацию выпуска. Таким образом, цель процедур оптимизации и развития одна: улучшить соотношение между затратами и выпуском, но достигается она по-разному. Развитие предполагает качественное изменение имеющихся объектов, которое требует, как правило, дополнительных затрат. Очевидно, что при этом рост результата должен превосходить рост затрат. Оптимизация же предполагает получение большего результата при прежних затратах. 5.4. Понятие технических систем, законы строения и развития технических систем Как отмечалось в параграфе 1.2, понятия «технология» и «техника» не тождественны: техника является только одним из средств реализации технологии. Следуя той же логике, необходимо различать технологические и технические системы, а, значит, и знать отличия закономерностей их формирования и развития. Техническая система включает в себя пространственную совокупность взаимосвязанных элементов, образующих нечто целое, предназначенное для выполнения одной или нескольких 75 функций, и необходимых или непосредственно человеку, или другим техническим устройствам. Очевидно, что техническая система является материальной системой. Ее можно изучать, совершенствовать, целенаправленно видоизменяя составные элементы. Важнейшими составными элементами любой технической системы являются: рабочий орган (исполнительный механизм), источник энергии (привод), трансмиссия (передаточный механизм) и орган управления. Очевидно также, что выполняющие одну и ту же функцию технические системы могут, тем не менее, отличаться друг от друга принципом своего действия, а, значит, и составляющими элементами. Идея потребности в технической системе реализуется через принцип действия, обеспечивающий возможность ее функционирования с помощью соответствующего рабочего органа — первичного элемента любой системы, под который подбираются все остальные элементы. В свою очередь подходящий принцип действия выбирается из известных законов природы. Таким образом, целенаправленное создание новой технической системы проходит следующие этапы: потребность человека (общества) — возникновение идеи — поиск соответствующих знаний — определение принципа действия системы — выбор рабочего органа — подбор остальных элементов системы. Система будет работоспособной, если минимально работоспособными будут все четыре органа. Повышение работоспособности (функциональности) системы происходит за счет совершенствования всех ее органов. Это совершенствование происходит неравномерно — то один, то другой элемент в своем развитии вырывается вперед и вынуждает совершенствоваться и остальные. Но наступает период, когда из резервов всех элементов выжато все возможное и дальше улучшать нечего и некуда — система исчерпала свои возможности. Она или умирает (например, гусиное перо в качестве пишущего средства, факел), или останавливается в своем развитии (карандаш, лампа накаливания), или ее рабочий орган входит в новую систему (грифель обычного карандаша — в цанговый карандаш). Таким образом, историю развития технической системы можно представить в виде схемы, состоящей из длинной цепочки сменяющих друг друга систем с различными принципами действия, подсистемами, надсистемами, связями между ними. Такую схему называют «системный оператор», так как она позволяет ориентироваться во всей генетике системы, или «схемой многоэкранного мышления». 76 Чем больше «экранов» человеческий разум может увидеть, чем больше связей установить и учесть, тем легче принять объективность законов развития технических систем. В настоящее время сформулированы следующие законы строения и развития техники: Законы строения: 1. Закон соответствия между функцией и структурой. Суть данного закона состоит в том, что в правильно спроектированной технической системе каждый элемент — от сложных узлов до простых деталей имеет вполне определенную функцию (назначение) по обеспечению работы этой системы. Таким образом, у правильно спроектированных технических систем нет лишних деталей. Использование закона максимально результативно при поиске более рациональных и эффективных конструкторско-технологических решений новых технических систем. 2. Закон корреляции параметров однородного ряда техни ческих систем. К однородному ряду относятся такие технические системы, которые имеют одинаковые функцию, структуру, условия работы (в смысле взаимодействия с предметами труда и окружающей средой) и отличаются только значениями главного параметра (например, размера). 3. Закон симметрии технических систем. Техническая система, испытывающая воздействие среды в виде потоков вещества, энергии или информации, должна иметь определенный вид симметрии. 4. Закон гомологических рядов. Закон гомологических рядов (от гр. homologos — соответственный, подобный) в наследственной изменчивости был сформулирован Н.И. Вавиловым, установившим параллелизм в изменчивости родственных групп растений. Позже было открыто, что в основе данного явления лежит гомология генов (их одинаковое молекулярное строение и сходство в порядке расположения в хромосомах) у родственных видов. При генетическом анализе искусственных объектов их можно сравнить с объектами живой природы, каждый из которых тоже достиг очень высокого уровня развития и по-своему совершенен. Принципиальная разница между ними в том, что эволюция объектов живой природы — от простейшей амебы до сложнейших белковых организмов — происходила в естественных условиях их взаимодействия с внешней средой как борьба за выживание. И каждый этап этого совершенствования — тоже разрешение противоречия, но возникшего, например, в свя77 зи с резким изменением температуры или исчезновением вида, который служил традиционной пищей другого, и т.д. Таким образом, закон гомологических рядов позволяет довольно точно прогнозировать появление новых технических решений. Законы развития: 1. Закон прогрессивной эволюции техники. Действие закона прогрессивной эволюции в мире техники аналогично действию закона естественного отбора Дарвина в живой природе. Его суть состоит в том, что в техническом объекте с одинаковой функцией каждый переход от поколения к поколению вызван устранением возникшего главного дефекта (дефектов), связанным с улучшением какого-либо критерия (показателя) развития при наличии определенных технико-экономических условий. Если же рассматривать все переходы от поколения к поколению, т.е. всю историю конструктивной эволюции определенного класса техники, то можно наблюдать закономерности исчерпания возможностей конструктор-скотехнологических решений на трех уровнях. На первом уровне улучшаются отдельные параметры используемого технического решения. Когда изменение параметров уже не дает существенного эффекта, осуществляются изменения на втором уровне — путем перехода к более эффективному техническому решению, но без изменения физического принципа действия. Циклы на первом и втором уровнях совершаются до тех пор, пока в рамках используемого принципа действия не исчерпываются возможные новые технические решения, обеспечивающие улучшение интересующих показателей. После этого происходит революционное изменение на третьем уровне — переход на новый, более прогрессивный принцип действия и т.д. В законе прогрессивной эволюции исчерпание функциональности и эффективности конструкции не просто формальность: пока не будут достигнуты оптимальные параметры, не может произойти переход к новому техническому решению или к новому принципу действия. Закономерность исчерпания действует лишь при определенных условиях: если при наличии необходимого научно-технического потенциала переход к новому техническому решению или физическому принципу действия обеспечивает получение дополнительной эффективности, превышающей затраты, то может произойти скачок к новому техническому решению или физическому принципу действия без исчерпания возможностей предыдущих. 78 2. Закон стадийного развития технических систем. Любая техническая система в своем развитии проходит четыре основные стадии: 1) техническая система реализует только функцию обработки предмета труда (технологическая функция); 2) наряду с технологической, техническая система реализует функцию обеспечения процесса энергией (энергетическая функция); 3) техническая система помимо технологической и энергетической реализует функцию управления процессом; 4) техническая система помимо всех предыдущих функций реализует еще функцию планирования, исключая человека из технологического процесса. Переход к очередной стадии происходит при исчерпании природных возможностей человека в улучшении показателей выполнения фундаментальной функции — удовлетворение потребностей общества. Пример стадийного развития технических систем приведен в табл. 5.1. Таблица 5.1 Стадийное развитие технических систем Основная функция технической системы Технологич ТФ + еская энергетическая функция функция (ЭФ) (ТФ) Размалывани Каменные жернова с е зерна ручным приводом Каменные жернова с приводом от водяного колеса или паровой машины Передвижени Корабль с е по водной веслами поверхности (мускульны й привод) Корабль с парусом (перемещение энергией ветра) ТФ + ЭФ + + функция управления (ФУ) ТФ + ЭФ + + ФУ + функция планирования Мельница с системой автоматическо го управления (САУ) Мельница с САУ, получающая задание от автоматизированно й системы планирования работ Пароход Современный (перемещение корабль с энергией пара с компьютеризирова возможностью нной системой управления) навигации 3. Закон расширения множества потребностей-функций. • При наличии нужного потенциала и социально-экономической целесообразности возникшая новая потребность удовлетворяется с помощью впервые созданных технических систем; при этом возникает новая функция, которая существует до тех пор, пока ее реализация будет обеспечивать улучшение жизни лю79 дей. Число таких потребностей-функций за промежуток времени t (P(t)) возрастает по экспоненциальному закону 4. Закон возрастания разнообразия технических систем. Разнообразие технических систем в мире, стране или отрасли, а также отдельного класса технических систем, имеющих одинаковую функцию, в связи с необходимостью наиболее полного удовлетворения человеческих потребностей, обеспечения высоких темпов производительности труда и улучшения других критериев прогрессивного развития техники со временем монотонно и ускоренно возрастает. Число новых технических систем за промежуток времени t (N(t)) увеличивается по экспоненциальному закону 5. Закон возрастания сложности технических объектов. Сложность технических объектов с одинаковой функцией в силу действия факторов стадийного развития техники и прогрессивной конструктивной эволюции технических систем от поколения к поколению монотонно и ускоренно возрастает. Подводя итог вышеизложенному, сформулируем постулат теории решения изобретательских задач: технические системы развиваются по объективно существующим законам: эти законы познаваемы, их можно выявить и использовать для сознательного развития технических систем, которое происходит в общем для всех систем направлении: повышения уровня их идеальности. 5.5. Методы и модели оценки научно-технологического развития производства Существующие в настоящее время методы оценки качества и развития производства можно объединить в три основные группы. Классификация имеющихся методов базируется на использовании каждой из групп принципиально нового подхода, а именно: • экономического; • технократического (пифагорейского); • системного (технологического). Экономический подход широко используется при оценке 80 производства. Он предусматривает сравнение производственных систем и отдельных мероприятий по их усовершенствованию путем анализа соотношения затрат и соответствующих результатов. В последнее время наиболее интенсивно развивается направление экономического подхода, связанное с представлением о производстве как некоторой системе, характеризующейся устойчивой функциональной зависимостью между затратами ресурсов на производство и выпуском продукции. Полученная функциональная связь между каждым допустимым уровнем затрат и соответствующим ему максимальным выпуском называется производственной функцией Все существующие способы производства некоторого продукта характеризуются собственной производственной функцией, поэтому она может быть использована как для выбора лучшего варианта производства из имеющихся, так и для определения наиболее экономичного уровня затрат, соответствующего максимальному выпуску по отдельно рассматриваемому производству. Наиболее эффективный вариант выбирается по наилучшему из соотношений «затраты — выпуск». При использовании производственной функции задание состояния производственного элемента соответствует известной в теории управления схеме описания управляемых элементов в терминах «вход — выход». Графическая иллюстрация такого описания представлена на рис. 5.2. Производственный элемент при этом является своего рода «черным ящиком», перерабатывающим все имеющиеся варианты затрат в выпуск. Подход, основанный на использовании модели производственной функции, не раскрывает сущности производственного процесса, не показывает, каким образом затраты «перерабатываются» в выпуск. В этом состоит его основной недостаток. 81 Производственный элемент практически не исследуется и не познается, обсуждению подвергаются лишь его следствия (выпуск) и параметры, характеризующие потребности (затраты), но не сам производственный процесс. Практическое использование методологии производственной функции для оценки качества производства имеет и ряд других недостатков: • оно дает возможность лишь фиксировать существовавшую в прошлом зависимость выходного параметра производственной системы от какого-либо одного входного параметра или их группы; • не только не позволяет увидеть суть производственной системы, но даже не выдвигает задачу познания содержания производства; • не дает возможность решать задачи развития имеющегося производства; • может привести к ошибкам при выборе комбинации затрат (факторов производства), влияющих на уровень выпуска. Наряду с производственной функцией, в рамках экономического подхода широко используется метод оценки производства с помощью параметра приведенных затрат, при применении которого для сравнения некоторых вариантов производств все затраты приводятся к единице продукции. Внимание сосредотачивается на затратах при уравнивании выпуска по сравниваемым вариантам, поэтому пользоваться параметром приведенных затрат при экономических расчетах гораздо проще, чем производственной функцией. Считается лучшим тот вариант производства, который характеризуется минимумом приведенных затрат где С — себестоимость продукции; К — капитальные вложения; Ен — нормативный коэффициент окупаемости (величина, обратная сроку окупаемости). В отличие от производственной функции, зависимость (5.4) раскрывает методику расчета затрат на производство продукции, что является достоинством метода оценки производства с помощью параметра приведенных затрат. Технократический (пифагорейский) подход представляет научнотехническое развитие как процесс реальной замены старых технологий и техники на новые. Предполагается, что сущность технологического сдвига в производстве можно объяснить, подсчитывая связанные с ним события (например, число изобретений, количество внедренных новых станков 82 и т.д.)- В оценке технологических сдвигов решающее значение придается уникальности и новизне событий, поэтому технологическую и научную деятельность принято измерять с помощью таких показателей, как количество единиц новой техники, число статей, опубликованных в данной области, объем внедрения технических мероприятий и др. Достоинство этого подхода — сосредоточение основного внимания на техническом и технологическом развитии производства как на базовом звене развития всего производственного процесса. Технологическое развитие во многом объективно предопределяет развитие производства в целом. Однако при таком подходе внутреннее содержание технологии производства остается неучтенным. Технологии анализируются абстрактно статистическими методами, позволяющими получить лишь поверхностную характеристику. Не учитываются и экономические аспекты нововведений. Последнее обосновывается тем, что при помощи расчета эффективности новой техники нельзя правильно оценить ее производительность в конкретном производстве за некоторый промежуток времени, так как новая техника в начале ее применения имеет, как правило, более низкие значения технико-экономических показателей по сравнению с базовой техникой. Только в процессе распространения опыта использования новой техники начинают проявляться ее преимущества. Проще говоря, новая техника почти всегда дороже старой. Ото подтверждает верность вывода о том, что в момент внедрения производственного новшества не следует учитывать его экономическую сторону. Следовательно, еще одним достоинством технократического подхода является объяснение и обоснование научно-технического развития не только производства, но и общества в целом. В рамках экономического подхода, сводящих все касающееся производства только к оценке по затратам и соответствующему выпуску, наоборот, нельзя объяснить процесс появления в производстве и обществе дорогих новшеств. В противоположность экономическому, технократический подход учитывает перспективы развития производства и создает условия для него. Вместе с тем, как уже отмечалось, технократический подход имеет свои недостатки. Так, перечень изобретений и патентов не отражает процесс развития технологии, а только фиксирует его следствия, не содержит сведений относительно пригодности нового устройства для производства или применения. Системный подход к описанию развития производственного процесса исходит из утверждения, что оно подчиняется своим внутренним закономерностям, выявление и формулирование которых позволит установить основные направления этого 83 развития. Базовым положением системного подхода является то, что технологический процесс как объект исследования существует независимо от представлений исследователя о нем, т.е. объективно. Технологическое состояние производства следует логике существования и развития технологического процесса. В таком случае можно полагать, что реальное развитие производственного процесса должно подчиняться некоторым формальным закономерностям. Поэтому проблема развития производства решается путем усовершенствования технологического процесса в рамках установленных закономерностей. Научная мысль постепенно двигалась к осознанию ведущей роли технологии производства и проблемы технологического развития. В рамках системного подхода существует несколько моделей развития технологических процессов. Модель научно-технического развития ВЛ. Трапезникова связывает производительность живого труда с параметрами объема прошлого труда и уровнем знаний, заложенных в технических и организационных решениях где L — производительность живого труда; Ф — фондовооруженность одного работающего; У — уровень знаний (уровень технологии). Отличительной особенностью данной модели является учет влияния на рост производительности труда одновременно двух различных производственных факторов: уровня организационных и технических решений, заложенных в производство (уровень технологии), и величины затрат на технологическое оснащение рабочего места (фондовооруженность). В модели В.А. Трапезникова основной упор делается на обладании знаниями, информацией, навыками как необходимом условии любого развития, что раскрывает очень существенную сторону технологии производства. Ведь в производственной деятельности очень важно не только иметь материальные условия производства (высокую фондовооруженность), но и чрезвычайно важно уметь их эффективно использовать. Имея одно и то же значение показателя фондовооруженности Ф, можно получить разный результат в виде производительности труда L за счет различной эффективности использования имеющихся производственных фондов. Умение высокоэффективно использовать материальную базу производства обеспечивает прирост производительности труда. Причем такой прирост появляется как бы «из ничего» — за счет уровня технологии (мастерства) У. Достоинство модели — достаточно глубокое осознание технологической 84 сущности производственного процесса. Однако в то же время выражение (5.5) получено не формальным математическим пу тем, а скорее путем обобщения большого производственного опыта. Модель не дает ответа на вопрос: какие изменения в тех нологическом процессе необходимо осуществить для повыше ния значения показателя производительности труда? Ведь про стое увеличение значения параметра Ф не всегда приводит к по вышению производительности труда: затраты на производство продукции могут быть и неэффективными. , Модель научно-технического развития А.И. Каца нацелена на решение проблемы динамической оптимизации экономического развития производства. Это предлагается осуществлять на основании общего критерия динамического оптимума где Z — объем конечной (условно-чистой) продукции; V -численность работников; С — капитальные вложения; Y — критерий сравни-' тельной динамической эффективности капитальных вложений. Необходимо отметить, что критерий динамического оптимума А.И. Каца хорошо соотносится с моделью, предложенной В.А. Трапезниковым. Если принять, что Z / V = L (производительность живого труда), С / V = Ф (фондовооруженность), то зависимости (5.5) и (5.6) становятся аналогичными. Основное содержание критерия динамического оптимума сводится к определению экономической эффективности капитальных вложений как основного источника роста производительности труда и объема получаемого общественного продукта. В этом смысле подход А.И. Каца отличается от подхода В.А. Трапезникова, который акцентировал внимание как раз на нематериальной стороне производственного процесса, на высокой роли знаний и умений. Цель использования общего критерия сводит-ся к обеспечению минимума совокупных затрат труда на единицу продукции не в первый период внедрения техники, а за ряд лет, в непрерывной динамике. По мнению А.И. Каца, рассмотрение затрат на производство продукции в их динамике имеет существенные преимущества перед широко применяемой статической оптимизацией затрат (например, с помощью производственной функции). Данное утверждение справедливо. Наиболее передовые образцы новой техники в значительной мере повышают фондоемкость продукции, понижая ее отдачу на единицу капитальных вложений. В динамике за ряд лет прогрессивная техника, несмотря на ее первоначальную дороговизну, дает боль85 шой эффект, нередко приводя в последующем к абсолютному снижению самой фондоемкости продукции. Например, на заре автомобилестроения, когда автомобиль двигался со скоростью пешехода, по затратам на производство и эксплуатацию он значительно уступал в выгодности простой гужевой повозке. Однако в настоящее время экономические показатели автомобиля значительно улучшились благодаря тому, что в отличие от гужевой повозки в нем был использован новый принцип действия, потенциальные возможности которого позволили достичь впечатляющих результатов. Нечто подобное происходит и с другими образцами новой техники в технологическом процессе. Критерий А.И. Каца вместе с тем не лишен недостатков. Вывод о том, что оптимальному развитию любого технологического процесса способствует преимущественное и ничем не ограниченное увеличение фондовооружености, нельзя признать справедливым. Рост фондовооруженности технологического процесса целесообразен лишь до тех пор, пока не исчерпаны потенциальные возможности этого технологического процесса. При исчерпании всех возможностей принципа действия некоторого технологического процесса дополнительные вклады в производственные фонды не будут экономически окупаться увеличением производительности труда, а приведут лишь к росту стоимости продукции. Обобщая подходы В.А. Трапезникова и А.И. Каца, необходимо отметить, что им обоим удалось увидеть дополняющие друг друга важнейшие стороны технологических (производственных) процессов: во-первых, что существенным фактором производства является мастерство использования имеющихся оборудования, сырья, энергии и т.д., а во-вторых, что новая техника и технология на стадии внедрения часто неконкурентоспособны со старыми, существующими техникой и технологией, поэтому необходимо использовать динамические критерии оценки технологических процессов, учитывающие этот факт. И хотя оба результата получены без изучения и уяснения структуры производственного и технологического процессов, механизма их функционирования, они свидетельствуют о недостаточности и неэффективности существующих методов экономической оценки производства. Только познав внутренний механизм функционирования производственного и технологического процессов, можно понять причины формирования конкретного значения того или иного производственного параметра технологического процесса и научиться изменять его значение. Это касается и повышения главного экономического параметра производства — производительности труда. 86 В модели научно-технического развития М.Д. Дворцина экономические результаты производственной деятельности впервые связаны с содержанием технологического процесса. Изменение экономических параметров технологического про-' цесса есть результат изменений в его структуре. Развитие технологического процесса складывается из стадий революционного и эволюционного развития. Эволюционное развитие является ограниченным в смысле экономической отдачи и характеризуется следующей математической моделью: где L — производительность живого труда; У — уровень технологии; В — технологическая вооруженность; где Q — выпуск (годовой чистый продукт); n — число работающих в технологическом процессе; Ф — годовые затраты прошлого труда за' исключением затрат на предмет труда. Экономическая граница эволюционного (рационалистического) развития наступает в момент времени, соответствующий минимуму совокупных затрат труда (сумма живого и прошлого труда) или, что одно и то же, максимуму производительности совокупного труда. М.Д. Дворцин выявил изменения, которые необходимо осуществить в структуре для обеспечения революционного и эволюционного развития технологического процесса. Вместе с тем, в его работах при формулировании закономерностей развития технологического процесса внимание фокусируется на целевой установке по снижению трудозатрат, а не на средстве ее достижения. Сравнение трех рассмотренных выше подходов к оценке производства позволяет сделать очевидный вывод о преимуществах системного подхода по сравнению с экономическим и технократическим. Системный подход направлен на познание технологической сущности производства, которое объясняет качественное состояние производства, его экономические показатели, и, что особенно ценно, — пути развития. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой технологическая система? Что является для нее системообразующим параметром? 87 2. Охарактеризуйте особенности цеха ремесленников как технологической системы. 3. Охарактеризуйте особенности мануфактуры как технологической системы. 4. Какие классификационные признаки можно выделить для характеристики технологических систем? 5. Охарактеризуйте параллельные технологические системы. 6. Охарактеризуйте последовательные технологические системы. 7. Что такое лимитирующее звено в последовательной технологической системе? Почему оно так называется? 8. Почему закономерности развития технологических систем по своей сути подобны закономерностям развития отдельно взятых технологических процессов? 9. Какие направления развития технологических систем вам известны? Охарактеризуйте их. 10. Что представляет собой оптимизация технологических систем? Чем она отличается от их развития? 11. Что представляет собой техническая система? Каково ее отличие от технологической системы? 12. Какие важнейшие элементы входят в состав любой технической системы? Каково их назначение? 13. Охарактеризуйте законы строения технических систем. 14. Охарактеризуйте законы развития технических систем. 15. Охарактеризуйте методы и модели оценки научнотехнологического развития производства. Раздел II. ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Глава 6. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ ХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Как отмечалось в главе 1, производственная деятельность является основой современной цивилизации, источником создания надприродных благ, при этом в основе любой производственной деятельности лежат разнообразные технологические процессы, которые в реальных условиях производства образуют технологические системы. В свою очередь отдельные технологические системы являются составными частями производственных систем, или так называемых хозяйственных комплексов (вспомним о неразрывной связи технологии и экономики в процессе производственной деятельности). С одной стороны, хозяйственный комплекс должен характеризоваться устойчивыми связями между составляющими его элементами (предприятиями, организациями и другими производственными объединениями). В качестве таковых выступают в первую очередь связи, обусловленные предметом труда (сырье, материалы, комплектующие изделия и т.д.), его средствами (машины и оборудование, инструменты и приспособления, средства перемещения грузов, средства связи, энергетические и информационные потоки и т.д.) и продуктом (товары и услуги). С другой — в основе формирования устойчиво функционирующего хозяйственного комплекса должны лежать принципы его построения (отраслевой, территориальный, технологический, продуктовый, административный, организационный). В силу исторических причин общественное производство Республики Беларусь формировалось в условиях так называемого единого народнохозяйственного комплекса СССР, от которого была унаследована отраслевая структура объединения субъектов хозяйствования. В настоящее время она переживает период трансформации, приводящей к образованию новых интеграционных структур, которые становятся многоотраслевыми или межотраслевыми. Более того, можно утверждать, что на формирование хозяйственных комплексов все большее влия89 ние начинают оказывать продуктовый и технологический принципы построения хозяйственных комплексов, что является объективной тенденцией. Как уже было сказано в главе 5, объединение предприятий в комплексы (системы), реализующие однотипные технологические методы обработки сырья, в наибольшей степени способствует распространению передового технологического опыта, а, значит, и развитию данных систем. С учетом вышеизложенного, охарактеризуем состав и структуру общественного производства Республики Беларусь по ряду основополагающих признаков. По продуктовому признаку все субъекты хозяйствования можно сгруппировать в две сферы производственной деятельности: производства товаров (промышленность, сельское хозяйство, строительство, лесное хозяйство) и услуг (транспорт, связь, торговля, здравоохранение, образование, наука, культура и т.д.). При этом сферу услуг отличают нематериальный характер продукта труда (неосязаемость), меньший технологический детерминизм в отношении качества продукта труда (вариантность) и большее влияние на результат особенностей субъекта, оказывающего услугу (человеческий фактор). По организационно-технологическому признаку в структуре общественного производства Республики Беларусь можно выделить следующие хозяйственные комплексы: • топливно-энергетический; • машиностроительный; • социально-потребительский; • химико-лесной; • строительный; • аграрно промышленный; • коммуникационный (транспорт и связь); • социально-культурный. Рассмотрим характерные организационные и технологические особенности важнейших хозяйственных комплексов Республики Беларусь. Топливно-эпергетический комплекс (ТЭК) является важнейшей структурной составляющей общественного производства Беларуси. Его продукция — существенный элемент жизнеобеспечения населения. Достаточно отметить, что ТЭК Республики Беларусь производит 24 % валовой промышленной продукции, в нем сосредоточено 22,8 % основных производственных фондов. Основная задача ТЭК — устойчивое обеспечение общественного производства и населения топливно-энергетическими ресурсами, а также продукцией переработки топлива. Структурно ТЭК представляет собой комбинированную технологическую систему. Он подразделяется на топливную промышленность и энергетику. 90 Топливная промышленность включает в себя нефтяную (добыча, транспортирование и переработка нефти), газовую (добыча, переработка, транспортирование, распределение, хранение газа) и торфяную промышленность (добыча торфа, изготовление торфобрикетов и побочных химических продуктов). Энергетика в нашей стране представлена преимущественно электроэнергетикой, которая, в свою очередь, включает в себя выработку электрической и тепловой энергии на тепловых электростанциях (ГРЭС и ТЭЦ) и электрической — на гидравлических (ГЭС), а также поставку электрической энергии потребителям посредством высоковольтных линий электропередач. С точки зрения технологических принципов переработки сырья в готовую продукцию в топливно-энергетическом комплексе используются преимущественно химические, гидромеханические и тепловые процессы. Топливно-энергетический комплекс характеризуется устойчивыми предметными связями с другими хозяйственными комплексами Республики Беларусь, а также зарубежных стран. Он является одним из главных поставщиков сырья для химико-лесного комплекса. Машиностроительный комплекс изготавливает для ТЭК энергетическое оборудование, транспортный — обеспечивает доставку его продукции потребителям, а строительный — создание или модернизацию производственных фондов. Машиностроительный комплекс представляет собой комбинированную систему предприятий машиностроения и металлообработки, а также смежных и вспомогательных производств и организаций (проектных, конструкторскотехнологических, научно-исследовательских). Организационно и технологически целесообразно включать в состав комплекса также предприятия металлургии, так как они обеспечивают основным сырьем машиностроительное производство. Машиностроительный комплекс нашей страны производит около 22 % валовой промышленной продукции, в нем сосредоточено 27 % основных! производственных фондов. Машиностроение нашей страны выпускает разнообразные средства производства, транспорт, а также предметы потребления. Определяющее значение для машиностроительного комплекса Республики Беларусь имеют следующие специализиро-ванные производства: автомобильная промышленность; тракторное и сельскохозяйственное машиностроение; станкостроительная и инструментальная промышленность; приборостроительная, радио- и электротехническая, электронная, оптико-механическая промышленность; металлообработка, строительное, дорожное и коммунальное машиностроение; машиностроение для легкой и пищевой промышленности. 91 С точки зрения технологических принципов переработки сырья в машиностроительном комплексе используются преимущественно механические и тепловые процессы. В особую подгруппу следует выделить металлургическое производство, в котором используются химико-технологические методы переработки сырья. Для машиностроения Республики Беларусь характерны устойчивые предметные связи как со всеми хозяйственными комплексами нашей страны, так и со странами ближнего и дальнего зарубежья. Машиностроительный комплекс является основным поставщиком орудий и средств труда для всего общественного производства страны. Социалыго-потребительский комплекс является комбинированной технологической системой, объединяющей производства, связанные с выпуском потребительских товаров и услуг, преимущественно обеспечивающих жизнедеятельность населения. В структуру данного комплекса входят следующие подкомплексы: • легкая промышленность; • торговля и общественное питание; • бытовое обслуживание; • жилищно-коммунальное хозяйство. Легкая промышленность представляет собой совокупность производств, перерабатывающих сельскохозяйственное и химическое сырье в ткани, одежду, обувь и другие предметы потребления, а также в изделия производственно-технического назначения. Легкая промышленность нашей страны производит около 6,3 % валовой промышленной продукции, в ней сосредоточено 4,8 % основных производственных фондов. В первую очередь она представлена текстильной, швейной и коже-веннообувной промышленностью. С точки зрения технологических принципов переработки сырья в готовую продукцию в данном подкомплексе используются в большей степени механические и в меньшей — химические и тепловые процессы. Легкая промышленность имеет устойчивые технологические связи с ЛПК и химической промышленностью, поставляющими ей исходное сырье, и с машиностроительным комплексом, обеспечивающим снабжение производственным оборудованием. Торговля является обособившейся в результате общественного разделения труда совокупностью предприятий, связанных с посреднической деятельностью по купле-продаже товаров. Будучи представителем сферы услуг, торговля имеет собственные развитую материально-техническую базу (складское хозяйство, включая подъемно-транспортное, холодильное и прочее оборудование; торговую сеть с соответствующим вит92 ринным, фасовочным и другим оборудованием, облегчающим механизацию торговых процессов; специализированный транспорт) и специфические технологические процессы оказания услуг (фасовка, упаковка, пакетирование, транспортирование, хранение, подготовка товаров к реализации и т.д.) По месту расположения конечных покупателей или потребителей торговля бывает внутренней и внешней, а в зависимости от количества изделий в реализуемой партии продукции — оптовой и розничной. В свою очередь, розничная торговая сеть подразделяется на стационарную, передвижную и посылочную, в том числе через Интернет-магазины. С точки зрения технологических принципов воздействия на предмет труда в данном подкомплексе в большей степени используются механические и тепловые процессы. Торговля как обособившаяся сфера производственной деятельности освобождает другие хозяйственные комплексы от необходимости заниматься реализацией произведенной продукции, что в свою очередь позволяет товаропроизводителям в большей степени концентрировать свои усилия на совершенствовании производства. Общественное питание — совокупность специализированных производств, занятых выпуском готовой пищевой продукции и ее реализацией населению через собственную сеть (рестораны, кафе, столовые, буфеты и т.д.). Предприятия общественного питания применяют широчайший спектр оборудования для дозирования, перемешивания, смешения, формования, термической обработки и обжаривания пищевого сырья. В последнее время используется оборудование с использованием нетрадиционных воздействий на исходное сырье — токов сверхвысокой частоты, микроволнового и инфракрасного излучений; мембранная технология. С точки зрения технологических принципов переработки сырья в готовую продукцию в данном подкомплексе используются в равной степени все базовые процессы: механические, гидромеханические, тепловые, массообменные, химические, биологические. Хотя общественное питание не связано технологически с другими хозяйственными комплексами, тем не менее его роль в создании благоприятных условий для обеспечения жизнедеятельности трудовых ресурсов предприятий велика, а, значит, — и косвенное влияние на повышение эффективности и результативности труда. Бытовое обслуживание ~ совокупность специализированных предприятий и организаций, работающих непосредственно 93 с индивидуальными заказчиками и предоставляющих им разнообразные бытовые услуги, такие как изготовление продукции для личного потребления по индивидуальным заказам, ремонт сложно-технических изделий, используемых в быту, и т.д. По технологическому признаку сфера бытового обслуживания подразделяется на следующие производственные группы: химическая чистка и окраска одежды, ремонт и пошив обуви, ремонт и пошив одежды, ремонт и техническое обслуживание аудио-, видео-, телеагшаратуры и другой бытовой техники, ремонт и техническое обслуживание транспортных средств, ремонт и строительство жилья, услуги банно-прачечных комбинатов, фотоателье и ателье проката, парикмахерских, транс -портноэкспедиторские, ритуальные и прочие услуги. С точки зрения технологических принципов воздействия на предмет труда в данном подкомплексе используются в равной степени все базовые процессы, за исключением биологических: механические, гидромеханические, тепловые, массообменные, химические. Жилищно-коммунальное хозяйство предназначено для обеспечения воспроизводства и содержания жилищного фонда, а также доведения жилищно-коммунальных услуг до населения. По виду выполняемых работ и технологическому признаку жилищно-коммунальное хозяйство подразделяется на следующие сферы деятельности: • жилищное хозяйство, занятое строительством, ремонтом и содержанием жилья, включая сооружения жилищной инфраструктуры; • коммунальное хозяйство, осуществляющее водо-, газо-, тепло, электроснабжение жилого фонда; уборку и благоустройство территорий населенных пунктов (канализация, озеленение, сбор, вывоз и утилизация мусора и бытовых отходов), транспортное обслуживание населения; • гостиничное хозяйство. С точки зрения технологических принципов воздействия на предмет труда в данном подкомплексе в равной степени используются все базовые технологические процессы. Как и общественное питание, жилищно-коммунальное хозяйство технологически мало связано с хозяйственными комплексами страны (за исключением машиностроительного комплекса, поставляющего ему оборудование, машины, комплектующие), так как функционально направлено на удовлетворение потребностей населения, а не сферы производства. Химико-лесной комплекс является комбинированной технологической системой, включающей в себя следующие подкомплексы: 94 • химический (химическая и нефтехимическая промышленность); • лесохозяйственный (лесное хозяйство и лесозаготовка); • лесопромышленный (деревообрабатывающая, целлюлознобумажная, лесохимическая промышленность). Химико-лесной комплекс нашей страны производит около 17,5 % валовой промышленной продукции, в нем сосредоточено более 20 % основных производственных фондов. Химический и нефтехимический подкомплекс Республики Беларусь включает предприятия по производству минеральных кислот и удобрений (азотных, фосфорных, калийных); химических волокон; резинотехнических изделий и шин; полимерных материалов и изделий; лакокрасочных материалов, синтетических моющих средств. С точки зрения технологических принципов переработки сырья в готовую продукцию в данном подкомплексе преимущественно используются химико-технологические процессы, а также тепловые и массообменные. Лесохозяйственный подкомплекс Республики Беларусь включает в себя совокупность производств, связанных с воспроизводством, охраной, защитой лесных ресурсов, заготовкой и первичной переработкой древесины, а также переработкой их отходов. С точки зрения технологических принципов переработки сырья в готовую продукцию в данном подкомплексе преимущественно используются механические процессы, а также частично — химические. Лесопромышленный подкомплекс Республики Беларусь представлен в первую очередь предприятиями лесопильной промышленности, по производству древесных строительных материалов и конструкций, мебели, бумаги и картона, продуктов химической переработки древесного сырья. С точки зрения технологических принципов переработки сырья в готовую продукцию в данном подкомплексе в одинаковой степени используются механические и химические процессы. Химико-лесной комплекс республики имеет устойчивые технологические связи практически со всеми хозяйственными комплексами Беларуси и зарубежных стран — как по поставкам своей продукции, так и по закупкам исходного сырья и оборудования. Аграрно-промышленный комплекс (АПК) — совокупность технологически связанных производств, осуществляющих производство сельскохозяйственного сырья и его первичную переработку в пищевую продукцию и сырье для последующего ис95 пользования в других хозяйственных комплексах (например, в химической и легкой промышленности). Агропромышленный комплекс является комбинированной технологической системой и структурно состоит из двух сфер: производственной и обслуживающей. Производственная сфера АПК включает в себя: • сельское хозяйство (земледелие и животноводство); • рыбное хозяйство (речное, прудовое); • мукомольно-крупяное и комбикормовое производство; • пищевую промышленность; • производства, связанные с первичной переработкой сельскохозяйственной продукции для нужд легкой и химической промышленности; • предприятия по техническому обслуживанию и ремонту сельскохозяйственной техники; • предприятия по созданию и обслуживанию производственной инфраструктуры сельского хозяйства, включая сельское производственное строительство. Обслуживающая сфера ЛПК включает в себя предприятия, обеспечивающие заготовку, хранение, транспортирование и реализацию сельскохозяйственной продукции, а также осуществляющие иные действия (например, материальнотехническое снабжение). Агропромышленный комплекс Республики Беларусь производит около 20 % валовой промышленной продукции, в нем сконцентрировано более 21 % основных производственных фондов. С точки зрения технологических принципов воздействия на предмет труда в данном комплексе используются в равной степени все базовые технологические процессы. Технологически агропромышленный комплекс в первую очередь связан с торговлей, а также поставляет готовую продукцию общественному питанию и сырье — легкой и химической промышленности, получая соответствующее оборудование и комплектующие от машиностроительного комплекса. Строительный комплекс является комбинированной технологической системой предприятий, объединений, организаций, деятельность которых направлена на разработку, создание и реконструкцию строительных объектов производственного и непроизводственного назначения (зданий, сооружений, объектов инфраструктуры), а также на изготовление строительных материалов и изделий. На долю строительного комплекса Республики Беларусь приходится около 7,3 % валового внутреннего продукта страны. 96 Строительный комплекс включает в свой состав два сектора: капитальное строительство и промышленность строительных материалов. Капитальное строительство в зависимости от вида сооружаемого объекта подразделяется на промышленное, сельскохозяйственное, энергетическое, жилищно-коммунальное, транспортное и др. При этом капитальное строительство выполняет как собственно строительные, так и монтажные работы, в том числе проектно-изыскательские, а также бурение нефтяных и газовых скважин. С точки зрения технологических принципов воздействия на предмет труда в данном комплексе используются преимущественно механические процессы. Промышленность строительных материалов и изделий занята производством продукции, используемой в строительных работах, а также предметов потребления. Важнейшими ее составными элементами являются: керамическая и стекольная промышленность, производство минеральных вяжущих веществ (портландцемента и строительной извести), изделий и конструкций из железобетона и др. С точки зрения технологических принципов воздействия на предмет труда в данном комплексе используются преимущественно химические, гидромеханические, механические, тепловые и массообменные процессы. Строительный комплекс технологически связан со всеми хозяйственными комплексами, так как создание или реконструкция любого субъекта хозяйствования связаны с проведением строительных или монтажных работ. Коммуникационный комплекс (лат. communicatio < com-t munico — делаю общим, связываю, общаюсь) — комбинированная технологическая система, предназначенная для перевозки разнообразных объектов (грузов и пассажиров), передачи и распространения информации, а также обеспечения стабильного функционирования субъектов хозяйствования и органов управления государством. В состав коммуникационного комплекса входят два технологически различающихся подкомплекса: транспорт и связь. Транспорт (лат. transporto — перемещаю) — сфера деятельности по перевозке материальных объектов и населения. Она является элементом, формирующим инфраструктуру общественного производства через обеспечение взаимосвязей всех его элементов. Велика роль транспорта в развитии связей не только внутри страны, но и на международном уровне. Доля транспорта в валовом внутреннем продукте составляет 8,4 %, в основных фондах — 15,4 %. 97 По характеру выполняемых работ различают грузовой и пассажирский транспорт. По характеру использования транспорт бывает: общего пользования, ведомственный, внутрипроизводственный; по технологическому признаку (виду транспортного средства) — железнодорожный, автомобильный, водный (речной, морской), воздушный, трубопроводный, гужевой. Связь — элемент коммуникационного комплекса, обеспечивающий передачу, прием и распространение информационных потоков с помощью различных технических средств. По технологическому принципу различают следующие виды связи: • почтовую, обеспечивающую регулярную пересылку периодических изданий, письменной корреспонденции, денежных переводов, посылок, бандеролей с помощью специализированных транспортных средств; • электрическую, осуществляющую передачу информации в кодированном виде на большие расстояния посредством специальных систем технических устройств. Разновидностями электрической связи являются: • телеграфная связь (гр. tele — вдаль, далеко + grapho — писать) — передача на расстояние буквенно-цифровых сообщений (телеграмм) с обязательной их записью в пункте приема. Телеграфная связь осуществляется посредством электрических сигналов, передаваемых по проводам, и (или) радиосигналов. Телеграфные сообщения передаются при помощи телеграфных аппаратов по каналам телеграфной сети в виде кодовых комбинаций. По назначению и характеру передаваемой информации различают: телеграфную связь общего пользования, абонентское телеграфирование и факсимильную связь. Особенностью телеграфной связи является письменное документирование переданного сообщения; • телефонная связь (гр. tele — вдаль, далеко + phone — звук) — передача на расстояние речевой информации, осуществляемая при помощи электрических сигналов, распространяющихся по проводам, или радиосигналов. Телефонная связь обеспечивает ведение устных переговоров между абонентами, удаленными друг от друга практически на любое расстояние. Различают следующие виды телефонной связи: - стационарную: местную (городскую и сельскую), междугородную и международную, внутриведомственную, внутрипроизводственную ; - мобильную (с подвижными объектами): радиотелефонную (радиосвязь), сотовую, спутниковую, пейджинговую. Радиосвязь (от лат. radio — испускаю лучи) — способ передачи информации на расстояние посредством радиоволн. Такой вид связи широко используется в системе здравоохранения, 98 МЧС, МВД, Министерством обороны, а также для обеспечения связи с легковыми такси. Сотовая связь осуществляется посредством системы базовых стационарных станций, имеющих свою зону (соту) обеспечения устойчивой телефонной связи и объединенных в единую сеть. При перемещении объекта с сотовым телефоном устойчивая связь обеспечивается путем его «передачи» с одной базовой станции на другую. В последнее время, благодаря большим технологическим и потребительским возможностям, сотовая связь начинает вытеснять радиосвязь. Спутниковая связь передает радиосигналы с помощью геостационарных спутников, обеспечивая тем самым возможность ведения разговоров с абонентом, расположенным в любой точке земного шара, далее вне досягаемости традиционных систем связи. Пейджинговая связь (пейджинг) (англ. page — страница) — персональный радиовызов абонента, телекоммуникационная услуга, обеспечивающая беспроводную одностороннюю связь в пределах обслуживаемой зоны. Данный вид связи осуществляется с помощью пейджера — портативного беспроводного устройства для приема и записи информации. При этом односторонняя связь устанавливается через посредника-оператора, который принимает голосовой сигнал по телефону, записывает его, кодирует и передает на пейджер абонента, которому адресовалось сообщение; • электронная почта — способ передачи информации (буквенно-цифровой, графической, звуковой, видео-) посредством сети Интернет. И н т е р н е т (англ. Internet от лат. inter — между и англ. net — сеть, паутина) — международная (всемирная) компьютерная сеть электронной связи, объединяющая региональные, национальные, локальные и другие сети, позволяющая пользователям персональных компьютеров, находясь на любом расстоянии, в любой точке земного шара, иметь связь друг с другом, принимать и передавать текстовую и изобразительную информацию. Как и торговля, коммуникационный комплекс обеспечивает устойчивые технологические связи между хозяйственными комплексами, освобождает их от необходимости решать проблемы транспортирования сырья и произведенной продукции, что в свою очередь позволяет товаропроизводителям в большей степени концентрировать свои усилия на усовершенствовании собственного производства. Социально-культурный комплекс функционально предназначен для оказания населению социально значимых услуг. Результатом деятельности производственных элементов данного комплекса является формирование грамотного, физически здорового и духовно богатого гражданина. 99 Основными структурными элементами данного комплекса являются: • образование (дошкольное, базовое, среднее, профессиональнотехническое, среднее специальное, высшее); • здравоохранение (поликлиники, клинические больницы, санатории, профилактории, аптеки, диспансеры и другие специализированные учреждения); • физическая культура и спорт (соответствующие сеть и инфраструктура разнообразных спортивных сооружений); • культура и искусство (театры и музыкальные учреждения, музеи, библиотеки, клубы, кинотеатры, музыкальные образовательные учреждения и др.). Трудно переоценить роль и значение данного комплекса в повышении общественного благосостояния, улучшении качества жизни населения, обеспечении социальной стабильности в обществе. Из-за невозможности в рамках одного учебного пособия дать описание всех технологических процессов, характеризующих производственную деятельность всех хозяйственных комплексов нашей страны, в последующих главах будут рассмотрены технологические основы ключевых для Республики Беларусь производств. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой хозяйственный комплекс? Какими признаками он должен характеризоваться? 2. На какие две сферы можно разделить общественное производство по продуктовому признаку? Дайте краткую характеристику каждой из них. 3. Какие особенности отличают сферу производства товаров от сферы услуг? 4. Какие хозяйственные комплексы можно выделить в общественном производстве по организационно-технологическому признаку? Чем они отличаются друг от друга? 5. Охарактеризуйте организационные и технологические особенности топливно-энергетического комплекса. Какие элементы входят в его состав? 6. Охарактеризуйте организационные и технологические особенности машиностроительного комплекса. 7. Охарактеризуйте организационные и технологические особенности социально-потребительского комплекса. Какие подкомплексы входят в его состав? 8. Охарактеризуйте организационные и технологические особенности химико-лесного комплекса. Какие подкомплексы входят в его состав? 9. Охарактеризуйте организационные и технологические особенности агропромышленного комплекса. 10. Охарактеризуйте организационные и технологические особен ности строительного комплекса. 100 11. Охарактеризуйте организационные и технологические особенности коммуникационного комплекса. Каковы его важнейшие функции? 12. Охарактеризуйте организационные и технологические особенности социально-культурного комплекса. Глава 7. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА 7.1. Общие сведения о машиностроении Машиностроение занимает ведущее положение среди других хозяйственных комплексов. Это обусловлено тем, что основные производственные процессы во всех отраслях промышленности, строительства и сельском хозяйстве выполняют разнообразные машины. Поэтому первостепенная роль в техническом перевооружении всего общественного производства нашей страны, повышении его технического уровня, улучшении качественных показателей всех сфер деятельности принадлежит машиностроению. Машиностроение является технической основой функционирования и развития общественного производства. Только в результате насыщения всех отраслей народного хозяйства высокопроизводительными машинами, внедрения комплексной механизации и автоматизации производства можно добиться такого повышения производительности труда и расширения выпуска различной продукции, чтобы были удовлетворены материальные и культурные потребности общества. От степени совершенства деталей машин зависит качество машины в целом, а именно качество будет определять конкурентоспособность продукции машиностроения в XXI в. Основными направлениями научно-технологического прогресса в машиностроении являются: • техническое совершенствование и обновление конструкций машин в условиях непрерывно возрастающих и усложняющихся требований; • повышение в экономически оправданных пределах единичных мощностей машин и оборудования; • уменьшение затрат на производство машин в расчете на единицу производительности; • снижение удельной металлоемкости и энергопотребления машин и оборудования; • повышение надежности машин, аппаратов, технологических блоков и целых производственных систем; 101 • применение новейших технологических процессов обработки, основанных на физических и физико-химических явлениях; • комплексная механизация и автоматизация технологических процессов и оборудования; • использование прогрессивных конструкционных материалов; • реализация прогрессивных организационных и техникоэкономических решений, повышающих эффективность использования достижений науки и техники. Производственный процесс изготовления машин представляет собой совокупность технологических и экономических процессов, в результате которых исходные материалы, полуфабрикаты преобразуются в заготовки с последующей их обработкой с целью получения готовых изделий — деталей машин. Из сборочных единиц и деталей машин путем сборки получают конечную продукцию машиностроения — средства производства. Процесс изготовления машин на машиностроительном предприятии подразделяется на основное, вспомогательное и обслуживающее производство. Основное производство включает технологические процессы преобразования исходных материалов, полуфабрикатов и комплектующих в готовую продукцию — средства производства. Данные процессы основаны, как правило, на механических, тепловых и в меньшей степени — химических воздействиях на предмет труда. К ним относят процессы получения заготовок методами обработки металлов давлением, литья, сварки, резки, сортового проката, механической и термической обработки деталей машин, сборки машин, их отделки, окраски, нанесения покрытий и т.д. Вспомогательное производство обеспечивает нормальное функционирование основного производства. Ото изготовление различных видов технологической оснастки, приспособлений, режущего, штампового и измерительного инструментов; ремонт оборудования; эксплуатация подъемпо-транспортного оборудования, компрессорных станций; энергетическая и другие службы машиностроительного предприятия. Обслуживающее производство включает внутризаводское (межцеховое) транспортирование материалов, полуфабрикатов, деталей, сборочных единиц и других изделий; складские операции, технический контроль, учет продукции и другие службы. В свою очередь, основное производство в машиностроении состоит из трех основных этапов: заготовительного, обрабатывающего и сборочного (рис. 7.1). 102 Заготовительное производство в машиностроении включает технологические процессы преобразования исходных материалов в заготовки деталей машин. Основными технологическими процессами заготовительного производства в машиностроении являются обработка металлов давлением, литье, сварка. В результате осуществления технологических процессов заготовительного производства из исходного сырья получают заготовки деталей машин. Обрабатывающее производство главным образом включает технологические процессы обработки материалов резанием, термическую и химико-термическую обработку деталей машин, а также специальную обработку и нанесение защитных покрытий (гальваническое производство). В результате осуществления технологических процессов обрабатывающего производства из заготовок получают готовые детали машин с требуемыми формой, точностью размеров, шероховатостью и другими физико-механическими характеристиками и показателями качества. Сборочное производство является заключительным этапом изготовления машин. Технологический процесс сборки связан с образованием разъемных и неразъемных соединений составных частей машины. При этом из готовых деталей собираются узлы, из которых в свою очередь по заранее определенной схеме получают готовое сложно-техническое изделие — машину. Подробнее технологические основы заготовительного, обрабатывающего и сборочного производств в машиностроении будут рассмотрены в параграфах 7.2, 7.3 и 7.4 соответственно. Организационно-производственный процесс на предприятии машиностроения осуществляется в специализированных цехах: кузнечно-прессовых, литейных, сварочных, обрабатывающих, термических, сборочных и др. с помощью соответствующего технологического оборудования. 7.2. Важнейшие технологические процессы заготовительного производства в машиностроении Важнейшими технологическими процессами заготовительного производства в машиностроении являются обработка металлов давлением и литейное производство. Основным исходным сырьем машиностроительного производства являются металлы и сплавы на их основе. Металлами называются непрозрачные кристаллические вещества, обладающие такими характерными свойствами, как прочность, пластичность, электропроводность, теплопровод104 ность, блеск. Металлы традиционно подразделяются на две большие группы: черные и цветные. К ч е р н ы м металлам относят железо и сплавы на его основе — • сталь и чугун, а иногда также марганец и хром; к ц в е т-н ы м — все остальные металлы и сплавы на их основе, среди которых наибольшее применение в машиностроении нашли алюминий, медь, титан, никель. Огромные преимущества металлических материалов перед остальными состоят в возможности целенаправленного изменения их состава и структуры исходя из конкретных потребностей деталей и изделий машиностроения, а также в том, что по набору своих физических, химических, механических, технологических свойств, а также приемлемости стоимости они превосходят другие конструкционные материалы, в частности полимерные. При этом необходимо отметить, что в последнее время все же наблюдается тенденция вытеснения металлов и сплавов на их основе более технологичными полимерными и композиционными материалами, стоимость которых по мере развития технологии их изготовления постепенно снижается. Основной задачей технологических процессов заготовительного производства является получение заготовок, приближенных по форме и размерам к готовым деталям. Обработка материалов давлением является одним из наиболее распространенных и прогрессивных способов обработки, так как по сравнению с другими методами она обеспечивает меньшие потери металла, высокую производительность, относительно малую трудоемкость, увеличение прочности металла, широкие возможности механизации и автоматизации технологических процессов. Заготовки, получаемые обработкой давлением, имеют минимальные припуски на механическую обработку, а иногда и не требуют такой обработки. При обработке металлов давлением происходит пластическая деформация, изменяющая форму заготовки без изменения ее массы. На формообразование заготовок из конструкционных материалов влияет их пластичность, т.е. способность изменять форму под воздействием внешней силы, не разрушаясь, и сохранять полученную форму после прекращения действия силы. Природная пластичность различных материалов неодинакова и зависит в первую очередь от их структуры и химического состава. Одни материалы обладают высокой пластичностью в холодном состоянии и могут изменять свою форму без предварительного нагрева. Другие для повышения пластичности нагревают и подвергают пластической деформации в горячем состоянии. Исходя из этого, различают холодную и горячую обработку материалов давлением. 105 При обработке металлов давлением широко применяются следующие технологические методы: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, штамповка (рис. 7.2). Прокатка является наиболее распространенным и экономичным способом обработки металлов давлением. Более 80 % выплавляемой стали поступает в прокатное производство, продукция которого стандартизирована и включает более 1000 наименований различного профиля: прокат простого профиля (круг, квадрат, шестигранник и др.), прокат фасонного профиля (швеллер, двутавр, уголок и др.), листовой прокат, трубы, периодический прокат и прокат специального профиля. Перечень прокатываемых изделий с указанием формы профилей и их размеров называется сортаментом проката. Сущность процесса прокатки (рис. 7.2, а) заключается в деформировании металла (заготовки) путем обжатия между вращающимися валками прокатного стана, в результате чего происходит изменение формы заготовки (уменьшается поперечное сечение заготовки и увеличивается ее длина). Волочение — процесс протягивания (рис. 7.2, б) на волочильном стане прутка через отверстие волочильной доски: при этом поперечное сечение прутка уменьшается, длина увеличивается, а обрабатываемый металл принимает форму и размеры этого отверстия. Волочением получают проволоку диаметром от 4 до 0,01 мм и менее, калиброванные валки, прутки различного профиля. Волочение применяют также для уменьшения диаметров труб. Для получения тонкой проволоки требуется последовательное протягивание исходного материала через несколько отверстий (от 4 до 12), которое называют многократным. 106 Волочение обеспечивает получение заготовок точных размеров с высоким качеством поверхности и тонких профилей, в том числе тонкостенных труб, а также различных фасонных изделий. Прессование — процесс выдавливания металла, заключенного в замкнутый объем цилиндра-матрицы через отверстие в матрице, в зависимости от формы и размеров которого получают изделия любой, даже самой сложной формы (рис. 7.2, в). Прессование осуществляется на специальных прессах. Методом прессования получают прутки различного профиля и размера (5—200 мм), трубы с внутренним диаметром до 80 мм. По сравнению с прокаткой процесс прессования обеспечивает более точные размеры изделий, большую производительность, а также возможность обработки менее пластичных материалов. К недостаткам прессования относят наличие пресс-остатка (отходов), а также ограниченность размеров и массы получаемых изделий. Свободная ковка (рис. 7.2, г) — процесс горячей обработки металлов давлением, в ходе которого имеет место свободное течение металла в стороны. Исходным материалом при свободной ковке служат слитки, прокат различных профилей и прессованный металл. Изделие, полученное ковкой, называют поковкой. Свободную ковку применяют преимущественно в единичном и мелкосерийном производствах, а также для получения поковок большой массы. К недостаткам ковки следует отнести в первую очередь низкую производительность процесса, невысокое качество изделий и зависимость качества продукции от квалификации кузнеца. Штамповка — процесс деформации металла в горячем или холодном состоянии, в ходе которого течение металла ограничено стенками рабочей поверхности специального инструмента — штампа. Штамповка может быть объемной и листовой. Для объемной штамповки (рис. 7.2, д) исходными материалами служат прутки или штучные заготовки. Штампы для горячей объемной штамповки состоят из двух частей — верхней и нижней. Полости штампа называют ручьями. Одноручьевые штампы применяются при изготовлении простых поковок. В многоручьевых штампах имеется ряд последовательно расположенных ручьев, в которых производят заготовительные и штамповочные операции. Прогрессивным процессом горячей объемной штамповки является безоблойная штамповка, т.е. штамповка в закрытых штампах без образования облоя, что дает возможность значительно экономить металл. Кроме того, отпадает необходимость в обрезных штампах и прессах. Изделие, полученное объемной штамповкой, называют поковкой. 107 Листовая штамповка (рис. 7.2, ё) является передовым методом обработки металлов давлением, характеризующимся высокой производительностью, простотой технологического процесса, точностью получаемых размеров изделия и низкой себестоимостью. Исходным материалом для нее служат листы, ленты, полосы. Для изготовления изделий толщиной свыше 8 мм применяют горячую листовую штамповку. Так как при штамповке металл деформируется в заранее изготовленных формах (штампах), то заготовка получается более точной и чистой, чем при свободной ковке. Штамповку экономически целесообразно применять в серийном и массовом производствах, так как штампы являются дорогим инструментом. Очевидно, что каждый штамп предназначен только для получения определенного типа заготовок. Технологическое оборудование для обработки металлов давлением делят на следующие группы: • основное: для выполнения технологических операций деформирования металла при прокатке, волочении, прессовании, ковке, штамповке (прокатные и волочильные станы, молоты, прессы и др.); • дополнительное: оборудование и машины для резки заготовок из сортового проката (пресс-ножницы, зубчатые и фрикционные пилы, ножовочные станки, отрезные фрезерные станки и фрезерные автоматы), нагревательные печи и электронагревательные устройства, посадочные машины, кантователи, манипуляторы; • вспомогательное: машины и механизмы для транспортировки заготовок от нагревательных устройств к основному оборудованию (мостовые краны, конвейеры, кран-балки, электротали, монорельсы, консольные краны, напольные транспортеры и др.), машины и оборудование для очистки воздуха и газов (вытяжные зонты, вентиляторы, воздуходувки и др.). Другим широко используемым методом получения заготовок в машиностроении является литье. Литейное производство — совокупность технологических процессов получения фасонных изделий (отливок) путем заливки расплавленного металла в полую форму, воспроизводящую очертания и имеющую размеры будущей детали. После затвердевания металла в форме получается заготовка или деталь, называемая отливкой. Литье является одним из важнейших и наиболее распространенных способов изготовления заготовок, деталей и готовой продукции. Литьем получают продукцию всевозможных конфигураций, размеров и массы из различных металлов и сплавов: чугуна, стали, сплавов меди, алюминия, магния и т.д. 108 Литье наиболее простой и дешевый, а иногда и единственный способ изготовления заготовок. Точные методы литья позволяют получать отливки с высокой воспроизводимостью размеров и малой шероховатостью поверхностей, часто не требующие дальнейшей механической обработки. Наряду с достоинствами литье имеет и недостатки, основными из которых являются неоднородность химического состава и низкие механические качества получаемых отливок. Сущность процесса литья заключается в том, что расплавленный металл определенного химического состава заливается в заранее приготовленную литейную форму, полость которой по своим размерам и конфигурации соответствует форме и размерам требуемой заготовки. После остывания заготовку, деталь или готовое изделие извлекают из формы. Литейные формы могут быть разового и многократного применения. Для получения отливок высокого качества литейные сплавы должны обладать определенными литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью, низкой усадкой, иметь химическую однородность структуры, низкую температуру плавления и т.д. Плавление металлов перед заливкой в формы выполняют на различном оборудовании, например: чугуна — в вагранках и шахтных печах; углеродистых и легированных сталей — в мартеновских и электропечах; медных сплавов — в дуговых, индукционных и пламенных отражательных печах, а также в тиглях; алюминиевых сплавов — в электрических и пламенных печах. Все многообразие применяемых технологических процессов литейного производства можно разделить на две группы: 1) получение отливок в одноразовых (разрушаемых) формах; 2) получение отливок в формах многоразового применения. Рассмотрим особенности данных групп технологических процессов литейного производства. Получение отливок в одноразовых формах осуществляется при следующих технологических процессах литейного производства: литье в песчано-глинистые формы, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и др. Литье в песчано-глинистые формы. Несмотря на то, что отливки, полученные этим методом, наименее точны, имеют грубую поверхность, а сам технологический процесс отличается высокой трудоемкостью и многоэтапностью, литье в песчано-глинистые формы по-прежнему является основным технологическим методом получения отливок на отечественных предприятиях: им получают до 60 % общего объема чугунных и стальных отливок. Широкое распространение метода литья в песчано-глинистые формы объясняется таким его технико-экономическим преимуществом, как низкая себестоимость. Она 109 обусловлена дешевизной и относительной доступностью исходных материалов для литейных форм (кварцевый песок, глина, вода), очень простыми устройством и обслуживанием технологической оснастки и оборудования, использованием наиболее дешевого литейного сплава для отливок — серого чугуна. Разовые литейные формы позволяют получать практически любые по конфигурации, сложности и массе отливки. Технологический процесс получения отливок методом литья в песчано-глинистые формы включает следующие этапы: • изготовление технологической оснастки; • приготовление формовочных и стержневых смесей; • изготовление разовых литейных форм и стержней; • расплавление металла и заливка литейных форм; • охлаждение, выбивка отливок из форм, обрубка, очистка и контроль качества отливок и др. На рис. 7.3 проиллюстрирован процесс получения отливок методом литья в песчано-глинистые формы (в подрисуночной подписи приведены названия основных элементов технологической оснастки). Литейная технологическая оснастка включает следующие элементы: • модель — копия будущей детали с некоторыми изменениями, учитывающими припуск на механическую обработку и удобство извлечения модели из формы; • стержень — элемент литейной оснастки, воспроизводящий очертания внутренних полостей и отверстий в будущей отливке. Стержень изготавливается из песчано-глинистой смеси и в дальнейшем извлекается из отливки; 110 • литниковая система — каналы, через которые обеспечиваются непрерывное поступление расплава металла в полость литейной формы и питание отливки для компенсации усадки; • опоки — технологические приспособления в виде жестких рам прямоугольной формы, которые служат для удержания формовочной смеси при ее уплотнении; • выпоры — каналы, через которые из полости формы вытесняется воздух при заливке расплавленного металла. В настоящее время на машиностроительных предприятиях литье в песчано-глинистые формы постепенно вытесняется наиболее прогрессивными способами литья — литьем в оболочковые формы и по выплавляемым моделям, а также в формах многоразового действия, которые называют специальными способами литья. Тенденция перехода от традиционного литья в песчаноглинистые формы к специальным способам литья объясняется тем, что применение последних способствует резкому снижению трудозатрат и металлоемкости получаемых отливок, достижению высоких физико-механических свойств литых деталей. Однако их использование экономически оправдано только в условиях серийного и массового производства. При этом заметим, что переход к специальным методам литья представляет собой революционное развитие технологии литейного производства. Основные технико-экономические показатели специальных технологических процессов литья следующие: получение отливок более точных размеров с высокой чистотой поверхности; повышение коэффициента использования металла и уменьшение объема механической обработки; улучшение качества металла отливок; уменьшение потерь от брака; сокращение производственных площадей; улучшение санитарно-гигиенических условий, повышение производительности труда и др. Рассмотрим специальные способы литья при получении отливок в формах многоразового использования (на примерах литья в кокиль, центробежного литья, литья под давлением). Литье в кокиль. В кокилях (металлических формах) изготавливают отливки самой разнообразной конфигурации из цветных и черных сплавов. Конструкция и материал кокилей различны и зависят от металла получаемой отливки. Технологический процесс литья в кокиль включает следующие операции: • подготовку кокиля: подогрев половинок газовыми горел ками; нанесение пульверизатором быстротвердеющей теплои золяционной окраски; простановку стержня; сдвигание и за жим половинок кокиля; 111 • заливку, затвердевание и охлаждение расплавленного металла; раскрытие половинок кокиля, удаление стержня из отливки и отливки из кокиля; • обрубку, очистку и контроль качества отливок. Для крупносерийного и массового производства отливок наиболее целесообразно применение специальных (четырех- и более многопозиционных) машин. По сравнению с универсальными для этих машин характерны: • высокая производительность благодаря совмещению во времени всех операций технологического цикла (эволюционное развитие технологии); ,г • минимальная занимаемая площадь, наименьшие энергетические затраты, удобство обслуживания и наиболее рациональная организация работы; • допустимость механизации и автоматизации основных и вспомогательных операций и на этой основе — возможность встраивания производства отливок в автоматические линии (рационалистическое развитие технологии). При технико-экономической оценке кокильного литья следует учитывать достоинства и недостатки этого технологического метода получения отливок. Достоинства: возможность многократного использования кокилей; повышенная точность размеров и малая шероховатость поверхности отливок; улучшение механических свойств металла отливок; высокая производительность труда; снижение стоимости отливок; сокращение потребности в производственных площадях и улучшение условий труда; сокращение трудоемких и энергоемких операций очистки отливок; широкие возможности комплексной механизации и автоматизации процесса литья. Недостатки: трудоемкость и сравнительно высокая стоимость изготовления кокилей; быстрое охлаждение расплава при заполнении металлической формы, которое может привести к образованию внутренних напряжений и трещин в отливках; ограниченные возможности отвода воздуха и газов из полости металлической формы. Центробежное литье — высокопроизводительный способ изготовления отливок тел вращения с центральным отверстием — труб, втулок и др., а также фасонного литья из чугуна, стали и цветных сплавов. Сущность центробежного литья заключается в том, что расплавленный металл заливается во вращающуюся форму. Под действием центробежных сил он отбрасывается к стенкам формы, затвердевает, получая плотную структуру без усадочных раковин. Неметаллические включения собираются на внутренней стороне отливки и удаляются при дальнейшей механической обработке. 112 Для центробежного литья применяют два типа машин: с горизонтальной и вертикальной осями вращения формы (рис. 7.4). В машинах с горизонтальной осью вращения (рчс. 7.4, а) металл из ковша 1 через желоб 2 заливается во вращающуюся форму 3, где затвердевает. После охлаждения готовая отливка с помощью специальных приспособлений извлекается из формы. Отливки получаются точной конфигурации, с малой шероховатостью поверхностей. Они имеют плотную мелкозернистую структуру металла. Машины с горизонтальной осью вращения применяют для изготовления чугунных и стальных труб, втулок и других тел вращения с отверстием; машины с вертикальной осью вращения (рис. 7.4, б) — для получения фасонного литья малой высоты. Центробежным способом получают канализационные трубы, корпуса полых валов из коррозионно-стойких сталей диаметром до 15 м, массой до 60 т, биметаллические втулки (сталь—чугун, чугун—бронза) диаметром более 1 м для подшипников скольжения и другие крупногабаритные цилиндрические изделия для бумагоделательных машин, оборудования химической и металлургической промышленности, тепловой и атомной энергетики и др. При оценке эффективности центробежного литья необходимо иметь в виду также его преимущества перед кокильным: уменьшение расхода металла вследствие отсутствия литниковой системы; исключение потребности в стержнях; улучшение заполняемости литейной формы сплавом с пониженной жидкотекучестью; повышение точности и механических свойств отливок. Процесс легко механизируется и автоматизируется, что обеспечивает высокую производительность, улучшает санитарногигиенические условия работы литейщиков. К недостаткам центробежного литья относят в первую очередь ограниченность 113 габаритов и номенклатуры получаемых отливок, а также высокую стоимость используемого оборудования. Литье под давлением является наиболее производительным и экономичным процессом в массовом производстве тонкостенных (от 0,8 мм и выше) отливок с массой от нескольких граммов до 25— 50 кг, любой сложности и конфигурации, с большой точностью размеров и высоким качеством поверхности, исключающим механическую обработку. Литьем под давлением изготавливают главным образом детали из легкоплавких цветных сплавов: алюминиевых, магниевых, цинковых, реже — медных. Данный способ применяется в автомобильной, авиационной, электротехнической, приборостроительной, сантехнической и других отраслях промышленности. Сущность процесса состоит в том, что металл под высоким давлением (от 200 до 2000 МПа) в расплавленном или полужидком состоянии со скоростью 0,5—140 м/с запрессовывается через систему литниковых каналов в рабочую полость разъемной прессформы. В пресс-форме металл кристаллизуется, затвердевшая отливка выталкивается из нее. Пресс-формы устанавливают на специальных машинах литья под давлением. Производительность литейных машин — от 60 до 3000 отливок в час. На рис. 7.5 показана последовательность стадий получения отливки под давлением. Расплавленный металл подается порцией в камеру прессования 2, в результате чего открывается питательный канал 3 и металл поступает в полость пресс-формы 5. После заполнения пресс-формы и выдержки в течение 3—30 с поршень 1 и пята 4 поднимаются, при этом пята отрезает литник и выталкивает пресс-остаток 6. Подвижная часть пресс-формы 8 отходит вправо, и отливка 7 легко извлекается. Перед началом работы пресс-форму подогревают и смазывают. В процессе работы поддерживают необходимую температуру. Для съема и удаления 114 отливок из пресс-формы используют различные механизмы, в том числе роботы-манипуляторы. В камеру прессования устанавливают также роботы заливки жидкого металла. В условиях массового производства применение литья под давлением экономически оправдано, так как этот способ позволяет снизить трудоемкость получения отливок в 10—12 раз, а механической обработки — в 5—8 раз. Литье в оболочковые формы -- способ получения отливок и изделий свободной заливкой расплава в оболочковые формы из термореактивных смесей, представляющих собой смесь кварцевого песка с термореактивной смолой. Для получения оболочковых форм широко применяется насыпной (бункерный) способ, основанный на использовании поворотного бункера (рис. 7.6). На предварительно нагретую рабочую поверхность модельной оснастки наносится разделительный состав (быстро затвердевающая силиконовая жидкость), образующий разделительную пленку, которая предотвращает прилипание к оснастке формовочной смеси и тем самым упрощает последующее отделение оболочки от модели. Модельная, оснастка 1 устанавливается на приемной рампе бункера 2 (рис. 7.6, а), который наполнен песчано-смоляной смесью 3. Засыпка модели и модельной плиты смесью осуществляется поворотом бункера на 180° (рис. 7.6, б). Для формирования оболочки толщиной 5—15 мм плиту выдерживают под смесью в течение 15—20 с. При этом смола быстро плавится и затвердевает, образуя полутвердую оболочку. Затем бункер возвращают в исходное положение (рис. 7.6, в). С него снимают модельную плиту с налипшей оболочкой и помещают в печь для доотвержде-ния оболочки. Способом литья в оболочковые формы получают отливки массой от 0,2 до 200 кг практически из любых литейных сплавов. Этим способом изготавливают ребристые мотоциклетные цилиндры, коленчатые валы автомобильных двигателей. Преимущества способа литья в оболочковые формы следующие: возможность получения тонкостенных отливок сложной формы; гладкая и чистая поверхность отливок; небольшой расход смеси; получение качественной структуры металла за счет повышенной газопроницаемости форм; широкая возможность автоматизации; небольшие допуски на обработку резанием. Недостатками данного способа являются: ограниченный размер отливок (до 1500 мм); высокая стоимость смесей; выделение вредных паров и газов из смесей при изготовлении форм. Литье по выплавляемым моделям представляет собой процесс получения отливок в неразъемных разовых огнеупорных формах, изготовляемых из легко плавящихся, выжигаемых или растворяемых составов. Являясь одним из древнейших методов художественного и производственного литья, данный способ получил в последние годы большое распространение в промышленности из-за высокой точности получаемых отливок. Литье по выплавляемым моделям применяется для получения различных фасонных отливок из тугоплавких сплавов и отличается высокой точностью размеров и низкой шероховатостью поверхностей получаемых изделий. Поэтому изделия, полученные по данной технологии, практически не подвергаются последующей механической обработке. По выплавляемым моделям отливают, например, металлорежущий инструмент (резцы, сверла, фрезы, метчики и др.), лопатки газовых турбин, колеса насосов и другие сложные по конфигурации изделия. Для изготовления моделей используют материалы, имеющие низкую температуру плавления (парафин, стеарин, воск, канифоль и др.). Выплавляемые модели изготавливаются в пресс-формах, комплектуются на общую литниковую систему и покрываются несколькими слоями огнеупорного покрытия на основе керамической суспензии. Затем при нагревании модельный материал вытапливается из керамической оболочки, которая в свою очередь заформовывается в песчано-глинистую смесь в опоке. В полученную пустотелую оболочку заливается жидкий металл. Литье по выплавляемым моделям наиболее целесообразно использовать в условиях серийного и массового производства. Технологическое оборудование литейного производства подразделяется на следующие группы: • основное: машины и оборудование для подготовки исходных материалов (сушила, мельницы, дробилки, сита), приго116 товления формовочных и стержневых смесей (смесители), изготовления литейных форм и стержней (формовочные и стержневые машины, пескометы, пескодувные машины), специальных методов литья, плавки металлов (вагранки, дуговые и индукционные печи и др.)J • дополнительное: транспортирующие, грузоподъемные и грузонесущие машины и механизмы (конвейеры различных типов, мостовые краны, кран-балки, электротали и др.); • вспомогательное: оснащение для очистки воздуха, удаления газов в литейных цехах (вентиляторы, воздуходувки, вытяжные зонты и др.). Помимо обработки давлением и литья, в заготовительном производстве используется также технология сварки (рис. 7.1). В зависимости от вида изделий машиностроения данный технологический процесс применяется также в сборочном производстве, поэтому наряду с другими технологическими процессами создания неразъемных соединений будет рассмотрен в параграфе 7.4. 7.3. Важнейшие технологические процессы обрабатывающего производства в машиностроении Важнейшими технологическими процессами обрабатывающего производства в машиностроении являются обработка металлов резанием, термическая и химико-термическая обработка, а также окраска и нанесение защитных покрытий. При этом основным исходным сырьем обрабатывающего производства являются заготовки деталей машин, а готовой продукцией — непосредственно детали будущих машин. Рассмотрим основные методы и параметры данных процессов. Обработка металлов резанием (механическая обработка) — технологический процесс снятия режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла для получения обработанной поверхности требуемой точности геометрической формы, размеров и качества. Точность обработки и показатель качества обработанной поверхности — ее шероховатость (чистота) устанавливаются стандартом. Под точностью обработки понимают степень соответствия действительных размеров детали расчетным (номинальным) размерам, указанным в чертеже на изготовление детали. Точность обработки определяется допуском на размер, т.е. крайними предельно допустимыми размерами. Допуском называется разность между наибольшим и наименьшим размерами. 117 Степень точности обусловливается квалитетом, который определяет величину допуска. Стандартом установлено 19 квалитетов: 01, 0, 1, 2, 3 — для измерительного инструмента; 4, 5, 6 — для сопряжений высшей точности в станкостроении и приборостроении; 7,8,9 — для точных сопряжений в станкостроении, приборостроении, машиностроении; 10, 11, 12, 13 — для сопряжений в машиностроении; 14, 15, 16, 17 — для свободных размеров и установления допусков на отливки, поковки, прокат и т.д. Повышение точности вызывает увеличение стоимости обработки, снижение производительности металлорежущего станка и другие негативные последствия, поэтому установление степени точности должно быть оптимальным. Эксплуатационные свойства деталей машин, в частности, их долговечность также зависят от состояния поверхности. В отличие от теоретических поверхностей деталей, изображаемых на чертежах, на реальных обрабатываемых поверхностях всегда имеются неровности различной формы и высоты. Форма, высота, характер расположения и направления неровностей на поверхностях обрабатываемых заготовок зависят от ряда причин: режима обработки, условий охлаждения инструмента, химического состава обрабатываемого материала, типа и состояния оборудования и многих других. Под шероховатостью поверхности понимается совокупность неровностей с относительно малым шагом на базовой длине. Базовая длина — это длина участка поверхности от 0,01 до 25 мм, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. К важнейшим параметрам шероховатости относятся: • высота неровностей профиля по десяти точкам (Rz) (Rz = = 1000...0.025 мкм); • среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) (Ra = = 400...0,08 мкм); • наибольшая высота профиля (Rm). Для осуществления процесса резания необходимо наличие относительных движений между заготовкой и режущим инструментом. Они сообщаются либо инструменту, либо заготовке, либо инструменту и заготовке одновременно. Процесс резания осуществляется при выполнении рабочего движения (рабочего хода), состоящего из главного движения (движение резания) и движения подачи, которые в современных станках, как правило, совершаются автоматически. Главное движение позволяет осуществлять в процессе резания срезание стружки, а движение подачи дает возможность снимать 118 ее со всей обрабатываемой поверхности. В процессе резания используются преимущественно два вида рабочего движения —вращательное и прямолинейное. В зависимости от характера выполняемых работ и вида режущего инструмента различают следующие технологические методы обработки металлов резанием (рис. 7.7): • точение — главное движение (вращательное) сообщается заготовке, а движение подачи (прямолинейное) — инструменту (резцу); • сверление — и главное движение (вращательное), и движение подачи (прямолинейное) сообщаются инструменту (сверлу); • фрезерование — главное движение (вращательное) сообщается инструменту (фрезе), а движение подачи (прямолинейное) — заготовке; • строгание — главное движение может быть только прямолинейным и сообщается либо инструменту (резцу) (при поперечном строгании), либо заготовке (при продольном строгании); • шлифование — главное движение (вращательное) всегда сообщается режущему инструменту (шлифовальному кругу), а движение подачи — детали, которая совершает вращательное или прямолинейное движение (движение подачи может осуществляться также и режущим инструментом, одновременно с движением подачи детали). Перед обработкой заготовки необходимо установить рациональный режим резания, т.е. выбрать скорость, подачу и глубину резания. 119 Скоростью резания называют путь режущего лезвия инструмента относительно вращающейся заготовки в направлении главного движения за единицу времени. Подачей называют путь, пройденный точкой лезвия относительно вращающейся заготовки в направлении движения подачи за один оборот. Глубина резания определяется толщиной снимаемого за один рабочий ход инструмента относительно обрабатываемой поверхности слоя металла, измеренной по перпендикуляру к обработанной поверхности детали. Правильное выполнение процессов механической обработки зависит от ряда факторов. Одним из наиболее важных из них является припуск на обработку. Припуском на обработку называется слой материала, подлежащий удалению с поверхности заготовки для получения требуемого размера. Различают общий припуск на всю обработку какой-либо поверхности и межоперационный припуск, удаляемый в процессе выполнения определенной операции механической обработки. Размер припуска на заготовку зависит от способа ее изготовления и конфигурации, а также от требуемых точности и шероховатости поверхности готовой детали. Правильный выбор размера припуска имеет большое технико-экономическое значение. Завышенные припуски увеличивают расход конструкционных материалов, электроэнергии, ускоряют износ оборудования, режущего инструмента, увеличивают трудоемкость и стоимость обработки. В зависимости от вида операции механической обработки, формы заготовки (плоская, круглая цилиндрическая, коническая, фасонная), оборудования выбирают необходимый режущий инструмент, который классифицируется на следующие группы. 