Разработка теоретических основ совершенствования технологического оборудования кожевенно-мехового производств Дарда Игорь Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1. Анализ технологических процессов и технологического оборудования для механической обработки кожи и меха 20

1.1. Анализ основных процессов кожевенного и мехового производств 20

1.2. Формирование показателей качества кожи и технология производства 26

1.3. Анализ конструкций современных наличных кожевенных и меховых машин 32

1.3.1. Валичные кожевенные машины 33

1.3.2. Конструкции меховых машин 40

1.4. Исследование процесса взаимодействия рабочих валов с кожевенным полуфабрикатом 46

1.4.1. Основные факторы, влияющие на качество готовой продукции 46

1.4.2. Анализ процесса резания кожи винтообразными ножами ^^ 49

1.5. Выводы по главе 57

2. Теоретические исследования валичных кожевенных машин 58

2.1. Динамика машины как системы «ножевой вал - корпус -фундамент» 58

2.1.1. Выбор и обоснование динамической модели 58

2.1.2. Дифференциальные уравнения движения 62

2.1.3. Определение коэффициентов влияния для ножевого вала

2.1.4. Составление уравнений движения в матричной форме 68

2.1.5. Анализ результатов расчетов 70

2.2. Динамика машины как системы «ножевой вал — кожа - прижимной вал - корпус» 73

2.2.1. Определение коэффициентов влияния статически неопределимой системы 75

2.2.2. Определение коэффициентов влияния для вала, опирающегося наупругозакрепленное основание 79

2.2.3. Определение коэффициентов влияния вала, закрепленного в опорах с парными подшипниками 80

2.2.4. Оценка адекватности аналитических зависимостей и результатов экспериментальных исследований 88

2.3. Теоретическое исследование движения ножевого вала 92

2.3.1. Уравнение движения вала как твердого тела с упругозакрепленными концами 92

2.3.2. Уравнение движения вала с учетом его взаимодействия с обрабатываемым материалом 97

2.4. Методика расчета форсунок для охлаждения винтовых ножей мездрильных и строгальных машин 102

2.5. Методика планирования траекторий криволинейной резки кож 107

2.5.1. Определение кинематических параметров шарнирного соединения 107

2.5.2. Кинематический анализ механизма манипулятора с двухподвижным сочленением 117

2.5.3. Построение траектории движения режущего инструмента 124

2.6. Методика расчета крепления гидроцилиндра 128

2.7. Выводы по главе 131

3. Исследования обрезиненных валов кожевенно- мехового оборудования 134

3.1. Резина как конструкционный материал 135

3.2. Трение и изнашивание наполненных резин 137

3.2.1. Трение резин 137

3.2.2. Изнашивание резин 140

3.2.3. Разрушение приповерхностного слоя в процессе изнашивания резин 145

3.3. Метод диффузно-поверхностной модификации резино технических изделий 159

3.3.1. Отработка режимов поверхностной модификации резин на образцах (на примере резин на основе СКН) 163

3.3.2. Подбор и приготовление модифицирующего раствора 164

3.3.3. Выбор и обоснование типа растворителя 165

3.3.4. Выбор и обоснование вулканизирующих веществ 167

3.3.5. Технология приготовления модифицирующих растворов 169

3.4. Особенности применения метода диффузной поверхностной модификации для обрезиненных валов кожевенно-меховых машин 171

3.5. Выводы по главе 175

4. Исследование и разработка технологии для мягчения кож 176

4.1. Влияние физико-механических свойств кожи на процесс обработки 176

4.2. Деформационные свойства кожи при растяжении 181

4.3. Испытание кожевенных материалов в ударных режимах 183

4.4. Теоретическое исследование процесса мягчения кож ударом 190

4.4.1. Теоретическое исследование процесса мягчения коле ударом в рамках классической теории удара 191

4.4.2. Оценка влияния массы ударяющей частицы на процесс мягчения коле в рамках классической теории удара 201

4.5. Теоретическое исследование процесса мягчения кож ударом в рамках волновой теории удара 204

4.6. Разработка технологии мягчения кож ударом и соответствующего оборудования 213

4.7. Выводы по главе 222

5. Совершенствование оборудования кожевенно-мехового производств 223

5.1. Определение рациональной мощности кожевенно-мехового производств 223

5.2. Проект производства кож хромового дубления с волосяным покровом из шкур крупного рогатого скота 233

5.3. Повышение гидрофобности кож с волосяным покровом 243

5.4. Совершенствование технологического оборудования 249

5.4.1. Устройства для резки коле 250

5.4.2. Устройства для транспортировки коле 257

5.4.3. Оборудование для центрифугирования 264

5.4.4. Оборудование для переработки отходов 268

5.4.5. Оборудование дляувлаленения колено-мехового сырья 273

5.4.6. Совершенствование рабочего органа тянульно- мягчильной машины 276

5.5. Выводы по главе 280

Заключение 282

Библиографический список

• Формирование показателей качества кожи и технология производства
• Дифференциальные уравнения движения
• Трение и изнашивание наполненных резин
• Испытание кожевенных материалов в ударных режимах

Введение к работе

Легкая промышленность относится к обрабатывающим отраслям, технология глубокой переработки сырья и материалов в которой включена в перечень критических технологий, утвержденный Президентом Российской Федерации В.В. Путиным по результатам совместного заседания Совета Безопасности Российской Федерации, Президиума Государственного совета Российской Федерации и Совета при Президенте Российской Федерации по науке и высоким технологиям (протокол от 30 марта 2002 г. № Пр-578.).

