Введение к работе
Актуальность проблемы. Механические свойства материалов, такие как прочность и деформируемость, традиционно оцениваются путем проведения испытаний на разрывных машинах. От автоматизации контроля в машиностроении, приборостроении и других отраслях в значительной степени зависит повышение качества продукции.
С появлением полимерных материалов (60-е - 70-е годы), значительная часть которых выпускается в виде тонких волокон (10-50 мкм), имеющих малые разрывные нагрузки (10-200 мН) и большие разрывные удлинения (до 100-150%), возникла проблема в создании принципиально нового поколения автоматизированных разрывных машин, позволяющих проводить испытания таких образцов, поскольку отечественная промышленность таких машин не выпускала и не выпускает.
В процессе выполнения работ по решению данной проблемы автором изучены патентные материалы СССР (России), а также достижения ведущих зарубежных фирм, таких как: «Инстрон» (США), «ЦВИК» (ФРГ), «Устер» (Швейцария), «Куртольдс» (Великобритания) и др.
Для приобретения необходимых разрывных машин у указанных выше фирм необходимо иметь значительные валютные средства. Кроме того, эксплуатация и тем более ремонт такой техники представляют значительные трудности, поскольку фирмы, как правило, не дают техническую документацию в полном объеме и не обеспечивают запасными частями.
Помимо этого, режимы проведения испытания, реализуемые импортными машинами, зачастую не соответствуют действующим в России ГОСТам.
Кроме того, следует учитывать, что в сфере производства полимерных волокон технологический процесс идёт непрерывно, а обработка результатов испытаний, согласно действующим ГОСТам, носит математико-статистический характер. Поэтому лаборатории, осуществляющие цеховой контроль с целью управления качеством, должны проводить до тысячи испытаний в сутки, а информация о результатах испытаний должна поступать к технологам с возможно малым временем запаздывания.
Следовательно, разрывные машины этого класса должны иметь высокую износоустойчивость и надёжность, высокий уровень автоматизации, а также предполагать эффективное использование компьютерной техники для обработки результатов испьгганий.
Помимо производственных цехов в таких машинах остро нуждаются службы ОТК и научно-исследовательские лаборатории предприятий и институтов.
В некоторых специфических условиях, кроме стандартных испытаний образцов, необходимо проводить испытания в динамических (ударных) режимах, что, естественно, требует другого оборудования, используемого, главным образом, в процессе научно-исследовательских работ.
Изучением поставленных выше вопросов занимались профессора А.Б. Козлов, А.М. Сталсвич, А.Н. Соловьев, Б.А. Бузов, BJB. Яковлев, В.Г. Тиранов, В.Н. Каминский, Г.Н. Кукин, Г.Ф. Пугачёвский, К.Е. Пере-пёлкин, Л.К. Таточенко, Н.И. Кудряшова, Н.М Носов, ИВ. Мелентьев, СМ. Кирюхин, Ф.Н. Зубов, Ю.И. Роэенбаум и другие исследователи.
Однако промышленность и Наука, работающие с полимерными микроволокнами, до сих пор не имеют отечественной разрывной машины данного класса, выпускаемой серийно, о чём свидетельствует большой пакет запросов автору от производственных объединений и ведущих институтов на предоставление научно-технической информации по достигнутым ре-. зультатам исследований.
Всё это свидетельствует о том, что проблема , которую поставил перед собой диссертант по разработке необходимой теоретической базы и созданию на этой основе гаммы автоматизированных электронных разрывных машин для контроля и оперативного управления качеством одиночных полимерных микроволокон, является актуальной.
Цель работы:
разработать теоретическую базу и методологию проектирования и изготовления опытных образцов автоматизированных разрывных машин.
В соответствии с поставленной целью необходимо было решить сле
дующие задачи: і
- разработать теоретические основы практического использования
механотронов в режиме измерения малых сил; - >>,
- разработать методы использования соленоидных индуктивных дат
чиков в режиме измерения больших перемещений;
отработать методы измерения линейной плотности волокон с помощью объемных резонаторов, работающих в диапазоне СВЧ;
- провести экспериментальные исследования по отладке методики кон
троля разрывных нагрузок, разрывных удлинений и линейной плотноств.