1. Резцы, которые по виду обработки бывают проходные, подрезные, отрезные, расточные, галтельные и фасонные; по характеру обработки — обдирочные (черновые), чистовые и для тонкого точения; по технологическому назначению — токарные, строгальные, долбежные и т.д. 2. Сверла, которые по конструкции подразделяются: • на плоские, или перовые; • цилиндрические (бывают спиральными или винтовыми); • предназначенные для глубокого сверления отверстий. Длина таких сверл больше диаметра в 8—10 раз и более; • кольцевые (полые) (для сверления в листовом материале отверстий диаметром более 100 мм); • центровочные. 120 3. Зенкеры, которые бывают цилиндрические (цельные и насадные), конические и торцовые. 4. Развертки, которые но конструкции делятся на цилиндрические и конические, а по применению — на машинные и ручные. 5. Фрезы, которые в зависимости от назначения бывают цилиндрические, торцовые, дисковые, концевые, угловые, шпоночные и фасонные. 6. Протяжки, которые подразделяются по применению на используемые для обработки шпоночных пазов (плоские, цилиндрические, круглые, прямоугольные или с другой формой поперечного сечения) и для наружного протягивания. 7. Резьбонарезной инструмент, применяемый для наружной (резцы и гребенки, круглые плашки (лерки), резьбонарезные головки, резьбовые фрезы (дисковые и гребенчатые), а также резьбонакатные плашки (роликовые и плоские, с помощью которых наружную резьбу получают без снятия стружки) и для внутренней резьбы (резьбовые резцы и гребенки, метчики, резьбовые концевые фрезы (для нарезания резьб в отверстиях больших диаметров). 8. Зуборезный инструмент, к которому относятся дисковые и пальцевые зуборезные фрезы, червячные фрезы, долбяки, резцы, дисковые и реечные фрезы для обработки конических зубчатых колес, шевера. 9. Абразивный инструмент (шлифовальные круги различной формы, абразивные бруски, головки, сегменты). Обработка заготовок осуществляется на металлорежущих станках, создающих: необходимое усилие резания; регулируемое относительное перемещение инструмента и детали в пространстве с требуемой скоростью; жесткое закрепление детали и инструмента, что обеспечивает точность размеров и шероховатость обрабатываемых поверхностей. По технологическому методу обработки металлорежущие станки подразделяются на токарные, сверлильные, фрезерные, шлифовальные и др. (всего десять групп). По степени универсальности различают станки универсальные, широкого применения, специализированные и специальные. Универсальные станки предназначены для обработки деталей широкой номенклатуры и могут выполнять целый ряд операций. Станки широкого применения используются для выполнения определенного вида работ с обширным спектром заготовок. Специализированные станки служат для обработки деталей, сходных по конфигурации, но имеющих различные размеры. Специальные станки предназначены для обработки деталей одного типоразмера. 121 По степени автоматизации различают станки с ручным управлением, полуавтоматы, автоматы и станки с программным управлением. По точности станки подразделяются на пять классов: нормальной точности (11), повышенной (II), высокой (В), особо высокой (А), особо точные (С). Рабочими органами станка являются устройства, обеспечивающие закрепление заготовки и относительное перемещение ее и инструмента. Например, у токарного станка это шпиндель с патроном и суппорт. Для обеспечения высокой производительности и низкой себестоимости продукции в последнее время в механообработке используются особые типы станков, обладающие наряду с автоматическим циклом обработки способностью быстрой переналадки на изготовление других, значительно отличающихся деталей. Такими станками являются обрабатывающие центры и станки с ЧПУ (см. подробнее в параграфе 14.4). В машиностроении часто возникают технологические проблемы, связанные с обработкой материалов и деталей, форму и состояние поверхностного слоя которых трудно получить традиционными механическими методами. К таким проблемам относится обработка весьма прочных, очень вязких, хрупких материалов, тонкостенных нежестких деталей, пазов и отверстий, имеющих размеры в несколько микрометров, поверхностей деталей с малой шероховатостью. Подобные проблемы решаются применением специальных методов обработки металлических и неметаллических материалов. Эти методы основаны на использовании электрических и магнитных нолей; электронных и ионных пучков лучей; химической, гидравлической, акустической и световой энергии; энергии взрыва и плазменной струи и др. Специальные методы обработки успешно дополняют резание, а в отдельных случаях имеют преимущества перед ним, так как при обработке ими силовые нагрузки либо отсутствуют, либо настолько малы, что практически не влияют на суммарную погрешность точности обработки. Методы позволяют не только изменять форму поверхности заготовки, но и влиять на состояние поверхностного слоя. При этом повышаются износостойкие, коррозионные, прочностные и другие эксплуатационные характеристики деталей. Более подробно специальные методы обработки материалов будут рассмотрены в разделе о прогрессивных технологиях (параграфы 15.3, 15.4, 15.8). Технологическое оборудование механообрабатывающего производства подразделяется на следующие группы: 122 • основное: металлорежущие станки различных типов в зависимости от вида выпускаемой продукции (токарные, сверлильные, фрезерные, строгальные, шлифовальные и др.); • дополнительное: транспортирующие, грузоподъемные и грузонесущие машины и механизмы (конвейеры различных типов, мостовые краны, кран-балки, электротали и др.). станки для заточки инструментов, а также робототехнические комплексы,, предназначенные для обслуживания металлорежущих станков; • вспомогательное: оснащение для очистки воздуха, удаления газов в механообрабатывающих цехах (вентиляторы, воздуходувки, вытяжные зонты и др.). Свойства конструкционных материалов, используемых в машиностроении, зависят главным образом от их состава и структуры. Основным способом, позволяющим изменять структуру материалов, а следовательно, и их свойства при неизменном химическом составе, является термическая обработка. Технологический процесс термической обработки представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения материалов (преимущественно металлических сплавов) и получения необходимых свойств. В основе термической обработки лежит явление аллотропии (полиморфизма), т.е. способность некоторых материалов (в частности, сплавов на основе железа) иметь несколько кристаллических форм при различных условиях их образования (в частности, изменении температуры). На результат термической обработки (требуемые свойства материала) оказывают влияние следующие факторы (режимы обработки): • время (скорость) нагрева; • температура нагрева; • время (продолжительность) выдержки при требуемой температуре; • время (скорость) охлаждения. Термическая обработка осуществляется в специальных печах. По источнику используемой тепловой энергии печи подразделяются на работающие на жидком, газообразном топливе и электрические. Электрические печи имеют ряд преимуществ перед другими видами печей: • легкость регулирования температуры; • большая устойчивость огнеупорной кладки благодаря отсутствию очагов горения; • отсутствие дымовых труб и газообразных выбросов; • большие пожарная безопасность и гигиеничность; 123 • высокий коэффициент полезного действия; • компактность конструкции. В зависимости от режимов термической обработки различают следующие ее разновидности. Отжиг — процесс термической обработки, заключающийся в нагреве материала выше температуры, при которой происходят изменения в его кристаллической решетке, выдержке и очень медленном охлаждении вместе с печыо. В результате отжига в детали снимаются внутренние напряжения, повышается пластичность, понижается твердость, улучшается обрабатываемость резанием. Нормализация — процесс термической обработки, заключающийся в нагреве материала выше температуры, при которой происходят изменения в его кристаллической решетке, выдержке и охлаждении на воздухе. Вследствие более быстрого охлаждения детали имеют более высокую твердость и прочность, чем при отжиге. Очевидно, что процесс нормализации более производителен, чем отжиг, но требует дополнительных затрат на оборудование мест, где остывают детали, вынутые из печи. Закалка — процесс термической обработки, заключающийся в нагреве материала выше температуры, при которой происходят изменения в его кристаллической решетке, выдержке и очень быстром охлаждении в специальных закалочных средах (воде, минеральном масле, водных растворах солей и др.). Вследствие очень быстрого охлаждения достигается максимальное увеличение прочности и твердости деталей, однако при этом в детали возникают внутренние напряжения, которые способствуют ее короблению и даже возникновению трещин. В машиностроении широко используется также поверхностная закалка, когда достигается высокая прочность и твердость поверхностных слоев детали при пластичной сердцевине. Отпуск — процесс термической обработки, заключающийся в нагреве материала ниже температуры, при которой происходят изменения в его кристаллической решетке, выдержке и охлаждении на воздухе. Отпуск обычно является заключительной операцией термической обработки и проводится после закалки с целью снятия внутренних напряжений в детали и уменьшения ее хрупкости. Для изменения структуры, химического состава, а значит, и свойств поверхностных слоев деталей применяется химикотермическая обработка, сочетающая термическое и химическое воздействия. Технологический процесс химико-термической обработки основан на явлении диффузии, т.е. проникновении в поверх 124 ностные слои материала атомов различных элементов, образующих с этими поверхностными слоями химические соединения или растворяющихся в них. При проведении химико-термической обработки детали нагревают в среде, содержащей тот элемент, насыщение которым проводится. Выдержка при нагреве должна быть достаточной для того, чтобы атомы насыщающего элемента проникли в материал на нужную глубину. Химико-термическая обработка является одним из распространенных методов поверхностного упрочнения деталей. Рассмотрим основные виды химико-термической обработки. Цементация (науглероживание) — насыщение поверхности стальных деталей углеродом. Цель цементации — повышение твердости и прочности поверхностного слоя при сохранении пластичной сердцевины. Цементация проводится в твердых, жидких и газообразных углеродсодержащих средах, называемых карбюризаторами. Процесс может длиться 2—6 часов — в зависимости от требуемой толщины слоя, насыщенного углеродом. Азотирование — диффузионное насыщение поверхности стальной заготовки азотом. Цель азотирования — повышение твердости, износо- и коррозионной стойкости поверхностного слоя. Азотирование проводится в специальных герметически закрытых печах в аммиачной атмосфере и может длиться до 90 часов. Цианирование — диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом и азотом одновременно. Совместная диффузия углерода и азота происходит быстрее, чем каждого из этих элементов в отдельности. Диффузионная металлизация — насыщение поверхности стальных деталей металлами и другими элементами (алюминием, хромом, кремнием, бором и др.). Цель металлизации — упрочнение поверхностного слоя, повышение его износо- и коррозионной стойкости, придание ему особых физико-химических свойств. Оборудование термических цехов подразделяется на следующие группы: • основное: для выполнения операций термической и химикотермической обработки, связанных с нагревом и охлаждением деталей (термические печи, печи-ванны, устройства нагрева токами высокой частоты, охлаждающие устройства, установки для обработки холодом, закалочные машины и баки); • дополнительное: для правки и очистки деталей (правильные прессы и машины, травильные ванные, дробеструйные и пескоструйные установки, моечные машины и т.д.); 125 • вспомогательное: средства механизации и подъем но-транспортное оборудование (подъемники, толкатели, кра ны, тали, электротельферы, рольганги, транспортеры, различ ного типа конвейеры и т.д.), вентиляторы, воздуходувки и др. 7.4. Важнейшие технологические процессы сборочного производства в машиностроении Сборочное производство является заключительным этапом изготовления машин в машиностроении. Машина — это устройство, созданное человеком и выполняющее механические движения для преобразования энергии, материалов и информации с целью частичной или полной замены или облегчения физического или умственного труда человека, увеличения его производительности. Различают следующие классы машин в зависимости от выполняемых функций: • технологические (рабочие или машины-орудия), осущес твляющие изменение формы, размеров, свойств, состояния и положения предмета труда. К ним относят металлорежущие станки, прокатные станы, молоты, прессы, литейное оборудование, строительные, горные, сельскохозяйственные, текстильные машины и др.; • энергетические, предназначенные для преобразования энергии. Энергетические машины подразделяют на маши ны-двигатели и машины-преобразователи. Машины- д в и г а т е л и преобразуют энергию любого вида (электрическую, тепловую и т.д.) в механическую. К ним относят электродвигатели, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, турбины. Машины- п р е о б р а з о в а т е л и трансформируют механическую энергию в энергию любого вида. К ним относят электрогенераторы, насосы, компрессоры, вентиляторы и другие устройства; • транспортные (автомобили, самолеты, тепловозы, теплоходы и др.) и транспортирующие (конвейеры, элеваторы, грузоподъемные краны, подъемники и др.). Все эти машины преобразуют механическую энергию в энергию перемещения масс; • информационные, предназначенные для получения, переработки и использования информации (ЭВМ и вычислительные устройства, шифровальные машины, машинные интеграторы и др.). Механические движения в них служат для выполнения вспомогательных операций. Устройства данного класса не яв126 ляются машинами, их название сохранилось в порядке преемственности от простых счетных машин. Каждая современная машина состоит из трех основных механизмов: двигательного, передаточного и исполнительного. Двигательный механизм, или привод, приводит машину в действие. Устройство привода может быть механическим, с использованием электродвигателей, гидравлическим или пневматическим. В транспортных средствах широко используются двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные, инжекторные, дизельные). Появившиеся первыми паровые двигатели стали уже историей. Передаточный механизм, или передача, — совокупность ус^ тройств для передачи движения от двигательного к исполнит тельному механизму машины и их регулирования (редукторы, коробки передач и др.). Различают передачи механические, гидравлические, пневматические и электронные. Исполнительный механизм определяет целевое назначение машины, он производит работу, воздействуя на предмет труда. Технологический процесс сборки характеризуется последовательным соединением и фиксацией всех деталей, составляющих ту или иную машину, и состоит из ряда отдельных операций, основными из которых являются операции соединения сопрягаемых элементов изделия. Последовательность сборочных операций определяется, прежде всего, конструктивными особенностями машины, а также типом производства (единичное, серийное, массовое). Сборка также включает электромонтажные работы, испытания (механические, электрические, химические), операции контроля правильности действия всего изделия или его отдельных узлов (например, обкатка собранного автомобиля). В сборочном производстве выделяют следующие основные виды сборки: • сборка по принципу индивидуальной пригонки, когда детали изготавливаются невзаимозаменяемыми и не являются стандартизированными. Такая разновидность сборки применяется в единичном производстве; • сборка по принципу ограниченной взаимозаменяемости, когда изделие состоит одновременно из невзаимозаменяемых и стандартизированных деталей. Такая разновидность сборки характерна для серийного производства; • сборка по принципу полной взаимозаменяемости, когда отсутствует пригонка деталей друг к другу, а любая дефектная 127 деталь может быть заменена на аналогичную. Такая разновидность сборки характерна для массового типа производства. В сборочном производстве различают две организационные формы сборки: • стационарную, при которой готовое изделие полностью собирают на одном месте, к которому последовательно подаются все детали, узлы и сборочные единицы. Стационарную сборку используют, как правило, при изготовлении несложных или крупногабаритных изделий, а также в условиях единичного и мелкосерийного производства; • подвижную, когда собираемое изделие последовательно перемещается но рабочим местам, на каждом из которых выполняется определенная сборочная операция. Подвижную сборку осуществляют с помощью непрерывного или периодически останавливающегося сборочного конвейера и используют преимущественно в массовом или крупносерийном производстве. Базовыми элементами сборочного производства являются детали, узлы, сборочные единицы, комплексы, комплекты. Деталь — часть машины, изготовленная из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций. Детали могут быть простыми (гайка, шпонка и т.д.) или сложными (коленчатый вал, корпус редуктора, станина станка и т.д.). Детали (частично или полностью) объединяют в узлы. Узел представляет собой законченную сборочную единицу, состоящую из ряда деталей, соединенных между собой сборочными операциями и имеющих общее функциональное назначение (подшипник качения, муфта, редуктор и т.д.). Признаком узла является обособленность его сборки от сборки других элементов машины. Сборочная единица представляет собой сложный узел, который может включать несколько простых узлов (подузлов). Например, редуктор состоит из подшипников, валов с насаженными на них зубчатыми колесами и т.д. Комплекс (от лат. complexus — связь, сочетание) — два и более изделия, не соединенных сборочными операциями, но представляющих собой единую техническую систему, предназначенную для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (например, компьютер с периферийными устройствами). Комплект — набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (например, комплект инструментов к автомобилю). Особенности сборочного производства связаны с большим объемом вспомогательных работ, удельный вес которых в об128 щей трудоемкости сборки зависит от вида производства и технологических методов сборочного процесса, составляя в единичном, мелкосерийном, серийном, крупносерийном и массовом производстве 40—50, 30—35, 20—25 и менее 20 % соответственно. Организационные формы сборки, их эффективность и техникоэкономическая оценка также взаимосвязаны с типом производства. Эти обстоятельства определяют специфику технологического оснащения сборочного производства. При сборке основным видом работ является осуществление различных соединений и сопряжений деталей. Использование данных технологических операций дает возможность получать разъемные и неразъемные, подвижные и неподвижные соединения и сопряжения двух или нескольких деталей (или узлов), что осуществляется использованием различных типов технологического оборудования и оснастки. К разъемным (демонтируемым) соединениям относят такие, которые могут быть полностью разобраны без повреждения составляющих их частей и крепежных деталей. К разъемным соединениям относят, в частности, резьбовые, штифтовые, шпоночные, шлицевые и клиновые. Резьбовые соединения могут осуществляться либо с применением крепежных деталей (винтов, шурупов, болтов, гаек), либо выполнением резьбы на соединяемых деталях. Штифтовые соединения применяются для точной фиксации сопрягаемых деталей, а шпоночные и шлицевые — преимущественно для передачи вращательного движения в механизмах машины. Остальные соединения относят к неразъемным, которые в свою очередь подразделяются на две группы. В первую группу входят соединения с гарантированным натягом, получаемым без дополнительных средств крепления (например, изготовленные прессованием, развальцовкой, отбортовкой). Они используются, как правило, при сборке готовых деталей. Ко второй группе относят соединения, осуществляемые с помощью сварки, пайки, клепки, склеивания. Рассмотрим подробнее эти важнейшие технологические процессы получения неразъемных соединений. Сварка — технологический процесс образования неразъемного соединения деталей машин, конструкций и сооружений путем их местного сплавления или совместного деформирования, в результате чего возникают прочные связи между атомами соединяемых тел. Наиболее часто получают методом сварки заготовки сложной конфигурации и крупногабаритные, состоящие из нескольких частей. 129 Применение сварных заготовок обеспечивает значительную экономию металла и уменьшение их массы по сравнению с заготовками, полученными ковкой или литьем, а также снижение трудоемкости изготовления. Сварные соединения часто обеспечивают большие прочность и надежность при эксплуатации по сравнению с другими видами неразъемных соединений. Сварку можно применять в сочетании с другими процессами, например со штамповкой. Комбинированные методы (штамповка — сварка) обеспечивают изготовление заготовок сложной формы, близких по размерам к готовым деталям, при снижении расхода металла и уменьшении трудоемкости последующей обработки. В зависимости от вида энергии, используемой для образования сварных соединений, условно выделяют следующие виды сварки: термическая (сварка плавлением), механическая (сварка давлением) и термомеханическая (комбинированная). Термической называется сварка, осуществляемая плавлением свариваемых изделий с использованием тепловой энергии (электродуговая, плазменно-лучевая, электрошлаковая, электроннолучевая, лазерная, индукционная, газовая, термитная и др.). При использовании термической сварки металл на кромках соединяемых частей доводится до полного расплавления, перемешивается и после охлаждения образует сварное соединение. Способ сварки плавлением получил наибольшее распространение. Одними из наиболее распространенных технологических процессов в машиностроении и строительстве являются электродуговая и газовая сварка. Электродуговая сварка возможна при переменном и постоянном токе. Электрическая энергия подается в сварочную дугу от специального устройства — источника тока, или источника питания. Для плавления кромок свариваемых деталей при электродуговой сварке используется электрическая дуга, которая может обеспечить высокую температуру (до 6000 ° С) и большую силу тока в зоне разряда. Электрические параметры дуги могут изменяться в широких пределах. Применяются токи от 1 до 3000 А при напряжении 10—50 В. Мощность можно изменять от 0,01 до 150 кВт, что позволяет выполнять электродуговую сварку металлов с различной температурой плавления и разной толщины. Электродуговая сварка выполняется плавящимися металлическими (по способу Славянова) и неплавящимися графитовыми или вольфрамовыми электродами (по способу Бенардоса). Неплавящиеся электроды служат только для поддержания горения дуги, которая расплавляет кромки свариваемых дета130 лей, образуя сварной шов. При сварке деталей большой толщины дополнительно применяют присадочный материал в виде проволоки, химический состав которого должен соответствовать составу металла свариваемых частей. Присадочная проволока расплавляется в зоне горения дуги и переходит в металл сварного шва. Сварка неплавящимися графитовыми электродами осуществляется только на постоянном токе. Плавящиеся электроды служат для поддержания горения дуги и являются дополнительным присадочным материалом для образования сварного шва. Плавящиеся электроды для ручной сварки изготовляют из специальной сварочной проволоки, близкой по химическому составу к металлу свариваемых деталей. Их выпускают с покрытием (обмазкой), которое служит для защиты расплавленного металла от насыщения его кислородом и азотом, создания устойчивости горения дуги, обеспечения легирования металла сварного шва и придания ему свойств, близких к свойствам основного металла. Газовая сварка — сварка плавлением, при которой кромки соединяемых частей нагревают пламенем газов, сжигаемых при выходе из горелки для газовой сварки. Данный способ отличается простотой и дешевизной оборудования и применяется для сварки углеродистых и легированных сталей небольшой толщины (до 3 мм), чугуна, цветных металлов и сплавов; наплавки твердых сплавов на режущий инструмент; при ремонтных работах; прокладке, соединении и монтаже труб и трубопроводной арматуры; заварке трещин и ремонте литых изделий из чугуна, бронзы, силумина; для сварки сосудов и резервуаров небольшой емкости и др. При газовой сварке для расплавления кромок свариваемых заготовок и присадочной проволоки используют теплоту, выделяемую при сгорании газа (ацетилена, водорода, пропана, природного газа и др.) в кислороде. Наиболее часто применяется ацетилен, обладающий высокой теплотой сгорания и дающий наибольшую температуру пламени (3150 °С). Газовое пламя обеспечивает плавление металла, а также его восстановление, науглероживание или окисление. Получение того или иного вида пламени достигается за счет изменения соотношения горючего газа и кислорода в смеси. Для заполнения металлом сварного шва дополнительно используют присадочную проволоку. Газовый метод сварки значительно меньше распространен, чем электрические, так как наличие кислорода в пламени ухудшает механические свойства металла и качество сварного шва. Газовая сварка уступает другим ее методам и по производитель131 ности. Этот процесс плохо поддается автоматизации и выполняется в основном вручную. Наибольшее применение газовая сварка находит при ремонтных работах, а также в местах, где отсутствуют источники электрического тока. Технологические особенности лазерной сварки будут рассмотрены в параграфе 15.4. При механической сварке используются механическая энергия и давление (холодная сварка, сварка трением, ультразвуковая и др.). Холодная сварка выполняется за счет механической энергии сжатия. Сварное соединение образуется в результате пластической деформации и возникновения межатомных связей между сдавливаемыми поверхностями при их соединении. Для возникновения этих связей необходимо, предварительно очистив поверхности от оксидов и загрязнений, приложить к ним силу сжатия, превышающую предел текучести свариваемого материала. Удельные давления, выбираемые в зависимости от химического состава и толщины свариваемых заготовок, находятся в пределах 150—1000 мПа. При таких давлениях металл течет, и на стыке поверхностей образуется сварное соединение. В результате пластической деформации в месте приложения силы толщина заготовок уменьшается, происходят их упрочнение и наклеп поверхностей. Данным методом можно сваривать внахлестку листовой материал толщиной 0,2—15 мм, встык тонкую проволоку, полые заготовки по контуру. Сварку трением применяют для получения стыковых соединений. Заготовки при этом плотно прижимают друг к другу, и одну из них приводят во вращательное движение. В результате механического и теплового воздействия при трении металл переходит в пластическое состояние. После этого прикладывают осевую силу сжатия. Сварное соединение образуется за счет диффузии атомов в контактирующих поверхностях. Оксидные пленки, препятствующие диффузии, разрушаются трением и удаляются из зоны сварки. Данный метод обеспечивает высокое качество соединений. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы. Этот способ нашел применение в промышленности при изготовлении составных режущих инструментов, валов, штампов и т.д. Технологические особенности ультразвуковой сварки будут рассмотрены в параграфе 15.5. Термомеханическая сварка осуществляется с использованием тепловой энергии и давления (электрическая контактная, 132 диффузионная, газопрессовая, термокомпрессионная, печная и др.). В настоящее время наиболее распространена электрическая контактная сварка. При ней свариваемые заготовки предварительно нагреваются электрическим током большой плотности, проходящим через их поверхности. Сила тока достигает сотен и тысяч ампер, происходит интенсивное выделение теплоты в месте контакта свариваемых поверхностей, в силу чего металл переходит в пластичное, а иногда и расплавленное состояние. После этого ток отключают и осуществляют сжатие свариваемых заготовок, способствующее взаимодействию атомов металлов и образованию сварного соединения. Надежность и высокое качество сварного соединения, высокий уровень механизации и автоматизации процесса, обеспечение высокой производительности труда позволяют широко использовать электроконтактную сварку в промышленности. Этим методом получают более 30 % сварных соединений. Более широко применяется лишь электродуговая сварка. Различают три основных вида электрической контактной сварки: стыковую, точечную и шовную. По степени механизации процессор различают ручную, механизированную, автоматизированную и автоматическую сварку; по непрерывности процесса — непрерывную и прерывистую; по способу защиты металла в зоне сварки — сварку в воздухе, в вакууме, в защитном газе, под флюсом, в пене, с комбинированной защитой. Выбор способа сварки зависит от многих факторов: химического состава стали и ее состояния, формы и размеров сборочной единицы, толщины свариваемых элементов, количества изделий в конструкции и др. Технико-экономические показатели различных способов сварки колеблются в широких пределах и зависят от множества факторов, среди которых основными являются свойства металла свариваемых элементов, толщина листов, форма соединения и положение его в пространстве, метод сварки, способ защиты шва, степень механизации и автоматизации процесса, тип сварочного оборудования и т.д. Пайка — процесс соединения заготовок, выполненных из металлов и неметаллических материалов, находящихся в твердом состоянии, посредством расплавленного присадочного материла, называемого припоем. Температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления основного материала. Неразъемное соединение образуется в результате растворения припоя, смачивания и вза133 имной диффузии припоя и основного материала. Пайка не вызывает значительного коробления и окисления поверхностей соединяемых заготовок. Для взаимной диффузии необходимо, чтобы спаиваемые поверхности были очищены от оксидов и загрязнений, а жидкий припой и основной металл защищены от окисления. С этой целью при пайке используют различные флюсы. Процесс пайки заключается в нагреве паяемых заготовок и расплавлении припоя. Для получения соединения высокого качества температура нагрева заготовок в зоне шва должна быть на 50—100 ° С выше температуры плавления припоя. Нагрев заготовок и расплавление припоя в зависимости от его вида производят медными паяльниками, газовыми горелками, электрическим током в печах, индукционным током, а также в печах-ваннах с расплавами солей. Пайку применят главным образом для сборки изделий и сборочных единиц, реже — для изготовления отдельных деталей. Паять можно заготовки из углеродистой или легированной стали всех марок, твердых сплавов, чугунов, редких металлов и их сплавов. Данным способом можно также соединять разнородные материалы. Пайка металлов с неметаллами — кварцем, стеклом, керамикой, полупроводниками — вызывает трудности и требует применения особых технологических процессов. Преимуществами пайки являются достаточная прочность и чистота соединения, отсутствие оплавления металла, сохранение формы и размеров изделия, возможность механизации и автоматизации процесса. Кленка — процесс создания неразъемного соединения с помощью заклепок — стержней круглого сечения, устанавливаемых в совмещенные отверстия соединяемых деталей. Затем выступающие концы (головки) клепок деформируются (расклепываются), и клепки стягивают соединяемые детали. Технология клепки в настоящее время практически не используется, а клепаные конструкции применяются главным образом в сооружениях, испытывающих значительные динамические нагрузки (железнодорожные мосты и т.д.). Склепывание осуществляется пневматическими и электрическими молотками, электромеханическими, пневматическими и пневмогидравлическими прессами и машинами. Несмотря на достаточно высокую прочность соединения, основным недостатком технологии кленки является завышение металлоемкости конструкции из-за большого количества отверстий под заклепки, а также низкие технологичность и производительность процесса. 134 В настоящее время при сборке получает все более широкое распространение склеивание (клеевая технология). Клей — композиция на основе веществ, способных соединять (склеивать) материалы. Действие клея основано на образовании между ним и склеиваемыми материалами адгезионной (межмолекулярной) связи, способствующей образованию неразъемного соединения. Наиболее эффективно применение склеивания вместо клепки. Преимущества клеевых соединений в этом случае состоят в снижении трудоемкости, отсутствии выступов на наружных поверхностях, обеспечении герметичности, экономии материала. В некоторых случаях, например для соединения деталей из неметаллических материалов малой толщины, склеивание является одним из самых надежных способов получения неразъемного соединения. Наиболее часто склеивают те материалы, которые теряют свои свойства при нагревании и сдавливании. Склеивание применяется для соединения поверхностей из пластмасс, стекла, керамики, легких сплавов (алюминиевых, магниевых). Технологический процесс получения клеевого соединения состоит из следующих этапов: подготовка поверхностей, нанесение клея, склеивание при определенных температурах, давлении и времени выдержки, очистка соединения и контроль качества. В зависимости от материала и конструктивных особенностей соединяемых частей применяют различные клеи. Вид и качество применяемого клея оказывают большое влияние на механическую прочность соединения. Для органических клеев из синтетических полимеров (например, полиэфирных, эпоксидных, фенолоформальдегидных смол) характерны высокая прочность склеивания и стойкость в различных средах. Клеи из природных полимеров (например, коллагена, альбумина, каме-дей, крахмала) отличаются невысокой устойчивостью к действию воды и микроорганизмов. К неорганическим клеям относятся керамические, силикатные и др. Клеи могут быть жидкими (например, растворы, эмульсии) и твердыми (пленки, порошки, прутки). Последние расплавляют перед употреблением или наносят на нагретые поверхности. Оборудование сборочных цехов можно условно разделить на три группы: • основное (технологическое): непосредственно для выполнения работ по осуществлению различных сопряжений деталей, их регулировке и контролю в процессе узловой и общей сборки. Для облегчения труда и увеличения производительности применяют различные средства механизации и автоматизации 135 сборочных работ: механизированные инструмент, приспособления, а также сборочные автоматизированные станки; • вспомогательное: для механизации вспомогательных ра бот, объем которых при сборке достаточно велик. Включает в себя транспортное, подъемное, установочное и другое оборудо вание, применение которого снижает затраты времени на сбо рочные работы, увеличивает производительность, облегчает труд сборщиков, повышает эффективность и технико-экономи ческие показатели сборочного производства; • дополнительное: для обеспечения санитарно-гигиениче ских условий труда работников (машины и оборудование для очистки воздуха и газов (вытяжные зонты, вентиляторы, возду ходувки и др.). Контрольные вопросы 1. Что представляет собой машиностроительный комплекс? Какую основную продукцию он производит? 2. Выделите главные направления научно-технологического прогресса в машиностроении. Дайте им характеристику. 3. Что представляет собой производственный процесс в машиностроении? Какие элементы входят в его состав? 4. Какие производства выделяют в машиностроении? Дайте им краткую характеристику. 5. Из каких трех этапов состоит основное производство в машиностроении? Дайте им краткую характеристику. 6. Выделите характерные технологические особенности машиностроительного производства. Чем они обусловлены? 7. Дайте характеристику важнейшим направлениям научнотехнологического прогресса в машиностроении. 8. Дайте общую характеристику важнейшим технологическим процессам заготовительного производства в машиностроении. Что объединяет эти процессы? Чем они отличаются друг от друга? 9. Дайте общую характеристику важнейшим технологическим ме тодам обработки давлением. Что объединяет эти процессы? Чем они отличаются друг от друга? 10. Дайте характеристику важнейшему технологическому оборудованию обработки материалов давлением. 11. Дайте общую характеристику важнейшим технологическим процессам литейного производства в машиностроении. Что объединяет эти процессы? Чем они отличаются друг от друга? 12. Дайте характеристику технологии литья в песчано-глинистые формы. Каковы ее технологические особенности, достоинства и недостатки по сравнению с другими методами? 13. Какие способы литья относят к специальным? Почему они получили такое название? Дайте им характеристику. 136 14. Дайте характеристику важнейшему технологическому оборудованию литейного производства. 15. Что представляет собой точность обработки и шероховатость поверхности деталей в машиностроении? От чего они зависят? Каким образом определяются? 16. В чем заключается сущность обработки материалов резанием? Какие движения для нее характерны? 17. Какие разновидности способов обработки резанием вам известны? Дайте им краткую характеристику. 18. Что такое режим резания? Из каких элементов он состоит? Дайте им краткую характеристику. 19. Что представляют собой специальные методы обработки деталей? Каковы их достоинства и недостатки по сравнению с традиционными методами обработки? 20. Дайте общую характеристику оборудованию машиностроительного производства. 21. Дайте характеристику важнейшим технологическим процессам термической обработки. Что их объединяет? Чем они отличаются друг от друга? 22. В чем заключается сущность технологического процесса химикотермической обработки? Какие явления лежат в его основе? 23. Дайте характеристику важнейшему технологическому оборудованию термических цехов. 24. Что такое машина? Из каких основных элементов она состоит? Каково их назначение? Приведите классификацию машин. 25. В чем заключается сущность технологического процесса сборки? Какие виды и организационные формы сборки вам известны? Дайте им краткую характеристику. 26. В чем состоит сущность технологического процесса сварки? Каковы достоинства и недостатки данной технологии? 27. Какие виды сварки в зависимости от вида используемой энергии применяются в машиностроении? Дайте им краткую характеристику. 28. Какие виды электродуговой сварки используются в машиностроении? Дайте им краткую характеристику, 29. В чем заключается сущность технологического процесса пайки? Каковы его достоинства и недостатки по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений? 30. В чем заключается сущность технологического процесса клепки? Каковы его достоинства и недостатки по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений? 31. В чем заключается сущность клеевой технологии? Каковы ее достоинства и недостатки по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений? 32. Дайте характеристику важнейшему технологическому оборудованию сборочного производства. 137 Глава 8. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 8.1. Общие сведения о легкой промышленности Легкая промышленность представляет собой совокупность отраслей и производств, перерабатывающих сельскохозяйственное и химическое сырье и выпускающих ткани, одежду, обувь и другие предметы потребления. Основным производителем товаров легкой промышленности в Республике Беларусь является государственный концерн «Беллегпром». На его долю приходятся четверть всех непродовольственных потребительских товаров и около 80 % продукции легкой промышленности, производимых в стране. Доля концерна в общем объеме промышленного производства составляет 4 % , в розничном товарообороте непродовольственных товаров — 6,6 %. Концерн «Беллегпром» — многоотраслевой промышленный комплекс, включающий предприятия текстильной, трикотажной, швейной, кожевенной, обувной, меховой, кожевенно- и текстильногалантерейной подотраслей, а также производящие искусственный и трикотажный мех, фарфоро-фаянсовую посуду, щетишю-щеточные изделия, резиновую обувь и другие виды продукции производственно-технического назначения и потребительских товаров. На предприятиях концерна выпускается от 80 до 100 % общереспубликанского производства тканей, трикотажных, корсетных и ковровых изделий, фарфоро-фаянсовой посуды и свыше 70 % чулочно-носочных изделий и обуви. Текстильная подотрасль представлена 19 предприятиями, которые производят различные виды тканей: хлопчатобумажные, льняные, шерстяные и шелковые, пряжу всех видов, нетканые материалы, ковры и ковровые изделия, текстильную галантерею, швейные нитки. В состав трикотажной подотрасли входят 16 предприятий, которые производят трикотажные изделия верхнего ассортимента и изделия бельевого ассортимента, а также чулочно-носочные изделия. В составе швейной подотрасли 26 предприятий. Их основная продукция — мужские и женские костюмы, пальто, детская одежда, белье, головные уборы, меховые изделия. Кожевенно-обувная подотрасль представлена 37 предприятиями, выпускающими кожи для верха и подкладки обуви, ко138 жи шорно-седельные, кожи технические, кожи одежно-галантерейные, обувь различного назначения, кожевенно-галанте-рейные изделия, искусственную кожу и меховые изделия. Легкая промышленность является одной из важнейших составных частей промышленного комплекса Республики Беларусь. Доля изделий легкой промышленности в общем объеме товарооборота непродовольственных товаров составляет 40 %. Четвертая часть продукции легкой промышленности поставляется на экспорт, причем не только в страны СНГ, но и в дальнее зарубежье (Великобританию, Данию, Польшу, США, Нидерланды, Чехию и др.). На протяжении почти всего XX в. легкая промышленность была одной из ведущих отраслей промышленного комплекса республики. Развитию отрасли способствовали наличие собственного сырья (льноволокна, химических волокон, кожевенного сырья и др.); обеспеченность высококвалифицированными кадрами; емкий рынок потребления как в Беларуси, так и в соседних регионах. Однако с 1991 г. происходил резкий спад объемов производимой продукции. И хотя после 1996 г. начался период увеличения выпуска ряда видов продукции, однако их производство к настоящему времени еще не достигло уровня 1990 г. (табл. 8.1). Одной из основных причин, повлиявших на снижение производства и в настоящее время сдерживающих его рост, являются трудности со сбытом выпускаемой продукции, вызванные недостаточной ее конкурентоспособностью на внутреннем и внешнем рынках и, как следствие, — недостаток собственных оборотных средств для расширенного воспроизводства у промышленных предприятий отрасли. Таблица 8.1 Производство основных видов продукции легкой промышленности Республики Беларусь Вид продукции 1 Ткани всех видов, млн м2 В том числе: хлопчатобумажные шерстяные льняные шелковые 1990 г. 1995 г. 2000 г. 2004 г. 2005 г. 2005 г. к 1990 г., % 2 3 4 5 6 7 511,0 233,0 287,0 303,0 295,0 57,7 140,0 33,0 67,0 71,0 69,0 49,3 46,0 94,0 210,0 7,0 42,0 35,0 9,0 33,0 62,0 5,0 31,0 52,0 5,0 34,0 51,0 10,9 36,2 24,3 139 Окончание табл. 8.1 1 2 3 4 5 6 7 Ковры и ковровые изделия, млн м2 20,7 4,2 8,7 7,9 7,9 38,2 Чулочно-носочные изделия, млн пар 175,0 55,0 101,0 80,0 91,0 52,0 В том числе для детей Трикотажные изделия, млн шт. 51,0 169,0 11,0 39,0 24,0 59,0 21,0 39,0 22,0 41,0 43,1 24,3 В том числе для детей Обувь, млн пар 88,0 46,8 20,0 13,0 26,0 15,4 14,0 10,7 13,0 10,0 14,8 21,4 В том числе для детей Льноволокно, тыс. т 19,5 52,2 59,6 зд 4,5 37,2 2,2 56,6 1,6 56,6 8,2 108,4 Низкая конкурентоспособность большинства изделий связана, прежде всего, с технической отсталостью предприятий отрасли. Уровень износа активной части основных производственных фондов в целом по концерну «Беллегпром» составляет 80 % . Это один из основных факторов, ограничивающих выпуск современной конкурентоспособной продукции, востребованной на внутреннем и внешнем рынках. Оборудование отрасли физически и морально устарело, а его обновление ежегодно составляет не более 2 % , в то время как для простого воспроизводства уровень обновления должен составлять не менее 10 %. Кроме того, производимая продукция имеет высокую себестоимость, что снижает конкурентоспособность по ценовому фактору. На увеличение себестоимости повлияло, с одной стороны, отсутствие собственного сырья для производства изделий (кроме льняного) и необходимость его импорта по рыночным ценам, а с другой — наличие значительного количества лишней рабочей силы на предприятиях отрасли и большие расходы на содержание социальной сферы. Наводнение отечественного рынка дешевыми товарами из стран Юго-Восточной Азии также негативно повлияло на конкурентоспособность товаров, производимых легкой промышленностью. В легкой промышленности республики самой крупной по объему выпускаемой продукции является текстильная подотрасль. Ее доля в общем объеме валовой продукции отрасли составляет 43,5 % . Данная подотрасль также является первичной по отношению к швейной и трикотажной подотраслям. 140 В концепции повышения конкурентоспособности продукции текстильной подотрасли, разработанной концерном «Бел-легпром», делается акцент на использовании собственных сырьевых ресурсов Республики Беларусь — льна, перерабатываемого на предприятиях страны, химических волокон, производимых концерном «Белнефтехим», ферментных препаратов для обработки пряжи, тканей и трикотажных изделий, получаемых в организациях концерна «Белбиофарм». Особое внимание предусматривается уделить таким текстильным технологиям, как производство пряжи и тканей с использованием льна (в частности — котонизированного льноволокна) с целью получения новых потребительских свойств изделий, а также производству и освоению новых видов химических волокон и нитей, с учетом тенденций развития моды и необходимости получения специальных эффектов. Второй по значению в республике является швейная подотрасль, доля которой в валовой продукции легкой промышленности составляет 30,4 %. Основные направления ее развития связаны с повышением технического уровня производства, развитием маркетинговой деятельности и расширением рынков сбыта, реструктуризацией и созданием совместных предприятий. Развитие трикотажной подотрасли будет осуществляться путем дальнейшего повышения технического уровня производства и внедрения новых технологий; обновления и расширения ассортимента за счет использования новых видов сырья, разработки новых коллекций; сокращения затрат на производство за счет рационального использования сырья и материалов, экономии топливно-энергетических и повышения эффективности использования трудовых ресурсов, совершенствования организационной структуры управления, сокращения затрат на содержание зданий и сооружений; повышения качества выпускаемой продукции; активизации маркетинговой и сбытовой деятельности; расширения рынков сбыта. Кожевенно-обувная подотрасль производит 26,1 % валовой продукции легкой промышленности республики. Дальнейшее развитие кожевенно-обувной подотрасли тесно связано с использованием современных материалов, технологий и методов проектирования, обеспечивающих расширение ассортимента отечественной обуви, элегантной внешне и удобной в носке, отвечающей требованиям моды и способной конкурировать на рынке с импортной обувью. Необходимы развитие технологии производства кожевенных товаров для обуви с улучшенными гигиеническими свойствами, применение новых видов отделок верха обуви на основе химических материалов и 141 механических способов придания изделиям различных внешних эффектов и высоких качественных параметров, использование новых синтетических и натуральных материалов для производства обуви. Развитие предприятий кожгалантерейной подотрасли планируется осуществлять за счет производства высококачественных изделий, обеспечения их устойчивой конкурентоспособности по качеству и ценам; использования новых современных материалов; внедрения новых технологий, в том числе ресурсосберегающих; применения новых способов декорирования изделий; дальнейшего повышения функциональности и улучшения потребительских характеристик изделий. Осуществление технического перевооружения и модернизации предприятий легкой промышленности и существенное повышение качества выпускаемой ими продукции с целью коренного изменения ситуации на внутреннем и внешнем рынках требуют не только вложений собственных средств предприятий, но и привлечения иностранных инвестиций. 8.2. Общие сведения о текстильных материалах К текстильным относятся материалы, состоящие из текстильных волокон и нитей, и, конечно, сами волокна и нити. Текстильные материалы служат для удовлетворения потребностей человека в одежде, бытовых и хозяйственных вещах (постельное белье и одеяла, полотенца, скатерти, салфетки, отделочные материалы, занавески, ковры и др.). Текстильные материалы используются почти во всех отраслях промышленности. Широкое применение они нашли в технике. Достаточно вспомнить о канатах и тканых приводных ремнях, конвейерных лентах и корде — редкой ткани из крученых нитей, составляющей основу автомобильных, авиационных и других шин, разнообразной таре и упаковочных материалах, о парусах, рыболовных снастях, о разнообразной тепловой, электрической и других видах изоляций, о ситах и фильтрах и т.д. Парашюты, костюмы космонавтов и многое другое, необходимое для авиации и космоса, также изготовляется из текстильных материалов. Медицина применяет их в качестве перевязочных и протезных материалов. Также текстильные материалы используются при оформлении интерьера театральных, клубных, школьных помещений, в переплетном деле. Области применения текстильных материалов подвержены изменениям: в одних сферах их использование сокращается, в других возникают новые, ранее неизвестные виды применения. 142 Так, с развитием производства пленочных материалов ими часто стали заменять ткани при производстве отдельных видов верхней одежды; нетканые полотна широко используются как основа искусственной кожи, фильтры, материалы для покрытия дорог и др.; появились трикотажные протезы кровеносных сосудов, световоды из стеклянных нитей и др. Широкое распространение получили пластики, армируемые различными видами волокон, в том числе стеклянными, углеродными. Появились новые волокна, получаемые дроблением пленок. Существует множество видов текстильных материалов, которые обычно классифицируют по особенностям строения, происхождению материалов или способам выработки, химическому составу, а иногда и области их использования. Первый из данных признаков наиболее удобен для построения общей классификации основных текстильных материалов, так как они наиболее существенно отличаются друг от друга прежде всего по строению. На рис. 8.1 представлена общая классификация текстильных материалов, включающая три основные группы: I — исходные материалы (волокнистые и элементарные нити), II — первичные и вторичные нити, III — разнообразные изделия. Различные полуфабрикаты занимают переходную позицию между группами. Поскольку полуфабрикаты представляют собой промежуточные состояния материалов, в которых они обычно находятся кратковременно в следующих один за другим процессах переработки, они не вводятся в классификацию основных материалов, поэтому ограничимся лишь кратким перечислением некоторых видов полуфабрикатов. Так, для того чтобы получить пряжу из большинства видов волокон, их обычно последовательно превращают в следующие полуфабрикаты: холсты, прочес, ленту и, наконец, в ровницу, из которой вырабатывается собственно пряжа. При этом материалы очищаются от примесей и сора, волокна в них распрямляются, параллелизуются, а сами полуфабрикаты выравниваются вдоль своей длины, уменьшаются по толщине и ширине, постепенно превращаясь в пряжу. Ткани на разных этапах выработки также имеют разные наименования. Например, сотканная неотделанная ткань носит название суровой, прошедшая операции химического облагораживания, крашения и другой обработки — окрашенной и отделанной. Из общей классификации видно, что текстильные материалы последовательно усложняются по своей структуре. 143 В I группу входят исходные текстильные материалы (волокна, элементарные нити, мононити, полоски), из которых получают другие текстильные материалы. Текстильными волокнами называются протяженные тела, гибкие и прочные, с малыми поперечными размерами, ограниченной длины, пригодные для изготовления текстильных изделий. Текстильные нити представляют собой прочные тела со сравнительно небольшими поперечными размерами, но значительной длины, используемые для изготовления текстильных изделий. Тонкие единичные нити, которые не делятся в поперечном и продольном направлениях без разрушения, называются элементарными. Полоски — узкие бумажные или пленочные ленточки, получаемые из различных полимеров. Сами исходные текстильные материалы слагаются из волокнообразующих полимерных веществ. По источникам получения волокна и нити делят на два типа — натуральные и химические. К н а т у р а л ь н ы м относятся волокна и нити, которые образуются в природе без непосредственного участия человека, например, развиваются в растениях (хлопок, лубяные волокна (лен, пенька, джут и др.), на коже животных (шерсть), выделяются железами насекомых (шелк). Химические волокна и нити изготавливаются заводским путем в результате проведения различных химических, физико-химических и других процессов и подразделяются на искусственные, которые производят из природных полимеров, и синтетические, для получения которых сами полимеры предварительно синтезируют из более простых соединений (мономеров). Натуральные волокна используются такими, какими они формируются в природе. Для выделения из сырья, очистки от примесей и сора натуральные исходные материалы до поступления на перерабатывающие их текстильные фабрики проходят процессы так называемой первичной обработки, обычно выполняемые на специальных предприятиях или в особых цехах. Химические волокна получают путем нарезания или разрыва жгутов, составленных из большого числа элементарных нитей, на короткие отрезки или иногда путем дробления пленочных материалов на короткие продольные части (волокна). Элементарные нити среди исходных натуральных материалов представлены только шелковинами, а среди исходных химических — многими видами, отличающимися друг от друга по своему химическому составу и другим особенностям. При этом, 145 будучи очень тонкими, они всегда входят пучком из нескольких единиц или десятков в комплексные нити, так как формируются не поодиночке, а комплексом. В дальнейшем перерабатываются именно комплексные нити. Мононити представляют собой несколько более толстые элементарные нити, которые используют поодиночке для изготовления рыболовных лесок, производства тонких чулок и др. Из узких полосок путем скручивания также образуют своеобразные комплексные нити, используемые преимущественно как бечевки для упаковочных целей. Во 11 группу классификации входят нити всех видов: первичные — пряжа, комплексные и разрезные нити, и вторичные — крученые, фасонные, текстурированные и другие нити, получаемые дальнейшей обработкой первичных. Пряжа является основным видом первичных нитей. Она изготовляется из волокон почти всех видов, а также их смесей. Волокна в пряже располагаются по ее длине в более или менее распрямленном виде и соединяются в основном скручиванием, а иногда склеиванием. Комплексные нити являются вторым по своему значению видом первичных нитей. Кроме нитей из натурального шелка, все они относятся к химическим. В подавляющем большинстве случаев все составляющие их элементарные нити получают из одного и того же полимера. Чтобы удерживать элементарные нити в комплексной вместе, при выработке последней ей сообщают крутку или перепутывают составляющие ее элементарные нити между собой воздушной струей (нневмокомпактирование). Разрезные нити получают путем скручивания узких полосок. Непосредственно из первичных нитей простого и сложного строения (фасонных, текстурированных и др.) вырабатывают многие виды изделий, однако в ряде случаев для увеличения разнообразия изделий первичные нити сначала перерабатывают во вторичные. Для этого одинаковые или разнородные комплексные нити или пряжу продольно складывают в несколько концов (отращивают) и скручивают вместе, получая крученые нити. Видоизменяя их структуру последовательным кручением в разных направлениях, получают крученые текстурированные нити, а сообщая специальную крутку, добиваются получения на них петелек, утолщений и других эффектов (фасонные нити) и т.д. Большая часть нитей непосредственно к потребителю не поступает. Они предварительно перерабатываются в различные изделия. 146 III группа общей классификации охватывает разнообразные изделия. Основная их часть делается изизготовленных из нитей полотен. К таким изделиям относятся ткани, трикотаж, нетканые и вязано-тканые материалы. Ткани представляют собой гибкие прочные изделия относительно малой толщины, сравнительно большой ширины и различной длины. Они обычно образованы двумя взаимноперпендикулярными системами нитей (продольные — основные и поперечные — уточные), соединенными переплетением за счет поочередного перекрытия друг друга. Трикотаж — гибкие прочные изделия малой толщины и разнообразной формы, получаемые из одной или многих параллельных нитей путем образования петель и их взаимного переплетения. В последнее время появились изделия, называемые вязанотканые. В них уток включает небольшие участки, формируемые из трикотажных петель. Нетканые материалы, как и ткани, вырабатываются в виде полотен, получаемых из нитей. В отличие от тканей, в них две системы нитей, лежащие под углом друг к другу, не переплетаются, а провязываются дополнительной нитью. Этот способ получения нетканых полотен не является единственным. Многие из них вырабатываются непосредственно из волокон. К текстильным изделиям, изготовляемым из нитей, относятся галантерейные, сетеснастные, трикотажные, крученые.-' Галантерейные изделия включают в себя ленты, кружева, тюли, плетеные изделия (тесьму и шнуры). Сетеснастные изделия представлены рыболовными сетями. Это тонкие, редкие, прочные и гибкие изделия, получаемые из нитей двух систем, образующих при перекрещивании ромбовидные ячейки, для сохранения размеров которых нити связывают узлами или проводят одни через другие. К трикотажным относятся целыновязаные изделия: чулочноносочные, перчаточные, шарфы, платки. Кручеными называются нитеподобные изделия, отличающиеся от крученых нитей прежде всего тем, что они непосредственно или после небольшой дополнительной обработки идут к потребителю, тогда как крученые нити перерабатываются в различные изделия. Кроме того, крученые изделия во многих случаях значительно толще крученых нитей. К ним относятся различные виды канатов, веревок, кордные нити, используемые в шинном производстве, швейные и другие нитки и т.д. * Часть изделий вырабатывается непосредственно из волокон. К таким изделиям относятся нетканые полотна, валяльно-вой-лочные, рыхловолкнистые. 147 Нетканые полотна получают из холста, состоящего из параллелизированных волокон, скрепленных между собой различными способами — механическими (провязыванием и др.) или химическими (проклеивавшем, сваркой и др.). Валялъно-войлочные изделия представляют собой гибкие, прочные, различной формы и размеров полотна, получаемые путем перепутывания, сцепления и уплотнения слоев волокон, в основном шерстяных (иногда в смеси с другими). Такими изделиями являются войлоки, шляпные изделия и др. Рыхловолокнистые изделия (вата и ватные изделия различных видов) представляют собой рыхлую массу волокон с несколько упорядоченным расположением (некоторой паралле-лизацией), в той или иной мере очищенную от посторонних примесей. Существуют также комбинированные изделия, которые вырабатываются из материалов разных видов путем их дублирования. Например, некоторые виды нетканых материалов получают путем накладывания холста из волокон на ткань и их последующего скрепления; ковры — провязыванием жгутиками полотен; рыхловолокнистые изделия иногда комбинируют с тканями, бумагой и другими материалами путем их наклеивания на последние (так называемые ватилины). Наконец, для пальтовых и других готовых изделий тканые, трикотажные, нетканые полотна порой склеивают с пористыми пленками, утепляющими эти изделия. 8.3. Основы производства текстильных волокон и нитей 8.3.1. Основы производства и характеристика натуральных текстильных волокон В зависимости от природы происхождения натуральные волокна бывают растительного и животного происхождения. Натуральные волокна растительного происхождения получают путем съема с поверхности семян растений (хлопок) или выделения из стеблей (лубяные волокна — лен, пенька, рами, джут, кенаф). Хлопок — это волокна, покрывающие семена растений хлопчатника. Хлопчатник представляет собой однолетнее кустарниковое растение высотой 0,6—1,7 м, произрастающее в районах с жарким климатом (Узбекистане, Туркменистане, Таджикистане, Кыргизстане, Казахстане, Индии). Волокна, извлеченные из раскрывшихся коробочек вместе с семенами хлопчатника, называют хлопком-сырцом. На специ148 альных машинах он очищается от тяжелых примесей (камней, засохших комков почвы, кусков металла и др.), после чего на волокноотделительных машинах осуществляется отделение волокон от семян. Далее волокно прессуется в кипы массой 150—200 кг, которые направляются для дальнейшей переработки на прядильные предприятия. В зависимости от длины волокон хлопок делят на короткого— 27 мм), средне- (28 34 мм) и длинноволокнистый (35— 50 мм). Хлопок длиной менее 20 мм называют непрядомым, т.е. из него невозможно выработать пряжу. Между длиной и толщиной хлопковых волокон существует определенная зависимость: чем длиннее волокна, тем они тоньше. Хлопковое волокно обладает многими положительными свойствами. Прежде всего, оно имеет высокую гигроскопичность (Н = 8—12 %), поэтому хлопчатобумажные ткани и изделия из них обладают хорошими гигиеническими свойствами. Волокна достаточно прочные (Р0 = 19- 36 сН/текс), причем в мокром состоянии их прочность повышается на 15— 17 %. Хлопок имеет сравнительно высокую термостойкость — разрушения волокна при температуре до 130 °С не происходит. Светостойкость хлопкового волокна выше, чем у вискозного и натурального шелка, но ниже, чем у лубяных и шерстяных волокон. Хлопок обладает высокой устойчивостью к действию щелочей. Недостатками хлопка являются высокая сминаемость, большая усадка, низкая устойчивость к действию кислот, особенно минеральных. Хлопок применяют для производства тканей различного назначения — чисто хлопчатобумажных, а также полульняных и полушерстяных, в которых хлопчатобумажная пряжа используется в одной из систем нитей; трикотажа, нетканых полотен, гардиннотюлевых и кружевных изделий, швейных ниток, шнуров, веревок, канатов, тесьмы, ленты и др. Из хлопкового пуха (волокон длиной менее 20 мм) изготовляют медицинскую, одежную и мебельную вату. Его также используют как целлюлозное сырье для изготовления искусственных волокон, пленок, пластмасс, лаков и др. Лубяные волокна получают из стеблей, листьев или оболочек плодов различных растений. Стеблевыми лубяными волокнами являются лен, пенька, кенаф, джут, рами и др., листовыми — сезаль и др., плодовыми — койр, получаемый из покрова скорлупы кокосовых орехов. В текстильной промышленности наиболее широко применяются лен, пенька, кенаф, джут. Наиболее ценные лубяные волокна — льняные. 149 Лен — однолетнее травянистое растение. Основными льноводческими районами в СНГ являются Смоленская, Калининская, Новгородская, Ярославская, Костромская, Псковская, Великолукская, Вологодская и Кировская области России и Республика Беларусь. Лен имеет две разновидности: лен-долгунец и лен-кудряш. Из льна-долгунца получают волокна, из льна-кудряша — льняное масло. Процесс выделения волокон из стеблей растения включает следующие операции: мочку и обработку паром для удаления пектиновых (склеивающих) веществ и отделения волокон от стебля; мятье и трепание на специальных машинах. После трепания получают длинные волокна, называемые трепаным льном, и отходы трепания (короткие волокна). Трепаный лен подвергается гребнечесанию, в результате чего получают длинные горсти чесаного льна, состоящего из хорошо очищенных длинных, тонких технических волокон, и очесы. Выход трепаного льна составляет 13—15 % , а короткого волокна и очесов — 8— 10 % от массы льносоломы. По химическому составу льняные волокна имеют много общего с хлопковыми. Однако присутствие лигнина в составе волокон придает им жесткость, хрупкость и ломкость. Льняные ткани меньше, чем хлопчатобумажные, загрязняются и легче отстирываются. Эти свойства льна особенно ценны для бельевых полотен. Льняное волокно уникально и тем, что при высокой гигроскопичности (12 %) оно быстрее других текстильных волокон поглощает и выделяет влагу. Прочность льна больше, чем хлопка, его относительная разрывная нагрузка составляет 60 сН/текс. Содержание в льняном волокне лигнина делает его устойчивым к воздействию света, погодных условий, микроорганизмов. Термического разрушения волокна не происходит до температуры 160 ° С. Химические свойства льняного волокна аналогичны свойствам хлопкового, т.е. оно устойчиво к действию щелочей, но не устойчиво к кислотам. Недостатками льняных волокон являются сильная смина-емость, плохие отбеливаемость и окрашиваемость. Благодаря высоким гигиеническим и прочностным свойствам льняных волокон из них получают бельевые (для изготовт ления нательного, столового, постельного белья) и летние кос-тюмноплатьевые ткани. При этом около половины льняных тканей вырабатывают, смешивая лен с другими волокнами. Значительная часть таких тканей — полульняные бельевые с хлопчатобумажной пряжей по основе. Из льняных волокон изготовляют также пожарные рукава, шнуры, обувные нитки, а 150 из очесов льна — более грубые ткани: меточные, холсты, брезенты, парусины и др. Пеньку получают из однолетнего травянистого растения конопли. Первичная обработка конопли аналогична обработке льна. По сравнению с льняным пеньковое волокно более грубое и менее прочное. Длинные волокна пеньки перерабатывают в канаты, короткие — в веревки, шпагаты, упаковочные и мешочные ткани. Кенаф и джут получают из однолетних растений кенафа и джута, относящихся к семейству мальвовых и липовых соответственно. Из кенафа и джута вырабатывают в основном мешочные и тарные ткани. Так как мешки из джута обладают большой гигроскопичностью (до 27 %), но на ощупь остаются сухими, они используются для транспортирования и хранения товаров, имеющих большое содержание влаги. Натуральные волокна животного происхождения получа ют путем съема с колеи животных (шерсть) и обработки продук та выделения желез некоторых видов насекомых (шелк). Шерсть — это волокна снятого волосяного покрова овец коз, верблюдов, кроликов и других животных. Основными овце водческими регионами являются Россия, Украина, Узбекистан Киргизстан, Туркменистан, Азербайджан, Англия, Австралия, Шерсть, снятую стрижкой в виде цельного волосяного покрова, называют руном. В разных частях руна шерсть неоднородна по качеству, поэтому для получения более однородной массы ее сортируют, а затем подвергают трепанию (для устранения растительных и минеральных примесей), мойке (для удаления потожировых веществ), сушке и упаковке. Выход шерсти при этом составляет примерно 50 % . В зависимости от толщины волокон и однородности их состава шерсть подразделяют на тонкую, полутонкую, полугрубую и грубую. Важными показателями качества шерстяного волокна являются его длина и толщина. В отличие от хлопка, тонкая шерсть, как правило, более короткая. Длина шерсти влияет на технологию получения пряжи, ее качество и качество готовых изделий. Из длинных волокон (обычно 55—120 мм) получают гребенную (камвольную) пряжу — тонкую, ровную по толщине, плотную, гладкую (непушистую). Из коротких волокон (до 55 мм) получают аппаратную (суконную) пряжу, которая в отличие от гребенной более толстая, рыхлая, пушистая, с неровностями по толщине. Свойства шерсти по-своему уникальны. Ей присуща высокая свойлачиваемость, что учитывается при отделке (валке) суконных тканей, фетра, войлока, одеял, при производстве валяной обуви. 151 Шерсть обладает низкой теплопроводностью, поэтому ткани ич нее отличаются высокими теплозащитными свойствами, а кроме того, благодаря высокой упругости волокон, имеют небольшую сминаемость. Гигроскопичность шерсти высокая (15—17 %), но в отличие от других волокон она медленно поглощает и отдает влагу, оставаясь на ощупь сухой. Увлажненное волокно в растянутом состоянии можно зафиксировать сушкой, при повторном увлажнении длина волокна снова восстанавливается. Это свойство шерсти учитывается при влажно-тепловой обработке швейных изделий из шерстяных тканей для сутюжки и оттяжки их отдельных деталей. К воздействию света и погодных условий шерстяное волокно более устойчиво, чем хлопковое и льняное. Но при длительном облучении оно разрушается. Щелочи на шерсть действуют разрушающе, к кислотам она устойчива. Шерстяное волокно достаточно прочное (Р0 = 12—20 сН/текс), но в мокром состоянии его прочность уменьшается на 30 %. Недостатком шерсти является также малая термостойкость — при температуре 100—110 °С волокна становятся ломкими и жесткими, снижается их прочность. Из тонкой и полутонкой шерсти, как в чистом виде, так и в смеси с другими волокнами (хлопковыми, вискозными, капроновыми, лавсановыми, нитроновыми), изготовляют камвольные и тонкосуконные платьевые, костюмные, пальтовые ткани, нетканые полотна, трикотажные изделия, платки, одеяла; из полугрубой и грубой — грубосуконные пальтовые ткани, валяную обувь, войлоки. Натуральный шелк. Шелковое волокно — продукт выделения особых шелкоотделительных желез некоторых насекомых. Промышленное значение имеет шелк, получаемый от гусениц тутового шелкопряда. Шелководством в странах СНГ занимаются главным образом республики Средней Азии, Закавказья, Украина и Молдова. Тутового шелкопряда разводят в специализированных шелководческих совхозах и колхозах. Шелковую нить получают путем размотки размягченного паром кокона шелкопряда. Коконная нить состоит из двух шелковин, склеенных серицином. При ее отварке серицин растворяется, и коконная нить распадается на две шелковины. Коконные нити очень тонкие, поэтому после отварки их разматывают одновременно с 6—8 коконов, соединяя в одну комплексную нить. Такая нить называется шелком-сырцом. Длина 152 ее составляет примерно 1000 м, иногда более. Шелк-сырец может быть использован для выработки тканей. Значительную его часть перерабатывают в крученые нити, из которых получа-ют креповые, а также полукреповые ткани. Оставшийся после размотки кокона сдир (тонкая, не поддающаяся размотке оболочка, содержащая около 20 % длины нити), бракованные коконы, рвань шелка-сырца перерабатывают в короткие волокна, из которых получают шелковую пряжу. Таким образом, натуральный шелк выпускают как в виде комплексных нитей, так и пряжи. Натуральный шелк — самое легкое природное волокно из всех. Наряду с красивым внешним видом он обладает высокой гигроскопичностью (11 %), мягкостью, шелковистостью, ма-лой сминаемостыо. Шелк является незаменимым сырьем для, изготовления летней одежды. Натуральный шелк обладает высокой прочностью (относительная разрывная нагрузка — около 30 сН/текс), однако в мокром состоянии она уменьшается примерно на 15 %. Химические свойства натурального шелка и шерсти аналогичны, поэтому они одинаково реагируют на кислоты и щелочи. К недостаткам натурального шелка относят низкие светостойкость и термостойкость (такие же, как у шерсти) и высокую усадку, особенно у крученых нитей. Из шелка вырабатывают платьевые и блузочные ткани, в основном креповые, а также швейные нитки, ленты, шнуры. 8.3.2. Основы производства и характеристика химических текстильных волокон и нитей Общая схема производства химических волокон состоит из следующих этапов: получение и предварительная обработка сырья; приготовление прядильного раствора или расплава; формование нитей; отделка; текстильная переработка. 1. Получение и предварительная обработка сырья. Сырье для производства искусственных волокон, состоящее из природных полимеров, обычно получают на предприятиях других отраслей промышленности (целлюлозных заводах, заводах пищевой промышленности) путем его выделения из древесины, семян, молока и т.д. Предварительная обработка сырья состоит в его очистке или химическом превращении в новые полимерные соединения. Сырье для производства синтетических волокон получают путем синтеза полимеров из простых веществ на заводах искусственного волокна или химических заводах. Предварительная обработка этого вида сырья не проводится. 153 2. Приготовление прядильного раствора, или расплава. При изготовлении химических волокон необходимо из твердого исходного полимера получить длинные тонкие текстильные нити или волокна с продольной ориентацией макромолекул, т.е. провести переориентацию макромолекул. Для этого следует перевести полимер в жидкое (растворение) или размягченное (расплавление) состояние, при котором нарушается межмолекулярное взаимодействие, увеличивается расстояние между макромолекулами и появляется возможность их свободного перемещения относительно друг друга. 3. Формование волокон или нитей состоит в дозированном продавливании прядильного раствора или расплава через от верстия фильеры (рис. 8.2), затвердевании вытекающих струек и наматывании полученных нитей на приемные устройства. Формование струек в элементарные нити осуществляется раз личными методами: из расплава (рис. 8.3), из раствора сухим (рис. 8.4) и мокрым (рис. 8.5) способами и др. Процесс формования — один из важнейших этапов производства текстильных нитей, так как на нем происходит образование структурных элементов из макромолекул, создается первичная структура волокна. При формовании химические волокна получают в виде комплексных нитей, состоящих из нескольких длинных элементарных волокон, и в виде штапельных волокон — отрезков нити небольшой длины. 4. Отделка. Химические волокна и нити непосредственно после формования не могут быть использованы для производства текстильных материалов без дополнительной отделки. Она включает в себя следующие операции: удаление примесей и загрязнений путем промывания волокон в различных растворах; беление волокон оптическими отбеливателями; вытягивание и термообработка волокон для упорядочивания их первичной структуры; поверхностная обработка (аппретирование, замасливание), необходимая для придания нитям способности к последующим текстильным переработкам. 155 5. Текстильная переработка проводится с целью соединения элементарных нитей в комплексные и повышения их прочности (скручивание и фиксация крутки), увеличения объема паковок нитей (перематывание), оценки качества полученных нитей (сортировка). Химические волокна по существующей классификации подразделяются на искусственные и синтетические. К искусственным относят волокна, получаемые из природных высокомолекулярных соединений (полимеров — целлюлозы, белков), металлов, их сплавов, силикатных стекол. Более 99,5 % всех таких волокон вырабатывают из целлюлозы. Известны три способа получения искусственных волокон из целлюлозы: вискозный, ацетатный и медно-аммиачный, в соответствии с которыми они и получили свои наименования. Вискозное волокно — одно из первых химических волокон, которые начали вырабатывать в промышленных масштабах. Для его изготовления обычно используют древесную, преимущественно еловую, целлюлозу, которую путем обработки химическими реагентами превращают в прядильный раствор — вискозу. Для получения окрашенных в массе волокон и нитей в раствор вводят высокопрочный краситель, для получения матированных волокон — двуокись титана. Вискозные волокна отличаются высокой гигроскопичностью (11—12 %), поэтому изделия из них хороню впитывают влагу и гигиеничны. В воде вискозные волокна сильно набухают, при этом площадь их поперечного сечения увеличивается в 2 раза. Они достаточно устойчивы к истиранию, поэтому вискозные волокна целесообразно использовать для выработки изделий, для которых важными характеристиками являются высокие износостойкость и гигиенические свойства (например, подкладочных и сорочечных тканей). Вискозное волокно имеет высокую термостойкость, средние прочность (относительная разрывная нагрузка волокна — 21—22 сН/текс, нити — 13—18 сН/текс) и удлинение при разрыве (волокна — 19—26 % , нити — 14—16 %), на воздействие кислот и щелочей оно реагирует аналогично хлопку и льну. Однако вискозное волокно имеет существенные недостатки, проявляющиеся в изделиях из него, — сильную сминаемость из-за низкой упругости и высокую усадку (6—8 %). Поэтому для. изготовления платьевого, костюмного, пальтового ассортимента тканей вискозное волокно в чистом виде применять нецелесообразно. Еще одним недостатком вискозного волокна является большая потеря прочности в мокром состоянии (до 50—60 %). Вискозные волокна вырабатывают в виде комплексных нитей и волокон. Применение тех и других различное. Так, напри156 мер, из комплексных нитей (в чистом виде и в сочетании с други-< ми волокнами или нитями) вырабатывают подкладочные, платьевые, сорочечные, бельевые, декоративные ткани, верхний и бельевой трикотаж, чулочно-носочные, текстильно-галантерейные изделия (ленты, тесьма, галстуки). Волокна чаще применяв ют в смеси с другими волокнами — для изготовления платье-во-костюмных, сорочечных тканей, верхнего трикотажа. Ацетатные волокна получают из хлопкового пуха и облагороженной древесной целлюлозы (содержание целлюлозы —t не менее 98 %). При воздействии на целлюлозу уксусным ангидридом, уксусной и серной кислотами образуется ацетилцеллюлоза, из раствора которой получают ацетатные волокна или нити. В зависимости от применяемых растворителей и других химических реагентов вырабатывают диацетатные (ацетатные), и триацетатные волокна. Некоторые свойства ацетатных и триацетатных волокон общие, а некоторые различаются. К общим положительным свой-, ствам данных видов ацетатного волокна относят малые сминаем мость и усадку (до 1,5 %), а также способность сохранять в изделиях эффекты гофре, плиссе даже после мокрых обработок; ю недостаткам, сдерживающим их применение в ассортименте изделий, — низкую устойчивость к истиранию, в силу чего их применение в ассортименте подкладочных, сорочечных, кос-? тюмных тканей нецелесообразно. Эти волокна лучше использовать в ассортименте галстучных тканей, для которых износостойкость большого значения не имеет. К другим общим недостаткам ацетатных и триацетатных волокон относят высокую электризуемость и склонность изделий к образованию заломов в мокром состоянии. Различия в свойствах ацетатного и триацетатного волокон состоят в следующем. Гигроскопичность у ацетатных волокон выше (6,2 %), чем у триацетатных (4,5 %), однако последние лучше окрашиваются и имеют большие свето- и термостойкость (180 °С против 140—150 °С). Ацетатные и триацетатные волокна выпускают в виде комплексных и текстурированных нитей (повышенной объемности), волокон. Нити (в чистом виде и в сочетании с другими нитями, волокнами) используют в ассортименте шелковых платьевых, блузочных, сорочечных тканей, верхнего трикотажа, галстуков, шарфов, кружев. Медно-аммиачные волокна. Значительным преимуществом производства медно-аммиачных волокон и нитей по сравнению с производством вискозных волокон является резкое уменьшение вредности вследствие отсутствия выделения газов 157 и меньшей загрязняемости водоемов. Однако для производства медно-аммиачных волокон и нитей требуется менее распространенное сырье и более дефицитные медные соединения и аммиак. Поэтому их доля в производстве химических волокон составляет около 1 % . Исходным сырьем является хлопковый пух или облагороженная древесная целлюлоза. Медно-аммиачное волокно повышенной линейной плотности (1—1,5 текс) используется в смеси с другими химическими волокнами или шерстью (для изготовления ковров). Более тонкие волокна и нити применяют для выработки того же ассортимента, что и вискозные. Металлосодержащие волокна (нити) могут быть металлическими или металлизированными (пленочными с металлическим покрытием). Металлические нити представляют собой мононити круглого или плоского сечения из алюминиевой фольги, меди и ее сплавов, серебра, золота и других металлов. Металлизированные нити представляют собой двухслойные пленочные нити с внутренним алюминиевым покрытием. Для упрочения их обкручивают одной или двумя капроновыми нитями. Введение металлосодержащих нитей в ткани, трикотаж, нетканые полотна придает им нарядность, и поэтому они применяются при изготовлении материалов, предназначенных для нарядной одежды. Синтетические волокна получают из природных низкомолекулярных веществ (мономеров), которые путем химического синтеза превращаются в высокомолекулярные (полимеры). В качестве низкомолекулярных веществ часто используют продукты переработки нефти, природного газа, каменного угля. Синтетические волокна по сравнению с искусственными обладают высокой износостойкостью, малыми сминаемостью и усадкой, но их гигиенические свойства невысоки. Поэтому для бельевого ассортимента эти волокна не применяют, а для изделий одежного назначения их чаще используют в смеси с натуральными и искусственными волокнами и нитями, так как в этом случае отрицательные гигиенические свойства синтетических волокон компенсируются положительными гигиеничес-. кими свойствами других компонентных волокон. Таким образом, для получения изделий с необходимыми положительными свойствами важным является выбор рациональной смески волокон и их процентного соотношения. Основными представителями синтетических волокон являются полиамидные (капроновые), полиэфирные (лавсановые), 158 полиакрилонитрильные (нитроновые), полиолефиновые (полипропиленовые, полиэтиленовые), полигалогеновые (поливинилхлоридные (ПВХ), хлориновые), поливинил спиртовые (виноловые). Полиамидные (капроновые) волокна получают из полимера капролактама —- низкомолекулярного кристаллического вещества, которое в свою очередь добывают из продуктов химической переработки каменного угля или нефти. К положительным свойствам капронового волокна относят: высокую прочность, самую большую среди текстильных волокон устойчивость к истиранию и изгибам, малую сминаемость и усадку, устойчивость к действию микроорганизмов. Однако капроновое волокно малогигроскопично, поэтому гигиенические свойства изделий из таких волокон невысоки. Кроме этого, капроновое волокно жесткое, сильно электризуется, неустойчиво к действию света, щелочей, минеральных кислот, имеет низкую термостойкость. На поверхности изделий, выработанных из капроновых волокон, образуются пилли, которые из-за высокой прочности волокон сохраняются в изделии и в процессе носки не исчезают. Капроновые волокна используют главным образом в смеси (обычно 10—20 %) с шерстью, хлопком в ассортименте костюмных, пальтовых тканей. Из тонких комплексных, текстуриро-ванных и мононитей изготавливают легкие блузочные, платьевые, плащевые ткани, бельевой трикотаж, чулочно-носочные изделия, кружева. Иа толстых комплексных нитей получают корд для автопокрышек, крученые изделия (канаты, веревки), ме-бельно-декоративные ткани. Монопити используют для изготовления ситовых тканей, в качестве заменителя щетины, лески. Полиэфирные (лавсановые) волокна получают из продуктов переработки нефти (полиэтилентерефталата) и каменноугольной смолы (терефталевой кислоты и этиленгликоля). Лавсановое волокно характеризуется высокой несминаемо-стью, превосходя в этом все текстильные волокна, в том числе и шерсть. Лавсановое волокно обладает очень высокой стойкостью к свету и атмосферным воздействиям (уступая только нитроновому волокну). По этой причине его целесообразно использовать в гардинно-тюлевых> тентовых, палаточных изделиях. Лавсановое волокно является термостойким. Оно термопластично, благодаря чему изделия из него хорошо сохраняют эффекты плиссе и гофре. По стойкости к истиранию и изгибам лавсановое волокно несколько уступает капроновому, имеет на разрыв высокую прочность. Оно устойчиво к разбавленным кислотам, ще159 лочам, но разрушается при воздействии концентрированной серной кислотой и горячей щелочью. К недостаткам лавсанового волокна относятся низкая гигроскопичность (до 1 %), плохая окрашиваемость, повышенная жесткость, электризуемость и пиллингуемость. Образующиеся пилли длительно сохраняются на поверхности изделий. Для снижения сминаемости изделий лавсановое волокно чаще используют в смеси с шерстью, хлопком, льном, вискозным волокном для выработки тканей, трикотажа, искусственного меха. Из текстурированных нитей получают верхний трикотаж, из комплексных нитей — тюлевые изделия, из мононитей — сетки, щетину. Полиакрилонитрилъные (нитроновые) волокна вырабатывают из сополимеров полиакрилонитрила, содержащих один или два других компонента. Извитое нитроновое волокно по внешнему виду схоже с тонким шерстяным волокном. По многим свойствам нитроновое волокно близко к лавсановому. Так же, как и лавсановое, нитроновое волокно обладает высокими теплозащитными свойствами, малой сминаемостыо и усадкой. По светостойкости нитроновое волокно превосходит все текстильные волокна, и поэтому из него изготовляют гардинно-тюлевые, тентовые и другие изделия. Нитроновое волокно имеет очень высокие термостойкость (180— 200 ° С) и устойчивость к действию микроорганизмов, но малую гигроскопичность (0,7—0,9 %), что делает изделия из него негигиеничными. Из синтетических волокон оно обладает самой низкой устойчивостью к истиранию, но сравнительно небольшой прочностью. Нитроновые волокна в чистом виде и в смеси с шерстью используют для выработки платьево-костюмных тканей, искусственного меха, различных трикотажных изделий — главным образом верхнего трикотажа, головных уборов, шарфов, перчаточных изделий. Из комплексных нитей вырабатывают изделия, подвергающиеся действию светопогоды, — гардиннотюлевые изделия, рыболовные снасти. Полиолефиновые (полипропиленовые, полиэтиленовые) волокна получают из продуктов переработки нефти и природного газа — полипропилена и полиэтилена. Это самые легкие текстильные волокна, изделия из них не тонут в воде. Они устойчивы к истиранию, действию химических реагентов, микроорганизмов, достаточно прочные. Основные недостатки полио-лефиновых волокон — низкая гигроскопичность (0,02 %) и малые свето- и термостойкость (при температуре 50—60 °С происходит значительная усадка волокон). 160 Моно- и комплексные нити используют для выработки парусных тканей, веревок, канатов. Полиолефиновые волокна в чистом виде или в смеси с шерстью, хлопком применяют для изготовления ковров, мебельно-декоративных тканей, скатертей, одеял. Полигалогеновые (поливинилхлоридные (ПВХ), хлори-новые) волокна вырабатывают из раствора поливинилхлорид-ной смолы в диметилформамиде (ПВХ) и из хлорированного по-ливинилхлорида (хлориновое волокно). По своим свойствам эти волокна значительно отличаются от других синтетических волокон тем, что они в результате малой теплопроводности обладают высокой теплоизоляционной способностью, не горят, не гниют, очень стойки к действию различных химических реагентов (щелочей, кислот, окислителей). На белье из полигало-геновых волокон вследствие их высокой электризации о кожу человека накапливаются электростатические заряды, имеющие лечебный эффект при болезнях суставов. Однако ПВХ и хлориновое волокно имеют низкую гигроскопичность (0,2—0,3 и 0,1—0,15 % соответственно), плохую окрашиваемость. Полигалогеновые волокна чаще всего используют в смеси с другими волокнами для производства трикотажного белья, фильтровальных тканей, сукна. Поливинилспиртовые (виноловые) волокна изготавливают из поливинилового спирта, получаемого из поливинилаце-тата, являющегося продуктом переработки ацетилена и уксусной кислоты. Виноловое волокно по сравнению с другими синтетическими волокнами имеет самую высокую гигроскопичность (5 %), высокие термостойкость (180—190 °С) и устойчивость к исти-ранию, обладает достаточной прочностью, устойчивостью к действию света, химических реагентов (кислот и щелочей, кроме концентрированных минеральных кислот), микроорганизм мов, хорошо окрашивается. Виноловое волокно в смеси с хлопковым, вискозным и гперстяным волокнами используют для выработки сорочечных' платьево-костюмных тканей, бельевого и верхнего трикотажа, ковров, одеял. Из комплексных нитей вырабатывают сети, крученые изделия (канаты и др.). 8.3.3. Классификация, виды и строение текстильных нитей Текстильные нити классифицируют по разным признакам: по структуре, интенсивности крутки, волокнистому составу, виду отделки и назначению. 161 По структуре текстильные нити делят на мононити, элементарные нити, комплексные нити, трощеные нити, жгутик, пряжу, крученые и текстурированные нити. Мононитъ — одиночная нить, не делящаяся в продольном направлении без разрушения, пригодная для изготовления текстильных изделий. Элементарная нить — одиночная нить, не делящаяся в продольном направлении без разрушения, являющаяся составной частью комплексной нити. Состоит из тонких или толстых одиночных натуральных (шелк-сырец), химических или минеральных волокон неопределенно большой длины. Комплексная нить состоит из двух и более элементарных нитей, соединенных между собой скручиванием. Трощеная нить состоит из двух и более продольно сложенных комплексных нитей или пряжи, не скрученных между собой. Жгутик — комплекс большого числа продольно сложенных элементарных нитей, предназначенных для изготовления пряжи. Пряжей называется нить, полученная из отдельных волокон путем их скручивания. Вырабатывают ее из волокон растительного происхождения (хлопка, льна), шерсти, коротких волокон натурального шелка, химических волокон. Крученые нити состоят из нескольких продольно сложенных вместе первичных нитей, соединенных скручиванием в одну. К ним относятся крученая пряжа и крученые комплексные нити. Применяя различные способы кручения, можно получить: а) простую крученую пряжу, когда отдельные складывае мые нити, подаваемые с одинаковым натяжением, образуют од нородную структуру крученой нити по всей ее длине; б) фасонную крученую, состоящую из стержневой нити, об виваемой нагонной (или эффектной), имеющей большую дли ну, чем стержневая. Последняя образует на пряже спирали, узелки разнообразной формы и протяженности, кольцеобраз ные петли и др. Применение нитей фасонной крутки позволяет получать ткани с красивым внешним эффектом; в) армированную, имеющую сердечник (одиночная пряжа, крученая пряжа, комплексные нити и др.), обволакиваемый разными волокнами (хлопком, шерстью, льном, разными хи мическими волокнами) или нитями, прочно соединенными с сердечником за счет скручивания. Текстурированные нити — первичные нити, внешний вид, структура и свойства которых изменены путем дополнительных физико-механической, физико-химической и другой обра162 ботки. К ним относятся текстурированные пряжа и комплексные нити. Текстурированные нити имеют увеличенный объем, рыхлую структуру, повышенную пористость и растяжимость. Данные особенности являются следствием повышенной извитости элементов структуры. По химическому составу текстурированные нити бывают полиамидные (эластик, аэрон, гофрон, мэрон, комэлан и рилон), полиэфирные (мэлан) и полиакрило-нитрильные (эйрвел). По интенсивности крутки бывают нити слабой (пологой), средней (муслин) и сильной (креп) крутки. По волокнистому составу различают нити однородные, неоднородные и смешанные. Однородная нить состоит из нитей одной природы, неоднородная — из нитей разной природы, смешанная — из смеси волокон разного вида, равномерно распределенных по всему поперечному сечению вдоль нити. По виду отделки нити подразделяют на суровые, отбеленные, крашеные, блестящие, матированные, меланжевые, мулине. Суровые — нити, не подвергавшиеся отделке. Отбеленные — нити, подвергнутые отбеливанию, т.