Разработанная в связи с этим Концепция развития легкой промышленности России определяет цели, задачи и приоритеты ее развития для удовлетворения спроса внутреннего рынка отечественными товарами бытового, специального и технического назначения, увеличения экспорта продукции отрасли и рассчитана на период до 2010 г.

Условия, обеспечивающие развитие отечественной легкой промышленности, а также повышение эффективности производства современных конкурентоспособных товаров, могут быть достигнуты за счет решения целого ряда задач, в том числе:

- проведения технологической модернизации предприятий и обеспечение на этой основе стабильного инновационного развития отрасли;

- обеспечения глубокой переработки отечественного сырья: натуральных кожи и меха;

- снижения материалоемкости и энергоемкости выпускаемой продукции и повышение рентабельности производства.

Состояние основных производственных фондов отрасли не позволяет производить высококачественную, сравнимую с зарубежными аналогами продукцию. По состоянию на конец 2000 г степень их износа составила 54,2%, коэффициент обновления и коэффициент выбытия составили в сопоставимых ценах соответственно - 0,5 и 2,1. По оценке НИИ статистики на начало 2000 г.

доля оборудования, эксплуатируемого до 5 лет, составила 1,4%, 6-10 лет -21,2%, 11 -20 лет- 57,3%, более 20 лет-20,1% [1].

Продукция легкой промышленности удерживается сейчас на российском рынке во многом благодаря сдерживанию цен производителями при растущих затратах. Таким образом, предприятия легкой промышленности находятся в трудном положении из-за недостатка оборотных средств, высокого износа технологического оборудования, снижения рентабельности в связи с ростом затрат и сдерживанием цен производителями, низкой конкурентоспособности продукции.

Повышение конкурентоспособности продукции легкой промышленности должно быть достигнуто путем технологической модернизации предприятий, минимизации непроизводственных затрат, применения государственных стандартов, обязательной и добровольной сертификации продукции на уровне международных требований, повышения уровня научно-технического и кадрового обеспечения отрасли.

Приоритетными направлениями научных исследований и инновационных разработок являются:

- разработка и освоение ресурсосберегающих, экологически чистых технологий текстильного производства;

- разработка и освоение технологий изготовления изделий из натуральных кож и меха, обеспечивающих гибкость производства и экологичность продукции.

Основой развития легкой промышленности являются результаты фундаментальных и прикладных исследований и разработок новых машин и оборудования, материалов, образцов продукции, технологий, направленных на повышение потребительских свойств товаров, обеспечение требований к ним по безопасности и экологичности.

Для повышения конкурентоспособности продукции легкой промышленности должны быть решены общие задачи технологического обновления отрасли, пополнения оборотных средств предприятий, организационного реформи рования предприятий, повышения эффективности научно-технического обеспечения производства, а также задачи отраслей, обусловленные их спецификой. Наиболее актуальной и финансовоемкой является задача технологического обновления отрасли.

В результате реализации Концепции объем выпуска продукции легкой промышленности к 2010 г. увеличится в 2 раза. Это соответствует среднегодовому индексу физического объема производства 107 %. В этом случае доля отечественной продукции на внутреннем рынке составит не менее 55%. Экспортный потенциал отрасли к 2010 г. увеличится до уровня, превышающего импорт товаров легкой промышленности [1].

Повышение качества изделий легкой промышленности во многом зависят от условий проведения операций механической обработки. Анализ готовой продукции показывает, что многие дефекты обработки, образующиеся на промежуточных технологических операциях, проявляются и на конечном качестве продукции, что ведет к снижению сортности, а, следовательно, и стоимости изделия.

Одним из наиболее распространенных материалов при изготовлении обуви, одежды и галантерейных изделий является кожа, что объясняется ее совершенно специфическими свойствами, не имеющих себе аналогов, в том числе и при их воспроизведении в виде искусственных материалов. При этом качество изделий из кожи, как конечного продукта во всей технологической цепочке, в значительной степени зависит от качества самого материала, представляющего комбинацию большого числа, факторов совершенно независимых друг от друга. Они, во-первых, определяются видом сырья, а также его исходными характеристиками, совокупность которых известна [2 - 5] и весьма велика. Во-вторых, качественные показатели готовой продукции формируются последовательно в технологическом процессе обработки кожи, которая, вступая в этот цикл, носит название «шкуры» и только после большого числа операций приобретает необходимые для «кожи» признаки. В третьих, на каждой из операций технологического процесса имеется достаточно большой число управляемых, а также неуправляемых параметров, которые существенно отражаются на свойствах готовой продукции.

Исходя из последнего, представляется интересным и целесообразным проследить за возможностью управления технологическими параметрами операций обработки кожевенного полуфабриката с тем, чтобы гарантировано получить заданные характеристики готовой продукции.

В целом такая задача чрезвычайно обширна, чтобы решить ее в рамках одной работы. Поэтому выделена часть технологического процесса кожевенного и мехового производств, связанная только с операциями механической обработки. Они обладают некоторой общностью с точки зрения методологии подхода к изучению процессов, и дают возможность формировать целую группу механических (физических) свойств готовой продукции. Например, прочность, толщина и разнотолщинность по площади, мягкость и эластичность, и прочие параметры качества кожи. Все эти условия заранее задаются в требованиях к готовой продукции и определяют возможности ее дальнейшего использования в виде сырья для обувной и галантерейной промышленности. Так, по назначению, кожи классифицируются для верха и низа обуви, подкладочные, галантерейные, шорно-седельные, технические, сыромятные, для одежды и головных уборов, для перчаток и рукавиц и проч. Кожи бывают как мягкие, так и жесткие, иногда даже с сохранением волосяного покрова. Они должны быть определенной толщины в стандартных точках установленных в нормативно-технической документации на соответствующий вид продукции [6-14].

