Введение к работе
Актуальность исследовательской работы. Развитию льняного комплекса в Российской Федерации уделяется особое внимание. Это обусловлено необходимостью обеспечения качественным сырьем предприятий текстильной промышленности, которые должны производить широкий ассортимент конкурентоспособных изделий бытового и технического назначений.
Однако в последнее время в условиях рыночной экономики положительная динамика производства льноволокна на предприятиях первичной обработки снизилась. Причиной тому явилась совокупность объективных факторов. Среди них сокращение в сельском хозяйстве ручного труда, необходимого для соответствующей подготовки сырья, использование интенсивных механизированных технологий уборки льна с поля, повсеместное применение способа получения тресты путём расстила стеблей на льнище. Вследствие этого увеличилась неоднородность технологических свойств тресты, что привело к снижению эффективности её переработки и росту затрат при производстве волокна. Практически всё поступающее на льнозаводы сырьё сформировано в виде рулонов массой более 150 кг. Данное обстоятельство исключает проведение эффективных сортировок стеблей на льнозаводах по их технологическим свойствам. В итоге не обеспечиваются условия для выбора оптимальных режимов переработки льна с целью получения максимального выхода длинного, наиболее ценного волокна (при необходимой очистке его от костры).
В таких условиях процесс получения трёпаного льна сопровождается повышенным уровнем недоработанных (недотрёпанных) волокнистых прядей – «недоработки». На практике их доля в общей массе получаемого на мяльно-трепальном агрегате (МТА) волокна достигает 40–60%. Доведение недоработанных прядей до ликвидного состояния требует дополнительной обработки, как правило, повторным трепанием, что вызывает потерю длинноволокнистых комплексов, снижение их качества и рост производственных затрат.
Такое положение дел, наряду с другими проблемами льняного комплекса, связанными с конечным качеством и количеством трёпаного волокна, привело к тому, что в октябре 2006 года Председателем Правительства РФ дано поручение (распоряжение МФ-П9-5064 от 25.10.2006 г.) по разработке и реализации в течение 2006–2008 гг. комплекса мер по увеличению производства качественной льняной продукции.
В этой связи задача по разработке новых технологических и технических решений по повышению эффективности процесса получения длинного волокна из недоработанного льна является крайне актуальной, способствующей укреплению сырьевой базы отечественной текстильной промышленности.
Актуальность изучаемой темы подтверждается планами развития производства льна, предусмотренных Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008–2012 гг. (утверждена Правительством РФ, постановление № 446 от 14 июля 2007 г.), программой фундаментальных исследований Россельхозакадемии на период 2001–2006 гг., в которой подчёркивалась необходимость «разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства», тематическим планом НИР ГНУ «Всероссийский НИИ по переработке лубяных культур» и планом научных исследований КГТУ.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение выхода длинного льняного волокна на льнозаводах, повышение его качества на основе совершенствования процесса трепания льна и обоснование параметров более эффективных рабочих органов машин для его реализации.
В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи исследования, отражающие его логику:
- обосновать направления совершенствования процесса трепания льна. Разработать концепцию совершенствования процесса трепания недоработанного льняного волокна для приведения параметров его качества в соответствие с требованиями действующего стандарта;
- исследовать закономерности изменения параметров качества недоработанных прядей льна в процессе их обработки трепанием. Получить необходимые для моделирования этого процесса регрессионные зависимости указанных параметров от исходных свойств льна, времени обработки и места расположения участка пряди по её длине;
- развить теорию процесса трепания льна, создать более эффективные динамические модели и методы анализа, повысить качество алгоритмов расчёта силовых и кинематических параметров;
- с использованием новых теоретических положений и методов исследовать динамику и кинематику обрабатываемых прядей в поле трепания, а также условия, обеспечивающие уменьшение образования волокнистых потерь и интенсификацию выделения костры из участков пряди, находящихся вблизи их зажима;
- усовершенствовать систему критериев эффективности процесса и разработать алгоритмы их расчёта, а также силовых и кинематических параметров, с возможностью визуализации взаимодействия пряди и рабочих органов трепальных барабанов;
- исследовать и обосновать новые элементы конструкции трепальных машин, провести их экспериментальную проверку;
- разработать рекомендации по использованию результатов исследований, провести их проверку, оценить эффективность новых рабочих органов машин и технологических решений от их использования в производстве.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования явились труды известных отечественных и зарубежных авторов в области первичной переработки льняного волокна, прикладной механики нити, механики деформируемого твёрдого тела, теории кратковременного взаимодействия деформируемых тел, математического моделирования, методов вычислительной математики.
