Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время реальное повышение
конкурентоспособности отечественной текстильной промышленности невозможно без ее технического перевооружения на основе современного высокопроизводительного оборудования, реализующего интенсивные, но в то же время щадящие по отношению к перерабатываемому продукту, технологические процессы. Так как современные процессы интенсивны и, как следствие, динамичны, все разработки как научные, так и практические, требуют привлечения методов и средств динамики, как раздела механики. При этом возникает естественная необходимость учитывать взаимовлияние перерабатываемого материала и рабочих органов машины с тем, чтобы обеспечить инженерный поход к проектированию и модернизации текстильного оборудования.
Однако, три научных направлений текстильного профиля — материаловедение, отраслевые технологии и машиноведение — оценивают как свойства текстильных материалов, так и их взаимодействие с рабочими органами машин по-разному. Отсутствует единство как в классификации технологических процессов и в оценке их устойчивости, так и в оценке вязкоупругих свойств текстильных материалов. Существующие вязкоупругие модели текстильного материала не учитывают влияние скорости изменения деформации на динамические параметры механико-технологических систем машин.
Применительно к текстильному машиностроению, для выполнения надлежащим образом всех важнейших этапов инженерного проектирования рабочего органа, механизма, узла, машины или агрегата необходимо знать свойства текстильного материала для того динамического режима, при котором он перерабатывается, и включать этот материал как активное звено в исследуемый или проектируемый объект. Текстильное материаловедение таких методов и средств для измерения вязкоупругих свойств материалов в динамических режимах не предлагает.
Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью единого комплексного подхода к динамической модели текстильной машины (агрегата, узла, рабочего органа, процесса) с учетом взаимодействия с перерабатываемым материалом. Комплексный подход предусматривает разработку и экспериментальную проверку вязкоупругой модели текстильных материалов и методов и средств измерений их вязкоупругих свойств в динамических режимах, разработку или адаптацию существующих методов и средств частотного и временнбго анализа периодических динамических процессов, характерных для текстильной промышленности, с целью проверки адекватности моделей реальным процессам.
Юг " ИЛЬНАЯ
' 'КА
Л г
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является повышение качества текстильных машин и выпускаемой ими продукции за счет оптимизации их параметров и повышения устойчивости технологических процессов. Для достижения этой цели в работе необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать комплексную модель текстильной машины, включающую в себя перерабатываемый материал как активное звено, играющее роль вязкоупругого элемента и динамического возбудителя колебаний.
-
Разработать классификацию механико-технологических систем текстильного оборудования как объектов динамики, являющуюся методологической базой для построения динамической модели текстильной машины (процесса, узла, агрегата).
-
Разработать критерии и методику оценки динамической устойчивости технологических процессов.
-
Разработать и проверить экспериментально вязкоупругую модель текстильного материала, включающую в себя зависимость вязкоупругих свойств от скорости и направления деформирования.
-
Разработать методы и средства экспериментального измерения вязкоупругих свойств текстильных материалов в динамических режимах, пригодные для практического применения и создания баз данных.
-
Разработать методику анализа экспериментальных данных периодических процессов в текстильных машинах, включающую в себя методы и средства выявления высокочастотных воздействий от отдельных рабочих органов, предназначенную как для проверки адекватности разработанных моделей конкретным реальным процессам, так и для выявления отдельных компонент этих процессов при их изучении.
Методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решались теоретическими и экспериментальными методами. В теоретических исследованиях применена методы математического и имитационного моделирования, дифференциального и интегрального исчисления, теоретической механики, теории механизмов и машин, сопротивления материалов, текстильного материаловедения, теории колебаний, теории упругости, векторной алгебры, дифференциальной геометрии. Решение уравнений выполнено аналитическими и численными методами с помощью стандартных математических пакетов MathCAD-2000 и MATLAB-6.5 v 13 и специально разработанных для этой цели автором программ.
Основные результаты теоретических исследований подвергались экспериментальной проверке в лабораторных и производственных условиях, а также сравнивались с экспериментальными данными других авторов. Эмпирические зависимости получены с использованием серийного и оригинального (разработанного автором) измерительного оборудования.
Обработка экспериментальных результатов проводилась методами математической статистики на ЭВМ с использованием стандартных пакетов регрессионного, дисперсионного и спектрального анализа, а также при помощи специально разработанных автором программ для оцифровки осциллограмм и численного спектрального анализа. Научная новизна. В результате выполненной работы впервые:
создана комплексная динамическая модель текстильной машины, включающая в себя текстильный материал в качестве активного звена, в структуре которой присутствуют вязкоупругие связи рабочих органов с остовом или другими машинами многодвигательного машинного агрегата, оказывающие, наряду с электродвигателем, решающее влияние на динамику машины, для которой разработана обобщенная модель динамического взаимодействия текстильного материала с рабочим органом;
разработана классификация механико-технологических систем текстильного оборудования с точки зрения динамики с включением в нее текстильного материала как активного звена, являющаяся методологической базой для построения динамической модели текстильной машины (процесса, узла, агрегата);
разработана и экспериментально подтверждена концептуальная модель вязкоупругих свойств текстильного материала, в которой влияние вязкой компоненты на усилие деформации зависит от направления деформирования;
на теоретической модели обнаружен и экспериментально подтвержден эффект смещения положения динамического равновесия колебательной системы, включающей в себя вязкоупругий элемент с нелинейной вязкостью, по отношению к положению статического равновесия в сторону минимума суммы потенциальной энергии и работы диссипатив-ных сил.