Исследованиями, направленными на совершенствование технологических процессов и оборудования легкой промышленности, занимались большое количество авторов: Фукин В.А., Майзель М.М., Лопандин Д.В., Карамышкин В.В., Комиссаров А.И., Сторожев В.В., Бурмистров А.Г., Иванов В.А., Бескоро-вайный В.В., Каплин Л.А., Фридлянд А.А., Радченко О.Г., Парамонов В.С, Зу-рабян К.М., Жаворонков А.И. и др.

Весомый вклад в разработку фундаментальных и прикладных научных исследований в данном направлении вносят ученые Московского государст венного университета дизайна и технологий, Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна, Центрального научно-исследовательского института кожевенно-обувной промышленности, Российского заочного института текстильной и легкой промышленности, Орловского научно-исследовательского института легкого машиностроения и др.

Среди механических операций обработки кожевенного полуфабриката выделены: мездрение, строгание, разводка, мягчение, шлифование, которые формируют качество кожи. Следует обратить внимание на то, что отдельные параметры (в том числе и дефекты), проявляются и в готовом изделии. Имеют место ряд операций резания (обрезка, обрядка, чепракование), однако, они принадлежат к группе особых операций: разделению всей шкуры на отдельные топографические участки и в большинстве случаев они выполняются вручную, в связи с этим актуален вопрос их механизации.

Операции механической обработки кожевенного полуфабриката чаще всего связаны с резанием, обеспечивающим снятие определенного слоя материала по всей площади. Исключение составляет работа разводных машин, когда притуплённые винтообразные ножи осуществляют деформирование (растяжение) полуфабриката. Также специфической является работа тянульно-мягчительных машин, которые обрабатывают кожу путем многократного деформирования и, тем не менее, требуемая степень эластичности не всегда достигается на этой операции, что в конечном итоге влияет на ее качество. Это свидетельствует о целесообразности поиска новых способов обработки кож, которые бы позволили достигать нужной эластичности (мягкости) и тем самым повысить качество кож.

Вопросы повышения качества кожи при механической обработке рассматриваются достаточно часто, но связаны они либо с определенными операциями, либо с конкретными предприятиями, что определяет частный характер этих разработок. Предлагаемые исследования имеют такую направленность, чтобы обобщить уже существующие положения и полученные в настоящих исследованиях материалы по созданию технологического процесса механической обработки кожи, обеспечи вающего стабильно высокое (для данного вида сырья) качество продукции. Ввиду того, что на кожевенные и меховые предприятия легкой промышленности поступает нестандартное кожевенно-меховое сырье (натуральные кожи), его механическая обработка неизбежна и является актуальной.

Механическую обработку поверхности полуфабриката на предприятиях легкой промышленности проводят, как основную операцию технологического процесса, выполняемую с целью изменения геометрических размеров полуфабриката. В основе процесса лежит разрушение материала тем или иным способом [9,10, 15-18].

Процессы взаимодействия рабочего органа оборудования с обрабатываемой поверхностью, на которых основаны все технологические операции для механической обработки полуфабриката, представляют собой процессы механического ориентированного разрушения поверхностных слоев кожи. Эти процессы чрезвычайно многообразны, что обусловлено различиями технологических операций и требований к ним, различием рабочих органов машин и характера их взаимодействия с материалом.

В реальных процессах скорость подачи детали непостоянна, непостоянно также давление зерен и граней на деталь. Это происходит вследствие засаливания рабочей поверхности инструмента, затупления режущих кромок и выкрашивания абразивных зерен, неравномерности толщины и физико-механических свойств различных топографических участков кожи и др. Поэтому для достижения требуемого качества, кожи приходится обрабатывать инструментом неоднократно, повторяя процесс.

Недостаток экспериментальных данных по определению величины и характера сил сопротивления материала в различных условиях удара, в различных скоростных режимах, а также недостаточная изученность механизма обработки кож ударом, приводит к тому, что в настоящее время отсутствует общетеоретические предпосылки, позволяющие назначать режимы обработки кож ударом и формулировать научно обоснованные исходные требования на проектирование технологического оборудования.

При создании новых и модернизации существующих кожевенных машин наметилась тенденция увеличения ширины рабочего прохода для обеспечения возможности обработки целых кож повышенных развесов. Однако это ведет к значительному увеличению длины и массы вращающихся валов, их динамической нагруженности, что вызывает повышение уровня вибраций рабочих валов, преждевременный износ деталей, а также отрицательно сказывается на качестве обработки кожевенных материалов. Отсутствие в распоряжении конструкторов и эксплуатационников необходимых теоретических и экспериментальных исследований по вопросам снижения виброактивности кожевенных машин, нередко приводит к необоснованным конструктивным решениям [19].

Разрабатываемые в данной работе теоретические и экспериментальные основы создания и совершенствования оборудования для механической обработки по условиям повышения качества и эффективности кожевенно-обувного и мехового производств легкой промышленности особенно своевременны. В настоящее время эти производства характеризуются несовершенством оборудования для механической обработки, устаревшими формами организации производства и, вероятно, поэтому они находятся в условиях хронического кризиса, зачастую нерентабельны, а спрос населения покрывается путем импорта.

Одним из наиболее важных рабочих органов, влияющих на работоспособность технологического оборудования для механической обработки кожевенно-меховых материалов и их качество, являются обрезиненные валы, входящие в конструкции подавляющего большинства машин.

Изучение вопросов трения и износа при взаимодействии обрезиненных валов с прижимными валами является основополагающим при оценке эффективности работы оборудования в целом [7,20 - 24].