При проведении теоретических исследований были использованы методы теоретической механики, сопротивления материалов, дифференциального и интегральных исчислений, линейной алгебры, векторного анализа. При создании математических моделей процесса применялись численные методы решения уравнений математической физики. Программная реализация моделей выполнена в среде программирования MICROSOFT VISUAL STUDIO. Исследование и анализ частных моделей проводились с использованием компьютерных математических систем MATHCAD, DELPHI, MATLAB.
При проведении экспериментальных исследований применяли методы планирования эксперимента, стробоскопии и тензометрии. Обработку результатов экспериментов проводили методами математической статистики с применением регрессионного, факторного и дисперсионного анализов с использованием пакета прикладной программы STATISTICA.
Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждена правильной методической основой и корректным применением принятых допущений, результатами оценки доброкачественности новых динамических моделей на основе сравнительного сопоставления с общеизвестными данными, возможностью визуальной оценки моделированных положений прядей льна в процессе трепания, а также результатами производственных и лабораторных испытаний.
Научная новизна работы заключается в развитии и совершенствовании на основе положений механики деформируемых тел, испытывающих воздействие интенсивных кратковременных нагрузок, теории процесса трепания льна путем создания имитационной модели системы «прядь – рабочие органы», методов моделирования и анализа процесса и параметров машин при его реализации, особенность которых определяется результатами синтеза теорий механики нити и удара с учётом волновых явлений при силовом нагружении обрабатываемого материала.
В диссертационной работе впервые:
- создана система динамических моделей процесса трепания, обеспечивающих учёт волновой природы распространения возмущений в обрабатываемой гибкой, упруго-вязкой, неоднородной по длине нити – льняной пряди. Это позволило: исследовать поведение пряди в поле трепания в целом на последовательно протекающих этапах; исследовать процессы нагружений участков льна во времени; смоделировать скольжение пряди по билу; исключить ранее принимаемые допущения о прямолинейности свободных участков пряди и об их абсолютной твёрдости; идентифицировать и исследовать кратковременные (до 0,001 с) локальные пиковые нагружения участков обрабатываемой пряди; адаптировать модели взаимодействия пряди к реальным особенностям движения била (по окружности) и его формам;
- предложен расчётный метод определения основных динамических и кинематических параметров процесса трепания льняных прядей. Проведена апробация алгоритма расчёта силового нагружения льняных прядей при их взаимодействии с рабочими органами трепальной машины;
- дано объяснение ряду явлений, имеющих важное практическое значение, а именно, обсечке волокна, удлинению льняных прядей в процессе трепания, зависимости характера перемещения свободного участка в поле трепания от длины прядей, наличию кратковременных пиковых нагрузок на волокно, варьированию сил натяжения свободного участка пряди при сходе с била, в том числе из-за отсутствия её постоянного контакта с кромкой била;
- получена система моделей формирования основных качественных параметров недоработанного льняного волокна, распределённых по длине прядей, в зависимости от времени обработки и свойств тресты и исходных прядей;
- установлена необходимость учёта, в качестве критерия эффективности технологического процесса, энергетической характеристики – кинетической энергии. Обоснована структура интегрированного критерия эффективности обескостривания прядей вблизи зоны зажима;
- предложена концепция совершенствования процесса трепания недоработанного льняного волокна и конструкции рабочих органов для его реализации;
- получено математическое описание процесса взаимодействия обрабатываемого материала с пассивными и активными элементами тыльных частей бил трепального барабана.
Практическая ценность работы и реализация полученных результатов. Усовершенствованная система критериев оценки эффективности процесса трепания льна с учётом использования энергетических характеристик и созданный по результатам исследований программный комплекс для их расчёта внедрены в научную деятельность ГНУ ВНИИЛК, в проектно-конструкторский отдел ООО «Промтекс» и учебный процесс Костромского государственного технологического университета при подготовке инженеров и аспирантов по специальности «Технология и оборудование производства натуральных волокон». Особенностью комплекса является имитация процесса трепания и его визуализация при различных исходных режимно-конструктивных параметрах и свойствах обрабатываемого материала.
Предложенные рекомендации по совершенствованию процесса трепания недоработанного льняного волокна приняты для использования ГНУ ВНИИЛК при создании новых машинных технологий получения льняного волокна на основе сквозного трепания.