разработаны критерии обеспечения и методика оценки устойчивости технологического процесса в динамическом режиме, учитывающие переменный характер силового взаимодействия рабочего органа с текстильным материалом и динамическое смещение рабочего органа;
разработаны методы и средства экспериментального измерения вязкоупругих свойств текстильных материалов в режимах динамического сжатия (смятия) и растяжения, пригодные для практического использования с целью создания баз данных динамических свойств текстильных материалов;
на основе экспериментальных измерений выявлены основные зависимости вязкоупругих свойств текстильных паковок и пряж от динамиче-
ских режимов измерений и статических параметров предварительного на-гружения.
путем частотного анализа выявлен эффект возрастания натяжения упругой системы заправки в начале фазы закрытия зева, объясняемый перераспределением энергий между главным валом и упругой системой заправки при колебательных процессах в ткацком станке, чем полностью подтверждена структура динамической модели текстильной машины, включающая в себя вязкоупругие связи с остовом через обрабатываемый материал.
Проверена и подтверждена возможность применения вейвлетов в качестве анализаторов периодических процессов для выявления и локализации высокочастотных и среднечастотных составляющих, не распространяющихся на полный период.
Практическая значимость и реализация результатов.
Разработанная структура комплексной модели текстильной машины (машинного агрегата, механизма, узла, рабочего органа), включающая в себя перерабатываемый материал в качестве активного вязкоупругого звена и/или динамического возбудителя, и унифицированная модель взаимодействия перерабатываемого материала с рабочим органом позволяют осуществить как анализ технологического процесса с точки зрения динамики, так и синтез устройства.
Единая система классификации технологических процессов, воздействий на перерабатываемый материал и технологических систем текстильного оборудования как объектов динамики обеспечивает системный подход к исследованию или проектированию технологических процессов, рабочих органов и механизмов текстильного оборудования.
Нелинейная модель вязкоупругих свойств текстильного материала позволяет провести оптимальное проектирование технологических систем текстильного оборудования и обеспечить устойчивость стационарного рабочего режима.
Методы и средства для экспериментального измерения вязкоупругих свойств текстильных материалов в динамических режимах обеспечивают получение необходимых исходных данных для расчета (численного моделирования) в рабочих режимах технологических систем текстильного оборудования при их исследовании и проектировании.
Разработанные методики анализа периодических процессов в текстильном оборудовании по экспериментальным данным, позволяют выявлять и исследовать превалирующие низкочастотные составляющие ко-
лебательных процессов с одной стороны, и их высокочастотные составляющие, не распространяющиеся на весь цикл, с другой стороны.
Разработанные алгоритмы, программные модули и программы позволяют осуществлять оцифровку осциллограмм и графиков, выполнять спектральный анализ периодических процессов, проводить визуальное моделирование плоских шарнирно-рычажных механизмов и разрабатывать программы синтеза передаточных механизмов с широким спектром применения в научных исследованиях и конструкторской практике.
Динамическая модель процесса взаимодействия текстильного материала с рабочим органом, методика экспериментального определения вязкоупругих свойств текстильного материала и метод оценки устойчивости рабочего режима были применены при оптимизации конструкции мотального механизма и вытяжного прибора самокруточной прядильной машины ПСК-225-ЛО при постановке ее на производство в Костромском СКБ ТМ.
Системный подход к текстильным процессам как объектам динамики реализован в приспособлении для крепления веретена (АС № 578376), использованного Костромским СКБ ТМ, в способе получения армированной нити (АС № 859496), использованного Киевским заводом «Элек-тробытприбор» и ИПМ АН УССР, в накопителе уточной нити к бесчелночному ткацкому станку (АС № 1516535) и в приводе батана ткацкого станка (АС №1516538).
Динамика взаимодействия текстильного материала с рабочими органами машины и спектральный анализ периодических процессов включены в учебное пособие «Динамика текстильных машин» (ISBN 5-8285-0022-8).
Разработанные автором классификационные структуры, методы разработки динамических моделей, алгоритмы и программное обеспечение широко используется в учебном процессе КГТУ.
Апробация работы.Материалы по теме диссертационной работы докладывались и получили одобрение на:
семинаре по «Теории механизмов и машин АН РФ (Костромской филиал)», г. Кострома, КТИ, 1991, 1994 гг.;
семинаре по «Теории механизмов и машин АН РФ (Костромской филиал)», г. Кострома, КГТУ, 1999, 2001, 2003, 2004 гг.;
VIII Международной конференции по ТММ, Чехия, г. Либерец, Либе-рецкий технический университет, 2000 г.;
2-й Всесоюзной конференции по волоконной оптике, г. Москва, ФИАН, 1979 г.,
республиканской научно-технической конференции «Современные проблемы механики», Ташкент-Самарканд, ИМ УзАН, 2001 г.;
научных конференциях КТИ, г Кострома, 1987... 1989 гг.;
республиканских научно-технических конференциях «Лен-94» и «Лен-96», г. Кострома, КТИ, 1994, 1996 гг.;
международной научно-технической конференции «Лен-2002», г. Кострома, КГТУ, 2002 г.;
международных научно-технических конференциях «Прогресс-2002» и «Пиктел-2003», г. Иваново, ИГТА, 2002, 2003 гг.;
международных научно-практических конференциях «Льняной комплекс России. Проблемы и перспективы» и «Пути повышения конкурентоспособности продукции из льна», г. Вологда, ЦНИИИКАЛП, 2001,2004 гг..
Публикации. По материалам диссертационной работы опуб-
ликовано 35 работ, в том числе 2 книги, 17 статей в журналах и сборниках научных трудов, 4 текста и 8 тезисов докладов на научных конференциях, 4 изобретения.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 192 страницах и содержит 80 иллюстраций, 8 таблиц. Список литературы включает 329 источников.