Одним из наиболее перспективных методов повышения износостойкости обрезиненных валов, на наш взгляд, является метод диффузионной поверхностной модификации, однако его применение для условий повышенной кислотности, влажности, агрессивности, которые создают обрабатываемые кожевенно-меховые материалы, еще не оценивалось.

Механическая обработка наиболее сложных материалов, применяемых в легкой промышленности - натуральных кож, меха, характеризуется наличием большого количества процессов (волососгонно-чистильными, мездрильными, отжимными, строгальными, разводными, тянульно-мягчильными, шлифовальными и проч.), что влечет за собой необходимость использования целой гаммы соответствующего оборудования. При этом значительное улучшение технических характеристик и качества выполнения одним типом оборудования не позволяет решить главную задачу промышленности - удовлетворить потребность населения России в высококачественных предметах массового спроса. Поэтому необходимо разрабатывать теоретические и экспериментальные основы повышения качества механической обработки комплексно, выполняя анализ всех процессов и соответствующего оборудования.

К недостатку многих НИР и ОКР следует отнести, то, что зачастую они решают частные вопросы повышения эффективности и качества ограничиваясь каким-то одним типом оборудования, не затрагивая весь технологический цикл, что не позволяет достигать стабильно высокого качества конечного продукта. Вероятно, поэтому современная кожевенная промышленность в настоящее время практически не выпускает кожи первого сорта для производства обуви, а меховая обладает такими недостатками как: жесткость и ломкость дермы и пр.

Нуждаются в дополнительной разработке конструкции захватных устройств для перемещения кожевенно-меховых материалов, форсунок для нанесения рабочих растворов на поверхности изготавливаемых материалов, машин для обработки полуфабриката и измельчения отходов.

Использование полученных результатов диссертационного исследования позволяет ликвидировать «узкие места» в механизации производственных процессов механической обработки, повысить качество выпускаемой продукции и улучшить условия труда путем: снижения вибродинамических характеристик и уровня шума технологического оборудования; создания принципиально нового оборудования для мягчения кож ударом; рациональной организации производства, использующего безотходные технологии.

Результаты комплексного исследования являются теоретическими и экспериментальными основами повышения качества механической обработки в ко-жевенно-обувном и меховом производствах и способны восполнить имеющиеся пробелы, а также внести определенный вклад в совершенствование оборудования для механической обработки материалов легкой промышленности и организацию производства.

Диссертационное исследование выполнялось в рамках научно-технической программы «Инновационная деятельность высшей школы» и подпрограммы 202.4 «Инновационные проекты в области сервиса» Министерства образования и науки РФ.

Работа выполнялась автором сначала (1980 — 1988 гг.) на кафедрах «Машины и аппараты легкой промышленности» и «Машины и оборудование стройиндустрии» Новочеркасского политехнического института (1988 — 2000 гг.) (ныне Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) и кафедрах «Прикладная механика» Московского государственного университета сервиса и Московского института управления и сервиса (2002 - 2004 гг.).

Целью исследования является повышение эффективности производства и улучшение качества кожевенно-мехового полуфабриката на базе развития теоретических основ совершенствования технологического оборудования

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• анализ современного оборудования и технологии механической обработки кожевенного и мехового производств;

• анализ технологических процессов и определение факторов, влияющих на качество при выполнении операций механической обработки кожевенного и мехового полуфабриката;

• разработка теоретических основ создания валичных машин для механической обработки кожи и меха с учетом условий динамики взаимодействия рабочих органов с полуфабрикатом;

• разработка обобщенной математической модели машин валичного типа и создание методов вибродинамических расчетов технологического оборудования кожевенно-мехового производств;

• разработка новых охраноспособных конструкций машин и устройств для: нанесения технологических растворов на поверхности материалов, отжима, прямолинейного и фигурного резания, транспортированию полуфабриката и переработки отходов на уровне изобретений;

• создание методики планирования траекторий раскроя кожевенно-меховых материалов для устройства, разработанного на базе двухподвижного соединения;

• исследование процесса изнашивания обрезиненных валов, а также влияние на разрушение приповерхностных слоев резины ее неоднородности и активных наполнителей;

• совершенствование метода поверхностной диффузионной модификации применительно к обрезиненным валам кожевенно-мехового оборудования;

• разработка рекомендаций по определению рациональной мощности кожевенно-меховых производств, повышающих их эффективность.

Идея работы заключается в учете адаптирующих свойств внешних связей при формировании воздействия рабочего органа технологической машины на обрабатываемый материал.

Методы исследования. В процессе выполнения работы использовались общие и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы статики и динамики теории машин и механизмов, прикладной механики, теории упругости, математической статистики, сопротивления материалов, поверхностной диффузионной модификации материалов, экспериментальные исследования.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

• новые математические модели кожевенно-меховых машин валичного типа в матричном виде;

• методика расчета центробежных форсунок для охлаждения винтовых ножей кожевенно-меховых машин;

• методика планирования траектории движения при разрезании кожевенно-меховых материалов для разработанной конструкции нового устройства;

• экспериментальные данные процесса изнашивания и температурного режима трения обрезиненных валов кожевенно-мехового оборудования;

• экспериментальные влияния структурной неоднородности резин на разрушение приповерхностных слоев обрезиненных валов в процессе их эксплуатации;

• закономерности влияния наполнителя резин и их структурной неоднородности на изменение физико-механических характеристик обрезиненных валов при их эксплуатации;

• разработанный состав модифицирующего раствора с учетом специфики среды работы машин кожевенно-мехового производства.