е. воздействию растворов окислителей (например, перекиси водорода) с целью их обесцвечивания и придания устойчивой белизны и мягкости. Крашеные — нити, подвергнутые равномерному воздействию красителя по всей длине и сечению. Блестящими являются нити натурального шелка, химических волокон, мерсеризованной хлопчатобумажной пряжи. Матированными называют нити, обработанные химическими веществами (двуокисью титана) для придания им матового цвета. Меланжевой называют пряжу, получаемую из смеси волокон, окрашенных в разные цвета, или окрашенных и неокрашенных волокон. Мулине — пряжа, которая состоит из двух скрученных вместе одинарных нитей разного цвета. По назначению различают нити, предназначенные для разнообразных производств: ткацкого, трикотажного, ниточного, нетканых полотен, крученых изделий и изделий специального назначения, гардшгао-кружевного, плетельного и др. Различные свойства нитей определяются соответствующим подбором сырья, строением нитей, технологией производства и др. 163 8.3.4. Основные этапы производства пряжи Пряжу вырабатывают как из одного вида волокон, так и из их смеси. Прядение большинства текстильных волокон состоит из следующих основных операций: приемка волокон по качеству, подбор сырья и составление смеси, рыхление, трепание, чесание, выравнивание лент, утонение лент, прядение. Приемка волокон по качеству заключается в определении их толщины, длины, извитости, разрывной нагрузки и других показателей и последующем их сравнении с нормами стандартов на волокна. При подборе сырья и составлении смеси исходят из необходимости наиболее целесообразного использования сырья и возможности придания тканям нужных свойств за счет того, что недостатки одного вида сырья можно компенсировать достоинствами другого. При смешивании чаще всего используют сочетания натуральных волокон с различными видами химических или искусственных и синтетических химических волокон друг с другом. Смесь чаще всего состоит из двух видов волокон, но может быть и трех-, и четырехкомпонентной. Рыхление волокон производят в связи с тем, что они поступают на текстильные предприятия в спрессованных тюках или кипах. В процессе этой операции также удаляются грубые посторонние примеси. При смешивании различных волокон рыхление обеспечивает равномерное их распределение. Трепание проводят для более тщательного рыхления волокон и очистки их от посторонних примесей, оставшихся после рыхления. После трепания получают слой волокон, называемый холстом. Чесание — одна из важнейших операций при переработке волокон в пряжу. Встречающиеся в холсте мелкие клочки волокон при этой операции полностью разделяются на отдельные волокна, удаляются оставшиеся мелкие сорные примеси, а также происходят частичное распрямление и параллелизация волокон. Чесание волокон проводят на чесальных машинах — кардочесальных, гребнечесальных или чесальных аппаратах, состоящих из двух или трех кардочесальных машин. От названия этих машин образованы наименования вида пряжи и способа ее получения — кардная, гребенная, аппаратная. Кардным способом вырабатывают пряжу из натуральных волокон средней длины, их смеси с химическими волокнами, химических волокон, льняных очесов. По качеству кардная пряжа занимает промежуточное положение между гребенной и 164 аппаратной — она имеет средние значения толщины, неравномерности по толщине, компактности, ворсистости. Гребенному чесанию подвергают натуральные волокна большой длины — тонковолокнистый хлопок, лен, шерсть длиной более 55 мм, отходы натурального шелка, химические волокна большой длины резки. Гребенная пряжа — это самая тонкая, высококачественная пряжа, отличающаяся компактностью, ровнотой поверхности, незначительной ворсистостью, высокой прочностью. Аппаратному чесанию подвергают низкосортный короткий хлопок, льняные очесы, шерстяные волокна длиной менее 55 мм. Пряжа, полученная этим способом чесания, более низкого качества, обычно более толстая, рыхлая, сильно ворсистая, с неровной поверхностью (утолщениями, утонениями, встречаются сорные примеси). Выравнивание лент по толщине необходимо для дальнейших распрямления и параллелизации волокон. Выравнивание лент производится на ленточных машинах путем сложения и вытяжки лент в такое же количество раз, во сколько они соединены. Утонение лент и получение из них ровницы производят на ровничных машинах с помощью вытяжных приборов. Степень вытяжки зависит от толщины получаемой пряжи. Для скрепления волокон между собой ленту слегка подкручивают и получают ровницу — полуфабрикат пряжи. Ровницу можно использовать и для вязания головных уборов, шарфов и других трикотажных изделий, а также в одной из систем нитей (уточных) тканых одеял. Прядение осуществляется на кольцепрядилыюй машине и заключается в дальнейшем утонении ровницы до необходимой толщины, ее закручивании и намотке полученной пряжи на паковку. На кольцепрядильной машине ровница закручивается с помощью бегунка, движущегося по кольцу, и уже в виде пряжи наматывается на паковку. За каждый оборот бегунка по кольцу нить получает один виток. В настоящее время большое распространение получил пневмомеханический (безверетенный) способ выработки пряжи без использования кольца и бегунка. Принцип получения пряжи пневмомеханического прядения основан на механическом и аэродинамическом воздействии на ленту или ровницу, в результате чего происходит их вытягивание и утонение при одновременном закручивании. Пряжа, полученная безверетенным способом прядения, несколько отличается от обычной: она более душистая и объемная, 165 равномерная по толщине. Волокна в этой пряже находятся в менее напряженном состоянии, поэтому изделия из нее меньше сминаются, лучше драпируются, более устойчивы к истиранию. Однако из-за большей рыхлости она имеет несколько меньшую прочность на разрыв (на 15—20 %). Получение пряжи из волокон различного происхождения имеет свои особенности. При выработке пряжи из хлопковых волокон или их смеси с химическими используются все три основные системы прядения: кардная, гребенная и аппаратная. Наиболее широко применяется кардная система прядения, так как наибольший удельный вес в общем производстве хлопка занимает среднево-локнистый хлопок. Для выработки пряжи из окрашенного в разные цвета хлопка или из смеси окрашенного и неокрашенного хлопка в данных системах прядения применяют так называемое меланжевое прядение. Ткани из меланжевой пряжи не подвергают крашению или набивке. По объему производства пряжи меланжевое прядение находится на третьем месте. Основными направлениями развития производства хлопчатобумажной пряжи являются: внедрение сокращенных методов производства на основе установки поточных линий и увеличения мощности вытяжных приборов, создание цехов и фабрик-автоматов с усовершенствованным технологическим процессом смешивания, разрыхления и выравнивания продукта; применение высокопроизводительного технологического оборудования и осуществление механизации основных и вспомогательных работ, выполняемых в настоящее время вручную. Для получения пряжи из льна применяют две системы прядения: для длинноволокнистого льна — гребенную, для коротковолокнистого и очесов — кардную. Различают сухое и мокрое прядение льна. Сухое прядение льна аналогично прядению хлопка. При мокром прядении ровницу пропускают через корыта с горячей водой или специальным раствором для размягчения склеивающих веществ. После размягчения волокон ровница вытягивается до нужной толщины, в результате чего получается равномерная, гладкая и прочная пряжа. Мокрым способом вырабатывается большая часть льняной пряжи. Для получения тканей высокого качества льняную пряжу облагораживают отвариванием в щелочных растворах едкого натра и кальцинированной соды и белением в растворе гипох-лорита натрия, кальция и перекиси водорода. В процессе отваривания и отбеливания из пряжи удаляются пектиновые клейкие вещества, пряжа становится мягкой, шелковистой. 166 Перед получением пряжи из шерсти ее подвергают мойке и сушке. Сильно засоренную репьем и другими цепкими растительными примесями шерсть подвергают карбонизации. Для этого ее обрабатывают слабым раствором серной кислоты, которая, не нарушая химического состава шерсти, разрушает все примеси. Для получения одноцветной и меланжевой пряжи, изготовленной из смеси различно окрашенных волокон, шерсть окрашивают в волокне. Смешанные волокна для повышения скольжения и гибкости, снижения электризуемости и облегчения получения пряжи замасливают. Для переработки шерсти применяют два основных способа прядения: гребенной (камвольный) и аппаратный (суконный). Шелковую пряжу вырабатывают из отходов натурального шелка — поврежденных коконов, очесов, сдиров и срывов нитей — по гребенной, кардной (оческовой) и аппаратной системам прядения. 8.4. Основы производства ткани Получение ткани осуществляется на ткацких предприятиях и является сложным технологическим процессом, включающим в себя, как правило, две основные стадии: 1) ткачество — получение суровой (неотделанной) ткани; 2) отделка ткани — формирование определенных потребительских свойств ткани и придание ей товарного вида. Обе стадии могут выполняться как на одном (ткацкой фабрике), так и на разных предприятиях: ткацкой (получение суровой ткани) и отделочной фабриках (отделка ткани до готового товарного вида). В ткачестве используют однородную различного волокнистого состава и смешанную пряжу, крученые, фасонные и другие нити. В зависимости от волокнистого состава получаемые ткани подразделяют на классы: хлопчатобумажные, льняные, шерстяные и шелковые. Получение каждого класса тканей имеет свою специфику, как в процессах ткачества, так и в процессах отделки. Поэтому, как правило, ткацкие (отделочные) предприятия специализируются по выпуску тканей в соответствии с их группировкой по классам. 8.4.1. Основы ткачества Ткачеством называют процесс образования ткани из систем нитей, расположенных взаимно перпендикулярно и связанных между собой переплетением. 167 Система нитей, расположенных вдоль ткани, называется основой, а поперек — утком. Так как нити основы испытывают значительное натяжение и трение, то они должны быть более прочными и гладкими, чем нити утка. Технологический процесс получения суровой (неотделанной) ткани состоит из двух основных этапов: предварительной подготовки нитей и ткачества (переплетения основных и уточных нитей). Предварительная подготовка нитей заключается в проведении ряда специальных операций с нитями, обеспечивающих их нормальную переработку в процессе ткачества. Для нитей основы осуществляются снование — параллельное наматывание большого числа нитей (300—640 шт.) одинаковой длины и с одинаковым натяжением на сновальный валик и шлихтование — пропитка специальным клейким составом, называемым шлихтой, для придания основе гладкости, прочности, устойчивости к трению и предупреждению обрывов в процессе ткачества; для уточных — перематывание на уточные шпули с целью получения нитей большой длины на одной паковке, очистки их от посторонних примесей и дефектов, устранения слабых мест в пряже и обрывов в процессе перемотки. Данные операции выполняются на сновальных и мотальных машинах. Важной операцией, способствующей в процессе ткачества подъему и опусканию в определенном порядке основных нитей, является проборка — продевание основы в глазки ремизки (рис. 8.6) и бердо (рис. 8.7). Ремизка состоит из двух планок 1, между которыми расположены металлические или нитяные галева 2, в середине галев имеются глазки 3. Ремизки поднимают и опускают нити (пряжу) в процессе ткачества, их количество зависит от характера переплетения. Бердо изготовляют из параллельно расположенных металлических узких пластинок (зубьев) 2, концы которых неподвижно закрепляются двумя планками 1. Бердо служит для формирования ширины и плотности ткани. Подготовленная таким способом основа — ткацкий навой (валик) — с ремизками и бердом устанавливается на ткацком станке. Процесс ткачества (переплетение основных и уточных нитей) осуществляется на ткацком станке (рис. 8.8). Часть нитей основы (например, четные), продетые в глазки одной ремизки, периодически поднимается, а другие нити (нечетные), продетые в глазки другой ремизки, опускаются. Между ними образуется зев, в него быстро пробрасывается механизмом челнок с уточной нитью, которая немедленно прибивается бердом к опушке вырабатываемой ткани. Затем ремизки с нитями основы меняют положение для следующего пробрасывания челнока с уточной нитью. В такой последовательности процесс образования ткани повторяется до конца основы. Пролет челнока через зев из одной челночной коробки в другую происходит очень быстро, через каждые 0,3 с и менее, при этом за 1 мин прокладывается 220 уточин. При выработке шерстяных тканей, наиболее широких, станок делает 100—120 ударов. Ткацкие станки бывают различного типа: одночелночные, многочелночные и бесчелночные. Многочелночные ткацкие станки применяют при производстве тканей с утком разного волокнистого состава, неодинаковых круток и направлений крутки, разных цветов, полутора-слойных и двухслойных. В зависимости от способа питания утком различают механические и автоматические челночные станки. Наиболее распространены ткацкие станки СТБ (станок ткацкий бесчелночный), в которых уточная нить прокладывается микрочелноком (маленькой плоской пластинкой). Производительность такого станка в 2—4 раза выше, чем обычного, кроме того, он работает бесшумно. В последние годы были созданы бесчелночные станки, в которых уточная нить прокладывается в зев с помощью капли воды или струи воздуха. Первые называются гидравлическими, вторые — пневматическими. Для выработки тканей более сложных переплетений применяют кареточные жаккардовые станки. Физико-механические свойства тканей, их внешний вид зависят от вида и свойств применяемых текстильных нитей и структуры ткани, которая определяется их переплетением, т.е. порядком взаимного перекрытия нитей основы нитями утка. Существует множество видов ткацких переплетений, которые подразделяют на четыре основных класса: простые, мелкоузорчатые, сложные и крупноузорчатые. Простые переплетения применяют для выработки ткани с гладкой поверхностью без каких-либо узоров. На практике их называют основными, так как на их основе строятся другие переплетения, особенно комбинированные. К простым переплетениям относятся полотняное, саржевое, атласное. Мелкоузорчатые переплетения подразделяют на два подкласса: производные, получаемые сочетанием двух одинаковых простых переплетений, и комбинированные, получаемые сочетанием нескольких простых переплетений. Оба подкласса образуют на ткани мелкий узор. Сложные переплетения применяют в тех случаях, когда необходимо увеличить толщину ткани, получить разную или одинаковую лицевую и изнаночную стороны, а также ворсовую лицевую поверхность. Наиболее распространены полутораслой-ные, двухслойные, ворсовые, махровые, ажурные переплетения. Полутораслойные переплетения образуются из трех систем нитей — из двух основ и одного утка или наоборот. Двухслойные переплетения образуются из четырех, а иногда из пяти систем нитей — из двух основ и двух или трех утков; 170 получается как бы два самостоятельных слоя (полотна), соединенных уточной нитью. Полутораслойное и двухслойное переплетения применяют для производства утолщенных тканей (драпов) и одеял с хорошими теплозащитными свойствами, лицевая сторона и изнанка которых могут быть выработаны разными переплетениями и из различных по толщине, цвету и волокнистому составу нитей. Ворсовые применяют для получения на поверхности ткани ворсового покрова. Ворс получают путем разрезания дополнительных ворсовых нитей основы или утка. Такими переплетениями вырабатывают бархат, плюш и др. Махровыми (петелысыми) переплетениями получают на поверхности ткани петельный ворс. Эти переплетения образуются из двух систем основных нитей и одной системы уточных. Петлистая структура придает махровым изделиям высокую влаговпитывающую способность. Махровым переплетением вырабатывают хлопчатобумажные и льняные ткани для простыней, полотенец, халатов, ковриков и др. Ажурные переплетения состоят из одного утка и двух основ — коренной и ажурной (перевивочной). Ажурными переплетениями изготовляют легкие и прозрачные ткани для сорочек, платьев, блузок, занавесей и др. Крупноузорчатые переплетения образуют на лицевой поверхности ткани крупный ткацкий (жаккардовый) рисунок. Эти переплетения получают на жаккардовых машинах из большого количества (от 24 до 1000 и более) нитей основы, переплетающихся различным образом. Жаккардовым переплетением вырабатывают платьевые, костюмные и пальтовые ткани разнообразных рисунков и расцветок (в небольшом количестве), шелковые ткани с эффектом гофре, с фасонным эффектом и с начесом, гобеленовые, портьерные и мебельные ткани, платки, скатерти, покрывала и махровые полотенца. Снятая с ткацкого станка ткань называется суровьем (или суровой тканью). Из ткацкого цеха (фабрики) ее направляют в красил ьно-отд ел очный цех или на фабрику для отделки. 8.4.2. Отделка тканей Отделкой тканей называют совокупность химических и физико-механических процессов, в результате которых суровая ткань превращается в готовую. В процессе отделки устраняются имеющиеся на суровых тканях загрязнения, а также снижается усадка, увеличивается срок службы, улучшаются эстетические и гигиенические свой171 ства тканей. Путем различных воздействий уменьшается сминаемость и улучшаются теплозащитные свойства тканей. Они приобретают водоупорность (водоотталкивание). Из одной и той же суровой ткани в процессе отделки получают готовые ткани с неодинаковыми свойствами и различного назначения. Характер и условия отделочных операций меняются в зависимости от строения тканей, их назначения и особенно природы пряжи или нитей, из которых они получены. Поэтому отделка тканей производится на отделочных фабриках (цехах), которые специализируются на отделке хлопчатобумажных, льняных, шерстяных, шелковых тканей и тканей из химических волокон. Суровые ткани, поступающие на отделку в отделочный цех или на отделочную фабрику, подвергают контрольной разбраковке: шерстяные и шелковые — в количестве 100 % , а хлопчатобумажные и льняные — 10 %. Все ткани проходят физикомеханические испытания в лаборатории. После этого на обоих концах тканей ставят клеймо несмываемой краской; на шерстяных тканях клеймение заменяют вышивкой. Отделывают ткани непрерывной лентой, поэтому отдельные куски сшиваются на швейных машинах. Полный цикл отделки тканей любого ассортимента состоит из ряда самостоятельных, но взаимосвязанных этапов: предварительной отделки, крашения и узорчатой расцветки, заключительной отделки, специальной отделки. Предварительная отделка предназначена для подготовки тканей к последующему крашению или нанесению узорчатой расцветки. Характер подготовительных операций и их количество зависит от сырьевого состава, вида сопутствующих и загрязняющих веществ на ткани. Предварительная отделка может включать в себя (в зависимости от волокнистого состава ткани) следующие операции: опаливание, расшлихтовку, отварку, карбонизацию, мерсеризацию, отбелку, валку, ворсование, ратинирование, мокрую декатировку, оживление, утяжеление, термофиксацию. Опаливание суровой ткани различного волокнистого состава необходимо для удаления выступающих кончиков волокон, которые отрицательно влияют на крашение и набивку (печатание). Опаливание осуществляется на плитных и газовых опальных машинах. Расшлихтовку проводят для всех видов ткани с целью удаления из суровья шлихты, нанесенной на нити основы в процессе их подготовки к ткачеству, а также загрязнений и менее устойчивых естественных примесей (пектиновых и азотистых веществ). 172 Отварка для хлопчатобумажных и льняных тканей осуществляется в щелочных растворах, а шелковых — в мыльных. В процессе отварки в результате омыления жиров они удаляются с волокон вместе с воскообразными и другими веществами. Отваренная ткань становится мягкой, приобретает способность смачиваться водой, что очень важно для последующих операций отделки (крашения и набивки). Карбонизация — обработка чистошерстяных тканей 4— 5 % ным раствором серной кислоты для очистки их от растительных примесей. Мерсеризация — обработка хлопчатобумажных тканей при пониженной температуре концентрированным раствором едкого натра с последующей промывкой горячей и холодной водой. Мерсеризованные ткани отличаются мягкостью, шелковистостью, повышенной механической прочностью и гигроскопичностью. Отбелка суровых тканей необходима для разрушения и обесцвечивания природной окраски волокна и придания ткани устойчивой белизны и мягкости. Отбеливают ткани, предназначенные для окраски в светлые тона и светлой печати, а также бельевые. В качестве отбеливающих веществ используют растворы окислителей: перекись водорода, гипохлорит натрия и кальция и др. Кроме химического отбеливания тканей, применяют также оптическое отбеливание с применением лейкофора, бланкофора. Отбелка шелковых тканей проводится редко, так как природные красящие вещества удаляются при отварке. Отбелка льняных тканей затруднена, поэтому отбеливают пряжу — в четыре стадии, каждой из которых соответствует своя степень белизны. Валка — процесс механической обработки шерстяных суконных тканей с целью их уплотнения и создания войлокооб-разного настила, полностью или частично закрывающего рисунок ткацкого переплетения. После валки ткань становится плотнее, толще, мягче, кроме того, повышаются ее теплозащитные свойства и стойкость к истиранию. Ворсование осуществляется с целью придания тканям повышенной мягкости, пористости и улучшения теплозащитных свойств. Операция проводится на специальных ворсовальных машинах с помощью системы валиков, обтянутых игольчатой лентой. Как правило, ворсование проводят до крашения и набивки. Ратинирование проводится на ратинирмашинах для некоторых ворсовых шерстяных суконных тканей с целью фигурного расположения ворса на их поверхности. 173 Мокрая декатировка — обработка гребенных и тонкосуконных тканей горячим паром и водой с целью устранения внутренних напряжений и предупреждения образования заломов при дальнейшей обработке. Оживление проводится для тканей из натурального шелка слабыми растворами органических кислот (уксусной, молочной, муравьиной). После него ткани приобретают характерный скрип или хруст. Утяжеление — обработка отваренного шелка некоторыми минералами (солями железа, олова, свинца, цинка и др.) и органическими соединениями (дубящими веществами). После такой обработки ткани приобретают повышенную массу, плотность, массивность. Термофиксация проводится для тканей из синтетических волокон. Она заключается в нагревании и быстром охлаждении. Нагревание может быть выполнено кипящей водой, насыщенным водяным паром, контактным способом, горячим воздухом, инфракрасными лучами и другими способами. Ткани, прошедшие термофиксацию, практически безусадочны и устойчивы к сминанию, образованию заломов и складок. Крашение и узорчатая расцветка тканей. Под крашением тканей понимают процесс изменения их природной окраски путем поглощения красящего вещества из раствора. Красителями называются естественные или синтетические органические соединения, способные в процессе крашения придавать тот или иной цвет волокнистым материалам. Процесс крашения состоит из четырех фаз: диффузии частичек красителя в красильной ванне в направлении к волокнистому материалу; адсорбции красителя внешней поверхностью волокна; диффузии красителя внутрь волокна; фиксации красителя волокнистым материалом. Хлопчатобумажные ткани окрашивают следующие красители: прямые, сернистые, кубовые, азокрасители, активные, черный анилин, пигментные и др. Льняные ткани чаще всего окрашиваются кубовыми, сернистыми, прямыми красителями. Шерстяные ткани окрашивают кислотными, кислотнопротравными, прямыми и металлсодержащими красителями. Крашение шелковых тканей производится теми же красителями, что и шерстяных, но фиброин шелка менее устойчив к кислотам, поэтому шелк красят чаще всего прямыми, хромовыми и реже протравными и кубовыми красителями. Ткани из химических нитей (вискозных, медно-аммиач-ных) окрашиваются теми же красителями, что и хлопчатобу174 мажные. Ткани из ацетатных и триацетатных нитей окрашивают специально разработанными целлитоновыми красителями. Крашение синтетических волокон затруднено в связи с их низкой гигроскопичностью, поэтому окрашивают именно волокна, из которых будет получена ткань, а не ее саму. При этом используют автоклавный метод крашения, ультразвук, повышен ную температуру, вещества, вызывающие их набухание, и т.д.. Технологический процесс нанесения рисунка на ткань называется печатанием, или набивкой. Он используется для получения узорчатой расцветки на белой или окрашенной ткани. Узорчатая расцветка тканей достигается следующими способами: ручной набивкой; аэрографным способом; сетчатыми шаблонами (фотофильмпечатыо); полихроматическим способом; способом термопечати (сублистатик); на печатных машинах. Ручная набивка осуществляется с помощью деревянных форм с рельефными рисунками. Она применяется только для набивки штучных изделий, так как малопроизводительна и дорога. Аэрографный способ основан на нанесении красителя на ткань с помощью пульверизатора через накладные шаблоны с вырезанными узорами. Сетчатыми шаблонами (фотофильмпечатыо) получают печатные рисунки на ткани с помощью шаблонов, которые представляют собой металлическую прямоугольную раму с натянутой на нее ситовой тканью из капрона. Поверхность сетки покрывают пленкой, оставляя свободные участки в виде определенного рисунка. Рамку шаблона кладут на раскрашиваемую ткань, наливают краску и при помощи резиновой пластины (ракли) протирают ее через сетку. Если рисунок многоцветный, то применяют столько шаблонов, сколько цветов в рисунке. Полихроматический способ разработан концерном Ай-Си-Ай (Англия), он исключает надобность в печатных машинах и обеспечивает практически безграничное разнообразие расцветок. Крашение осуществляется рядом сопел, наносящих печатную краску на движущуюся ткань по всей ее ширине. Направление сопел, а, следовательно, и характер расцветок можно регулировать по усмотрению, так же как и цвет красок в каждом сопле. Способ термопечати (сублистатик) заключается в переносе узора с бумаги на текстильные материалы при кратковременном термоконтакте. Предварительно на бумажную основу с помощью печатных валов наносят печатную краску, способную к сублимации. Затем на увлажненную ткань накладывается бумажная подложка с напечатанными рисунками и прижимается нагретым прессом. Испаряющийся с поверхности бумаги кра175 ситель переходит на ткань. В основном этот способ печати применяется для тканей из полиэфирных волокон. Машинное печатание осуществляется на печатных машинах (рис. 8.9, а, б). Они могут быть одновальными, если ткань окрашивается одной краской, или многовальными, если ткань окрашивается в несколько цветов. Важнейшей частью печатной машины является печатный вал, который представляет собой медный полый цилиндр, на поверхности которого выгравирован углубленный штрихами узор. По способу нанесения рисунка различают следующие виды машинной печати: прямую, вытравную и резервную. Прямая печать — рисунок наносится на отбеленную или окрашенную в светлые тона ткань. Вытравная печать — ткань предварительно окрашивают в один цвет гладким крашением, затем печатными валами по определенному рисунку на окрашенную ткань наносят загущен-: ные химически действующие составы (вытравку), которые обесцвечивают краситель в этих местах. Резервная печать — на неокрашенную ткань наносят особый защитный состав-резерв, который препятствует закреплению красителя на тех местах, где он был нанесен. Обработанную таким образом ткань красят гладким крашением. При 176 этом резервные места не окрашиваются и получаются белые или закрашенные в другой цвет места по окрашенному фону. Заключительная отделка тканей включает в себя ряд процессов, которые улучшают внешний вид, структуру и свойства тканей. Заключительная отделка может включать следующие основные операции: спиртовку тканей, аппретирование, шире-ние, каландрирование, подворсовку, стрижку и чистку, заключительную декатировку, фиксацию. Спиртовка тканей — это процесс легкого отбеливания нет окрашенных участков набивных тканей. Аппретирование заключается в обработке тканей клеящими веществами для придания им полноты на ощупь, жесткости или мягкости, гигроскопичности, уменьшения загрязняемос-ти, лучшей отстирываемости. Ширение (выравнивание утка) — процесс придания тканям стандартной ширины и устранения перекосов. Перед ширением ткань увлажняют. Каландрование осуществляется с целью разглаживания и уплотнения тканей, придания ей гладкой глянцевой поверхности, блеска и др. Каландры состоят из системы металлических и наборных валов. Подворсовка проводится для хлопчатобумажных и шерстяных тканей на ворсовальных машинах с целью поднятия ворса, примятого в процессе отделочных операций. Стрижка и чистка для шерстяных тканей проводятся на стригальных машинах для удаления с лицевой поверхности торчащих концов волокон или выравнивания по высоте начесного ворса. Заключительная декатировка — это обработка шерстяных тканей горячим паром с целью предотвращения усадки, снятия внутренних напряжений, устранения блеска. Фиксация — ткани из синтетических нитей проходят вторичную стабилизацию (фиксацию) путем термической обработки в натянутом состоянии. Специальные виды отделки применяют для увеличения срока службы и улучшения эстетических и гигиенических свойств тканей. К наиболее широко применяемым специальным видам отделки тканей относятся: несмываемый аппрет, стойкое тиснение, отделка с устойчивым блеском, форниз (формирование несминаемого изделия), износостойкая, антистатическая, металлизация, водонепроницаемая, водоотталкивающая, противоусадочная, противогнилостная, противомолевая, огнеупорная и др. 177 8.5. Основы трикотажного производства 8.5.1. Понятие о трикотаже Трикотаж — это изделия или полотна, получаемые из одной нити или системы нитей путем образования петель и их взаимного переплетения. Основными элементами трикотажа являются петли, наброски и протяжки. Сочетание элементов петельной структуры, составляющих непрерывный элементарный ряд, и чередование этих рядов создают переплетение. Петли, расположенные в одном ряду по ширине трикотажа, образуют горизонтальный петельный ряд, а петли, нанизанные одна на другую по вертикали, — вертикальный петельный столбик. Переплетение трикотажа наряду с нитями, используемыми для его изготовления, является важнейшей качественной характеристикой и определяет внешний вид и свойства трикотажа: растяжимость, распускаемость, поверхностную плотность, толщину, формоустойчивость и т.д. Применяя различные переплетения, можно получать трикотаж с различными свойствами, узорными или структурными эффектами. Трикотаж характеризуется большим многообразием переплетений, которые подразделяют на следующие классы: главные, производные, рисунчатые и комбинированные. К классу главных относят переплетения, состоящие из одинаковых элементов структуры (петель). Главные переплетения образуют гладкую и равномерную поверхность трикотажа. К классу производных относят переплетения, образованные из сочетания нескольких главных, взаимно ввязанных так, что между петельными столбиками одного помещаются петельные столбики другого или нескольких таких же переплетений. Производные переплетения, также, как и главные, образуют трикотаж с гладкой равномерной поверхностью, но в отличие от них имеют меньшую растяжимость и большую прочность на разрыв. К классу рисунчатых относят переплетения, образованные на базе главных или производных путем введения в них дополнительных элементов (набросков, протяжек, дополнительных нитей) или изменения процессов выработки, позволяющих получать трикотаж с новыми свойствами. К классу комбинированных относят переплетения, в которых сочетаются признаки различных главных, производных или рисунчатых переплетений. Число комбинированных пере178 плетений трикотажа неограниченно. В зависимости от сочетания переплетений разных классов различают трикотаж про-стых комбинированных, производно-комбинированных, рисунчатых и сложных комбинированных переплетений. При выработке трикотажа комбинированными переплетениями путем различного сочетания элементов структуры могут быть получе-ны разнообразные рисунчатые эффекты: цветные, оттеночные/ рельефные, ворсовые и т.д. В зависимости от способа образования трикотажа переплетения каждого класса подразделяются на поперечно-вязаные (кулирные) и основовязаные (продольновязаные). В кулирном трикотаже петельный ряд образуется последовательным изгибанием одной нити, а в основовязаиом трикотаже — одновременным прокладыванием на иглы и изгибанием целой системы параллельно расположенных нитей. По числу петельных слоев поперечновязаный и основовяза-ный трикотаж подразделяют на два вида: одинарный (однофон-турный) и двойной (двухфонтурный). Одинарный трикотаж вырабатывают на машинах с одной игольницей — однофонтур-ных, двойной трикотаж — на машинах с двумя игольницами — двухфонтурных. В отдельных случаях одинарный трикотаж может быть получен на двухфонтурных машинах при условии использования одной игольницы. Двойной трикотаж может быть однояйцевым, двухлицевым и двухизнаночным. Кроме класса, переплетение может характеризоваться раппортом. Раппорт переплетения — это наименьшее число петельных рядов (раппорт по высоте) или петельных столбиков (раппорт по ширине), после которых порядок чередования петель, набросков или протяжек в переплетении повторяется. Трикотажные изделия вырабатывают различными способами: регулярным, полурегулярным, раскройным и комбинированным. Регулярным называют способ, при котором на специализированных машинах получают целыювязаное изделие или детали, не требующие подкроя при их соединении в изделие. При попу регулярном, способе изделие получают из трубчатого или плоского купона, ширина и длина которого равны соответствующему размеру изделия. Купоны вяжутся на трикотажной машине сплошной лентой, после чего отделяются один от другого по разделительному ряду специально ввязанной разделительной нитью. Нижний край купона не распускается и не требует швейной обработки. Купоны подкраивают по линиям проймы, горловины и оката рукава. 179 Раскройный способ состоит в том, что полотно, полученное на трикотажной машине, раскраивают подобно тканям, т.е. из полотна вырезают плоские детали изделия по контуру, которые затем соединяют швами, придавая изделиям необходимую форму. При комбинированном способе различные детали изделия изготавливаются регулярным (полурегулярным) и раскройным способами. 8.5.2. Общие сведения о трикотажных машинах Существует много типов трикотажных машин. В соответствии с конструктивной классификацией трикотажные машины делят на пять групп: • чулочные автоматы (ЧА); • круглотрикотажные машины (КТ); • плосковязальные машины (ПВ); • котонные машины (КМ); • основовязальные машины (ОВ). Первые три группы машин данной классификации в большинстве случаев имеют подвижные относительно своего ложа (игольницы, которую называют фонтурой) иглы, а четвертая группа (котонные машины) — подвижные кулирные и распределительные платины. Только группа основовязальных машин выпускается исключительно с иглами, неподвижно закрепленными на игольнице. Для машин с иглами, подвижными относительно игольницы, характерно последовательное провязывание петель отдельными иглами. Если иглы относительно игольницы неподвижны, то в случае плоской игольницы провязывание будет осуществляться одновременно на всех иглах, а в случае круглой игольницы, имеющей вид цилиндра, — последовательно каждой иглой. Каждую группу машин подразделяют на типы по следующим признакам: • по количеству игольниц — однофонтурные или двухфонтурные; • по способу вязания — поперечно-вязальные (кулирные) или основовязальные; • по виду применяемых игл — с крючковыми, язычковыми, движковыми и особой конструкции иглами; • по виду вырабатываемой продукции — в соответствии с технологическим назначением машины. В двухфонтурных чулочных автоматах и кругловязальных машинах фонтуры могут располагаться горизонтально и вертикально. Горизонтальную фонтуру выполняют в виде диска 1, а 180 нертикальную — в виде цилиндра 2 (рис. 8.10, а). Кругловя-зальная машина может иметь обе фонтуры вертикальные, в виде цилиндров (рис. 8.10, б). Рис. 8 10 Расположение игольниц в двухфонтурных машинах: а — расположение и виды фонтур в машине; б — кругловязальная машина; в — плосковязальная машина с наклонным расположением фонтур, г — плосковязальная машина с горизонтальным и вертикальным расположением фонтур; д — оборотная плосковязальная машина с горизонтальным расположением фонтур; е — оборотная плосковязальная машина с вертикальным расположением фонтур, ж — основовязальная машина; 1 — диск; 2 — цилиндр В плосковязалъных машинах фонтуры обычно наклоняют друг к другу под углом 100° (рис. 8.10, в), что связано с условиями прокладывания нити на иглы. Но известны плосковязальные машины, где фонтуры расположены вертикально и горизонтально под углом 90° друг к другу (рис. 8.10, г). В оборотных плосковязальных машинах обе фонтуры располагают горизонтально (рис. 8.10, д) или под углом 130° в вертикальной плоскости (рис. 8.10, е). Наконец в двухфонтурных основовязальных машинах, где обе фонтуры подвижны, так как они перемещаются вместе с иглами, их располагают вертикально (рис. 8.10, ж). Поперечно-вязальные (кулирные) машины характеризуются выработкой трикотажа, у которого горизонтально расположенные петли образуются последовательно одной и той же нитью (рис. 8.11, а). Основовязалъные машины отличаются от поперечно-вязальных выработкой трикотажа с вертикальным или диагональным расположением петель (рис. 8.11, б), образованных из одной и той же нити. В этом случае число нитей, заправляемых в машину, зависит от числа работающих игл. 181 Кроме вышеперечисленных конструктивных особенностей, трикотажные машины по технологическим признакам подразделяют на три группы: чулочную, бельевую и верхнего трикотажа. По этим признакам специализируются и трикотажные фабрики. 8.5.3. Производство бельевых трикотажных изделий Бельевое производство на трикотажных фабриках состоит из следующих технологических процессов: вязания бельевых трикотажных полотен, крашения и отделки полотен, пошива изделий. Вязание бельевых трикотажных полотен осуществляется на круглотрикотажных и основовязальных машинах. Кроме получения бельевых изделий из полотен, в последнее время широко применяют полурегулярный способ изготовления женского белья на круглотрикотажных машинах в виде купонов трубчатой формы. Изготовление женского белья в виде купонов значительно экономичнее, так как при этом уменьшаются отходы при раскрое и сокращается число швейных операций. Кроме того, купонное белье лучше, чем кроеное, облегает фигуру и имеет красивый внешний вид. Однако изготовление кроеного белья из полотен применяется шире, так как оно универсально для получения всех видов и размеров белья. Трикотажные полотна для белья вырабатывают из хлопчатобумажной, хлоиковискозной, хлопколавсановой и шерстяной пряжи и из искусственных и синтетических нитей — гладких и текстурированных. Для бельевого ассортимента широко используют полотна главных, производных и рисунчатых переплетений. Полученные на круглотрикотажных машинах полотна имеют форму трубки, в таком виде их оставляют для прохождения отделочных операций. 182 Полотна, изготовленные на основовязальных машинах, имеют плоскую форму. Так как эти полотна сильно закручиваются по краям, то перед отделочными операциями их сшивают по краям, придавая им круглую форму. Связанные на трикотажных машинах полотна сортируются и маркируются. Маркировка полотна производится с двух сторон каждого куска и может выполняться штампами, карандашом с краской или вышивкой. Крашение и отделка полотен. Бельевое трикотажное полотно подвергается комплексу мокрых и смешанных обработок для придания ему соответствующих механических, потребительских свойств и красивого внешнего вида. Отделка трикотажных полотен обычно состоит из следующих операций: • отваривания, или размасливания (промывания) для удаления из волокон замасливателей, загрязнений и природных примесей и повышения способности волокон поглощать красители; • беления и крашения для придания полотну определенного цвета; • аппретирования для придания полотну свойств, улучшающих качество изделий, изготовляемых из него; • обезвоживания (отжима), расправления и сушки; • ширения и декатировки для придания полотну устойчивых размеров, мягкого грифа и исправления деформаций его петельной структуры; • разбраковки готового полотна для определения его качества. Круглые трикотажные полотна из синтетических нитей пос-ле сушки подвергают термофиксации (стабилизации) для придания им несминаемости, устойчивости формы и размеров. Отдельные виды бельевых основовязаных полотен из химических нитей после сушки подвергаются тиснению для образования на их поверхности рельефного рисунка или плиссированию, Пошив бельевых изделий из трикотажного полотна осуществляется в раскройно-швейных цехах трикотажных фабрика Этот процесс представляет собой самостоятельный технологический цикл в общей технологии переработки пряжи и нитей в трикотажные изделия, включающий раскрой полотна и шитье изделий. Раскрой полотна производится в настиле, который выполняется настилочными машинами. Высота настила зависит от вида полотна и его толщины и ограничивается размерами рабочих органов раскройных машин. Настил полотна разрезают вручную передвижными раскройными машинами с прямыми и дисковыми ножами и стационарными ленточными машинами. 183 Раскроенные детали после контроля и сортировки комплектуют в пачки по артикулам полотна, цвету, оттенку и рисунку. Чтобы обеспечить комплектность, к пачке деталей изделий подбирают соответствующие прикладные материалы. Шитье изделий включает целый комплекс операций, которые разделяют на швейные, влажно-тепловые и вспомогательные. Швейные операции выполняются на швейных машинах различных типов. К ним относятся не только операции соединения деталей изделий строчками для придания им определенной формы, но и обметывание петель, пришивание пуговиц, настрачивание тесьмы и кружев, краевая отделка изделий, вышивка и т.д. Влажно-тепловая обработка бельевых изделий (разглаживание швов, придание формы) производится с помощью прессов, формовочных машин, паро-воздушных манекенов, а также утюгов. Вспомогательные операции включают в себя пришивание этикеток, сортировку изделий, очистку готовых изделий от концов ниток, а также упаковку готовых изделий. 8.5.4. Производство верхних трикотажных изделий Для производства верхних трикотажных изделий используют шерстяную, полушерстяную, объемную, полиакрилонит-рильную пряжу, а также высокообъемные нити — эластик, гофрон, мэрон; мэлан и др. Верхние трикотажные изделия получают тремя основными способами: раскройным, полурегулярным и регулярным. Раскройным способом изготовляют значительную долю верхних трикотажных изделий. Несмотря на значительные отходы при раскрое (20—25 %) и большие затраты рабочего времени при пошиве, этот способ является универсальным для всех видов изделий. Процесс производства кроеных из полотна верхних трикотажных изделий включает в себя следующие этапы: вязание полотна, отделку полотна, пошив изделий. Вязание полотна производится в основном на различных типах одно- и двухфонтурных круглотрикотажных машин. Полотна изготавливаются самыми различными переплетениями (главными, производными, рисунчатыми и комбинированными) из пряжи и нитей, которые, как правило, предварительно окрашены. 184 Отделка полотна, полученного из окрашенных нитей, состоит из следующих операций: промывание полотна, отжим, сушка, разбраковка и каландрирование (разглаживание). Пошив верхних трикотажных изделий включает операции, аналогичные выполняемым при получении бельевых изделий. При полурегулярном способе изделия получают, как уже ранее отмечалось, из трубчатых или плоских купонов. Преимуществом производства изделий данным способом является уменьшенный процент отходов при раскрое (по изделиям из купонов — 17—20 %, а по изделиям из деталей — 8—12 %). Процесс производства верхних трикотажных изделий полурегулярным способом включает в себя вязание, влажнотепловую обработку и подкрои купонов, соединение деталей (цошив изделий) и влажно-тепловую обработку изделий. Вязание купонов трубчатой формы производится на круглотрикотажных купонных машинах, а плоской — на плосковязальных машинах. Как и полотна, купоны вырабатываются разнообразными переплетениями из предварительно окрашенных нитей. Влажно-тепловая обработка купонов выполняется на гладильных прессах для того, чтобы перед покроем придать деталям изделия гладкость и стабильность формы. Для подкроя купонов применяют то же оборудование, что и при производстве бельевых изделий. Перед нодкроем купоны предварительно комплектуют в пачки в соответствии с разме рами. Соединение деталей в изделие производится специальными швейными и петельными машинами. Влажно-тепловая обработка изделий осуществляется с помощью гладильных прессов, формовочных машин и паровоз душных манекенов. При регулярном способе верхние трикотажные изделия из готовляются из деталей, которые приобретают форму непосред ственно в процессе вязания. Эти детали практически не требу ют подкроя. Производство регулярных изделий наиболее эко номично, так как процент отходов сырья при использовании этого способа не превышает 3—5 %. Процесс производства верхних трикотажных изделий регулярным способом включает в себя те же операции, что и полурегулярным. Только вязание деталей изделий осуществляется на одно- и двухфонтурных котонных машинах низкого класса. Регулярный и полурегулярный способы изготовления верхних трикотажных изделий благодаря своей экономичности являются прогрессивными. По мере повышения автоматизации^ 185 трикотажных машин регулярный и полурегулярный способы изготовления изделий заменят раскройный. 8.5.5. Производство чулочно-носочных изделий По способу изготовления чулочно-носочные изделия делят на круглые (без шва), плоские (со швом) и кроеные. Круглые чулочно-носочные изделия изготовляют на круглочулочных автоматах; плоские вырабатывают в виде полотна заранее заданного контура на котонных машинах, после чего полотно сшивают и подвергают отделочным операциям; кроеные изготовляют из основовязаного полотна, которое раскраивают, сшивают и подвергают крашению и отделке. В настоящее время трикотажная промышленность вырабатывает чулочно-носочные изделия в основном на чулочных автоматах, которые благодаря высокой степени автоматизации, имеют высокую производительность. Ассортимент чулочно-носочных изделий включает чулки женские и детские; носки мужские, женские и детские; получулки мужские, женские и детские; женские и детские колготки. Для производства чулочно-носочных изделий применяют самое разнообразное сырье, выбор которого зависит от назначения и вида вырабатываемых изделий. Наиболее широко используют хлопчатобумажную, хлопкокапроновую, шерстяную, смешанную (полушерстяную) пряжу, капроновые нити (гладкие и текстурированные типа эластик), искусственные нити, объемную пряжу (как в чистом виде, так и в различных сочетаниях). Последовательность процесса производства и количество технологических операций зависят от способа вязания чулочноносочных изделий и видов применяемого сырья. Общая схема производства целыювязаных изделий состоит из следующих операций: вязание, заделка мыска, крашение и отделка, сортировка, маркировка и упаковка. Вязание целыювязаных изделий осуществляется на чулочных автоматах регулярным способом. Различают одно- и двухфонтурные чулочные автоматы, кроме того, их подразделяют по назначению и виду перерабатываемого сырья. Для выработки женских чулок из синтетических нитей применяют однофонтурные чулочные автоматы высокого класса. Различают два основных способа вязания бесшовных чулок: классический, при котором пятка и мысок вывязываются в виде карманов при реверсивном движении игольного цилиндра, и трубчатого вязания, при котором весь чулок вяжется в виде трубки из термопластических синтетических нитей. Нужная 186 форма изделию придается на стадии отделочных операций формованием на металлической форме в процессе термообработки. Классический способ вязания при всех своих достоинствах малопроизводителен. Вывязывание пятки и мыска требует значительной затраты времени. Кроме того, заделка мыска связана с применением трудоемких кеттельных операций, для выполнения которых требуется высококвалифицированный персонал. Изобретение трубчатого способа вязания дало возможность увеличить производительность машины за счет установки ла ней большего числа петлеобразующих систем. Все современные автоматы работают но принципу трубчатого вязания без реверсивного вращения игольного цилиндра. Многие из них позволяют выпускать чулки с заделанным в процессе вязания мыском. Внедренные на последних моделях многосистемных автоматов более совершенные способы выработки ложной пятки позволили производить трубчатые чулки, равноценные по качеству чулкам, изготовленным классическим способом. Детские чулки вырабатывают из хлопчатобумажной пряжи на двухфонтурных (двухцилиндровых) автоматах классическим способом вязания. Для изготовления носков применяют одно- и двухфонтур-ные жаккардовые автоматы, позволяющие в процессе вязания создавать многоцветные и рельефные рисунки. Способ вязания — классический. Заделку мыска выполняют либо на кеттельных машинах, либо сшиванием на машинах тина оверлок. В процессе крашения и отделки изделия окрашиваются, разглаживаются, получают заданную форму. Петельная структура их выравнивается. В настоящее время для крашения и отделки чулочно-носоч-ных изделий (главным образом — из синтетических нитей) применяют агрегаты комплексной отделки, которая предусматривает проведение операций стабилизации, крашения и сушки-формования изделий, надетых на формы, на одной и той же машине. Изделия из натуральных окрашенных нитей подвергают только замачиванию в барабанах, отжиму и формованию, а из синтетических окрашенных нитей — стабилизации и формованию. Сортировка, маркировка и упаковка являются заключительными операциями технологического процесса производства чулочно-носочных изделий. Сортировку чулок выполняет контролер ОТК. Каждый чулок он просматривает на столе в расправленном виде и оиреде187 ляет его сортность. По окончании сортировки или одновременно с ней изделия подбирают в пары. Подобранные в пары чулки поступают на операцию скрепления их с одновременным пришиванием этикеток, после чего их упаковывают в пакеты. Упаковка выполняется на машинах или вручную. 8.6. Основы производства неткапых текстильных материалов 8.6.1. Техпологический процесс производства петканых текстильных материалов Неткаными называют гибкие прочные изделия, чаще всего в виде полотен, образованные из одного или нескольких слоев материалов (холстов) или нитей, скрепленных различными способами. По внешнему виду нетканые полотна напоминают ткани, но существенно отличаются от них своей структурой и свойствами. Процесс производства нетканых текстильных материалов (НТМ) состоит из подготовки сырья, создания настила из волокнистого сырья, скрепления настила, красилыю-отделочных операций. Подготовка сырья является важной операцией, так как от его состава зависят основные потребительские свойства материала. Состав сырья выбирается в зависимости от целевого назначения и условий эксплуатации материала. Сырьем для НТМ могут быть волокна, пряжа и нити, трикотаж, пленки. Волокна используются в качестве основы (волокнистого слоя), остальные виды сырья могут применяться и как основа, и как связующие элементы. Волокнистый холст формируется из натуральных и химических волокон. Обычно это волокна низких сортов, отходы прядильных производств, регенерированные волокна из лоскута и тряпья. В качестве скрепляющих волокнистый слой материалов или для производства НТМ типа ткани используют одиночную или крученую пряжу из хлопка или капроновые, лавсановые, хлориновые нити и др. Для выработки специальных НТМ применяют стеклянную или металлическую нить. Для изготовления ниточного, тканого и другого плоского каркаса используют пряжу из лубяных, хлопковых волокон, химические нити, пряжу из химических штапельных волокон, полимерные пленки, металлические сетки и т.д. 188 Сырье, поступающее в нетканое производство, в зависимости от его вида и способа производства НТМ проходит подготовку, включающую разрыхление, очистку, смешивание, кардоче-сание и формирование холста. Создание настила из волокнистого сырья. Настил может быть различным и состоять из волокнистого холста, одной или двух систем нитей (основы и утка), волокнистого холста вместе с каркасной тканью или другим текстильным и пленочным материалом. Волокнистый холст может быть с параллельным, перекрестным или хаотическим расположением волокон. Существуют различные способы получения холста: механический (волокна укладывают в слои механическим способом с помощью чесальной машины), аэродинамический (волокна раскладывают потоком воздуха до получения настила нужной толщины), гидравлический (холст отливают из водной дисперсии волокон на сетке бумагоделательной машины), электростатический (волокна, получившие заряд соответствующего знака, направляются на транспортер, имеющий электрический заряд противоположного знака). При использовании для создания настила нитей (пряжи) или ровницы их располагают параллельными рядами в продольном или поперечном направлении или укладывают друг на друга с образованием «сетки». Скрепление настила является важной операцией в процессе получения нетканых материалов, оказывающей влияние на их строение, потребительские свойства и назначение. Она осуществляется механическими, физико-химическими и комбинированными способами. К механическим способам скрепления настила относятся вязалыю-прошивной и иглопробивной. При вязалъно-прошивном способе настилом могут служить волокнистый холст, система нитей, ткань, пленка и др. Волокнистый холст формируется из хлопкового волокна, прядомых отходов (обратов) прядильного производства хлопка и шерсти и химических волокон (вискозного, триацетатного, полиакрилонитрильного, капронового, лавсанового). Перечисленные виды волокон применяются как в чистом виде, так и в смесях с другими. Формирование холста может осуществляться с помощью аэродинамической приставки к чесальной машине или гидродинамическим способом. Скрепление настила осуществляется путем провязывания его на вязально-прошивных машинах основовязаными пере189 плетениями. Для этого применяют одиночную или крученую хлопчатобумажную пряжу, капроновые, хлориновые, лавсановые комплексные нити. Свойства вязально-прошивных полотен зависят не только от волокнистого состава и структуры холста, но и от вида прошивной нити и переплетения, плотности прошива по длине и ширине полотна, длины нити в петле. При иглопробивном способе настил состоит из каркасного материала и волокнистого холста, расположенного по обе стороны каркаса. Волокнистый холст формируется чаще всего аэродинамическим способом. Скрепление настила производится посредством прошивания его специальными иглами с зазубринами. Благодаря наличию на иглах зазубрин волокна верхнего слоя внедряются в глубь холста и уплотняют его. Прокалывание настила иглами может осуществляться на одноголовочных иглопробивных машинах с одной стороны и на двухголовочных — с двух сторон. Иногда для получения более прочных и формоустойчивых иглопробивных полотен производится их пропитка связующим веществом с последующей термообработкой. Свойства иглопробивных полотен зависят от состава волокнистого холста и его структуры, но в большой мере — от основных параметров процесса их изготовления, а именно: глубины и плотности (частоты) прокалывания настила и др. К физико-химическим способам соединения настила относятся клеевой и бумагоделательный. При клеевом способе настилом могут служить холсты, полученные из волокон разными способами, несколько систем взаимно перпендикулярно уложенных нитей, слои хаотически уложенных мононитей и т.д. Для изготовления холстов применяется самое разнообразное сырье: короткие волокна (например, линт, получаемый с поверхности семян хлопчатника после волокноотделения, непрядомые отходы прядильного производства, отходы других производств текстильных предприятий), восстановленные (полученные путем разработки отходов швейного производства, старых ношеных изделий), химические и др. Скрепление настила осуществляется мокрым или сухим способом (способом горячего прессования). При м о к р о м способе в качестве связующего применяются латексы, водные эмульсии термопластичных полимеров (например, поливинилового спирта) и другие химические препараты. Нанесение связующего осуществляется пропитыванием холста, разбрызгиванием или распылением с помощью рас190 пылителей, расположенных над настилом. После их застывания волокна или нити настила скрепляются между собой, образуя полотно. При с у х о м способе применяются термопластичные полимеры в виде легкоплавких волокон, пленок, порошков, систем нитей, прокладываемых на настил. Скрепление элементов структуры настила осуществляется способом горячего прессования, т.е. пропуском волокнистого холста или систем нитей через каландровые валы, нагретые до температуры 120—150°С и при давлении 1—1,8 МПа. В результате легкоплавкие связующие размягчаются, склеиваются с волокнами холста или системами нитей и образуют прочные связи, создавая единое целое полотно. Свойства нетканых клееных полотен зависят как от вида волокон и расположения их в холсте, так и от вида связующего, равномерности его распределения в холсте, процентного содержания и способа склеивания. При бумагоделательном способе в качестве сырья используют различные непрядомые волокна длиной 2—6 мм. Сущность этого способа заключается в следующем. Из волокон приготавливают суспензию, в которую добавляют жидкое связующее вещество. Затем из суспензии отливают полотно на сетке бумагоделательной машины, обезвоживают материал, просушивают, термообрабатывают и каландрируют. В качестве связующего применяют суспензии из легкоплавких волокон, растворы полимеров, латексы и т.д. Комбинированные способы представляют собой комбинацию механических и физико-химических способов. К ним относятся валяльно-войлочный способ и способ электрофлокирования. Валялъно-войлочным способом вырабатывают разнообразный ассортимент нетканых материалов: чисто шерстяных или с примесью химических волокон (до 30 %). Сущность данного метода состоит в том, что сформированный путем кардочесания волокнистый слой свойлачивают, затем подвергают валке. Эти операции производятся в условиях влажнотепловой обработки. В результате свойлачивания происходит сближение и перепутывание волокон, что вызывает уплотнение и упрочнение волокнистого слоя. В процессе валки осуществляется дальнейшее перемещение волокон относительно друг друга и более интенсивное их перепутывание и уплотнение. После валки полотно подвергают сушке, после чего волокна, образующие его, окончательно скрепляются друг с другом. Способ электрофлокирования основан на ориентации волокон вдоль силовых линий электрического поля. Сущность его заключается в ориентированном нанесении в электрическом 191 поле высокого напряжения на основу, покрытую клеем, относительно коротких волокон (длиной 0,3—10 мм). В промышленности применяют различные методы электрофлокировапия: непрерывное электрофлокирование рулонных материалов, электрофлокирование узких лент и нитей, а также объемных изделий и изделий, имеющих большую поверхность. Красильио-отделочные операции формируют внешний вид нетканых материалов и другие свойства. Отделка этих материалов аналогична отделке тканей, но из-за более подвижной структуры, большой растяжимости многих нетканых полотен, имеет свои особенности. При крашении тщательно подбирают красители, так как нетканые полотна содержат различные по химическому составу волокна. Сушку производят на сушильно-ширильных машинах с механизмом опережения движения полотна, чтобы не допустить большой вытяжки и искажения расположения нитей в полотне. Печатание осуществляют на машинах с сетчатыми шаблонами или способом «сублистатик». Некоторые полотна детского ассортимента, для спортивной одежды, одеяла, искусственный мех подвергают ворсованию. При заключительной отделке полотна при необходимости подвергают мерсеризации, малосминаемой, малоусадочной, антистатической, водоупорной, противомолевой и другим отделкам. Ватины и клеевые прокладочные материалы отделке не подвергают. 8.6.2. Характеристика ассортимента нетканых текстильпых материалов Нетканые текстильные материалы имеют широкое применение в быту, технике и медицине. Область их применения определяется характером особенностей, присущих НТМ: объемность, воздухопроницаемость, хорошая тепло- и звукоизоляционная способность и т.д. Нетканые материалы для одежды как заменители тканей и трикотажа должны имитировать поверхностные и пластические эффекты тканей и трикотажа. Для изготовления платьев, блузок, мужских сорочек вырабатываются тонкие и легкие полотна, а для пошива костюмов, курток, пальто — относительно тяжелые, плотные, жесткие с поверхностью типа репса или, наоборот, мягкие, напоминающие шерстяные ткани. Выпускаются нетканые полотна, имитирующие вельвет и бархат, много192 цветные с рисунком в виде тающих полос нерегулярного ритма, с эффектами меланжа. В промышленности НТМ применяют как упаковочные, обивочные, изоляционные, фильтровальные, обтирочные материалы и т.д. В медицине НТМ используют в качестве перевязочных, компрессных, одежных и других лечебно-профилактических и санитарно-гигиенических материалов как длительного, так и одноразового пользования. Нетканые текстильные материалы (полотна) классифицируются, прежде всего, по способам производства (способам скрепления настила), основанного на механических, физико-химических и комбинированных технологиях. Нетканые материалы, полученные механическими способами производства, подразделяются на вязально-прошивные и иглопробивные. Вязально-прошивные нетканые материалы в зависимости от вида применяемого настила подразделяют на холстопрошив-ные, нитепрошивные и тканеирошивные. Если настил представляет собой волокнистый холст, то полученные из него полотна называются хол сто прошивными; если настил состоит из системы нитей или имеет каркас из ткани или другого материала — нитепрошивными и тканепрошивными соответственно. Холстопрошивные нетканые материалы представляют собой волокнистый холст, скрепленный трикотажным переплетением, образуемым из хлопчатобумажной пряжи, вискозных комплексных или капроновых нитей. Из холстопрошивных нетканых материалов изготовляют женские платья, халаты, пляжные ансамбли, детскую и спортивную одежду, пальто, мужские сорочки. Эти материалы обладают рядом ценных свойств. Пористость и рыхлость структуры сообщает им хорошие теплозащитные свойства и воздухопроницаемость, они гигроскопичны и имеют удовлетворительную износостойкость. Основной их недостаток — большое уве-i личение ширины со значительной долей пластических деформаций, в результате чего одежда быстро теряет форму и сминается. Большинство холстопрошивных материалов обладает; жесткостью и плохо драпируется. При влажно-тепловых обработках эти материалы значительно усаживаются по длине, часто неравномерно. Вследствие слабого закрепления волокон холста в структуре на них легко образуются пилли. Для уменьшения растяжимости холстопрошивных материалов увеличивают плотность прошива, применяют комбинированные переплетения, мерсеризуют материалы. Чтобы снизить усадку при отделке, используют оборудование, исключающее 193 вытягивание материала, сообщают ему усадку на тканеусадоч-ных машинах, обрабатывают полотно синтетическими смолами. Нитепрошивные нетканые материалы («Малимо») состоят из трех систем нитей: продольных, поперечных и скрепляющих. Если раньше нитепрошивные материалы использовались в основном как обтирочные, то в настоящее время они применяются для изготовления платьев, блузок, костюмов, сорочек, изделий детского ассортимента. Нитепрошивные материалы имитируют основовязаный трикотаж, хотя имеют несколько менее пористую структуру. Они обладают достаточной воздухопроницаемостью, гигроскопичностью и теплозащитными свойствами, но меньшей, чем трикотаж, устойчивостью к истиранию. По сравнению с холстопро-шивными нитепрошивные нетканые материалы обладают большей формоустойчивостью. Для пошива платьев и блузок вырабатываются нитепрошивные материалы разреженных структур с эффектом меланжа, получаемым применением мулинированной пряжи (скрученной из нитей разных цветов) и разноцветных поперечных нитей; с вертикальными полосами, создаваемыми продольными нитями разных цветов; пестровязаных структур. Большое количество полотен выпускается с печатными рисунками. Для изготовления платьев и костюмов применяются материалы относительно плотных структур, с модной шероховатой и грубоватой, иногда мелкозернистой поверхностью; с рубчиками, создаваемыми сочетанием в полотне нитей пологой, повышенной и фасонной крутки, разноусадочных нитей, нитей разной толщины, в том числе ровницы. Выпускаются также гладкокрашеные, печатные или пестротканые полотна, гармонирующие между собой по цвету и структуре. Тканепрошивные нетканые материалы («Малиполь») состоят из легкого каркаса, прошитого системой ворсовых нитей. В качестве каркаса используются ткани, трикотажные полотна, полотна «Малимо» и пленки. На одной стороне каркаса располагаются ворсовые петли, на другой стороне ворсовая нить закрепляется переплетением трико, что придает материалу вид двухлицевого трикотажа. Тканепрошивные материалы могут быть махровыми (с петельчатой поверхностью) и ворсовыми, если петли начесываются. Махровые полотна используются для изготовления мужских сорочек, пляжных ансамблей, платьев, детских изделий, ворсовые — пальто и спортивной одежды. Тканепрошивные материалы вырабатываются гладкокрашеными, печатными, с меланжевыми эффектами, достигаемы194 ми применением пряжи, смешанной из волокон, различно воспринимающих красители, меланжированной пряжи, разноцветных, по-разному расположенных ворсовых нитей. Иглопробивные нетканые материалы, вырабатываются в виде ватинов из нитроновых и лавсановых волокон, используемых как теплозащитный материал для пощива пальто, курток, стеганых изделий, изготовления зимних одеял, декоративных изделий, основы для синтетической кожи. Кроме этого, тяжелые полотна (до 800 г/м2) применяют для изготовления обувных стелек, напольных покрытий коврового типа. Из нетканых текстильных материалов физико-химических способов производства наиболее распространены клеевые. Клеевые нетканые материалы имеют ограниченный ассортимент. Выпускается в основном два их вида: флизелин и прокламилин. Эти полотна широко используются в качестве прокладочных материалов при изготовлении пальто, плащей, костюмов и платьев. Флизелин — нетканое полотно, состоящее из смеси различных волокон, склеенных связующим, которое содержит латекс, метазин, мочевину, хлористый аммоний, некаль. Флизелин имеет ориентированное расположение волокон в холсте и поэтому характеризуется неравномерностью свойств по длине и ширине, бумагоиодобным видом и повышенной ломкостью. Из-за низкого качества флизелин ограниченно применяется в швейном производстве. Прокламин вырабатывается из смеси вискозных (50 %) и нитроновых (50 %) волокон и имеет неориентированное расположение волокон в холсте. Связующее прокламина состоит из латекса, метазина и термореактивной смолы. Прокламилин в отличие от флизелина характеризуется равномерностью свойств по длине и ширине, повышенной объемностью и большей жесткостью. Применяется прокламин в качестве прокладочного материала при изготовлении пальто и костюмов. Нетканые текстильные материалы комбинированных спо собов производства могут быть валяльно-войлочными и электрофлокированными. Валяльно-войлочные материалы производят с давних времен. В качестве настила используют волокнистые холст или холсты, внутрь которых помещают каркасную ткань или слой параллельных нитей. При этом шерстяных волокон в настиле должно быть не менее 30 %. Валяльно-войлочные материалы применяют для теплои звукоизоляции, изготовления половых покрытий и других целей. 195 Электрофлокировапные материалы выпускаются сравнительно недавно. Их ассортимент включает некоторые виды ковровых изделий, искусственные замшу и мех, ленты, нити и др. 8.7. Основы производства швейных изделий 8.7.1. Материалы для изготовления одежды Материалы, применяемые в производстве швейных изделий, подразделяют по целевому назначению на следующие группы: • основные (материалы верха); • подкладочные; • прокладочные; • утепляющие; • материалы для скрепления деталей одежды; • отделочные; • одежная фурнитура. Основные материалы включают все материалы, из которых изготовляют детали верха. К ним относят ткани различного состава, трикотажные полотна, нетканые материалы, текстильные конструкционные, искусственный мех, натуральную и искусственную кожу. Основные материалы должны обладать хорошими пошивочными, эксплуатационными и гигиеническими свойствами, а также стойкостью к действию светопогоды и химическим воздействиям, стабильностью показателей по важнейшим в носке свойствам. Ткани по виду основного компонента (волокна) подразделяют на хлопчатобумажные, льняные, шелковые и шерстяные. Хлопчатобумажные ткани обладают целым комплексом положительных свойств: хорошей прочностью и носкостью, легкостью, мягкостью, красотой, высокими показателями гигиенических свойств, хорошо переносят водные и тепловые обработки, светоустойчивы. Значительное количество хлопчатобумажных тканей вырабатывают с использованием химических волокон (вискозы и ее модификаций, полиэфирных, полиамидных). Ткани, содержащие капроновые и лавсановые волокна, отличаются повышенной износостойкостью, меньшей сминаемостью, пониженной усадкой, однако они чувствительны к тепловым обработкам, особенно ткани с капроном, и обладают способностью к пиллингу. Перспективными являются материалы на основе разволокненной структуры (микрофибра), а также ткани, полученные из 196 сочетаний пряжи и нитей с эластомерными волокнами и лайкрой. Использование многокомпонентных пряж позволяет получить ткани с улучшенными санитарно-гигиеническими свойствами. Хлопчатобумажные ткани используют для изготовления нательного, постельного и столового белья, платьев, халатов, сарафанов, пижам, блузок, сорочек, брюк, пальто, плащей, курток, спортивной и специальной одежды и т.д. Льняные ткани отличаются высокими показателями механических свойств, малой растяжимостью, хорошей износоустойчивостью, имеют высокую сорбционную способность. Паропроницаемость льняных тканей обеспечивает «комфортность» пододежной среды. Они также отличаются повышенной теплопроводностью, что очень важно для белья и летнего платья. Недостаток льняных тканей — низкие упругие свойства и как следствие большая сминаемость, однако во влажном состоянии они хорошо отглаживаются. Льняные ткани по волокнистому составу вырабатывают как чисто льняными, так и полульняными. В качестве смески используют химические волокна: вискозу, сиблон, лавсан. Новым направлением в ассортименте сорочечных тканей является создание лыгосодержащих тканей из трехкомпонентной пряжи (вискозы, полиэфира и льна). Перспективными материалами являются котонин — элементаризированное лубяное волокно, моволен — модифицированное волокно льна, короткогатапельный лен. Льняные ткани используют для изготовления нательного, постельного и столового белья, женских и детских платьев, мужских сорочек, скатертей, покрывал, полотенец, портьер, занавесей, для обивки мебели, а также для технических изделий. Шерстяные ткани отличаются красивым внешним видом, высокими теплозащитными свойствами. По виду и качеству применяемого сырья шерстяные ткани подразделяют на чистошерстяные и полушерстяные. В полушерстяные ткани в смеску вводят вискозу, капрон, нитрон, лавсан, лайкру, хлопок. Благодаря применению в смеске искусственных и синтетических волокон улучшаются эксплуатационные свойства: износостойкость, формоустойчивость, внешний вид. Изменение состава смесок влечет за собой изменения технических заправок и способов отделки, в результате чего получают ткани, различные по внешнему виду, строению и свойствам. Полушерстяные ткани с содержанием синтетических волокон имеют небольшую массу, малую усадку, несминаемы, хорошо фиксируют складки и плиссе при влажно-тепловой обработке, которые хорошо сохраняются при носке даже после стирки 197 и химической чистки. Однако введение лавсана, нитрона более 60 % придает тканям некоторые отрицательные свойства: снижение гигроскопичности и устойчивости к истиранию; увеличение сминаемости и воздухопроницаемости; в процессе эксплуатации появляется блеск и ускоряется загрязняемость, образуется пиллинг. Шерстяные ткани используют для изготовления платьев, брюк, юбок, костюмов, пальто, полупальто, курток, головных платков, одеял, пледов, шарфов. Шелковые ткани весьма разнообразны по виду применяемого сырья (пряжи и нитей), поверхностной плотности 1 м2, плотности, переплетению, характеру отделки и назначению. Шелковые ткани вырабатывают из натуральных, искусственных, синтетических нитей и пряжи, волокон. При изготовлении шелковых тканей используется также хлопчатобумажная пряжа, металлические, металлизированные и тексту-рированные нити. Широкое применение имеют ткани из полиэфирных нитей нового поколения. Использование при производстве шелковых тканей нитей различных круток (одиночных, крученых и фасонной крутки) в различных комбинациях способствует разнообразию их внешнего оформления и свойств. Новыми направлениями в разработке ассортимента и технологии производства тканей различного назначения являются создание функциональности, универсальности и практичности вновь создаваемых тканей за счет использования пряжи из химических волокон и их смесей с натуральными, модификации волокон и нитей, а также разработка и использование конструкционных материалов для одежды. Благодаря многообразию шелковых тканей их применяют для изготовления пальто, плащей, курток, костюмов, платьев, блузок, сорочек. Трикотажные полотна, обладающие уникальными свойствами (деформационными, разнообразной структурой поверхности, способностью вырабатываться из различных нитей и т.д.) и широкой номенклатурой ассортимента, применяются практически для всех групп современной одежды. Основные характеристики трикотажных полотен изложены в параграфе 8.5. • Нетканые материалы. Для изготовления одежды используют в основном холстопрошивные, нитепрошивные и ткане-прошивные нетканые материалы. Характеристика нетканых материалов представлена в параграфе 8.6. Текстильные конструкционные материалы, обладающие свойствами тканей и натуральной кожи, позволяют создавать 198 одежду с разнообразными свойствами. В таких материалах текстильный компонент придает прочность и формоустойчивость, а полимерное связующее обеспечивает непроницаемую матрицу. Чаще всего используется биологический пластифицируемый полимер, одним из которых является коллаген, получаемый путем переработки отходов кожевенного производства. Капиллярно-пористая структура коллагеновых волокон и их химическая природа обусловливают гигиенические свойства материала, близкие по показателям к натуральной коже. Текстильный компонент, состоящий из двух компонентов — текстильной основы и коллагена, представляет собой материал с новыми свойствами. Его применение позволит расширить ассортимент материалов и разработать новые способы изготовления деталей одежды нетрадиционными методами, такими как прессование и литье. Искусственный мех — это материал, имитирующий натуральный мех. Искусственный мех состоит из грунта и ворса. Грунт — основа меха, в нем закрепляются волокна ворса. Ворс — волокнистый покров, который может вырабатываться однородным и неоднородным по длине и толщине образующих его волокон, густоте их расположения. Высота ворса искусственного меха может быть от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. По способу получения различают тканый, трикотажный, накладной (клеевой) и тафтинговый искусственный мех. Тканый искусственный мех вырабатывагот на ткацком станке ворсовым переплетением. В качестве грунта используется хлопчатобумажная крученая пряжа, в качестве ворса -шерстяная пряжа из ангоры, натуральная шелковая пряжа, вискозный и ацетатный шелк, капрон. Трикотажный искусственный мех получают способом ввязывания в петли грунта пучков волокон из чесаной ленты либо способом вязания грунта с одновременным формированием плюшевых петель. Грунт трикотажного меха вырабатывается простым переплетением (кулирная гладь) из хлопчатобумажной пряжи. Иногда для выработки трикотажного меха применяют смешанную пряжу с содержанием хлопковых, полиакрилонитрильных и поливинилхлоридных волокон. Для лучшего закрепления ворса трикотажного меха грунт покрывают с изнаночной стороны тонким слоем латекса из натурального или синтетического каучука. Накладной искусственный мех получают путем приклеивания ворсовых нитей (синели) к поверхности ткани (клеевой способ). 199 Синель представляет собой пряжу, состоящую из двух скрученных стержневых хлопчатобумажных нитей, между которыми закреплена нагонная нить (капроновая, вискозная или лавсановая) в виде отрезков определенной длины (10 —22 мм). Перед выработкой искусственного меха синель завивают на завивочной машине, где в специальных трубках при высокой температуре синель получает извитую форму, которая при этих условиях стабилизируется. В качестве грунта меха используют хлопчатобумажную ткань (миткаль). Тафтинговый искусственный мех вырабатывают на специальных тафтинг-машинах. Для получения тафтингового меха готовую ткань (грунт меха) прошивают на тафтинг-машине ворсовой нитью, из которой на изнаночной стороне грунта с помощью крючков формируются петли определенного размера. Нож, закрепленный на крючке, по мере наработки петель разрезает их. После расчесывания выступающих концов ворсовых нитей образуется ворс. Натуральная и искусственная кожа. В швейном производстве наряду с тканями для изготовления одежды все шире используется натуральная и искусственная кожа. Натуральную кожу получают из шкур животных, искусственную — путем нанесения на основу (ткань, трикотаж или нетканый материал) полимерного покрытия (каучукового, поливинилхлорид-ного, полиамидного и нитроцеллюлозного). Подкладочпые ткани для производства одежды, как правило, состоят из хлопчатобумажных и шелковых нитей. Подкладочные ткани должны отвечать следующим требованиям: иметь незначительную поверхностную плотность 1 м2; обладать высокой стойкостью к истиранию, а также прочностью окраски к действию трения, пота и химической чистки; иметь небольшую усадку по основе, высокую гигроскопичность. Прокладочные материалы применяют в швейном производстве для прокладки в бортах, полочках, воротниках, планках, рукавах и других частях и узлах одежды с целью лучшего сохранения формы изделий, повышения их надежности. Их помещают между основным материалом верха и подкладкой. Эти материалы должны обладать хорошей пластичностью при проведении влажно-тепловой обработки, сохранять устойчивость при придании формы изделию. Они должны быть прочными, малорастяжимыми, жесткими и обладать такой же усадкой, как и основной материал верха. Прокладочные материалы обеспечивают изделию форму, комфортность, пластичность и легкость. В качестве прокладочных материалов широко используются льняные и полульняные ткани (бортовка льняная и бортовка 200 полульняная), хлопчатобумажные ткани (бязь, ткань бортовая, ткань бортовая с капроновой или лавсановой нитью), нетканые материалы (флизелин, дублерин, прокламелин). Утепляющие материалы используют и одежде, одеялах для улучшения их теплозащитных свойств. Утепляющие материалы должны обладать мягкостью, упругостью, не сваливаться, легко поддаваться раскрою. Использование утепляющих материалов в одежде не должно затруднять движений, они должны быть прочными в процессе носки, выдерживать стирку и химчистку, не допускается их расслаивание. В качестве утепляющих материалов используют вату (хлопчатобумажную и шерстяную), ватин, ватилин, пух, листовую вату, пенополиуретан, меховые низы, искусственный мех, нетканые материалы (синтепон и др.). Материалы для скрепления деталей одежды — это нитки различного волокнистого состава, клеи на основе синтетических полимеров. Так как нитки в процессе изготовления и эксплуатации изделия испытывают растяжение и трение, то они должны быть прочными, чистыми, гладкими, обладать нужной растяжимостью, иметь прочную и однотонную окраску. Клеевые швы должны обладать устойчивостью к многократной стирке, воздействию света, погоды. Высокое качество изготовления одежды обеспечивают клеевые полимерные материалы, служащие скрепляющими элементами основы прокладочного материала с тканью верха. В клеевых технологиях изготовления одежды используются две основные группы клеевых материалов: 1) термопластичные (клеи-расплавы); 2) термореактивные (клеи-растворы). Отделочные материалы. В качестве отделочных материалов используются ленты, тесьма, шнуры, кружево, шитье, вышивальные нитки, бисер, стеклярус, мех, кожа и др. Фурнитура. К ней относят пуговицы, крючки, петли, пряжки, кнопки, застежки. 8.7.2. Технологический процесс изготовления швейных изделий Технологический процесс изготовления швейных изделий включает следующие этапы: • проектирование изделий (моделирование и конструирование); • раскройные операции; 201 • пошив изделий; • влажно-тепловая обработка; • заключительная обработка и отделочные операции. Проектированием швейных изделий занимаются дома моделей, опытно-конструкторские лаборатории крупнейших фабрик и фирм. Это довольно сложный процесс, который подразделяется на моделирование и конструирование изделий. Задачей моделирования является создание удобной, красивой, а также гигиеничной одежды разнообразных фасонов, отвечающей направлению моды и требованиям потребителей. При разработке новых моделей учитываются: телосложение человека, возраст, экономические факторы (расход материалов), возможности воплощения модели в условиях реального производства, затраты времени на изготовление. Обеспечение соответствия моделей предъявляемым требованиям и их разнообразие достигаются за счет определенных характеристик (элементов) художественно-технического оформления. Такими элементами моделирования являются силуэт, форма, пропорции, покрой, композиция, рисунок, цвет материала и др. Разработанная модель будущего изделия рассматривается и утверждается на художественно-техническом совете. Утвержденный художественным советом образец становится эталоном, который нельзя изменять в условиях массового производства. Изменения может вносить только моделирующая организация по согласованию с торговой. На каждую разработанную модель составляется техническое описание, в котором дается зарисовка модели, ее характеристика (силуэт, покрой, цвет, форма, материал верха, материал подкладки, фурнитура), перечень деталей; излагаются технические требования к модели, спецификация материалов, сложность обработки; приводятся рекомендуемые размеры и рост, площадь лекал материалов верха базисного размера и роста. Целью конструирования является разработка чертежей деталей изделий и изготовление по ним лекал для последующего раскроя материалов. Конструированием занимаются конструкторы одежды. В процессе конструирования осуществляется взаимосвязанное и последовательное соединение комплекта лекал деталей в единое целое, с указанием основных размеров и способов обработки, для создания объемной формы одежды. От правильности разработки конструкции одежды зависят удобство ее в носке, посадка на фигуре, надежность в эксплуатации, сохранение формы, возможность ремонта и т.д. 202 В настоящее время созданы системы автоматизированного моделирования и конструирования одежды (САПР). Они позволяют практически с «нуля» с использованием полуавтоматических команд построения базовых конструкций и конструктивного моделирования осуществить моделирование будущего изделия; с помощью комбинаторного синтеза из типовых и унифицированных элементов и параметрической записи построения модели создать различные сценарии ее конструирования; Такие системы позволяют производить проектирование изделия без изготовления образцов. Технические эскизы на стадии разработки дают возможность создавать виртуальные коллекции с полной иллюзией объема, различных рисунков и фактуры материала. Раскрой материалов имеет целью получение деталей по лекалам для будущего соединения их в изделия. Этот процесс следует разделить на операции: подготовительные и основные. Подготовительные операции включают: • подготовку материалов к раскрою (приемку материалов по качеству, подбор кусков для будущего настила); • конфекционирование, т.е. подбор материалов верха, подкладки, прокладочных материалов, отделки, фурнитуры; • расчет длины и количества настилов исходя из требования максимально эффективного использования материалов; • изготовление обмеловок (верхнее полотно настила, на котором фиксируются контуры лекал) и трафаретов. Приемка материалов по количеству и качеству производится в соответствии с требованиями действующих нормативных документов путем внешнего осмотра. Этот процесс осуществляется на браковочно-иромерочных машинах или механизированных контрольно-измерительных столах. Конфекционирование осуществляется: художниками-конфекционерами, руководствующимися техническими описаниями, образцами-эталонами и заказами торговых организаций. При расчете длины и количества настилов широко используются ЭВМ. Рабочие лекала и трафареты для выкраивания деталей выполняются из бумаги, картона, ткани, пленки. Использование элементов САПР при изготовлении лекал позволяет создавать их различные варианты, осуществлять градацию по размерам и ростам и редактирование, дает возможность их полуавтоматической и автоматической раскладки на ткани, а также изготовления обмеловок. Передача подготовленных материалов в раскройный цех осуществляется по картам расчета. 203 Основные операции раскроя включают: • настилание полотен материала; • раскрой; • комплектование деталей кроя. Настилание полотен производится вручную на специальных столах или с помощью настилочных машин. Раскрой материала осуществляется различными методами: вручную, электрическими дисковыми и ленточными машинами, лучом лазера, плазменной дугой и др. В настоящее время на крупных предприятиях все шире применяются автоматизированные настилочно-раскройные комплексы (АНРК), которые выполняют несколько операций в автоматическом режиме. В их состав входят настилочная машина, автоматизированная раскройная установка, система автоматизированного проектирования лекал. Функциональные возможности АНРК разнообразны: накопление базы данных, разработка, копирование, раскладка, вычерчивание и вырезание лекал, настилание любых материалов, раскрой настила по заданной программе. Комплектование деталей кроя заключается в подборе всех деталей будущего изделия (определенного размера, роста, полноты) и их нумерации. Базовой основой является конфекционная карта, в строгом соответствии с которой будет изготовляться изделие. Цель пошивочного процесса — собрать из выкроенных деталей изделие в соответствии с утвержденным образцом, придать ему объемную форму и необходимый товарный вид. Пошив швейных изделий осуществляется, как правило, по принципу потока. Поток — это такой метод организации производства, при котором изготовление изделия расчленяется на последовательный ряд операций, равных или кратных по затратам времени. Оборудование в потоке устанавливается в порядке технологической последовательности обработки. Для обеспечения одновременного выполнения операций на потоке и достижения ритмичности при работе применяются различные технические и организационные мероприятия. Они включают: • подбор машин и оборудования по производительности; • использование регулирования скорости конвейера; • техническое оснащение ручных и машинных работ дополнительными приспособлениями; • оптимальное использование квалификации исполнителей и производительности их труда. Потоки различаются по ряду признаков: количеству одновременно подливаемых изделий — одно- и многофасонные; мощ204 ности (количеству пошиваемых изделий в смену) — малой, средней и высокой; способу передачи полуфабриката — агрегатные (вручную) и конвейерные (движение ленты). Пошив любого швейного изделия включает последовательное выполнение заготовительных (обработка деталей: полочек, спинок, рукавов, воротников и т.д. и подготовка их к монтажу) и монтажных операций (соединение деталей в изделие ниточными стежками, строчками и швами, клеевым способом, свариванием токами высокой частоты или ультразвуком). После выполнения данных операций изделия передаются на влажно-тепловую обработку. Влажно-тепловая обработка одежды состоит в том, что под действием тепла, влаги, давления волокна материала пластифицируются и переходят из обычного состояния в высокоэластичное, благодаря чему их можно удлинять, сокращать, уточнять, придавать нужную форму. Посредством влажно-тепловой обработки изделию придают необходимую объемную форму, соответствующую фигуре человека, разутюживают швы, удаляют морщины, замины, уменьшают толщину деталей, выравнивают их поверхность, снимают ласы, придают изделию красивый внешний вид. Влажно-тепловая обработка выполняется на паровоздушных манекенах, гладильных прессах, а также при помощи утюгов. После нее изделия охлаждают и просушивают для стабилизации формы и удержания красивого внешнего вида. К заключительным и отделочным операциям относятся: изготовление петель и закрепок, пришивание пуговиц, крючков, петель и кнопок, чистка изделия и окончательная утюжи-тельная обработка. При чистке изделий удаляют производственный мусор, устраняют следы мела, карандаша, масляные пятна. Окончательную утюжительную обработку проводят на прессах или паровоздушных манекенах. 8.8. Основы производства пушно-меховых изделий Отечественная меховая промышленность перерабатывает сырье животного происхождения, поставляемое такими отраслями как пушное звероводство, охотничий пушной промысел, кролиководство, овцеводство. Важным объектом клеточного звероводства является норка, разводят также лисицу, песца, нутрию и другие ценные виды пушнины. Важнейшими задачами меховой промышленности Республики Беларусь являются: увеличение сырьевой базы, рацио205 нальное использование пушно-мехового полуфабриката, наращивание производственных мощностей отрасли, повышение качества и расширение ассортимента меховых изделий. Для эффективного развития кролиководства, овцеводства, козоводства необходимо: создание специализированных фермерских хозяйств; организация завоза элитных пород из Европы; повышение племенной ценности отечественных пород; разработка и выпуск специальных гранулированных кормов и др. Развитию звероводства в нашей стране придается большое значение. Для повышения эффективности этой отрасли в 2000 г. создана Республиканская ассоциация по пушно-мехово-му животноводству, основной задачей которой является концентрация в едином центре прогрессивных направлений науки и практики по развитию пушного звероводства, кролиководства, нутриеводства, козоводства и овцеводства. В настоящее время в Беларуси действует Программа развития звероводства и переработки сырья на 2002— 2010 гг., согласно которой планируется увеличить рентабельность звероводства и переработку сырья. Процесс изготовления меховых изделий включает обработку пушно-мехового сырья и скорняжно-пошивочное производство. 8.8.1. Технология обработки пушно-мехового сырья Технология получения мехового полуфабриката из мехового сырья включает операции выделки и крашения. Обработка мехового полуфабриката, который выпускается некрашеным, заканчивается выделкой. Выделка сырья подразделяется на следующие основные этапы: комплектование производственных партий, подготовительные отделочные операции, собственно выделка и отделочные операции. Комплектование производственных партий — сортировка сырья перед запуском в производство. Партии комплектуют по видам сырья, способу консервирования, размеру, толщине кожевой ткани, кряжу, сортности, дефектности, цвету и густоте волосяного покрова, степени зажиренности шкурок. Такой подбор сырья в партии позволяет обеспечить одинаковый характер обработки (без дополнительных подсортировок), получить однородный по качественным показателям полуфабрикат, а также механизировать значительную часть процессов обработки. Подготовительные отделочные операции выполняются для приведения шкурок в состояние, пригодное для последующей обработки. В процессе совершения этих операций волося206 ной покров очищают от жировых и других загрязнений, с ножевой ткани удаляют жир подкожно-мышечного слоя, а также вымывают консервирующие вещества и растворимые белки. Собственно выделка пушно-мехового сырья включает следующие операции: подготовка к дублению (пикелевание, квашение, мягчение), дубление, жирование, сушка. При подготовке к дублению операций разрыхляется волокнистая структура дермы, ножевая ткань обезвоживается и переводится в «кислое состояние», необходимое для последующего хромового дубления. Дубление является одним из основных процессов обработки пушно-меховых шкурок. Его проводят для закрепления свойств кожевой ткани, приобретенных в процессе предыдущих обработок. При дублении происходит необратимое понижение реакционной способности коллагена в результате химического связывания дубящих веществ с белком. При этом повышается температура сваривания коллагена, а также прочность, упругость и устойчивость к действию химических реагентов и ферментов, снижается набухаемость в воде. Тонкая кожевая ткань после дубления становится плотнее, толще и прочнее. Вместе с тем несколько снижаются ее мягкость, пластичность, размеры шкуры уменьшаются, поэтому интенсивное дубление меховых шкурок не рекомендуется. В результате взаимодействия дубящих веществ с кератином волоса повышается упругость, снижается смачиваемость и несколько изменяется внешний вид волосяного покрова. Жирование — это введение в кожевую ткань жировых веществ. Оно повышает мягкость, пластичность, прочность кожевой ткани, ее устойчивость к влаге. Жировые вещества обволакивают волокна кожевой ткани, предохраняя их при сушке от склеивания, а структуру кожевой ткани — от уплотнения. В качестве жирующих веществ чаще используются жиры морских и наземных животных, а также растительные, минеральные и синтетические жиры. Применяются также жиры в виде эмульсий, в состав которых входят вода, жир, эмульгатор и аммиак. Меховой полуфабрикат, выпускаемый без окрашивания, после жирования высушивают, а затем направляют на отделочные операции. Сушка — удаление из шкурок излишней влаги. Помимо этого, при сушке происходят уплотнение кожевой ткани, ее усадка (уменьшение площади) и более прочное связывание дубящих и жирующих веществ с белками дермы. После сушки влажность шкурок не должна превышать 11—14 %. 