Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Процессы механической обработки материалов в валковых устройствах широко распространены в текстильной, бумагоделательной, химической и других отраслях промышленности. В текстильной промышленности эффективность отжимных валковых устройств определяется величиной остаточной влажности и равномерностью распределения влаги по обрабатываемому волокнистому материалу.
Из результатов исследований и практики эксплуатации текстильного отделочного оборудования известно, что каждому проценту уменьшения остаточной влажности волокнистого материала при его механическом обезвоживании соответствует 3 - 5% снижения затрат тепловой энергии при последующей сушке. Даже один этот фактор выдвигает предлагаемую тему исследования в ряд приоритетных направлений отраслевой науки.
Удаление влаги из волокнистого материала в валковых устройствах представляет собой процесс с очень сложным механизмом и большим числом взаимодействующих факторов. Именно поэтому важное практическое значение для текстильной промышленности приобретает возможность получения достоверных сведений об основных параметрах работы оборудования и физических явлениях, протекающих в капиллярно-пористой структуре волокнистого материала. Рациональное проектирование современных валковых машин и разработка оптимальных режимов эксплуатации должны основываться на теоретическом анализе и изучении процессов, протекающих при обработке волокнистого материала.
Практический и научный интерес представляют закономерности, характеризующие взаимосвязь геометрических, кинематических, гидравлических и динамических параметров, изменяющихся по ширине зоны контакта валов с обрабатываемым волокнистым материалом. Это определяет актуальность дальнейшего совершенствования методов проектирования валкового оборудования средствами компьютерного моделирования, являющимися основой для принятия оптимальных технических решений.
Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование основ проектирования валкового оборудования с динамическим режимом нагружения для интенсификации процесса отжима.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научные и технические задачи:
проведен анализ существующих способов повышения эффективности процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковых устройствах;
определен приоритетный путь совершенствования традиционно используемых технологий обезвоживания волокнистых материалов в валковых устройствах – динамический режим нагружения валов;
сделан научно обоснованный выбор метода компьютерного моделирования, на основе которого разработана компьютерная модель переходных состояний процесса массообмена, протекающего при обезвоживании волокнистого материала в валковом устройстве, и выполнен ее численный анализ;
выполнен синтез и анализ модели упруговязкого взаимодействия валкового устройства с волокнистым материалом, позволяющей определить устойчивость работы валкового устройства, функционирующего в динамическом режиме нагружения;
разработана методика определения рабочих характеристик исполнительного механизма для создания динамического режима нагружения рабочих органов технологических машин;
разработано устройство для создания импульсного режима нагружения исполнительных органов технологических машин, позволяющее обеспечить работу валкового оборудования в динамическом режиме нагружения.
Объекты и методы исследований. Объектами исследования являются процесс механического обезвоживания волокнистого материала в валковом устройстве, протекающий при этом массообменный процесс в зоне контакта валов и переходные процессы динамической колебательной системы «валковая пара – волокнистый материал – жидкость».
Методической и теоретической основой диссертационной работы являются научные труды по теории математического моделирования, технике и технологии процессов механической обработки волокнистых материалов в валковых устройствах, по теории массообмена.
Анализ и синтез компьютерных моделей динамических систем осуществлен с использованием метода ячеечного моделирования, в основе которого лежит математический аппарат теории цепей Маркова, методов идентификации механических систем, численных методов компьютерного исследования динамических моделей средствами системы инженерных и научных расчетов, на основе матричной математики.
Разработка принципиально новых инженерных решений – устройства для создания импульсного режима нагружения исполнительных органов технологических машин – реализована на основе метода системного проектирования, теории механизмов и машин, теории механических колебаний.
Научная новизна. В работе впервые получены следующие научные результаты:
разработана математическая модель переходных состояний процесса массообмена, протекающего при обезвоживании волокнистого материала в валковом устройстве, которая обеспечивает научно обоснованный прогноз параметров технологического процесса;
разработана математическая модель упруговязкого взаимодействия валкового устройства с волокнистым материалом, позволяющая определить устойчивость работы валкового оборудования, функционирующего в динамическом режиме нагружения;
созданы алгоритмы, реализованные в компьютерных программах, позволяющие провести комплексный анализ процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковом устройстве, работающем в динамическом режиме нагружения;
разработана методика определения устойчивости валкового устройства, работающего в динамическом режиме нагружения, как динамической колебательной системы;
научно обоснована эффективность применения динамического режима нагружения в процессе обработки волокнистого материала в валковом устройстве;
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанный комплекс компьютерных программ позволяет на этапе проектирования валкового оборудования сделать научно обоснованный прогноз качественных и количественных показателей технологического процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковых устройствах.
Разработанное устройство для создания импульсного режима нагружения исполнительных органов технологических машин и методика определения его рабочих характеристик позволяют обеспечить работу валкового оборудования в динамическом режиме нагружения.
Установлено, что использование динамического режима нагружения при обработке волокнистого материала в валковых устройствах способствует уменьшению остаточной влажности материала на 3% по сравнению со статическим режимом, что обеспечивает снижение на 10 – 15% затрат тепловой энергии при последующем высушивании в сушильных машинах. Снижение потребления тепловой энергии на 10 – 15% позволит экономить текстильным отделочным предприятиям от 80 до 115 руб. на каждую 1000 кв. метров выпускаемой ткани (цены 2012 г.).
Принципиальная новизна разработанных технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения и свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2371531, №2435992, №2012618393).
Результаты исследования апробированы в производственных условиях и внедрены в учебный процесс.
Апробация работы. Доклады и тезисы, отражающие основные положения диссертационной работы, получили положительную оценку на следующих семинарах и научно-технических конференциях (НТК): Всерос. семминаре по теории машин и механизмов Костромского филиала РАН РФ (г. Кострома, КГТУ, 2012 г.), на межвуз. НТК аспирантов и студентов «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск – 2008, 2010, 2011, 2012) (г. Иваново, ИГТА, 2008, 2010, 2011, 2012 г.), междунар. НТК «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс – 2010, 2012 г.) (г. Иваново, ИГТА, 2010, 2012 г.), междунар. НТК «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий» (Лен – 2010, 2012 г.) (г. Кострома, КГТУ, 2010, 2012 г.), НТК молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ – производству» (г. Кострома, КГТУ, 2010, 2012 г.), всерос. НТК «Текстиль XXI века» (г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2010 г.), междунар. НТК «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2010, 2012) (г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2010, 2012 г.), междунар. НТК «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности» (г. Москва, МГУДТ, 2010 г.), междунар. НТК «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» (г. Витебск, ВГТУ, 2011 г.), междунар. НТК «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа, УГАЭС, 2011 г.), всерос. НТК «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике» (г. Димитровград, ДИТИ НИЯУ МИФИ, 2012 г.), всерос. НТК «Динамика машин и рабочих процессов» (г. Челябинск, ЮУрГУ, 2012 г.), всерос. НТК молодых ученых «Инновации молодежной науки» (г. Санкт-Петербург, СПГУТД, 2012г.).
Публикации. Основные результаты исследований, выполненных в рамках настоящей диссертации, опубликованы в 26 печатных работах, в числе которых: 4 статьи в журнале «Изв. вузов. Технология текстильной промышленности», входящем в перечень периодических изданий ВАК, 5 статей в сборниках научных трудов, 14 тезисов на НТК, 2 патента РФ на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 130 страницах, содержит 4 основные главы, общие выводы и рекомендации, список литературы из 141 наименования, 6 приложений, включает 31 рисунок и 1 таблицу.