Научная новизна. Результаты исследований по совокупности составляют новое решение задачи по разработке теоретических основ проектирования и эксплуатации валичных кожевенно-меховых машин, обрабатывающих кожи и мех с широкой гаммой свойств, использования новых методов расчета с целью повышения эксплуатационных характеристик машин и оборудования и имеющей существенное значение для легкой промышленности:

1. Разработаны теоретические модели кожевенно-меховых машин валич-ного типа, учитывающие массо-инерционные характеристики оборудования, а также жесткости муфты, опор валов, двигателя, позволяющие определять рабочие усилия между ножевым и прижимным валами с учетом свойств обрабатываемого материала и, позволяющие выбирать оптимальные режимы его обработки с целью повышения качества.

2. Создана упрощенная графо-аналитическая методика расчета центробежных форсунок для охлаждения винтовых ножей кожевенно-меховых машин, учитывающая угол распыла и перепад давления на форсунке и позволяю щая повысить эффективность процесса охлаждения при уменьшении расхода охлаждающей жидкости (воды).

3. Создана новая методика планирования траектории движения при разрезании кожевенно-меховых материалов, основанная на решении обратной задачи кинематики для разработанных на уровне изобретений двухподвижных сочленений манипулятора.

4. Получены новые экспериментальные данные изменения износостойкости обрезиненных валов и температурного режима трения, а также выявлен факт периодического колебания температур при скоростях скольжения, превышающих 0,5 м/с. Разработаны рекомендации по улучшению рабочих характеристик обрезиненных валов.

5. Получены новые экспериментальные данные о влиянии наполнителя резин на их физико-механические характеристики. Установлено, что активные наполнители способствуют повышению прочности, износостойкости, модуля упругости, сопротивления раздиру и влияют на эластические свойства резин.

6. Используя полученные экспериментальные результаты, разработан состав модифицирующего раствора с учетом специфики рабочей среды машин кожевенно-мехового производства, обеспечивающий создание на поверхности обрезиненных валов слоя заданной толщины повышенной износостойкости, твердости и прочности с использованием метода диффузной модификации.

Достоверность полученных данных подтверждается адекватностью математических моделей и лабораторных экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов (расхождение не более 18% при доверительной вероятности 0,9), а также использованием современных апробированных методов исследования.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Научно-практические разработки, предложенные в диссертации, позволяют повысить эффективность работы и производительность оборудования для механической обработки натуральных кож и меха. На уровне изобретений и патентов РФ разработаны машины и оборудование (устройства для резки кожи и меха, шарниры манипулятора, механические и пневматические захватные устройства, форсунка для нанесения рабочих растворов на полуфабрикаты, смеситель) повышающие качество выпускаемой продукции.

Предложенные в диссертационные работе методики расчета и конструкции оборудования внедрены в производство с суммарным годовым экономическим эффектом 441 503 руб. в год.

Результаты диссертации могут быть использованы в проектно-конструк-торских, научно-исследовательских организациях, на предприятиях кожевенно-меховых производств при разработке: и совершенствовании существующих технологических процессов производства натуральных кож и меха и создании новых; научно-обоснованных исходных требований на проектирование технологического оборудования, его рабочих органов, технологической оснастки и приборов; нового оборудования и оснастки с требуемыми техническими характеристиками, позволяющими повышать качество получаемой продукции, а также в вузах при подготовке студентов по специальностям 170700 «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности» и 281100 «Технология изделий из кожи».

Практическая значимость работы подтверждается эффективностью внедрения ее результатов в производство: ЗАО «Русская кожа» (г. Рязань), на предприятиях ОАО «Рослегпром», муниципальных предприятиях г.Шахты Ростовской области, а также использованием в учебном процессе в Шахтинском институте Южно-Российского государственного технического университета (НПИ).

Результаты исследований нашли отражение в учебном пособии «Экология на предприятиях стройиндустрии».

Апробация работы. Основные положения и результаты, полученные в диссертации, докладывались и получили положительную оценку на ряде научно-технических конференций: Донской государственной академии сервиса (г. Шахты, 1990 - 1997 гг.), Южно-Российского государственного технического университета (НПИ) (г. Новочеркасск, 1990- 1997 гг.), Московского института управления и сервиса (г. Москва, 2002 - 2004 гг.); III Всесоюзном совещании по робототехническим системам (г. Воронеж, 1984); Всесоюзной научно-технических конференциях: «Гидравлика и гидропневмопривод машин, автоматов и промышленных роботов в машиностроении» (г. Киев, 1990 г.); «Почва, отходы производства и потребления: проблемы охраны и контроля» (г. Пенза, 1996); ежегодных научных чтениях Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (г. Ростов-на-Дону, 1999 — 2002 гг.); заседаниях научно-методических советов: ЗАО «Русская кожа» (г. Рязань, 2003 - 2004 гг.), ОАО «Росбытсоюз», (г. Москва, 2003 - 2004 гг.), ОАО «Рослегпром» (г. Москва, 2003 - 2004 гг.).

Разработанные образцы адаптивных захватных устройств экспонировались на Выставке достижений народного хозяйства СССР (1989 - 1992 гг.), а смесителя — на Ростовской областной выставке «Вторичные ресурсы и современные технологии» (г. Ростов-на-Дону, 1999 г.) и получили положительную оценку.

За внедрение результатов разработанных изобретений в промышленное производство, автор был удостоен звания «Изобретатель СССР» (1992 г.)

Публикации по работе.

По результатам работы автором (лично и в соавторстве) опубликовано 34 научных трудов, в том числе 3 монографии, 1 брошюра, 3 тезисов докладов на всесоюзных и отраслевых научно-технических конференциях, 1 учебное пособие, 14 статей в теоретических, научно-практических журналах и сборниках научных трудов, получено 12 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.