207 Сушку шкурок производят обычно в сушильных камерах при температуре 40- 45 °С, относительной влажности воздуха 45—50 % и скорости движения воздуха 0,5—1 м/с. Продолжительность сушки — 3—4 ч. Применяются также барабанные сушилки, сушка при помощи токов высокой частоты и радиационная (инфракрасная). Отделочные операции завершают цикл выделки полуфабриката, который имеет красивую естественную окраску и поэтому не подвергается крашению. После сушки волосяной покров шкурок обычно бывает матовым и загрязненным, кожевая ткань — грубоватой и ссохшейся. Для улучшения внешнего вида шкурок и проводятся отделочные операции, в результате которых они приобретают товарный вид. В процессе отделки шкурки увлажняют, вытягивают, подвергают чистке и чесанию, а иногда и стрижке, облагораживают волосяной покров (придают блеск, шелковистость, рассыпчатость, снижают свойлачиваемость), шлифуют кожевую ткань и т.д. Крашению подвергают полуфабрикаты, не обладающие красивой естественной окраской. В технологии обработки меха и шубной овчины крашение является одним из наиболее важных процессов, который существенно влияет на качество продукции. Большинство полуфабрикатов подвергают крашению для того, чтобы: • исправить, улучшить естественную окраску меха, особенно ценных видов, таких, как шкурки соболя, норки, серебристо-черной лисицы, куницы и др.; • углубить естественную окраску, например черного каракуля, черной смушки, мерлушки; • имитировать окраску волосяного покрова ценных видов пушнины на дешевых и массовых видах, например имитация шкурок кролика под соболя, норку, пыжика, котика и др., овчины — под хоря, норку и т.д.; • придать новую окраску и расцветку волосяному покрову с некрасивой природной окраской, например, овчину красят в коричневый, красный, бежевый и другие цвета, шкурки кролика — в черный, голубой и другие яркие цвета, рыжую лисицу иногда красят в совершенно другие цвета. При крашении меховых шкур используют в основном кислотные, кислотно-протравные, прямые, кубовые, окислительные красители, азокрасители, а также металлсодержащие или металлкомплексные, основные и активные красители. Окрашенный полуфабрикат проходит отделочные операции, аналогичные проводящимся над не подлежащим окраске полуфабрикатом (имеющим красивую естественную окраску). 208 8.8.2. Технология скорняжно-пошивочного производства меховых изделий Из путно-меховых полуфабрикатов на скорняжно-поши-вочных комбинатах меховой промышленности вырабатывают готовые изделия. Процесс изготовления меховых изделий состоит из скорняжных и пошивочных операций. Цель скорняжного производства — изготовление из пуш-номехового полуфабриката воротников, скроев для верха и низа меховой одежды (пальто, пиджаки), скроев головных уборов, рукавиц и других меховых изделий, а также пластин и мехов. Скроем называют детали пушно-меховых изделий, состоящих из подобранных и сшитых шкурок. Скрой изготовляют также из пластин и мехов. Пластины — полосы определенной формы и размера, сшиваемые из нескольких шкурок пуш-но-мехового полуфабриката. Несколько (две-три) одинаковых пластин, скрепленных вместе, называют мехами. Скорняжное производство включает следующие основные операции: производственная сортировка шкурок; распластывание и расправка шкурок; наборка и складка шкурок на изделия; устранение дефектов шкурок, раскрой шкурок на изделия; сшивание, правка, сушка и отделка меховых скроев. Производственная сортировка шкурок. Целью производственной сортировки (группировки) является подбор однородных групп шкурок одного вида, кряжа, размера, сорта, высоты волосяного покрова, дефекта, цвета, оттенка, блеска, типа завитка, рисунка, толщины кожевой ткани и способа выделки для выполнения последующих технологических процессов. Распластывание и расправка шкурок. Распластывание — это разрезание шкурок. Данную операцию выполняют скорняжным ножом. Шкурку разрезают со стороны кожевой ткани от огузка к голове. Расправку шкурок проводят, чтобы придать им большую пластичность. Кожевую ткань смачивают водным раствором глицерина, поваренной соли и алюминиевых квасцов. После увлажнения шкурки подвергают пролежке в течение 0,5—2 ч, затем их расправляют (перетягивают) руками по длине или ширине. Крупные шкурки расправляют на деревянных щитах волосом вниз (растягивают и закрепляют гвоздями). Наборка и складка шкурок па изделия. Наборка — подбор и комплектация шкурок для каждого конкретного изделия с учетом их размеров, длины, рисунка и цвета волосяного покрова. Складка — это установление места расположения каждой отдельной шкурки в изделии. 209 Устранение дефектов шкурок осуществляется посредством прорезки специальным скорняжным ножом. Существует пять способов прорезки: «рыбкой», вытяжка ремня, спуск клина, вставка и подделка. Прорезку «рыбкой» применяют для удаления поврежденных участков небольших размеров, ширина которых не превышает 1,5 см. Вытяжку ремня в продольном направлении используют для удаления крупных дефектов. Прорезанный в виде ремня участок шкурки вытягивают и зашивают. Спуск клина применяют в том случае, если расстояние между вырезанными краями у мелких шкурок превышает 1 см, а у средних — 1,5 см. После удаления дефекта образуется прямоугольное отверстие. Над ним вырезают клин, опускают его до нижней линии разреза и подтягивают к нему свободные края. Верхнюю часть, не заполненную клином, стягивают и зашивают. Вставку делают только в том случае, если испорченная часть шкурки слишком велика (более 3 см) и повреждение нельзя исправить ни одним из указанных выше способов. При применении этого способа на место вырезанного дефекта вставляют мех такого же размера. Волосяной покров меха вставки должен соответствовать волосяному покрову шкурки по густоте, длине, цвету и оттенку. Подделкой называют составление целой шкурки (или ее части) из отдельных кусков меха, пригодных для использования. Подделку применяют ко всем видам мехового полуфабриката, имеющим большой дефект или недостающие части. Раскрой шкурок на изделия часто объединяют с прорезкой. Шкурки со значительными дефектами обычно раскраивают после удаления дефектов, так как очень сложно определить форму и площадь такой шкурки после починки. Существуют простые и сложные методы раскроя шкурок. П р о с т ы е методы заключаются в обрезке по лекалу подобранных на изделия шкурок. При этом подравнивают края шкурки, обрезают голову, шею, лапы (придают шкуркам форму пластинок различной конфигурации). С л о ж н ы е методы раскроя позволяют значительно изменить форму шкурок, а также густоту, направление волоса и т.д. Существуют следующие сложные методы раскроя: роспуск, осадка, перекидка, разбивка, спайка, расшивка и перфорация. Роспуск — увеличение длины шкурки за счет ширины путем смещения клинообразно разрезанных полос (ремешков). Осадку применяют в случаях, когда нужно увеличить ширину шкурки за счет длины. Для этого шкурки разрезают на 210 клинообразные ремешки и сшивают со смещением под большим углом. Перекидка является наиболее эффективным методом раскроя. Используя ее, из нескольких шкурок можно сделать одну& или из одной — несколько, а также из половины шкурки сде-> лать целую без нарушения общей топографии волосяного покрова. Для получения двух шкурок из одной мех разрезают на четное количество узких долевых полосок и, пронумеровав их по порядку, сшивают отдельно полоски с четными и нечетными номерами. Разбивка производится, если из двух шкурок различной длины необходимо получить две одинаковые. Для этого каждую шкурку разрезают на четыре части и, перемещая эти части, выравнивают шкурки по размерам и волосяному покрову (по цвету и рисунку). Этим же способом сшивают одну шкурку из двух. Чтобы получить целую шкурку из половины, разрезанный на равные полоски полуфабрикат подбирают так, чтобы хребет располагался посередине. Спайка — незаметное со стороны волосяного покрова соединение по длине нескольких раскроенных шкурок в одну целую (если шкурки имеют одинаковую длину волоса). Для этого шкурки раскраивают по намеченным поперечным линиям, выделяя отдельные топографические участки. Заранее пронумерованные шкурки (одну — четными, а другую — нечетными номерами) сшивают по порядковым номерам, получая удлиненную шкурку. Расшивка — увеличение длины или ширины шкурок путем вшивания различных материалов между полосками шкурок. Вшивают полоски из лайки, замши, шелковой тесьмы шири ной не более 1 см. Расшивка рекомендуется только для шкурок с очень густым волосом (песец, лисица). « Перфорация — изменение конфигурации шкурки раскроем. Шкурку расчерчивают горизонтальными линиями, расположенными на расстоянии 10 мм друг от друга. Затем в поперечном направлении через каждые 10—15 мм делают короткие надсечки, каждая из которых должна быть смещена по отношению к предыдущей. Насечки могут быть прямые и косые. Затем шкурку увлажняют и растягивают до определенной длины, прирост которой может составить половину первоначальной. При такой операции уменьшается ширина шкурки, но увеличивается ее длина. Сшивание, правка, сушка и отделка меховых скроев. Сшивание шкурок осуществляют на швейных машинах, образующих швы, малозаметные со стороны волосяного покрова. 211 В зависимости от вида шкурок, их назначения применяют различные по форме соединительные швы. Номера игл и ниток, употребляемых при сшивании шкурок, а также количество стежков на 1 см шва зависят от толщины кожевой ткани. Чем тоньше кожевая ткань, тем тоньше должна быть нитка. При сшивании не должно быть пропусков стежков и разрывов, шов должен быть одинаковой высоты, без захвата волоса. При сшивании меховых шкурок на кожевой ткани образуются складки и неровности. Для их устранения сшитые из шкурок скрои увлажняют водой (или специальным раствором), а затем расправляют, придавая при этом нужную форму согласно лекалу. Правку предварительно увлажненных скроев осуществляют на щитах и формах. Качество этой операции проверяют наложением лекала на расправленную деталь: расправленный скрой должен иметь точную форму лекала. Долевые швы, соединяющие шкурки, должны быть ровными, а поперечные на краях правой и левой полочек — совпадать. Затем скрой сушат для фиксирования нужной формы и удаления излишней влаги. Сушку проводят в сушильных камерах при температуре не выше 45 °С. Продолжительность сушки (от 30 мин до 3 ч) зависит от вида полуфабриката, из которого изготовлен скрой. После сушки скрой отделывают. Отделка состоит из ряда операций, цель которых — придать скроям внешний вид, который они должны иметь в готовом изделии. К отделке относят: устранение возникших при работе дефектов, колочение, обрезку изделия по лекалу, расчесывание и заглаживание волосяного покрова. Пошивочпое производство меховых изделий — процесс, включающий подготовку и раскрой подкладочных тканей, утепляющих и прокладочных материалов; комплектование всех необходимых деталей и фурнитуры для определенных изделий; пошив изделий и их заключительную отделку. Раскрой тканей и утепляющих материалов аналогичен их раскрою при изготовлении швейных изделий и осуществляется на тех же машинах. При недостаточной прочности кожевой ткани применяют прокладку из хлопчатобумажных тканей, которую приклеивают термопластичным клеем под давлением на прессах по всей площади деталей или в области верхней части стана, бортов и лацканов. Это придает изделию большую прочность при носке и способствует длительному сохранению его формы. В воротнике, лацканах, бортах, низках рукавов, под прорезями карманов 212 должна быть прокладка из бортовой ткани. В местах, noflBepraJ ющихся вытягиванию (по краю бортов, лацканов, по плечевым швам, горловине, вытачкам и проймам), прокладывают бортовую тесьму или кромку. Завершается пошивочное производство соединением (сборкой) мехового скроя и деталей подкладки и приклада (утеплителя, прокладочной тесьмы и др.), прикреплением фурнитуры и отделкой изделия. Отделка меховых изделий заключается в их очистке от пыли, остатков и концов ниток, глаженьи, подравнивании, расчесывании и колочений волосяного покрова на специальных машинах. 8.9. Основы производства обуви 8.9.1. Общее понятие об обувных товарах Обувь относится к предметам первой необходимости и является товаром сложного ассортимента. Она выступает важным элементом современного художественно-организованного, гармоничного ансамбля одежды. Энциклопедический словарь определяет обувь как «часть одежды человека, предназначенную для предохранения ног от вредных воздействий». Возникновение обуви неразрывно связано с естественной потребностью защитить стопу от повреждений и неблагоприятного воздействия факторов окружающей среды. Поэтому наиболее важной функцией обуви является защитная, утилитарная. Утилитарная функция, призванная обеспечить условия для нормальной деятельности стопы, может рассматриваться с точки зрения необходимости предупреждения заболевания стон (профилактическая обувь), восстановления утраченных функций стопы (ортопедическая обувь). Как элемент костюма обувь выполняет и эстетическую функцию, заключающуюся в создании определенного зрительного эффекта и психологического восприятия. Современное развитие обуви осуществляется во взаимосвязи этих двух функций. В зависимости от исходных материалов и особенностей технологии производства обувные товары подразделяют на обувь кожаную, резиновую и валяную. Кожаной обуви принадлежит ведущая роль в производстве и потреблении. К ней относят обувь с верхом из натуральных, искусственных и синтетических кож, текстильных материалов, меха, а также комбинированных материалов. Кожаную 213 обувь вырабатывают предприятия кожевенно-обувной промышленности. К резиновой относят обувь с верхом из резины, резинотекстильную и из пластических масс (поливинилхлорида, полиуретана). Валяную обувь получают в процессе валки из смеси шерстяных и других волокон в виде целого изделия без отдельных деталей и соединительных швов. Рациональный гардероб (набор) кожаной обуви включает в зависимости от половозрастной категории носчиков 7—12 пар различной по характеру исполнения и назначению обуви (повседневной, модельной, домашней, зимней, летней, весеннеосенней и т.д.). Этот набор является исходной предпосылкой определения рациональных норм потребления, которые для кожаной, резиновой и валяной обуви составляют соответственно 3,22 пары, 0,65 и 0,05 пары в расчете на душу населения Республики Беларусь. В соответствии с Программой развития промышленного комплекса Республики Беларусь на 1998—2015 гг. предусмотрен рост выпуска кожаной обуви в 1,7—1,8 раза, резиновой обуви — в 1,9 раза. Особое внимание будет уделено повышению качества продукции и удовлетворению потребительского спроса на высококачественную обувь современных конструкций и дизайнерских разработок, с улучшенными потребительскими свойствами. 8.9.2. Материалы, используемые при изготовлении обуви Кожаная обувь по объему производства имеет наибольший удельный вес среди выпускаемых обувных товаров. Ее ассортимент весьма разнообразен по различным признакам: назначению, полу и возрасту потребителя, сезонности носки, видам, конструкциям и т.д. С целью улучшения эксплуатационных характеристик обуви и удовлетворения растущих потребностей рынка постоянно совершенствуется сырьевая и материально-техническая база обувной промышленности. В последние десятилетия XX в. в связи с быстрым развитием нефтеперерабатывающей промышленности и производства синтетических пластиков значительно расширился номенклатурный состав материалов для обуви. Заметно возросла автоматизация производства обуви и кожевенных материалов, обновился машинный парк, что позволило получить материалы и изделия с более высоким уровнем технологических характеристик и показателей потребительских свойств. 214 Широкое распространение получили искусственные материалы для низа обуви, которые по своим потребительским свойствам — устойчивости к истиранию, водостойкости, эстетическим свойствам, не только не уступают натуральной коже, но и во многих случаях превосходят ее. Заметные результаты были достигнуты в области производи ства мягких искусственных и синтетических кож, хорошо имитирующих натуральную кожу как по внешнему виду, так и по эксплуатационным показателям — мягкости, эластичности, износоустойчивости. Созданы новые триплированные материа* лы на тканой и трикотажной основах с применением комбинированного полиуретанового покрытия. Для организации современного обувного производства необходимы материалы различной природы и назначения. Среди них выделяют два класса — основные и вспомогательные. Основные материалы используют для изготовления наружных, внутренних и промежуточных деталей верха и низа обуви. К материалам верха относят натуральные, искусственные и синтетические мягкие кожи, текстильные материалы (ткани, трикотажные полотна, нетканые материалы, войлок, фетр), натуральный и искусственный мех. Материалами низа обуви явшются натуральная жесткая кожа, каучук, резина, пластмаст сы, картоны и древесина. Вспомогательные материалы предназначены для скрепления деталей, отделки и украшения обуви. Скрепляющими материалами являются нитки, гвозди, винты, шпильки и клеи. К отделочным материалам относят краски, аппретуру и полировочные материалы, текстильно-галантерейные изделия (шнуры, ленты, тесьму), обувную фурнитуру (пряжки, кнопки, блочки, крючки, застежки, хольнитены, люверсы, пукли и др.). Очевидно, что наиболее важными из всех материалов, используемых в производстве кожаной обуви, являются натуральные кожи, а также искусственные и синтетические материалы. Рассмотрим особенности получения, разновидности, строение и назначение этих материалов. Натуральная кожа является наиболее важным материалом для производства кожаной обуви, так как она позволяет получить обувь с наилучшими потребительскими свойствами: красивым внешним видом, небольшой массы, с высокой паро-, воздухопроницаемостью. Основным сырьем для производства кожи служат сравнительно крупные (свыше 0,2 м2) шкуры млекопитающих, преимущественно домашних животных (крупного рогатого скота, овец, коз, свиней, лошадей и др.) и реже диких зверей (лосей, 215 оленей, кабанов и др.)- В небольшом количестве используют шкуры морских животных (моржей, тюленей, дельфинов, китов и др.). рыб (трески, зубатки, акул и др.), рептилий (змей, ящериц, крокодилов) и птиц (страусов и др.). В зависимости от вида животного и массы шкуры в парном состоянии кожевенное сырье подразделяют на мелкое, крупное и свиное. К мелкому кожевенному сырью относят шкуры телят крупного рогатого скота (склизок, опоек, выросток), жеребят (жеребок, выметка), овец, коз (домашних и диких), верблюжат и те- I лят оленей (пыжик). К крупному кожевенному сырью относят шкуры взрослых животных: крупного рогатого скота (полукожник, бычок, яловка, бычина, бугай), буйволов, ослов, мулов, лошадей, верблюдов и лосей. Свиные шкуры домашних и диких животных делят по площади на мелкие (30—70 дм2), средние (71—120 дм2) и крупные (свыше 120 дм2). Шкурой называют наружный покров, снятый с туши животного (парная шкура) и законсервированный от загнивания (законсервированная шкура). Шкура животного состоит из волосяного покрова и кожной ткани. Волосяной (или шерстный) покров сформирован из тонких пуховых и более толстых остевых или щетинистых волос, состоящих из стержня и корня. Кожную ткань образуют три слоя: наружный (эпидермис), средний (дерма) и внутренний (подкожно-жировая клетчатка) (рис. 8.12). Эпидермис, или надкожница (от гр. epi — над, derma — кожа) — это поверхностный, самый тонкий слой кожной ткани, сформированный из нескольких слоев эпителиальных клеток разной степени старения и накопления продуктов синтеза (ке-ратоновых белков, липидов и липопротеидов). После удаления волосяного покрова и эпидермиса выделанная кожа имеет определенный естественный, характерный для данного вида сырья рисунок лицевой поверхности, который называют мереей. Мерея служит товароведным признаком при распознавании сырья, из которого выработана кожа. Дерма (собственно кожа) — основной, наиболее толстый и прочный слой кожной ткани. В ней имеются сети волокон из белков коллагена и эластина и переходные образования (формации) этих волокнистых белков. Толщина, монолитность волокон и пучков, сложность их переплетения, плотность укладки и угол наклона обусловливают такие физико-механические свойства кожи, как прочность, плотность, растяжимость, упругость, износостойкость. Кроме того, природная структура волокнистого сплетения дермы существенно влияет на паро-, водо- и воздухопроницаемость, вла-гоемкость, влагоотдачу и другие гигиенические свойства колеи. Угол и плотность сплетения пучков коллагеновых волокон дермы изменяются в зависимости от вида и возраста животного, а также от топографического участка шкуры. Подкожно-жировой слой находится непосредственно под дермой и представляет собой ткань, состоящую из жировых» клеток, уложенных в ячеях коллагеновых и эластиновых волокон. В ней имеется сеть кровеносных и лимфатических сосудов и клетки мышечной ткани. Количество жировых отложений зависит от вида и породы животных, времени убоя скота и других факторов. Имея общее строение, микроструктура шкур обладает хан рактерными для каждого вида животных различиями, которые обусловливает свойства, качество и целевое использование сырья и получаемой кожи. Кроме того, в одной и той же шкуре? строение кожного покрова неодинаково на различных топографических участках. Топографическими называют участки шкуры, соответству-< ющие определенным частям тела животного и отличающиеся строением, химическим составом и физико-механическимй свойствами. Эти различия существенно влияют на товарные свойства и качество кожи, обусловливают производственное назначение шкуры, характер технологических процессов ее переработки, а также учитываются при раскрое кож на детали 217 обуви. В зависимости от места расположения участка шкуры меняются ее толщина, плотность, механическая прочность, растяжимость и расположение структурных элементов. В процессе кожевенного производства происходит превращение шкуры в кожу, т.е. материал, пригодный для изготовления обуви и других изделий. Кожа представляет собой дерму шкуры, сохранившую волокнистую структуру, но изменившую физико-химические свойства под действием дубителей и процессов отделки. Производство кожи осуществляется на кожевенных предприятиях и начинается с подбора шкур по виду, способу консервирования, весу или площади, толщине или плотности, сортности, а также району происхождения или породе скота. Это необходимо для правильного проведения технологических операций и получения однородного по свойствам кожевенного материала. Все процессы и операции кожевенного производства по их назначению и роли в формировании свойств кожи подразделяют на следующие основные группы: подготовительные, дубление, последубильные и отделочные. Целью подготовительных процессов и операций является выделение из шкуры дермы и доведение ее структуры до состояния, пригодного для дубления. От правильности подготовки шкуры к дублению зависят равномерность распределения дубящих веществ в колее и возможность получения готового полуфабриката с заданными свойствами. Шкуры, прошедшие подготовительные процессы, называют гольем. К основным подготовительным процессам относятся: отмо-ка, золение и обезволашивание, обеззоливание, мягчение (при выработке мягких кож), пикелевание (для подготовки к дублению минеральными солями) или солевание, обезжиривание. Перечисленные процессы чередуются с механическими операциями: мездрением, сгонкой шерсти, чисткой лицевой стороны, распиливанием по толщине (двоением), раскраиванием на топографические участки. Подготовительные операции выполняются различно, в зависимости от вида кожевенного сырья, способа его консервирования и вида вырабатываемой кожи. Дубление — процесс превращения голья в кожу в результате химического и адсорбционного взаимодействия дубящих веществ с функциональными группами белка коллагена дермы. Дубление является основным процессом кожевенного производства. В результате дубления голье увеличивается по весу и толщине, становится пористым, приобретает гибкость и упру218 гость, большую устойчивость к действию горячей воды, химических реагентов, бактерий и ферментов. Процесс дубления состоит из двух стадий — физической и химической. На первой стадии (физической) дубящие вещества под влиянием адсорбции проникают в толщу волокнистой структуры голья, откладываются на поверхности волокон и заполняют промежутки между ними. Па второй стадии (химической) коллаген голья взаимодействует с дубящими веществами, образуя прочные соединения, в результате чего физико-химические свойства дермы необратимо изменяются и она превращается в кожу. Дубящим действием обладают многие неорганические (минеральные) и органические соединения. Использование тех или иных дубителей и их комбинаций определяет название метода дубления. К неорганическим дубителям относят некоторые соединения хрома, алюминия, титана, циркония, кремния и молибдена, образующие в воде стабильные комплексы с анионами кислот и функциональными группами белка. В качестве органических дубителей применяют раститель^ ные дубящие вещества (танниды), синтетические дубители (синтаны), высоконепредельные жиры, альдегиды. Методы дубления, в которых применяют эти вещества, называют соответственно растительным (таннидным), синтанным, жировым и альдегидным. Значение всех дубителей в промышленности неравнозначно. Наиболее широко применяют основные соли трехвалентного хрома для выработки мягкой кожи, а также растительные танниды в смеси с синтанами для получения жестких иодош-венно-стелечных и юфтевых кож. Другие дубители применяют лишь для получения кож специального назначения. Последубилысые и отделочные процессы и операции проводятся с целью придания коже необходимых физико-механи* ческих свойств и соответствующего внешнего вида. После осуществления этих операций кожи для верха обуви приобретают мягкость, гибкость, эластичность, красивый внешний вид, их водостойкость повышается. У кож для низа обуви повышаются плотность, жесткость и водостойкость. Состав и последовательность последубильных и отделочных процессов и операций неодинаковы и зависят от вида вырабатываемой кожи и ее назначения. К основным последубильным и отделочным процессам кожевенного производства относятся промывка и нейтрализация, крашение, жирование и наполнение, сушка, покрывное краше219 ние (аппретирование). Перечисленные процессы чередуются с механическими операциями: строганием, разводкой, тяжкой, шлифованием, лощением, прессованием, прокаткой и др. Некоторые процессы и операции, например разводка, сушка, тяжка, шлифование, аппретирование выполняются по два и более раза, чередуясь с другими операциями. По завершению кожевенного производства готовая кожа подается на измерительную машину. Современные машины снабжены специальными фотоэлектрическими датчиками, действующими с помощью электрического сигнала. Эти сигналы обрабатываются в счетно-суммирующих устройствах, преобразуются в числовые выражения, характеризующие площадь кожи в дециметрах. Искусственные и синтетические обувные материалы. В настоящее время практически нет обуви, изготовленной только из натуральной кожи. Развитие химической науки и технологии позволило создать широкий ассортимент искусственных и синтетических обувных материалов, способных заменить натуральную кожу. Примерно у 90—95 % всей обуви подошвы и каблуки изготовляют из резип, полиуретанов и других полимерных материалов. Более 75 % обуви выпускают с применением жестких искусственных материалов для промежуточных и внутренних деталей и определенную часть — с верхом из мягких искусственных и синтетических кож. Применение для указанных целей полимерных материалов не просто заменяет натуральную кожу, а в ряде случаев приводит к повышению качества обуви. Так, подошвы из натуральной кожи обладают высокой намокаемостыо и недостаточной износостойкостью. Используемые вместо них подошвы из полимеров не имеют этих недостатков, кроме того, могут быть в несколько раз легче и дешевле. Внедрение искусственных материалов в производство обуви позволяет разработать новые, более совершенные методы изготовления изделий. Например, вместо традиционных методов крепления (гвоздевого, прошивного и др.) в настоящее время широко используются химические методы (клеевой, литьевой). Наряду с низкой себестоимостью искусственные кожи более технологичны, чем натуральные, так как имеют равномерную толщину и однородные свойства по всей площади, что позволяет раскраивать их многослойным настилом. Искусственные материалы для низа обуви стойки к истиранию, водостойки, а повышенная эластичность полимерных покрытий искусственных кож для верха обуви позволяет сваривать, тиснить, формовать детали с высоким качеством выполняемых работ. Кроме того, 220 существенными достоинствами искусственных материалов являются: возможность варьирования свойств в широких пре-делах; возможность выпуска искусственных материалов в виде узлов и деталей (каблуков, подошв и т.д.); возможность придания им специфических свойств, которыми не обладает натуральная кожа; высокая эффективность производства. Вместе с тем некоторые виды искусственных кож имеют пониженную стойкость к многократному изгибу (особенно при низких температурах). Практически все искусственные кожи отличаются более низкими, в сравнении с натуральными кожами, показателями гигиенических свойств (недостаточной воздухе-, паропроницаемостыо), недостаточной формуемостью и формоустойчивостью. По назначению различают искусственные и синтетические материалы для верха и низа обуви. К искусственным и синтетическим материалам для верха обуви относят искусственные и синтетические мягкие кожи для верха обуви и подкладки и искусственные материалы для жестких задников и подносков обуви. Искусственными мягкими кожами называют материалы,* которые получают путем пропитки волокнистых основ и нанесем ния лицевого покрытия из полимерных композиций. В наименовании искусственной мягкой кожи отражают вид покрытия, тип основы, назначение и отдельные особенности материала. Синтетическими мягкими кожами называют материалы, пропитку основ и нанесение покрытий на которые осуществляют в процессе синтеза пористой структуры полиуретанов. Искусственные и синтетические кожи для верха обуви должны по внешнему виду и свойствам имитировать натуральную кожу. Их изготавливают разнообразными по типу основы и виду пропиток и покрытий. Искусственные и синтетические подкладочные кожи должны обладать высокой паропроницаемостыо, гигроскопичностью, потостойкостью, а также высоким сопротивлением истиранию и малой жесткостью. Искусственные материалы для жестких задников и подносков обуви должны обладать жесткостью и упругостью, способностью принимать форму пяточной или носочной части колодки, устойчивостью к влаге и истиранию. К искусственным и синтетическим материалам для низа обуви относят резины, пластмассы, термоэластопласты, а также обувные картоны. Резина является достаточно распространенным материалом в обувном производстве. Она выпускается в широком ассорти221 менте, различная по структуре и составу, назначению, толщине, цвету и т.д. В зависимости от структуры различают резины непористые и пористые. По назначению резину делят на подошвенную, каблучную, набоечную и др. По цвету различают резину черную и цветную. Пластмассы широко применяют в обувном производстве. Они обладают комплексом эксплуатационных свойств, которые обеспечивают им конкурентоспособность среди других материалов и большую перспективу применения в обувной отрасли. Для изготовления деталей низа используют пластмассы на основе как полимеризационных смол (поливинилхлорид, полиэтилен, полипропилен и др.), так и поликонденсационных смол (полиуретаны, полиамиды и др.). Термооластопласты (ТЭП) составляет особую группу синтетических подошвенных материалов, в которых эластичность каучука сочетается с термопластичностыо полимера. ТЭП благодаря высокой эластичности, прочности, твердости, сопротивлению истиранию и раздиру, а также хорошей формуемости все более широко применяют в качестве материала для низа обуви. Достоинством ТЭП является также возможность их многократной переработки, т.е. организации безотходного производства, использования в качестве вторичного сырья деталей обуви, отслужившей свой срок. Обувной картон представляет собой листовой материал, состоящий из размельченных кожевенных, целлюлозных и других волокон и наполнителей, проклеенных латексами, дисперсиями или эмульсиями полимеров. В обувном производстве используют вырубленные из листов картона детали: стельки, простилки, задники и др. В зависимости от назначения картон изготовляют определенных видов и марок, для которых нормированы основные показатели: толщина картонов, их плотность, жесткость при изгибе, предел прочности при растяжении, на-мокаемость, формуемость, формоустойчивость и др. Резиновая и валяная обувь. Основными материалами для изготовления резиновой обуви являются резина черная и цветная, поливинилхлорид и полиуретан для деталей верха, обкла-дочные резинотекстильные смеси для промазки или обкладки тканей. Широко используют также текстильные материалы: для верха обуви — кирзу двухслойную, полубархат, сукно, габардин и др.; для подкладки — галошную байку, бумазею, саржу, нетканое полотно с начесом, ластичные чулки для подкладки сапог; для отделки — искусственный мех, декоративные ленты, шнуры. Кроме того, применяют лак для покрытия обуви, различную фурнитуру. 222 Для изготовления валяной обуви используют шерсть натуральную, заводскую (снятую со шкур животных на кожевенных заводах) и восстановленную (из обрезков текстильных материалов), а также обраты (отходы собственного производства), козий пух и химические волокна. 8.9.3. Осповы обувпого производства Производство кожаной обуви. Промышленное производство кожаной обуви состоит из двух этапов. На первом этапе, называемом проектированием, создается первичный образец^ или модель, обуви и разрабатывается вся необходимая техническая документация. Проектирование включает в себя моделирование и конструирование обуви, которыми занимаются художникимодельеры и конструкторы. На втором этапе происходит изготовление обуви партиями по первичному образцу. Рассмотрим сущность основных этапов производства кожаной обуви — проектирования (моделирования и конструирования) и изготовления. Моделирование обуви — процесс создания эскиза модели в виде рисунка или объемного макета. Модель обуви представляет собой конкретное изделие, которому присущи индивидуальные признаки конструкции, материалов и внешнего оформления. Разработка моделей производится по определенной схеме, позволяющей учесть все заданные условия для создания удобной и целесообразной обуви. Конструирование обуви — процесс создания образца из отдельных элементов (конструктивных узлов и деталей) путем построения чертежа модели и подготовки шаблонов. Конструкция обуви представляет собой строение изделия из отдельных деталей, связанных в единое гармоничное целое. Процесс конструирования технически довольно сложен, поскольку необходимо перейти от объемной формы колодки (и обуви) к плоской форме деталей (получить их развертку — чертеж), а также предусмотреть припуски деталей для их взаимного скрепления и изменения размеров деталей при формовании с учетом неравномерности их деформационных свойств. Технология изготовления обуви включает следующие операции (рис. 8.13): контроль качества обувных материалов и фурнитуры, комплектование их в партии; раскрой подкладки, материалов на детали верха и низа обуви; предварительную обработку деталей низа и верха обуви; сборку заготовок верха обуви; формование заготовок верха обуви; прикрепление подошвы обуви: отделку обуви; контроль качества и упаковку обуви. 223 Контроль качества обувных материалов и фурнитуры, комплектование их в партии осуществляют при поступлении обувных материалов в цех, проверяя их соответствие накладной по количеству, площади, сортности и подбирая в производственные партии, однородные по назначению, плотности, толщине, ширине, площади и цвету, степени дефектности. Раскрой обувных материалов — получение из обувного материала путем вырезания и вырубания деталей для изготовления обуви. Способ раскроя зависит от вида материала. Натуральные кожи для верха и низа обуви раскраивают на штамповочных прессах и вручную с помощью стальных резаков. Раскрой натуральных кож отличается особой сложностью, так как они характеризуются разной толщиной на отдельных топографических участках и наличием пороков. Это вынуждает применять индивидуальный (каждую кожу в отдельности), дифференцированный по площади раскрой. При раскрое стремятся как можно полнее и экономнее использовать всю площадь материала. С этой целью разработаны специальные схемы 224 раскроя кож, применение которых позволяет сократить отходы кож и получить высокий коэффициент их использования. Для мягких искусственных кож и текстильных материалов, отличающихся более однородными физико-механическими свойствами, одинаковой толщиной по всей площади, цветом, строгс определенной шириной и длиной, применяется многослойный раскрой электрическими машинами с ленточными ножами. Отдельные детали обуви из резины, пластмасс, картона поступают на обувные предприятия в готовом виде. Предварительную обработку деталей низа и верха обуви осуществляют с целью подготовки их к скреплению между собой, улучшения внешнего вида и механических свойств, ускорения процесса пошива обуви. Сборка заготовок верха обуви заключается в том, что отдельные наружные, внутренние и промежуточные детали верха соединяются в единое целое. Выбор крепителей и последовательность технологических операций сборки заготовок зависит от вида и конструкции верха обуви. Как правило, заготовки скрепляют ниточными швами на швейных машинах, возможна также сборка заготовок путем склеивания деталей или их сваривания токами высокой частоты (для деталей из искусственных и синтетических кож). Формование заготовок верха обуви заключается в придании плоским деталям заготовки пространственной формы, определяемой размерами и формой затяжной колодки. Верх обуви формуют одноосным или многоосным растяжением. В зависимости от прилагаемых растягивающих усилий способы формования делят на три группы: внешнего формования, внутреннего формования, комбинированные. К операциям, завершающим формование заготовки на колодках, относятся: горячее формование пяточной и носочной части заготовки, разглаживание и сушка обуви. В процессе сушки производится окончательное закрепление формы обуви. Режимы сушки устанавливают в зависимости от свойств материалов верха, низа, промежуточных деталей и вида обуви. Прикрепление подошвы обуви завершает создание конструкции изделия и осуществляется различными методами. Метод крепления подошвы является определяющим фактором в формировании потребительских свойств кожаной обуви. Подошва может крепиться непосредственно к затяжной кромке заготовки или к промежуточным деталям (несущему ранту, подложке) при помощи шпилек, винтов, гвоздей, клея, ниток. Все методы крепления подошв к верху обуви можно разделить на четыре группы: химические (клеевой, горячей вулка22S низации, литьевой); ниточные (сандальный, доппельный, рантовый, втачной, выворотный и др.); штифтовые (гвоздевой, шпилечный, винтовой); комбинированные (строчечно-клеевой, сандальноклеевой, рантово-клеевой и др.). Х и м и ч е с к и е методы крепления нашли наибольшее распространение в современном обувном производстве. Они широко применяются для изготовления обуви различных видов и назначения. Доля химических методов достигает 80 %. Этими методами можно крепить подошвы из кож, резины и других материалов. Преимуществами химических методов крепления являются простота выполнения, возможность механизации и автоматизации производства, высокая производительность, возможность выпуска обуви широкого ассортимента. Этим методом можно изготовлять легкую и гибкую обувь, в том числе рабочую и специальную. Полученный низ характеризуется высокой износоустойчивостью, хорошими теплозащитными свойствами, высокой масло-, бензо- и водостойкостью. Н и т о ч н ы е методы широко применяются при изготовлении обуви разного назначения на кожаной и резиновой подошве. Скрепление при этом осуществляется однониточным и двухниточным швом льняными или капроновыми нитками. Для предохранения от разрушающего действия воды и пота, повышения прочности и облегчения утяжки нитки пропитывают расплавленным варом, состоящим из канифоли и вискозина (минеральное масло). Прочность ниточного крепления подошвы зависит от плотности, толщины и вида скрепляемых материалов, влажности подошвы, прочности ниток, частоты строчки, степени утяжки стежков и др. Штифтовые методы предусматривают прикрепление подошвы к кромке заготовки и стельке при помощи деревянных шпилек, гвоздей и винтов. Деревянно-шпилечный метод практически утратил свое значение и в настоящее время в промышленном производстве не применяется. Винты и гвозди для штифтовых методов изготовляют из латуни, иногда гвозди могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов. Обычно эти методы применяют при изготовлении юфтевых и кирзовых сапог и полусапог. Наиболее часто используют гвоздевой метод крепления подошвы. Этот метод обеспечивает более точное крепление низа обуви за счет загибки кончиков гвоздей, однако прочность крепления подошвы может меняться в зависимости от частоты расположения гвоздей, качества загибки острия гвоздя, толщины и влажности стельки, материала стельки и подошвы и других факторов. Обувь гвоздевого метода крепления подошвы имеет повышенную массу, жесткость и водопромокаемость. 226 К о м б и н и р о в а н н ы е методы крепления представляют собой сочетание двух основных методов — обычно ниточного с клеевым. Первый слой подошвы прикрепляется к заготовке одним из перечисленных выше ниточных способов, а второй — приклеивается к первому. Такие методы применяются с целью повышения износостойкости подошвы и прочности ее крепления. При этом ниточный шов изолируется от влаги, непосредственного трения. Кроме того, повышаются теплозащитные свойства, снижается водопроницаемость. Однако комбинированные методы крепления низа обуви несколько утяжеляют ее, повышают жесткость конструкции низа на изгиб. При их использовании увеличивается расход материала, снижается производительность труда. Отделка обуви — совокупность механических и физикомеханических операций, выполняемых после прикрепления подошвы обуви. Цель отделки — устранить пороки, образовавшиеся в процессе производства, а также придать обуви привлекательный внешний ВИД, ПОВЫСИТЬ ВОДОСТОЙКОСТЬ кожаной подошвы. Низ и верх обуви отделывают по-разному. Процесс отделки низа обуви состоит из групп операций, задачи которых — придание деталям низа определенного контура, соответствующего форме затянутой на колодку обуви, подготовка поверхностей к нанесению отделочных составов, придание им блеска, уплотнение уреза подошвы и боковой поверхности каблука, придание им красивого внешнего вида и формы, повышение их водостойкости. В процессе отделки верха обуви восстанавливается красивый внешний вид, потерянный в результате увлажнения, растяжения, а также из-за трения, ударов и других воздействий и при удалении загрязнений. Отделка верха обуви предусматривает нанесение декоративных покрытий путем тонирования или печатных рисунков с помощью трафаретов. Готовая обувь передается в отдел технического контроля для проверки качества. Обувь сортируют, маркируют, упаковывают попарно в картонные коробки и группируют в партии. Производство резиновой обуви. Производство резиновой обуви осуществляется главным образом тремя основными методами, которые являются традиционными: методом склеивания' (клеевой), штампованием и формованием. Кроме того, используют литье под давлением, метод жидкого формования, формования из пластизоля. Клеевым методом вырабатывают сапоги, сапожки, галоши, ботинки. При применении этого метода последовательно собирают на пустотелых алюминиевых колодках сначала внутренние дета227 ли обуви, склеивая их, а затем промежуточные и наружные. Каждую деталь после накладки на колодку прикатывают роликом, затем все детали вместе для полного их сцепления обжимают на специальных машинах. Полученную обувь покрывают лаком, подвергают вулканизации, снимают с колодок, комплектуют по парам, сортируют, маркируют, упаковывают. Клееная обувь легкая, гибкая с рельефно выделяющимися контурами деталей. Стенки обуви сравнительно тонкие, по линии приклеивания подошвы видны следы обжимки. Метод штампования используют только для получения мужских и мальчиковых галош. Обувь изготовляют в специальных пресс-формах, сердечник которых служит колодкой. На него накладывают каркас из внутренних деталей, промазанных клеем. Между матрицей прессформы и колодкой-сердечником имеется зазор, который при помощи пуансона заполняют необходимым количеством разогретой резиновой смеси, создавая тем самым резиновое покрытие для галош. После снятия с сердечника полученное изделие очищают от заусенец, покрывают лаком и вулканизируют. Штампованная обувь более толстостенная и жесткая, чем клееная, более тяжелая, имеет следы пресс-формы. Метод формования применяют для изготовления бытовых и производственных сапог, а также обуви с текстильным верхом, преимущественно спортивной. Формование происходит в вулканизационных прессах, где на сердечник-колодку надевают заготовку (чулок), собранную из обработанных резиновой смесью внутренних и промежуточных деталей. Затем накладывают предварительно разогретые наружные детали обуви, после чего заготовку подвергают формованию с одновременной вулканизацией, что исключает промежуточное между этими операциями лакирование обуви. Поэтому обувь получается матовой, она также имеет следы пресс-формы, но более тонкостенная и эластичная, чем штампованная. Методом литья под давлением изготовляют сапожки и сапоги из поливинилхлорида, а также спортивную резинотек-стильную обувь. При изготовлении резинотекстильной обуви на литьевых автоматах формуют из резины только ее нижнюю часть (подошву, каблук, бортик), а изделия из поливинилхлорида формуют полностью. Отличительным признаком этой обуви является наличие следов зачистки литников. Метод жидкого формования основан на взаимодействии некоторых составных частей применяемого для этих целей по228 лиуретана, что происходит непосредственно в форме, где находится колодка. Таким методом изготовляют сапоги и сапожки с повышенной теплозащитпостью. При формовании обуви из поливинилхлоридного пласти-золя его заливают в формы, которые помещают в нагревательные печи, где происходит отложение геля из пластизоля на внутренних стенках форм. Этим методом изготовляют сапоги и сапожки, но можно вырабатывать и другие виды обуви. Производство валяной обуви. В отличие от кожаной и резиновой валяную обувь получают в процессе валки из смеси шерстяных и других волокон сразу в виде целого изделия без отдельных деталей и соединительных швов. Ее назначение ограниченное: защита от низких температур в обычных условиях и от высоких температур в горячих цехах. Это обуславливает небольшие объемы ее производства. Изготовляют такую обувь валянием, что достигается благодаря способности шерстяного волокна свойлачиваться. Процесс валяльного производства включает подготовку сырья, составление смески, чесание, изготовление основы, валку (уплотнение), крашение, насадку полученной заготовки обуви на колодку, ее сушку и отделку. В случае необходимости прикрепляют резиновую подошву клеевым методом или методом горячей вулканизации. Далее обувь подбирают в пары и обрезают голенища. Подготовка сырья включает его расщепление, разрыхление и очистку. Для натуральной шерсти выполняют также обезрепиевание. Составление смески — одна из основных операций валяльного производства. Смешивание отдельных компонентов осуществляется на смесовых пневматических установках. Перед смешиванием сырье замасливают. Чесание выполняется на чесальных машинах. Ватка, полученная после чесания, представляет собой чистый, равномерный по структуре холст. Изготовление основы производится на двух усеченных конусах, совмещенных между собой под углом 90°. На эту установку, предварительно зачехленную тканью, в несколько приемов навивают ватку, до получения конуса, размер которого в 2—3 раза превышает размеры готового изделия. Далее конусы уплотняют и огибают вокруг фигурных патронов, на одном из которых формуют голенище, на другом — головку. С целью полного соединения голенища с головкой выполняют заростку основы. Валка производится на катальных и молотовых машинах. 229 Крашение осуществляется погружением полуфабриката в ванну с красильным раствором. Перед насадкой на колодки проверяют размеры полуфабриката: длину по задней наружной части, ширину верха и низа голенища, длину головки, ширину косого подъема, а также размер колодок (последний проверяется один раз в квартал). Размер обуви определяют по длине внутреннего следа, которая должна соответствовать длине колодки. Сушку валяной обуви осуществляют в вагонетках, помещенных в сушильную камору. Степень сушки определяют орга-нолептическим методом. Отделку обуви выполняют для улучшения ее внешнего вида. Валяную обувь выпускают без ворса, с ворсом и с начесным ворсом. Прикрепление подошвы выполняют клеевым методом, методом котловой или прессовой вулканизации. Подбор обуви в пары осуществляют с учетом ее формы, размера, плотности, толщины стенок, отделки, цвета и сорта. Контрольные вопросы 1. Каковы основные причины снижения производства товаров легкой промышленности в республике? 2. Назовите основные направления развития легкой промышленности в Республике Беларусь. 3. По каким признакам классифицируют волокна? 4. Почему шерстяные волокна целесообразно использовать для зимнего ассортимента тканей, а льняные, хлопковые и натуральный шелк — для летнего? 5. В чем сущность процесса получения химических волокон? 6. Чем отличается получение искусственных и синтетических волокон? 7. Какие волокна относят к искусственным? Укажите их положительные и отрицательные свойства. 8. Какие волокна относят к синтетическим? Укажите их положительные и отрицательные свойства. 9. Что называют текстильными нитями? 10. Что называют пряжей? 11. По каким признакам классифицируют текстильные нити и, пряжу? 12. Что называется тканью? 13. Какие нити называют основными и какие — уточными? 14. Для чего нити подвергают шлихтованию? 15. Что называют переплетением? Как подразделяют переплетения? 16. Перечислите основные виды переплетений, охарактеризуйте их. 230 17. Что называют отделкой тканей? Перечислите основные процессы отделки тканей. 18. Что называется печатанием тканей? Какие виды печати вы знаете? 19. Перечислите и охарактеризуйте виды специальной отделки тканей. 20. Каковы основные этапы производства бельевых трикотажных изделий? 21. Каковы основные этапы производства верхних трикотажных изделий? 22. Каковы основные этапы производства чулочно-носочных изделий? 23. В чем заключается сущность важнейших способов произ водства НТМ (иглопробивного, вязально-прошивного, клеевого, валяльно-войлочного, электрофлокировального)? 24. Назовите основные материалы для изготовления одежды. 25. Перечислите и охарактеризуйте технологические эгапы изготовления одежды. 26. В чем сущность процесса моделирования одежды? 27. Из каких операций состоит скорняжное производство? Дайте им характеристику. 28. Из каких операций состоит пошивочное производство меховых изделий? 29. Какие операции входят в технологический процесс выделки пушно-меховых шкурок? Охарактеризуйте их. 30. Назовите основные операции технологического процесса производства кожаной обуви. 31. Перечислите основные методы крепления низа обуви. Как способ крепления подошвы влияет на потребительские свойства готовой обуви? 32. Назовите методы получения резиновой обуви. 33. Назовите методы получения валяной обуви. Глава 9. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИЧЕСКОЙ И НЕФТЕХИМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 9.1. Общие сведения о химической и нефтехимической промышленности Химическая и нефтехимическая промышленность относится к перерабатывающей и структурно входит в химико-лесной хозяйственный (межотраслевой) комплекс Республики Беларусь (см. главу 6). 231 Химическая и нефтехимическая промышленность Республики Беларусь представлена в первую очередь предприятиями по производству минеральных кислот и удобрений (азотных, фосфорных, калийных), химических волокон, резинотехнических изделий и шин, полимерных материалов и изделий, лакокрасочных материалов, синтетических моющих средств. С точки зрения технологических принципов переработки сырья в готовую продукцию в данном подкомплексе основными являются химико-технологические процессы (см. параграф 4.3), лежащие в основе химической технологии — науки о наиболее экономичных методах и средствах массовой химической переработки природного и сельскохозяйственного сырья в продукты потребления и продукты, применяемые в других отраслях материального производства. Химическую технологию традиционно подразделяют на неорганическую (переработка неорганического минерального сырья (кроме руд), получение продукции неорганического синтеза (минеральных кислот и удобрений, щелочей, соды, химических реактивов и т.д.) и органическую (переработка нефти и других горючих полезных ископаемых, получение полимеров, красителей, продукции бытовой химии и других изделий органического синтеза). Химическая и нефтехимическая промышленность имеет ряд технологических особенностей: • широкий спектр источников сырья для производства одного и того нее вида продукции; • применение химических методов переработки сырья, обусловливающее принципиальную возможность его комплексной переработки, а также использования отходов других производств для получения разнообразной продукции; • низкая доля живого труда и высокая степень автоматизации производства: химические методы переработки сырья являются в большинстве своем непрерывными (см. параграф 2.2), что позволяет их максимально автоматизировать; • разнообразие и узкая специализация применяемых машин, аппаратов и другого оборудования; • высокое энергопотребление, превосходящее в два раза энергопотребление промышленности в целом; • высокая степень концентрации производства продукции, его многостадийность (в большинстве случаев), сложность, а значит, и капиталоемкость процессов производства; • применение и производство ядовитых, взрывчатых и других потенциально опасных для человека и окружающей среды веществ, протекание многих процессов при повышенных тем232 пературах и давлениях. Это предопределяет дополнительные затраты на создание нормальных производственных условий и мероприятия по обеспечению охраны окружающей среды. Главными направлениями научно-технологического прогресса в химической и нефтехимической промышленности являются: • совершенствование машин и аппаратов химических и нефтехимических производств; • совершенствование химических методов переработки сырья; • рациональное использование химического сырья; • широкое внедрение автоматизированных систем управления во всех звеньях технологической и управленческой систем производства. Из-за невозможности рассмотреть все многообразие производственных технологий химической и нефтехимической промышленности остановимся подробнее лишь на тех производствах, которые вносят существенный вклад в функционирование и развитие национальной экономики. 9.2. Основы технологии минеральных удобрений Удобрениями называются вещества, содержащие элементы, необходимые для питания растений и вносимые в почву с целью получения высоких устойчивых урожаев. Удобрения классифицируют по ряду признаков. По происхождению удобрения подразделяются на минеральные, органические, органоминеральные и бактериальные. К минеральным, или искусственным, удобрениям относятся специально производимые на химических предприятиях преимущественно неорганические вещества, в основном минеральные соли. Органические удобрения содержат питательные вещества главным образом в виде органических соединений, обычно — продуктов естественного происхождения (навоз, фекалии, солома, торф и др.). Органоминеральные удобрения представляют собой смеси различных органических и минеральных удобрений. Бактериальные удобрения содержат некоторые культуры микроорганизмов, способствующие накоплению в гумусовом слое (почве) усвояемых форм питательных элементов. По составу, т.е. по видам питательных элементов, минеральные удобрения подразделяются на азотные, фосфорные (фосфатные), калийные (калиевые) и микроудобрения (магниеч вые, борные и др.). 233 По содержанию главных питательных элементов удобрения бывают простые (один главный питательный элемент) и комплексные (два или три элемента). Но числу главных питательных элементов комплексные удобрения называются двойными (NP, PK, NK) и тройными (NPK). При содержании питательных веществ более 33 % удобрения называются концентрированными, более 60 % — высококонцентрированными. По назначению и срокам внесения удобрения подразделяются на основные (предпосевные), вносимые до посева; припо-севные, вносимые во время посева; подкормки, вносимые в период развития растений (в вегетационный период). По степени растворимости удобрения бывают водорастворимые и водонерастворимые. Состав минеральных удобрений характеризуется содержанием в них активных веществ: в азотных — азота (N), в фосфорных — оксида фосфора (Р2О5), в калийных — оксида калия (К20). 9.2.1. Основы технологии азотных удобрений Промышленностью выпускаются следующие виды азотных удобрений: аммиачные, содержащие азот в виде катиона NH4+, нитратные, содержащие азот в виде аниона NO3-, аммиач-нонитратные, содержащие оба иона, и амидные, азот в которых находится в форме NH2. По агрегатному состоянию азотные удобрения бывают твердые (например, карбамид) и жидкие (аммиак, аммиачная вода и аммиакаты, представляющие собой растворы твердых удобрений). Наиболее распространенными из азотных удобрений являются аммиачная селитра (нитрат аммония) NH4NO3 и карбамид (мочевина) (NH2)2CO. Эти удобрения, как и все аммиачные и нитратные соли, водорастворимы и хороню усваиваются растениями, однако легко уносятся вглубь почвы при обильных дождях или орошении. Аммиачная селитра (нитрат аммония) NH4NO3 является безбалластным удобрением, содержащим до 35 % азота в аммиачной и нитратной формах. Это удобрение можно использовать для любых сельскохозяйственных культур и почв. Однако нитрат аммония имеет и некоторые недостатки: его гранулы сильно гигроскопичны и поэтому расплываются на воздухе, слеживаются при хранении в крупные агломераты, трудно вносимые в почву. Кроме того, NH4NO3 огне- и взрывоопасен, что также осложняет его применение в качестве удобрения. 234 Технологический процесс производства аммиачной селитры (рис. 9.1) включает следующие стадии: • нейтрализацию разбавленной азотной кислоты (HNO3) аммиаком (NH3); • упаривание раствора нитрата аммония; • кристаллизацию нитрата аммония; • гранулирование и охлаждение плава; • рассев гранул на товарные фракции. Нейтрализация осуществляется в специальном реакторе — нейтрализаторе, откуда разогретый раствор NH4NO3 (реакция нейтрализации идет с выделением тепла) поступает в вакуумвыпарной аппарат, где на выходе получается плав с содержанием NH4NO3 98—99 %. Плав поступает в верхнюю часть грануляционной башни, где разбрызгивается через специальное приспособление — форсунку. Капли селитры, падая вниз, застывают в потоке подающегося снизу холодного воздуха и образуют гранулы, которые поступают на дополнительное охлаждение и затем рассеиваются на фракции. Частицы менее 1 и более 3 мм присоединяются к раствору, идущему на выпаривание. Готовый продукт (частицы размером 1—3 мм) упаковывается в водонепроницаемые мешки. В структуре себестоимости аммиачной селитры удельный вес различных элементов затрат следующий: сырье и основные материалы — 85 %, вспомогательные материалы — 5, энергия — 5, зарплата — 0,3, прочие расходы — 4,7 %. Карбамид (NH2)2CO относится к ценным азотным удобрениям, содержащим до 46 % азота. Его применяют также как азотную добавку в корм скоту. Высокая концентрация азота, ценные физикохимические свойства, малая слеживаемость, низкие расходы на хранение и транспортирование сделали карбамид основным азотным удобрением. 235 Сырьем для производства карбамида являются аммиак NH3 и диоксид углерода СО2. Технологический процесс производства карбамида (рис. 9.2) включает следующие стадии: • синтез карбамида; • упаривание раствора карбамида до плава; • кристаллизация или гранулирование плава; • фильтрация кристаллов (в случае кристаллизации); • рассев гранул на товарные фракции. В промышленности синтез карбамида осуществляется в две стадии при 100 % -ном избытке аммиака, давлении 18—20 МПа и температуре 180—200 °С. Выход карбамида в оптимальных условиях составляет 60—70 % при использовании чистых СО2 и NH3. В целях улучшения экономических показателей производства не вступившие во взаимодействие аммиак и СО2 ис_ пользуются повторно или для получения других продуктов. Диоксид углерода, предварительно очищенный от соединений серы и механических примесей, сжимается компрессором до 18—20 МПа и при температуре 40 ° С непрерывно подается в колонну синтеза. Плунжерным насосом в колонну непрерывно вводится также жидкий аммиак, нагретый до 90 °С. Полученный раствор карбамида упаривается в выпарном аппарате. Затем карбамид либо кристаллизуют в кристаллизаторах и отделяют кристаллы от маточного раствора на соответствующем фильтровальном оборудовании, либо гранулируют в грануляционной башне. Рассев гранул карбамида на товарные фракции осуществляется так же, как и аммиачной селитры. Для получения 1 т карбамида в среднем расходуется: аммиака — 0,58 т; диоксида углерода — 0,77 т; воды — 90 м3; электроэнергии — 130 кВт- ч; пара — 1,3 т. 236 В структуре себестоимости карбамида удельный вес различных элементов затрат следующий: сырье и основные материалы — 65 % , вспомогательные материалы — 15, энергия — 15,6, зарплата — 0,4, прочие расходы — 4 %. 9.2.2. Основы технологии фосфорных удобрений К фосфорным удобрениям относятся природные фосфаты и продукты их переработки. В отличие от других видов минеральных удобрений, фосфорные обладают разной растворимостью, по которой подразделяются на водорастворимые (группа I); растворимые в органических кислотах или усвояемые (группа II); нерастворимые или растворимые только в сильных минеральных кислотах (группа III). По содержанию питательного элемента фосфорные удобрения бывают концентрированные (более 30 % Р2О5) и неконцентрированные (менее 30 % Р2О5). Методы переработки фосфатного сырья существенно зависят от состава руды и могут быть механическими и химическими. Механической обработкой (измельчением) получают простейшее фосфорное удобрение — фосфоритную муку. Задачей химической переработки природных фосфатов в фосфорные удобрения является превращение исходного фосфорсодержащего сырья в такие соединения фосфора, которые легко усваиваются растениями и являются высококонцентрированными, т.е. в их состав входит максимально возможное количество Р2О5 в усвояемой форме при минимальном содержании балласта и вредных примесей. Важнейшими фосфорными удобрениями являются простой и двойной суперфосфаты, которые выпускаются в виде порошка или гранул. Простой суперфосфат получают камерным методом при разложении природных фосфатов (апатитового концентрата или фосфоритной муки) серной кислотой. Основными стадиями производства простого суперфосфата являются (рис. 9.3): • смешение апатитового концентрата или фосфоритной муки с серной кислотой; • разложение сырья при химическом взаимодействии исходных компонентов с образованием суперфосфата и фосфогипса; • отверждение получаемой суспензии в суперфосфатной камере; • дозревание суперфосфата на складе дообработки; • дробление простого суперфосфата; • грохочение (отделение крупных и мелких фракций); • гранулирование простого суперфосфата. 237 Существенными недостатками технологии производства простого суперфосфата являются образование побочных продуктов — фосфогипса (CaSO4) и выделение на всех стадиях производства очень токсичного газообразного фтористого водорода (HF). При этом содержание Р2О5 в простом суперфосфате не превышает 20 %. Двойной суперфосфат является более концентрированным удобрением, чем простой. Его получают путем разложения природных фосфатов фосфорной кислотой. Производство двойного суперфосфата осуществляется двумя методами: камерным (по схеме получения простого суперфосфата) и поточным (бескамерным). К недостаткам камерного способа относятся длительное складское дозревание продукта, сопровождающееся неорганизованными выделениями вредных фтористых соединений в атмосферу, и необходимость применения концентрированной фосфорной кислоты, содержащей 50—55 % Р2О5. Основными стадиями производства двойного суперфосфата поточным методом являются (рис. 9.4): • смешение апатитового концентрата или фосфоритной муки с 32 %-ной фосфорной кислотой; • разложение фосфатного сырья (процесс протекает 0,5—1 ч при температуре 95 °С) в реакторе-смесителе с образованием пульпы готового продукта; • сушка в распылительной сушилке и получение порошкообразного удобрения; • гранулирование части порошкообразного суперфосфата в грануляторе-смесителе; • сушка гранул в барабанной сушилке; • рассев гранул на грохоте и получение товарной фракции двойного суперфосфата (размеры частиц — 1—4 мм). 238 После рассева гранул суперфосфата на грохоте крупная фракция (размер частиц — 4 мм и более) измельчается на молотковой дробилке и снова поступает на грохот, а мелкая, называемая ретуром (размер частиц — 1 мм и менее), возвращается в гранулятор-смеситель. В себестоимости производства суперфосфата наибольшая доля затрат (93—96 %) приходится на стоимость сырья, при этом себестоимость гранулированного двойного суперфосфата выше, чем порошкообразного. Однако гранулирование способствует значительному улучшению качества и агрохимических свойств удобрений. Себестоимость двойного суперфосфата на 10—13 % выше, чем простого, но это увеличение компенсируется экономией труда при его транспортировке и внесении в почву. 9.2.3. Основы технологии калийных удобрений Калийные минеральные удобрения представляют собой природные или синтетические соли и содержат питательный элемент в форме иона калия К+. Калийные удобрения подразделяются на хлорсодержащие (основной компонент — хлорид калия КС1) и бесхлорные (например, K2SO4). Все калийные удобрения растворимы в воде. Их выпускают в порошкообразном и гранулированном виде. Содержание питательного элемента (в пересчете на К2O) колеблется от 10 % в природных минералах до 60 % в концентрированном удобрении — хлориде калия. В общем ассортименте калийных удобрений около 94 % приходится на хлорид калия, содержащий 92—95 % КС1 (53,1—60,6 % К20). 239 В качестве сырья для получения калийных удобрений в нашей стране используется сильвинит (КС1 • NaCl) — минерал, представляющий собой механическую смесь сильвина КС1 и галита NaCl. Получают хлористый калий из сильвинита двумя основными способами: • химическим, основанным на различной растворимости КС1 и NaCl при разных температурах (галургический метод); • физическим, основанным на различной смачиваемости КС1 и NaCl (метод флотации). Галургический хлорид калия имеет кристаллы белого цвета с сероватым оттенком. Флотационный хлорид калия имеет более крупные кристаллы (= 0,75 мм), которые окрашены в розоватый цвет. Галургический метод выделения хлорида калия из сильвинита основан на различии температурных коэффициентов растворимости хлоридов калия и натрия при их совместном присутствии, т.е. в системе «КС1—NaCl—Н20». В растворах, насыщенных обеими солями, при повышении температуры с 20—25 ° С до 90—100 °С содержание хлорида калия возрастает примерно в два раза, а хлорида натрия — несколько уменьшается. При охлаждении этого горячего раствора он становится перенасыщенным хлоридом калия, который будет кристаллизоваться, а хлорид натрия останется в растворе. При последующем нагревании раствора он останется насыщенным хлоридом натрия и становится ненасыщенным хлоридом калия. Поэтому при обработке таким раствором нового количества сильвинита из него будет извлекаться только хлорид калия, переходящий в раствор, а хлорид натрия растворяться не будет. Упрощенная схема получения КС1 из сильвинита галургическим методом включает следующие основные стадии (см. рис. 9.5): • дробление и усреднение руды по гранулометрическому составу; • растворение (выщелачивание) хлорида калия из сильвинита горячим оборотным раствором (щелоком); • отделение горячего щелока от твердой фазы (хлорида натрия и пустой породы) отстаиванием и его осветление; • охлаждение раствора и кристаллизация из него хлорида калия; • фильтрование суспензии и отделение концентрата хлорида калия; • сушку концентрата хлорида калия; • нагревание оборотного раствора и возвращение его на стадию выщелачивания сильвинита. 240 Выщелачивание хлорида калия из Сильвинита производится в шнековом растворителе оборотным раствором (щелоком), нагретым до 105—115 °С, с добавлением острого пара, при этом КС1 переходит в раствор, а нерастворяющийся NaCl удаляется в виде галитовых отходов. Добавление коагулянтов в раствор КС1 при отстаивании способствует более полному удалению глинистого шлама и осветлению раствора. Далее хлорид калия кристаллизуется в вакуум-кристаллизаторе, в котором вакуум создается с помощью пароструйных эжекторов, отсасывающих паровоздушную смесь. При фильтровании от кристаллов КС1 отделяется оборотный раствор, который после подогрева возвращается на стадию выщелачивания сильвинита. Галургический метод позволяет комплексно перерабатывать полиметаллические руды, извлекая из них все полезные компоненты, в том числе хлориды магния и пищевой хлорид натрия. В флотационном методе получения хлорида калия используется различная способность к смачиваемости водой частичек NaCl и КС1. Предварительно измельченную руду смешивают с водой (водным раствором), далее пропускают через полученную пульпу воздух, который распределяется в ней в виде мелких пузырьков. Гидрофобные минералы, которые не способны смачиваться водой (к ним относится КС1), прилипают к пузырькам воздуха и выносятся на поверхность пульпы в виде пены, которую затем удаляют и фильтруют для выделения твердых частиц. Гидрофильные минералы, которые хорошо смачиваются водой (к ним относится NaCl), оседают на дне флотационной машины и выводятся через сливное отверстие. Для лучшего разделения гидрофобных и гидрофильных частиц исходного сырья используют так называемые флотационные реагенты. Основное назначение этих реагентов — направленно изменять смачиваемость поверхности того или иного ми241 нерала и таким образом регулировать процесс флотации. В зависимости от назначения флотореагенты подразделяются на пенообразователи, собиратели, депрессоры, активаторы. К пенообразователям относятся вещества, способствующие образованию устойчивых пузырьков воздуха и обильной пены. Собиратели (или коллекторы) — вещества, способные селективно адсорбироваться на поверхности минералов и придавать ей смачиваемость. Депрессоры (подавители) — вещества, снижающие адсорбцию собирателей на поверхности минералов. Активаторы — вещества, улучшающие адсорбцию собирателей на поверхности частичек минералов. При флотации руд, содержащих свыше 2,5 % примесей, применяют технологические схемы обогащения с депрессией глинистых шламов или с предварительным механическим обесшламливанием. Такая упрощенная схема флотации калийных руд представлена на рис. 9.6. Добытая шахтным способом сильвинитовая руда первоначально подвергается мокрому помолу в стержневых мельни242 цах. Полученную пульпу классифицируют на дуговом сите с отделением кристаллов размером не более 0,75 мм. Оставшаяся после классификации фракция с частицами размером более 0,75 мм (на рис. 9.6 обозначена как +0,75) возвращается на измельчение новых порций сильвинита, а фракция с частицами размером менее 0,75 мм (-0,75) смешивается около 3 мин с 2 % -ным водным раствором карбоксиметилцеллюлозы (депрессором) и направляется на основную флотацию с предварительным добавлением в нее собирателя (1 % -ного раствора гидрохлорида амина) и вспенивателя (соснового масла). Полученный в результате флотации концентрат, содержащий в основном хлористый калий, подвергается двум перечисткам. Затем пенный продукт (после перечисток) сгущается и фильтруется на вакуум-фильтрах, а отфильтрованные кристаллы КС1 высушиваются до 1 % -ного остаточного содержания влаги. Готовый продукт отправляется на склад храпения и отгрузки. Галитовые хвосты основной флотации представляют собой смесь галита (NaCl) с глинистым шламом, песком и т.д. Они подвергаются классификации на дуговых ситах или гидроциклонах для отделения частиц размером более 0,25 мм. Эту фракцию отфильтровывают на вакуум-фильтрах, а фракцию с частицами размером менее 0,25 мм направляют на сгущение. Из сгустителя одна часть шлама вместе с крупной фракцией (размер частиц — более 0,25 мм) поступает на вакуум-фильтр, а вторая — идет в отвал. Галитовые хвосты, полученные по этой схеме, загрязнены глинистым шламом, что затрудняет их обработку и увеличивает потери целевого продукта (КС1); образующийся концентрат содержит около 93 % КС1 и 0,8 % нерастворимого остатка при степени извлечения сильвина из руды 85—90 %. 9.3. Основы технологии переработки топлива Топливом называется одно- или многокомпонентное вещество, представляющее собой источник энергии. Поэтому топливо называют также энергоносителем. Современное промышленное производство базируется в основном на химическом органическом топливе. В зависимости от назначения химическое топливо делится на: • энергетическое, используемое для выработки тепловой и электрической энергии на ТЭЦ, в котельных установках и т.д.; • технологическое, применяемое непосредственно для проведения различных технологических процессов в промышленных печах (коксование, выплавка металлов, обжиг, сушка, ректификация и др.). 243 Эффективность использования химического топлива в качестве источника энергии зависит от условий сжигания и состава топлива. Природное химическое топливо состоит из горючей массы, минеральных веществ и воды (так называемое рабочее топливо). После удаления влаги получают обезвоженное (сухое) топливо. Горючая часть топлива включает вещества, содержащие углерод и водород (органическая масса) и окисляемые соединения серы (органические и неорганические сульфиды). Минеральные вещества топлива — это различные соли металлов (карбонаты, силикаты, сульфаты и др.), образующие при сжигании топлива золу. Из всех известных видов топлива наибольшее значение имеет органическое топливо, сжиганием которого получают тепловую энергию, а переработкой — сырье для химической промышленности. В настоящее время наиболее широко применяются продукты переработки нефти (нефтепродукты). Их производство осуществляется и в нашей стране, поэтому подробно рассмотрим технологии переработки нефти. Нефть является жидким горючим ископаемым. Она залегает обычно на глубине 1,2—2 км и более в пористых или трещиноватых горных породах (песках, песчаниках, известняках). Нефть представляет собой маслянистую жидкость от светло-коричневого до темно-бурого цвета со специфическим запахом, плотностью 0,65—1,05 г/см3. По составу нефть представляет собой сложную смесь углеводородов, главным образом парафиновых и нафтеновых, в меньшей степени — ароматических. Ее элементный состав (массовая доля, %): углерод (С) — 82—87, водород (Н) — 11—14, сера (S) — 0,1—5,5. В зависимости от получаемых из нефти продуктов существует три варианта ее переработки: • топливный, применяемый для получения моторного и котельного топлива; • топливно-масляный, которым вырабатывают топливо и смазочные масла; • нефтехимический (комплексный), продуктами которого являются не только топливо и масла, но и сырье для химической промышленности (олефины, ароматические и предельные углеводороды и др.). Жидкое топливо, полученное из нефти, в зависимости от его использования делят на: • карбюраторное (авиационные и автомобильные бензи ны) — для двигателей внутреннего сгорания; 244 • реактивное (керосин) — для реактивных и газотурбинных двигателей; • дизельное (газойль, соляровый дистиллят) —- для дизельных двигателей; • котельное (мазут) — для топок паровых котлов, гене-ра торных установок, металлургических печей. В общем случае переработка нефти на нефтепродукты включает ее добычу, подготовку и процессы первичной и вторичной переработки (рис. 9.7). Добыча нефти осуществляется посредством бурения скважин. Подготовка извлеченной из недр нефти заключается в удалении из нее примесей (попутного газа, пластовой воды с минеральными солями, механических включений) и стабилизации по составу. Эти операции проводят как непосредственно на нефтяных промыслах, так и на.нефтеперерабатывающих заводах. Первичная переработка нефти, осуществляемая физическими методами (главным образом прямой перегонкой), состоит в разделении ее на отдельные фракции (дистилляты), каждая из которых является смесью углеводородов. Вторичная нефтепереработка представляет собой разнообразные процессы переработки нефтепродуктов, полученных в результате первичной переработки. Эти процессы сопровождаются деструктивными превращениями содержащихся в нефтепродуктах углеводородов и являются по своей сути химическими процессами. 9.3.1. Основы технологии прямой перегонки нефти Процесс прямой перегонки основан на явлениях испарения и конденсации смеси веществ с различными температурами кипения (см. подпараграф 4.2.4). Кипение смеси начинается при температуре, равной средней температуре кипения составных частей. При этом в парообразную фазу переходят преимущественно легкие низкокипящие 245 компоненты (имеющие меньшую плотность и кипящие при более низких температурах), а в жидкой фазе остаются высококи-пящие (имеющие большую плотность и кипящие при более высоких температурах). Если образовавшуюся парообразную фазу отвести и охладить, из нее конденсируется жидкая. В нее по рейдут главным образом высококипящие (тяжелые) компоненты, а в парообразной фазе останутся легкие. Таким образом, из исходной смеси получают три фракции. Одна из них, оставшаяся жидкой при кипении, содержит про имущественно высококипящие компоненты; вторая, сконден сировавшаяся, имеет состав, близкий к составу исходной смеси; третья, парообразная, содержит в основном низкокипящис компоненты. За счет однократных (перегонка) либо многократных (ректификация) процессов кипения и конденсации полученных фракций можно добиться достаточно полного разделения низко- и высококипящих компонентов. Технологический процесс прямой перегонки нефти (рис. 9.8) состоит из четырех основных операций: нагрева смеси, испарения, конденсации и охлаждения полученных фракций. В зависимости от глубины переработки нефти установки перегонки подразделяются на два вида: • одноступенчатые, работающие при атмосферном давле нии (AT); • двухступенчатые (атмосферно-вакуумные) (АВТ), в которых первая ступень, как правило, работает при атмосферном давлении, а другая — при давлении ниже атмосферного (5—8 кПа). 246 При двухступенчатой перегонке нефть предварительно обессоливают и обезвоживают, затем нагревают в трубчатой печи первой ступени до температуры 300—350 ° С (на 25—30 °С выше температуры кипения). Разделение нефти на фракции производят в ректификационной колонне, которая представляет собой цилиндрический аппарат высотой 25—55 м и диаметром 5—7 м. Предварительно нагретую нефть подают в нижнюю часть колонны. Здесь нефть закипает и разделяется на две фазы: парообразную и жидкую. Жидкие продукты стекают вниз, а пары поднимаются вверх по колонне. В верхнюю часть колонны подается орошающая жидкость (флегма). Поднимающиеся снизу пары многократно контактируют по высоте колонны со стекающей жидкой фазой. Встречаясь с поднимающимися горячими парами, орошающая колонну жидкость нагревается и частично испаряется. Пары, отдавая ей теплоту, конденсируются, и конденсат стекает в нижнюю часть колонны. По мере подъема паров их температура уменьшается, при этом стекающая вниз флегма все более обогащается тяжелыми фракциями, поднимающиеся пары — легкими. Внизу колонны собирается жидкость, содержащая наиболее тяжелые фракции (мазут). Мазут сливается из нижней части колонны и охлаждается в теплообменниках, нагревая при этом подаваемую в колонну нефть. Для поддержания процесса кипения в ректификационную колонну подается перегретый пар, который уносит с собой остатки легких фракций, не испарившихся ранее. Самая легкая бензиновая фракция при температуре 180—200 ° С отводится из колонны в виде паров в конденсатор и отделяется от воды в сепараторе. Часть бензиновой фракции возвращается в колонну для орошения. С промежуточных зон колонны отводятся так называемые средние фракции: керосиновая, кипящая при температуре 200—300 °С, и газойлевая (температура кипения 300—350 °С). Иногда отводят также другие фракции, например лигроин (160—200 °С), керосиногазойлевую фракцию (270-320 °С). Полученный после первоначальной перегонки мазут (его выход — около 55 % исходной нефти) из первой ректификационной колонны перекачивается в трубчатую печь второй ступени, где нагревается до 400—420 °С. Из печи мазут поступает во вторую ректификационную колонну, работающую при давлении ниже атмосферного (остаточное давление — 5—8 кПа). Из нижней части этой колонны выводится гудрон, а по высоте отбираются масляные дистилляты. Производительность двухступенчатых установок составляет 8— 9 тыс. т нефти в сутки. Выход бензина при прямой перегонке зависит от фракционного состава нефти и колеблется от 3 до 15 %. 24Т 9.3.2. Основы технологии крекинга нефтепродуктов Сравнительно малый выход бензина (до 15 %) при прямой перегонке вызывает необходимость переработки других, менее ценных фракций, получаемых при прямой перегонке нефти и содержащих тяжелые молекулы углеводородов. Такая переработка называется крекингом. Крекинг (англ. to creak — раскалывать, расщеплять) — расщепление длинных молекул тяжелых углеводородов, входящих в состав, например мазута, на более короткие молекулы легких низкокипящих продуктов. Главными факторами, влияющими на протекание процесса крекинга, являются температура и продолжительность выдержки: чем выше температура и больше продолжительность выдержки, тем полнее идет процесс и больше выход продуктов крекинга. Большое влияние на ход и направление процесса крекинга оказывают катализаторы. При соответствующем подборе катализатора можно проводить реакцию при меньших температурах, обеспечивая получение необходимых продуктов и увеличение их выхода. Исходя из вышеизложенного, различают две разновидности крекинга: термический и каталитический. Термический крекинг ведут при повышенных температурах под высоким давлением (температура 450—500 °С и давление 2—7 МПа). Основной целью термического крекинга является получение светлого топлива из мазуаа или гудрона. Термический крекинг осуществляется в трубчатых печах, в которых происходит расщепление тяжелых углеводородов (рис. 9.9). Далее смесь продуктов крекинга и непрореагировавшего сырья проходит через испаритель, в котором отделяется крекинг-остаток, т.е. вещества, не поддающиеся крекингу. Легкие продукты поступают в ректификационную колонну для разделения и получения легких товарных фракций. При термическом крекинге, например мазута, примерный выход продуктов следующий: крекинг-бензина — 30—35 %, крекинг-газов — 10—15, крекинг-остатка — 50—55 % . Крекинг-бензины применяются как компоненты автомобильных бензинов, крекинг-газы используются как топливо или сырье для синтеза органических соединений; крекинг-остаток, представляющий собой смесь смолистых, асфальтено-вых веществ, применяется как котельное топливо или сырье для производства битумов. Термический крекинг может быть двух видов: низкотемпературный (висбрекинг) и высокотемпературный (пиролиз). Н и з к о т е м п е р а т у р н ы й к р е к и н г осуществляется при температуре 440—500 ° С и давлении 1,9—3 МПа, при этом длительность процесса составляет 90—200 с. Он используется в основном для получения котельного топлива из мазута и гудрона. В ы с о к о т е м п е р а т у р н ы й к р е к и н г протекает при температуре 530—600 °С и давлении 0,12—0,6 МПа и длится 0,5—3 с. Его основное назначение — получение бензина и этилена. В качестве побочных продуктов образуются пропилен, ароматические углеводороды и их производные. Каталитический крекинг — переработка нефтепродуктов в присутствии катализатора. В последнее время этот метод находит все большее применение для получения светлых нефтепродуктов, в том числе бензинов. К его достоинствам относят: • высокую скорость процесса, в 500—4000 раз превышающую скорость термического крекинга, и как следствие, — более мягкие условия процесса и меньшие энергозатраты; • увеличение выхода товарных продуктов, в том числе бензинов, характеризующихся высоким октановым числом и большей стабильностью при хранении; • возможность ведения процесса в нужном направлении и получение продуктов определенного состава; • большой выход газообразных углеводородов, являющихся сырьем для органического синтеза; • использование сырья с высоким содержанием серы вследствие гидрирования сернистых соединений и выделения их в газовую фазу с последующей утилизацией. В качестве катализаторов на установках каталитического крекинга используются синтетические алюмосиликаты. 249 Продукты каталитического крекинга из реактора поступают в ректификационную колонну, где разделяются на газы, бензин, легкий и тяжелый каталитические газойли. Непрореагировав-шее сырье из нижней части колонны возвращается в реактор. Примерный выход продуктов при каталитическом крекинге следующий: крекинг-бензин — 35—40 %; крекинг-газ — 15—20; легкий крекинг-газойль — 35—40 %, тяжелый крекинг-газойль — 5— 8 % . Бензин каталитического крекинга характеризуется хорошими эксплуатационными свойствами. Газы каталитического крекинга выгодно отличаются высоким содержанием изобутана и бутилена, используемых в производстве синтетических каучуков. Разновидностью каталитического крекинга является рифор-минг, ход реакций в котором направлен главным образом на образование ароматических углеводородов и изомеров. В зависимости от катализатора различают следующие разновидности риформинга: • платформинг (катализатор на основе платины); • рениформинг (катализатор на основе рения). На практике наибольшее распространение получил платформинг (рис. 9.10), представляющий собой каталитический процесс переработки бензино-лигроиновых фракций прямой перегонки, осуществляемый в присутствии водорода. Если платформинг проводится при 480—510 ° С и давлении от 15-105 до 3 ■ 106 Па, то в результате образуются бензол, толуол и ксилол. При давлении 5 • 106 Па получаются бензины, отличающиеся наивысшей стабильностью и малым содержанием серы. Наряду с жидкими продуктами при всех способах каталитического риформинга образуются газы, содержащие водород, метан, этан, пропан и бутан. Газы риформинга используют как сырье для органического и неорганического синтеза: метанола (этилового спирта), аммиака и других соединений. Выход газов каталитического риформинга составляет 5—15 % массы сырья. Завершающей стадией нефтепереработки является очистка нефтепродуктов, которая осуществляется химическими и физикохимическими способами. К химическим методам очистки нефтепродуктов относятся очистка серной кислотой и с помощью водорода (гидроочистка), к физико-химическим — адсорбционные и абсорбционные способы очистки. Сернокислотная очистка заключается в том, что продукт смешивают с небольшим количеством 90—93 % H2SO4 при обычной температуре. В результате химических реакций получаются очищенный продукт и отходы, которые можно использовать для производства серной кислоты. Гидроочистка заключается во взаимодействии водорода с очищаемым продуктом в присутствии алюмокобальтмолибдено-вых катализаторов при температуре 380—420 ° С и давлении от 35 105 до 4-106 Па и удалении сероводорода, аммиака и воды. При адсорбционном методе очистки нефтепродукты обрабатывают отбеливающими глинами или силикагелем. В этом случае адсорбируются сернистые, кислородосодержащие соединения, смолы и легкоминерализующиеся углеводороды. Абсорбционные методы очистки заключаются в избирательном (селективном) растворении вредных компонентов нефтепродуктов. В качестве селективных растворителей как правило используются жидкая двуокись серы, фурфурол, нитробензол, дихлорэтиловый эфир и др. После очистки нефтепродукты не всегда остаются стабильными. В этих случаях к ним добавляются в очень небольших количествах антиокислители (ингибиторы), резко замедляющие реакции окисления смолистых веществ, входящих в состав нефтепродуктов. В качестве ингибиторов применяют фенолы, ароматические амины и другие соединения. Переработка нефти характеризуется высоким уровнем затрат на сырье (50—75 % себестоимости продуктов нефтепереработки), электрическую и тепловую энергию, а также на основные фонды. Уровень затрат в нефтепереработке существенно зависит от состава нефти, предопределяющего глубину ее переработки, технологической схемы переработки, степени подготовки сырья к переработке и т.д. Так, при переработке высокосернистой нефти дополнительные капитальные и эксплуатацион251 ные затраты на ее перекачку и подготовку примерно в 1,5 раза выше, чем при переработке малосернистой нефти. В свою очередь высокопарафинистая вязкая нефть требует дополнительных затрат по ее депарафинизации, перекачке и хранению. 9.4. Основы технологии производства и переработки полимерных материалов 9.4.1. Общие сведеиия о полимерных материалах Полимерными материалами называют вещества природного или искусственного происхождения, макромолекулы которых состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов, называемых мономерными (элементарными) звеньями. Число мономерных звеньев, входящих в состав макромолекулы, — от 100 до 1000. Величина молекулярной массы оказывает влияние на свойства полимеров. Так, с увеличением молекулярной массы уменьшается растворимость полимера, повышается температура его плавления, возрастают прочность и твердость. Кроме того, свойства полимеров зависят от химического состава мономеров, формы цепей молекул и их строения (структуры полимера). Полимеры классифицируют по ряду признаков. По происхождению полимеры подразделяются на: • природные, или натуральные (например, биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды); • искусственные (получаемые химической переработкой природных полимеров, например ацетилцеллюлоза); • синтетические (получаемые путем синтеза низкомолекулярных веществ — мономеров). В зависимости от строения макромолекул различают полимеры линейной, разветвленной и сетчатой структуры. Макромолекулы полимеров линейной структуры представляют собой открытую линейную цепь (например, натуральный каучук) или вытянутые в линию последовательные циклы (например, целлюлоза). Полимеры такого вида имеют невысокую прочность, легко плавятся, растворяются в органических растворителях. Макромолекулы полимеров разветвленной структуры имеют форму линейной цепи с ответвлениями в виде коротких ветвей. Такие полимеры, как правило, менее эластичны, при нагревании размягчаются, но трудно плавятся, в растворителях лишь набухают. Макромолекулы полимеров сетчатой структуры — результат связывания (сшивания) линейных и разветвленных це252 пей поперечными связями (мостиками). Эти полимеры чаще всего имеют кристаллическое строение, при повышенной температуре не плавятся, не разлагаются, не растворяются ни в каких растворителях и лишь иногда способны набухать (резина, поликонденсационные смолы). По химическому составу макромолекул различают: • гомополимеры — полимеры, образованные из одного мономера, например полиэтилен; • сополимеры — полимеры, образованные из двух и более различных мономеров (например, бутадиен-стирольный каучук); • олигомеры — полимеры сравнительно небольшой молекулярной массы. К олигомерам относятся многие синтетические, смолы — феноло-формальдегидные, эпоксидные, полиэфирные и другие, а также некоторые природные вещества, например антибиотики. По химическому составу основной цепи полимеры делятся на: • гомоцепные, основные цепи которых построены из одинаковых атомов; • гетероцеппые, в основной цепи которых содержатся ато« мы различных элементов, чаще всего С, N, P, Si. Среди гомоцепных полимеров наиболее распространены карбоцепные, которые содержат в основной цепи звенья только из атомов углерода. В зависимости от фазового состояния полимеры могут находиться в кристаллическом, жидком (аморфном) и жидкокристаллическом (аморфно-кристаллическом) фазовых состояниях, различающихся степенью упорядоченности частей макромолекул в структуре полимера. По отношению к нагреву все полимеры подразделяют на две большие группы: • термопластичные, которые могут размягчаться при нагревании и затвердевать при охлаждении. Таким образом, их можно многократно нагревать до температуры плавления и ох лаждать. Это свойство термопластичных полимеров позволяет осуществлять их неоднократную переработку, в том числе используя брак и отходы. К термопластичным полимерам относятся полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинил хлорид и др.; • термореактивные (реактопласты), которые плавятся при нагревании лишь в процессе образования, а затем их молекулы связываются между собой и образуют пространственную структуру, вследствие чего полимер затвердевает, необратимо теряя способность плавиться. К термореактивным полимерам отно253 сятся некоторые фенолоформальдегидные и другие поликонденсационные полимеры. По назначению полимерные материалы делятся на следующие группы: • пластические массы (пластмассы, пластики) и композиты; • эластомеры (каучуки и резины); • химические волокна; • лакокрасочные материалы, полимерные покрытия и пленки; • клеи и герметики. Полимерные материалы отличаются от традиционных материалов, издавна используемых человечеством, комплексом особых свойств, высокой экономичностью методов переработки в изделия, практически неограниченной сырьевой базой. Для полимерных материалов характерны следующие положительные свойства: • малая плотность и, как следствие, — высокий условный показатель прочности (отношение временного сопротивления на разрыв к плотности), превышающий аналогичный показатель лучших сортов стали; • устойчивость к воздействию агрессивных сред, атмосферному и радиационному; • ярко выраженные радио- и электротехнические свойства, в том числе диэлектрические, малозависящие от температуры и частоты электрического поля; • широкий регулируемый диапазон фрикционных свойств; • специфические оптические свойства, способность пропускать лучи света в широком диапазоне волн, в том числе ультрафиолетовые (70 % для полиметилметакрилата против 1—3 % для силикатного стекла); • возможность целенаправленного изменения физикомеханических и химических свойств полимеров, сочетания в одном материале противоположных качеств, например твердости и гибкости. К недостаткам полимерных материалов относятся: • низкая теплостойкость (как правило, она не превышает 120 ° С, за исключением фторопластов и кремнийорганических полимеров); • недостаточные по сравнению с металлическими сплавами твердость и прочность; • ползучесть, т.