Конечная цель состояла в том, чтобы, используя полученные теоретические и практические результаты, создать автоматизированную электронную разрывную машину для измерения разрывных нагрузок и разрывных удлинений одиночных химических волокон штапельного способа производства, удовлетворяющую российским ГОСТам, работающую в режиме постоянной скорости деформирования и обладающую патентной чистотой.
Параллельно автором рассмотрены вопросы физико-механических
испытаний полимерных волокон в режиме динамических нагрузок и соз
дания экспериментальных электронных установок научно-
исследовательского характера. *>
Методы и средства исследования. В соответствии с поставленными задачами предусматривалось проведение теоретических и экспериментальных исследований как в лабораторных, так и в производственных условиях.
По каждому конкретному вопросу рассматривался пакет вариантов с учетом накопленного отечественного и зарубежного опыта.
Оценка макетных вариантов осуществлялась с использованием современной цифровой радиоизмерительной техники.
На всех этапах работы широко применялась электронная вычислительная техника, а на заключительном этапе - персональные компьютеры.
Особое внимание уделялось оценке надежности разработанных устройств с проведением многомесячных испытаний, с наработкой до 10000 часов и анализом большого массива результатов испытаний.
В проводимой исследовательской работе использовались методы планирования эксперимента, а также методы теории вероятностей и математической статистики.
При исследовании процессов, связанных с динамическими нагрузками на полимерные волокна, использовался метод разложения функции в ряд Фурье.
Для достижения конечного результата применялась общепринятая схема: научное исследование, опытно-конструкторская разработка, опытный образец, натурные испытания в лабораторных и в производственных условиях, анализ и оценка полученных результатов.
Научная новизна работы.
-
Разработана методология создания гаммы автоматизированных разрывных машин для контроля и научных исследований физико-механических свойств одиночных полимерных микроволокон, включающая теоретические основы, схемную и конструкторскую проработку и испытания экспериментальных образцов с практической реализацией на производстве.
-
Разработаны новые методы измерения силовых воздействий на полимерные микроволокна и их деформаций, а также оценка линейной плотности, используемые в автоматизированных разрывных машинах для контроля разрывных нагрузок и разрывных удлинений одиночных волокон.
-
Аналитическими и экспериментальными исследованиями обоснована целесообразность применения в автоматизированных разрывных машинах:
механотронов для измерения разрывных нагрузок;
соленоидных индуктивных датчиков для измерения разрывных' удлинений;
плоскопараллельных емкостных датчиков для измерения линеиноД плотности волокон в случае совмещения измерения разрывных нагрузок.
-
Обоснована. целесообразность применения для научно-исследовательских работ в данном направлении экспериментальной установки для испытания водокон при ударных нагрузках и больших скоростях деформирования.
-
Подтверждена обоснованность разработанного методического обеспечения и схемной реализации автоматизированной разрывной машины
и создана база для ее лицензирования по результатам трехлетних испытаний машины на надежность функционирования.
6. Разработан метод измерения площади поперечного сечения образцов
волокон с помощью объемного резонатора, работающего в диапазоне СВЧ.
Практическая ценность работы. На основе проведенных теоретиче
ских исследований и последующих необходимых опытно-конструкторских
работ (ОКРов) впервые в России разработана, изготовлена и внедрена в про
изводство гамма электронных разрывных машин для измерения физико-
механических параметров полимерных волокон и создан образец, который по
результатам межведомственных испытаний под эгидой Госстандарта реко
мендован как базовый для отрасли химических волокон и сертифицирован
Институтом метрологии им. ДИ. Менделеева (г. С- Петербург). -
Автоматизированные разрывные машины внедрены на производстве для контроля и управления качеством (цеховые лаборатории), для оценки качества готовой продукции (служба технического контроля), для улучшения качества продукции (центральные научно-исследовательские лаборатории комбинатов).
Реализация результатов работы. Изготовлено и внедрено в производство 12 типов электронных разрывных машин («Полимер-2», «Поли-мер-3», «Полимер-4», «Полимер-5», «Полимер-575» и их модификации).
Основной базой внедрения являлся Энгельсский комбинат химического волокна ^штапельный цех капронового производства, центральная научно-исследовательская лаборатория комбината, отдел технического контроля). За истекший период разрывные машины, в общей сложности, отработали более 2 000 000 циклов и их использование позволило улучшать качество продукции и его сортность.
Инженерно-техническая документация на опытные образцы разрывных машин, выполненная в соответствии с ЕСКД, безвозмездно передана 25 предприятиям, научно-исследовательским институтам, а также вузам по их официальным запросам.