Формирование показателей качества кожи и технология производства

Функциональное назначение натуральных кож целиком определяет их характеристики и требования к их физико-механическим свойствам при производстве. Существующее многообразие в назначении натуральных кож (верх обуви, кожгалантерея, низ обуви, кожи для верхней одежды и проч.) должно менять и выходные требования к ним по качеству. Поэтому качество кожи — понятие весьма конкретное и связанно именно с теми показателями, которые задаются для вполне определенных целей. Таким образом, качество кожи, которое выражается, в частности, в ее сортности, является характеристикой, зависящей от выполнения заданных параметров для каждой целевой партии готовой продукции [11 — 13, 31, 32].

Формирование свойств готовой продукции осуществляется последовательно на каждой технологической операции. Причем эти операции можно разделить на химические, механические и химико-механические, когда те и другие факторы действуют одновременно. Все они представляют равный интерес для исследований, однако с целью получения завершенных результатов, целесообразно подойти к данной проблеме поэтапно, ограничиваясь каким-либо одним видом операций.

В данном случае выбраны механические операции, проводимые на коже-венно-меховых машинах валичного типа, что дает основание формировать задачу исследований в обобщенном виде. Дефекты обработки кожи делятся на устраняемые в дальнейших операциях и неустраняемые [2, 8, 15], а их анализ показывает, что текущий контроль за качеством обработки на каждой операции дает возможность своевременно устранять брак. Так, типичным является обработка полуфабриката с браком «лестница». Исправление технического состояния машины осуществляется путем последовательного выполнения операций, либо заменой в ней ножевого вала, либо перечеканкой, сменой абразива в заточном механизме, балансировкой вала и т.д. Технологическое воздействие машины подразумевает растяжение кожи, срезание ее поверхностного слоя и др. При этом рабочий орган обязательно совершает вынужденные колебания, обусловленные дисбалансом и прочими факторами, которые полностью передаются объекту обработки, вызывая положительные и отрицательные последствия. Первые заключаются, например, в уменьшении сил сопротивления резанию, лучшей деформируемости шкуры по площади. Вторые могут вызывать образование «лестницы», порубы кожевенного материала, интенсифицировать износ деталей. Поэтому, в целом, колебания рабочего органа следует квалифицировать как нежелательные. В прямой зависимости от технологических режимов, в частности скорости подачи материала, находится производительность машины. С этим же связано виброшумовое на-гружение, зависящие также от жесткости системы, величины зазоров в сопряженных поверхностях, степени уравновешенности подвижных деталей, виброизолирующих свойств элементов корпуса.

Перечисленные условия прямо отражаются в стоимости машины и ее эксплуатационных свойствах. Последние связаны с простоями при ремонтах и, в свою очередь, определяются ремонтопригодностью конструкции, доремонт-ным и межремонтным ресурсами. Такой ресурс обусловливается качеством рабочих поверхностей, точностью изготовления сопряженных элементов и удельными нагрузками.

В соответствии с технологическим процессом изготовления обуви для получения ее заготовок необходимы кожевенные материалы. Имея в виду, что качество готовых кож не является строго зафиксированным показателем, а определяется последующим их назначением, как промежуточный показатель в комплексной программе, это и формулирует требования, положенные в основу установления их сортности. Вместе с этим, следует иметь в виду и существенные экономические факторы: стоимость кожи зависит от сортности — различие цен между ближайшими сортами составляет 10%. Одним из путей, стабильно обеспечивающих выпуск продукции высокого качества, является повышение эксплуатационного ресурса машин. Анализ работ [21, 33] показывает, что 70 % отказов происходит из-за преждевременного износа деталей. Износ деталей нарушает их нормальное взаимодействие, вызывает дополнительные нагрузки, удары и вибрации, снижает точность и чистоту обработки кожевенного полуфабриката на механических операциях [22, 34 — 35].

Первоочередное значение при разработке машин имеет правильное понимание условий взаимодействия рабочего органа с объектом обработки, так как собственно это и формирует качество продукции, а также определяет производительность машины. Причем важным является не только функциональное воздействие инструмента на обрабатываемый материал, но и ряд дополнительных условий, обусловленных действием динамических факторов. И, если сами технологические процессы изучены достаточно, то вопросы динамики как сопутствующие явления часто остаются неучтенными.

Дифференциальные уравнения движения

Примем следующие размерные параметры: L - длина вала; \\ - расстояние дискретных масс вала от левой опоры; Св — жесткость вала; аг, hi — расстояние опор двигателя от центра масс двигателя; е - смещение центра масс вала в плоскости вращения.

Жесткостные параметры обозначим следующим образом: Сум, СфМ — поперечная и продольно-угловая жесткости муфты; 8у (i, j = 1, 2, ..., 5) - коэффициенты влияния метода сил вала или перемещение і-й массы вала под действием силы, приложенной в месте j-й массы относительно опор вала. Инерционные параметры обозначим так: М - масса вала; rrij - массы элементов вала Q ni; =М); шд, ]д - масса и момент инерции двигателя; mK, JK масса и момент инерции корпуса; J0, J і - момент инерции ротора относительно продольной и поперечной осей; Jop, Jjp - моменты инерции двигателя относительно продольной и поперечной осей.

Обобщенные координаты и силы обозначим таким образом: г1 —смещение центров масс элементов относительно неподвижного основания; Г; —смещение центров масс элементов вала относительно опор вала; уд,0д — вертикальное и угловое перемещения двигателя; ук, 9К — вертикальное и угловое перемещения корпуса; R ,, Мм - реакция и изгибающий момент, передаваемые на валы муфтой.