е. изменение формы и прочности под механическими воздействиями, особенно при повышении температуры; • большое тепловое расширение; • низкая теплопроводность, затрудняющая отвод тепла; 254 • склонность к старению, т.е. деструктивному разрушению с течением времени и ухудшению показателей физико-механических свойств. Тем не менее, использование современных полимеров позволяет снизить материалоемкость продукции за счет замены традиционных конструкционных материалов. Технически возможное и экономически целесообразное применение полимеров вместо металлических сплавов позволяет достичь значительной экономии капитальных затрат, так как для производства пластмасс требуются значительно меньшие капиталовложения, чем для производства эквивалентного объема металлов, особенно тяжелых цветных. Особенно эффективна замена полимерами тяжелых цветных металлов, коррозионно-стойкой стали, ценных сортов древесины. В последнее время расширяется использование нефтехимического сырья для производства полимеров, синтезируются новые виды полимеров и сополимеров с улучшенными свойствами, в том числе с применением радиационно-химической технологии (см. подробнее параграф 15.7), создаются полимеры с уникальными свойствами, например для мембранной технологии (см. подробнее параграф 15.6). Использование полимеров в качестве матрицы для композитов (см. подробнее параграф 15.1) обеспечивает получение конструкционных материалов, превосходящих традиционные по своим прочностным, физико-химическим свойствам. В процессы производства и переработки полимеров внедряются автоматизированные поточные линии, робототехнические комплексы и высокопроизводительные агрегаты, повышается качество выпускаемых изделий. 9.4.2. Основные методы производства синтетических полимеров Все синтетические полимеры производят двумя способами: полимеризацией и поликонденсацией. Полимеризация — процесс соединения многих молекул мономера в макромолекулу полимера, имеющего тот же элементарный состав, что и исходный мономер. При реакциях полимеризации происходит разрыв двойных связей мономеров с образованием мономерных группировок, которые, соединяясь между собой, образуют молекулы полимера. Побочные продукты при этой реакции не выделяются. Поликонденсация — образование высокомолекулярного соединения в результате взаимодействия большого числа моле255 кул двух или больше разных мономеров с одновременным выделением побочных низкомолекулярных продуктов реакции (Н20, NH3, СO2 и др.). Образующиеся при поликонденсации полимеры имеют как линейную (полиамиды, полиэфиры, поликарбонаты), так и пространственную структуру (аминокислоты, фенолоальдегидные смолы). Процесс полимеризации может быть цепным и ступенчатым. В ходе цепной полимеризации под действием температуры, давления, катализаторов сначала активируется одна молекула мономера, которая далее вступает во взаимодействие с неактивированными молекулами и присоединяет их, сохраняя свою реакционную способность. По мере протекания процесса количество активных молекул возрастает. Цепной полимеризацией получают полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и другие материалы. Ступенчатая полимеризация характеризуется образованием полимера по ступеням: она происходит за счет перемещения в молекуле мономера атома водорода или других групп атомов и сопровождается последовательным соединением мономеров в димеры, тримеры и т.д., которые могут быть выделены на нужной стадии полимеризации. Образующиеся промежуточные продукты обладают высокой устойчивостью, что позволяет регулировать степень полимеризации, изменяя температуру процесса. Методом ступенчатой полимеризации получают полиуретаны, полиэфирные смолы, полиформальдегид и др. Кроме того, для получения полимеров требуемых свойств применяется также сополимеризация, т.е. совместная полимеризация двух и более различных мономеров (например, бутади-енстирольный каучук). В условиях промышленного производства полимеризация может осуществляться следующими методами: • полимеризация в массе (блочный метод); • полимеризация в растворе; • полимеризация в эмульсии (эмульсионная полимеризация); • полимеризация в суспензии (суспензионная полимеризация). При полимеризации в массе исходные мономеры находятся в основном в жидкой фазе в неразбавленном состоянии. Для такой полимеризации характерна высокая вязкость реакционной среды при больших степенях превращения, из-за чего затрудняется теплои массообмен. Поэтому полимеризацию проводят обычно при энергичном перемешивании и заканчивают при неполном превращении мономера, остатки которого отгоняют под вакуумом. Достоинствами этого метода являются высокая чистота по256 лучаемого полимера и малые затраты на производство из-за отсутствия растворителей, разбавителей, эмульгаторов и других добавок, недостатком — сложность регулирования температурного режима. Методом полимеризации в массе получают, например, полиэтилен, полистирол (в том числе ударопрочный). Полимеризация в растворе осуществляется с применением инертных растворителей, в которых растворяется мономер, а затем — и образующийся полимер. Готовый продукт представляет собой раствор полимера, который применяют, например, в качестве лака или клея. При необходимости полимер из раствора выделяют испарением растворителя. Если полимер в растворителе не растворяется, а выпадает в осадок, то его отфильтровывают, промывают и сушат. Получаемые по такой технологии полимеры отличаются однородностью состава (поливинилаце-тат, полибутилакрилат и др.). Эмульсионная полимеризация происходит посредством смешивания мономера с инициатором (веществом, способствующим началу и протеканию полимеризации) и эмульгатором (веществом, обеспечивающим агрегатную устойчивость смеси) в воде. При этом частицы мономера находятся в смеси во взвешенном состоянии, так как он нерастворим или плохо растворим в воде. При нагревании в исходной эмульсии идет реакция полимеризации и образуется полимер. Эмульсионный способ прост, дает полимер более однородного состава, чем блочный. К преимуществам этого метода следует отнести возможности достижения высоких скоростей полимеризации при низких температурах и получения продуктов высокой молекулярной массы. Недостатки связаны главным образом с необходимостью отмывания полимера от эмульгатора. Эмульсионная полимеризация является основным методом получения каучуков, поливинилхлорида, полиакрилатов и др. Суспензионная полимеризация заключается в том, что мономер равномерно распределяется (диспергируется) в воде. Инициаторы полимеризации, применяемые при этом, растворяются в мономере, но нерастворимы в воде. Полимеризация происходит в каждой крупной капле мономера размером 0,05—0,3 см (в отличие от эмульсии, где размер капли составляет 10~4—10~3 см). Полимер образуется в виде твердых частиц (гранул), нерастворимых в воде, и отделяется фильтрованием. Таким методом получают полимеры из плохо растворимых в воде мономеров, например эфиров акриловой кислоты, диви-нилбензола и их смесей с другими мономерами. Процесс осуществляется при интенсивном перемешивании, обеспечивающем требуемое диспергирование мономера в воде, определен257 ный гранулометрический состав и пористость полимерных зерен. Из полученной суспензии отгоняют остаточный мономер, полимер отделяют от воды, сушат, рассеивают (классифицируют) и расфасовывают в соответствующую тару. Процесс поликонденсации в условиях производства может осуществляться в расплаве, растворе и при непосредственном поверхностном взаимодействии мономеров. Для осуществления поликонденсации используется большое число реакций замещения (реже обмена) между функциональными группами исходных веществ (мономеров, олигоме-ров). Поликонденсация, в которой принимают участие только бифункциональные исходные молекулы, приводит к образованию линейных макромолекул. Поликонденсация, в которой участвуют молекулы с числом функциональных групп три и более, приводит к образованию разветвленных или трехмерных (сетчатых) структур. При поликонденсации полимер образуется в результате как взаимодействия макромолекул с молекулами исходных соединений, так и реакций между уже образовавшимися макромолекулами, имеющими в наличии реакцион-носпособные функциональные группы. Для поликонденсации характерно несовпадение мономерных звеньев продуктов поликонденсации и исходных соединений (мономеров). На всех стадиях роста макромолекул промежуточные соединения вполне устойчивы и могут быть выделены в свободном виде. В этом состоит отличие поликонденсации от цепной полимеризации и в некоторой степени — ее сходство со ступенчатой полимеризацией. Методом поликонденсации получают полиэфиры (например, полиэтилентерефталат), полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, полиакрилаты, фенолоформальдегидные смолы и др. 9.4.3. Основы технологии производства изделий из пластмасс Пластические массы (пластмассы, пластики) — конструкционные материалы на основе полимеров, способные приобретать требуемую форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. По составу пластмассы бывают простые (ненаполненные) и сложные (наполненные). Простые пластмассы состоят только из полимеров (иногда с добавкой пластификатора или красителя). Сложные пластмассы содержат, кроме того, ряд других компонентов в зависимости от требуемых свойств материала. 258 Основными компонентами сложных пластмасс являются связующие вещества, наполнители, пластификаторы, отверждающие вещества и катализаторы, стабилизаторы, красители, газообразователи. Связующие вещества — это полимерная основа пластмасс (различные смолы, соединяющие в монолитный материал другие компоненты пластмассы). Они обусловливают основные свойства пластмасс. Наполнители вводятся в состав пластмасс с целью направленного изменения их свойств, а также снижения расхода связующего вещества и удешевления пластмассы. В качестве наполнителей применяются порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения. Пластификаторы придают материалу повышенную пластичность, в результате чего облегчается формование изделий, уменьшается их хрупкость, особенно при низких температурах, увеличиваются гибкость и эластичность. В качестве пластификаторов используются вещества, химически инертные по отношению к другим компонентам смеси. Отверждающие вещества и катализаторы вводятся в состав пластмасс для ускорения их перехода в твердое состояние. Стабилизаторы замедляют процесс старения пластмасс, но не влияют на их первоначальные свойства. Красители — вещества, которые придают пластмассе тот или иной цвет или оттенок, улучшая ее внешний вид. Газообразователи вводятся в состав пластмасс с целью образования в них пор, обеспечивающих уменьшение плотности и повышение теплоизолирующих свойств (например, в производстве пенопластов, поропластов). Классифицируют пластмассы по тем же признакам, что и полимерные материалы. Главное преимущество использования пластмасс по сравнению с другими материалами — это простота переработки их в изделия. Переработка пластмасс — комплекс процессов, обеспечивающий получение готовых изделий или полуфабрикатов из пластмасс с заданными свойствами на специальном оборудовании. Переработке пластмасс предшествуют проектирование рациональной конструкции изделия, выбор оптимального метода переработки и условий его осуществления, разработка состава материала, наиболее пригодного для выбранного метода производства, оборудования и последующих условий эксплуатации. Технология переработки пластмасс включает следующие основные стадии: 259 а) приготовление материала на основе исходного полимера и подготовка его к формованию (например, таблетирование); б) формование полученного материала и изготовление из не го изделий или полуфабрикатов; в) последующая обработка с целью улучшения свойств поли мера или изделия (термическая обработка, механическая обра ботка, сварка и др.). Способы формования изделий из пластмасс зависят от их отношения к нагреву, т.е. от того, являются они термопластами или реактопластами. Рассмотрим более подробно те способы, которые наиболее часто применяются в промышленном производстве пластмасс. Прямое (компрессионное) прессование (рис. 9.11) — самый распространенный способ переработки пластмасс (преимущественно — термореактивных). Рис 9.11 Схема прямого прессования изделий из пластмасс: а — открытая пресс-форма; б — закрытая пресс-форма; 1 — пуансон; 2 — направляющие стержни; 3 — матрица; 4 — пресс-материал; 5 — готовое изделие Прессование включает следующие операции: дозировку прессовочного материала, загрузку его в пресс-форму, закрытие пресс-формы, выдержку изделия в пресс-форме при повышенной температуре (130—190 °С) и под давлением (20—60 МПа) для осуществления реакции поликонденсации, разъем пресс-формы, извлечение изделия, очистку и подготовку пресс-формы для следующей запрессовки, очистку изделия от заусенцев. Увеличению производительности прессования способствуют предварительные нагрев прессовочных материалов и их таблетирование. Для переработки термопластичных материалов метод прессования используется значительно реже, так как в этом случае после каждой запрессовки прессуемое изделие нужно охлаждать в пресс-форме до полного затвердевания, что резко снижает производительность установки. 260 Прессованием получают также многие слоистые материалы, представляющие собой ткань, бумагу или древесный шпон,пропитанные раствором фенолоальдегидной или карбамидной» смолы и спрессованные в листы, трубки или другие профили. Смолу растворяют в спирте или другом растворителе и полученным раствором пропитывают ткань, бумагу или древесину, которые затем высушивают в сушильных камерах. Из высушенного материала делают заготовки, складывают их в пачки и прессуют горячим способом в листы или профили. Одновременно с прессованием происходит отверждение смолы, которая прочно склеивает слои пропитанного материала. Таким способом получают текстолит (наполнитель хлопчатобумажная ткань), стеклопластики (наполнитель — стеклянная ткань), ге-тинакс (наполнитель — бумага). Для осуществления прямого прессования используют различные гидравлические и механические прессы. Достоинства метода — простая конструкция пресс-форм и сравнительно малая стоимость оборудования. Прессованием можно получать изделия несложной формы, разнообразных размеров и толщины. К недостаткам прямого прессования относятся низкая производительность, трудность достижения высокого уровня автоматизации (периодический процесс) и прессования изделий сложной конфигурации, с глубокими несквозными отверстиями. Литьевое прессование применяется для переработки термореактивных и термопластичных материалов. От прямого прессования оно отличается тем, что загрузочная камера (тигель) отделена от формующей полости пресс-формы, а перед заполнением формы пресс-материалом формующая полость находится в замкнутом состоянии. Материал, загруженный в камеру, прогревается до вязкотекучего состояния и с помощью пуансона продавливается через каналы (литники) в формующую полость пресс-формы, где он дополнительно прогревается. Этим способом можно перерабатывать термореактивные (при 140—200 ° С) и термопластичные материалы (при 30—50 °С). Основными преимуществами литьевого прессования по сравнению с прямым являются: возможность изготовления более сложных деталей; более короткий цикл прессования; отсутствие больших внутренних напряжений в изделиях; большие точность размеров деталей и срок службы пресс-форм. В то же время прессформы этого типа сложнее и дороже, чем пресс-формы для прямого прессования. Литье под давлением (инжекционное прессование) (рис. 9.12) основано на том же принципе, что и литьевое прессование. Разни261 ца состоит в том, что материал нагревается до вязкотекучего состояния в нагревательном элементе и выдавливается (впрыскивается) плунжером через сопло в охлаждаемую прессформу. а — открытая пресс-форма; б — закрытая пресс-форма; 1 — подвижная часть пресс-формы; 2— неподвижная часть пресс-формы; 3 — нагревательный элемент; 4 — плунжер; 5 — сопло; 6 — загрузочное устройство; 7 — готовое изделие Этим методом перерабатывают в основном термопластичные пластмассы (полиэтилен, полистирол, полиамиды). Литье под давлением высокопроизводительно, им можно получать изделия массой от долей граммов до десятков килограмм. Литье под давлением из термореактивных материалов возможно, но для этого требуются специальные машины. Литье под давлением имеет короткий цикл формования, что позволило полностью автоматизировать процесс. При этом методе не требуется таблетирования материала, до минимума сокращается механическая обработка готовых деталей. Современные конструкции литьевых машин позволяют получать изделия двух и более цветов, пористые с различной плотностью по сечению, многослойные и др. Недостатки литья под давлением — высокая стоимость формующего инструмента, сравнительно низкая производительность при изготовлении армированных изделий и изделий сложной конфигурации. Экструзия (шприцевание или выдавливание) — процесс получения профилированных изделий большой длины (трубы, стержни, ленты, нити) непрерывным или периодическим выдавливанием. Шприцевание выполняется на экструдерах, основной рабочей деталью которых является винт (червяк, шнек), или на гидравлических прессах, имеющих поршень (плунжер), совершающий возвратно-поступательное движение. Методом экструзии можно перерабатывать большинство термопластичных материалов. В промышленности наиболее широкое применение получили одночервячные экструдеры (рис. 9.13). 262 1 — редуктор; 2 — эластичная муфта; 3 — упорный подшипник; 4— бункер; 5 — загрузочная воронка; 6 — червяк; 7 —термопара, 8 — обогреваемый корпус, 9 — закаленная гильза; 10 — ленточный нагреватель; 11 — сетки; 12 — нагреватель присоединительного фланца; 13 — незащищенная термопара; 14 — головка; 15 — присоединительный фланец; 16 — решетка; 17 — стойка; 18 — охлаждающая рубашка загрузочной зоны; 19 — электродвигатель Исходный материал из бункера 4 через загрузочную воронку 5 поступает в канал червяка 6. Червяк вращается внутри корпуса, снабженного закаленной гильзой 9 и обогреваемого наружными нагревателями 10 и 12. Продвигающийся вдоль канала червяка материал расплавляется и продавливается через решетку 16 в головку 14, где происходит формование изделия. Обогрев экструдера осуществляется или паром через рубашку корпуса, или электричеством. При этом температура головки экструдера должна всегда быть выше температуры корпуса. После выхода из экструдера некоторые виды профилированных материалов подвергаются таким операциям, как охлаждение, вытяжка, намотка, обрезка. Для их осуществления эк-струдеры дооборудуют соответствующими механизмами (тянущими, охлаждающими, устройствами для намотки и обрезки). В отдельных случаях вытяжку совмещают с намоткой, например, при производстве нитей или листового материала. Методом выдавливания перерабатывается в полимерные пленки большинство синтетических полимеров, для чего используют экструдеры с кольцевой или плоскощелевой головкой. В первом случае расплав полимера экструдируется в виде рукава, который растягивается сжатым воздухом. Рукавный способ — наиболее производительный и экономичный метод изготовления полимерных пленок. Плоскощелевой способ позволяет формовать полимерные пленки, которые в некоторых случаях дополнительно подвергаются разглаживанию на гладильных валках. Он предпочтительнее в тех случаях, когда требуется получить равнотол-щинную пленку с высоким качеством поверхности. 263 Экструзией можно получать объемные, многослойные и вспененные изделия с поверхностью, имитирующей различные декоративные материалы; непрерывные изделия — пленки, профили самого разнообразного типа, листы, трубы и шланги, наносить покрытия из пластмассы на проволоку. Масса погонного метра изделий, изготовленных методом экструзии, может составлять от нескольких граммов до 100 кг и более. Им получают пленки шириной до 25 м и трубы диаметром до 1,2 м. Производительность крупных экструдеров достигает 3—3,5 т/ч, степень автоматизации производства также достаточно высока. Недостатки экструзии — сложность управления процессом и высокая стоимость оборудования. Листовое формование предназначено для получения из листов термопластичных материалов изделий коробчатой формы или профилированных листов. Формование этим способом (рис. 9.14) осуществляется путем штампования, сжатым воздухом (пневмоформование), вакуумом (вакуум-формование). Формование из листов является единственным методом изготовления изделий с большой поверхностью и малой толщиной стенки. а — штампование: 1 — лист; 2 — пуансон; 3 — отверстия для выхода воздуха; 4 — прижимная рама, 5 — матрица; б — формование с проскальзыванием листа в прижимной раме: 1 — лист; 2 — пуансон; 3 — верхняя прижимная полурама; 4 — упор; 5 — нижняя прижимная рама; в — формование сжатым воздухом: 1 — лист; 2 — прокладка; 3 — сжатый воздух; 4 — отверстия для выхода воздуха; 5 — матрица; з — вакуум-формование: 1 — лист; 2 — прижимная рама; 3 — вакуумный стол; 4 — вакуум; 5 — вакуумные каналы Кроме термопластов, методом штамповки могут перерабатываться и слоистые термореактивные пластики, например, на основе фенолформальдегидных смол, модифицированных частично термопластичными полимерами. Таким способом, в частности, производятся декоративные бумажно-слоистые пластики, в том числе и огнестойкие. При вакуум-формовании в полости между листом и поверхностью формы создается разрежение, а размягченный материал формуется в изделие с помощью наружного атмосферного давления. Методом вакуум-формования перерабатывают многие виды листовых материалов: полистирол, виниловые полимеры, полиакрилаты, эфиры целлюлозы, поликарбонаты и др. Выдувание можно считать разновидностью листового формования, его применяют для формовки преимущественно полых изделий из термопластичных материалов. Заготовка (нагретая трубка или два листа) помещается между двумя половинками разъемной металлической формы, имеющей отверстия (сопла) для подвода горячего воздуха, который нагнетается в трубку или между листами. Размягченная заготовка под давлением воздуха вытягивается и заполняет форму. Этим способом получают изделия из полиэтилена, полистирола, полиакрилатов и др. Каландрование (обработка полимерных материалов на каландрах) по своей сути аналогично прокатке при обработке металлов давлением (см. подпараграф 7.1.2). Каландр — устройство с 2- 20 горизонтальными валами (обычно расположенными один над другим), между которыми пропускают полимерный материал для повышения его плотности и гладкости, нанесения рисунка или поверхностного узора, получения соответствующего профиля. Каландрованием (рис. 9.15, а) получают полуфабрикаты в виде гладких или профилированных листов, лент, периодических профилей. На каландрах производится также обрезинива-ние тканей для приводных ремней и транспортерных лент. а — схема каландрования при производстве обрезиненной ткани; б — схема изготовления медицинских перчаток маканием; 1 — рулон ткани для обкладки; 2 — рулон прокладочной ткани; 3 — готовое изделие; 4 — модель; 5 — ванна с латексом Прокатка наиболее широко применяется для производства слоистых композиционных материалов на основе полимеров. Полив раствора полимера на холодную или нагреваемую полированную поверхность — один из первых промышленных методов получения полимерных пленок и листов. В настоящее время он имеет ограниченное применение. Этим методом производятся главным образом пленки на основе целлюлозы и ее производных, а также из некоторых термореактивных полимеров. Он состоит из приготовления раствора, полива его на гладкую полированную поверхность барабана или металлической бесконечной ленты и отделения растворителя от листа или пленки. Полученное изделие подвергают термической обработке для снятия внутренних напряжений. Макание можно считать разновидностью предыдущего метода, когда тонкостенные изделия, например медицинские перчатки, получают по заранее подготовленной модели (рис. 9.15, б) многократным ее окунанием в ванну с латексом. Этот метод применяется также для изготовления других резиновых санитарногигиенических изделий. Латекс представляет собой водную дисперсию синтетических полимеров, главным образом каучуков. Он образуется при полимеризации соответствующих мономеров в водной среде или при эмульгировании в ней растворов полимеров в органических растворителях (синтетические латексы последнего типа называются искусственными). Механическая обработка пластмасс похожа на обработку металлов резанием (см. подробнее параграф 7.3), однако вследствие меньшей твердости пластмасс по сравнению с металлами их обработку проводят при большей скорости подачи соответствующих инструментов (резцы, сверла и т.д.). Из методов обработки резанием для обработки пластмасс используют точение, шлифование, полирование, фрезерование, сверление и т.д. Механической обработке подвергают в основном термореактивные или блочные пластмассы, такие как фторопласт. Ее используют при изготовлении мелкосерийной или опытной продукции, а также для удаления заусенцев, литников с изделий, полученных, например, прессованием и литьем. Поверхности прессованных и литьевых деталей после снятия заусенцев, как правило, полируют. Достаточно распространенной операцией является сверление отверстий, так как глубокие или боковые отверстия, а также отверстия малого диаметра трудно получить при прессовании. Обрезке подвергают листовые материалы после их прессования (этим их обработка и ограничивается). Для шлифования 266 используют шлифовальные пасты, наносимые на фетровые или войлочные диски станков, шлифовальных шкурок и камней на обычных шлифовальных станках. Полирование проводят на хлопчатобумажных или суконных кругах с применением или без применения полировочных паст. Сварка пластмасс — процесс неразъемного соединения термопластов и реактопластов, в результате которого исчезает гра-* ница раздела между соединяемыми деталями. Выбор способа сварки зависит от материала, подлежащего сварке, типа конструкции или изделия, их назначения и условий эксплуатации. Сварку термопластов производят с использованием тепла посторонних источников нагрева (газовых теплоносителей, нагретого присадочного материала или инструмента) либо с генерированием тепла внутри пластмассы при преобразовании различных видов энергии (сварка трением, токами высокой частоты, ультразвуком, инфракрасным излучением и др.). Соединение реактопластов осуществляют способом, основанным на химическом взаимодействии между поверхностями — непосредственно или с участием присадочного материала (так называемая химическая сварка). Сварка этим способом требует интенсивного прогрева поверхностей и интенсификации колебаний звеньев молекул полимера токами высокой частоты или ультразвуком. Среди различных способов сварки наибольшее распространение получили: сварка с применением газовых теплоносителей; сварка при нагреве трением; сварка контактным нагревом; сварка токами высокой частоты. При сварке с применением газовых теплоносителей используются воздух или инертные газы, подогретые при прохождении через электронагревательные элементы. Теплоноситель прогревает термопласт в месте сварки до необходимой температуры вместе со сварочным прутком из того же материала, чем и обеспечивается сварка. Термопласты, чувствительные к кислороду воздуха (например, полиамиды), сваривают подогретым азотом. Этот вид сварки применяется в основном при изготовлении изделий из толстых листов или для сварки массивных деталей, отлитых методом литья под давлением. Применяется два способа сварки при нагреве трением. Первый из них состоит в следующем: свариваемые детали (обычнс небольшой длины) располагают на станке соосно, одну из них закрепляют неподвижно, а другую вращают вокруг общей оси, При трении сопряженных торцевых поверхностей выделяете* тепло, достаточное для сварки давлением без расплавления по267 лимера. При достижении заданной температуры вращающаяся деталь мгновенно останавливается, и сварное соединение образуется при естественном охлаждении свариваемых поверхностей. При применении второго способа детали закрепляют неподвижно, а между ними вращается вставка вокруг общей оси свариваемых деталей. Дальше процесс сварки осуществляется так же, как и первым способом. Сваркой при нагреве трением обычно соединяют детали прутков и труб. Давление, возникающее в плоскости трения, достигает примерно 0,5—0,8 МПа при скорости вращения до 30 м/мин. С момента возникновения трения и до остановки станка проходит 3—25 секунд, шов затвердевает через 5—8 мин после остановки вращения детали. Сварка контактным нагревом применяется для сваривания термопластичных материалов, не свариваемых токами высокой частоты (полиэтилен, полипропилен, фторопласты). При такой сварке соединение деталей происходит в результате нагрева свариваемых поверхностей специальными инструментами с последующим их сдавливанием. Образующиеся при этом швы не уступают по прочности материалу изделия. Данный метод нашел широкое применение при декоративной отделке конструкций и изделий, их клеймении и маркировке, для изготовления труб из листового полиэтилена, приварки фланцев к полиэтиленовым трубам, полок и ребер жесткости к листам и плитам. Применяется такая сварка и при производстве толстостенных изделий из полиамидов и полиуретанов. При сварке токами высокой частоты электрическое поле генерируется с помощью специальных электродов, одновременно являющихся зажимами для свариваемых изделий. Этими же электродами-зажимами создается необходимое давление. Данный метод применяется для сваривания материалов, которые плохо проводят электрический ток и тепло. Высокочастотное поле вызывает межмолекулярное взаимодействие по всей толщине материала, что приводит к равномерному его прогреванию. Основным преимуществом высокочастотной сварки является ее быстрота. Например, для сварки двух листов поливи-нилхлорида толщиной 2 мм достаточно 5 секунд. Для всех вышеперечисленных методов переработки пластмасс очень важен правильный подбор исходных компонентов. При этом главное внимание уделяется подбору химического строения и концентрации компонентов, которые обеспечивали бы своевременный переход от вязкотекучего состояния к стеклообразному или частично кристаллическому. В последние годы разработано много новых способов физической модификации полимеров. Они характеризуются в основном возможностью регулировать, изменять, модифицировать надмолекуляр268 ную структуру полимера. К ним относятся ориентационная вытяжка, направленная полимеризация, деформирование растворов полимеров с последующим удалением растворителя и др. Перевод полимера в ориентированное состояние открывает широкие возможности существенного, иногда более чем десятикратного увеличения прочности. Следует также отметить, что все методы переработки пластмасс в изделия и полуфабрикаты характеризуются ощутимыми потерями в виде отходов. Например, при заполнении формы избыток расплава удаляется через специально спроектированные каналы в корпусе формы. Когда изделие остывает, остывает и расплав в этих каналах. Имеющиеся отростки застывшего полимера обламывают, изделие защищают, а обломки составляют неизбежные отходы. Помимо этого, много ценных пластмасс уходит на упаковку. Увеличивающиеся с каждым годом запасы отработанных (выброшенных) полимерных материалов не только являются ресурсами для вторичного использования, но и несут в себе ощутимую угрозу экологическому равновесию в природе. Не разлагаясь длительное время, полимерные материалы — отходы препятствуют нормальному развитию растений, загрязняют поверхность земли, засоряют водные бассейны. Уменьшение вредных последствий накопления полимерных отходов и использование их в качестве вторичного сырья осуществляется несколькими путями. Один из этих путей — применение синтеза цепных молекул полимера, в которых содержатся функциональные атомные группы, чувствительные к ультрафиолетовой части спектра, например, карбонильные (=С=0). Под воздействием ультрафиолетовой части видимого спектра карбонильные группы вступают в радикальноцепное взаимодействие с кислородом воздуха, в результате чего макромолекулы полимера разлагаются вплоть до низкомолекулярных продуктов, ассимилируемых окружающей средой. Второй путь решения рассматриваемой задачи заключается в организованном (в государственном масштабе) сборе, сортировке и вторичном использовании изделий из полимерных материалов. Контрольные вопросы 1. Охарактеризуйте структуру и технологические особенности химической и нефтехимической промышленности. 2. Дайте характеристику химической технологии как научной основе химического производства. 269 3. Какие разновидности химической технологии вам известны? Чем они отличаются друг от друга? 4. Выделите и охарактеризуйте основные направления науч но-технологического прогресса в химической и нефтехимической про мышленности. 5. С какой целью изготовляют минеральные удобрения? По каким основным признакам они классифицируются? 6. Охарактеризуйте важнейшие свойства азотных удобрений и сферы их применения. Какие виды сырья используются при производстве азотных удобрений? 7. Охарактеризуйте основные стадии производства аммиачной селитры и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 8. Охарактеризуйте основные стадии производства карбамида и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 9. Охарактеризуйте важнейшие свойства фосфорных удобрений и сферы их применения. Какие виды сырья используются при производстве фосфорных удобрений? 10. Охарактеризуйте основные стадии производства простого суперфосфата и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 11. Охарактеризуйте основные стадии производства двойного суперфосфата и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 12. Охарактеризуйте важнейшие свойства калийных удобрений и сферы их применения. Какие виды сырья используются при производстве калийных удобрений? 13. Охарактеризуйте основные стадии производства хлорида калия галургическим методом и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 14. Охарактеризуйте основные стадии производства хлорида калия флотационным методом и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 15. Что такое топливо? Как оно классифицируется? Каковы важнейшие характеристики топлива? 16. Охарактеризуйте нефть как сырье. Какие основные способы ее добычи вам известны? Кратко их опишите. 17. Охарактеризуйте важнейшие нефтепродукты. Какие методы и варианты переработки нефти вам известны? Кратко их опишите. 18. Охарактеризуйте общую схему переработки нефти. Что представляет собой первичная и вторичная переработка нефти? 19. Охарактеризуйте основные стадии прямой перегонки нефти и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 20. Что такое крекинг нефтепродуктов? Кратко охарактеризуйте важнейшие виды крекинга. 21. Охарактеризуйте основные стадии термического крекинга мазута и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 22. Охарактеризуйте основные стадии платформинга бензина и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 23. Что представляют собой полимерные материалы? По каким основным признакам они классифицируются? 270 24. Охарактеризуйте важнейшие свойства полимерных материалов и сферы их применения. Какие виды сырья используются при производстве полимерных материалов? 25. Охарактеризуйте основные методы производства синтетических полимеров. 26. Охарактеризуйте основные стадии производства полиэтилена и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 27. Как классифицируются химические волокна? Почему они получили такое название? Охарактеризуйте основные виды химических волокон. 28. Охарактеризуйте основные стадии производства химических волокон и дайте общую технико-экономическую оценку этому процессу. 29. Как классифицируются пластмассы? Опишите состав основных видов пластмасс и охарактериуйте их. 30. Кратко охарактеризуйте основные методы переработки пластмасс в изделия. 31. Охарактеризуйте основные процессы механической обработки пластмасс. В каких случаях применение механической обработки оправдано? 32. Охарактеризуйте технологический процесс сварки пластмасс. Какие способы сварки пластмасс вам известны? Кратко их охарактеризуйте. Глава 10. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА И ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 10.1. Общие сведения о капитальном строительстве и производстве строительных материалов и изделий Строительный комплекс — комбинированная технологическая система предприятий, объединений, организаций, деятельность которых направлена на разработку, возведение и реконструкцию строительных объектов производственного и непроизводственного назначения (зданий, сооружений, объектов инфраструктуры), а также на изготовление строительных материалов и изделий. Строительный комплекс включает в себя два основных сектора: капитальное строительство и промышленность строительных материалов и изделий. Капитальное строительство в зависимости от вида сооружаемого объекта подразделяется на промышленное, сельскохозяйственное, энергетическое, жилищно-коммунальное, транс271 портное и др. При этом капитальное строительство выполняет как собственно строительные, так и монтажные работы, в том числе проектно-изыскательские, а также бурение нефтяных и газовых скважин. Промышленность строительных материалов и изделий занята производством продукции, используемой в строительных работах, а также предметов потребления. Важнейшими ее составными элементами являются: керамическая и стекольная промышленность, производство минеральных вяжущих веществ (портландцемента и строительной извести), изделий и конструкций из железобетона и др. Строительный комплекс технологически связан со всеми хозяйственными комплексами, так как создание или реконструкция любого субъекта хозяйствования связаны с проведением строительных или монтажных работ. Для строительного комплекса характерны следующие технологические особенности: • использование физических и химических методов обработки исходных материалов (см. параграфы 4.2, 4.3); • дискретная структура большинства технологических процессов капитального строительства (см. параграф 2.2), определяющая сравнительно высокую трудоемкость строительных работ, и непрерывная схема процессов производства строительных материалов, которая создает возможности для их широкой механизации и автоматизации; • использование в качестве сырья и полуфабрикатов большого количества материалов — как природного (песок, глина, древесина и др.), так и искусственного происхождения (полимеры, металлы, стекло и др.); • сравнительно невысокая энергоемкость технологических процессов в капитальном строительстве и высокая — процессов производства большинства традиционных строительных материалов (цемента, керамики, стекла); • невысокая экологичность многих технологических процессов (особенно производства цемента и изделий на его основе). Основными направлениями научно-технологического прогресса в строительном комплексе являются: • техническое совершенствование и обновление конструкций строительных машин и оборудования для производства строительных материалов; • повышение в экономически оправданных пределах единичных мощностей машин и оборудования, особенно в производстве строительных материалов; 272 • уменьшение затрат ресурсов (прежде всего энергетических) на производство строительных материалов; • повышение ресурса и надежности строительных машин и оборудования для производства строительных материалов; • применение новейших технологических процессов проведения строительно-монтажных работ и производства строительных материалов; • комплексная механизация и автоматизация технологических процессов и оборудования, индустриализация капитального строительства; • использование прогрессивных конструкционных материалов при возведении зданий и сооружений, а также их создание и освоение предприятиями по производству строительных материалов и изделий на их основе; • реализация прогрессивных организационных и техникоэкономических решений, повышающих эффективность использования достижений науки и техники в строительном комплексе. 10.2. Важнейшие технологические процессы капитального строительства Как уже отмечалось, результатом производственной деятельности в капитальном строительстве являются возведенные или реконструированные строительные объекты производственного и непроизводственного назначения (здания и сооружения). Здание обычно представляет собой постройку сравнительно больших размеров. В соответствии с назначением здания делят на следующие группы: • гражданские — жилые и общественные здания (жилые дома, театры, больницы, учебные заведения и т.д.); • промышленные (здания цехов предприятий, электростанций и др.); • сельскохозяйственные (животноводческие фермы, хранилища и т.д.). По количеству этажей здания делятся на одноэтажные и многоэтажные (высотные). Основными эксплуатационными качествами зданий являются долговечность, огнестойкость, экономичность. Долговечность зданий — это продолжительность периода их службы, в течение которого они не утрачивают необходимых эксплуатационных качеств. Долговечность определяется сро* 273 ком службы основных конструктивных элементов: фундаментов, стен, каркаса, перекрытий, полов, покрытий и др. Различают строительные конструкции трех степеней долговечности: первой — срок службы более 100 лет, второй — более 50, третьей — более 20 лет. Огнестойкость зданий определяется группой возгораемости и пределом огнестойкости его основных конструкций. В зависимости от того, к какой группе возгораемости относится материал, все строительные конструкции делятся на несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Строительными нормами и правилами установлено пять степеней огнестойкости зданий и сооружений. В соответствии со строительными нормами и правилами (СНиП) в зависимости от степени долговечности и огнестойкости основных конструктивных элементов, их эксплуатационных качеств и с учетом других специфических особенностей здания подразделяют на четыре класса (I, II, III, IV). Для зданий каждого класса установлены необходимые степени долговечности и огнестойкости несущих и ограждающих конструкций. Экономичность зданий характеризуется капитальными затратами при строительстве и последующими эксплуатационными расходами (на ремонт, отопление, освещение и др.). Здания состоят из определенного числа конструктивных элементов. Элементы зданий делятся на две основные группы: • несущие, воспринимающие нагрузки от веса других элементов здания, находящихся в нем людей, оборудования, а также внешние (снег, ветер и др.). К ним относятся фундаменты, колонны, стены и перекрытия зданий; • ограждающие, которые служат для защиты помещений от атмосферных воздействий, а также для изоляции помещений друг от друга. К ним относятся перегородки, полы, покрытия, оконные и дверные заполнения и фонари (стеклянные просветы в крыше здания). Сооружение — это строение специального назначения (мост, плотина и др.). Все сооружения в зависимости от объемно-планировочного решения разделяют на линейные (трубопроводы, линии электропередач, дороги), площадочные (спортивные площадки, аэродромы) и объемные (элеваторы, башни). Относительно планировочной поверхности земли различают подземные и глубинные сооружения (метрополитены, хранилища, скважины, колодцы и др.), наземные (дороги, площадки) и надземные (газонаполнительная станция). По виду основного строительного материала, используемого при возведении зданий и сооружений, различают каменные (из кирпича, естественных или искусственных камней), бетонные 274 и железобетонные (сборные и монолитные), деревянные и смешанные здания и сооружения. При возведении зданий и сооружений выполняются определенная совокупность методов и последовательность производимых работ, которую называют технологическими процессами строительного производства. В зависимости от характера выполняемых работ строительные процессы подразделяются на: • подготовительные, которые осуществляются до начала основных строительно-монтажных работ по возведению объектов. Они необходимы для создания условий выполнения требуемых работ и включают в себя внеилощадочные (создание внешних подъездных путей к строительной площадке, линий связи и электропередач, водопроводных сетей, канализационных коллекторов и др.) и внутриплощадочные работы (расчистка территории строительной площадки, устройство внутриплощадочных дорог, прокладка сетей водо- и энергоснабжения, телефонной связи и др.), а также мероприятия по организации труда и быта работающих; • транспортные, которые осуществляются как до начала основных работ, так и в процессе их выполнения и связаны со своевременной подачей требующихся материалов и изделий; • основные, связанные с непосредственным осуществлением строительно-монтажных работ; • вспомогательные, сопутствующие основным и позволяющие выполнять их на высоком техническом уровне при соблюдении необходимых требований охраны труда и техники безопасности; • заключительные, которые осуществляются по завершению основных и вспомогательных работ и связаны с подготовкой возведенного объекта (здания или сооружения) к приемке и последующей эксплуатации. Очевидно, что среди всех технологических процессов строительного производства доминирующими являются основные. В связи с этим рассмотрим их более подробно. К основным процессам относятся следующие виды работ: земляные, каменные, бетонные, монтажные, кровельные, отделочные. Земляные работы связаны с разработкой, перемещением и укладкой грунтов. Выполнение большого объема земляных работ возможно только при использовании высокопроизводительных строительных машин и средств механизации, применении рациональной технологии и организации строительных процессов. 275 Разработка грунта осуществляется тремя основными способами: механическим, гидромеханическим и взрывным. Применяются также комбинированные способы. При механическом способе (резании) массив послойно разрушается рабочим органом машины. Этот способ наиболее распространен, им выполняется около 80 % всего объема земляных работ. Грунты разрабатываются землеройными (одноковшовыми и многоковшовыми экскаваторами) и землеройно-транспортными машинами (скреперами, бульдозерами, грейдерами). Гидромеханический способ заключается в разрушении земляного массива потоками воды, поступающей из гидромониторной установки (при работе на суше) или всасываемой землесосным снарядом (при подводной разработке). Образующаяся смесь воды и грунта (пульпа) самотеком или по напорным трубопроводам направляется к месту укладки грунта в насыпь или отвал. Пульпа изливается на участках намыва, где скорость потока резко уменьшается и грунт осаждается, приобретая со временем плотную структуру. Осветленная вода сбрасывается через водоприемные колодцы за пределы зоны намыва. Достоинствами гидромеханического способа являются возможность полной механизации и автоматизации основных процессов разработки, транспортирования и укладки грунта, высокий уровень производительности труда при сравнительно низкой себестоимости работ. Взрывной способ разработки грунта заключается в разрушении земляного массива и перемещении разрушенной породы за счет энергии взрыва. Этот способ применяется при устройстве котлованов, траншей; рыхлении скальных и мерзлых грунтов; устройстве набивных свай; подготовке площадки для строительства; разрушении зданий и сооружений, намеченных к сносу, крупных камней; корчевке пней. Каменные работы, выполняют при устройстве фундаментов, стен и т.д. В зависимости от применяемых материалов каменные кладки подразделяют на следующие виды: бутовую — из природных камней неправильной формы; тесовую — из природных обтесанных или пиленых камней; кирпичную — из глиняного или силикатного кирпича; мелкоблочную — из мелких керамических и бетонных камней; крупноблочную — из крупных бетонных и керамических блоков. При каменных работах используются также поризованные силикатные камни, в том числе крупноформатные, предназначенные для кладки наружных стен. Такой камень превышает по размерам стандартный кирпич в 15 раз. Его прочностные ха276 рактеристики такие же, как у пустотного кирпича, а плотность — намного меньше. В последнее время при кладке стен применяются блоки из ячеистого бетона. Стены, выполненные из этого материала, экологически безопасны, отлично поглощают звук, имеют высокие теплотехнические показатели, что дает возможность возводить однослойные ограждающие конструкции и тем самым строить дома гораздо меньшей массы, чем кирпичные. Трудозатраты при кладке стен из ячеистых блоков намного ниже, чем при кирпичной кладке. Кладку производят рядами, связывая камни раствором. Зазоры между смежными камнями, заполненные раствором, называются швами. Технологический процесс каменной кладки состоит из основных и вспомогательных операций. К основным операциям относят подачу и раскладку кирпича или камней, подачу и разравнивание раствора, укладку кирпича или камней. Вспомогательными операциями являются установка порядовок (рейки с размеченными по высоте рядами кладки), причалок (крученый шнур, натянутый между двумя закрепленными в стене порядовками), перелопачивание раствора, проверка правильности кладки по уровню и отвесу. Каменную кладку выполняют звено рабочих, состоящее из каменщиков различной квалификации и подсобные рабочие, доставляющие материалы к месту ведения работ. Бетонные работы производятся при устройстве бетонных и железобетонных (сборных и монолитных) конструкций. Технологический процесс возведения зданий и сооружений из монолитного железобетона состоит из следующих взаимосвязанных процессов: • заготовительных (изготовление опалубки и арматурных изделий, приготовление бетонной смеси); • построечных (установка опалубки, монтаж арматуры, транспортирование бетонной смеси, укладка и уплотнение бетонной смеси, уход за бетоном, разборка опалубки). Опалубка (форма) для бетонирования бетонных и железобетонных конструкций должна соответствовать проектным очертаниям бетонируемого элемента, а ее прочность и жесткость — ■ быть достаточными для обеспечения неизменяемости размеров и восприятия постоянных и временных нагрузок. Опалубка бывает деревянной, металлической, деревометаллической, железобетонной, армоцементной, из синтетических или прорезиненных тканей. По конструктивным и функциональным признакам опалубку разделяют на разборно-перестав-ную, скользящую, подъемно-переставную, катучую, блок-фор277 мы, несъемную (неизвлекаемую). Выбор типа опалубки зависит от условий строительства, типа бетонируемых конструкций и сооружений. Опалубочные работы выполняют специализированные бригады или звенья. Работы по установке опалубки на строительной площадке называют опалубочными, а по ее разборке — распалубочными. Арматурные изделия (сетки, плоские и пространственные каркасы, блоки) изготовляются на специализированных заводах, а также в арматурных цехах на заводах сборного железобетона или крупных строительных площадках. Каркасы собирают непосредственно на объекте или на приобъектной сборнокомплектовочной площадке, а затем с помощью кранов устанавливают в конструкцию. Бетонную смесь, как правило, приготовляют централизованно — на бетонных заводах. Полученный бетон транспортируют автосамосвалами или автобетоновозами от места его приготовления к месту укладки. Бетонная смесь выгружается непосредственно на место укладки, в раздаточный бункер или особые приспособления, например в бадьи, которые подаются к местам бетонирования. Для подачи бетона к месту укладки применяют бетононасосы. Уплотнение бетонной смеси производится послойно глубинными шланговыми вибраторами, вибробулавами и поверхностными вибраторами. Забетонированную конструкцию предохраняют от воздействия ветра и прямых солнечных лучей, укрывают влагоемкими покрытиями из мешковины, опилок и систематически поливают. После достижения бетоном заданной прочности монолитные конструкции распалубливают. Монтажные работы — это индустриальный механизированный комплексный процесс возведения зданий или сооружений из готовых бетонных, железобетонных, асбестоцементных, деревянных, стальных и алюминиевых конструкций, блоков или объемных элементов. Технологический комплекс работ при монтаже зданий или сооружений состоит из следующих процессов: • транспортных (доставка, приемка, разгрузка и складирование конструкций); • подготовительных (проверка качества конструкций, такелажных средств и приспособлений, укрупнительная сборка конструкций и подготовка их к монтажу); • собственно монтажных (строповка, подъем, установка, закрепление конструкций и заделка стыков). 278 Способы монтажа зданий и сооружений зависят от их проектных решений, типа и грузоподъемности монтажных машин и степени технологичности строительных конструкций. Различают следующие основные способы монтажа: мелкоэлементный, при котором конструкцию собирают в проектном положении из отдельных деталей; поэлементный, при котором сборку ведут из конструктивных элементов; блочный — сборка из плоских или пространственных блоков. Наиболее широкое распространение получили поэлементный и блочный способы монтажа. Оборудование для монтажных работ подразделяется на такелажное (канаты, стропы, траверсы и другие захватные приспособления, тали, домкраты, лебедки) и крановое (башенные, козловые, стреловые самоходные краны и т.д.). Различают следующие методы монтажа: • свободный, предполагающий установку элементов без монтажных приспособлений и обеспечение точности монтажа путем визуального контроля; • ограниченно свободный — с применением специальных фиксирующих устройств и замковых сопряжений в элементах, обеспечивающих их направленное движение в момент установки в проектное положение; • полупринудительный — с применением монтажных приспособлений различного рода (кондукторов и манипуляторов), обеспечивающих требуемую точность установки элементов; • принудительный, при котором точность установки элементов обеспечивается не только замковыми соединениями и фиксирующими устройствами, но и за счет координированного и управляемого движения элемента во всем монтажном цикле. В настоящее время наиболее распространены ограниченно свободный и полупринудительный методы монтажа. Основными направлениями повышения эффективности монтажных работ являются: • применение новых легких индустриальных конструкций (трехслойных стеновых и кровельных панелей с эффективными утеплителями (стальных и алюминиевых), трубчатых конструкций покрытий) и синтетических герметиков для заделки стыков; • применение укрупненных унифицированных технологических конструкций высокой заводской готовности; • комплексная механизация и частичная автоматизация монтажных работ. Кровельные работы (монтаж кровли) в зависимости от используемых материалов осуществляются разными способами. Кровля бывает мягкой — из рулонных (рубероида) и мастичных 279 материалов (полимерных мастик) и жесткой - из листовых и штучных материалов (шифера, кровельной жести). Для изготовления мягкой кровли широко применяются мастичные материалы, представляющие собой жидко-вязкую однородную массу, которая после нанесения на поверхность и отвердения превращается в монолитное покрытие. Для улучшения прочностных характеристик мастичных кровель их нередко армируют стеклохолстом или стеклосеткой. Технологичность нанесения мастик механизированным (воздушным растворителем) или ручным способом (кистями, валиками) позволяет просто и надежно выполнять кровельные работы на поверхности практически любых форм и уклонов. Наряду с морально устаревшими материалами, такими как рубероид, шифер, кровельная жесть, выпускаются новые современные покрытия. Их можно применять не только для плоских, но и для сложных скатных кровель. Им можно придать любой цвет, они обладают улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками. К новым кровельным материалам относятся мягкая битумная черепица, бирепласт, айситекс, стеклоизол, металлочерепица, фальцевый металлический материал. Мягкую битумную черепицу называют кровельной плиткой, или гонтом. Она представляет собой небольшие плоские листы с фигурными вырезами по одному краю. Битумная черепица выполняет не только защитную функцию, но и эстетическую. Основа кровельной плитки — стеклохолст или стеклоткань с нанесенным на обе стороны окисленным или модифицированным битумом. На лицевую сторону нанесена минеральная краска, которая придает материалам разнообразные цветовые оттенки и защищает от климатических воздействий. Битумную черепицу можно применять для кровель любой сложности, формы и конфигурации. Основа бирепласта (ею может быть картон, стеклохолст, стеклоткань или полиэстер) пропитана битумом с полимерными добавками, что продлевает срок службы. В качестве основы айситекса используется каркасная стеклоткань и полиэфирное волокно, на которые наносится битумная пропитка с полимерными добавками. Стеклоизол — это рулонный материал, состоящий из стекловолокнистой основы, покрытой с двух сторон слоем битумного вяжущего вещества с минеральными наполнителями и пластификаторами. Металлочерепица — кровельные листы из оцинкованной стали с полимерным покрытием. Оцинкованная сталь сначала пассивируется (покрывается стеклянным слоем, предохраняю280 щим цинк от окисления), затем грунтуется (осуществляется нанесение связующего слоя). Далее с лицевой стороны стали наносится цветное полимерное покрытие, которое не только защищает материал от природных воздействий, но и украшает его, а с изнаначной — защитное. Металлочерепица не выгорает на солнце и не теряет своих свойств под воздействием температур в диапазоне от -50 до +120 °С. К основным достоинствам металлической кровли относятся: небольшой вес, простота монтажа, разнообразная цветовая гамма, длительный срок эксплуатации, экологическая безопасность, а также приемлемая цена. Фальцевый металлический материал — это рулонное кровельное покрытие из металла. Его производство доведено до технологического и конструктивного совершенства. Для современной фальцевой кровли используется оцинкованная сталь с полимерным покрытием. Этот материал долговечен, практически не подвержен коррозии, выдерживает любые климатические условия, не требует покраски, имеет широкую цветовую гамму, что расширяет возможность архитектуры и дизайна, легок. Рулонная технология производства металлической кровли находит в настоящее время все большее применение. Отделочные работы включают в себя комплекс процессов по приданию поверхностям конструкций внешнего вида, соответствующего техническим, эксплуатационным, эстетическим требованиям. Они являются завершающим этапом строитель-, ства и во многом определяют себестоимость, сроки и ритмич-, ность сдачи в эксплуатацию зданий и сооружений. В зависимости от объемов и организации производства отделочных работ, степени заводской готовности отделываемых поверхностей малярно-строительные работы составляют до 25 % стоимости надземной части зданий, 13— 20 % трудоемкости всех строительно-монтажных работ. На строительной площадке выполняют следующие разновидности отделочных работ: стекольные, штукатурные, облицовочные, малярные, обойные, работы по устройству полов. При производстве стекольных работ в зависимости от назначения конструкции и замысла архитектора используют различные виды стекла (подробнее см. подпараграф 10.3.3). Для устройства светопрозрачных перегородок, стен и покрытий применяют стеклоблоки, стеклопакеты и стеклопрофилит. При выполнении стекольных работ все большую популярность приобретают стеклопакеты с рамами из иоливинилхлори-да и алюминия, имеющие герметичную воздушную камеру между стеклами. Такие стеклопакеты обладают повышенной; тепло- и звукоизоляцией. 281 Штукатурные работы — нанесение раствора в пластичном состоянии на поверхность строительной конструкции для придания ей защитных и декоративных свойств. Образовавшийся после затвердевания раствора слой называется штукатуркой. Штукатурка используется для получения ровных, гладких или рельефных наружных и внутренних поверхностей; создания защитного слоя, способствующего уменьшению теплопроводности и звукопроводности, защите от сырости, выветривания, непосредственного действия огня и других физико-химических и механических воздействий. В строительстве применяют мокрую (многослойную и однослойную) и сухую (отделку листами) штукатурку. Мокрая штукатурка является монолитной, выполняемой из штукатурных растворов. Такая отделка очень трудоемка, что часто оказывает решающее действие на темпы строительства. Более эффективный метод выполнения штукатурных работ — облицовка внутренних поверхностей листами сухой штукатурки, значительно снижающая трудоемкость штукатурных работ. Промышленное осуществление штукатурных работ взаимосвязано с улучшением их технологичности, применением комплексной механизации, что дает возможность повысить производительность труда, уменьшить трудоемкость работ. Для приготовления растворов применяют растворосмесители, для нанесения их на поверхности — растворонасосы, штука-турносмесительные агрегаты, для затирки — штукатурно-за-тирочные машины. Облицовочные работы. При облицовке различных поверхностей используется широкий ассортимент материалов, который с каждым годом расширяется. Можно комбинировать пластмассы и листы различных цветов, создавать изоляционный слой или воздушную вентиляционную прослойку. Для выполнения облицовочных работ применяются следующие виды материалов: • па основе минеральных вяжущих: гипсовые (гипсокар-тонные листы и плиты обычные и с декоративной отделкой поверхности, акустические плиты); асбоцементные (плитки с декоративной отделкой, акустические плиты); бетонные фасадные плиты; известковые вяжущие (силикатные материалы); • керамические: фасадные плитки (используются для облицовки наружных стен каменных зданий, наружных поверхностей стеновых панелей, крупных блоков), плитки для внутренней облицовки; • на основе глушенного стекла: стеклянные коврово-мозаич-ные плитки; стекломрамор; облицовочные плитки (для кухонь, санитарных узлов, бань, душевых, лечебных учреждений); об282 лицовочные листы и плиты из шлакоситалла; марблит (плоское глушенное стекло для внутренней облицовки жилых, общественных и промышленных помещений, медицинских учреждений, магазинов), стемалит (плоское стекло, покрытое с одной стороны эмалевой краской и термоупрочненное, применяемое для облицовки фасадов жилых, общественных и промышленных зданий, к которым предъявляют повышенные архитектурно-художественные и санитарно-гигиенические требования); • спеченные: стеклокерамзит (используется для облицовки внутренних и наружных поверхностей стен в общественных и производственных зданиях); стеклокерамит, стеклокристал-лит, порокремнезит, пенодекор (декоративно-облицовочные материалы); смальта (кусочки цветного глушенного стекла для мозаичных работ); • из полимеров и пластмасс: рулонные материалы, плитки, листовые материалы, мастики, профильные изделия и др. Облицовочные процессы трудоемки, требуют значительных сроков выполнения и выдерживания перед эксплуатацией. Малярные работы — отделка внутренних и внешних поверхностей зданий и сооружений различными малярными и лакокрасочными материалами, которые в жидком виде наносятся на отделываемые поверхности тонкими слоями и образуют после высыхания и отвердения пленку, имеющую прочное сцепление с основанием. При производстве малярных работ отделку поверхностей осуществляют слоями (грунтовка, подмазка, шпаклевка, окраска и покровный слой). Жидкий грунтовый состав закрывает все мелкие поры поверхности, густая подмазка заполняет отдельные дефекты и углубления, шпаклевка выравнивает поверхность и улучшает внешний вид последующей окраски, окрасочные слои дают цветовую отделку плоскостей, а покровный слой защищает окрасочные и придает им блеск. Лакокрасочные материалы можно разделить на красочные составы (масляные и эмалевые краски), лаки и вспомогательные материалы (шпатлевки, грунтовки, замазки, растворители, разбавители и сиккативы). Лакокрасочные покрытия классифицируют по следующим признакам: • по назначению: технические (для предохранения окраши ваемых конструкций от коррозии, загнивания, поглощения влаги, возгорания, действия химических веществ), санитарные (для создания в помещениях должного санитарного состояния, поддержания в них чистоты), декоративные (для архитектур но-художественной отделки зданий, сооружений или его от дельных помещений); 283 • воздействию окружающей среды: наружные и внутренние; • категориям качества: простые (для отделки поверхностей подсобных, складских и других второстепенных помещений и временных строений), улучшенные (для отделки жилых, гражданских и промышленных зданий и сооружений), высококачественные (для отделки основных помещений в клубах, театрах, вокзалах, административных и других сооружений общественного назначения); • оптическим свойствам: непрозрачные цветные и прозрачные цветные; • стойкости к воздействию воды: неводостойкие и водостойкие. При производстве малярных работ применяются новейшие модели механизмов и оборудования, например установки для гидродинамического нанесения малярных составов, механизмы для нанесения малярных и окрасочных составов в электростатическом поле и др. Обойные работы относятся к внутренней отделке (изменяющей внутренний облик пространства). Каждый год появляются новые виды обоев. Наиболее широко применяются бумажные и виниловые. М о ю щ и е с я обои — бумажные обои, лицевая поверхность которых покрыта тонким слоем синтетической смолы. В качестве покрытия используется поливинилацетатная эмульсия (ПВЭА), которую наносят на готовые обои. Т е к с т и л ь н ы е о б о и представляют собой бумажное полотно, ламинированное нитями из натуральных или смешанных волокон либо натуральной тканью. Они характеризуются повышенными теплоизолирующими и шумопоглощающими свойствами, светостойкостью. Содержащиеся в них льняные волокна обладают бактерицидными свойствами. В е л ю р о в ы е обои — бумажные полотна, на которые в процессе производства сначала наносится рисунок, а затем велюровые ворсинки. В результате образуется мягкая бархатная поверхность. « Ж и д к и е » обои позволяют создать гладкие или рельефные покрытия без швов. В состав покрытия могут входить хлопок, целлюлоза, текстильные волокна. «Жидкие» обои разводят водоэмульсионной краской и наносят валиком или краскопультом на бетонные, гипсокартонные поверхности, не имеющие значительных дефектов (сколов, отверстий). С т е к л о о б о и — материал, основу которого составляют волокна, полученные из специального стекла путем продавли-вания стекломассы через фильтры при 1200 °С. Эти волокна 284 формируют в пряжу и ткут, в результате чего получают тканевое полотно с различным рисунком. П р о б к о в ы е обои производятся из коры пробкового дуба горячим прессованием при 360—400 °С. Из пробки при этом выделяются клеящиеся вещества, которые образуют клеевую сторону. Пробковые обои обладают антибактериальными свойствами. М е т а л л и ч е с к и е о б о и изготовляются путем покрытия бумажной основы тонким слоем фольги. После этого на поверхность обоев наносится тиснение или рисунок. «Металлическая» поверхность таких обоев износоустойчива и хорошо моется. Для их наклеивания необходим особый дисперсионный клей. В настоящее время производятся новые виды специальных обоев, например, пожаростойкие (со специальной пропиткой) и объемные (с использованием вспененного полимера, который позволяет обоям выполнять очень полезную функцию теплозащиты стен). Работы по устройству полов. Существует огромный ассортимент материалов для покрытия полов. Широко распространенным в нашей стране материалом для пола является древесина; около 50 % всех «теплых» полов составляют дощатые и паркетные полы. Они просты в устройстве, имеют хорошие теплотехнические качества. В настоящее время распространена укладка полов из рулонных, плиточных материалов и материалов для устройства бесшовных полов. Рулонные материалы и плитки изготовляют на основе различных полимеров и наполнителей. К ним относятся линолеу-мы (алкидный, глифталевый, поливинилхлоридный, кумаро-новый, фенолитовый, резиновый) и плитки на их основе. Материалы для устройства бесшовных полов производят на основе полимерных материалов; они наиболее гигиеничны и удобны в эксплуатации, обладают высокой прочностью на истирание. Одними из наиболее интересных и перспективных строительных материалов являются так называемые «наливные». Процесс выравнивания цементного основания под линолеумное или другое покрытие с помощью обычного раствора весьма трудоемок, однако значительно упрощается, если имеется легко растекающийся раствор, который при выливании практически самостоятельно образует идеально гладкую, горизонтальную, прочную и долговечную поверхность, Такой материал и называется «наливным» или «самовыравнивающимся полом». Все большую популярность приобретают ламинированные полы, которые отличаются высокой прочностью, износостойкостью, 285 простотой в установке, удобством эксплуатации, а также ворсовые ковры из рулонных синтетических и натуральных материалов, которые улучшают звукоизоляционные свойства пола. С появлением новых технологий получила второе рождение традиционно применявшаяся в строительстве система устройства чернового пола, так называемого «пола по лагам». Применение пластиковых лаг, прикрепленных с зазором к бетонному основанию болтами-стойками, позволяет разместить под полом практически все коммуникации, начиная с канализации, отопления и водопровода и заканчивая электропроводкой. Кроме того, с помощью регулируемых лаг пол можно выровнять практически с любой необходимой точностью, подкручивая болтыстойки. Следует отметить, что описанные выше разновидности отделочных работ являются традиционными. Промышленное домостроение существенно изменяет объем и характер отделочных работ, все большая часть их переносится со строительной площадки на заводы по изготовлению конструкций. Изменяется процесс выполнения фасадных отделочных работ. Панели наружных стен поступают с завода либо офактуренные декоративным бетоном, либо облицованные керамическими плитками и только в исключительных случаях — с гладкой бетонной поверхностью, требующей окраски на строительной площадке. Значительно сокращает сроки и трудоемкость отделочных работ перенесение в заводские условия операций по подготовке и окраске поверхности столярных изделий (оконных переплетов и дверных полотен). При выполнении малярных работ широко практикуется отделка поточным и поточно-конвейерным методами, организована централизованная заготовка малярных составов, а сами работы выполняются с применением ручного механизированного инструмента. При возведении жилых и общественных зданий все шире используются такие облицовочные материалы, как туф, известняк, гранит, мрамор и др., которые имеют высокую прочность и долговечность, обеспечивающие низкий уровень затрат на эксплуатацию. Расширяется сфера применения алюминиевых конструкций и полуфабрикатов путем создания новых конструктивнооблицовочных материалов с разнообразными защитнодекоративными полимерными, лакокрасочными, эмалевыми и электротехническими покрытиями. Основными направлениями научно-технического прогресса в производстве отделочных работ является внедрение новейших материалов, а также модернизированных, улучшенных 286 видов механизмов и приспособлений для выполнения различных видов работ. В строительстве уровень затрат живого и прошлого труда во многом зависит от того, каким способом и с помощью каких технических средств производится работа. Способы и средства осуществления строительных работ разнообразны. Для того чтобы выбрать наиболее эффективный вариант выполнения работ, каждый из них оценивают с помощью технико-экономических показателей, характеризующих затраты времени, труда и средств. Основными технико-экономическими показателями эффективности строительного производства являются: • продолжительность работ, выраженная в рабочих днях; продолжительность постройки здания, строительного процесса, работы машин и т.д.; • трудоемкость работ, выраженная в человеко-днях, общие затраты труда или трудоемкость (затраты труда на единицу строительной продукции, например на 1 м2 жилой площади, на 1 м3 строительного объема здания и т.д.); • стоимость производства, выраженная в рублях; стоимость работ в целом или стоимость единицы строительной продукции (например, 1 м3 строительного объема, монтаж 1 т металлических конструкций и т.д.). В зависимости от характера сравниваемых вариантов проектных решений основные показатели могут быть дополнены частными: затратами времени на единицу строительной продукции; выработкой одного рабочего в час, день, год, измеряемой в единицах строительной продукции либо в рублях; показателями выполнения норм выработки в процентах; показателями использования машин во времени, по грузоподъемности; производительностью машины, стоимостью машшю-смены и т.д. 10.3. Основы технологии важнейших строительных материалов 10.3.1. Классификация и свойства строительных материалов Строительные материалы и изделия классифицируют по ряду признаков: • по происхождению (природные, или естественные (гранит, песок и др.) и искусственные (керамика, стекло и др.); • по химическому составу (минеральные (металлы и сплавы на их основе, цемент и т.д.) и органические (древесина, полимеры и т.д.); 287 • по назначению (конструкционные, вяжущие, отделочные, теплоизоляционные, для полов, для остекления и др.). Как правило, минеральные материалы отличаются высокой плотностью, прочностью, морозостойкостью, химической и огнестойкостью. Коэффициент теплопроводности таких материалов выше, чем органических. Их применяют для изготовления конструкционных элементов и деталей. Органические материалы, за исключением древесных, в большинстве случаев не обладают высокой прочностью и огнестойкостью, поэтому их используют в качестве теплоизоляционных, отделочных, кровельных. Основные свойства строительных материалов условно можно разделить на несколько групп. К первой группе относятся их физические свойства: плотность и пористость. Плотность (р, кг/м3) — величина, определяемая отношением массы материала к занимаемому им объему. Пористость характеризуется отношением объема пор к общему объему материала. Она существенно влияет на эксплуатационные и теплотехнические свойства материала. Пористость строительных материалов колеблется в очень широких пределах — от О (сталь, стекло) до 90 % (плиты из минеральной ваты). Вторую группу составляют эксплуатационные свойства, характеризующие устойчивость материала в условиях эксплуатации в зданиях и сооружениях. К ним относят главным образом следующие свойства: водопоглощение, гигроскопичность, водопроницаемость, морозостойкость. Водопоглощением называется степень насыщения материала водой. Водопоглощение определяют как отношение разности масс образца материала, насыщенного водой, и абсолютно сухого к массе сухого образца (в процентах). Водопоглощение различных строительных материалов колеблется в очень широких пределах. Например, водопоглощение глиняного обыкновенного кирпича составляет 8—20 %, керамических плиток — не выше 2 % , тяжелого бетона — около 3 % , гранита — 0,5—0,7 % и т.д. Гигроскопичность — способность строительных материалов поглощать влагу из окружающей среды (обычно пары воды из воздуха). Гигроскопичность различных строительных материалов, как и водопоглощение, колеблется в очень широких пределах. Водопроницаемостью называется способность материала пропускать воду под давлением. Водонепроницаемость зависит от плотности и строения материалов. Особо плотные материалы (например, стекло), а также материалы с замкнутыми мелкими 288 порами водонепроницаемы. Водопроницаемость характеризуется массой (объемом) воды, прошедшей за 1 ч через участок поверхности материала площадью 1 см2 при постоянном давлении. Морозостойкость — способность материалов, насыщенных водой, выдерживать многократное переменное замораживание и оттаивание без признаков разрушения и значительного понижения прочности. Морозостойкость материала характеризуется количеством циклов попеременного замораживания и оттаивания. К третьей группе относятся механические свойства строительных материалов: прочность, твердость, истираемость и др. Прочность — способность материала противостоять разрушению при внешних воздействиях. На конструкции воздействуют силы тяжести тех элементов, которые они несут, температурные деформации деталей, давление ветра, воды и др. В зависимости от характера нагрузки в материале возникают деформации растяжения, сжатия, изгиба, сдвига (среза). Обычно предел прочности материалов выражается в мегаиаскалях: например, торфяных плит — 0,5 МПа, стали — 500—1500 МПа. Предел прочности строительного кирпича при сжатии составляет 7,5—30 МПа, а при изгибе — 1,5—40 МПа. Твердостью называется способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого постороннего тела (индентора) в виде шарика, конуса или пирамиды. Она характеризуется отношением нагрузки к площади отпечатка, оставленного индентором, или глубиной внедрения индентора. Твердость большинства строительных материалов пропорциональна их прочности. Истираемость — способность материала противостоять изнашиванию при трении. Характеризуется она потерями массы образца в течение некоторого времени. Истираемость материала зависит от его твердости. Твердость и истираемость являются одними из основных характеристик тех материалов, которые подвергаются трению (материалы для полов, лестниц и т.д.). В четвертую группу объединены теплотехнические свойства строительных материалов, важнейшими из которых являются теплопроводность, огнестойкость и огнеупорность. Теплопроводностью называется способность материала передавать тепловой поток, возникающий вследствие разности температур па поверхностях, ограничивающих материал. Теплопроводность — одна из основных характеристик материалов, используемых при устройстве ограждающих конструкций зданий (наружных стен, покрытий и т.д.), и в особенности теплоизоляционных материалов. Она зависит от степени пористости 289 материала, характера пор, влажности, плотности и средней температуры, при которой происходит передача теплоты. Огнестойкость — способность материалов выдерживать без разрушения действие высоких температур. По огнестойкости строительные материалы делятся на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Несгораемые материалы в открытом пламени или при высокой температуре не воспламеняются, не тлеют и не обугливаются; трудносгораемые с трудом воспламеняются, тлеют и обугливаются, горение (тление) таких материалов продолжается только при наличии источника огня, а после его удаления прекращается. Сгораемые материалы воспламеняются или тлеют и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня. Огнеупорность — свойство материала противостоять длительному воздействию высоких температур, не расплавляясь. В пятую группу входят химические свойства, характеризующие способность строительных материалов быть химически стойкими в различных средах, не вступая с ними во взаимодействие. К важнейшим химическим свойствам относят коррозионную стойкость, окисляемость, кислотостойкость и др. Иногда также выделяют так называемые технологические свойства строительных материалов, которые характеризуют способность материала подвергаться обработке при изготовлении из него строительных изделий. 10.3.2. Основы технологии керамики Технология керамики — наука о совокупности технологических методов и последовательности выполнения процессов изготовления керамических изделий, их практическом воплощении. Керамика (гр. keramike — гончарное искусство < keramos — глина) — искусственные изделия и материалы, полученные спеканием глин и их смесей с минеральными добавками. Керамические изделия характеризуются хорошими эксплуатационными, механическими, химическими свойствами. Эти свойства обусловливают долговечность керамических изделий в строительных конструкциях. Вместе с тем керамические изделия имеют следующие недостатки: сравнительно высокие плотность и теплопроводность. Керамика является самым древним из искусственных материалов. Ее технология в последнее время бурно развивается — на керамической основе создаются так называемые композиционные материалы (см. подробнее параграф 15.1). 290 Основными классификационными признаками керамических изделий являются их структура и назначение. По структуре керамика может быть: • грубая (главным образом строительная керамика); • тонкая с однородной мелкозернистой структурой (главным образом фарфор); • пористая с мелкозернистой структурой (фаянс, майолика и др.); • высокопористая (теплоизоляционные керамические мате риалы). По назначению керамику подразделяют на следующие группы: • строительная (кирпич, панели, перекрытия, черепица, облицовочные плитки и др.); • бытовая (посуда, художественные изделия и др.); • санитарно-техническая (умывальники, ванны, унитазы и др.); • химически стойкая (трубы, детали химической аппаратуры); • электротехническая, радиотехническая (например, керамические конденсаторы и изоляторы); • теплоизоляционная (пенокерамика, ячеистая керамика и др.); • огнеупорная (например, шамотный кирпич для футеровки печей, вагранок); • керамика для подземных коммуникаций (канализационные и дренажные трубы); • заполнители легких бетонов (например, керамзит, аглопорит). Сырьевые материалы, используемые для производства керамических изделий, подразделяют на пластичные и непластичные. Основным пластичным материалом является глина — осадочная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды и др.). Разновидности глины выделяют по преобладанию того или иного глинистого минерала. Главные компоненты глины: ЭЮг (30— 70 %), А1203 (10—40 %) и Н20 (5—10 %). Основными непластичными материалами являются: отощающие материалы — песок, шлак (для снижения пластичности и усадки глин); флюсы — мрамор, доломит (для снижения температуры спекания глин); порообразующие материалы — мел, древесные опилки, зола (для снижения теплопроводности); специальные добавки (например, красители). Вне зависимости от вида и назначения керамических изделий в технологии керамики выделяют следующие основные стадии: • карьерные работы; 291 • подготовка глиняной массы; • формование изделий; • сушка отформованных изделий; • обжиг высушенных изделий; • поверхностная обработка керамических изделий. Керамические заводы, как правило, строятся вблизи месторождений глины, поэтому карьер является составным элементом структуры предприятия. Карьерные работы включают в себя добычу глины, транспортирование и хранение ее запаса на зимний период, когда добыча глины не производится. Таким образом, на данной стадии используются преимущественно механические процессы (см. подпараграф 4.2.1). Подготовка глиняной массы заключается в разрушении естественной структуры глины, удалении твердых каменистых включений, измельчении и увлажнении для получения однородной массы с требуемыми формовочными свойствами. На этой стадии используются в основном механические и гидромеханические процессы (см. подпараграфы 4.2.1, 4.2.2). В зависимости от свойств исходного сырья и вида изготовляемой продукции различают следующие способы подготовки глиняной массы: полусухой, пластический и мокрый (шликерный). При полусухом способе сырьевые материалы после предварительного дробления выдерживают в сушильном барабане (до остаточной влажности 6—8 %), затем измельчают, просеивают, увлажняют (до влажности 8—12 %) и тщательно перемешивают. Полусухой способ подготовки глиняной массы используется в основном при производстве плитон для облицовки стен, иолов. При п л а с т и ч е с к о м способе подготовки глиняной массы исходное сырье дробят, тонко измельчают и увлажняют до получения однородной пластичной массы влажностью 18—22 %. Этот способ применяется при производстве глиняного кирпича, черепицы, труб. При шликерном способе подготовки глиняной массы высушенные сырьевые материалы измельчают в порошок и смешивают с водой до получения однородной массы — щдикера, который используют для получения изделий способом литья (санитарно-технические изделия, декоративная керамика и др.). Формование заключается в придании керамическим изделиям требуемых формы и размеров. При полусухом и пластическом способах подготовки глиняной массы оно осуществляется преимущественно на прессах, при шликерном — в заранее подготовленных гипсовых формах методом литья. При производстве бытовой керамики в условиях единичного 293 производства используется вращающийся вокруг вертикальной оси гончарный круг, на котором формование осесиммет-ричных изделий осуществляется методом пластической деформации (под действием пальцев рук). Сушка — обязательная промежуточная стадия технологического процесса производства керамических изделий, по своей сущности являющаяся массообменным процессом (см. подпа-раграф 4.2.4). Если сырые изделия сразу после формования подвергнуть обжигу, то они растрескаются. Сушка в естественных условиях производится на стеллажах в помещениях или под навесами вне их. При серийном и массовом производстве ускорение процесса сушки керамических изделий достигается путем использования либо камерных сушилок периодического действия, либо туннельных сушилок непрерывного действия. По мере удаления влаги при сушке частицы материала сближаются и происходит его усадка. Для получения высококачественных изделий процесс сушки должен осуществляться по строгому режиму согласно определенному графику в зависимости от вида керамических изделий. Продолжительность процесса сушки составляет от 24 ч до 3 сут. Изделия необходимо высушить до остаточной влажности, не превышающей 5 %, во избежание неравномерной усадки и растрескивания при обжиге. Обжиг является наиболее ответственной стадией производства керамических изделий, так как в процессе обжига формируется их структура, определяющая наиболее важные свойства изделий: прочность, водостойкость, морозостойкость и др. В процессе обжига происходят сложные физико-химические превращения в исходном материале (см. параграф 4.3). Обжиг производят преимущественно в туннельных печах непрерывного действия, в которых навстречу изделиям, перемещаемым вагонетками, подаются дымовые газы. Условно печь делят на три зоны — подогрева, обжига_и охлаждения. Вначале происходит досушивание керамических изделий дымовыми газами, отходящими из зоны обжига (при 100—200 °С). При температуре 200— 800 ° С выделяется летучая часть органических примесей глины и выгорающих добавок, введенных в состав исходной сырьевой смеси. В интервале температур 550—800 ° С происходят дегидратация (полное обезвоживание) глинистых минералов и удаление химически связанной воды. При этом разрушается кристаллическая решетка наиболее легкоплавких глинистых минералов, и глина теряет пластичность. Легкоплавкие составляющие глины расплавляются, и частицы глины в местах их контакта сближаются, происходит усадка изделий. Дальнейший подъем температуры до максимальной обусловливает существенные необратимые изменения 293 в структуре керамики: глина необратимо переходит в камне-видное состояние. После достижения максимальной температуры обжига изделия подвергают изотермической выдержке для выравнивания температуры по всей их толщине. Последующее охлаждение ведут очень медленно, постепенно снижая температуру до 500—600 °С. Затем вагонетки с изделиями обдувают холодным воздухом. Поверхностная обработка керамических изделий предназначена главным образом для придания им привлекательного вида, декорирования и повышения стойкости к внешним воздействиям. При этом поверхность некоторых керамических изделий перед обжигом покрывают глазурью — стекловидным покрытием толщиной 0,15—0,3 мм. В целом процесс производства керамических изделий (например, керамического кирпича) условно может быть представлен в виде блок-схемы (рис. 10.1). Для технологии керамики характерны высокая энергоемкость и капиталоемкость производства и в то же время высокий уровень его механизации и автоматизации. Основными направлениями развития технологии керамики являются следующие: • улучшение технологии производства керамических изделий за счет совершенствования процессов подготовки, сушки и обжига, разработки эффективных методов формования, использования малоотходных и энергосберегающих процессов (революционное развитие технологии); • увеличение единичных мощностей используемого оборудования и создание непрерывных технологических линий по производству керамических изделий (эволюционное развитие технологии); 294 • повышение уровня механизации и автоматизации трудо емких стадий производства керамических изделий (рационадиетическое развитие технологии). 10.3.3. Осповы технологии стекла Технология стекла — наука о совокупности технологических методов и последовательности выполнения процессов изготовления стекла и изделий на его основе, практическом их воплощении. Стекло — твердый аморфный, прозрачный в той или иной области оптического диапазона (в зависимости от состава) материал, полученный при переохлаждении расплава, содержащего стеклообразующие компоненты (оксиды Si, В, Al, P и т.д.) и оксиды металлов (Li, К, Mg, Pb и т.д.). Изделия из стекла характеризуются высокими механической прочностью и твердостью, химической стойкостью, водо- и газонепроницаемостью, отличными оптическими свойствами» что обусловливает высокую долговечность стеклянных изделий в строительных конструкциях. Вместе с тем существенными недостатками изделий из стекла являются их повышенная хрупкость, сложность механической обработки и опасность порезов и травм осколками стекла. Стекло, как и керамика, является одним из древнейших искусственных материалов. Его технология в последнее время бурно развивается — создаются так называемые ситаллы, а также стекловолоконная оптика. Основным классификационным признаком изделий из стекла является их назначение. По данному признаку стеклянные изделия подразделяют на следующие группы: • бытовое стекло (посуда, художественные изделия, имитации под драгоценные камни в бижутерии, хрусталь, стеклотара и др.); • техническое стекло (изоляторы, стеклоткань, триплекс, сталинит, оптическое стекло и др.); • строительное стекло. В свою очередь, строительное стекло подразделяется на следующие основные подгруппы: • изделия и материалы для заполнения проемов зданий и сооружений (листовое стекло — оконное, витринное, армированное, узорчатое, увиолевое и др.; стеклопакеты); • материалы и изделия для строительных конструкций (стекло профильное, стеклоблоки и др.); 295 • облицовочные и отделочные материалы (плитки стеклянные облицовочные, коврово-мозаичные, марблит, стемалит, смальта); • теплоизоляционные материалы (пеностекло, стекловолокно, стекловата и др.). Сырьевые материалы, используемые для производства стеклянных изделий, подразделяют на главные и вспомогательные. Главные сырьевые материалы — это основные компоненты стекла: кремнезем (оксид кремния), глинозем (оксид алюминия), а также оксиды натрия, калия, кальция, магния и др. Главные сырьевые материалы предопределяют потребительские свойства стекла и вводятся в стекломассу главным образом в виде природных соединений. В частности, кремнезем, являющийся основным стеклообразующим компонентом, вводится в стекломассу в виде специально подготовленного кварцевого песка. Вспомогательные сырьевые материалы вводятся в стекломассу для придания стеклу особых свойств или улучшения технологии его производства. Вспомогательные сырьевые материалы по своему назначению подразделяют па следующие группы: • ускорители варки стекла — для снижения температуры процесса и увеличения скорости образования стекломассы (фтористые соединения); • осветлители — для освобождения стекломассы от газовых пузырей (хлористый натрий, селитра и др.); • обесцвечиватели — для предотвращения окрашивания стекла (селитра, сульфат натрия и др.); • глушители — для получения непрозрачного стекла (соединения фтора и фосфора); • красители — для окрашивания стекла в различные оттенки (соединения кобальта, хрома, марганца, урана, железа, серебра). Кроме того, в состав смеси вводят также стеклобой. Вне зависимости от вида и назначения стеклянных изделий в технологии стекла выделяют следующие основные стадии: • подготовка сырьевых материалов; • приготовление стекольной шихты; • варка стекла; • формование (выработка стекла); • термическая обработка. Подготовка сырьевых материалов включает в себя следующие основные процессы: предварительное дробление, сушку, тонкое измельчение, классификацию по размерам частиц. Таким образом, на данной стадии используются преимущественно механические и тепловые процессы (см. подпараграфы 4.2.1, 4.2.3). 