Для ускорения процесса внедрения созданных разрывных машин в производство диссертант осуществил трехлетние генеральные испытания на надежность базового экземпляра разрывной машины в Московском текстильном университете, в проблемной лаборатории материаловедения, а также провёл необходимую работу по устранению замеченных, недостатков.
Диссертант подготовил и осуществил лицензирование базового образца разрывной машины во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева Госстандарта России» С.-Петербург.
В. приложении к диссертации лаются указания по технологии изготовления и сборхе наиболее ответственных механических узлов, монтажу и наладке электронных измерительных каналов, приводятся сведения по правильной эксплуатации, поверке и регулировкам разрывных машин. .
В процессе внедрения опытных образцов разрывных машин на производстве диссертант осуществлял личное техническое сопровождение этих работ в контакте с цеховой службой КИПиА.
Разработки по динамическим испытаниям и контролю линейной плотности волокон могут быть рекомендованы для использования в научно-исследовательских работах соответствующего профиля.
На выполненные разработки имеются акты внедрения.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на: 6-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (Москва, 1967 г.); 8-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (С-Петербург, 1974 г.), 9-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (Витебск, 1977 г.), 10-й Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (Львов, 1980 г.); 11-й Вресоюзной межвузовской научно-технической конференции Минвуза (Москва, 1984 г.); 12-й Всесоюзной научно-технической конференции по материаловедению Минвуза (Киев, 1990 г.); Областном Совете научно-технических обществ (Саратов, 1993 г.); Секции лёгкой промышленности научно-технического совета Минвуза (Москва, 1987 г.); Общемосковском коллоквиуме по материаловедению (Москва, 1984, 1987 гг.); кафедре автоматики и промэлектроники Московского текстильного института (Москва, 1980,1983,1985 гг.); кафедре элек-трорадиотехники Саратовского государственного университета (Саратов, 1998 г.); Научно-техническом совете АО «Автоматика-сервис» (Саратов, 1992, 1995, 2003, 2005 гг.); кафедре «Автоматизация и управление технологическими процессами» Саратовского государственного технического университета (Саратов, 2000-2006 гг.).
Опытные образцы опытно-конструкторских разработок по теме диссертации выдержали патентную экспертизу и демонстрировались во Всероссийском выставочном центре-ВВЦ (бывшая ВДНХ СССР) в павильонах машиностроения и радиоэлектроники 12 раз (Москва, 1965,1968,1969, 1971,1972,1973,1974,1976,1979,1982,1987,1990 гг.) и награждены: Золотой медалью - 3 раза, Серебряной медалью - 3 раза, Бронзовой медалью -3 раза, Дипломом Почета - 3 раза.
Базовые образцы опытно-конструкторских разработок по теме диссертации прошли экспертизу в Государственном Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева - ВНИИМ -(С-Петербург, 1991,2000 гг.) и получили положительную оценку.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ, в том числе 3 монографии объемом 21,5 печ. листа в центральной печати (Москва: Легкая индустрия), и 11 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура диссертации
Публикации (29, в т.ч. - J монографии, общим объемом 21,5 пл)
-
(«Известия вузов», «Заводская лаборатория», «Текстильная промышленность», изд-во «Легкая индустрия», СГУ, СГТУ).
-
Всероссийский выставочный центр 12 раз. Павильоны. «Народное образование», «Электроника», «Машиностроение»
Разработка теоретических и конструкторских основ проектирования автоматизированных разрывных машин для контроля физико-механических параметров и управления качеством полимерных микроволокон
Научно - исследовательская работа
(Анализ возможных направлений решения проблемы)
Теоретические решения поставленных вопросов
Опытно -і конструкторские \работы (ОКРы)
Изготовление опытных образцов
Государственные испытания
Испытания на надежность
Внедрения в производство
I
Работы выполнялись в содружестве с:
-
Госстандартом России
-
Комбинатами химических волокон
-
Научно - исследовательскими институтами по профилю работы.
Результаты докладывались:
-
Кафедры вузов (СГУ, СГТУ. МТН, МИТЛП и др.)
-
Всесоюзные и Всероссийские научные конференции Минвуза и Минхима. (Москва, С.Петербург, Витебск и др. - б раз)
-
Научно-технический совет Минвуза.