Рассмотрим расчетную схему вала (рис. 2.3) [50]. На каждую і-ю массу ШІ действует сила инерции от вращения относительно неподвижной оси 00 (с частотой вращения со), при этом сила инерции равна т ю2 , где ПІ - количество оборотов. Из рис. 2.3 следует, что г; состоит из трех составляющих, каждая из которых обусловлена:

Для условной массы m3, смещенной на величину статического удельного дисбаланса m-e , к этому перемещению добавляется еще и е. Кроме того, на вал действуют реакции опор Ri = Сі уі и R2 = С2 у2, гироскопический момент М2 и реакции муфты RM и Мм. В соответствии со схемой сил, составим уравнение движения вала:

Таким образом, совокупность коэффициентов влияния можно представить в виде симметричной матрицы. В рассматриваемом случае, с учетом безмассовой координаты — угла поворота конца вала в месте посадки полумуфты, матрица коэффициентов влияния имеет вид, показанный в табл. 2.1. Заметим, что 5 = ф 6І - угол поворота правого конца вала под действием единичной силы, приложенной в месте і-й массы, а фбі - перемещение і-й массы под действием единичного момента, приложенного на правом конце вала. Таблица 2.1 - Матрица коэффициентов влияния

Определение коэффициентов влияния для двухопорной балки (к схеме которой сводится вал) рационально проводить с помощью универсального уравнения упругой линии балки. Для этого достаточно приложить единичную силу в j-м сечении, составить дифференциальное уравнение упругой оси, проинтегрировать его, найти начальные параметры и, подставив координаты интересующих сечений, определить их прогибы.

Так как расчетная схема имеет переменную по длине изгибную жесткость, прямое использование этого метода недопустимо. Целесообразно участки балки со ступенчато постоянными моментами инерции Jj заменить балкой с постоянными по всей длине моментом инерции Jo, умножая при этом все внешние силы, действующие на упомянутых участках в К = J0 / Jj раз. В месте стыка отдельных участков на тот же коэффициент умножаются внутренние силовые факторы, т.е. изгибающий момент Мх и поперечная сила Qy. Такое преобразование внешних и внутренних силовых факторов позволяет балку ступенчатого профиля рассматривать как балку постоянного профиля с моментом инерции.

Расчетная схема вала машины ММГ-3200 состоит из пяти участков со ступенчато постоянной жесткостью. Первое сечение вала совпадает с местом посадки маховика, второе, третье и четвертое - с серединами трех равных по длине участков рабочей части вала, а пятое - с местом посадки шкива - полумуфты. По результатам расчета составлена матрица коэффициентов влияния, приведенная в табл. 2.2.

Трение и изнашивание наполненных резин

Резины используются в качестве конструкционного материала для деталей, которые работают, в основном, на деформации растяжения, сжатия и сдвига, однако они также хорошо воспринимают и кручение, сложные виды деформаций. Так, при растяжении удлинения достигают 500% и более. При приложении нагрузки реакция резины описывается рядом зависимостей с некоторыми физико-механическими коэффициентами, к которым, прежде всего, относятся модуль Юнга, модуль сдвига, коэффициент Пуассона и другие. Перечисленные характеристики достаточно известны в материаловедении, тем не менее, для резин их определение и применение достаточно специфично в связи с тем, что они не являются постоянными, а, в свою очередь, зависят от режима погружения, среды, температуры и т.д., тем более в режиме трения. На практике используют обычно условные значения этих параметров, придавая им определенный физический смысл и определяя тем самым диапазон их действия.

Для ряда наполненных резин зависимость «б - є», где б — напряжение в материале, а є - его деформация, в основном нелинейна. Зона линейности к тому же зависит от многих факторов, таких как ингредиенты, смеси, технологические режимы и т.д. Однако в инженерных расчетах пользуются законам Гука при соблюдении линейности зависимости «б - є». Г.М. Бартенев [69] показал, что пропорциональность между истинными значениями и в ненаполненной резине соблюдается до 200 - 300% деформаций.

В резине ярко выражены релаксационные процессы, при этом пользуются равновесными и кинетическими характеристиками. Равновесные используются при установившемся процессе, а кинетические - при условии действия релаксационных процессов.

Как отмечено в работах [70, 71], кривая релаксации напряжений для резин состоит из двух участков: нелинейного, соответствующего релаксации молекулярных цепей, и линейного, соответствующего деструкционным процессам узлов и цепей пространственной сетки. При росте температуры растет скорость релаксации и быстрее достигается равновесное состояние, однако при достиже ний определенных значений температуры ускоряются нежелательные химические процессы. Поэтому равновесного состояния желательно добиваться при температурах, не превышающих 70С.

Упругие свойства резины, помимо модуля упругости, характеризует коэффициент Пуассона. Его значение не является постоянным, как это бывает в случае с другими материалами, а зависит от геометрических параметров образца, его объёма. Значения коэффициента Пуассона колеблются от 0,465 до 0,485 [71]. Для практических расчетов используют ц = 0,5. Упругорелаксационные свойства резины характеризуют жесткостью, ползучестью, релаксацией напряжения и остаточной деформацией.

Прочностные свойства резин зависят от многих параметров и характеризуются прочностью при растяжении, относительным удлинением при разрыве, относительным остаточным удлинением, сопротивлением раздиру, условным напряжением при заданном удлинении и др.