296 Приготовление стекольной шихты включает в себя следующие основные процессы: дозирование исходных материалов, их тщательное перемешивание для получения однородной смеси исходных компонентов — шихты, брикетирование и гранулирование шихты. Благодаря этим процессам устраняются пыление и расслаивание шихты, ускоряется процесс варки стекла. На этой стадии используются в основном механические процессы (см. подпараграф 4.2.1). Варка стекла (стекловарение) — основная и самая сложная стадия в производстве стекла. По своей сущности это совокупность высокотемпературных химических процессов (см. параграф 4.3). Процесс варки стекломассы условно подразделяют на следующие этапы: силикатообразование, стеклообразова-ние, гомогенизация, студка. В ходе с и л и к а т о о б р а з о в а н и я (при температуре около 400 ° С) начинаются химические реакции в твердой фазе с образованием плотного монолитного спека. При дальнейшем подъеме температуры (до 1000 °С) силикаты расплавляются, начинается стадия с т е к л о о б р а з о в а - н и я, в ходе которой образуется неоднородный, приобретающий прозрачность расплав исходных компонентов и продуктов их химического взаимодействия, а также выделяются газообразные продукты реакции, удаляемые из расплава. Удаление газовых пузырьков ускоряется путем введения осветлителей, перемешивания стекломассы, воздействия ультразвука. На стадии гомогенизации (1400—1600 °С) обеспечивается химическая однородность стекломассы, получается стекло требуемого состава и свойств. Студка представляет собой процесс охлаждения стекломассы до температур, при которых она имеет вязкость, оптимальную с точки зрения выбранного способа выработки изделий из стекла. Варка стекла осуществляется в специальных стекловаренных печах периодического или непрерывного действия. Производительность современных стекловаренных печей может доходить до 600 т стекломассы в сутки, а их размеры — до 70 м длины, 10 м ширины и 1,5 м глубины. В качестве топлива в абсолютном большинстве случаев используется природный газ, подаваемый в пространство печи через специальные грелки. Охлажденная до необходимой температуры выработки стекломасса поступает на стадию формования изделий. В зависимости от вида получаемой продукции в настоящее время используют следующие способы выработки стекла: • вытягивание и прокат (например, производство листового стекла); 297 • прессование (например, производство сплошных изделий в заранее подготовленных пресс-формах); • литье (например, производство полых изделий в литейных формах); • выдувание, когда форма изделию придается с помощью сжатого воздуха; • сварка, когда изделие состоит из двух и более деталей. Кроме того, возможно комбинирование вышеперечислен ных способов. В последнее время для производства полированного листового стекла используют так называемый флоат-процесс, когда гладкая лицевая поверхность стекла формируется на поверхности расплавленного олова. Таким образом, при формовании изделий из стекла используют сочетание механических и температурных воздействий с целью получения требуемых формы и размеров. Термическая обработка является заключительной стадией в производстве изделий из стекла. В большинстве случаев стеклянные изделия подвергают отжигу — нагреву до температуры, которая на 20 ° С ниже температуры размягчения стекла (400— 600 °С) и последующему медленному охлаждению. Отжиг снимает внутренние напряжения, возникшие в выработанном изделии из-за неравномерности охлаждения его наружных и внутренних слоев, и тем самым уменьшает вероятность разрушения изделия под действием незначительных механических нагрузок. В целом процесс производства стеклянных изделий условно может быть представлен в виде блок-схемы (рис. 10.2). Основными направлениями развития технологии стекла являются следующие: • улучшение технологии производства стеклянных изделий за счет совершенствования процессов подготовки сырьевых материалов и приготовления стекольной шихты, варки стекла, разработки эффективных методов формования, использования малоотходных и энергосберегающих процессов (революционное развитие технологии); • увеличение единичных мощностей стекловаренных печей и создание непрерывных технологических линий по производству стеклянных изделий (эволюционное развитие технологии); • повышение уровня механизации и автоматизации трудоемких стадий производства стеклянных изделий, особенно на стадиях формования и окончательной обработки готовых стеклянных изделий (рационалистическое развитие технологии). 10.3.4. Основы технологии бетона и железобетона Технология бетона и железобетона — наука о совокупности технологических методов и последовательности выполнения процессов изготовления бетонных и железобетонных изделий, практическом их воплощении. Бетон — искусственный каменный материал, получаемый в результате твердения смеси, состоящей из вяжущего вещества, заполнителей, специальных добавок и воды. Железобетон — строительный материал, в котором соединены в монолитное целое затвердевший бетон и стальная арматура. Бетонные и железобетонные изделия характеризуются достаточно высокой прочностью, которая зависит от вида используемого вяжущего вещества, заполнителя, добавок, качества используемой воды, степени уплотнения бетонной смеси, условий твердения. Прочность железобетонных изделий более высокая, чем бетонных. Это обусловливается тем, что бетон при затвердевании прочно сцепляется со стальной арматурой, и под действием внешних сил оба материала работают совместно благодаря тому, что имеют близкие по значению коэффициенты температурного расширения в интервале температур до 100 °С. При этом бетон воспринимает сжимающие усилия, а арматура — растягивающие. 299 Бетонные и железобетонные изделия отличаются также достаточно высокими морозостойкостью и водонепроницаемостью, огнестойкостью и долговечностью. Пористость бетона может регулироваться благодаря использованию различных заполнителей, а также специальных добавок — порообразователей (пено- и газообразующие добавки). Очевидно, что с пористостью непосредственно связаны плотность и теплопроводность бетона. К недостаткам изделий из бетона и железобетона относят большую плотность (конструкции получаются достаточно массивными), повышенную по сравнению с другими строительными материалами тепло- и звукопроводность. Тем не менее, бетон и железобетон достаточно технологичны, что обусловливает достаточно широкое применение этих материалов и изделий на их основе в строительном производстве. Основным показателем качества бетона является прочность при сжатии, по которой устанавливается марка бетона. Бетон и железобетон являются сравнительно новыми строительными материалами, поэтому технология бетона и железобетона в последнее время бурно развивается в направлении создания бетонополимерных композиций (см. подробнее параграф 15.1), а также предварительно напряженных железобетонных конструкций. Основными классификационными признаками строительных бетонов являются назначение, вид вяжущего, плотность, размеры заполнителя, структура. По назначению бетоны подразделяются на конструкционные (используемые при приготовлении строительных изделий и конструкций, работающих в обычных условиях) и специальные (гидротехнический, теплоизоляционный, жаростойкий, кислотоупорный, дорожный, декоративный и др.). По виду вяжущего вещества бетоны могут быть цементными, известковыми (силикатными), гипсовыми, полимерными и др. По плотности бетоны подразделяются на особо тяжелые (плотностью более 2500 кг/м3), тяжелые (плотностью 1800— 2500 кг/м3), легкие (плотностью 500—1800 кг/м3) и особо легкие (плотностью менее 500 кг/м3). По размерам заполнителя бетоны бывают крупнозернистые (размер частиц заполнителя свыше 10 мм) и мелкозернистые (размер частиц заполнителя менее 10 мм). По структуре бетоны подразделяются на плотные, пористые, ячеистые. 300 Основными классификационными признаками железобетонных изделий являются вид армирования, внутреннее строение, плотность, назначение, конструктивные особенности. По виду армирования железобетонные изделия подразделяются на изделия с ненапрягаемой и напрягаемой арматурой (предварительно напряженный железобетон). Предварительно напряженный железобетон имеет повышенные трещиноустойчивость и сопротивление динамическим нагрузкам. Он более долговечен, создает возможность снижения массы железобетонных конструкций. По внутреннему строению железобетонные изделия могут быть сплошными и пустотелыми, однослойными и многослойными (для каждого слоя используются разные виды бетона). По плотности железобетонные изделия подразделяются так же, как и бетонные. По назначению железобетонные изделия делятся на изделия для зданий (жилых, общественных, промышленных) и сооружений (транспортного, гидротехнического, энергетического и других видов строительства). В номенклатуру изделий для зданий входят элементы фундаментов, стеновые панели и блоки, междуэтажные перекрытия, колонны, лестницы, фермы и др. Номенклатура изделий для сооружений включает сваи, шпалы, пролетные строения, плиты, столбы, опоры линий электропередач, мостов и др. По конструктивным особенностям железобетонные изделия бывают следующих видов: монолитные, сборные, сборномонолитные . Монолитные железобетонные конструкции получают непосредственно на строительной площадке с выполнением операций по установке опалубки, монтажу арматурных каркасов и укладке бетонной смеси. После приобретения бетоном достаточной прочности (не менее чем через неделю) опалубку разбирают и в случае необходимости наращивают. Сборные железобетонные конструкции изготовляют на специализированных заводах, затем из них на строительной площадке монтируют здания или сооружения. Сборно-монолитные конструкции представляют собой сочетание первых двух видов изделий. Их используют главным образом при возведении массивных конструкций или индивидуализации строительных конструкций, выполненных из типовых стандартизированных элементов. Как отмечалось ранее, основными сырьевыми материалами для изготовления железобетонных изделий являются вяжу301 щее вещество, заполнители, специальные добавки, арматура и вода. В качестве вяжущих материалов наиболее широко используют портландцемент, известь, гипс. Вяжущее вещество предопределяет в первую очередь прочностные свойства изделия. В качестве заполнителей наиболее широко применяют песок, гравий, щебень, аглопорит, металлургические шлаки, керамзит и др. Выбор заполнителя зависит главным образом от назначения и вида железобетонной конструкции. Использование заполнителей в общем случае уменьшает стоимость и прочность готовых изделий. Специальные добавки придают железобетонному изделию особые потребительские свойства или облегчают процесс его получения. Наиболее распространенными добавками являются пластификаторы, красители, ускорители твердения, газообразователи, воздухововлекающие, гидрофилизирующие, гидрофобизирующие и др. Для армирования железобетонных конструкций используется стержневая и проволочная арматура. Стержневая арматура изготовляется из углеродистых и низколегированных горячекатаных и термически упрочненных сталей. Арматурная проволока подразделяется на два вида: для ненапрягаемых железобетонных (низкоуглеродистая сталь) и предварительно напряженных конструкций (углеродистая сталь). К воде, используемой при приготовлении бетонной смеси, предъявляются особые требования. В частности, она не должна содержать механических примесей, примесей масел, солей, кислот. Таким образом, свойства железобетонного изделия (требуемая прочность, плотность, водонепроницаемость, морозостойкость и др.) предопределяются правильным подбором состава бетона, а именно, определением оптимального соотношения массовых долей составляющих бетонной смеси при наименьшем расходе вяжущего вещества. Вне зависимости от вида и назначения железобетонных изделий в технологии железобетона выделяют следующие основные стадии (рис. 10.3): • изготовление и подготовка форм; • изготовление и подготовка арматуры; • приготовление бетонной смеси; • установка арматуры в формы; • формование изделия; • твердение бетонной смеси; • тепловлажностная обработка; 302 Форма воспроизводит наружные очертания железобетонного изделия, она должна быть прочной, жесткой и использоваться многократно. Формы бывают разборными или неразборными, их изготовляют, как правило, из стали обыкновенного качества, а также из древесины или пластмасс. При многократном использовании для изготовления каждого последующего изделия форма должна быть подготовлена, т.е. собрана (если она разборная), очищена от прилипших остатков бетонной смеси и смазана специальным составом (водомасляной эмульсией), препятствующим прилипанию бетонной смеси к форме. При изготовлении и подготовке арматуры подбираются стержни и проволока требуемого диаметра сечения. Они очищаются от окалины и ржавчины, режутся на заданные мерные длины, выпрямляются или изгибаются в зависимости от конструкции железобетонного изделия и скрепляются (сваркой или с помощью монтажных петель, хомутов и др.), формируя арматурный каркас или сетку. Кроме того, на поверхность арматуры наносится антикоррозионная обмазка. Приготовление бетонной смеси является ключевой стадией изготовления железобетонных изделий. Оно состоит из стадий 303 дозировки исходных материалов и их перемешивания. Точность дозировки компонентов смеси является основным условием получения бетона с заданными свойствами. Дозировка производится с помощью дозаторов (мерников) непрерывного или периодического действия. Перемешивание бетонной смеси осуществляют в специальных бетоносмесителях непрерывного или периодического действия с принудительным или гравитационным (при свободном падении смеси) перемешиванием. Продолжительность перемешивания зависит от состава бетонной смеси и емкости смесителя. Установка арматуры в заранее подготовленные формы производится в соответствии с чертежами железобетонного изделия. Формование железобетонного изделия заключается в укладке бетонной смеси в форму, уплотнении смеси и выравнивании поверхности изделия. При укладке бетонной смеси должно быть обеспечено равномерное (без воздушных пузырей) заполнение всего объема формы (особенно суженных мест и углов). Уплотнение бетонной смеси осуществляют вибрированием, прессованием, прокаткой, центрифугированием, вакуумирова-нием или сочетанием вышеперечисленных методов (например, вибропрессование). Твердение железобетонного изделия представляет собой физико-химический процесс. Сроки схватывания бетонной смеси зависят от вида вяжущего, его марки и состава, а также массового соотношения вяжущего, заполнителей, добавок и воды. С повышением температуры и влажности окружающей среды скорость твердения бетона возрастает. Поэтому процесс твердения может длиться от нескольких часов до нескольких суток, при этом марочная (окончательная) твердость бетона достигается по прошествии как минимум месяца со дня формования. Тепловлажностная обработка при прочих равных условиях позволяет значительно ускорить процесс твердения бетонной смеси. Различают обработку при нормальном давлении и температуре 80— 100 °С (пропаривание в камерах, контактный обогрев, электроподогрев и др.) и повышенном давлении и температуре 170—200 °С (автоклавная обработка и др.). Выемку готового изделия в зависимости от его размеров и конструкции осуществляют с помощью грузоподъемных механизмов при полной или частичной разборке формы. Отделка поверхности железобетонного изделия заключается в придании поверхности требуемых свойств (главным образом защитных, декоративно-эстетических) и осуществляется посредством облицовки (керамической плиткой, мраморной крошкой, боем стекла и др.), шпатлевания или покраски. 304 Таким образом, процесс производства железобетонных изделий включает практически все разновидности (за исключением биологических) базовых процессов промышленного производства (см. подпараграфы 4.2.1—4.2.4, параграф 4.3). Производство железобетонных изделий в заводских условиях может быть организовано по двум схемам: в неподвижных формах (стационарно-поточное производство) и в подвижных (прерывнопоточное и непрерывно-поточное производство). При стационарно-поточном производстве изделия в течение всего технологического процесса находятся на одном месте, а технологическое оборудование и обслуживающий персонал перемещаются относительно формы. Ото производство имеет две разновидности — стендовое и кассетное. Стендовый способ характеризуется изготовлением только одного изделия (как правило, массивного), в то время как при кассетном способе одновременно изготавливается несколько изделий в кассете — форме с несколькими отсеками. В данном случае стационарны не только изделия, но и основное оборудование, а перемещается лишь обслуживающий персонал. Стационарно-поточное производство характеризуется невысокой степенью механизации и автоматизации и значительным удельным весом живого труда. Оно целесообразно на предприятиях небольшой мощности в условиях единичного производства. При прерывно-поточном производстве все технологические операции осуществляются па стационарных специализированных постах, при этом формы перемещаются от одного рабочего поста к другому. Такое производство целесообразно в тех случаях, когда длительность операций производства железобетонных изделий различна. Для перемещения форм применяется пульсирующий (периодически останавливающийся) конвейер. Продолжительность остановки форм определяется временем, необходимым для выполнения отдельной операции, и может быть различной. Прерывно-поточное производство характеризуется большей степенью механизации и автоматизации, а также более высокой производительностью труда. Оно целесообразно в условиях серийного производства. При непрерывно-поточном производстве передача форм с одного поста на другой осуществляется непрерывно с помощью конвейера, при этом все операции полностью синхронизированы. Такое производство отличается строгой ритмичностью выпуска продукции и высокой производительностью, в случае экономической целесообразности оно может быть полностью автоматизировано. Однако по такой схеме может выпускаться только одна разновидность железобетонных изделий. При пере305 ходе на выпуск других изделий необходима переналадка конвейера. Непрерывно-поточное производство целесообразно в условиях массового производства железобетонных изделий. Необходимо отметить, что на крупных заводах по производству железобетонных изделий могут одновременно использоваться все формы организации производства, при этом выбор соответствующей формы организации процесса производства железобетонных изделий должен быть технически обеспечен и экономически обоснован. Основными направлениями развития технологии железобетонных изделий являются следующие: • улучшение технологии производства железобетонных изделий за счет совершенствования процессов приготовления бетонной смеси, разработки эффективных методов формования и тепловлажностной обработки, использования новых составов бетонных смесей и видов армирующих каркасов и сеток, малоотходных и энергосберегающих процессов (революционное развитие технологии); • увеличение единичных мощностей используемого оборудования и создание непрерывных технологических линий по производству железобетонных изделий (эволюционное развитие технологии); • повышение уровня механизации и автоматизации трудоемких стадий производства железобетонных изделий (рационалистическое развитие технологии). 10.3.5. Основы технологии производства древесных строительных материалов Современное строительное производство связано с широким применением древесины и изделий на ее основе: из древесины изготовляют полы, двери, стены, кровлю, дверные и оконные коробки, различные деревянные строительные конструкции и др. Важнейшим достоинством древесины по сравнению с другими конструкционными материалами является то, что ее ресурсы восстанавливаются. Широкое распространение древесины объясняется также другими ее положительными свойствами: это достаточно прочный и легкий материал, хорошо работающий при вибрационных нагрузках. Древесина технологична: ее можно обрабатывать резанием на деревообрабатывающих станках и придавать практически любую форму, кроме того, пластичность древесины и возможность изменения ее свойств при термо- и влагообработке позволяют получать изделия методами 306 гнутья, лущения, прессования. Древесина прочно удерживает металлические и другие крепления, хорошо склеивается. Для древесины характерны низкая тепло- и звукопроводность, достаточная стойкость в агрессивных средах. Она имеет высокие декоративные качества, при этом их можно целенаправленно менять различными способами: изменением направления разреза, крашением, отделкой различными лакокрасочными материалами. Наряду с этим древесина обладает и рядом недостатков: неоднородность строения и свойств вдоль и поперек волокон, формоизменяемость при изменении влажности, способность к возгоранию и загниванию, изменение прочности при наличии в ней тех или иных пороков. Для повышения качества и долговечности древесины ее пропитывают синтетическими полимерами и различными клеями. Древесные породы, применяемые в строительстве, подразделяются на хвойные и лиственные. К хвойным породам относятся сосна, лиственница, кедр, пихта и др., к лиственным — дуб, береза, осина, ясень, бук, ольха, тополь, клен и др. Хвойные породы преимущественно используются для изготовления несущих строительных конструкций, шпал, столбов, свай, столярных изделий, фанеры, так как они имеют прямой и длинный ствол, мало отличающийся по толщине в верхнем и нижнем срубах, и лучшее качество древесины. Лиственные породы, имеющие твердую древесину (дуб, ясень и др.), применяются для изготовления деталей несущих строительных конструкций, паркета, фанеры, дверей и панелей, различных столярных изделий и др. Лиственные породы с мягкой древесиной используются для изготовления деталей конструкций временных зданий и сооружений, а также дверей, окон, плинтусов, кровли, опалубок при бетонных работах. Древесные материалы, применяемые в строительстве, подразделяются на круглые лесоматериалы, пиломатериалы и строительные детали и изделия. Круглыми лесоматериалами называются отрезки древесных стволов с корой или без коры, очищенные от сучьев. При толщине в верхнем отрубе не менее 14 см отрезки стволов называются бревнами; от 8 до 13 см — подтоварниками и от 3 до 7 см — жердями. В зависимости от назначения бревна подразделяются на строительные и пиловочные. Строительные бревна применяются для изготовления несущих строительных конструкций для жилых, общественных и промышленных зданий, опор линий электропередачи и связи, железнодорожных шпал, в гидротех307 нических сооружениях и при строительстве мостов, а пиловочные — для получения пиломатериалов. Пиломатериалы получают в результате продольной распиловки бревен. По форме и размерам пиломатериалы подразделяются на следующие виды (рис. 10.4): доски (ширина больше двойной толщины), бруски (ширина равна двойной толщине или меньше ее), брусья (ширина или толщина более 100 мм). К пиломатериалам относятся также заготовки, которыми называют пиломатериалы с размером и качеством, соответствующими изготовляемым деталям. Они должны иметь припуски на усушку и последующую обработку. а, б, в — брусы (одно-, двух- и трехкантный соответственно); г — необрезная доска, д — обрезная доска (1 — пласт, 2— кромка, 3 — торец, 4 — ребра), е — обрезная доска с тупым обзолом; ж — обрезная доска с острым обзолом; з — брусок; и — горбыль; к — отачол; л — необрезная шпала; м — обрезная шпала По виду обработки заготовки подразделяют на пиленые и калиброванные, т.е. предварительно простроганные. Последние могут иметь различный профиль. 308 Строительные детали и изделия выпускают в виде паркета, строганных погонажных изделий, столярных плит, фанеры, клееных столярных изделий, древесностружечных и древесноволокнистых плит. Паркет используется для лицевого покрытия полов и подразделяется на планочный и щитовой. Планочный паркет представляет собой дощечки различных размеров и формы с профилированными краями, щитовой состоит из реечного основания, на которое наклеивается планочный паркет. К строганным погонажным изделиям относятся доски для настила полов, подоконные доски, строганные бруски и брусья, плинтусы и наличники, кровельные плиты для временных зданий и т.д. Большое количество древесных строительных материалов и изделий получают из шпона — тонких листов древесины, получаемых строганием или лущением. Шпон строганый предназначен для облицовывания деталей и сборочных единиц, изготовленных из малоценных пород древесины, древесностружечных плит или фанеры. Облицовка создает более красивую декоративную поверхность, повышает прочность и формоустойчивость деталей, защищает плиты от внешних воздействий. Шпон лущеный применяют для изготовления клееной слоистой древесины, древесных пластиков, гнутоклееных деталей, спичек, для облицовывания древесностружечных плит. Текстура шпона лущеного, за редким исключением, имеет невысокие декоративные свойства, поэтому в качестве облицовочного материала этот вид шпона применяется для внутренних, невидимых поверхностей изделий. Столярные плиты представляют собой щиты, склеенные из реек древесины и оклеенные с обеих сторон двумя слоями лущеного шпона — наружным и подслоем. Все слои должны иметь одинаковое направление волокон древесины и располагаться перпендикулярно рейкам. Столярные плиты выпускают нешлифованными и шлифованными. Их применяют для изготовления щитовых деталей мебели, полов, стеновых панелей, в транспортном машиностроении и др. Строительная фанера — листовой материал, получаемый склеиванием нескольких слоев лущеного шпона фенолоформальдегидными и казеино-цементными клеями. Для обеспечения прочности фанеры направление волокон двух соседних шпонов должно быть перпендикулярным друг к другу. Число слоев шпона — от 3 до 13. Фанеру считают изготовленной из той породы, которая использована для наружных слоев. 309 Строительная фанера применяется для обшивки наружных и внутренних стен зданий, устройства ограждающих конструкций и внутренних перегородок, как кровельный материал для временных и подсобных помещений. К клееным столярным изделиям относятся элементы дверей, окон и перегородок, щиты для кровельных покрытий и т.д., склеенные синтетическими смолами и белковыми клеями. Древесностружечные плиты (ДСП) изготовляют из некондиционных лесных материалов и отходов деревообрабатывающей промышленности методом горячего прессования при добавлении связующего (фенольные или карбамидные смолы). Древесностружечные плиты имеют одинаковые, достаточно высокие прочностные показатели по длине и ширине, но обладают невысокой прочностью на растяжение. Они выпускаются необ-лицованными и облицованными шпоном или синтетической пленкой. Древесностружечные плиты широко применяются в строительстве (для настила полов, облицовки стен и потолков, устройства различных перегородок), в мебельной и радиотехнической промышленности, в машиностроении и других отраслях. Древесноволокнистые плиты (ДВП) изготовляют из некондиционных лесных материалов и отходов деревообрабатывающей промышленности горячим прессованием древесноволокнистой массы со связующими фенольными или карбамидными смолами. Они могут быть облицованы с одной или с двух сторон листовыми или пленочными материалами, а также окрашены. По техническим свойствам древесноволокнистые плиты бывают био-, огне-, влагостойкими и звукопоглощающими. Их выпускают гладкими с одной или с двух сторон. Древесноволокнистые плиты применяют в строительстве как материал для термо- и звукоизоляции, для обшивки и облицовывания стен, перегородок, междуэтажных перекрытий, потолков. В производстве строительных изделий из древесины в последнее время находят применение гнутоклееные детали, которые получают склеиванием шпона или фанеры с одновременным гнутьем. Производством древесных строительных материалов занята главным образом деревообрабатывающая промышленность, которая включает следующие основные группы производств, имеющие высокий уровень механизации и автоматизации: • лесопильное, использующее в качестве основного исходного сырья круглые лесные сортименты. Его продукцией являются в основном пиленые и строганые полуфабрикаты; 310 • производство клееных материалов и плит, основным исходным сырьем которого являются круглые лесные сортименты, древесные отходы и клеи, а продукцией — разные клееные полуфабрикаты; • производство изделий из древесины. Его основное исходное сырье — древесные материалы (полуфабрикаты), пластмассы, металлы, стекло, клеи, лаки, ткани и др.; продукция — готовые изделия, например, мебель. В производстве древесных строительных материалов в зависимости от их вида и назначения используют следующие разновидности технологических процессов: • раскрой пиломатериалов на заготовки; • первичная механическая обработка заготовок; • формообразование заготовок; • склеивание заготовок; • прессование изделий; • облицовывание изделий. Рассмотрим подробнее основы технологии вышеперечисленных процессов. Раскрой пиломатериалов заключается в их разделении на заготовки определенного размера. Важнейшая задача раскроя — наибольший выход заготовок с учетом требуемого качества. Раскрой может быть индивидуальным и групповым. В первом случае учитывают размеры и качество досок и выбирают наиболее рациональную схему, во втором — раскрой ведут по заранее установленной схеме без учета качества сырья. При групповом раскрое выход заготовок снижается до 7 % по сравнению с индивидуальным, но зато выше производительность труда. Плитные материалы, а также фанеру раскраивают сквозными резами (продольный и поперечный раскрой). Для получения заготовок правильной формы и хорошего качества создают чистовые базовые кромки. Для получения максимального выхода заготовок предварительно составляют карты раскроя, которые представляют собой графическое расположение заготовок на стандартном формате раскраиваемого материала. При составлении карт раскроя учитывают максимальный выход заготовок, комплектность деталей разных размеров и назначения в соответствии с объемом выпуска изделий, минимальное количество типоразмеров заготовок в одной карте и минимальное повторение одних и тех же заготовок в разных картах. Первичная механическая обработка брусковых заготовок включает создание базовых поверхностей для их дальнейшей 311 обработки на станках и подготовку к склеиванию и облицовыванию. Механическая обработка плит и щитов предназначена главным образом для устранения их разнотолщинности. С этой целью проводят их калибрование методом шлифования. Формообразование изделий из древесины можно проводить различными способами: • выпиливанием криволинейных заготовок; • методом гнутья прямолинейных заготовок; • методом гнутья заготовок из массивной древесины или шпона с одновременным склеиванием. Выпиливание криволинейных заготовок отличается простотой технологии, но ведет к неизбежному перерезанию волокон древесины, что ослабляет прочность деталей. Кроме того, данный способ не обеспечивает высокий выход заготовок. Однако он находит практическое применение, особенно в тех случаях, когда заготовки имеют малую кривизну и не несут высоких нагрузок. Для получения изделий из древесины сложных форм используют пиление, фрезерование, строгание, шлифование. Получение заготовок методом гнутья прямолинейных брусков требует специального оборудования и более сложной технологии и по этой причине его применение, несмотря на ряд преимуществ, ограничено. Технологический процесс изготовления гнутых деталей включает раскрой на заготовки, их гидротермическую обработку, гнутье, сушку после гнутья, а также последующую механическую обработку. Гидротермическая обработка улучшает пластические свойства древесины. Она может проводиться методами пропарива-ния и проваривания. Оптимальная влажность древесины при гнутье — 25—30 % , температура в центре заготовки — 100 ° С. Пропаривание ведут в пропарочных котлах насыщенным паром при давлении 0,02—0,05 МПа и температуре 102—105 ° С. Время пропаривания определяют главным образом в зависимости от толщины заготовки. Для проваривания заготовок применяют различные емкости. Воду нагревают до температуры 90—95 °С, время проваривания составляет 1—2,5 ч в зависимости от размеров и влажности заготовок. Проварку заготовок применяют в тех случаях, когда пропаривание затруднено, например, если необходимо обработать только часть детали (носки лыж). Склеивание является одним из основных видов соединений при производстве изделий из древесины. Оно позволяет получать детали требуемых размеров, увеличивать их формоустой-чивость, прочность и улучшать декоративные свойства, повы312 шать полезный выход заготовок, использовать короткомерные и низкосортные заготовки и отходы. Технологический процесс склеивания включает следующие основные стадии: подготовку склеиваемых материалов; подготовку клеевых растворов; нанесение клея на склеиваемые поверхности; запрессовку склеиваемых заготовок и выдержку их под давлением, выдержку склеенных заготовок после запрессовки; механическую обработку. Клеевые соединения должны обеспечивать прочность склеивания не ниже прочности склеиваемых материалов. Склеивание осуществляют при нормальной температуре в помещении (холодное склеивание) и при повышенной (горячее склеивание). Изготовление прессованных деталей и изделий из измельченной древесины является практически безотходным методом производства и позволяет экономить качественную массивную древесину. В этом процессе в качестве сырья используют различные отходы деревообработки и малоценную древесину, в качестве связующего — в основном карбамидоформальдегидные смолы. Материалы и изделия из измельченной древесины обладают рядом достоинств. Их можно изготовлять требуемых размеров и свойств, выполнять при прессовании необходимые пазы, гнезда, отверстия и другие элементы, сводя к минимуму механическую обработку. Меняя технологические параметры и количество связующего, можно регулировать свойства получаемых изделий и производить детали с облицованной поверхностью. Для приготовления древесно-клеевой композиции измельченную древесину смешивают со связующим. Далее древесно-клеевую массу загружают в пресс-формы, внутренние поверхности которых покрывают смазочным материалом для предотвращения прилипания к ним прессуемого материала. При необходимости в пресс-форму укладывают облицовочный материал и крепежную арматуру. Основными параметрами, управляющими процессом прессования, являются температура прессования, влажность прессмассы и время выдержки в прессе. Прессование ведут при температуре 120—160 "Си давлении 2—20 МПа в зависимости от требуемой плотности изделия. Облицовывание предназначено для улучшения декоративных свойств поверхности, повышения прочности деталей, создания покрытия, защищающего от выделения токсических веществ (например, облицовывание древесностружечных плит). Облицовывание может быть односторонним, когда облицовочный материал наклеивается на одну сторону, и двухсторон313 ним. Его можно выполнять в один слой, т.е. когда облицовочный материал наклеивается непосредственно на основу, и в два слоя, т.е. с подслоем. Щитовые детали облицовывают, как правило, с обеих сторон. Процесс облицовывания включает следующие стадии: подготовку основы, подготовку облицовки, приклеивание облицовки к основе, технологическую выдержку после облицовывания. В заключение отметим, что по мере развития технологии и появления новых конструкционных материалов, особенно полимерных, они заменяли древесину, но полностью не вытеснили и вряд ли вытеснят в обозримом будущем. Более того, с развитием технологии деревообработки, технологии модификации древесины и создания новых композиционных материалов на основе отходов деревообработки области применения древесных строительных материалов расширяются. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой строительный комплекс? Какие основ ные секторы входят в его состав? Охарактеризуйте их. 2. Выделите характерные технологические особенности строительного комплекса. Чем они обусловлены? 3. Выделите и охарактеризуйте основные направления научнотехнологического прогресса в строительном комплексе. 4. Что является результатом производственной деятельности в капитальном строительстве? Охарактеризуйте строительные объекты. 5. Чго представляют собой здания и сооружения? Что в них общего и чем они различаются? Приведите примеры зданий и сооружений, охарактеризуйте их основные эксплуатационные качества. 6. Из каких основных конструктивных элементов состоят здания? Кратко охарактеризуйте эти конструктивные элементы. 7. Что такое технология строительного производства? Какие виды работ выполняются при возведении зданий и сооружений? Кратко охарактеризуйте их. 8. Какие строительные процессы различают в зависимости от вида выполняемых работ? Кратко охарактеризуйте их. 9. Какие процессы в строительном производстве относят к основным? Кратко охарактеризуйте их. 10. Выделите и охарактеризуйте основные технико-экономические показатели эффективности строительного производства. 11. Как классифицируются строительные материалы по важнейшим признакам? 12. Охарактеризуйте важнейшие свойства строительных материалов. 13. Что представляет собой технология керамики? Какие особенности для нее характерны? 314 14. Охарактеризуйте важнейшие свойства керамических материалов и изделий, их достоинства и недостатки но сравнению с другими строительными материалами. 15. Охарактеризуйте важнейшие сырьевые материалы керамического производства. Чем обусловлен выбор исходных материалов для керамических изделий? 16. Выделите и кратко охарактеризуйте важнейшие этапы в производстве изделий из керамики. 17. Какие способы формования керамических изделий вам известны? Чем обусловлен выбор того или иного способа? 18. Охарактеризуйте важнейшие направления развития технологии керамики. 19. Что представляет собой технология стекла? Какие особенности для нее характерны? 20. Охарактеризуйте важнейшие свойства стекла, его достоинства и недостатки по сравнению с другими строительными материалами. 21. Как классифицируются стеклянные материалы и изделия по важнейшим признакам? 22. Выделите и кратко охарактеризуйте важнейшие этапы в производстве изделий из стекла. 23. Охарактеризуйте важнейшие направления развития технологии стекла. 24. Что представляет собой технология бетона и железобетона? Какие особенности для нее характерны? 25. Охарактеризуйте важнейшие свойства бетонных и железобетонных изделий, их достоинства и недостатки но сравнению с другими строительными материалами. 26. Выделите и кратко охарактеризуйте важнейшие этапы в производстве изделий из железобетона. 27. Какие типы производств используют при изготовлении железобетонных изделий в заводских условиях? Кратко охарактеризуйте их. 28. Охарактеризуйте важнейшие направления развития технологии железобетона. 29. Охарактеризуйте положительные и отрицательные свойства древесины как строительного материала. 30. Что такое сортимент древесных материалов? Кратко охарактеризуйте его. 31. Что представляет собой деревообрабатывающая промышленность? Какие производства входят в ее состав? Кратко охарактеризуйте их. 32. Кратко охарактеризуйте важнейшие технологические процессы, используемые в производстве древесных строительных материалов. 315 Глава 11. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 11.1. Общие сведепия о пищевой промышленности Продовольственные ресурсы являются одним из главных показателей богатства и процветания любого государства. В производстве, сохранении и рациональном использовании продовольственных ресурсов большое значение имеет пищевая промышленность. Пищевая промышленность — комбинированная технологическая система, охватывающая совокупность разнообразных производств, занятых индустриальным изготовлением в основном продуктов питания для населения. Индустриальное производство таких изделий, как консервы, пищевые концентраты, свежезамороженные и сушеные овощи, фрукты, ягоды, удлиняет их сохранность и способствует устранению сезонности в их употреблении населением. Производство ряда продовольственных товаров (сахара, глюкозы, сублимированных продуктов, маргарина, растворимого кофе и др.) возможно только в заводских условиях. Как уже отмечалось в параграфе 1.6, пищевая промышленность является важной составной частью агропромышленного комплекса (ЛПК). Предприятия пищевой промышленности, с одной стороны, перерабатывают сельскохозяйственное сырье, а с другой — поставляют сельскому хозяйству свою побочную продукцию (жом, жмых) и отходы производства после их дополнительной обработки (кормовые дрожжи, комбикорма), что усиливает производственные связи отраслей ЛПК и повышает эффективность общественного производства в целом. Тесно связана пищевая промышленность с торговлей и общественным питанием, которые занимаются реализацией ее продукции населению. Машиностроение и металлообработка поставляют пищевой промышленности орудия труда и другие средства производства. Пищевые предприятия являются крупными потребителями электроэнергии, топлива, разнообразной тары, упаковочных материалов, угля, соды, синтетических смол, полимерных, фильтровальных и других вспомогательных материалов, которые выпускают соответствующие производственно-технологические комплексы. Основными направлениями научно-технологического прогресса в пищевой промышленности являются: 316 • широкое использование ЭВМ и робототехники в процессах производства продовольствия и другой продукции на основе сельскохозяйственного сырья, кибернетизация процесса управления на основе современных информационных технологий; • разработка новых технологических методов переработки сельскохозяйственного сырья; • разработка новых методов производства и новых видов про-довольствия с заранее заданным или регулируемым составом; • разработка новых методов консервирования продовольственных товаров; • разработка новых видов упаковки и упаковочных материалов; • расширение применения безотходных и ресурсосберегаю-j щих процессов. Для пищевой промышленности характерны следующие технологические особенности: • обработка ее отраслями сырья растительного и животного происхождения, в значительной мере поставляемого сельским хозяйством; • использование преимущественно биологических, физических и химических методов обработки исходных материалов1 (см. параграфы 4.2—4.4); • как дискретная, так и непрерывная структура технологических процессов пищевых производств (см. параграф 2.2). Это определяет, с одной стороны, сравнительно высокую трудоемкость процессов в пищевой промышленности, а с другой — особенности аппаратурнотехнологического оформления технологических процессов пищевых производств, повышающие капи-<* талоемкость; • сравнительно высокая энергоемкость технологических процессов, используемых в пищевой промышленности, обусловленная широким использованием тепловых процессов и термических методов обработки сырья (см. подпараграф 4.2.3); • достаточно приемлемая экологичность технологических процессов пищевых производств. 11.2. Важнейшие технологические процессы пищевой промышленности По характеру и типу сырья, используемого в процессе производства продукции пищевой промышленности, различают три группы производств: • производства, перерабатывающие сырье растительного происхождения (например, мукомольная и крупяная промыш ленность); 317 • производства, перерабатывающие сырье животного происхождения (например, мясная и молочная промышленность); • производства, перерабатывающие несельскохозяйственное сырье (например, соляная промышленность, производство минеральных вод). По степени связи с сельским хозяйством производства пищевой промышленности подразделяют на две группы: • производства, непосредственно перерабатывающие продукцию сельского хозяйства (например, сахарная промышленность); • производства, использующие сельскохозяйственное сырье, прошедшее первичную обработку (например, хлебопекарная промышленность). В силу разнообразия используемого сырья и выпускаемой продукции в пищевой промышленности используются все известные типовые процессы (см. подробнее главу 4): механические (например, в производстве муки и круп), гидромеханические (например, в производстве соусов и майонеза), тепловые (например, при термической обработке продукции или ее замораживании); массообменные (например, при сушке фруктов или производстве газированных напитков), химические (например, в производстве сахара или при синтезе этанола), микробиологические (например, в производстве кисломолочных продуктов). Вместе с тем в пищевой промышленности используются также специфические процессы, характерные только для нее. Это в первую очередь процессы термической обработки и консервирования. Термическая обработка в пищевой промышленности — методы снижения активности микроорганизмов под воздействием высоких температур и (или) придания исходным продуктам новых пищевкусовых свойств. Важнейшими технологическими процессами термической обработки являются: • стерилизация (от лат. sterilis — бесплодный) — полное освобождение пищевых продуктов от микроорганизмов. Осуществляется действием высоких температур (свыше 100 °С), химических антисептических веществ, ионизирующих излучений (радиациошго-лучевая стерилизация) ультразвука и другими способами; • пастеризация — способ уничтожения микробов в жидкостях и пищевых продуктах однократным нагреванием до температуры ниже 100 ° С (обычно 60—70 ° С) с различной выдержкой (чаще 15—30 мин). Пастеризация была предложена Л. Пастером. Применяется для консервирования молока, вина, пива и др.; 318 • тиндализация (предложена Дж. Тиндалем) — способ уничтожения микробов и их спор в определенном объекте дробной обработкой паром (обычно при температуре 100 ° С). В периоды между нагреваниями объекты выдерживают в условиях, способствующих прорастанию спор. Применяется в основном для стерилизации жидкостей и пищевых продуктов, теряющих свои потребительские свойства при температуре выше 100 °С; • автоклавная обработка (от гр. automates — самодействующий + лат. clavis — ключ) — обработка продукции в герметичном аппарате (автоклаве) при нагреве и повышенном давлении, что увеличивает скорость процессов обработки; • термостатирование (от гр. therme — тепло + statos — стоящий) — выдержка продукции в термостате — приборе, предназначенном для поддержания постоянства температуры. В интервале температур от —60 до 500 °С применяют жидкостные термостаты (теплоизолированные сосуды с жидкостью, в которой находятся нагреватель и терморегулятор), от 300 до 1200 °С — электрические печи; • бланширование (от фр. blanchir — белить, обдавать кипятком) — обработка продукции (главным образом — плодов и овощей) горячей водой, паром для предохранения от потемнения, облегчения последующей обработки, улучшения пищевкусовых свойств. Бланширование применяют при варке варенья, приготовлении изюма, вялении винограда, в производстве соков и вин. Продолжительность бланширования и температура, при которой его проводят, неодинаковы для различных объектов; • пассерование — кратковременная тепловая обработка продукции (главным образом — овощей) в предварительно разогретом растительном масле или животном жире. Пассерование упрощает последующую обработку продукции, улучшает ее пищевкусовые свойства; • варка — приготовление пищевой продукции в воде или другой жидкости доведением до определенной готовности кипячением или при температурах, близких к температурам кипения жидкости. Варка улучшает главным образом пищевкусовые свойства продукции; • обжаривание — длительная обработка продукта в растительном масле или животном жире при температуре 120—160 ° С. Обжаривание в основном улучшает пищевкусовые свойства продукции. Консервирование пищевых продуктов (от лат. conserve — сохраняю) — уничтожение или создание неблагоприятных условий для активности микроорганизмов, вызывающих порчу продуктов при их длительном хранении. 319 Консервная промышленность нашей страны перерабатывает в консервы продукты как растительного (плоды, ягоды, овощи), так и животного (молоко, мясо, рыба) происхождения. В зависимости от способов воздействия на сырье и происходящих в нем явлений процессы консервирования разделяют на следующие группы: • биохимические — квашение, соление, мочение, производство плодово-ягодных и виноградных вин и др.; • химические — консервирование веществами антисептического действия и маринование; • физические — стерилизация, пастеризация, сушка, замораживание и др. Приведем краткие характеристики важнейших процессов консервирования. Квашение — консервирование некоторых овощей и плодов в результате накопления в них молочной кислоты и других побочных продуктов брожения. Так консервируют капусту, огурцы, томаты, а также в меньших объемах — арбузы, груши, корнеплоды (морковь, свеклу) и ягоды (бруснику). Создание анаэробных условий в продукте препятствует развитию в нем большей части бактериальной флоры, особенно гнилостной, для существования которой необходим кислород. Это достигается выдерживанием продукта, подготовленного к брожению, под гнетом в собственном соку или в приготовленных растворах с добавлением соли, а иногда и сахара. Слой жидкости (сока, рассола и т.д.) изолирует всю массу продукта от кислорода атмосферы. Мочение — по сути, разновидность квашения. Этот термин чаще всего используют применительно к обработке яблок. Маринование — консервирование овощей, плодов, грибов и других продуктов уксусной кислотой. Продукты, приготовленные этим способом, подразделяют в зависимости от режима дополнительной термической обработки и массовой доли уксусной кислоты (в %) на: слабокислые пастеризованные — 0,4— 0,6; кислые пастеризованные — 0,61—0,9; острые непастеризованные — более 0,9 (чаще 1,2—1,9). Массовая доля сахара в готовых овощных маринадах достигает 1—3,4 % в плодово-ягодных, 10 — в слабокислых и 15 % — в кислых. Маринование, как и квашение, создает анаэробные условия, препятствующие развитию гнилостных бактерий. Наиболее распространены слабокислые пастеризованные маринады, к которым относятся консервированные огурцы и томаты. Маринуют также патиссоны, цветную капусту, фасоль (стручками), свеклу, чеснок, лук, перец, баклажаны. Из плодов и ягод для приготовления маринадов используют яблоки мел320 коплодных сортов, груши осенних и зимних сортов, темноокрашенные плоды вишни, черешни, сливы, кизила, виноград столовых сортов, смородину (черную, белую, красную), мелкоплодный крыжовник. Сушка — удаление влаги из пищевых продуктов при их подготовке к переработке, использованию или хранению. В пищевой промышленности используют главным образом воздушносолнечную и искусственную сушку. Продолжительность воздушно-солнечной сушки в зависимости от вида сырья, способа подготовки, интенсивности солнечной радиации и температуры воздуха составляет 8—15 суток. По завершении ее продукты очищают от примесей, а при необходимости (например, в случае запыления) промывают, досушивают, сортируют и упаковывают. Ассортимент сушеных продуктов велик в пределах даже одного вида сырья. Традиционная искусственная сушка по своей сути является конвективной, с использованием в качестве теплоносителя воздуха, нагретого с помощью калориферов. Рабочая часть большинства сушилок состоит из камеры, в которой продукт размещают на стеллажах с сетчатой поверхностью. В последнее время в пищевой промышленности все шире используется сублимационная сушка. Это сушка возгонкой влаги из замороженного продукта, минуя жидкое состояние. При таком способе сохраняются исходные свойства сырых продуктов: анатомическое строение, химический состав, витаминная ценность и кулинарные достоинства. Сушеные продукты хорошо набухают, быстро и полностью восстанавливаются благодаря пористости и гигроскопичности (например, можно получить продукт с выраженным ароматом свежих плодов). Продукты сублимационной сушки в герметической упаковке длительное время можно хранить при обычной температуре. Замораживание. Перед замораживанием подготовленные с учетом специфики сырья продукты подвергают также другим воздействиям. Для сохранения натурального цвета и вкуса плодов при длительном хранении и после дефростации (размораживания), а также уменьшения потери витамина С (аскорбиновой кислоты) их предварительно обрабатывают антиокислителями (аскорбиновой, лимонной и другими пищевыми кислотами). Некоторые плоды и ягоды замораживают в 20—60 % -м сахарном сиропе. После стекания избытка раствора антиокислителя продукты укладывают в картонные коробки, выложенные полиэтиленом, а также в полиэтиленовые или целлофановые пакеты и направляют на замораживание. Температура в морозильной камере — 36 ° С. При замерзании продуктов лед образу321 ется не в самих клетках, а в межклеточных пространствах. В начальной стадии процесс происходит быстрее, чем в последующих. При температуре -15 °С в лед превращается около 79 % содержащейся в продуктах воды. Все пищевые качества плодоовощных продуктов при замораживании сохраняются. В них лишь инвертируется сахароза, в некоторых случаях увеличивается или снижается кислотность, резко уменьшается количество дубильных веществ. Некоторые плоды, особенно с большим содержанием дубильных веществ (рябина, терн, кизил), после замораживания и оттаивания становятся слаще, менее терпкими. Соление — обработка пищевой продукции поваренной солью или ее водными растворами с целью предотвращения ее порчи. Концентрация солевого рассола зависит от вида продукции, ее размеров, условий хранения. Вяление — обезвоживание и ферментация пищевой продукции, как правило, обработанной солью (например, мяса, рыбы), на воздухе без значительного повышения его температуры и в условиях затененности. Копчение — обработка продукции (главным образом — мяса и рыбы) дымом или коптильными жидкостями для улучшения стойкости при хранении, придания специфического вкуса и аромата. Перед копчением продукты обычно засаливают. Различают копчение холодное (18—22 °С для мяса, 20—40 °С для рыбы) и горячее (35—50 °С для мяса, 80—170 °С для рыбы). Мясные копченые продукты обычно называются копченостями. Консервирование в герметически укупоренной таре заключается в создании условий абиоза в продукте, помещенном в тару. Это достигается главным образом термостерилизацией. Общая схема производства таких консервов следующая: подготовка тары и сырья — составление смеси по рецептуре — загрузка в тару — укупорка — стерилизация — термостатирование — бракераж, т.е. отбраковка некачественных консервов. Консервирование сахаром применяется в основном для обработки плодов и ягод с целью сохранения их природных свойств. Для полной консервации таким способом требуется большая концентрация сахара (например, протертые плоды и ягоды, смешанные с сахаром). Если не добавлять каких-либо консервирующих средств (например, сорбиновой кислоты), на 1 кг протертых ягод и плодов вводят до 2 кг сахара. В противном случае для длительного хранения необходима стерилизация. Химическое консервирование. В качестве химических консервантов при переработке пищевой продукции в нашей стране применяют ограниченное число химических соединений. Из 322 них наиболее распространены сернистая (сернистый ангидрид) и сорбиновая кислоты. Используют также соли бензойной кислоты. Технологические инструкции по применению химических консервантов предусматривают их строгое нормирование при приготовлении различных продуктов. Нормируют и остаточное количество консервантов в готовых продуктах. Обработку продукции (например, соков) сернистым ангидридом в сульфитаторах с механическими мешалками называют с у л ь ф ит и р о в а н и е м . Все сырье и полуфабрикаты, консервируемые сернистой кислотой, подвергают последующей тепловой обработке (например кипячению, увариванию) для удаления летучей сернистой кислоты. Остаточные количества сернистой кислоты, безопасные для здоровья человека, регламентированы соответствующими стандартами. 11.3. Технологические основы важнейших пищевых производств Все многообразие процессов пищевых производств целесообразно в учебных целях подразделить на четыре группы по общности основных методов обработки сырья и полуфабрикатов. Первая группа — механико-теплофизические производства. Это наиболее обширная группа пищевых предприятий, включающая мукомолыю-крупяное, макаронное, кондитерское, консервное и другие производства. В основе технологии этой группы производств лежат механические процессы: смешивание и разделение, классификация, дробление, измельчение, обработка под давлением (выпрессовывание, вальцевание, штампование), различные тепломассообменные процессы (кондиционирование, сушка, обжарка, стерилизация и т.д.). Взаимосвязь и последовательность механических и теплофизических процессов в данной группе различны. В одних производствах теплом (или холодом) обрабатывается только сырье, в других — только полуфабрикаты. Вторая группа — физико-химические производства. К этой группе относятся производства сахара, крахмала, растительного масла, некоторых кондитерских изделий и т.д. Общим для них являются физические способы извлечения из сырья полезных веществ и химические методы их дальнейшей обработки. Основным технологическим процессом является диффузия или экстракция. При извлечении крахмала применяют вымывание продукта из измельченной массы сырья водой. Методом диффут 323 зии (экстракции) извлекают сок из сахарной свеклы, плодов и ягод; растительное масло из масличного семени. Третья группа — бродильные производства. К этой группе относятся производства, в которых ведущим процессом является брожение: приготовление хлеба и хлебопекарных дрожжей, производство кисломолочных продуктов, пива, виноградного вина, спирта, слабоалкогольных напитков и т.д. Отличительной особенностью этой группы производств является использование в технологии микроорганизмов, вызывающих сбраживание углеводов. Жизненные проявления микроорганизмов (синтез веществ, размножение и т.д.) связаны с затратами энергии, которую они получают при окислении органических веществ. Некоторые микроорганизмы могут использовать для дыхания углеводороды (парафины, метан). Дыхание может происходить с участием кислорода воздуха (аэробное дыхание) и без участия кислорода воздуха (анаэробное дыхание). В технологии пищевых производств применяются оба вида дыхания. Анаэробное дыхание используется в отраслях, получающих продукты, содержащие этиловый спирт (производство алкогольных напитков, спирта и т.д.), аэробное — при производстве микробиологического сырья (хлебопекарных и кормовых дрожжей, ферментных препаратов, некоторых витаминов и т.д.). Четвертая группа — химические производства, в которых ведущим звеном являются химические реакции. К этой группе относится ряд очень важных производств — таких, как получение патоки из пищевой глюкозы путем гидролиза крахмала с применением неорганических и биологических катализаторов, получение различных жировых продуктов методом гидрогенизации, получение этилового спирта путем гидратации природного газа этилена и т.д. Рассмотрим более подробно технологические основы производства продукции в каждой из вышеперечисленных групп. 11.3.1. Основы технологии мукомольного производства Мука — пищевой продукт, получаемый в результате измельчения зерна различных культур. Во всех странах, где печеный хлеб служит одним из основных продуктов питания, огромное количество зерна пшеницы и в меньшей степени — ржи перерабатывают в муку, которая является основным сырьем для хлебопечения, производства макаронных и кондитерских мучнистых изделий. Для нужд кулинарии, пищевой, текстильной и других отраслей промышленности в небольших количествах вырабатывают муку из ячменя, кукурузы, овса, гречихи, 324 гороха, сои. Из крупы риса, овсяной и гречневой получают специальную муку для детского питания. Производство муки — одно из древнейших на Земле. Первоначально орудиями для получения муки служили камни (зернотерки) или ступки из камня, в которых зерно измельчали ударными усилиями. Позднее стали использовать силу животных, ветра или воды, растирая зерно между специально обработанными камнями — жерновами с насечками на рабочей части. Развитие науки и техники привело к созданию высокопроизводительных измельчающих машин (вальцовых станков), сортирующих и просеивающих машин (рассевов), использованию в процессе производства муки транспортирующих устройств механического и пневматического действия и др. Комплекс машин, которыми измельчают зерно в муку, называют мельницами, а крупные предприятия, производящие муку, — мукомольными заводами. Производительность большинства из них составляет 250—500 т муки в сутки. Для измельчения зерна в муку требуются значительные усилия, однако применение тех или иных машин ударного или истирающего действия упрощает данный процесс. При этом получается темная мука, хлеб из которой также темноокрашенный, поскольку при таком способе измельчения все части зерна, в том числе и темноокрашенные оболочки, попадают в муку. Мука, прошедшая через сито, более светлая, однако и в ней присутствуют оболочки. Поэтому мякиш хлеба из такой муки серый. Для получения белого хлеба (со светлым мякишем) необходимо вырабатывать муку только из внутренних слоев зерна (эндосперма), т.е. уметь в процессе измельчения возможно полнее отделять оболочки. Поэтому после каждого измельчения полученный продукт сортируют, выделяя из пего частицы размеров, свойственных муке. На основании этого на мукомольных заводах применяют несколько видов помола, получая различные выходы и сорта муки. Выходом муки называют ее количество, полученное из зерна в результате помола. Выход выражают в процентах к массе переработанного зерна. Он может быть 100 %-м (в реальности 99,5 % -м), когда все зерно превращено в муку, однако при этом мука может иметь пороки (хруст, измененный вкус, худший цвет). Муку такого выхода не вырабатывают. В нашей стране существуют следующие выходы муки: пшеничная: 96 % — обойная (односортная), 85 % — второго сорта (односортная), 78 % — двухи трехсортная, 75 % — трех- и односортная, 72 % — первого сорта (односортная); ржаная: 95 % — обойная, 87 % — обдирная, 63 % — сеяная (все односортные). 32S Посредством удлинения схемы технологического процесса, т.е. последовательного измельчения зерна и сортирования образующихся продуктов с использованием большего числа машин, можно при общем выходе 78 % выпустить два или три сорта муки. При трехсортном помоле получают крупчатку или муку высшего сорта, остальное — мука первого и второго сорта. Процент выхода каждого сорта зависит от качества зерна и схемы технологического процесса. При помоле зерна твердой пшеницы для макаронной промышленности в пределах установленного выхода получают особую крупчатую муку высшего, первого и второго сортов. Помолом называют совокупность процессов и операций, проводимых с зерном и образующимися при его измельчении промежуточными продуктами. Степень сложности схем помола зависит от вида помола и производительности мукомольного завода. Все помолы подразделяют на разовые и повторительные. Разовые названы так потому, что зерно превращается в муку после однократного его пропуска через измельчающую машину. К машинам такого типа относят жерновые постава и дробилки (например, молотковые). При разовых помолах с обязательной предварительной очисткой зерна вырабатывают обойную муку установленного выхода. Более светлую муку (серую сеяную) получают отсеиванием на густых (частых) ситах. При повторительных помолах все количество муки производят за несколько пропусков через измельчающие машины. Последовательные механические воздействия на зерно обеспечивают постепенное измельчение. Мукомольные заводы оборудованы складами и элеваторами для зерна, складами для хранения готовой продукции. Процесс производства на них полностью механизирован. Мукомольные заводы расходуют много энергии на очистку, измельчение зерна, сортирование и перемещение продукции и поэтому имеют свое энергетическое хозяйство (электросиловое, паросиловое). В технологическом процессе мукомольного производства (рис. 11.1) широко используют принцип самотека. Зерно или промежуточные продукты, поднятые на верхний этаж механическим или пневматическим транспортом, при помощи распределительных устройств попадают в машины и затем по гравитационным (самотечным) трубопроводам направляются к машинам, расположенным этажом ниже, поэтому здания мукомольных заводов пяти—семиэтажные с поэтажным размещением машин. 326 Для получения муки стандартного качества зерно перед помолом подвергают очистке и кондиционированию. Подготовительное, или зерноочистительное, отделение современных предприятий занимает примерно 1/3 всей производственной площади. Подготовляют зерно в два этапа. Первый этап -очистка зерна от сорной примеси в сепараторах, триерах, дуас-пираторах; извлечение минеральной примеси в кам неотделительных машинах; мойка зерна в моечных машинах и отвола-живание (отлежка) его в силосах (8—20 ч, в зависимости от исходной влажности). Второй этап — дополнительная очистка зерна в сепараторах, дуаспираторах, щеточных машинах, увлажнение его в увлажняющих машинах и отволаживание (1—2 ч). При увлажнении и отволаживании улучшаются физические и биохимические свойства зерна: оболочки становятся менее хрупкими, более эластичными и легче отделяются от эндосперма. Для отделения металлических примесей предусмотрена магнитная защита (магнитные сепараторы). Из зерноочистительного отделения зерно поступает в размольное. Процесс, при котором зерно постепенно разворачивается и из него выкрещиваются крупки, состоящие из эндосперма со сросшимися оболочками, а эндосперм частично измельчается до состояния муки, называют драным. Образующиеся после каждого драного процесса продукты имеют разные размеры и неодинаковое содержание эндосперма. Этими процессами полу327 чают следующие продукты: муку, крупки (мелкую, среднюю и крупную), дунсты (среднее между мукой и мелкой крупкой). Для разделения по крупноте (размеру) их направляют в просеивающие машины (рассев). Крупки и дунсты поступают в ситовеечные машины, сортирующие их по качеству. Как правило, они расположены на третьем этаже размольного отделения. Ситовеечные машины сортируют продукты с помощью наклонно установленных ситовых рам с возвратно-поступательным движением и потока воздуха, проходящего через сита и продукты. Наиболее добротные продукты, содержащие в основном эндосперм, направляют в вальцовые станки, где они домалываются в муку. Крупки и дунсты размалывают при последовательном измельчении с отсеиванием готовой муки в размольных вальцовых станках. Этот процесс называют размольным. Крупки с частицами оболочки направляют в шлифовочные вальцовые станки, затем снова в ситовеечные машины для сортирования и рассева. Процесс обработки крупок, содержащих оболочки, называют шлифовочным. Товарный продукт, именуемый манной крупой, представляет собой одну из средних крупок. После ситовеечных машин его не домалывают, а направляют в склад готовой продукции. Отбирают манной крупы 2—3 %. Вся мука, полученная с рабочих рассевов, поступает на дополнительные контрольные рассевы для предотвращения попадания посторонних предметов, оболочек зерна и др. После контрольных рассевов муку передают на склад бестарного хранения или упаковывают в мешки. Для повышения пищевой ценности в муку высшего и первого сортов добавляют витамины Вь В2 и др. Технологический процесс на мукомольном заводе сопровождается выделением пыли. Для ее улавливания обязательно применяют систему аспирации. Дело в том, что при определенной концентрации в воздухе зерновая и мучная пыль взрывоопасны. 11.3.2. Основы технологии свеклосахарпого производства Сахар — пищевой продукт, получаемый главным образом из сахарной свеклы или сахарного тростника. Выпускается в виде сахарного песка и сахара-рафинада. Энергетическая ценность (калорийность) 100 г сахара — 1,68 МДж (ок. 400 ккал). Современный свеклосахарный завод перерабатывает в сутки несколько тысяч тонн корнеплодов. В основе производства сахара из свеклы — достаточно сложный физико-химический 328 процесс. Сахарозу (основной компонент сахара) извлекают (экстрагируют) из клеток сахарной свеклы диффузией, после чего применяют химические и теплофизические воздействия для отделения сахара от несахаров и превращения его в чистый кристаллический продукт. Технологический процесс производства сахара (рис. 11.2) обычно включает следующие стадии: • мойку; • измельчение в стружку; • экстракцию сока; • очистку сока; • сгущение сока (выпарку); • уваривание сиропа до кристаллизации сахара; • отделение кристаллов сахара от патоки; • сушку сахара. В начале процесса свекла поступает в бурачную — один или несколько длинных наземных или углубленных в землю бункеров. Бурачные разгружают струей воды, смывающей свеклу в желоб гидравлического транспортера, по которому корнеплоды поступают на переработку. Для отделения от свеклы посторонних примесей (соломы, ботвы, камней, песка и др.) на транспортере устанавливают ловушки. От земли и других прилипших примесей корнеплоды дополнительно отмывают в свекломойках. Для извлечения сахара корнеплоды измельчают на специальных машинах (свеклорезках) в стружку в виде полосок же329 лобчатой формы шириной 4—6 и толщиной 1,2—1,5 мм или прямоугольных пластинок: диффузия сахарозы происходит полнее и быстрее, если стружка имеет наибольшую поверхность на единицу массы. Свекловичная стружка поступает на транспортер, подающий ее в диффузионные аппараты непрерывного действия. Сахар из стружки извлекают горячей водой. Относительно полное извлечение сахара диффузионным способом возможно только после нагревания стружки до температуры 60 ° С, при которой происходит процесс коагуляции белков, входящих в состав свеклы. Большая часть белков при нагревании свертывается и остается в стружке. Для успешного извлечения сахара и уменьшения перехода несахаров в диффузионный сок диффузию проводят на аппаратах шнекового типа. Стружка поступает в аппарат непрерывно, а навстречу ее движению подают воду, с помощью которой и происходит обессахаривание. Предварительно стружку ошпаривают (нагревают) горячим соком в специальных опшаривателях. Нагретая стружка, перемещаемая шнеком с одного конца аппарата в другой, отдает потоку воды сахара и растворимые несахара. По мере движения стружка все более обессахаривается. При выходе из аппарата стружка (называемая жомом) содержит сахара 0,2—0,28 % массы переработанной свеклы. Диффузионный сок представляет собой мутную, быстро темнеющую на воздухе жидкость. В нем, кроме сахара, присутствуют органические и минеральные несахара. Кроме того, в диффузионном соке во взвешенном состоянии находятся мелкие частицы свекловичной стружки. Сок обладает слабокислой реакцией и способен пениться. Очистка сока заключается в удалении взвешенных частиц и песахаров. Из диффузионного сока удаляют около 40 % несахаров. Оставшиеся несахара проходят все дальнейшие технологические процессы и скапливаются в патоке — мелассе. Очистка включает следующие операции: дефекацию предварительную и основную, сатурацию первую и вторую, сульфитацию и контрольную фильтрацию сока. При дефекации сок, подогретый до температуры 80—90 ° С, дважды обрабатывают известковым молоком. Под действием извести белки и другие вещества, находящиеся в диффузионном соке, коагулируют и осаждаются. Продолжительность дефекации при нагревании сока до температуры 80—90 °С составляет 8— 10 мин. Дефекацию проводят в специальных аппаратах. Следующий этап очистки сока — сатурация, которую осуществляют в два приема. Основная цель процесса состоит в том, чтобы, насыщая сок диоксидом углерода, вызвать выпадение 330 извести в осадок в виде углекислого кальция (СаСОз). Образующийся в аппаратах (сатураторах) мел обладает очень тонкой структурой и активно поглощает (адсорбирует) различные органические вещества, особенно несахара, окрашивающие сок. После этого сок становится более светлым и прозрачным. Основную часть обработанного газом сока первой сатурации после предварительного подогрева до температуры 90 ° С направляют на фильтрацию. Отфильтрованный сок, подогретый до температуры 100 °С, поступает на вторую сатурацию. Задача этой стадии состоит в максимальном осаждении и удалении извести и солей кальция. На второй сатурации сок обрабатывают диоксидом углерода щелочности рН 8,8—9. В результате в соке остается минимальное количество кальциевых солей. После второй сатурации сок снова поступает на фильтрацию. Фильтрацию осуществляют на фильтрах-прессах или вакуумфильтрах. В результате образуются два продукта: более очищенный сок и фильтр-прессная грязь — отход сахарного производства. Для обесцвечивания и уменьшения вязкости сок, полученный после фильтрации, сулъфитируют, т.е. обрабатывают сернистым газом. При пропускании последнего в соке образуется сернистая кислота — довольно сильный восстановитель. Реагируя с водой, она частично переходит в серную кислоту. Освобождающийся при этом водород восстанавливает органически окрашенные вещества, превращая их в бесцветные соединения. Кроме того, сульфитация снижает щелочность сока, способствует уменьшению вязкости сиропа, что облегчает кристаллизацию и отделение кристаллов сахара. Сульфитируют сок в специальных аппаратах — сульфитаторах. Выход доброкачественного сока после второй сатурации и фильтрации составляет 91—93 % с содержанием сухих веществ 14—16 % , в том числе сахарозы 13—14 %. Следующая стадия производства — получение из сока саха-* ра. Для этого из сока в два приема удаляют воду. Сначала сок выпаривают в выпарных аппаратах до содержания сухих веществ в сиропе 65—70 % . Затем продукт дополнительно очищают и уваривают в вакуум-аппаратах до содержания сухих веществ 92—93 %. При дальнейшем выпаривании воды из сиропа раствор перенасыщается, и в нем начинают образовываться кристаллы сахара. В результате такого уваривания сиропа получают продукт — первый утфелъ. Он представляет собой густую вязкую массу, состоящую из кристаллов сахара и межкристальной 331 жидкости с содержанием сухих веществ 92—93 %. Для предотвращения карамелизации сахара, что может наблюдаться при температуре кипения утфеля 120 ° С при нормальном атмосферном давлении, сироп уваривают в вакууме. При этом температура кипения не должна превышать 80 ° С. Для образования кристаллов в вакуум-аппарат добавляют небольшое количество сахарной пудры, способствующей быстрому образованию центров кристаллизации. Затем продукт направляют в центрифуги для отделения кристаллов сахара от патоки. Отделенную жидкость называют зеленой патокой. Оставшиеся на сетчатой поверхности барабана центрифуги кристаллы сахара пробеливают горячей водой и паром, при этом часть кристаллов сахара растворяется. Полученный раствор, состоящий из воды, остатка патоки и растворенного сахара, называют белой патокой. Ее возвращают в вакуум-аппараты в конце уваривания первого утфеля. Выгружаемый из центрифуги белый сахар с влажностью 0,5— 0,6 % и температурой 70—75 °С попадает в сушильное отделение. В барабанной сушилке его подсушивают до стандартной влажности (0,1—0,15 %) благодаря остаточному теплу самого сахара, просеивают на ситах, пропускают через магнитный сепаратор и направляют в бункер для упаковывания в мешки. Зеленая патока поступает в другой вакуум-аппарат для уваривания второго утфеля. После дополнительной кристаллизации второй утфель направляют на центрифуги, где снова отделяют кристаллы сахара, на этот раз желтого цвета — желтый сахар. Последний возвращают в производство, растворяя его в соке после второй сатурации. Данный процесс именуют клеровкой. Растворенный в соке желтый сахар примешивают к сиропу, поступающему на сульфитацию. Отток второго утфеля называют кормовой патокой, или мелассой. Выход чистого сахара на современных заводах зависит от сахаристости сырья и обычно составляет 14—15 % массы переработанной свеклы. Сахар-рафинад вырабатывают на специальных заводах, расположенных в районах потребления, или в рафинадном цехе сахарного завода. Различают рафинад литой и прессованный. Литой рафинад бывает различной формы (наиболее прочный получают в форме так называемых сахарных голов). Для выработки сахара-рафинада песок сначала растворяют в воде. Полученный сироп фильтруют и обрабатывают активированным углем или другими сорбционными средствами для удаления красящих веществ. Затем его направляют в вакуумаппараты для варки первого рафинадного утфеля. Во время варки до332 бавляют небольшое количество ультрамарина (0,0008 % массы; сахара) для маскировки желтого оттенка кристаллов сахара, Уваривание происходит так же, как при производстве сахара-песка. Рафинадный утфель пробеливают, образовавшуюся рафинадную кашку (влажностью до 3 %) прессуют, получая влажный рафинад определенной формы. Для приготовления рафинада в виде голов утфель заливают в конические формы и охлаждают до температуры 45 ° С. В порах между кристаллами остается маточный раствор, которому дают вытечь через отверстие в нижней части (носке) формы. Сырой прессованный рафинад сушат в сушилках подогретым воздухом до влажности 0,3—0,4 % . Бруски рафинада охлаждают, раскалывают на специальном колочном станке и упаковывают. После пробеливания первого рафинадного утфеля на цен^ трифугах получают два оттека: зеленую и белую патоку. Белую патоку возвращают на варку первого рафинадного утфеля, зе^ леную после обесцвечивания активированным углем тоже уваривают и кристаллизуют. Из второго рафинадного утфеля вырабатывают рафинадную кашку. Зеленая патока утфеля второго рафинада служит сиропом третьего рафинада. Типовой технологической схемой предусмотрена работа с тремя рафинадными утфелями. Основными отходами свеклосахарного производства являются жом, кормовая патока и фильтр-прессная грязь. Выход жома составляет около 90 % переработанной свеклы. Жом — ценный корм для скота. Перевозка сырого жома вследствие большого содержания в нем воды нерентабельна, поэтому его используют в хозяйствах, расположенных вблизи сахарных заводов. Чтобы сырой жом не портился, его силосуют. Для повышения кормовой ценности и транспортабельности жом сушат в барабанных сушилках после предварительного удаления половины воды прессованием. Выход сухого жома составляет около 8 % массы сырого. В таком жоме около 90 % сухих веществ, он хорошо хранится и по питательности близок к овсу. Сухой жом используют в качестве одного из компонентов при приготовлении некоторых комбикормов. Из жома получают также свекловичный пектин, используемый в кондитерской и других отраслях промышленности. Кормовая патока (меласса) составляет 3,5—5 % массы переработанной свеклы. Содержание в ней сахара — около 50 %. Преобладающее количество получаемой мелассы используют для производства этилового спирта. Около половины ее расходуют на сдабривание грубых кормов и приготовление комби333 кормов. Меласса также служит сырьем для производства хлебопекарных дрожжей. Сбраживанием мелассы получают глицерин, молочную, лимонную и глютаминовую кислоты и другие продукты, идущие на приготовление лекарств. Способом известковой сепарации из мелассы извлекают сахар. Количество сухой фильтр-прессной грязи составляет 5—6 % массы свеклы. Она содержит углекислый кальций (около 80 %), немного солей фосфорной кислоты и азотистых веществ. Этот вид отходов служит известковым удобрением кислых почв. 11.3.3. Основы технологии кисломолочных продуктов Продукты, получаемые из молока или сливок в результате мол очно-кислого брожения, иногда дополняемого спиртовым брожением, называются кисломолочными. По способу производства и характеру биохимических процессов кисломолочные продукты можно разделить на две группы. К первой группе относят продукты, получаемые только в результате молочнокислого брожения (простокваша, ацидофилин и др.). Продукты этой группы имеют достаточно плотный, однородный сгусток без пузырьков газа и кисломолочный вкус, обусловленный накоплением молочной кислоты. Ко второй группе относят продукты, получаемые молочнокислым и спиртовым брожением (кефир, кумыс). Эти продукты имеют нежный сгусток, пронизанный мельчайшими пузырьками углекислого газа, так как в них помимо молочной кислоты накапливаются этиловый спирт и углекислота. Молочнокислое брожение вызывается молочнокислыми бактериями: молочнокислым стрептококком, болгарской и ацидофильной палочками, пропионовокислыми, уксуснокислыми ароматообразующими бактериями. Возбудителями спиртового брожения являются дрожжи. Кисломолочные продукты относятся к диетическим и лечебным продуктам. Под действием ферментов, выделяемых молочнокислой микрофлорой, происходит сбраживание молочного сахара до молочной кислоты, спирта, углекислого газа и диаце-тила. Одновременно происходит частичный гидролиз глюкозы, изменяются структура мицелл казеинаткальцийфосфатного комплекса и биоактивность минеральных солей. Под действием этих изменений кисломолочные продукты легче усваиваются организмом человека. Молочнокислые бактерии выделяют также антибиотики (низин, диплококцин, лактонин и др.), которые с большой разрушительной силой действуют на микроорганизмы, вызывающие гниение. Диетические кисломолочные 334 продукты, особенно ацидофильные, используют при лечении желудочно-кишечных заболеваний, колита, холецистита, туберкулеза, кроме того, они благотворно влияют на обмен веществ и нервную систему. Микрофлора кисломолочных продуктов синтезирует витамины С, Вх В6, Вх2 и др., в результате чего повышается питательная ценность этих продуктов. Кисломолочные продукты вырабатывают из пастеризованного, стерилизованного или топленого молока и сливок, которые заквашивают заквасками молочнокислых бактерий или дрожжей. Жирность исходного продукта перед внесением закваски рассчитывают исходя из необходимости обеспечения стандартной жирности конечного продукта с учетом количества вносимой закваски. Основная стадия технологического процесса производства всех кисломолочных продуктов — приготовление закваски. Для производства кисломолочных продуктов требуется значительное количество заквасок, приготовленных на чистых культурах молочнокислых бактерий и дрожжей. В заквасках не должно быть посторонних микроорганизмов. Они должны спо- * собствовать кислото- и ароматообразованию, накоплению антибиотиков и синтезированию витаминов. Молочные предприятия используют культуры в виде сухих или жидких заквасок, выращиваемые специальными лабораториями. Сухие закваски дольше сохраняют активность и более транспортабельны. Для производства заквасок отбирают свежее доброкачественное цельное или обезжиренное молоко. Посуда, инвентарь и оборудование, используемые при приготовлении заквасок, должны быть продезинфицированы. Закваски готовят ежедневно и отдельно по каждой культуре в количестве, необходимом для сквашивания молока и сливок, перерабатываемых в течение суток. Закваску из различных культур смешивают непосредственно перед заквашиванием. Исключением является комбинированная закваска, например для творога и сметаны. Рассмотрим технологические особенности производства некоторых кисломолочных продуктов. Производство простокваши. В зависимости от бактериального состава закваски, применяемого сырья и технологии производства вырабатывают следующие виды простокваши. Обыкновенную простоквашу вырабатывают из пастеризованного молока, которое сквашивают закваской, приготовленной на чистых культурах молочнокислого стрептококка с добавлением или без добавления культуры болгарской палочки. На 4—7 частей молочнокислого стрептококка вносят 1 часть 335 закваски болгарской палочки. Общее количество закваски по отношению к молоку составляет 5—8 %. Технологический процесс производства простокваши терм о с т а т н ы м способом включает следующие операции: приемку и сортировку молока, нормализацию, пастеризацию, охлаждение, заквашивание, разлив в бутылки или пакеты, сквашивание в камере термостата, охлаждение в холодильной камере. При производстве кисломолочных напитков применяют также р е з е р в у а р н ы й способ, при котором разлив продукта в бутылки производится после сквашивания и охлаждения в резервуарах. Продолжительность сквашивания составляет 3—4 ч при температуре 38—42 ° С. Готовую простоквашу хранят при температуре не выше 8 °С в течение 36 ч с момента окончания технологического процесса. Кислотность готовой простокваши незначительно превышает кислотность рабочей закваски. Мечниковскую (южную) простоквашу готовят путем сквашивания пастеризованного молока закваской, состоящей из чистых культур болгарской палочки и молочнокислых стрептококков в соотношении 4—7 : 1 с добавлением или без добавления закваски чистой культуры дрожжей. Заквашенное при 38—42 °С молоко разливают в стеклянные бутылки и сквашивают при такой же температуре в течение 5—6 ч. Кислотность сгустка должна быть равной кислотности рабочей закваски. Ацидофильная простокваша (ацидофилин) отличается от обыкновенной тем, что при заквашивании в молоко добавляют чистые культуры термофильного молочнокислого стрептококка и ацидофильной палочки. Производство ряженки. Ряженка — ото так называемая украинская простокваша. Готовят ее из молока, пастеризованного при температуре не ниже 95 °С в течение 3—4 ч, и сливок. Ряженка может быть жирностью 1; 2,5 и 4 %. В состав закваски включают термофильные расы молочнокислых стрептококков, а иногда и болгарскую палочку. При производстве ряженки тепловую обработку проводят иначе, чем при производстве простокваши. Молоко и сливки нагревают до 95 ° С и выдерживают при этой температуре 3—4 ч до появления ярко выраженного привкуса пастеризации и светло-кремового окрашивания. Заквашивают и сквашивают молоко при 38—42 °С. Процесс сквашивания продолжается 4—5 ч. Готовый продукт должен иметь кислотность сгустка, чуть ниже или равную кислотности рабочей закваски, кремовый цвет с буроватым оттенком и плотную консистенцию. 336 Производство кефира. Кефир — продукт смешанного (молочнокислого и спиртового) брожения, который вырабатывают из молока, пастеризованного при температуре 85—89 °С в течение 10—15 мин. В отличие от других кисломолочных напитков, молоко, предназначенное для изготовления кефира, заквашивают на кефирных грибках. В состав этой закваски входят молочнокислые стрептококки, молочнокислые палочки, уксуснокислые и аромато-образующие бактерии, а также дрожжи. При производстве кефира термостатным способом в молоко, охлажденное до 21—22 ° С, вносят 3—5 % кефирной закваски й вымешивают в течение 15 мин. После этого продукт разливают в бутылки или пакеты при непрерывном помешивании и выдерживают в термостате 8—12 ч при температуре 20—22 °С, чтобы кислотность сгустка была немного меньше кислотности рабочей закваски. После этого бутылки или пакеты с готовым кефиром помещают в холодильник, где он постепенно охлаждав ется до 4—8 °С. В холодильнике кефир выдерживают в течение 8— 13 ч для созревания. Готовый продукт имеет кислотность сгустка, немного превышающую кислотность рабочей закваски. При производстве кефира резервуарным способом молоко заквашивают при 23— 25 °С и вымешивают в течение 15 мин. После заквашивания молоко оставляют в тех же резервуарах и выдерживают в течение 8—12 ч при температуре 23— 25 °С. Образовавшийся сгусток имеет кислотность, равную кислотности рабочей закваски. После окончания сквашивания молочный сгусток вымешивают 10—30 мин и охлаждают до 18—22 °С. При такой температуре кефир выдерживают в течение 6 ч для созревания, а затем охлаждают до 6 °С, перемешивают и разливают в бутылки или пакеты. Кислотность готового продукта незначительно превышает кислотность рабочей закваски. Срок реализации кефира должен быть не более 36 ч с момента окончания технологического процесса при температуре хранения 4—8 °С. Консистенция кефира однородная, напоминающая жидкую сметану; вкус и запах — чистые, кисломолочные, освежающие. Допускается газообразование, вызванное дрожжами и ароматообразующими бактериями. Содержание спирта в кефире составляет 0,6 %. Производство сметаны. Сметану вырабатывают из пастеризованных сливок, которые сквашивают чистыми культурами молочнокислых стрептококков. Выпускают сметану 15, 20, 25 и 30 %-ной жирности, а также диетическую — 10 %-ной жирности. Для производства сметаны заданной жирности перед началом технологического процесса сливки нормализуют. 337 Пастеризацию сливок проводят при температуре 90—96 °С в течение 20 мин. После этого их охлаждают до 2—6 ° С и выдерживают в течение 2 ч для созревания, а затем снова нагревают до температуры сквашивания (20—26 °С). При постоянном помешивании в сливки вводят в зависимости от активности стрептококков от 2 до 5 % закваски и вымешивают еще 10—15 мин, затем их разливают и упаковывают. После упаковки продукт помещают в термостат для сквашивания и образования сгустка, кислотность которого меньше кислотности рабочей закваски. В термостате температуру выдерживают на уровне 20—26 °С. Сквашивают продукт в течение 16 ч. Готовую сметану охлаждают до 8 °С и выдерживают при этой температуре в течение 6—12 ч для созревания. Хранят сметану при температуре не более 8 ° С и не более 72 ч с момента ее изготовления. Вкус и запах сметаны чистый, кисломолочный, с выраженным привкусом и ароматом пастеризации, без посторонних привкусов и запахов. Консистенция однородная, в меру густая, без крупинок жира и белка (творога). Производство творога. Творог получают сквашиванием молока молочнокислыми бактериями с последующим удалением из сгустка сыворотки. Творог производят из пастеризованного цельного или обезжиренного молока. В зависимости от исходного сырья он бывает жирный (18 %-ной жирности), полужирный (9 %-ной) и нежирный (без содержания жира), а по способу производства — кислотный и кислотно-сычужный. При кислотно-сычужном способе производства технологический процесс включает следующие операции: приемку и оценку качества сырья, нормализацию, пастеризацию, заквашивание бактериальной закваской, внесение хлористого кальция и сычужного фермента, сквашивание, определение готовности сгустка, обработку сгустка, самопрессование и прессование, охлаждение творога, расфасовку. Для получения творога требуемой жирности необходимо обеспечить определенное соотношение между содержанием жира и белка в молоке с учетом коэффициентов перехода жира и белка молока в творог. При нормализации молока пользуются специальными таблицами, в которых указаны требуемая жирность молока, расход цельного или обезжиренного молока на 100 кг произведенного творога. При производстве творога кислотным способом из технологического процесса исключены операции по внесению хлористого кальция и сычужного фермента. Подготовка молока к сквашиванию проводится в тех же режимах, что и при производстве творога кислотно-сычужным способом. 9QQ 11.3.4. Основы технологии этанола Этапол, или этиловый спирт (СН3СН2ОH) является бесцветной жидкостью со жгучим вкусом и характерным запахом, имеет температуру плавления 114,5 °С, температуру кипения — 78,4 °С. Его плотность 0,794 г/см3, он растворяется в воде и органических растворителях. С водой этанол образует азе-отропную смесь, содержащую 95,6 % спирта, которая кипит при постоянной температуре 78,1 °С. Этанол обладает наркотическим действием, его предельно допустимая концентрация равна 1 г/м3. Длительное воздействие этанола на организм человека вызывает тяжелые заболевания нервной системы, печени и других органов. Этанол известен человеку с древности, однако первые упоминания о нем относятся к VIII в. В XI—XII вв. этанол получали ректификацией виноградного вина, с XII в. его начали применять в медицине. Метод получения водного раствора этанола из картофеля впервые описал в 1682 г. И. Бехер, немецкий химик и врач. Элементный состав этанола установил французский химик А.Л. Лавуазье. В 60-х гг. XIX в. Д.И. Менделеев детально исследовал систему «этанол—вода» и использовал затем полученные данные для разработки гидратной теории; им же был установлен и оптимальный состав русской водки. В качестве основного сырья для промышленного производства этанола используются газ этилен C2H4, древесина, зерно злаковых (в основном рожь), крахмал, картофель и сульфитные щелока. На рис. 11.3 показано применение этого сырья при получении этанола. В зависимости от вида сырья выход спирта составляет (в литрах на 1 т исходного сырья): 740 для этилена; 93—117 для картофеля; 185—361 для зерна; 160—200 для древесины; 339 90—110 для сульфитных щелоков (в пересчете на 1 т древесины). Из древесины и сульфитных щелоков, кроме этанола, получают дрожжи, фурфурол, лигнин, лигносульфонаты и гипс. При всех вариантах биохимического метода производства этанола (кроме гидратации) выделяется оксид углерода (СО2). Рассмотрим технологию получения этилового спирта прямой гидратацией в присутствии фосфорной кислоты, служащей катализатором. Основное сырье для получения этанола этим методом — этилен, выделяемый из пирогаза (продукт пиролиза низкооктанового бензина), газов нефтепереработки и попутных газов, из этиленовых фракций обратного коксового газа, а также полученного пиролизом этана. Процесс гидратации представляет собой экзотермическую равновесную реакцию: Для того, чтобы равновесие сместилось в сторону получения спирта, необходимо понижение температуры и повышение давления, однако ниже 280 °С скорость гидратации очень мала, а применение давления свыше 80-105 Па экономически нерентабельно, поэтому на практике применяют катализатор. В качестве катализатора используется фосфорная кислота, нанесенная на широкопористые носители: кизельгур, силика-гель, алюмосиликаты. Наличие пор облегчает диффузию и увеличивает поверхность соприкосновения реагентов с фосфорной кислотой, находящейся в виде пленки на зернах твердых носителей. Таким образом, при формально твердом катализаторе катализ протекает фактически в жидкой фазе и зависит от концентрации кислоты. Концентрация кислоты в свою очередь зависит от парциального давления паров воды и температуры в системе. Например, при давлении паров воды 27,5 105 Па концентрация кислоты при 280 ° С составляет 83 % (при более низкой концентрации резко снижается активность катализатора), а при 290 °С — 85 %. Оптимальными условиями взаимодействия газообразного этилена С2Н4 и водяных паров являются: температура 280— 290 °С; давление 70 • 105—80 • 105 Па; концентрация этилена в циркулирующем газе 80—85 % (об.); молярное отношение воды к этилену 0,6—0,75 : 1; концентрация фосфорной кислоты на поверхности катализатора не ниже 83 % ; объемная скорость 1800— 2500 ч-1. Соблюдение этих условий позволяет получать водноспирто-вой раствор с концентрацией спирта 15—16 % при конверсии этилена за один проход 4—5 % . Полезное использование этиле340 на на этой установке составляет 95 %. Остальные 5 % этилена расходуются на образования диэтилового эфира (2 %), ацетальдегида (1 %), димеров и полимеров (2 %). В целом технологическая схема прямой гидратации этилена (рис. 11.4) включает несколько непрерывно протекающих операций: • приготовление исходной парогазовой смеси; • гидратацию этилена в гидраторе (реакторе); • нейтрализацию паров продуктов, образующихся в результате реакции; • рекуперацию тепла рециркулирующих потоков; • очистку циркулирующего газа. Смесь сжатых компрессором этилена, циркуляционного газа и паров воды нагревается до 280 ° С и поступает в контактный аппарат-гидратор (цилиндрическая колонна диаметром 2,5 м, высотой 10 м, футерованная изнутри красной медью), заполненный катализатором на высоту 8,5 м. Парогазовая смесь после гидратора нейтрализуется щелочью и проходит теплообменник-рекуператор, в котором отдает свое тепло поступающей исходной смеси. Образующийся в рекуператоре конденсат (водный раствор спирта) очищается от непрореагировавшего этилена, который затем снова в виде циркуляционного газа возвращается в процесс, а водный раствор спирта передается на очистку и ректификацию. При наличии вблизи установки гидратации ТЭЦ парогазовую смесь готовят путем смешивания этилена с перегретым паром высокого давления (=70 • 105 Па). На изготовление 1 т этилового спирта расходуется 0,685 т этилена, 5,6 кг фосфорной (100 %) кислоты, 2 кг носителя, 341 16 кг гидрооксида натрия NaOH. Срок службы катализатора около 600 ч, дальше его не эксплуатируют из-за осаждения на поверхности носителя смолистых веществ. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой пищевая промышленность? С какими сферами общественного производства она связана? 2. Охарактеризуйте основные направления научно-технологического прогресса в пищевой промышленности. 3. Охарактеризуйте технологические особенности пищевой промышленности. 4. Как классифицируются важнейшие процессы пищевой промышленности? 5. На какие группы подразделяют технологические процессы пищевых производств с учетом сути явлений, происходящих при производстве пищевой продукции? 6. Кратко охарактеризуйте типовые процессы пищевых производств. 7. Какие технологические процессы специфичны для пищевой промышленности? Кратко охарактеризуйте их. 8. Кратко охарактеризуйте важнейшие технологические процессы термической обработки в пищевой промышленности. 9. Чем принципиально отличаются друг от друга стерилизация, пастеризация и тиндализация? 10. В чем заключается сущность консервирования? Какие группы процессов консервирования вам известны? Кратко охарактеризуйте их. 11. Кратко охарактеризуйте важнейшие технологические процессы консервирования, применяемые в пищевой промышленности. 12. Какие четыре группы пищевых производств различают в зависимости от общности основных методов обработки сырья? Кратко охарактеризуйте их. 13. Охарактеризуйте технологические особенности механико-теплофизических производств. Какие процессы лежат в их основе? Какие предприятия пищевой промышленности входят в эту группу? 14. Охарактеризуйте технологические особенности физикохимических производств. Какие процессы лежат в их основе? Какие предприятия пищевой промышленности входят в эту группу? 15. Охарактеризуйте технологические особенности бродильных производств. Какие процессы лежат в их основе? Какие предприятия пищевой промышленности входят в эту группу? 16. Охарактеризуйте технологические особенности химических производств. Какие процессы лежат в их основе? Какие предприятия пищевой промышленности входят в эту группу? 17. Опишите основы технологии мукомольного производства. 18. Опишите основы технологии свеклосахарного производства. 19. Опишите основы технологии кисломолочных продуктов. 20. Опишите основы технологии этанола. 342 Раздел III. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Новые технологии, определяющие лицо современного промышленного производства, лежат в основе коренных преобразований в обществе. Без совершенствования производственных технологий невозможны повышение эффективности производства, сокращение сроков освоения и увеличения выпуска новой конкурентоспособной продукции. Широкое внедрение новых технологических процессов, позволяющих существенно повысить производительность труда, снизить энерго- и материалоемкость производства, поднять эффективность использования ресурсов — важнейшие задачи, стоящие перед нашей страной на современном этапе развития. Как отмечалось в разделе I, исходя их закономерностей формирования и развития технологических процессов, принципиально возможны три варианта их развития: рационалистическое, эволюционное и революционное развитие. Очевидно, что каждое усовершенствование технологического процесса сопровождается изменением его структуры, аппаратурного оформления и должно быть экономически оправданным. При решении вопроса о внедрении новых для данного производства технологических процессов необходимо определить, какой вариант развития будет реализован в ходе внедрения, учесть принципиальную ограниченность рационалистического развития, незначительный прирост уровня технологии при эволюционном развитии, необходимость дополнительных затрат на научноисследовательские и опытно-конструкторские работы при революционном развитии, а также предпочтительность чередования этих вариантов. Необходимо также помнить, что нетрадиционные способы воздействия на предмет труда имеют, как правило, узкую сферу применения и ни в коей мере не исключают использования традиционных технологических процессов, поэтому в каждом конкретном случае следует проводить экономическое обоснование технологического развития промышленного производства. В главе 14 данного раздела охарактеризованы технологические процессы, используемые преимущественно при рациона343 диетическом и эволюционном развитии производства, а в главе 15 — применяемые при революционном варианте развития. Но прежде чем ознакомиться с конкретными представителями прогрессивных технологических процессов, являющихся, как правило, результатом проведенных ранее научных исследований, рассмотрим особенности и направления технологического прогресса в целом. Глава 12. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС — ОСНОВА РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ОБЩЕСТВА Современные технологии в большинстве своем создаются на основе использования новейших достижений фундаментальных наук. Конец XX в. ознаменовался рядом крупнейших открытий в науке, которые предопределили бурный прогресс в технологиях. Эти открытия легли в основу достижений микроэлектроники, информатики, вычислительной техники, робототехники, биотехнологии и других современных технологий промышленного производства. Значительное воздействие этих прогрессивных технологий испытывают на себе практически все стороны человеческой деятельности, так как они способствуют решению проблем эффективного устойчивого развития в современном мире, ориентируют на качественные аспекты экономического роста. В свою очередь совершенствование общественного производства на качественно новой технологической основе вызывает появление и развитие новых отраслей, укрепляет непосредственную связь науки с производством. Характерной чертой современного этапа развития общественного производства является активная роль технологии в структуре и взаимодействии основных элементов производства. Все больше научных открытий проникает в производство и все чаще — именно через технологию, при этом технологические решения становятся ведущими, исходными при проектировании производства. Оптимальные технологические решения обусловливают выбор и создание средств труда, подбор и сочетание уже существующих и поиск новых предметов труда, характер и направленность информационных потоков в процессе производственной деятельности. Именно технология коренным образом влияла на развитие общества в прошлом, в первую очередь определяет современное состояние общественного про344 изводства, формирует направления развития общественного производства в будущем. Чтобы понять и оценить влияние прогрессивных технологий на развитие общественного производства, раскрыть их сущность, необходимо рассмотреть основные этапы технологического развития общества. Первая волна (иногда ее называют первой технологической революцией) была связана с изобретением сельскохозяйственной техники и переходом от примитивной охоты и собирательства к земледелию и скотоводству. Это означало переход от пассивного отношения человека к природе к активному и от присваивающей экономики — к производящей. Исторически первая технологическая революция произошла в каменном веке, в эпоху неолита. Вторая волна (вторая технологическая революция) была связана с массовым переходом от землевладельческого способа производства к индустриальному (промышленному). Этот этап технологического развития общества знаменовал собой качественные изменения в структуре продуктов потребления, преобразование сельскохозяйственного общества в индустриальное. И если технологии сельскохозяйственного производства, как правило, базировались на природных процессах и воспроизводили их, то технологии промышленного производства, хотя и основанные на знании и использовании естественных законов материального мира, явились результатом целенаправленной, творческой деятельности человека. Вторая технологическая революция послужила мощным толчком развития человеческого общества, исторически начавшись совсем недавно — чуть более 200 лет назад, одновременно с развитием машинного производства. Все научно-технические достижения, которыми по праву гордится человечество, появились именно благодаря второй технологической революции. Анализ нынешнего этапа развития науки, техники и технологии позволяет утверждать, что с 70-х гг. XX в. зародилась и быстро прогрессирует третья волна, также знаменующая качественные изменения в общественном производстве. И если первую волну называют аграрной, вторую — индустриальной, то третью нарекли информационной, или информационно-технологической революцией. Но прогнозам третья волна, становящаяся в начале XXI в. доминирующей, продлится до его середины, когда общество вступит в четвертую волну — кибернетическую, которая будет базироваться на искусственном интеллекте, взаимосвязи между человеческим интеллектом и электронной технологией (на базе биокибернетических устройств). 345 Таким образом, можно выделить характерные признаки и предпосылки технологического прогресса: • качественное изменение энергетической основы производства, появление новых предметов труда; • появление принципиально новых технологий, базирующихся, как правило, на научной основе; • существенные изменения в организации производства. Исчерпание к концу XX в. наиболее доступных источников энергии и сырья, достижение традиционными технологиями своих предельных возможностей, бурное развитие микроэлектроники и компьютерных систем способствовали возникновению принципиально новых технологий, созданию новых конструкционных материалов, качественным изменениям в организации производства на базе информатики и кибернетики. Все вышеперечисленные факторы полностью отвечают характерным признакам технологического прогресса, который создает предпосылки для научно-технологического развития современного производства. Современный этап технологического развития общества, получивший название информационно-технологической революции, имеет ряд характерных черт и специфических условий протекания: • высокий темп развития новейших наукоемких отраслей (информационной, электронной, био- и робототехнологии); • широкие масштабы модернизации базисных отраслей экономики (металлургии, машиностроения, химической промышленности) на основе достижений наукоемких отраслей; • развитие экономики происходит в условиях исчерпания традиционных топливно-энергетических и других природных ресурсов, что способствует разработке энерго- и материалосберегающих технологий; • над человечеством висит угроза необратимого разрушения природной среды со всеми вытекающими отсюда последствиями; • возрастание роли науки и техники не только в промышленном производстве, но и в общественной жизни; • неравномерность протекания в различных странах и регионах планеты, большое влияние политического фактора и уровня экономического развития в разных странах. Говорить о наступлении качественно нового этапа в технологическом развитии общества заставляют и следующие факты. Но объему выпуска продукции ряд новейших отраслей приблизился к аналогичным показателям традиционных отраслей и даже перегнал их. Кроме того, возросли темпы обновления промышленной продукции. 346 Для нынешнего этапа развития общественного производства характерен расцвет так называемого рискового предпринимательства, т.е. небольших фирм, специализирующихся на разработке и освоении новых видов техники и технологии. Факты свидетельствуют о том, что рисковые фирмы успешно конкурируют с крупными корпорациями, заставляя их также заниматься научно-технологическим развитием производства. Информационно-технологическая революция развертывается в период преимущественно интенсивного типа воспроизводства и с этим связана ее первая особенность: • ориентация в основном на качественные, а не количественные аспекты экономического роста. Акцент делается на модернизацию и реконструкцию действующих производств, а не создание новых мощностей; • ориентация на малое энергопотребление и низкую материалоемкость изделий; • переход от экстремальных технологических условий к технологиям низких параметров, малоотходным и безотходным технологиям. Вторая особенность: информационно-технологическая революция охватила, кроме сферы производства товаров, и сферу услуг. При этом в производстве товаров на передний план выходят новые критерии оценки конечных результатов хозяйственной деятельности: качество, надежность, степень удовлетворения массового и специфического спроса, оперативное приспособление к меняющимся внешним условиям в деятельности предприятий, обеспечение сохранности окружающей среды. Третьей особенностью информационно-технологической революции являются изменения в качестве и структуре рабочей силы. В наукоемких отраслях экономики до 40 % занятых связано не непосредственно с производством, а с его подготовкой, обеспечением, контролем. И, наконец, четвертая особенность современного этапа технологического развития общества. Интенсификация производства на базе прогрессивных технологий повышает эффективность многих традиционных технологий, но пока еще не отменяет и не заменяет их полностью. Например, в гибких автоматизированных производственных системах в качестве основного принципа обработки предмета труда по-прежнему используют обработку резанием. Однако, совершенствуя многие традиционные технологии, информационно-технологическая революция доводит их до предельного исчерпания заложенных в них возможностей и тем самым готовит предпосылки для еще более решительного переворота в развитии промышленного производства. 347 Основные направления научно-технологического развития промышленного производства на современном этапе определяются в первую очередь направлениями развития фундаментальных и прикладных научных исследований. К числу важнейших комплексных проблем, включая глобальные, вокруг которых группируются фундаментальные исследования, относятся: • энергообеспечение жизнедеятельности общества, включая бесперебойное, экономичное и не угрожающее экологическому равновесию поступление традиционных энергоносителей, совершенствование энерготрансформирующей и энергопотребляющей техники и технологии; • обеспечение производства средствами труда: совершенствование существующих и создание новых технологических методов воздействия на предмет труда, отличающихся высокой экономичностью, ресурсосбережением, экологической чистотой; • совершенствование традиционных и создание новых материалов при снижении материалоемкости общественного производства; • обеспечение продовольствием и другими условиями жизнедеятельности людей; • разработка систем информационной индустрии и связи; • развитие систем транспортных коммуникаций (наземных, подземных, водных, воздушных, трубопроводных); • комплексное освоение новых пространственных сфер (космоса, Мирового океана, земной коры и т.д.). Успехи в развитии фундаментальных наук по вышеперечисленным направлениям создают предпосылки для прогресса в прикладных науках, способствуют появлению и развитию принципиально новых технологий, стимулируют развитие традиционных технологий, не исчерпавших своей прогрессивности. Исходя из этого, можно выделить основные направления прикладных исследований, обеспечивающих технологическое развитие производства: • разработка новых технологий; • создание новых продуктов и материалов; • улучшение качества выпускаемой продукции. Успехи в фундаментальных и прикладных науках способствуют технологическому совершенствованию производства. В металлургии расширяется применение автоматических систем и электронной техники, внедряются непрерывные процессы, малоотходные и энергосберегающие технологии, совершенствуется технология порошковой металлургии. В продукции черной металлургии увеличивается доля экономичных полуфабрикатов, специальных сталей (легированных, 348 жаропрочных, хладостойких). В цветной металлургии создаются сплавы с высокими эксплуатационными показателями, расширяется применение металлокерамических материалов. В машиностроении все шире применяются многооперационные, многоинструментальные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) и с возможностями оперативной переналадки; значительная часть сборочных операций переводится на выполнение роботами. Электронная автоматизация и электронновычислительная техника все тирс применяются не только в основных производственных процессах, но и в системах проектирования изделий и технологической оснастки; увеличиваются масштабы применения новых технологических методов обработки материалов — лазерных, плазменных, электрофизических и электрохимических, ультразвуковых; растет количество изделий, полученных на основе композиционных материалов. В химической промышленности происходит ускоренное обновление продукции и технологии. Если срок жизни технологических процессов в химической промышленности в начале 70-х гг. XX в. составлял примерно 15 лет, в начале 80-х гг. — 10 лет, то к началу 90-х гг. — всего 7—8 лет. В строительстве идет поиск методов повышения надежности строительной техники, долговечности материалов, энергосберегающих проектных решений; расширяется выпуск специализированных машин и оборудования; внедряются строительные материалы и конструкции с пониженной объемной массой и повышенной прочностью, новые теплоизоляционные материалы. В легкой промышленности прикладные исследования обес печивают создание и совершенствование ресурсосберегающих технологических процессов; идет автоматизация оборудования с применением электронных систем управления; растет еди ничная мощность и улучшаются параметры работы оборудова ния; разрабатываются новые методы обработки сырья токами высокой частоты, лазерами, ультразвуком и т.д. '' Совершенствование продукции пищевой промышленности происходит в направлении повышения ее физиологической ценности, улучшения вкусовых свойств, расширения ассортимента, особенно продуктов быстрого приготовления и замороженных. Создаются новые продукты питания, разнообразные вкусовые добавки, тонизирующие и укрепляющие препараты. Следует ожидать выпуска синтетических продуктов питания, прогнозируется коммерческий выпуск малокалорийных усваивающихся сладостей, различных вкусовых добавок, изготовляемых химическим способом. 349 Ведутся работы по освоению в промышленных масштабах биотехнологии, мембранной технологии, гибкой автоматизированной технологии. Электроника становится базой отраслей информационноиндустриального комплекса. Технической основой этого комплекса стала система, объединяющая средства связи и средства обработки информации. Самым наглядным показателем роста информационноиндустриального комплекса является чрезвычайно быстрое увеличение количества эксплуатируемых ЭВМ, особенно персональных, объединение их в локальные и межконтинентальные системы обмена информацией, что позволяет говорить о стремительном развитии информационной технологии. Ведутся работы по стимулированию использования информационных услуг, проводятся исследования новых методов обработки, распределения и использования специализированной информации. Реализация в широкой хозяйственной практике большинства научно-технологических достижений имеет краткосрочный и долгосрочный аспекты. Они в полной мере присутствуют в многочисленных прогнозах научно-технологического развития, которые все шире начинают использоваться для выработки решений на всех уровнях: от предприятия до масштаба национальной экономики. Долгосрочное прогнозирование является важным элементом управления научно-технологическим развитием производства, оно позволяет наметить наиболее перспективные цели развития и оптимальные пути их достижения. Объективной базой прогнозирования развития производства является овладение закономерностями развития технологий, чередования научно-технологических циклов, содержания и сроков переходов к новым технологиям и новым поколениям технологического оборудования. Под краткосрочным аспектом в прогнозах понимается внедрение технологий, позволяющих более экономно расходовать известные виды сырья, повышающих эффективность использования энергоресурсов, дающих возможность вовлекать в производство низкосортное сырье, утилизировать отходы и т.д. К числу проблем, разрешение которых возможно в более отдаленной перспективе, относится: • промышленное освоение принципиально новых источников энергии и способов ее передачи и трансформации; • широкое распространение новых конструкционных материалов; • принципиально новая ступень автоматизации производственных процессов; • безотходное или малоотходное использование сырья; • создание технологий замкнутого типа, безопасных с точки зрения экологии, и т.д. Контрольные вопросы 1. Выделите характерные признаки и предпосылки технологического прогресса. 2. Выделите и охарактеризуйте основные этапы технологического развития общества. 3. Какое название получил нынешний этап научно-технического прогресса? Почему? 4. Выделите характерные черты нынешнего этапа научнотехнического прогресса. 5. Какие факты заставляют говорить о наступлении качественно нового этапа в технологическом развитии общества? 6. Охарактеризуйте особенности технологического развития общества в современных условиях. 7. Какие факты свидетельствуют о возрастании роли технологии в производственной деятельности и жизни общества? 8. Охарактеризуйте основные направления и перспективы научнотехнологического развития. 9. Выделите и охарактеризуйте важнейшие комплексные проблемы, включая глобальные, вокруг которых группируются фундаментальные исследования в настоящее время. 10. Связаны ли между собой успехи в развитии фундаментальных наук и развитие производства? Каким образом? 11. Какие основные направления прикладных исследований, обеспечивающих технологическое развитие производства, вы могли бы выделить? 12. Что является объективной базой прогнозирования развития производства и общества? Что понимают под краткосрочным и долгосрочным аспектом в прогнозировании общественного производства? Глава 13. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА Одним из основных источников загрязнения окружающей среды является промышленное производство, в которое вовлекаются значительные объемы природных ресурсов. Опыт решения экологических проблем, накопленный к настоящему времени, показывает, что сохранение окружающей среды может быть обеспечено за счет улучшения используемых технологий. 351 Современная окружающая среда — продукт взаимодействия человека и природы. При этом взаимосвязь между производством и окружающей средой — не просто взаимный обмен энергией, веществом и информацией, а направленный технологический процесс присвоения человеческим обществом природных ресурсов. Поэтому именно технологические средства должны сохранять динамическое равновесие производства и окружающей среды. Нарушение этого равновесия, с одной стороны, может привести к сворачиванию производственной деятельности и ухудшению потребления, а с другой — к ухудшению состояния окружающей среды. К сожалению, как показывает практика, указанное равновесие, или соответствие, между производством и окружающей средой не всегда выдерживается и нарушается в сторону возрастания экологических проблем. Изменения в окружающей человека природе, связанные с производством материальных благ, можно разделить на преднамеренные, заранее прогнозируемые, осуществляемые с определенной целью (создание плотин, орошение, рубка леса и т.д.) и попутные, неизбежно связанные с преднамеренными (затопление земель, засоление почвы и т.д.). В результате функционирования общественного производства возникают отходы — побочные продукты или полупродукты основного производства, которые в данный момент не нашли рационального применения. Следует отметить, что хотя отходы являются критерием несовершенства технологии с точки зрения ее сбалансированности с окружающей средой, их появление может быть экономически оправданным. Промышленные отходы образуются в основном по следующим причинам: • наличие в исходном сырье примесей, т.е. компонентов сырья, которые не используются в данном технологическом процессе для получения готового продукта; • применение в процессах вспомогательных веществ, которые вырабатываются и становятся непригодными для дальнейшего использования (катализаторы, растворители, сорбенты, фильтрующие материалы и т.д.); • протекание побочных химических реакций, приводящих к образованию неиспользуемых веществ; • неполное извлечение ценного компонента из исходного сырья в ходе технологического процесса; • механические потери продуктов из-за негерметичности оборудования и коммуникаций. Все отходы (назовем их первичными) содержат, как правило, ценные компоненты, которые целесообразно после дополнительной технологической обработки возвращать в полезный оборот. 352 Но следует иметь в виду, что это связано с расходом дополнительной энергии и средств. Поэтому целесообразность обработки первичных отходов с целью извлечения нужных компонентов необходимо экономически и экологически обосновывать. В зависимости от места переработки первичные отходы можно разделить на две группы: • отходы, которые целесообразно перерабатывать непосредственно там, где они образуются, особенно когда их нецелесообразно или невозможно транспортировать (например, газовые выбросы); • отходы, которые целесообразно отправлять на специализированные предприятия в качестве сырья. Современное промышленное производство представляет собой открытую технологическую систему, в которую поступает непрерывный поток природных ресурсов (руда, нефть, вода, воздух и т.д.), а исходит двухструйный поток: готовая продукция и отходы (пыль, аэрозоли, пары, стоки, шлаки и т.д.). Часть готовой продукции может снова поступать в производство в качестве сырья, с образованием новой порции отходов. В конечном счете готовая продукция используется в быту, где рано или поздно целиком превращается в жидкие, газообразные или твердые отходы. Такой сугубо открытый характер этой системы приводит, с одной стороны, к недостаточно полному и нерациональному использованию природных продуктов, а с другой — к прогрессирующему загрязнению окружающей среды, особенно водного и воздушного пространства. По своему назначению и типу исполнения можно выделить следующие варианты устранения загрязнения окружающей среды. 1. Изоляция отходов-загрязнений путем их захоронения в отдаленных от повседневных сфер человеческой деятельности местах: в заброшенных шахтах, скважинах, на дне Мирового океана и т.д. Но в природе ничто нельзя спрятать. Так или иначе, захороненные отходы вовлекаются в природный круговорот веществ и трудно предсказать, к каким печальным последствиям это может привести в будущем. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту и доступность этого метода, использование его необходимо резко ограничить, а в перспективе — прекратить. 2. Превращение вредных загрязнений в менее токсичные или нетоксичные, перерабатываемые самой природой. Такой путь позволяет уничтожить вредные выбросы, загрязняющие окружающую среду, однако его реализация требует больших капитальных затрат и сопровождается потерями природных ресурсов (не только сырьевых, но и энергетических). 353 3. Превращение загрязнений во вторичное сырье или дополнительные продукты потребления. При таком подходе определенная часть затрат на строительство и эксплуатацию очистных сооружений возмещается ценностной стоимостью получаемых продуктов потребления или вторичного сырья. В то же время достигается определенная экономия природных ресурсов. Таким образом, можно выделить два принципиально разных пути, решения экологических проблем. Первый путь более радикальный, но, к сожалению, не всегда технически реализуемый. Он заключается в разработке таких технологических процессов производства, которые в максимальной степени уменьшали бы выброс отходов в окружающую среду, т.е. приближались к природным процессам или имитировали их. Речь идет о создании безотходных (или хотя бы малоотходных) технологий, которые бы максимально экономили исходное сырье, топливно-энергетические ресурсы и обеспечивали охрану окружающей среды. Второй путь — путь борьбы скорее не с причинами, а с последствиями выброса вредных веществ в природу. Он не решает проблему кардинально, но в современных условиях развития техники, технологии, промышленного производства в целом пока является наиболее реализуемым. Это путь очистки вредных выбросов промышленных предприятий. Он получил в настоящее время наибольшее применение, хотя дальнейшее продвижение по нему в будущем видится неперспективным, поскольку даже самая эффективная очистка выбросов не предотвращает их возникновение. Кроме того, с помощью очистных сооружений не всегда удается полностью прекратить поступление вредных веществ в окружающую среду, а в процессе очистки происходит превращение одних видов загрязнений в другие. Следует учитывать также, что строительство надежных очистных сооружений обходится довольно дорого. Термин «безотходная технология» широко используется в настоящее время, как в специальной, так и в научно-популярной литературе. В соответствии с определением, принятым Европейской экономической Комиссией ООН, безотходная технология есть практическое применение знаний, методов и средств с тем, чтобы обеспечить в рамках человеческих потребностей наиболее рациональное использование природных ресурсов, энергии и защиту окружающей среды. Существует и другое общепринятое определение. Безотходная технология — это такой способ осуществления производ354 ства продукции (процесс, предприятие, производственный комплекс), при котором наиболее рационально и комплексно используются сырье и энергия в цикле «сырьевые ресурсы — производство — потребление — вторичные ресурсы» и любые воздействия на окружающую среду не нарушают ее нормального функционирования. Создание безотходных технологических процессов базируется на следующих предпосылках: • исходные природные ресурсы должны добываться один раз для всех возможных, а не каждый раз для отдельных продуктов; • создаваемые продукты должны иметь такую форму, которая бы позволяла после использования по прямому назначению относительно легко превращать их в исходное сырье нового производства. Совершенно очевидно, что такая схема практически неосуществима. Полная замкнутость системы как по веществу, так и по энергии невозможна, так как каждый новый этап цикла «сырье — производство — потребление — сырье» требует дополнительных затрат энергии из-за потерь в окружающую среду и вовлечения новых природных ресурсов в связи с несовершенством современных технологий и неизбежным износом используемых материалов и оборудования. Таким образом, термин «безотходная технология» носит идеализированный характер, поэтому в реальных ситуациях необходимо стремиться к этому состоянию. При этом степень безотходности будет служить мерой совершенства технологии и организации производства и потребления. Первым условием создания безотходного производства является выбор такой технологии, в которой отсутствуют или сведены к минимуму твердые отходы, жидкие сбросы (стоки) и газообразные выбросы. Принципиальное отсутствие отходов и выбросов — критерий совершенства любого технологического процесса. Второе условие создания безотходной технологии — анализ ее взаимосвязи с предшествующим и последующим технологическими процессами: удачное для данной технологии экологическое решение может быть неприемлемым для ее окружения и даже сделать производство в целом экологически более опасным. Иными словами, нельзя решать свои проблемы в ущерб другим и за счет других. Третье условие заключается в том, что оптимальный технологический процесс должен быть не только экологически безопасным, но и отличаться минимальными затратами живого и прошлого труда на единицу продукции. 355 Четвертое условие — критическое отношение к решениям, кажущимся простыми и легкими. На первый взгляд традиционная очистка сточных вод и отходящих газов — простейшее решение, оно кажется самым доступным и решающим все проблемы. На самом же деле использование очистки мешает решению главной задачи — разработке нового или такому усовершенствованию старого технологического процесса, при которых не будет выбросов или они будут утилизироваться. Иными словами, надо устранять причину появления отходов, а не бороться со следствиями. Пятым условием создания безотходной технологии является использование технических решений, обеспечивающих надежную, стабильную и безаварийную работу технологической системы, исключающую выброс вредных компонентов в окружающую среду даже при незапланированной остановке технологического оборудования. Разнообразие средств и методов очистки позволяет выбрать наиболее целесообразный способ и схему очистки для конкретного производственного случая. Важнейшими критериями выбора окончательной схемы организации технологического процесса с целью обеспечения его безотходности или малоотходности являются: • безусловное соблюдение норм содержания веществ в воздушном и водном бассейнах; • эффективное осуществление технологического процесса; • использование по возможности более экономичных (с учетом соблюдения двух первых требований) технологических схем очистки газов, жидкостей и твердых отходов; • обеспечение возможности получения небольшого количества высококонцентрированных отходов, которое легче обезвредить, чем большой объем низкоконцентрированных отходов; • незначительный объем разбавленных вредных веществ, сбрасываемых в воду и рассеиваемых в атмосфере, даже при концентрациях, меньше предельно допустимых. Основой для организации и развития безотходных промышленных производств являются следующие направления: • комплексная переработка сырья; • разработка новых технологий, позволяющих существенно уменьшить или полностью исключить вредное воздействие промышленных отходов на окружающую среду; • разработка эффективных методов очистки газообразных, жидких и твердых промышленных выбросов; • внедрение замкнутых технологических циклов, водооборотных циклов и бессточной технологии; 356 • кооперирование различных производств с целью использования отходов одних предприятий в качестве сырья для других; • создание безотходных территориально-промышленных комплексов. Комплексная переработка сырья является важнейшей не только экологической, но и экономической задачей, основой создания безотходных промышленных производств, поскольку отходы производства — это неиспользованная или недоиспользованная часть сырья. В настоящее время, к сожалению, весьма низок уровень вторичного использования металлов, бумаги, пластмасс, текстиля, не говоря уже о том, что из первичного сырья не полностью извлекаются ценные компоненты. Разработка экологически безвредных технологических процессов — одна из глобальных задач научно-технологического развития производства, от успешного решения которой зависит будущее всего человечества. Важнейшие направления реализации безотходной технологии — разработка эффективных методов очистки стоков и выбросов, а также создание замкнутых оборотных циклов. Очистить сточные воды так, чтобы они отвечали требованиям производства, намного легче и проще, чем очистить их до такой степени, чтобы они были полностью безопасны для окружающей среды. Наряду с широко используемым и эффективным методом биологической очистки сточных вод с применением микроорганизмов, по сути воспроизводящим процессы самоочистки в природных водоемах, начинают находить применение адсорбционная и электрохимическая очистка. Перспективными способами очистки сточных вод являются озонирование, электрокоагуляция, электродиализ, гиперфильтрация, радиационная очистка, мембранные методы. Не менее важным для реализации безотходных технологий является создание высокоэффективных методов и устройств для очистки отходящих промышленных газов. От аэрозолей (взвешенных жидких частиц), пыли, газо- и парообразных примесей газы очищают по-разному. Для очистки газов от ныли и аэрозолей достаточно эффективно использование фильтров, электрофильтров, мокрых пылеуловителей (скрубберов). Для очистки выбросов от паро- и газообразных примесей обычно применяют следующие технологии: абсорбцию жидкими поглотителями, адсорбцию твердыми веществами, химическое разложение или превращение в другое, менее вредное для окружающей среды соединение. Таким образом, общая концепция безотходной технологии включает в себя все вышеперечисленные направления, реали357 зация которых в производстве зависит от технологических особенностей и уровня организации самого производства и направлена на решение важнейших задач снижения поступления вредных веществ в окружающую среду. Контрольные вопросы 1. К чему может привести нарушение равновесия между общественным производством и окружающей средой? Ответ обоснуйте. 2. Какие изменения в окружающей человека природе, связанные с производством материальных благ, можно выделить? Приведите примеры. 3. Является ли неизбежным появление отходов в ходе производственной деятельности? Ответ аргументируйте. 4. Что такое промышленные отходы? Приведите примеры промышленных отходов. 5. В силу каких причин образуются промышленные отходы? 6. Почему современное промышленное производство представляет собой открытую технологическую систему? Какие проблемы это вызывает? 7. Что такое первичные отходы? Какие группы первичных отходов выделяют в зависимости от места переработки? 8. Какие варианты устранения загрязнения окружающей среды можно выделить? Кратко охарактеризуйте их. 9. Какие два принципиально разных пути решения экологических проблем можно выделить? Кратко охарактеризуйте их. 10. Дайте определение понятию «безотходная технология». Возможна ли реализация безотходной технологии на практике? Почему? 11. На каких предпосылках базируется создание безотходных производств? 12. Какие три типа безотходных производств вам известны? Охарактеризуйте их. 13. Какие условия создания безотходных производств можно выделить? 14. Охарактеризуйте важнейшие критерии выбора окончательной схемы организации технологического процесса с целью обеспечения его безотходности. 15. Какие направления являются основой организации и развития безопасных промышленных производств? 16. Что означает термин «комплексная переработка сырья»? 17. Какие методы очистки сточных вод вам известны? Охарактеризуйте важнейшие из них. 18. Какими методами и в каких устройствах в настоящее время осуществляют очистку отходящих промышленных газов? 19. Какие основные направления включает в себя концепция безотходной технологии? Охарактеризуйте важнейшие из них. 358 Глава 14. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА 14.1. Основы гибкой автоматизированной технологии Гибкую автоматизированную технологию и созданные на ее основе гибкие автоматизированные производства, которые органически сочетают комплексную автоматизацию с всемерной экономией трудовых ресурсов, называют технологией XXI в. Комплексная автоматизация предполагает такую организацию производственных процессов, которая соответствует технологии производства, а также требованиям равномерного, непрерывного и интенсивного использования всей технологической системы без участия человека при стабильном качестве выпускаемой продукции. Комплексность автоматизации проявляется в том, что она охватывает не только рабочие, но и вспомогательные элементы технологического процесса. Поэтому автоматизироваться должны не только основные процессы производства продукции, но и транспорт, складирование, проектирование и технологическая подготовка производства. Необходимо отметить, что вытесняя физический труд из основных и вспомогательных производств, автоматизация ведет к увеличению затрат умственного труда, связанного с обеспечением этих производств, и прошлого труда. При этом, если умственный труд не будет охвачен собственными системами автоматизации, программирования, управления, то эффективность автоматизации производственных процессов будет низкой. Кроме того, автоматизация производства представляет собой вариант рационалистического развития, которое по своей сути ограничено (см. главу 3). Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать следующие принципы автоматизации производства. 1. Автоматизация должна носить комплексный характер и охватывать целостные технологические процессы. 2. Автоматизации должна охватывать не только сам технологический процесс, но и все, примыкающие к нему (транспорт, складирование, проектирование, технологическую подготовку производства). 3. Автоматизированные системы должны быть гибкими технологически и экономически. Технологическая гибкость подразумевает возможность изменения производительности системы при сохранении согласованной работы ее элементов (саморегулируемость системы), экономическая — способность к мно359 гократной смене номенклатуры выпускаемой продукции с наименьшими затратами при неизменности основного технологического оборудования. 4. Автоматизация должна быть обеспечена высокой надежностью используемого оборудования. Современную концепцию автоматизации производства в наибольшей мере отражают представления о гибких автоматизированных производствах. Гибкое автоматизированное производство — производство, которое позволяет за короткое время, при минимальных затратах, на том же оборудовании, не прерывая производственного процесса и не останавливая оборудования, по мере необходимости переходить на выпуск новой продукции произвольной номенклатуры. По степени гибкости существуют четыре группы производств. Первая группа предполагает жесткую технологию, когда оборудование предназначено для изготовления только одного вида деталей. По окончании выпуска оборудование не может использоваться для изготовления других изделий. Примером такого производства может служить технологический процесс штамповки. Вторая группа основана на перестраиваемой технологии, когда при изменении отдельных компонентов оборудования или добавлении дополнительных технических устройств можно выпускать новые изделия. Пример такого производства — автоматическая линия из агрегатных станков. Третья группа — переналаживаемые технологические процессы и оборудование. Примером может служить группа станков с числовым программным управлением (ЧПУ). Переналадка в данном случае требует короткой остановки (иногда до 5 мин.) для замены программы обработки изделия. Четвертая группа основана на гибкой технологии производства и оборудовании, приспособленном для высокого уровня автоматизации. Для перехода на выпуск новой продукции никакой переналадки не требуется, а сам переход осуществляется в автоматическом режиме. Пример такого производства — интегрированные производственные системы с ЭВМ, управляющей ходом технологического процесса. Третью и четвертую группы производств иногда называют программируемыми, так как для перехода с одного объекта производства на другой необходимо изменять управляющие программы, а не оборудование. Гибкое автоматизированное производство имеет по сравнению с традиционными ряд преимуществ: высокую мобильность и сокращение сроков освоения новой продукции; высокие производительность и качество выпускаемой продукции; улучше360 ние условий труда; сокращение производственного цикла; снижение эксплуатационных затрат на производство и освоение новой продукции. Основным звеном гибкого автоматизированного производства является гибкая производственная система (ГПС) — совокупность технологического оборудования и систем обеспечения его функционирования в автоматическом режиме. В свою очередь, ГПС структурно включает в себя как минимум: • гибкий производственный модуль; • роботизированный технологический комплекс; • систему обеспечения функционирования ГПС. Гибкий производственный модуль (ГПМ) представляет собой автономно функционирующую единицу технологического оборудования с программным управлением, предназначенную для производства изделий произвольной номенклатуры, автоматически осуществляющую все функции, связанные с изготовлением продукции. Например, в технологии обработки металлов резанием в качестве ГПМ используют, как правило, станки типа «обрабатывающий центр». На них выполнение различных операций (точение, сверление, фрезерование и т.д.) обеспечивается при минимуме вспомогательных действий, связанных с установкой, закреплением, снятием обрабатываемой детали, переменой режущего инструмента и т.д. Один такой обрабатывающий центр заменяет 5—6 обычных металлорежущих станков. Применение ГПМ целесообразно в условиях серийного и мелкосерийного производства. Они могут встраиваться в автоматизированную систему более высокого уровня. ГПС, состоящую из нескольких производственных модулей объединенных автоматизированных систем управления, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций, называют гибкой автоматизированной линией. Роботизированный технологический комплекс (РТК) представляет собой автономно функционирующую совокупность технологического оборудования, промышленного робота и средств их оснащения. В отличие от гибкого производственного модуля РТК предназначен для выполнения вспомогательных действий. Система обеспечения функционирования ГПС — комплекс ЭВМ, программного обеспечения и центрального пульта управления, обеспечивающий координацию и согласование всех составных частей ГПС. Основными технологическими характеристиками гибких автоматизированных производственных систем являются: • способность работать без участия человека; 361 • автоматическое выполнение рабочих и вспомогательных действий; • простота наладки; • гибкость, удовлетворяющая требованиям мелкосерийного производства; • высокая экономическая эффективность при правильной эксплуатации. Совокупность гибких производственных систем, образующих законченную технологическую цепочку обработки изделия, с автоматизированными складами исходных материалов и готовых изделий, системой обслуживания станков и инструментов представляет собой более высокую ступень — гибкое автоматизированное производство (ГАП) (рис. 14.1). I — автоматизированная система обработки деталей; II — автоматизированная система складирования и транспортирования заготовок и деталей; III — автоматизированная система инструментального обеспечения, IV — автоматизированная система управления производством 362 ГАП является высокоинтенсивной и трудосберегающей формой производства, она сравнима по производительности с автоматической линией, а по гибкости — с универсальным оборудованием. Широкое внедрение ГЛП является оптимальным путем интенсификации мелкосерийного производства с применением безлюдной технологии изготовления продукции. Кроме того, как высший уровень автоматизации гибкое автоматизированное производство должно включать в себя полную автоматизацию проектирования и технологической подготовки производства. Разработка и широкое применение гибкой автоматизированной технологии являются в настоящее время основной тенденцией развития современного промышленного производства. Однако необходимо еще раз подчеркнуть, что гибкое автоматизированное производство наиболее целесообразно разрабатывать под принципиально новые технологии, а не подстраивать под существующие. 14.2. Основы робототехники и роботизации промышленного производства Одним из важнейших факторов интенсификации производства является уменьшение доли ручного труда в технологических процессах, особенно на вспомогательных операциях, а также в случае выполнения вредных, тяжелых и опасных работ. В решении этой проблемы немаловажная роль отводится роботизации производства. В общем случае роботизация является одним из направлений и составляющих элементов комплексной автоматизации производства и представляет собой использование промышленных роботов и их систем в промышленном производстве. Промышленные роботы эффективно включаются в автоматические линии, становятся частью гибких автоматизированных производств, способны быстро и без существенных затрат перестраиваться на производство изделий различных видов, приспосабливаться к изменяющимся условиям производства. Представляя собой новый вид рабочей машины, роботы могут эксплуатироваться изолированно или целыми комплексами, управляемыми ЭВМ. Особенно ценное достоинство промышленных роботов — способность к быстрой переналадке на изготовление новой продукции. Это свойство роботов важно для обрабатывающих отраслей промышленности, где около 50 % объема производства приходится на малые и средние партии. В условиях традиционного производства при изготовлении изделий небольшими партиями непосредственно чистое время механической зва обработки занимает 5 % общего рабочего времени, а остальное приходится на подготовку станка и деталей, настройку инструмента, крепление и снятие деталей и т.д. Применение промышленных роботов изменяет это соотношение и значительно повышает производительность обработки. Кроме того, использование роботов значительно экономит сырье, материалы при рациональной организации производственного процесса. Широкое применение роботов не только в машиностроении, но и в других отраслях народного хозяйства, позволяет говорить о новом направлении в технологии — робототехнологии, которая представляет собой совокупность методов обработки, изменения состояния, свойств, формы предмета труда с использованием промышленных роботов или их комплексов на основных и вспомогательных стадиях процесса производства готовой продукции. Классификация промышленных роботов. Современная общепринятая трактовка термина «промышленный робот» была принята XI Международным симпозиумом по промышленным роботам (Токио, 1981). Промышленный робот — многократно программируемое многофункциональное устройство, предназначенное для манипулирования и транспортирования деталей, инструментов, специализированной технологической оснастки посредством программируемых движений, для выполнения разнообразных задач. С точки зрения истории развития робототехники различают три поколения промышленных роботов: • роботы первого поколения (программируемые роботы) характеризуются тем, что они выполняют совокупность жестко запрограммированных операций. Эти роботы «глухи», «немы» и «слепы»; • роботы второго поколения (адаптивные роботы) используют сенсорную информацию об окружающей среде, чтобы корректировать свое поведение при выполнении производственной операции; • роботы третьего поколения — интеллектуальные роботы, наделенные «здравым смыслом», «чувствами», способные распознавать разнообразные объекты внешнего мира, обладающие способностью действовать самостоятельно. По уровню сложности Японская ассоциация промышленных роботов подразделяет их на шесть классов: • первый класс — ручные или дистанционно управляемые манипуляторы, т.е. устройства, непосредственно управляемые оператором-человеком; • второй класс — роботы с жесткой последовательностью перемещений (типа «взять-положить»). Их нельзя перепрог364' раммировать на выполнение новой задачи, а надо переналаживать, как простые автоматизированные механизмы; • третий класс — программируемые манипуляторы, которые в отличие от ручных ряд функций выполняют в автоматическом режиме; • четвертый класс — роботы, программируемые обучением, т.е. обучаемые вручную, когда руку робота проводят по всему циклу заданной работы; • пятый класс — роботы с программным управлением, последовательность и условия работы которых задаются программой. С изменением программы возможно изменение последовательности действий робота; • шестой класс — роботы, способные воспринимать окружающую среду, реагировать на нее и исходя из полученной информации осуществлять определенные действия. По роду деятельности промышленные роботы подразделяются на три группы: • основные (технологические), непосредственно выполняющие технологические операции (сборку, сварку, окраску и т.д.); • вспомогательные (подъемно-транспортные), занятые осуществлением операций складирования, перемещения, подачи заготовок и т.д.; • комбинированные, выполняющие действия роботов первых двух групп. Основные и вспомогательные роботы по степени универсальности делятся на универсальные, специализированные и специальные. Универсальные роботы предназначены для выполнения различных технологических операций и могут работать в различных технологических процессах с разнообразными видами оборудования. Специализированные промышленные роботы выполняют однородные технологические операции и приемы в определенном параметрическом диапазоне (например, обслуживание штамповочного пресса или токарного станка). Специальные роботы предназначены для выполнения только конкретной технологической операции или приема (например, сборочный робот для сочленения двух деталей или установки камня в часовой механизм). На основе промышленных роботов создаются роботизированные технологические комплексы (РТК). Различают следующие разновидности РТК: • манипуляционные, у которых основной исполнительный орган оканчивается захватом или каким-либо инструментом; 365 • мобильные (колесные, шагающие, гусеничные), используемые, как правило, в экстремальных условиях работы (в космосе, под водой, в полевых условиях и т.д.); • информационно управляющие, которые могут не иметь механически движущихся исполнительных устройств. Они следят за ходом протекания технологических процессов, обрабатывают информацию, поступающую из каких-либо внешних источников, и в случае необходимости вносят коррективы в протекание контролируемого технологического процесса. Объединение группы РТК в одну технологическую цепочку изготовления какой-либо продукции позволяет создавать роботизированные автоматические линии (РАЛ). На одной такой линии могут производиться в автоматическом режиме обработка резанием, термообработка, сварка и т.д. Достоинствами РЛЛ являются высокие производительность и качество выпускаемой продукции, совмещение рабочих и вспомогательных процессов во времени, высокие мобильность и переналаживаемость. К их недостаткам следует отнести в первую очередь большие капитальные затраты, которые, однако, окупаются в условиях гибкого производства и в случае полной загрузки оборудования. Структурные компоненты и технические характеристики промышленного робота. Обычно конструкция промышленного робота состоит из трех основных компонентов: • механической руки (рабочего органа); • механического привода; • управляющей части (контроллера). Механическая рука — это рабочий орган промышленного робота. Рабочие органы могут иметь различное функциональное назначение и разнообразную форму: захватов, инструментов, приспособлений, датчиков и т.д. Большинство рабочих органов предназначено для захвата предметов. Захваты не только берут, например заготовки, но и центрируют, ориентируют их, осуществляют различные пространственные перемещения и т.д. Конструктивно захваты изготовляют различными в зависимости от вида предметов. Вакуумные захваты используют при перемещении предметов с ровными и чистыми поверхностями. Стальные и чугунные изделия поднимают, применяя электромагниты. Адгезионные захваты основаны на использовании сил сцепления («липкий» захват). При возможности внедрения в поднимаемый предмет без ухудшения его качества или его разрушения используют прокалывающие захваты. Вторым структурным компонентом промышленного робота является механический привод. 366 Источником питания любого промышленного робота является в большинстве случаев электрическая анергия, которая в конечном счете преобразуется в механическую энергию движения рабочих органов робота, осуществляющих какие-либо манипуляции в соответствии с целью технологического процесса. Если сравнить затраты энергии роботом и человеком при выполнении одной и той же работы, то окажется, что робот потребляет энергии в сто раз больше. Это является проявлением технологической неэффективности современных робототехнических приводов по сравнению с человеческой мускульной тканью. В настоящее время в промышленных роботах наиболее широко используются пневматические и гидравлические приводы, электроприводы. Пневматические приводы сравнительно дешевы, бесшумны и надежны, их легко монтировать и обслуживать. Однако они непригодны для скоростного перемещения механической руки и точного контроля ее положения. Третьим существенным элементом любого промышленного робота является его управляющая часть (контроллер), или, как иногда говорят, «мозг» робота. На нижнем уровне своего функционального назначения контроллер выполняет несколько функций: начинает, управляет и заканчивает любые движения руки робота, контролируя ее перемещение к определенным точкам в определенной последовательности. Контроллер должен хранить в памяти все эти точки, ориентации и последовательности, так же, как и взаимодействия с любыми внешними датчиками и устройствами, которые могут быть связаны с роботом. Таким образом, контроллер регулирует потоки энергии в системе, чтобы выполнить заданную операцию. Использование в современных управляющих системах микрокомпьютеров открывает большие возможности для программирования действий промышленного робота, обеспечивает ббль-шую гибкость при простоте работы. Возросшая вычислительная мощность компьютеров позволяет использовать целые библиотеки часто применяемых программ. Ото в свою очередь облегчает «общение» робота с внешним миром, делает его все более интеллектуальным. Появляется возможность обучения робота новым операциям не только с помощью текстуального программирования, но и путем показа. Использование в РТК быстродействующих микрокомпьютеров нового поколения, способных перерабатывать сенсорную информацию (зрительную и осязательную), получаемую роботами, формировать соответствующие управляющие воздействия, — еще один шаг к созданию искусственного интеллекта и промышленному внедрению интеллектуальных роботов в различных отраслях народного хозяйства. 367 Основными техническими характеристиками промышленных роботов являются производительность, точность, способность к повторяемости, надежность и качество. Производительность характеризует количество операций (количество изготовленной продукции) в единицу времени, точность — степень соответствия фактической позиции робота желаемой или заданной. Способность к повторяемости — способность робота многократно воспроизводить однотипные движения с одной и той же фиксированной точностью. Надежность робота характеризует степень его устойчивой работы без аварийных установок и поломок в нормальных условиях эксплуатации. Качество промышленного робота — интегральная характеристика, вытекающая из всех вышеперечисленных и определяющая его технический уровень. Сферы использования робототехники. Наибольшее применение промышленные роботы и роботизированные технологические комплексы нашли в машиностроении. В литейном производстве использование роботов связано с обслуживанием литейных машин. Применение роботов во всех операциях технологического процесса литья — от сборки форм и заливки жидкого металла до обрубки литниковых систем и очистки отливок — увеличивает производительность, точность, обеспечивает безопасность работ, повышает коэффициент использования основного оборудования, заменяет труд рабочих, избавляя их от тяжелой работы во вредных условиях. В процессах обработки металлов давлением промышленные роботы нашли наибольшее применение в операциях ковки, штамповки, прессования. Роботы способны в течение длительного времени переносить раскаленные тяжелые заготовки с высокой скоростью, работая в агрессивной среде. Рука робота способна, например, обеспечить четкое фиксирование заготовки в полости штампа, особенно при многоручьевой штамповке. Термообработка и химико-термическая обработка являются идеальными технологиями для роботизации, причем достаточно использования сравнительно простых конструкций роботов с позиционным управлением. Кроме того, замена человека роботом в этих процессах, осуществляемых в агрессивных средах и при высоких температурах, несомненно, является прогрессивным мероприятием. Использование роботов в процессах механической обработки деталей наиболее целесообразно в случае, когда робот обслуживает несколько станков, при этом в программу его действий входят функции установки детали в патрон станка, после обра368 ботки — ее снятие, транспортирование на другой станок и т.д. Если сигнал об установке детали поступает к роботу сразу с двух станков, он обслуживает сначала тот, рабочий цикл которого продолжается дольше. Круг обязанностей робота достаточно широк: он проверяет, в достатке ли запасены заготовки у каждого станка, производит разбор заготовок по размерам, измеряет их длину и диаметр, проверяет степень соответствия полученных размеров требованиям чертежа и т.д. Чтобы робот всюду успевал, у него есть собственная транспортная сеть. Сварочные работы промышленные роботы освоили одними из первых и до сих пор продолжают совершенствоваться в их выполнении. В 70-х гг. XX в. одной из главных областей применения промышленных роботов стала автоматическая точечная сварка. Выполнение данной операции роботом позволяет освободить человека от тяжелой и монотонной работы, обеспечить высокое качество соединения вне зависимости от его места и профиля соединяемых деталей за счет более точного размещения точек соединения. При помощи роботов выполняется и такой трудоемкий вид неразъемных соединений, как электродуговая сварка. Робот, снабженный устройствами переработки зрительной и осязательной информации, способен образовывать шов сложной конфигурации, обеспечивая высокое качество соединения за счет поддержания устойчивой дуги по мере продвижения вдоль сварного шва. Перспективно использование промышленных роботов при лазерной сварке и резке (раскрое) материалов. Широкое применение получили промышленные роботы в клеевой технологии. Клеевые работы могут выполняться кистью или краскопультом, а также тепловым пистолетом (для горячерасплавленных клеев). Робот выполняет клеевые работы производительнее, качественнее и точнее человека, обеспечивая нанесение равномерного по ширине и толщине слоя клея на поверхности любой конфигурации, точное взаимное расположение склеиваемых поверхностей и равномерную сдавливающую нагрузку с необходимой выдержкой. При этом для робота никакого значения не имеет вредность условий работы. Все шире применяются промышленные роботы для выполнения таких неотъемлемых составных элементов практически любого производственного процесса в машиностроении, как покрасочные работы и покрытие распылением. В качестве таких покрытий чаще всего используется быстросохнущая краска или эмаль. Равномерное нанесение покрытий тонким слоем, особенно в труднодоступных местах, не только требует высокой квалификации, но и сопровождается выделением токсичных и канцерогенных веществ. Роботы с контурным управлением, обучаемые квалифицированным маляром с использованием 369 специальных методов — когда руку робота проводят по всему циклу заданной работы или когда для этих целей используют телеоператор, вполне пригодны для этого вида работ. Самой ответственной стадией машиностроительного производства является сборочный процесс. В настоящее время роботы освоили технологию сборочного производства — например, успешно работают автоматические системы роботов-манипуляторов по сборке трансформаторов, отдельных узлов автомобилей, интегральных микросхем и т.д. Наиболее перспективны так называемые гибкие (программируемые) сборочные системы, обеспечивающие высокие качество процесса сборки и производительность при возможности быстрого изменения технологии сборки с переходом на выпуск новой продукции. Кроме вышеперечисленных основных областей использования промышленных роботов в машиностроении, они нашли широкое применение и на вспомогательных работах: при упаковке, укладке, загрузке-разгрузке и т.д. В последнее время роботы начинают применять и в других отраслях: при производстве изделий из пластмасс, в промышленности строительных материалов, в легкой и пищевой промышленности и даже в сельском хозяйстве. Известны, например, конструкции роботов для работы в садах, ягодниках, роботовживотноводов и т.д. Принципы роботизации современного производства. Правильное понимание сущности автоматизации является необходимой предпосылкой формирования основ технической политики в области роботизации производства. Поэтому в конкретных производственных условиях необходимо руководствоваться определенными принципами, обеспечивающими эффективность роботизации. Первый принцип — принцип достижения конечных результатов: средства роботизации должны не просто имитировать или замещать действия человека, а выполнять производственные функции быстрее и лучше, лишь тогда они будут по-настоящему эффективными. Второй принцип — принцип комплексности подхода. К сожалению, довольно часто роботизацию вспомогательных элементов производства совмещают с отсталой технологией основного производства. Третий принцип — принцип необходимости: средства роботизации должны применяться не там, где их можно приспособить, а там, где без них нельзя обойтись. К сожалению, нередко роботизацию пытаются свести к созданию технических средств, лишь имитирующих действия человека. 370 Четвертый принцип — принцип своевременности: не нужно создавать конкуренцию человеку там, где он справляется эффективнее, чем робот. Например, при установке деталей на металлорежущем станке замена действий человека на движения робота качество обработки и производительность данного процесса не увеличивает. Более того, на современном уровне развития робототехники ручная установка деталей весом до 4 кг выполняется человеком в несколько раз быстрее. С другой стороны, применение роботов при операциях сварки, окраски, нанесения гальванопокрытий, в литейном производстве позволяет существенно повышать качество продукции, прежде всего, в силу стабилизации технологических процессов. Производительность в этом случае увеличивается за счет быстродействия, увеличения грузоподъемности, точности движений. Человек полностью выводится из рабочей зоны и избавляется от труда в неблагоприятной среде. Подводя итоги, необходимо подчеркнуть, что значимость промышленных роботов — не в замене человека при обслуживании известных машин. Промышленные роботы являются тем недостающим звеном, которое позволяет объединять разрозненное технологическое оборудование в комплексные гибкие автоматизированные производственные системы машин и аппаратов. 14.3. Основы роторной технологии обработки изделий Как отмечалось ранее, высшей формой автоматизации технологических процессов является комплексная автоматизация производства. Наилучшие возможности такой автоматизации создают такие технологические машины, которые обеспечивают: • высокую степень концентрации технологических операций за счет многопозиционной и малоинструментальной обработки, совмещенной во времени, что формирует высокий технологический потенциал производительности; • непрерывное транспортирование обрабатываемых объектов, совмещенное с их технологической обработкой. Это позволяет реализовать высокую производительность машины при благоприятных режимах ее работы и сформировать непрерывные потоки обрабатываемых объектов, энергии и информации внутри машины. Принципиально возможным такое осуществление технологических процессов делает роторная технология обработки. В общем случае технологический процесс получения любого сложного изделия включает в себя, как правило, разнообразные по сущности и продолжительности процессы. Поэтому при 371 комплексной автоматизации производства с использованием традиционного оборудования на разных стадиях технологического процесса изготовления изделия приходится применять разное количество станков. При этом на вспомогательных процессах нужны многочисленные устройства, которые должны еще и синхронно работать. Добиться одинаковой производительности разных по характеру и длительности технологических процессов изготовления сложного изделия без значительного усложнения оборудования позволяет роторная технология. Сущность роторной технологии. Слово «ротор» происходит от латинского roto — вращаюсь. Это название точно передает сущность процесса обработки по данной технологии. В роторной машине основным элементом является технологический ротор с инструментальными блоками. При вращении технологического ротора вокруг оси происходит непрерывная обработка деталей, подаваемых на обработку другим ротором — транспортным (рис. 14.2). Таким образом, инструментальные блоки, расположенные на технологическом роторе, совершают непрерывное движение по замкнутой траектории. При этом технологическая обработка деталей происходит в процессе их совместного перемещения с инструментальными блоками. Основным элементом технологического ротора, в котором непосредственно осуществляется обработка деталей, является инструментальный блок. Он состоит из корпуса, в котором размещается комплект инструментов, который может осуществлять какую-либо операцию над деталью, подаваемой на обработку. Инструментальный блок снабжен устройствами приема и выдачи обрабатываемой детали. Таким образом, инструментальный блок представляет собой автономный комплекс «деталь — инструмент — приспособление», полностью определяющий точность и качество обработки на данной операции. В случае необходимости его можно быстро заменить. Транспортный ротор обеспечивает передачу обрабатываемых деталей в инструментальные блоки, съем обработанных изделий и передачу их на другие технологические роторы. Транспортные роторы вместе с технологическими образуют жесткую кинематическую цепь с общим приводом, обеспечивающим синхронное вращение роторов. Производительность роторной машины и синхронность ее отдельных элементов могут быть обеспечены оптимальным сочетанием как числа оборотов ротора, так и числа инструментов в нем при одинаковом шаговом расстоянии между инструментами в машине (независимо от числа инструментов). Эта конструктивная особенность и создает необходимые технические предпосылки для объединения различных роторных машин в автоматические поточные линии. Таким образом, в роторной машине технологические процессы максимально разделяются на операции, которые выполняются на соответствующих технологических роторах. При этом все рабочие и холостые ходы инструментов, исполнительных органов, вспомогательных механизмов, необходимые для выполнения определенной операции, а также подача и съем обработанной детали производятся в одном технологическом роторе. Дальнейшим развитием роторной технологии явилось создание роторно-конвейерных машин и линий (рис. 14.3). В отличие от роторных машин в них отдельные операции выполняются в так называемых обслуживающих роторах. Для этого инструментальные блоки монтируют в гнездах гибкого цепного конвейера, который на определенных участках огибает обслуживающие роторы. На участках сопряжения конвейера с обслуживающим ротором исполнительные органы ротора взаимо373 действуют с инструментами, размещенными в конвейере. Затем осуществляется последовательная обработка деталей (рис. 14.4). Использование роторно-конвейерных машин и роторно-конвейерных линий имеет ряд преимуществ: • высокая производительность процесса обработки; • непрерывность обработки и транспортирования деталей, совмещение этих процессов во времени; • упрощение конструкции и обслуживания по сравнению с традиционными автоматическими линиями и роторными машинами; 374 • возможность автоматизации контроля качества обработки каждой детали на контролирующих роторах; • возможность автоматизированного обслуживания рабочих инструментов (чистки, смазки, заточки, замены и т.д.). Таким образом, в роторно-конвейерных машинах и линиях наиболее развиты основные принципы организации поточного автоматизированного производства: разделение технологического процесса обработки, концентрация операций, непрерывность и совмещение во времени процессов транспортирования и обработки. Конструктивные особенности роторных и роторно-конвейерных линий позволяют эффективно объединять и одновременно выполнять технологические операции различных классов (например, формообразование обработкой давлением с термической обработкой, травлением и контрольными операциями). При этом организуется непрерывный поток обрабатываемых объектов, что также повышает экономическую эффективность автоматизации производства. Расчеты показывают, что переход к полностью автоматизированным производствам, созданным на основе роторной технологии, позволит повысить производительность труда в десятки раз по сравнению с отдельно работающими станками, сократит транспортные перемещения деталей и заготовок в 5—10 раз, длительность обработки — в десятки раз при небольших капитальных затратах и энергоемкости производства, высокой надежности работы. Высокая производительность роторной технологии делает ее незаменимой при комплексной автоматизации, прежде всего массового производства. К сожалению, низкая степень гибкости роторных и роторноконвейерных линий, необходимость остановки для переналадки при переходе на выпуск новой продукции ставят определенные ограничения использования роторной технологии в серийном производстве. Для устранения этого недостатка в настоящее время разрабатываются конструкции многономенклатурных роторных и роторно-конвейерных линий, которые осуществляют одновременное изготовление номенклатуры нескольких изделий и в которых полностью устраняются переналадки. Области использования роторной технологии в промышленности. Наибольшее применение роторная технология нашла в машиностроении. Именно здесь родились и были отработаны многие типовые конструктивные решения технологических роторов для различных операций, определившие в дальнейшем возможность применения роторных линий в других отраслях 375 производства. Это, в свою очередь, позволило создать унифицированную серию роторов конкретного целевого технологического назначения, различающихся между собой лишь числом подвижных элементов в каждом рабочем органе ротора. В общей структуре машиностроительного производства большое место занимают термические и химические процессы, связанные с изменением физико-химических свойств обрабатываемых материалов. Роторы для таких процессов отличаются большим числом рабочих позиций и минимальным шагом между ними. Например, в роторных линиях для термической обработки используется эффективный метод нагрева токами высокой частоты. Перспективно внедрение роторно-конвейерных линий и в других отраслях промышленности. Так, разработаны линии для изготовления деталей из полимерных материалов: термопластов (полиэтилена, полипропилена, полистирола и т.д.) и термореактивных пластмасс (фенопластов, аминопластов и т.д.). При этом для изготовления деталей из термопластов используется метод литья под давлением, деталей из термореактивных пластмасс — метод горячего прессования. Конструктивные особенности линий позволяют быстро перейти на другую номенклатуру изделий при смене пресс-форм. Производительность некоторых линий доходит до 1000 шт./мин при низкой энергоемкости и малых габаритах. На основе роторных линий разработаны различные типоразмеры оборудования для изготовления изделий из металлоплас-тмассовых деталей и композиционных материалов методом горячего прессования. Созданы роторные и роторно-конвейерные линии для пищевой промышленности, сельского хозяйства, предприятий общественного питания. В пищевой промышленности эти линии нашли широкое применение для разлива различных жидкостей: молока, соков, лимонада, а также упаковки пищевых продуктов. Большие перспективы открывает применение роторно-конвейерных машин и линий непосредственно для приготовления продуктов питания. Уже существуют работающие линии по выпуску сосисок, изготовлению и замораживанию пельменей, для выпечки оладий. Большие успехи в применении роторных автоматов достигнуты при производстве фармацевтических препаратов, прессованных пищевых концентратов, различных кондитерских изделий. Создано автоматизированное производство с использованием ро-торноконвейерного принципа для разделки бройлеров. Обслуживающий персонал осуществляет только подвешивание бройлеров 376 на специальный конвейер, а дальше весь процесс разделки происходит автоматически с использованием роторных машин. Если говорить о перспективах роторной технологии обработки изделий, то необходимо отметить следующее. Роторная технология является реальным, действенным средством комплексной автоматизации производства, причем она создает все необходимые условия и для автоматизации вспомогательных работ. Оснащение роторно-конвейерных линий информационными датчиками, регуляторами, программными устройствами, которые совместно с вычислительным комплексом на базе ЭВМ управляют ходом технологического процесса и производством в целом, позволит поднять на более высокую качественную ступень эффективность роторной технологии. 14.4. Программное управление и его системы в промышленном производстве Важной характерной особенностью комплексной автоматизации является ее базирование на широком применении ЭВМ для управления как работой автоматических линий и отдельного технологического оборудования, так и производством в целом. Современная автоматизация не только освобождает человека от непосредственного и постоянного участия в производственном процессе, но и берет на себя часть функций, связанных с управлением им и контролем. Применение ЭВМ в комплексной автоматизации реализуется через программное управление — управление режимом работы объекта (объектами) по заранее заданному алгоритму (программе). Программное управление технологическим оборудованием и процессами охватывает управление движением машин, механизмов, транспортных средств и изменением параметров технологического процесса. Оно позволяет сочетать управление: отдельными станками, машинами и механизмами — с оптимизацией технологических параметров обработки, транспортными средствами — с оптимальной маршрутизацией, линиями — с оптимизацией планирования загрузки и т.д. К оборудованию и системам с программным управлением относят: • автоматические линии (АЛ); • станки с числовым программным управлением (ЧПУ); • автоматизированные системы управления (АСУ); 377 • системы автоматизированного проектирования (САПР); • промышленные роботы; • гибкие производственные системы (ГПС). Автоматическая линия — система основного и вспомогательного оборудования, автоматически выполняющая весь процесс изготовления или переработки продукции или ее составляющих. Различают специальные автоматические линии, которые предназначены только для обработки определенных изделий, специализированные, способные производить однотипную продукцию в некотором диапазоне параметров, и универсальные, предназначенные для изготовления широкой номенклатуры однотипной продукции. В отличие от гибких производственных систем автоматические линии не способны быстро переходить на выпуск новой продукции, поэтому их применение наиболее целесообразно в условиях крупносерийного и массового производства. Станки с ЧПУ — разновидность технологического оборудования, снабженного микропроцессорным блоком, обеспечивающим автоматический выбор режимов и проведение последовательной обработки по определенной программе, а также по мере необходимости — изменение режимов и последовательности обработки при изменении ее программы в рамках технологических возможностей оборудования. Программа обработки вводится в считывающее устройство станка, в котором исходные данные преобразуются в соответствующие командные импульсы, управляющие исполнительными механизмами оборудования. Как правило, станки с ЧПУ снабжаются соответствующими контрольно-измерительными приборами, позволяющими следить за процессом обработки и (в случае необходимости) его корректировать. Кроме того, современные станки с ЧПУ имеют соответствующие датчики, следящие за состоянием рабочих инструментов и исполнительных механизмов станка с целью обеспечения требуемого качества обработки (т.е. способны к самоконтролю). Несмотря на достаточно высокую стоимость, станки с ЧПУ целесообразно применять для мелкосерийного и индивидуального производства, так как по сравнению с автоматическими линиями, работающими по одной программе, они универсальны, переналадка станков, смена программы обработки занимают считанные минуты. Автоматизированная система управления (АСУ) — совокупность экономико-математических методов, технических средств (средств связи, устройств отображения информации 378 и т.д.) и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом (процессом) в соответствии с поставленной целью. Классическая АСУ состоит из основы и функциональной части. В основу входят информационная, техническая и экономикоматематическая базы, математическое обеспечение. К функциональной части относят набор взаимосвязанных программ, автоматизирующих конкретные функции управления (оперативное планирование, финансово-бухгалтерская и маркетинговая деятельность и т.д.). «Мозг» АСУ — это система быстродействующих ЭВМ. На ЭВМ возлагаются функции информирования, справочные, советующие, а также функции контроля за протеканием производственного процесса. Различают следующие основные типы АСУ: • системы общезаводского управления, ориентированные наавтоматизацию функций управления предприятием (АСУП); • системы управления технологическими процессами (АСУТП), образующие совместно с современным комплексом основных и вспомогательных агрегатов и машин автоматизированные технологические комплексы (АТК). Основная тенденция развития автоматизированных систем — объединение локальных АСУ с целью создания интегрированных систем, в которых сочетаются автоматизация решения экономических задач и задач административного управления с автоматизацией управления технологическими процессами, проектирования изделий и технологии их изготовления. Повышение научно-технического уровня и эффективности АСУ создало предпосылки для разработки систем более высокого класса — многоуровневых интегрированных автоматизированных систем управления (ИАСУ), включающих в себя АСУП% АСУТП и САПР. Все компоненты ИАСУ взаимосвязаны, образуют единый контур организационно-экономического управления, управле ния технологическими процессами и процесса технологической подготовки производства. Основным содержанием работ при создании ИАСУ является согласование взаимодействия всех видов автоматизированных систем на промышленном предприч ятии за счет совместимости организационного, информацион ного, технического и (или) программного обеспечения. j. Система автоматизированного проектирования (САПР) представляет собой совокупность технических средств, программного обеспечения и работников, осуществляющих диалоговую связь с ЭВМ с целью создания (проектирования) новых объектов. 379 Кроме базовых ЭВМ, САПР комплектуются большим количеством периферийных устройств: ввода, отображения и редактирования символьной и графической информации; устройствами, предназначенными для автоматической подготовки и вывода технической документации; автоматизированными контрольно-диагностическими системами (тестерами), управляемыми программами САПР. Для ввода больших объемов графической информации широко используются графические планшеты и кодировщики (сканеры), позволяющие переводить данные с рисунков и чертежей в цифровой форме в память ЭВМ. Отображение и редактирование графической информации обычно выполняются с помощью графических дисплеев. Они позволяют представлять информацию, вводимую в ЭВМ и выводимую из нее, в виде схем, рисунков, чертежей, графиков с множеством цветовых оттенков, что улучшает восприятие, облегчает ввод сложной графической информации. По назначению различают САПР конструкторского назначения, технологического и комбинированные. Современные САПР отличаются высокой производительностью, наличием большого пакета прикладных программ, способностью к объединению с другими системами, портативностью и унификацией. Новейшие системы строятся по модульному принципу, что повышает гибкость их использования, улучшает адаптацию к новым задачам, облегчает поиск ошибок, делает возможным широкую стандартизацию элементов и дальнейшее расширение систем. Практика подтверждает высокую экономическую эффективность систем автоматизированного проектирования, их позитивное влияние на повышение технического уровня производства в целом. Естественно, что большей результативностью отличаются САПР, созданные с учетом новейших достижений научно-технического прогресса в конкретной области. Экономия от внедрения САПР образуется как при проектировании изделий (процессов), так и при их изготовлении (внедрении). Основными факторами экономии при проектировании изделий и разработке процессов являются: снижение затрат на проектирование в связи с сокращением сроков технической подготовки и ростом производительности труда проектировщиков; повышение качества проектирования в результате улучшения технико-эксплуатационных характеристик изделий, параметров процессов, уменьшения количества ошибок в технической документации. При интеграции САПР с другими автоматизированными системами, например с АСУТП, наибольший эффект может 380 быть достигнут в случае использования в этих системах автоматизированных и автоматических линий, станков, установок, агрегатов и т.д. Создание САПР — важный фактор социального прогресса, повышающий качество конечного продукта, улучшающий использование оборудования, сокращающий материальные затраты и численность персонала низкой квалификации. Информация о гибких производственных системах (ГПС) и промышленных роботах представлена в параграфах 14.1 и 14.2 соответственно. 14.5. Основы информационной технологии в управленческой и проектно-конструкторской деятельности Нынешний период технологического развития производства, называемый информационно-технологической революцией, был подготовлен и обуславливается всем предыдущим развитием человечества. Если каменные орудия помогли сформироваться человеческому интеллекту и способствовали повышению производительности физического труда, то машинное производство привело к разделению умственного и физического труда, что также способствовало интенсификации интеллектуальной деятельности человека. На современном этапе развития общественного производства зарождаются предпосылки того, что робототехнология избавит человечество от рутинного физического труда, особенно во вредных условиях. Освобождение же человечества от рутинного нетворческого умственного труда в перспективе должна обеспечить так называемая информационная технология. Необходимость ускоренного развития информационной технологии, особенно в сфере управления производством, диктуется следующими обстоятельствами. В современном промышленном производстве образовался дисбаланс между автоматизацией собственно производства и автоматизацией управления этим производством. Как следствие этого — в последнее столетие неуклонно увеличивается доля работников, занятых в информационной сфере (в частности, в управлении и планировании), при снижении доли занятых в сфере производства. Такая тенденция делает проблему информационной сферы еще более острой, так как достижения робототехники и микроэлектроники позволяют уже сейчас строить высокоавтоматизированное программируемое гибкое производство, которое обеспечит более 381 высокие темпы обновления и расширения номенклатуры товаров и услуг. Если рассматривать историю развития управления производством, то согласно академику В.М. Глушкову, человечество столкнулось с двумя информационными барьерами. Первый барьер возник при переходе от ремесла к крупному промышленному производству. Он был преодолен разделением задач управления, планирования, проектирования между отдельными работниками и службами. Второй барьер обусловлен разрывом между темпами появления и развития новых технологий, материалов, товаров, услуг и темпами совершенствования информационной сферы. Его преодоление возможно лишь через развитие информационной технологии. Согласно определению ЮНЕСКО информационная технология — комплекс взаимосвязанных научных, технологических, инженерных дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых обработкой и хранением информации; вычислительную технику и методы организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их практические приложения, а также связанные со всем этим социальные, экономические и культурные проблемы. В прикладном плане под информационной технологией понимают совокупность методов и средств сбора, хранения, поиска, переработки, преобразования, распространения и использования информации в различных сферах деятельности. Она основана на использовании компьютерных и телекоммуникационных технологий, которые в свою очередь могут применяться совместно с другими видами технологий для усиления конечного эффекта. Цель информационной технологии в сфере производства — обеспечить наиболее благоприятные условия его развития с точки зрения интенсификации обмена информацией между подразделениями и повышения эффективности ее обработки и использования. Технологическими средствами реализации информационной технологии являются быстродействующие ЭВМ на микропроцессорной основе (информационная техника), соединенные между собой устойчивыми каналами связи (например, на опто-электронной основе), позволяющими эффективно обмениваться необходимой информацией. Инструментальными средствами информационной технологии является программное и математическое обеспечение. Таким образом, в информационной технологии предметом и продуктом труда является информация, т.е. сведения, исходные данные, необходимые пользователю для принятия ка382 ких-либо решений (организационных, управленческих, конструкторских, технологических и т.д.). При этом выходная информация выступает в виде рекомендаций, управляющих воздействий (например, на протекание технологического процесса) или является исходной для дальнейшей переработки. Важнейшими предпосылками развития информационной технологии в сфере производства товаров являются: • разработка новых технологических процессов, согласованных по принципам контроля, автоматизации и другим параметрам; • создание физико-математических моделей и программ, которые могут служить основой для проектирования процессов производства и управления ими; • создание комплекса средств автоматической генерации программного обеспечения; • разработка автоматических устройств сбора информации и выдачи ее пользователю в удобном для него виде при максимальном облегчении общения с источником информации или ЭВМ; • создание развитой сети электронных средств обработки информации, позволяющей обмениваться информацией различным пользователям в автоматическом режиме. Генеральным направлением развития информационной технологии на современном этапе является решение задачи автоматизации всего пути от формулировки проблемы пользователем до ее решения. Поэтому создание новой технологии обработки информации на ЭВМ становится одной из центральных проблем создания искусственного интеллекта, для решения которой необходимо внести в традиционную структуру ЭВМ новые компоненты. На рис. 14.5 показана обогащенная структура компьютера, способного подготовить программу решения задачи по словесному описанию ее условий. Кроме собственно ЭВМ, новый комплекс включает еще три блока: • процессор общения; • базу знаний; • планировщик. Эти три блока иногда объединяют под названием интеллектуальный интерфейс. В задачу процессора общения входит перевод исходного текста задачи на внутренний язык системы. Этот же блок «переведет» потом результаты работы машины на понятный пользователю язык. Планировщик строит рабочую программу по описанию условий задачи, полученному от процессора общения. Делает он это с помощью имеющейся базы знаний. В базе знаний записаны и описаны все необходимые сведения о способах решения задач в данной области, хранятся стандартные программы, с помощью которых решаются типовые задачи, содержится другая нормативно-справочная информация. Иа основе базы знаний планировщик «строит» нужную ему программу, которую и решает ЭВМ. В сфере искусственного интеллекта выделяют три типа систем: • интеллектуальные информационно-поисковые; • экспертные; • расчетно-логические. Интеллектуальные информационно-поисковые системы обладают обширным справочно-информационным фондом и способны отвечать на вопросы пользователя, даже если вопрос сформулирован неконкретно или проблемно. Задача экспертных систем — накапливать опыт специалистов, работающих в плохо формализуемых областях: медицине, биологии, истории и т.