Предложенные новые технические решения по совершенствованию рабочих органов машин для трепания и процессов получения льноволокна рекомендованы для использования и внедрены на практике, а именно:
- создана и внедрена для серийного производства в условиях ООО «Промтекс» новая малогабаритная однопроцессная машина для получения трепаного льна и обработки недоработанных прядей. Её использование позволяет увеличить выход длинного волокна на 3–4% (абс.) при обеспечении массовой доли в нём костры не более стандартных норм;
- испытаны новые модернизированные барабаны для обработки льняной тресты и обработки недоработанного волокна в условиях трех льнозаводов Костромской области. С их применением установлена возможность увеличения выхода длинного волокна до 1–2% (абс.), а также снижения доли недоработанного льна на 3–4% (абс.). В настоящее время модернизированные трепальные барабаны эксплуатируются на Шолоховском льнозаводе. Ожидаемый экономический эффект от использования барабанов может составить 200–600 рублей в расчёте на одну тонну тресты, что обеспечит повышение рентабельности производства до 5%;
- приняты к использованию ГНУ ВНИИЛК и Шолоховским льнозаводом рекомендации по модернизации машины ТНВ-170. Основным направлением её совершенствования является установка специальных криволинейных направляющих вблизи линии зажима волокна и подвижных тыльных планок бил;
- рекомендована для практического использования новая технологическая схема обработки льна в условиях фермерских хозяйств. Её использование позволит обеспечить получение годового экономического эффекта в размере от 100 до 1000 рублей в расчёте на одну тонну тресты в зависимости от урожайности и её качества.
Отдельные результаты исследований, связанные с изучением свойств недоработанного волокна, особенностями силового нагружения льна при трепании, а также с новыми конструкциями машин и их рабочих органов, внедрены в учебный процесс КГТУ при подготовке инженеров по специальности «Технология и оборудование производства натуральных волокон».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: IX Всемирном конгрессе по ТММ (Италия, 1995 г.); всероссийской научно-технической конференции «Текстиль» (г. Москва: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004 г.); всероссийской студенческой конференции «Текстиль» (г. Москва: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007 г.); международных научно-технических конференциях «Лен» (г. Кострома: КГТУ, 1994, 1996, 2004, 2006, 2008 гг.); международных научно-технических конференциях «Прогресс» (г. Иваново: ИГТА, 2004–2008 гг.); международной научно-практической конференции «Интенсификация машинных технологий производства и переработки льнопродукции» (г. Тверь: ГНУ ВНИПТИМЛ Россельхозакадемии, 2004 г.); международной научно-практической конференции «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» (г. Вологда: ОАО ЦНИИЛКА, 2007 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы развития отрасли льноводства и коноплеводства» (Украина, г. Глухов: Институт лубяных культур УААН, 2007 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития льноводства в Сибири» (г. Томск, Сибирский НИИ сельского хозяйства и торфа, 2007 г.); международной научно-практической конференции «Наука, сельское хозяйство и промышленность – пути развития и ожидаемые результаты» (г. Вологда: ОАО ЦНИИЛКА, 2008 г.); заседаниях кафедры теоретической механики и сопротивления материалов КГТУ (г. Кострома: КГТУ, 2004–2008 гг.); всероссийском семинаре по научным проблемам агропромышленной переработки лубоволокнистых материалов (г. Кострома: КГТУ, 2005 г.); всероссийском научном семинаре по технологии текстильных материалов (г. Кострома: КГТУ, 2006, 2008 г.г.); всероссийском семинаре по текстильному машиноведению (г. Кострома: Костромской филиал по ТМ РАН; КГТУ, 2007 г.); заседании кафедры прядения ИГТА (г. Иваново: ИГТА, 2008 г.); расширенном заседании кафедры технологии переработки льняного волокна КГТУ (г. Кострома: КГТУ, 2008 г.); заседаниях учёного совета Всероссийского НИИ по переработке лубяных культур (г. Кострома: ВНИИЛК, 2004–2008 гг.), расширенном заседании кафедры прядения шерсти МГТУ им. А.Н. Косыгина (г. Москва: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2008 г.), заседании проблемного совета факультета технологии и производственного менеджмента МГТУ им. А.Н. Косыгина (г. Москва: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2008 г.)
Публикации. Основные результаты исследований, выполненных в рамках данной диссертационной работы, опубликованы в 60 печатных работах, в том числе в одной монографии, одном учебном пособии, 15 статьях в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», 32 иных журналах, научных трудах и материалах конференций, в трёх депонированных статьях, пяти патентах РФ на изобретения (получены положительные решения на выдачу ещё трёх патентов на изобретения).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из шести глав, изложенных на 324 страницах машинописного текста, содержит 159 рисунков, 12 таблиц, список литературных источников из 298 наименований, а также имеет выводы и приложения.