Определение твердости резины расширяет объем информации о ней, особенно о состоянии ее поверхностного слоя, что весьма важно для изучения процессов трения и износа. Для резин существует определенная корреляционная связь между твердостью и модулем упругости, но оно в основном носит эмпирический характер.

Измерение твердости резин строго регламентировано, и процесс измерения осуществляется по А. Шору с помощью твердомера ТМ-2.

К динамическим характеристикам резин относятся [72]: амплитуда напряжений (деформаций) цикла, среднее напряжение (деформация) цикла, частота циклов и их период, динамический модуль упругости при растяжении (сжатии), коэффициент жесткости, тангенс угла механических потерь, эластичность по отскоку и др.

Важнейшими параметрами, характеризующими резину как конструкционный материал являются: износостойкость, морозостойкость, сопротивление термическому старению, стойкость к климатическому старению, агрессивным средам, к абразиву, стойкость к средам кислотного происхождения, биостой 7 кость и другие. Под действием температуры, озона, ультрафиолетового облучения, радиации в зоне контакта могут появиться необратимые остаточные деформации, вязкотекучесть, процессы структурирования и деструкции, причем последние сопровождаются потерей эластичности, растрескиванием, т.е. старением резины [73 - 77].

Испытание кожевенных материалов в ударных режимах

Испытание кожевенных материалов в ударных режимах Высокоскоростной процесс деформирования кожи в процессе механической обработки на валичных машинах, а также при обработке кож ударом, изменяет механические характеристики обрабатываемого материала [125 - 127].

Динамическое нагружение на большой скорости деформирования вызывает возникновение в материале непостоянные поля неоднородной деформации. Их анализ требует создание модели материала, выбор которой влияет на полученные результаты. В связи с этим интерес представляют методы исследований, позволяющие, изучить поведение материала. Цель - получение более достоверных данных, адекватных реальному процессу. Поэтому представляют интерес методы исследований, позволяющие изучить поведение материала, определить его деформационные и прочностные характеристики непосредственно из результатов экспериментов, без привлечения для анализа априорной модели материала. Одним из таких методов является известный теоретический подход «составного стержня Гопкинсона» (ССГ), применимый тогда, когда соблюдается допущение о равенстве напряжений на торцах образца [128].

Для материалов с нелинейным поведением скорости деформации ограничиваются величиной Е 103 с"1, так как далее наблюдается нарушение квазистатического состояния образца. Экспериментальные задачи, решаемые методом ССГ классифицируются следующим образом: 1 - получение динамической диаграммы а - Е; 2 - получение вязкоупругих характеристик материалов на уровне любого варианта модели вязкоупругих свойств; 3 - исследование трещиностойкости при больших скоростях нагружения; 4 - исследование сил сцепления волокон с матрицей в композиционных материалах.

Экспериментальное определение динамических свойств материалов легкой промышленности на имеющемся оборудовании не обеспечивает во всем реальном диапазоне нагружений получения достоверных механических характеристик. Для выявления таких значений разработана установка (рис. 4.3), позволяющая производить ударное нагружение испытуемого образца.

Два одинаковых призматических стержня 1 и 2 изготовлены из стали с высокими прочностными и упругими характеристиками 38 ХМЮГА. Стержень 2 крепиться неподвижно, а стержень 1 - имеет возможность перемещаться в свободном падении по направляющим, достигая заданной скорости движения за счет изменения начальной высоты. Образец 3 устанавливается на неподвижном стержне и при падении стержня 2 воспринимает ударный импульс. Возбуждаемый при этом сигнал передается по каждому из стержней и регистрируется датчиком 4. Аналитически определить скорость распространения волны в стержне ср можно по формуле, используемой в различных способах, основанных на применении ССГ: СР=Л/Ё/Р где Е - модуль Юнга для стали 38ХМЮГА; р - плотность стали. Следовательно, в эксперименте в каждый момент времени t измеряется напряжение в образце oK(t) и соответствующая деформация EK(t).

При реализации предлагаемого способа нагружения образца кожи осуществляется ударным воздействием, т. е. кратковременной импульсной нагрузкой, вызывающей неоднородное напряжение состояния образца. Процесс ударного сжатия происходит при высоких скоростях его деформирования, измеряется ускорение d2x/dt2 стержня ударника, имеющего на чальную скорость. Измерение осуществляется с помощью датчика — пьезоаксе-ленометра. По закону распространения упругих волн скорость частиц удваивается при отражении от нерабочего торца стержня: t 2V(t)= Ja(t)dt, о где a(t) - ускорение свободного конца стержня, на котором крепиться датчик. Окончательные формулы для вычисления значений напряжения и де 1 t (t) = -p0coJa(t)dt о формации: V Р , ч V0t-Jdtja(t)dt E(t) = — h0 Экспериментальные значения напряжений и деформации испытуемого материала могут быть представлены в виде диаграммы ст - Е. Характеристики материалов могут быть использованы для назначения режимов техпроцессов и в динамических расчетах машин.

Практическое использование метода заключается в следующем. Образец устанавливается на неподвижный стержень так, чтобы исключить его смещение в горизонтальной плоскости. Стержень-ударник переводится с помощью специального подъемного устройства в исходное положение и фиксируется на задаваемой высоте. Для тонких полимерных материалов, таких как пленки или кожа, эта высота Н составляет 50, 100 и 160 мм. Такой ударный импульс позволяет получить достаточный уровень сигнала без разрушения образца. Последний либо готовиться специально в виде цилиндра или круга, либо может представить элемент любой детали из кожи или пленки полимера, используемой в технологическом процессе. Опытные исследования показывают, что для пластичных кож генерируемый сигнал не меняется при использовании образцов, размер которых больше диаметра стержней.