д. При этом каждая конкретная экспертная система ориентирована на жестко фиксированную проблемную область. По сути дела — это автоматизированный справочник-советчик для специалиста. Расчетно-логические системы умеют выполнять множество процедур, используемых в задачах проектирования, планирования, диспетчеризации и т.д. Новая информационная технология с созданием интеллектуального интерфейса позволяет успешно решать проблему проектирования новой техники и технологии путем автоматизации перевода с предметного уровня на математический и наоборот. В результате «мир компьютера» объединяется с «миром конечного пользователя». 384 В последние годы особенно стремительным стало внедрение информационной технологии в управленческой деятельности. Получила распространение концепция электронной конторы — учреждения, где практически все конторские, управленческие операции, включая сбор информации, ее анализ, подготовку решений и распоряжений, осуществляются с помощью электронной техники, на базе децентрализованной сети рабочих мест. Концепция электронной конторы окончательно еще не сформировалась, и сейчас пока трудно оценить до конца, сколь глубоким и всесторонним будет ее воздействие на принципы организации управленческого труда. Электронное техническое оснащение контор обеспечивает прямое взаимодействие между людьми, не требуя их присутствия в одном помещении и даже в определенное время в рабочем здании. Благодаря электронным устройствам стираются грани между служебным и домашним временем. Очевидно, должно измениться общественное отношение к работе на дому или неполный рабочий день — не исключено, что в XXI в. такой режим конторской работы станет весьма распространенным, а может быть, даже основным. Можно выделить три важнейшие функции, подлежащие совместной и взаимосвязанной автоматизации для осуществления управленческой деятельности: электронная связь, электронное хранение документов, электронное создание документов. По предварительным оценкам, автоматизация работы служащих на промышленном предприятии может сократить конторские расходы примерно на четверть. По отдельным статьям расходов экономия может быть еще больше. При этом следует подчеркнуть, что автоматизация работы служащих дает эффект при условии комплексности, когда автоматизируется деятельность конторы в целом, т.е. когда отдельные автоматизированные рабочие места объединяются в систему. В последнее время в проектно-конструкторской деятельности начали находить применение так называемые компьютерные имитации, реализованные с помощью технологии виртуальной реальности. *- Виртуальная реальность — интерактивная технология, позволяющая создать убедительную иллюзию, что вы находитесь и действуете внутри реального мира, хотя на самом деле этот мир существует только внутри компьютера. Выделяют три вида способа создания виртуальной реальности: первый «захватывает» человека полностью и воздействует почти на все его органы чувств, второй «овладевает» им только 385 частично, примером третьего могут служить компьютерные игры. Настоящая виртуальная реальность принципиально отличается от стереоизображения. Находясь в ней, повернув голову, можно увидеть другую часть изображения — как в жизни. Обычное же стереоизображение «следует» за человеком, как привязанное, и при повороте головы картинка не меняется. В основе системы, реализующей технологию виртуальной реальности, лежит компьютерная динамичная трехмерная модель какого-либо объекта реального мира, которая может воспроизводиться либо на экране дисплея, либо в специальных стереоскопических «очках», состоящих из двух миниатюрных экранов, вмонтированных внутри надеваемого на голову шлема, либо на экране во всю стену. Системы виртуальной реальности включают в себя, как правило, шлемы, очки, обычные и стереодисплеи, перчатки, видео- и аудиосистемы, рабочие станции, персональные компьютеры, костюмы и т.д. Программное обеспечение виртуальной реальности — это ее операционные системы, инструментарий и различные приложения. Создаются различные средства защиты программного обеспечения. Системы виртуальной реальности обслуживают лаборатории разработчиков, консультационные службы. Принципиальным отличием компьютерных программ, создающих виртуальный мир, от традиционных систем компьютерной графики, передающих только зрительную информацию, является воздействие на несколько органов чувств одновременно: зрения, слуха, осязания. Кроме того, все системы виртуальной реальности интерактивно взаимодействуют с человеком и «допускают» «вмешательство» последнего в действие, разворачиваемое перед его глазами. Например, можно «дотронуться» рукой до объекта, существующего лишь в памяти компьютера, надев на руку специальную перчатку, начиненную соответствующими датчиками. С помощью компьютерной мыши можно перевернуть имеющееся на экране изображение, осмотреть его с обратной стороны, попасть внутрь исследуемого объекта. Такие системы в настоящее время используются, например, при проектировании новых моделей автомобилей, создавая эффект присутствия и езды человека на автомобилях, которых еще нет на самом деле. Несомненную экономию дает применение принципов виртуальной реальности при подготовке персонала для работы на новом оборудовании, например, при освоении гибкой автоматизированной технологии, не говоря уже об обучении езде на автомобиле или имитации хирургической операции. 386 Технология виртуальной реальности используется при моделировании динамики жидкостей и газов в физике, в моделировании химических опытов, индустрии развлечений, особенно в играх, финансовом анализе, геологических и географических науках, информационных системах, изобразительном искусстве, медицине, на телевидении, в образовании, метеорологии и многих других отраслях и видах деятельности. Лучшие экземпляры технологии виртуальной реальности представляют собой сложные системы, трансформирующие информацию в знание, которое и является наиболее ценным ресурсом человечества. Таким образом, важнейшее значение использования информационной технологии состоит именно в том, что она открывает пути прогресса без дальнейшего наращивания материально-энергетического потребления. Хотя обработка каждой единицы информации требует энергии, а хранение информации — вещества и пространства, эти затраты неизмеримо меньше затрат энергии, вещества и пространства отображаемых этими информационными процессами событий реального мира. Контрольные вопросы 1. Какие уровни гибких автоматизированных производственных систем можно выделить? Чем они отличаются друг от друга? 2. Какие четыре основных элемента включает в себя современное производственное оборудование? Что его отличает от традиционных машин? 3. Перечислите и охарактеризуйте важнейшие принципы автоматизации производства. 4. Дайте определение гибкому производству. Какие группы производств различают по степени гибкости? Охарактеризуйте их. 5. Сформулируйте основные преимущества и недостатки гибкой автоматизированной технологии. 6. Какие структурные элементы включает в себя гибкая производственная система? Каково назначение каждого из элементов? 7. Почему гибкая производственная система является высокоинтенсивной и трудосберегающей формой производства? 8. Что представляет собой промышленный робот? 9. Какие три поколения промышленных роботов вам известны? Чем они отличаются друг от друга? 10. На какие группы подразделяют роботы по роду деятельности? 11. Какие группы роботизированных технологических комплексов вам известны? 12. Что представляют собой роботизированные автоматические линии? Каковы их достоинства и недостатки? 387 13. Каких три основных компонента включает в себя конструкция промышленного робота? Каково функциональное назначение каждого из компонентов? 14. Перечислите и охарактеризуйте технические характеристики функционирования промышленных роботов. 15. Каковы важнейшие принципы роботизации промышленного производства? Почему их необходимо соблюдать при внедрении роботов в производство? 16. В чем заключается сущность роторной технологии? 17. Почему роторная технология является одним из направлений комплексной автоматизации производства? 18. Какие основные элементы включает в себя роторная машина? Каково назначение каждого из элементов? 19. Что представляют собой роторно-конвейерные машины и линии? Каково их отличие от традиционных роторных машин? 20. Охарактеризуйте достоинства и недостатки роторной технологии. 21. Что представляет собой программное управление производственным процессом? Какое оборудование относят к оборудованию с программным управлением? 22. Что представляют собой автоматические линии? Какие виды автоматических линий вам известны? 23. Что представляют собой станки с числовым программным управлением? Каковы их достоинства и недостатки? 24. Что представляет собой автоматизированная система управления (АСУ)? Какие основные элементы она включает в себя? 25. Какие основные типы АСУ вам известны? Чем они отличаются друг от друга? 26. Что такое САПР? Каково их назначение? Какие виды САПР вам известны? 27. Что такое информационная технология? Каковы ее особенности но сравнению с другими представителями производственных технологий? 28. Что является технологическими средствами реализации информационной технологии? 29. Что является инструментальными средствами реализации информационной технологии? 30. Что представляет собой компьютер с обогащенной структурой? Какие возможности он дает? 31. Что представляет собой концепция электронной конторы? В чем ее преимущества? 32. В чем заключается сущность, достоинства и недостатки технологии виртуальной реальности? Каковы основные сферы ее применения? 388 Глава 15. ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАБОТКИ НОВЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ 15.1. Основы технологии производства композициопных материалов Композиционные материалы (КМ), или композиты — искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), соединяемых между собой физико-химическими связями. Большое значение замены композиционными материалами металлов и других конструкционных материалов состоит в том, что их можно создавать с различными свойствами, причем как равными, так и неравными во всех направлениях материала. Создание изделий из композитов является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изделием при его изготовлении, и свойства КМ в значительной мере зависят от параметров технологического процесса. Свойства композиционных материалов зависят от свойств их компонентов. Одним из этих компонентов является арматура, или наполнитель, а вторым — связывающая их матрица. Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределен наполнитель. Наполнитель в композиционных материалах воспринимает основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними. В качестве матрицы в композиционных материалах используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, а также алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные сплавы, керамику, углерод различной модификации. Тип материала матрицы определяет общее название композиционного материала. Например, композиционные материалы с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической — металлическими (МКМ), с углеродной — углеродными (УКМ) и т.д. 389 Формирование изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) может осуществляться методами как присущими формированию изделий из полимеров (литье под давлением, экструзия, прессование и др.), так и специальными (намотка и др.), характерными только для данного класса материалов. Намоткой называют процесс формирования, при котором заготовки получают укладкой по заданным траекториям формирующего наполнителя (нитей, лент, тканей), обычно пропитанного полимерным связующим, на вращающиеся технологические оправки. Оправки имеют конфигурацию и размеры, соответствующие внутренним размерам изготавливаемой детали. Намоткой изготовляют конструкции, имеющие форму тел вращения или близкую к ней: трубы, баки, емкости, короба, стержни и т.д. К полимерным композиционным материалам относят следующие. Стеклопластики — самые дешевые из всех ПКМ, поэтому их применение оправдано в серийном и массовом производстве. В настоящее время их используют в судостроении (корпуса лодок, катеров, речных и морских судов), в строительстве и химической промышленности (строительные панели, воздуховоды, реакционные аппараты, различные емкости, химически стойкие и прочные трубы, корпуса насосов, вентиляторов и т.д.), в автомобильном и железнодорожном транспорте (кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, приборные панели и др.). Органопластики характеризуются низкой плотностью, высокими прочностью, жесткостью, влаго- и химической стойкостью. Диэлектрические и теплофизические свойства определили их применение в качестве материалов электро- и коррозий-ностойкого, фрикционного назначения, а также в производстве спортинвентаря. Углепластики применяют в автомобильной и химической промышленности, производстве авиационной техники, спортинвентаря. Биологическая совместимость углеродного волокна с тканями позволяет использовать углепластики для протезирования, в медицинских приборах. В металлических композиционных материалах (МКМ) матрицей являются металлы и их сплавы, а наполнителем — металлические и неметаллические волокна. МКМ получают различными методами в зависимости от их формы и назначения. Метод прокатки — наиболее производительный способ производства листовых, ленточных МКМ (рис. 15.1). 390 Жидкофазный метод предусматривает получение МКМ совмещением армирующих волокон с расплавленной матрицей (рис. 15.2). Метод осаждения-нанесения состоит в нанесении на волокна различными способами (газофазными, химическими, электролитическим, плазменным) матричного материала и заполнении им межволоконного пространства. Наиболее широкое применение получил метод плазменного напыления, при котором материал матрицы в виде порошка или проволоки подводится к плазменной струе, расплавляется и, подхваченный потоком плазмообразующего газа (например, аргона), направляется к поверхности изделия (рис. 15.3). Двигаясь с большой скоростью (150 м/с), частицы материала при ударе о поверх391 ность подложки (металлическая фольга) прочно соединяются с уложенными на ней определенным образом волокнами. Полученный МКМ требует дальнейшей обработки давлением. Металлические композиционные материалы применяют в таких областях, где они должны находиться в агрессивных средах, при статических, циклических, ударных, вибрационных нагрузках. Наиболее эффективно применение МКМ в таких конструкциях, особые условия работы которых не допускают применение традиционных материалов. Керамические композиционные материалы (ККМ) — материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура — из металлических или неметаллических наполнителей. Керамические материалы характеризуются высокими температурами плавления, высокой стойкостью к окислению. При армировании их металлическими углеродными или керамическими волокнами достигается значительное улучшение физикомеханических свойств материала. Для получения ККМ используют преимущественно методы порошковой металлургии, гидростатическое и горячее прессование, шликерное, вакуумное литье и др. Для изготовления ККМ с металлическими наполнителями обычно применяют волокна вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель такого армирования — образование пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Данный вид ККМ изготовляют горячим прессованием. Широкое применение металлических волокон ограничивает их низкая стойкость к окислению при высоких температурах. При получении ККМ с неметаллическими наполнителями в качестве арматуры применяют углеродные волокна. Взаимо392 действие углерода с оксидами, карбидами, силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому использование таких ККМ в качестве высокотемпературных является перспективным. Широкое применение находят углеродные композиционные материалы (УКМ), особенно углерод-углеродные (УУКМ), которые представляют собой углеродистую или графитовую матрицу, армированную углеродным или графитовым волокном. Основными достоинствами УУКМ являются высокая теплоемкость, малая плотность, стойкость к тепловому удару и облучению, высокие прочностные и жесткостные характеристики при обычной и повышенной температуре, низкий коэффициент термического расширения. В заключение следует отметить, что области применения композитов практически неограниченны, и в ближайшие годы надо ждать значительного расширения их использования. 15.2. Основы технологии порошковой металлургии Порошковая металлургия включает производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей и композиций с неметаллами. С помощью технологии порошковой металлургии решаются две задачи: 1) изготовление материалов и изделий с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях их производства; 2) получение материалов и изделий с особыми свойствами, составом, структурой, которые недостижимы при других способах производства. Технологический процесс порошковой металлургии состоит из трех стадий: • производство металлических порошков; • придание порошкообразному материалу требуемой формы (формование); • спекание заготовки при повышенных температурах. Часто спеченные детали подвергают дополнительной обра ботке для улучшения их свойств. Для производства металлических порошков используют две группы методов: физико-химические (восстановление металла из его соединений, электролиз, термическая диссоциация и др.) и механические (измельчение твердого или распыление жидкого металла). Одним из наиболее часто применяемых физико-химических методов получения металлических порошков является элек393 тролитический, суть которого заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или его расплавленных солей при пропускании через них постоянного электротока и последующем разряде соответствующих ионов металла на катоде. Таким образом получают порошки меди, никеля из сернокислых водных растворов, серебра из азотнокислого раствора. Механическое измельчение наиболее целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов — кремния, бериллия, сурьмы, хрома, марганца, ферросплавов. Размол с получением частиц порядка нескольких десятых или сотых миллиметра проводят в шаровых, вибрационных, молотковых мельницах. Далее порошки на ситах делят на фракции и отправляют в смесители, где происходит перемешивание порошков, отличающихся химическим составом или размером частиц, чем обеспечивается однородность смеси. Используют барабанные, лопастные, центробежные, роторные смесители. Формование чаще всего осуществляется прессованием порошков в пресс-форме. Простейшая из них состоит из матрицы и двух пуансонов, к одному из которых или к обоим сразу прикладывают усилие, обеспечивающее уплотнение порошка в заготовку. Прессование зачастую не обеспечивает изготовление многих сложных по конфигурации изделий. Поэтому применяют также и другие методы формования (гидростатический, шликер-ный, импульсный). Суть гидростатического метода заключается в том, что порошок засыпают в резиновую или эластичную оболочку и помещают в камеру гидростата, в которой жидкостью (вода, масло, глицерин) создают давление. При уплотнении почти отсутствует трение частиц порошка о стенки оболочки, так как те из них, которые прилегают к ней, перемещаются вместе с оболочкой. Плотность заготовки почти однородна во всем объеме. Таким образом получают трубы, шары, турбинные лопатки двигателей и другие изделия сложной формы, масса которых может быть от нескольких граммов до сотен килограммов. При шликерном формовании концентрированную взвесь порошка в жидкости (шликер) заливают в простую форму. Механизм формования заключается в осаждении частиц на стенках формы под давлением направленных к ним потоков жидкости, которые возникают в результате впитывания жидкости в поры гипсовой формы под влиянием разрежения, создаваемого за перфорированной стенкой стальной формы или пористой стенкой 394 формы из стеклянного порошка. После извлечения заготовки ее сушат на воздухе или в сушильных шкафах при 110—150 °С. Импульсное формование отличается очень высокой скоростью приложения нагрузки к порошку. В качестве источника энергии используют заряд взрывчатого вещества, вибрацию, импульсное электромагнитное поле, сжатый газ, поэтому такое формование называется соответственно взрывным, вибрацион-< ным, электромагнитным. Спекание заготовок обычно осуществляется при температуре, составляющей 70—90 % температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента, входящего в состав материала, при выдержке от нескольких минут до нескольких часов. Наиболее полно и быстро спекание происходит в вакууме. Хорошие результаты могут быть достигнуты при совмещении операции прессования и спекания. Такой процесс называют горячим прессованием. Он позволяет использовать увеличение текучести металлов для получения малонористых изделий при сравнительно небольших давлениях. Это особенно важно при изготовлении изделий из малопластичных или хрупких компонентов. Для спекания используют печи разнообразной конструкции. Изделия, полученные методами порошковой металлургии, нашли широкое применение в различных отраслях. Изделия из порошков тугоплавких металлов и их сплавов (вольфрама, молибдена), тантала, ниобия, циркония нашли применение в производстве осветительных ламп, приборов, электровакуумного оборудования. Порошки карбидов, боридов, нитридов, обладающих высокой твердостью, жаростойкостью, используют для изготовления изделий электротехники, металлургии, химической промышленности . Пористые самосмазывающиеся подшипники широко применяются в авиа- и автомобилестроении, химической, атомной и других отраслях. Расширяется применение фрикционных материалов, обладающих высоким и стабильным коэффициентом трения. Их используют в тормозных устройствах самолетов, тепловозов, тракторов, автомобилей. Изделия, полученные порошковой металлургией, применяют также для изготовления антикоррозионных покрытий. Порошковая металлургия обеспечивает экономический эффект за счет снижения расхода материалов, уменьшения трудоемкости (в 2—5 раз) и себестоимости изготовления (в 1,5—2 раза). При получении деталей (заготовок) методами порошковой металлургии отходы металлов составляют всего лишь 2—5 % . 395 15.3. Электрические методы обработки изделий Электрическими методами обработки называют группу новых способов, применяемых для целенаправленного удаления материала с обрабатываемой поверхности с целью формообразования, разрезания и соединения деталей и изменения физико-механических свойств поверхности. Они осуществляются с помощью электрической энергии, вводимой либо непосредственно в зону обработки, либо при предварительном специальном преобразовании ее вне рабочей зоны в световую, акустическую, магнитную и другую. Большое разнообразие электрических методов обработки материалов, а также их комплексность затрудняют их единую классификацию по какому-либо отдельному признаку. Наиболее широкое применение получила упрощенная классификация по характеру воздействия электрического тока на предмет обработки. Согласно такой классификации все электрические методы обработки условно подразделяют на две большие группы: • электрофизические (ЭФ), основанные на тепловом или механическом действии электрического тока; • электрохимические (ЭХ), основанные на химическом действии электрического тока. Одним из наиболее распространенных электрофизических методов является электроэрозионная обработка (рис. 15.4), основанная на эффекте расплавления и испарения микропорций материала под тепловым воздействием импульсов электрической энергии, которая выделяется в канале электроискрового заряда между поверхностью обрабатываемой детали и электродоминструментом, погруженным в жидкую непроводящую среду. Благодаря высокой концентрации энергии в зоне разряда развиваются высокие температуры. Происходят плавление и испарение микропорций с поверхности электрода. В результате капли жидкого металла выбрасываются из зоны разряда. Электроэрозионный способ позволяет обрабатывать токопроводящие материалы любой механической прочности, вязкости, хрупкости, получать детали сложной формы и осуществлять операции, невыполнимые другими методами. Однако по сравнению с механической электроэрозионная обработка имеет ряд существенных недостатков: низкая производительность, высокий расход энергии; для получения высокой чистоты поверхности приходится затрачивать большее времени, чем, например при абразивной обработке. Основными разновидностями электроэрозионной обработки материалов являются электроискровая, электроимпульсная, электроконтактная и плазменная. Электрохимические методы обработки основаны на применении электролитов — жидкостей, способных проводить электрический ток (рис. 15.5). Прохождение электрического тока через электролит сопровождается переносом массы вещества, что и используется в электрохимических процессах. Напомним, что явление выделения вещества на электродах называется электролизом (см. подробнее параграф 4.3). Электрохимическими методами могут осуществляться следующие операции: • очистка поверхности металлов от оксидов, ржавчины; • затачивание режущего инструмента, полирование поверхностей; • профилирование металлических заготовок; • гравирование и маркирование; • изготовление изделий малой толщины путем анодного растворения; • нанесение металлопокрытий. 39Z Достоинствами электрофизических и электрохимических методов обработки являются: • практическая независимость скорости и качества обработки от физико-механических свойств обрабатываемых материалов; • отсутствие потребности в специальных инструментах или абразивах более твердых, чем обрабатываемый материал; • значительное сокращение расхода материалов (особенно важно при обработке благородных металлов, алмазов, рубинов и т.д.). При этом отпадает необходимость в использовании абразивов, алмазов, твердых сплавов; • высокая точность изготовления деталей; • пригодность для ряда операций, не выполняемых механическими методами; • возможность полной механизации и автоматизации процессов обработки, а также их встраивания в технологические линии; • улучшение условий труда и сохранение окружающей среды. К недостаткам электрических методов следует отнести низ кую скорость обработки и высокую энергоемкость. 15.4. Основы лазерной технологии Лазер (оптический квантовый генератор) является источником оптического когерентного, т.е. согласованного, излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии. Принцип действия оптического квантового генератора основан на искусственном стимулировании генерации светового излучения высокой мощности. При этом температура в точке приложения сфокусированного лазерного луча достаточна для превращения в пар любого материала. Передаваемое при поглощении лазерного излучения тепло приводит сначала к нагреву вещества, а затем — его плавлению и испарению. Дозируя определенным образом мощность лазерного излучения на поверхность обрабатываемого материала, можно реализовать практически любой температурновременной режим нагрева, который и определяет вид технологической обработки. Благодаря направленности и высокой концентрации энергии лазерного луча удается выполнять технологические операции, вообще не осуществимые каким-либо другим методом. Лазерная обработка имеет свои особенности и преимущества: 1) высокая концентрация подводимой энергии в пятне нагрева и локальность обработки; 398 2) возможность передачи энергии в виде светового луча на расстояние в любой оптически прозрачной среде; 3) возможность получения перемещением луча импульсного (до 10-9 с) и непрерывного излучения с высокой точностью и скоростью; 4) возможность регулирования параметров лазерной обработки в широком интервале режимов; 5) отсутствие затрат механических усилий на обработку материала и независимость ее скорости от свойств материала; 6) высокая технологичность обработки и возможность ее автоматизации. Лазеры имеют мощность непрерывного излучения до нескольких сотен киловатт и энергию отдельного импульса до нескольких сотен джоулей, однако при этом они: • имеют сравнительно большие геометрические размеры; • отличаются высокой энергоемкостью; • сложны в изготовлении и эксплуатации. В настоящее время разработаны следующие основные методы лазерной обработки, различающиеся режимами проведения технологического процесса (рис. 15.6): лазерная термообработка, лазерная поверхностная обработка, лазерная размерная обработка, лазерная интенсификация химических реакций, лазерная сварка, измерительная лазерная технология. Лазерная термообработка включает в себя процессы лазерных закалки поверхностного слоя материалов, отжига и отпуска. 399 Лазерная закалка — высокотемпературный лазерный нагрев поверхности изделия и последующее быстрое охлаждение. Упрочнение происходит при воздействии как импульсного, так и непрерывного лазерного излучения. При этом термообработка может осуществляться с оплавлением и без оплавления поверхностного слоя. Лазерная закалка отличается от обычной более высокой производительностью, сочетанием высоких скоростей нагрева и охлаждения. Наиболее полно преимущества лазерной закалки проявляются при обработке деталей со сложным профилем и неплоской поверхностью. Кроме того, лазер дает возможность выборочно закаливать те участки поверхности, которые подвергаются наибольшей механической нагрузке (селективное закаливание). К недостаткам лазерной закалки следует отнести сравнительно высокие капитальные затраты на установку лазера и малую глубину упрочнения. Лазерный отжиг, в отличие от лазерной закалки преследует цель получения более равновесной, по сравнению с исходным состоянием, структуры, обладающей большей пластичностью и меньшей твердостью. Лазерным лучом можно отжигать мелкие металлические детали. Лазерный отпуск применяется при необходимости локального увеличения пластичности или ударной вязкости, например в местах крепления различных деталей. Сталь после лазерного отпуска имеет большие прочность, твердость, ударную вязкость, чем после традиционной технологии отпуска. Лазерная поверхностная обработка включает лазерные легирование, аморфизацию (остекловывание), наплавку. Лазерное легирование относится к процессам создания на поверхности обрабатываемого материала покрытий с высокими эксплуатационными характеристиками. Наибольшее распространение получило лазерное легирование неметаллическими компонентами — углеродом, азотом и бромом. Глубина образующихся легированных слоев составляет 0,3—1,0 мм. Глубину ироплавления регулируют, управляя лазерным лучом. Существует также лазерное легирование металлами (хромом, никелем, молибденом, вольфрамом и др.), при котором на поверхность детали наносят легирующие добавки в виде порошка и связующей основы. Этот слой расплавляют лазерным лучом, при этом легирующие добавки за счет диффузии насыщают поверхностный слой обрабатываемой детали. Данный метод позволяет заменить дорогостоящие детали, целиком изготовленные из легированных сталей, деталями из дешевых углеродистых сталей с поверхностным легированным слоем. 4оа Лазерное легирование отличается большой энергоемкостью, поскольку обрабатываемый участок нужно не только нагреть, но и расплавить. Лазерная аморфизация (остекловывание) — одно из направлений модификации поверхностей обрабатываемых изделий. Создание аморфных слоев является весьма перспективным, так как такие слои обладают высокой твердостью, коррозионной и износостойкостью. Лазерная наплавка используется с целью восстановления изношенных деталей. Обычно в процессе эксплуатации детали износу подвергается поверхностный слой детали толщиной не более 1 мм. Если восстановить этот слой, то деталь будет опять пригодна для использования. При этом по сравнению с традиционными технологиями наплавления (электросваркой, газовой сваркой и т.д.) лазерное наплавление имеет более высокую производительность, лучшее качество. Наплавление происходит без нагрева основной массы детали. Она не деформируется, не требует последующей механической обработки. Под лазерной размерной обработкой понимают процессы обработки материалов резанием, которые включают в себя собственно лазерную резку (разделение материала), лазерное сверление отверстий, лазерное фрезерование пазов. Сфокусированное лазерное излучение дает высокую концентрацию энергии, что позволяет резать практически любые материалы вне зависимости от их теплофизических свойств, включая материалы, не поддающиеся резке другими способами. Лазерная резка используется для обработки сталей и других сплавов, керамики, стекла, пластмасс, древесины, полупроводников, текстильных тканей. Их толщина может достигать 50 мм. Резать материал можно как импульсным, так и непрерывным излучением, при этом импульсная размерная обработка более точна и обеспечивает более высокое качество реза при минимальных потерях материала. Воздействие лазерного луча длится от десятой до десятичной доли секунды. С помощью импульсной размерной обработки получают сквозные и глухие отверстия, пазы и щели. Лазер как тепловой источник обеспечивает следующие преимущества лазерной резки по сравнению с традиционными технологиями: • высокая производительность (скорость реза титановых листов в 30 раз, стальных — в 10 раз больше, чем при механической резке); • высокое качество поверхности реза; • малая зона теплового влияния; 401 • возможность вырезать сложные контуры; • возможность полной автоматизации процесса резания. Технология лазерной размерной обработки позволяет прошивать (сверлить) отверстия любой формы и большой глубины в материалах любой твердости, получать отверстия размером от 4 микрон до нескольких миллиметров. Использование лазерного луча для сверления отверстий в часовых камнях и алмазных фильерах позволяет повысить производительность труда в 12—15 раз по сравнению с электрофизическими и в 200 раз — по сравнению с механическими методами сверления. Лазерное сверление имеет преимущество перед механическим при обработке крупногабаритных деталей сложной формы (особенно под разными углами к поверхности), а также при сверлении глубоких отверстий малого диаметра. Лазерную интенсификацию химических реакций можно рассматривать как разновидность фотохимических технологических процессов, т.е. процессов, протекающих под действием светового излучения или вызываемых им. В зависимости от роли и характера влияния светового луча фотохимические процессы разделяют на три группы. К первой группе относят реакции, которые могут самопроизвольно протекать после поглощения реагентами светового импульса. В этих процессах свет играет роль возбудителя и инициатора. При обычных условиях эти процессы протекают крайне медленно, но световое облучение их значительно интенсифицирует. Ко второй группе фотохимических процессов относят такие, для проведения которых необходим непрерывный подвод световой энергии к реагентам. К третьей группе относятся химические процессы, в которых световой импульс, воздействуя на катализатор, активизирует его и способствует интенсификации химической реакции. Использование лазерного излучения в химической технологии перспективно для получения новых продуктов, осуществления новых химических реакций, интенсификации существующих химико-технологических процессов. Лазерная сварка в настоящее время является наиболее перспективной технологией для промышленного использования. Сварное соединение получается при нагревании и расплавлении лазерным лучом участков в месте контакта свариваемых деталей. Когда лазерный луч смещается, то же самое происходит и с зоной расплавленного материала. Затем идет остывание и таким образом образуется сварной шов. По форме он получается узким и глубоким и принципиально отличается от свар402 ных швов, полученных при использовании традиционной технологии сварки. Глубина про плавления зависит от мощности лазера, а поперечное сечение лазерного шва похоже на лезвие кинжала, поэтому глубокое лазерное проплавление иногда называют кинжальным. Лазерная сварка с глубоким проплавлением позволяет сваривать толстые слои материалов с большой скоростью при минимальном тепловом воздействии на материал, прилегающий к зоне расплава, что улучшает свойства сварного шва и качество сварного соединения. По методу воздействия лазерная сварка подразделяется на импульсную и непрерывную. С помощью импульсного лазерного излучения можно осуществить точечную сварку соединений различной конфигурации. Импульсная лазерная сварка обеспечивает соединение материалов толщиной до 2 мм и используется для сварки в труднодоступных местах, легко деформируемых деталей, а также деталей из тугоплавких материалов (в микроэлектронике и точном приборостроении). Сварка непрерывным лазерным излучением используется в промышленности для сваривания материалов средней и большой толщины. С целью предотвращения окисления материалов в зону расплавления подают гелий или аргон. По сравнению с традиционной технологией лазерная сварка имеет следующие преимущества: • малое деформирование свариваемых элементов, отсутствие с ними механического контакта; • высокая производительность сварки; • способность осуществить глубокое (кинжальное) проплавление для сварки толстых пластин; • возможность подачи энергии в труднодоступные места. Измерительная лазерная технология предназначена для проведения различных измерений и контроля размеров, линейных перемещений, контроля качества материалов и изделий. Основным преимуществом измерительной лазерной технологии является то, что процесс происходит бесконтактно (бесконтактная диагностика, неразрушающий контроль). Кроме того, лазерные методы отличаются высокой точностью и быстродействием. Для измерения диаметра и формы поперечного сечения тонких проволок и волокон применяются лазерные измерители, обеспечивающие точность до десятых долей процента при размерах от единиц до сотен микрон. Лазерные измерители скорости позволяют ее определять в диапазоне 0,0001 — 50 м/с с 403 высокой точностью. Лазерные методы бесконтактной диагностики основаны на принципах голографии и позволяют обнаруживать поверхностные дефекты размером до 1 мкм, находить и количественно определять статические и динамические деформации различных деталей. Все лазерно-измерительные процессы легко поддаются полной автоматизации. 15.5. Основы ультразвуковой технологии Ультразвуковой метод обработки относится к электрофизическому воздействию на материал, и назван так потому, что частота воздействий соответствует диапазону неслышимых человеческим ухом звуков с частотой 16—105 кГц. При распространении в материальной среде ультразвуковая волна переносит определенную энергию, которая может непосредственно использоваться в технологических процессах либо преобразовываться в тепловую, химическую, механическую. Энергия ультразвуковых волн во много раз больше переносимой слышимыми звуками. При этом ультразвуковые колебания сопровождаются рядом эффектов, которые могут быть использованы в качестве базовых для разработки различных процессов. Энергия ультразвуковых волн применяется для механической обработки твердых и сверхтвердых материалов, удаления поверхностных пленок и т.д. На рис. 15.7 показана схема ультразвуковой установки для механической обработки заготовок с помощью инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой. Обрабатываемую поверхность покрывают жидкостью с находящимся во взвешенном состоянии абразивом. Во взвесь вводится инструмент, колеблющийся с ультразвуковой частотой (16—30 кГц) и небольшой (0,1—0,06 мм) амплитудой. Обработка происходит в результате ударов инструмента по частицам абразива, оседающим на обрабатываемой поверхности. Благодаря соударениям и происходит обработка резанием: абразив «выкалывает» мельчайшие частицы материала заготовки, а инструмент постепенно внедряется вглубь. Профиль отверстия при этом в точности соответствует профилю инструмента. Если исполнительному органу машины, взаимодействующему с обрабатываемым материалом, сообщить высокочастотные ультразвуковые колебания, то, изменяя их интенсивность и спектральный состав, можно целенаправленно воздействовать на структуру материала и как следствие — менять его механические свойства. Благодаря энергии ультразвуковых волн (ультразвуку) получают устойчивые эмульсии, не расслаивающиеся с течением времени. Ультразвук используется при получении однородных горючих смесей, сушке различных материалов, очистке воздушных потоков и сточных вод от загрязняющих примесей, очистке металлических изделий от накипи и загрязнений, дегазации жидкостей. Известен метод холодной ультразвуковой сварки, который позволяет соединять детали при температурах, значительно более низких, чем температура плавления. Ультразвуковая сварка не изменяет свойств и структуры материалов. Она с успехом применяется при сваривании алюминиевых деталей и стали, является одним из основных способов соединения изделий из пластмасс. При посредстве ультразвука работают многочисленные контрольные и измерительные приборы. В исследовательской практике ультразвук используется для обнаружения внутренних дефектов металлов, определения концентрации различных веществ, непрерывного контроля над изменением их плотности и температуры. В последние годы ультразвук активно начал использоваться в медицине. Медицинские ультразвуковые диагностические установки, реализующие известный принцип ультразвуковой локации, позволяют «заглянуть» вовнутрь человеческого организма. При этом во многих случаях информативность исследований оказывается существенно выше, чем при использовании рентгена, а само же ультразвуковое исследование (УЗИ) совершенно безопасно. 405 Ультразвук применяют в медицине не только для диагностики, но и для лечения. Например, разработан ультразвуковой метод соединения поврежденной костной ткани; есть многочисленные примеры использования ультразвука в борьбе с почечными камнями. С его помощью лечат воспалительные процессы, очищают раны и режут ткани, лечат зубы, сваривают сосуды. Таким образом, применение энергии ультразвуковых волн (ультразвука) позволяет разработать новые виды обработки материалов, интенсифицировать и повысить эффективность протекания различных процессов, обеспечить новые методы диагностики и лечения в медицине и т.д. 15.6. Основы мембранной технологии Мембранная технология — новый принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку, отличающийся отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения. По сравнению с традиционными процессами разделения неоднородных систем мембранная технология выгодно отличается высокой энергои ресурсоэкономичностыо, простотой аппаратурного оформления, экологической чистотой. Слово «мембрана» имеет латинское происхождение (тетЪгапа) и означает «кожица», «перепонка». В технологии под мембраной мы будем понимать перегородку, обладающую различной проницаемостью по отношению к отдельным компонентам жидких и газовых неоднородных смесей. При внешпем сходстве процессов фильтрования и мембранного разделения между ними есть принципиальное отличие. В ходе фильтрования хотя бы один из компонентов газовой или жидкой смеси задерживается и фиксируется внутри фильтрующей перегородки. Ото приводит к тому, что перегородка постепенно забивается и осуществление процесса фильтрования на ней без очистки делается практически невозможным. В отличие от фильтра мембрана не фиксирует в себе ни один из компонентов разделяемой жидкой или газовой смеси, а только делит первоначальный поток на два, один из которых обогащен по сравнению с исходным какимлибо компонентом. Такой принцип действия мембраны делает ее срок службы практически неограниченным, без заметного изменения в эффективности разделения смесей. В зависимости от материала, из которого изготовляют мембраны, их делят на полимерные, металлические, стеклянные, керамические или композиционные. 406 По механизму мембранного действия различают диффузионные, адсорбционные и ионообменные мембраны. В зависимости от агрегатного состояния разделяемой смеси, движущей силы процесса разделения, размеров частиц компонентов и механизма разделения различают следующие разновидности мембранных процессов: • диффузионное разделение газов; • разделение жидкостей методом испарения через мембрану; • баромембранные процессы разделения жидких смесей; • электродиализ. Диффузионное разделение газов основано на различной проницаемости мембран для отдельных компонентов газовых смесей. Для осуществления диффузионного разделения газовых смесей используются как сплошные, так и пористые мембраны с размерами пор меньшими, чем длина свободного пробега молекул газов при заданном давлении. Движущей силой процессов диффузии компонентов является разность их концентраций на противоположных поверхностях мембраны. Диффузионное разделение газов сегодня является наиболее крупномасштабным и экономичным методом, который широко используется для получения урана-235, являющегося ядерным топливом; создания аппаратов «искусственное легкое»; при производстве водорода, выделении гелия из состава природных и нефтяных газов; для создания контролируемой атмосферы, обогащенной диоксидом углерода. Созданы и используются специальные пленки, которые помогают длительное время сохранять качество завернутых в них овощей, фруктов, цветов. В основе такой технологии лежит свойство полимерных мембран разделять воздух на молекулярном уровне: в результате в нем становится меньше кислорода, что резко замедляет процессы гниения. Разделение жидкостей методом испарения через мембрану основано на различной диффузионной проницаемости мембран для паров веществ. Движущей силой процесса является разность концентраций или давлений. Смесь жидкостей, находящихся в контакте с мембраной, нагревают, а пары, проникающие через мембрану, отводят с помощью вакуумирования или потоком инертного газа. Наиболее широко этот метод применяется при разделении азеотропных смесей, а также смесей веществ, имеющих невысокую термическую стабильность. Баромембранные процессы разделении жидких смесей осуществляются под избыточным давлением. Установки, работающие на принципе баромембранного разделения, широко используются для обессоливания морской и соленой воды, очист407 ки сточных вод, извлечения ценных компонентов из разбавленных растворов. В пищевой промышленности они применяются для концентрирования сахарных сиропов, фруктовых и овощных соков; в электронной промышленности, медицине и фармацевтике — для получения ультрачистой воды. Если мембранный процесс используют для отделения от идеального раствора крупных коллоидных или взвешенных микрочастиц размером 0,1—10 мкм, то его называют микрофильтрацией, или мембранной фильтрацией. Микрофильтрация нашла широкое применение в микробиологической промышленности при концентрировании водных растворов ферментов, белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других веществ, а также для очистки сточных вод в химической, пищевой и целлюлозно-бумажной промышленности. Электродиализ можно определить как перенос ионов через мембрану под действием электрического тока. При наличии мембран, избирательно пропускающих одни ионы и задерживающих другие, можно решать задачи выделения ценных компонентов из растворов, обессоливания воды и снижения ее жесткости, очистки сточных вод и др. В зависимости от способа укладки мембран аппараты для мембранных процессов могут быть следующих типов: • с плоскими мембранными элементами; • с трубчатыми мембранными элементами; • с мембранными элементами рулонного типа; • с мембранными элементами в виде полых волокон. Достоинствами плоскокамерных аппаратов являются простота их устройства и надежность в работе, недостатками — трудоемкость изготовления, высокая металлоемкость, низкая плотность укладки мембран в единице объема, невысокая интенсивность процесса мембранного разделения. Преимуществами трубчатых разделительных аппаратов являются нетребовательность к предварительной очистке разделяемых смесей, высокая удельная поверхность мембраны в аппарате, легкость очистки поверхности мембран от осадков, интенсивный режим работы. Недостатки трубчатых разделительных аппаратов обусловлены в первую очередь высокой стоимостью их изготовления. К достоинствам аппаратов с элементами рулонного типа следует отнести высокую плотность упаковки мембран в единице объема, удобство монтажа и демонтажа разделительного элемента в аппарате, возможность предварительного контроля качества мембранной поверхности. Недостаток таких аппара408 тов — необходимость тщательной предварительной подготовки разделяемой смеси, что увеличивает стоимость процесса мембранного разделения. Основными преимуществами разделительных аппаратов с полыми волокнами являются высокая удельная производительность, простота устройства и эксплуатации. Однако эти аппараты недешевы. Перспективность мембранных методов — прежде всего в их универсальности. Скоро нельзя будет представить ни одной технологической линии в пищевой, медицинской, фармацевтической и ряде других отраслей промышленности, в которой не было бы установок для мембранного синтеза, разделения, концентрирования и очистки продуктов. 15.7. Основы радиациопно-химическои технологии За последние два десятилетия сформировалась новая область химической технологии — радиационно-химическая технология (РХТ). Ее предшественницей следует считать ядерную технологию, интенсивное развитие которой (с начала 40-х гг. XX в.) стимулировала необходимость срочного решения ряда задач, связанных с практическим использованием атомной энергии. Целью радиационно-химической технологии является разработка методов и устройств для наиболее экономичного осуществления с помощью ионизирующего излучения физических, химических и биологических процессов, позволяющих получать новые материалы или придавать им улучшенные свойства, а также для решения экологических проблем. Выделение этого направления в отдельную область технологии обусловлено прежде всего особенностью действия ионизирующего излучения на вещество. Радиационно-химические процессы обуславливаются энергией возбужденных атомов, ионов, молекул. Энергия ионизирующего излучения превышает в сотни тысяч раз энергию химических связей. Механизм радиационно-химических процессов объясняется особенностями взаимодействия излучений с реагирующими веществами. В качестве источников ионизирующего излучения используются потоки заряженных частиц большой энергии (электроны, а, р, частицы, нейтроны, у-излучение). Первоначально ионизирующее излучение применяли для производства уникальных продуктов и продуктов улучшенного качества, что было продиктовано ценами на них. Случаи экономии сырья и энергии при этом являлись единичными. 409 Сегодня наблюдается явное смещение приоритетов использования ионизирующих излучений: от получения продуктов с уникальными и улучшенными свойствами к экономии сырья и энергии. Доказано, что стоимость получения сшитой полиэтиленовой изоляции кабеля при помощи радиационной технологии в 2,2 раза ниже, чем при использовании других нетрадиционных методов. Продукция радиационной вулканизации резиновой ленты в 8 раз дешевле, чем традиционной термической вулканизации. Радиационная стерилизация медицинских инструментов и оборудования в 4,5 раза экономичнее других видов стерилизации, а радиационное консервирование продуктов питания экономичнее других способов почти в 100 раз. В настоящее время разработаны и находятся на различных стадиях опытно-промышленной реализации более пятидесяти радиационно-химических технологических процессов, например: • радиационная полимеризация и сополимеризация, включающая получение древесно-полимерных и бетонно-полимерных материалов; • радиационное отверждение покрытий; • радиационные сшивание полимеров и вулканизация эластомеров; • радиационно-химический синтез (радиационное хлорирование, сульфохлорирование углеводородов); • радиационное модифицирование неорганических материалов (улучшение адсорбционных и каталитических характеристик, радиационное легирование); • радиационная очистка сточных вод. Основные преимущества РХТ можно сформулировать следующим образом: • возможность получения уникальных материалов, производство которых другими способами невозможно; • высокая чистота получаемых продуктов; • смягчение условий проведения процесса (температуры, давления); • возможность регулирования скорости процесса за счет изменения интенсивности излучения, а следовательно, — легкость автоматизации процесса; • возможность замены в некоторых случаях многостадийных процессов синтеза одностадийными. 410 15.8. Основы плазменной и элиоппой технологии Плазменная технология основана на обработке исходных материалов концентрированными потоками энергии — плазмой. Плазма — значительно ионизированная и нагретая до 10 000— 30 000 °С смесь нейтральных молекул, ионов, которая в отличие от газа ярко светится, обладает электропроводностью и активно взаимодействует с магнитными нолями. Ныне известно более 50 плазменных технологий. Сформировалась и научная база этой группы технологий — нлазмохи-мия, изучающая процессы, протекающие при сверхвысоких температурах, когда вещество находится в состоянии плазмы. В плазменных установках (рис. 15.8) в качестве энергоносителя чаще всего используется струя низкотемпературной плазмы. С помощью электродуговых или высокочастотных разрядов создается высокая (до 30 000 ° С) температура, которая ионизирует газовый поток плазмообразующих газов аргона, гелия, азота или их смесей. При соединении с электронами газ ионизируется и под действием магнитных полей выходит из сопла плазмотрона в виде ярко светящейся струи. Полученная плазма в качестве энергоносителя направляется на обрабатываемую поверхность изделия, в химический реактор и т.д. В химическом реакторе, например, под воздействием высокой температуры в плазме за тысячные доли секунды протекают химические реакции. В машиностроении плазменным методом обрабатывают изделия из любых материалов, выполняя прошивание отверстий, резку, наплавку, напыление тугоплавких, износостойких, коррозионноустойчивых покрытий, сварку и т.д. С помощью плазмы сваривают тугоплавкие металлы, а также неэлектропроводные материалы (стекло, керамика). 411 Плазма используется для химического синтеза органических и неорганических соединений, при производстве композиционных материалов, сверхчистых металлов, высокодисперсных порошков, выращивании монокристаллов и т.д. Плазменные установки дают возможность перерабатывать труднообрабатываемое, но широкодоступное сырье, эффективно изменять физические и физико-химические свойства материалов, получать высокочистые материалы в электронной и особенно химической технологии. В металлургии вместо доменных печей для процесса восстановления железа вполне можно использовать плазмотроны. При этом вместо кокса или природного газа для процесса восстановления железа могут использоваться самые дешевые топливно-энергетические ресурсы, по существу отходы — угольная пыль и древесная стружка. К тому же плазменные металлургические технологические процессы, в отличие от традиционных, экологически чисты, не выделяют в окружающую среду сернистые и иные вредные газы. В разных отраслях успешно используется метод плазменного напыления — нанесения на поверхность деталей упрочняющих, термостойких, антикоррозионных, защитных, декоративных и других покрытий. Такие покрытия позволяют улучшить качество, повысить ресурс и надежность машин. Методом плазменного напыления можно восстанавливать изношенные поверхности деталей. На базе плазменной технологии можно организовать резку стальных плит толщиной до 25 см и плит из цветных металлов толщиной 10—15 см. При высокой температуре в струе плазмы происходит разложение отходов на элементы с последующим синтезом новых продуктов. Так открывается путь к безотходным экологически чистым технологиям. Можно назвать и другие сферы высокоэффективного применения плазменных технологий. Однако широкое использование плазменных технологий тормозится слабой изученностью данного класса процессов, иногда слишком большой скоростью их протекания, сравнительно высокой энергоемкостью производства. Элионная технология использует действие электронных, ионных и рентгеновских остросфокусированных пучков. Одним из важнейших процессов элионной технологии является ионная имплантация. Ионная имплантация — высокоэффективный физический метод научных исследований и технологической обработки, ос412 нованный на взаимодействии управляемых потоков высокоэнергетических ионов с поверхностью твердого тела для направленного изменения его свойств, связанных с атомной структурой. При ионной имплантации обрабатывающие ионы преодолевают поверхностный энергетический барьер, внедряются в поверхностный слой, вызывая повышение концентрации атомов обрабатывающего вещества в последнем; внедрению сопутствует мощное радиационное воздействие, связанное с рассеянием кинетической энергии ионов в сопротивляющейся среде обрабатываемого материала и приводящее к дефектообра-зованию. Таким образом, ионная имплантация охватывает два взаимосвязанных процесса — внедрение (легирование) и радиационную обработку (дефектообразование). Однако в зависимости от целевого назначения проводимой обработки возможен такой выбор режимов и условий имплантации, когда технологически существенным оказывается лишь один из аспектов этого двуединого процесса. Под воздействием ионных потоков в поверхностном слое материалов происходит комплекс явлений, включающий изменение элементного состава модифицированного слоя — как с созданием твердых растворов, так и формированием и выделением новых фаз. В кристаллических материалах может происходить изменение параметров решетки и ее типа, размеров и ориентации зерен и блоков кристаллов, вплоть до аморфизации, появления радиационных дефектов, создания внутренних сжимающих и растягивающих напряжений. В зависимости от параметров ионной имплантации происходит изменение свойств поверхностного слоя материалов, таких как твердость, усталость, изнашивание, коэффициент трения, коррозионная стойкость, электрохимическое состояние, каталитическое действие, связи на поверхности, отражательная способность, адгезия, эрозионные свойства. Использование элионной технологии, несмотря на ее высокую энергоемкость, весьма перспективно для создания новых конструкционных материалов и улучшения свойств традиционных. 15.9. Основы современной биотехпологии Термин «биотехнология» возник в начале XX в., однако биотехнологические процессы человечество использует с глубокой древности. Это так называемая традиционная биотехнология, основанная на процессах брожения. К ней относятся хлебопечение, сыроварение, виноделие, силосование кормов и т.д. 413 В наши дни успехи биотехнологии наполнили это понятие новым содержанием. Биотехнология — это новый этап современных биотехнологических знаний и технологического опыта. Возникнув на стыке различных наук — микробиологии, биохимии, биофизики, генетики и др., базируясь на достижениях фундаментальных исследований, биотехнология стала одним из важнейших факторов развития общественного производства. Она создает возможность получения с помощью легкодоступных и возобновляемых ресурсов тех веществ и соединений, которые важны для жизни и благосостояния людей. Современная биотехнология использует биологические процессы и системы для получения разнообразных продуктов. В настоящее время это многопрофильная и комплексная отрасль производства, которая включает в себя: • промышленную биотехнологию (микробиологический синтез); « генетическую и клеточную инженерию; • инженерную энзимологию (белковую инженерию). Эти новые направления биотехнологии призваны способствовать решению насущных проблем медицины, сельского хозяйства, энергетики, рационального использования и охраны природных ресурсов. Промышленная микробиология (микробиологический синтез) — наука, изучающая промышленное получение веществ с помощью микроорганизмов. В настоящее время микробиологическая индустрия выпускает около 200 видов разнообразной продукции, необходимой народному хозяйству. Промышленная микробиология производит сотни тысяч тонн кормовых дрожжей, тысячи тонн аминокислот, биологических средств защиты растений, антибиотики для сельскохозяйственных животных, витамины, органические растворители, этиловый спирт и другие продукты. Дальнейшее развитие промышленной микробиологии будет способствовать повышению эффективности общественного производства. Резервы для развития у микробиологического синтеза есть: из 100 000 видов микроорганизмов, которые известны человечеству, используется в настоящее время не более ста. Одна из важнейших проблем современности — восполнение дефицита белка на Земле. Потребность людей в животном белке удовлетворяется в настоящее время только частично. Чтобы получить необходимое количество белка, нужно повысить продуктивность растениеводства и животноводства, организовать производство питательных веществ путем микробиологическо414 го синтеза. Эти задачи успешно решает промышленная микробиология. Возможности микробиологической промышленности широко используются в медицине. Одним из мощных современных средств борьбы с инфекциями являются вакцины, производимые путем микробиологического синтеза. В последнее время в мировой сельскохозяйственной практике все большее внимание уделяется биологическому методу защиты возделываемых культур от вредителей и болезней. Создаются новые бактериальные удобрения и безвредные для окружающей среды средства борьбы с насекомыми-вредителями. Это обусловлено заботой о защите сельскохозяйственной продукции, почвы, воды и воздуха от загрязнений пестицидами и рациональном, более эффективном использовании природных ресурсов. Микроорганизмы стали союзником человека в решении проблемы охраны окружающей среды, так как в природе много таких веществ, которые они могут разложить или преобразовать. Прогрессирующий дефицит ископаемого топлива ставит перед современной наукой задачи, связанные с разработкой новых процессов, ориентированных на возобновляемые сырьевые и энергетические источники. Возможность использования микробиологических методов для решения проблем энергетики способствовала появлению и развитию такого направления, как биоэнергетика. По прогнозам, к середине XXI в. удастся получать микробиологическим путем более 10 % необходимой энергии — в виде газообразного топлива из биомасс (биогаз). Все шире используются возможности промышленной микробиологии в горнорудной и металлургической промышленности. Наибольший практический опыт накоплен в области использования микроорганизмов для извлечения цветных металлов, урана и золота путем бактериального выщелачивания их из бедных или труднообогащаемых другими способами руд. Такой способ обеспечивает комплексное и более полное использование минерального сырья, повышает культуру производства, благоприятен для охраны окружающей среды. В частности, разработана опытная установка для получения меди из руды с использованием методов микробиологической металлургии при нормальных температуре и давлении и минимуме капитальных затрат. Извлечение меди с помощью микроорганизмов обходится в 3—4 раза дешевле, чем обычными металлургическими способами. Генетическая инженерия — принципиально новое научное направление биотехнологии, позволяющее создавать искус 415 ственные генетические структуры путем целенаправленного воздействия на материальные носители наследственности (молекулы ДНК). Применяя генноинженерные методы, в принципе возможно конструировать совершенно новые организмы по заранее заданному «чертежу». Прикладное использование генетической инженерии привело к возникновению так называемой индустрии ДНК, к которой относится, например, производство физиологических активных веществ белковой природы для медицинских и сельскохозяйственных нужд. "Уже есть ряд уникальных достижений генетической инженерии — промышленное производство интерферона, инсулина, гормона роста человека и т.д. Вполне возможно создание в обозримом будущем таких искусственных микроорганизмов, которые перерабатывают с большой эффективностью любые вещества и материалы, включая металлы, пластмассы и минералы, а также таких, которые вырабатывают полноценный пищевой белок. Одним из направлений генной инженерии является клонирование. Термин «клон» происходит от греческого слова «klon», что означает «веточка», «побег», «черенок», и имеет отношение прежде всего к вегетативному размножению. В сельском хозяйстве, в частности в садоводстве, клонирование растений черенками, почками или клубнями известно уже более четырех тысяч лет. Начиная с 70-х гг. XX в., для клонирования растений стали широко использовать небольшие группы клеток и даже отдельные соматические (неполовые) клетки. Дело в том, что у растений (в отличие от животных) по мере их роста в ходе клеточной специализации — дифференцировки — клетки не теряют так называемых тотипотентных свойств, т.е. своей способности реализовывать всю генетическую информацию, заложенную в ядре. Поэтому практически любая растительная клетка, сохранившая в процессе дифференцировки свое ядро, может дать начало новому организму. Эта особенность растительных клеток лежит в основе многих методов генетики и селекции. При вегетативном размножении и клонировании гены не распределяются по потомкам, как при половом размножении, а сохраняются в полном составе в течение многих поколений. Клоны имеют одинаковый набор генов и фенотипически не различаются между собой. Клетки животных, дифференцируясь, лишаются тотипотентности. В этом — одно из существенных их отличий от клеток растений. Именно эта особенность является главным препятствием для клонирования взрослых позвоночных живот416 ных. В лабораторных условиях его удалось преодолеть при клонировании мышей, овец, кроликов, коров, однако успешно родившиеся клоны имели целый ряд отклонений от нормального развития и отличались многочисленными генными мутациями. Кроме того, было зафиксировано ускоренное старение клонов по сравнению с их одногодками. Наиболее перспективная сфера реализации клонирования — помощь людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Клонирование органов и тканей — это задача номер один в трансплантологии, травматологии и других областях медицины. Более скромная, но не менее важная задача клонирования — регулирование пола сельскохозяйственных животных и введение в них человеческих генов, «терапевтических белков», которые затем используются для лечения людей. Технология клонирования в первую очередь сулит большие выгоды животноводству. В принципе с любого животного, имеющего ценные продуктивные качества, можно получить многочисленные генетически идентичные копии, обладающие теми же признаками. Важными областями применения клонирования будут создание и размножение клонов трансгенных сельскохозяйственных животных (овец, коров, свиней). Хотя генная инженерия делает свои первые шаги, она по праву считается самой перспективной областью современной биотехнологии. Клеточная инженерия. Клетки — это миниатюрные «фабрики», создающие необходимые организму вещества. Сегодня, благодаря методам клеточной инженерии, появилась возможность производить ценные продукты в искусственных условиях (вне организма). Методы клеточной инженерии успешно дополняют генноинженерные. Используя клеточную инженерию, ученым удается выводить новые высокоурожайные и устойчивые к болезням, неблагоприятным условиям среды ценные для народного хозяйства растения. Уже существуют гибридные сорта картофеля, винограда, сахарной свеклы, томатов. Используя данную технологию, можно получать даже межвидовые гибриды: яблони с вишней, картофеля с томатом и т.д. Не менее значительны успехи клеточной инженерии в работе с животными клетками. Создаются банки замороженных эмбрионов высокопородных животных с последующей их пересадкой обычным животным для выведения. Уже сейчас отработана технология получения за сезон от одной элитной коровы до 15—20 высокопородных телят посредством вживления на 417 основе ее клеточного материала искусственных эмбрионов низкопородным коровам. Клеточная инженерия позволяет вырабатывать биологически активные вещества на основе крупномасштабного культивирования клеток человека или животных и даже получать популяции клеток того или иного органа, которые можно использовать для пересадок. Таким путем выращивают искусственную кожу, клетки печени и даже клетки нервной системы. В последнее время клеточная инженерия совершила поистине революционный прорыв в области иммунологии. Методами клеточной инженерии разработан способ соединения клеток лимфоцитов (которые являются одним из основных факторов иммунной защиты организма) с опухолевой клеткой для получения так называемых гибридом, начинающих производить противоопухолевые антитела. По чувствительности и избирательности они не имеют себе равных. Гибридомная технология открывает новую эру в иммунологии. Хотя клеточная инженерия делает свои первые шаги, однако ее методы позволят уже в ближайшие годы начать изготовление большого количества ценных препаратов, необходимых народному хозяйству и медицине. Инженерная энзимология — наука, разрабатывающая основы создания высокоэффективных ферментов для промышленного использования, позволяющих многократно интенсифицировать технологические процессы при снижении их энер-го- и материалоемкости. Создание так называемых иммобилизованных (неподвижно закрепленных) ферментов, закрепляемых на полимерных носителях, явилось значительным шагом вперед в развитии современной биотехнологии. Иммобилизация ферментов повышает их устойчивость к нагреванию, изменению реакции среды, увеличивает срок их действия, облегчает отделение от продуктов реакции, дает возможность многократного использования. Ферменты наиболее широко используются при производстве сахара для диабетиков, некоторых гормональных препаратов, используемых в медицине. Весьма перспективно применение ферментов в химической промышленности, при получении тканей, кож, бумаги, других синтетических материалов. При этом использование ферментов не только позволит качественно усовершенствовать технологию, но и будет способствовать решению проблемы очистки окружающей среды. Ферменты успешно используются в технологических процессах пищевой промышленности, в частности, для вырабаты418 вания глюкозно-фруктозного сиропа, глюкозы из крахмала, улучшения качества молока, в ряде других производств. Иммобилизованные ферменты в лабораторных условиях применялись для получения полимеров из целлюлозы, водорода из воды, в других технологических процессах тонкого органического синтеза. Данные разработки открывают пути к внедрению безотходных и низкотемпературных процессов, повышению экономии сырья и энергии. В настоящее время разработана и проходит промышленную проверку технология переработки целлюлозы в глюкозу с использованием методов инженерной энзимологии. В медицине применение иммобилизованных ферментов наиболее перспективно в борьбе с опухолями, тромбами и другими длительными поражениями, требующими постоянного поступления лекарств в организм. 15.10. Общие сведения о панотехнологии С самого начала зарождения промышленного производства сырье и оборудование, используемые человеком, были соизмеримы с его антропометрическими характеристиками. Таким образом, окружающий нас мир вещей и механизмов в преобладающем большинстве является продуктом так называемой метро вой технологии. Широкомасштабный переход к миллиметровой технологии состоялся в середине XX в. и был обусловлен появлением промышленной электроники. Последующее сокращение размеров оперируемого пространства в 1000 раз привело к созданию твердотельной микротехнологии. Ее развитие к началу XXI в. легло в основу поразительного прогресса вычислительной техники. Микротехнологии позволили размещать свыше миллиона твердотельных транзисторов в интегральной схеме площадью всего в 1 см2. Кристаллы кремния явились основой интегральных микросхем, миниатюризация которых и обусловила экспоненциально быстрый рост эффективности и быстродействия на единицу стоимости (и массы) вычислительных машин. При этом все вышеперечисленные технологии, используемые в настоящее время в промышленном производстве, можно назвать классическими, так как они базируются на ставших классическими законах современного естествознания. Однако действие классических законов начинает нарушаться при размерах, составляющих десятые доли микрометра. За этой гранью начинается территория, подвластная квантовым законам, в которых проявляет себя волновая природа электро419 на. И это именно та территория, на которой осуществляются нанотехно л огии. Нано- (от гр. nanos — карлик) — приставка для образования наименования дольных единиц, равных одной миллиардной доле исходных, например 1 нм = 10-9 м. Иа уровне таких размеров происходит переход от сплошных веществ к атомно-структурным построениям квантовой нанотехнологии. При этом человечество вступает в «производственную» область, в которой исчезает грань между живой и неживой природой. Поэтому переход от «микро» к «нано» — не количественный, а качественный скачок от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами. Области характерных размеров для ряда наноразмерных образований приведены на рис. 15.9. Нанотехнологии — это технология, основанная на манипуляции отдельными атомами и молекулами для построения сложных структур различных веществ и создания миниатюрных технических устройств. Таким образом, нанотехнология находится на стыке квантовой техники, материаловедения и молекулярной биологии и является ключевой областью научно-технической революции в промышленности. Считается, что история нанотехнологии началась в 1959 г., когда лауреат Нобелевской премии по физике Р. Фейнман сказал пророческую фразу: «Принципы физики, насколько я их знаю, не запрещают манипулирование отдельными атомами». В 1981 г. Г. Бинингом и Г. Рорером, учеными из швейцарского отделения IBM, был изобретен сканирующий туннельный микроскоп — прибор, дающий возможность воздействовать на вещество на атомарном уровне. Базовой концепцией разработки нанотехнологии послужило предложение американского ученого К.Э. Дрекслера в 1985 г. сознательного (практического) 420 манипулирования атомами и молекулами, когда каждая из них занимает в конечной структуре то место, которое ей определено человеком. В 1986 г. был создан атомно-силовой микроскоп, в отличие от туннельного позволяющий осуществлять взаимодействие не только с электропроводящими, но и с любыми материалами. При помощи атомно-силового микроскопа стало возможным «подцепить» атом и поместить его в нужное место, т.е. манипулировать атомами, а следовательно, непосредственно собирать из них любой объект, любое вещество. Этим было положено начало так называемому программируемому атомному письму, явившемуся прообразом первого нано-технологического процесса собирания атомов в наноразмерные «кучки» и выстраивания этих «кучек» в соответствии с заданным рисунком (рис. 15.10). Одиночные квантовые точки, образованные группой атомов и локализованные в заданном месте основной матрицы, могут быть собраны с образованием так называемой проволоки. Элементы проволоки, в свою очередь также сгруппированные заданным образом, образуют более сложные замкнутые молекулярные пространственные структуры — микрокластеры. Микрокластеры — это новая фаза твердого тела с необычными химическими и физическими свойствами, среди которых главным является повышенная реакционная активность. Микрокластеры легко захватывают атомы других веществ и образуют материалы с принципиально новыми свойствами. На основе этих структур возникла новая стереохимия углеродов, позволяющая целенаправленно создавать новые органические молекулы и, следовательно, вещества с заданными формами и свойствами. Наука ближе подошла к познанию сущности многих активных процессов на молекулярном уровне и выходит на качественно иной уровень понимания свойств материального мира и использования их в интересах современной техногенной цивилизации. 421 Самый распространенный вид микрокластеров — фуллере-ны. Свое название они получили в честь архитектора Б. Фулле-ра, создавшего геодезические дома-купола из пяти- и шестиугольников. Фуллерены — полиморфные модификации углерода со структурой, построенной из кластерных частиц. Наиболее известный из фуллеренов С60 (в индексе обозначено число атомов углерода) по форме очень похож на футбольный мяч, сшитый из пятиугольников и шестиугольников. К настоящему времени обнаружена целая семья фуллеренов — от С28 до С240Фуллерен представляет собой полую внутри симметричную углеродную структуру, замкнутая поверхность которой образована правильными многоугольниками из атомов (рис. 15.11). Возможность существования фуллеренов еще в начале 70-х гг. XX в. независимо друг от друга предсказали советские химики Д. Бочвар и Е. Гальперин и японский физик Е. Осава. В 1985 г. данные структуры были экспериментально обнаружены Р. Керлом, Р. Смолли (США) и Г. Крото (Великобритания). В 1996 г. за открытие фуллеренов эти исследователи получили Нобелевскую премию. Уже к 1990 г. были предложены способы получения фуллеренов в макроколичествах. Фуллерены С60, С70 и другие получают в основном в межэлектродном промежутке графитовой дуги в токе инертного газа. С этого момента начался «фуллереновый бум». Ноток открытий об их удивительных свойствах все возрастает. Поскольку углерод является основным элементом структуры живой материи, открытие его новой формы имеет особое значение и заставляет пересмотреть представления о фундаментальных процессах, происходящих с участием углерода в живой и неживой природе. В то же время применение фуллеренов означает наступление технологической революции, результаты которой трудно предвидеть. 422 Формированием разнообразных углеродных каркасных структур нанотехнология не ограничилась. В 1991 г. были созданы длинные цилиндрические углеродные образования, получившие название нанотрубки (НТ). Визуально структуру НТ можно представить так: берется графитовая плоскость, из нее вырезается полоска и «склеивается» в цилиндр (рис. 15.12). Такое сворачивание графитовой плоскости — это лишь способ представить себе структуру НТ; реально НТ формируются совсем по-другому. При этом до экспериментального открытия НТ никто из теоретиков их создание не предсказывал. Для нанотрубок характерно большое многообразие форм: они могут быть большими и маленькими, однослойными и многослойными, прямыми и спиральными. Несмотря на кажущуюся хрупкость и даже ажурность, НТ оказались материалом, на редкость прочным как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, НТ также ведут себя необычно: они не «рвутся» и не «ломаются», а просто перестраиваются. НТ демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств. Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости НТ могут быть и проводниками, и полупроводниками. Уже сейчас широкое использование фуллеренов и нанотрубок очень перспективно. Высокая активность фуллеренов поз423 воляет применять их в технологических процессах, связанных с выращиванием кристаллов, проведением селективных каталитических превращений, но прежде всего — получением совершенно новых материалов с искусственно упорядоченными электронными, магнитными и оптическими свойствами (например, полимерных материалов, обладающих заданными величиной проводимости или магнитными свойствами, новых катализаторов, высокоселективных абсорбентов, классов сверхпроводников, полупроводников, магнетиков, сегнетоэлектри-ков, нелинейных оптических материалов). Реальностью становится создание материалов, которые будут в 200 раз прочнее стали. Фуллерены с характерным размером кластеров около 10 ангстрем (ангстрем — единица длины, равная одной десятимиллиардной доле метра) могут быть использованы как «нано-кирпичики» для изготовления новых материалов, в том числе применяемых для сверхплотной записи информации. Пленки, полученные на основе фуллеренов, могут решить проблему очистки загрязненных поверхностей. Подавление отражения покрытой фуллереном поверхности при облучении ее лазером позволяет делать самолеты практически невидимыми для лазерных радаров. Создаются новые технологии синтеза алмазов и алмазоподобных соединений сверхвысокой твердости. Одно из очевидных прямых следствий использования фуллеренов — уменьшение размеров, энергоемкости, материалоемкости самых разнообразных технических устройств и технологических процессов. Это позволит улучшить характеристики таких устройств, как лазеры, фотопленки, люминофоры, магнитные диски и компьютеры, создать экологически чистые источники тока. Самая поразительная возможность применения фуллеренов — в целенаправленном выращивании химическими методами микрочипов размеров, сопоставимых с нейронами. В перспективе это приведет к созданию карманных суперкомпьютеров, одновременно с которым увеличатся возможности исследователей, что позволяет предсказать поток новых открытий и изобретений в любых областях, в том числе и самых неожиданных. Эндофуллерены — один из самых экзотических и замечательных классов химических соединений, созданных нанохи-мией. Они образуются в результате внедрения атомов или ионов внутрь фуллереновой сферы и «пленения» их. Однако уникальность эндофуллеренов состоит не в том, что атомы или ионы внедряются внутрь фуллереновой сферы, а в том, что их «пленение» является практически необратимым процессом, что приводит к созданию стабильных материалов с новыми уни424 кальными свойствами. Уже синтезировано огромное количество эндофуллеренов: Т@С60 (символ @ означает помещение атома или иона в сферу фуллерена), (3Не, 4Не)@ С60 и т.д. Получены эндофуллерены с двумя и даже тремя плененными атомами (например, Не2@С70, Lа2@(С72, С74, С82) и др.). Эксперименты показали, что интеркаляция (т.е. внедрение) атомов различных металлов меняет электрические свойства фуллеренов и может даже превратить изолятор в сверхпроводник. Значительным событием в нанохимии фуллеренов явилось открытие и направленный синтез ониевых («луковичных») фуллеренов, например, таких как С60@С240@С540... представляющих собой несколько сферических молекул, вложенных одна в другую (как слои шелухи на луковице) с расстоянием между поверхностями сфер >0,34 нм. Это новый класс эндофуллеренов. Внутренние сферы испытывают огромное давление внешних, и это является причиной того, что даже при слабом фото- или радиационном воздействии внутренние сферы превращаются в алмаз. Таким образом, исследователи приближаются к пониманию механизма синтеза искусственных алмазов. В связи с очень высокой ценой фуллеренов (цена 1 г экстракта — от 40 дол. США за С60 и С70 до 65 000 дол. США за C84) их широкое промышленное применение в технике — вопрос не самого ближайшего будущего. Но зато весьма перспективно применение фуллеренов в медицине. Использование фуллеренов как основы лекарственных препаратов базируется на значительной химической активности молекулы фуллерена, имеющей большое число свободных связей, придающих ей способность присоединять различные радикалы, в том числе биологически активные. Главное препятствие для быстрого внедре ния фуллеренов в медицинскую практику — нерастворимость молекул фуллеренов в воде, затрудняющая их введение в живой организм. Самая сенсационная возможность использования фуллеренов в медицине — лечение вирусных заболева ний, вызываемых ВИЧ-инфекцией. Сегодня ведущей причиной смертности стал атеросклероз. Большое развитие получило его лечение методом гемосорбции. Поэтому разработка средств для гемосорбции — плазмосорбентов на основе фуллеренов стала одним из главных достижений экспериментальной медицины. Потенциальные области применения нанотрубок также обширны. Малые размеры и уникальная структура НТ определяют их необычные механические и электронные свойства, при425 чем последние можно целенаправленно изменять в широком диапазоне. В отличие от графита ЫТ химически инертны. Высокая жесткость НТ сочетается с упругостью и способностью обратимо вспучиваться (коробиться) и складываться (сжиматься, сплющиваться). Области применения НТ можно условно разделить на две группы — в сравнительно массивных изделях и деталях (работает множество НТ) и в миниатюрных изделиях и устройствах (работают индивидуальные НТ). В первом случае это наполнители для различных композитов (легких, прочных, при необходимости электропроводных и поглощающих энергию удара), материалы для химических источников тока и аккумуляторы газов, во втором — электронные приборы и устройства, включая сверхмалые и сверхбыстрые компьютеры, катоды полевых эмиттеров электронов, а также неразрушающиеся нанозонды в сканирующих микроскопах, высокочастотные резонаторы, на-нопипетки, предназначенные для введения в клетки живых организмов с целью изучения их химической природы. Для реализации нанотехнологии в промышленных масштабах необходимо иметь несколько базовых устройств. Первым таким устройством является посредник, размером сравнимый с атомами. Он называется сборщиком, или ассемблером. Сборщик способен по заранее заданной программе перемещать отдельные атомы или молекулы, обеспечивать химические связи между ними и поддерживать стабильность незавершенных структур до окончания сборки. Для выполнения этих операций он снабжен манипуляторами, набором механических устройств, их перемещающих, а также источником энергии. Сборщик состоит примерно из миллиона атомов, т.е. его размер — приблизительно 150 нанометров. Он способен работать по крайней мере с миллионом атомов в секунду, что близко к производительности биологических систем. Для того, чтобы сборщик знал, какую молекулу надо ловить манипулятором и куда ее помещать, у него есть второе базовое устройство — нанокомпъютер. Третьим базовым устройством нанотехнологии является разборщик. Он послойно разбирает или изучает объект, записывает в память нанокомпьютера информацию о нем, подготавливая к работе четвертое базовое устройство — созидателя, или репликатора. Последний осуществляет сборку других сборщиков, а также себе подобных созидателей, т.е. занимается размножением. Таким образом, в развитии нанотехнологии имеется несколько направлений, на которых в настоящее время сосредоточено внимание исследователей: 426 • разработка технологии молекулярного синтеза пространственных структур с заданными свойствами; при такой «сборке» материалов из отдельных атомов и молекул почти не остается отходов, сырья же расходуется значительно меньше; • создание многоторрабитных (1012 бит информации) устройств памяти; • увеличение скорости работы компьютеров, эффективности транзисторов и емкости устройств памяти в миллион раз; • разработка систем доставки генов и лекарственных препаратов к канцерогенным клеткам, нанотехнологических контрастных агентов для томографии и прицельного воздействия на человеческие органы; • удаление мельчайших загрязнений из воды и воздуха и обеспечение чистоты среды обитания человека; • создание нанотехнологических установок с управляемой рабочей средой для исследовательских и промышленных целей; • создание микрореакторов для самосборки и самоорганизации систем; • разработка молекулярной технологии для нанооптики, обеспечивающей создание малогабаритных излучателей с перестраиваемым спектром, высокоэффективных индикаторов, цветовых экранов, динамических голографических устройств, датчиков излучения и другого специального оборудования; • создание микро- и нанороботов; • разработка молекулярной технологии для нанобиологии, позволяющей выполнять операции на клеточно-мембранном уровне, на отдельных генах, создавать биосенсоры и другие системы; • создание молекулярной технологии для построения высокоэффективных топливных элементов, преобразователей солнечной энергии и термопреобразователей. Контрольные вопросы 1. Какие основные компоненты входят в состав любого композитного материала? Какие функции выполняет матрица? Какие функции выполняет арматура? 2. Какие технологические методы используют при производстве полимерных композитных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них. 3. Какие методы используют при производстве металлических композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них. 4. Какие методы используют при производстве керамических ком позиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них. 427 5. Какие методы используют при производстве углерод-углеродных композиционных материалов? Охарактеризуйте важнейшие из них. 6. Назовите сферы использования основных композитных материалов. 7. Какие основные стадии включает в себя технологический процесс изготовления изделий методом порошковой металлургии? Охарактеризуйте важнейшие из них. 8. Каково основное достоинство изделий, полученных методом порошковой металлургии? В каких сферах наиболее перспективно использование изделий, полученных данным методом? 9. В чем заключается сущность электрических методов обработки изделий? 10. В чем заключается сущность технологии электроэрозионной обработки деталей? 11. Перечислите и кратко охарактеризуйте важнейшие процессы электрохимической обработки. 12. В чем заключаются достоинства и недостатки электрохимических и электрофизических методов обработки? 13. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной термообработки? 14. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной сварки? 15. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной размерной обработки? 16. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки измерительной лазерной технологии? 17. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерного легирования? 18. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной наплавки? 19. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки лазерной резки? 20. В чем заключаются сущность, достоинства и недостатки ультразвуковой технологии? 21. Назовите и охарактеризуйте основные сферы использования ультразвуковых колебаний в технологии. 22. Перечислите и охарактеризуйте основные процессы радиаци-оннохимической технологии. 23. В чем заключается сущность мембранной технологии? Чем она принципиально отличается от фильтрации? Каковы ее достоинства и недостатки? 24. Какие основные виды мембранных процессов вам известны? Охарактеризуйте их. 25. В чем заключаются сущность, преимущества и недостатки радиационно-химической технологии? 26. В чем заключается сущность плазменной технологии? Назовите и охарактеризуйте сферы ее применения. 428 27. Каковы достоинств» и недостатки плазменной технологии? Какие причины препятствуют ее широкому внедрению? 28. Охарактеризуйте важнейшие направления современной биотехнологии. 29. Что представляет собой промышленная микробиология? По каким направлениям она развивается? 30. Что представляе-1 собой генетическая инженерия? По каким направлениям она развивается? 31. Что представляет гобой клеточная инженерия? По каким направлениям она развивается? 32. Что представляет собой инженерная энзимология? 33. Охарактеризуйте нанотехиологию. Назовите ее достоинства и недостатки. ЛИТЕРАТУРА Общая Национальная экономика Беларуси: Потенциалы. Хозяйственные комплексы. Направления развития. Механизмы управления: учеб. пособие / В.Н. Шимов [и др.]; под общ. ред. В.Н. Шимова. — Минск: БГЭУ, 2005. Основы отраслевых технологий и организации производства: учебник / под ред В.К. Федюкина. — СПб.: Политехника, 2004. Основы технологии важнейших отраслей промышленности: учеб. пособие: в 2 ч. / под ред. И.В. Ченцова. — Минск: Вы-шэйш. шк., 1989. Производственные технологии: учеб. пособие / В.В. Садовский [и др.]; под общ. ред. В.В. Садовского. — Минск: Дизайн ПРО, 2002. К разделу «Теоретические основы производственных технологий» Кохно, Н.П. Общая экономическая теория технологического развития производства / Н.П. Кохно. — Минск: БГЭУ, 2003. Поликарпов, B.C. История науки и техники: учеб. пособие для вузов / B.C. Поликарпов. — Ростов н/Д.: Феникс, 1999. Производственные технологии. Общие основы: учеб.-практ. пособие: в 2 ч. / М.В. Самойлов [и др.]. — 4.1. — Минск: БГЭУ, 2003. К разделу «Практические основы производственных технологий» Жолик, ГЛ. Технология переработки растительного сырья: учеб. пособие для вузов: в 2 ч. / Г.А. Жолик. — Горки: БГСХА, 2004. 430 Кутепов, А.М. Общая химическая технология: учебник для вузов по спец. хим.-технологич. профиля / A.M. Кутепов. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. Миронович И.М. Производственные технологии. Основы технологии производства продукции химического комплекса / И.М. Миронович. — Минск: Равноденствие, 2005. Никифоров, В.М. Технология металлов и других конструкционных материалов: учебник для техникумов / В.М. Никифоров. — СПб.: Политехника, 2003. Соколовский, Р.С. Химическая технология: учеб. пособие для студентов вузов: в 2 т. / Р.С. Соколовский. — М.: Гуманитарный изд. центр ВЛАДОС, 2003. Сулименко, Л.М. Технология минеральных вяжущих материалов и изделий на их основе: учебник для строит, и хим.-технологич. снец. вузов / Л.М. Сулименко. — М.: Высш. шк., 2005. Теличенко, В.И. Технология строительных процессов: учебник для вузов по спец. «Пром. и гражд. строительство»: в 2 ч. / В.И. Теличенко. — М.: Высш. шк., 2005. Технология конструкционных материалов: учебник для студентов машиностроит. вузов / под общ. ред. A.M. Дальско-го. — М.: Машиностроение, 2005. Хранение и технология сельскохозяйственных продуктов: учеб. пособие / под ред. Л.А. Трисвятского. — М.: Агропромиз-дат, 1991. К разделу «Научные основы производственных технологий» Производственные технологии. Общие основы: учеб.-практ. пособие: в 2 ч./ М.В. Самойлов [и др.]. — 4.2. — Минск: БГЭУ, 2005. Самойлов М.В. Производственные технологии: учеб. пособие для подготовки к экзаменам /М.В. Самойлов, Н.П. Кохно, А.Н. Ковалев. — Минск: Книжный Дом; Мисанта, 2006. О создании и использовании передовых производственных технологий в 2003 году. — Минск: М-во статистики и анализа Респ. Беларусь, 2004. 431