Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшей подотраслью метизного производства является металлоткачество. Тканые сетки как продукция металлоткацкого производства используются в авиа- и ракетостроении, радиоэлектронной, химической, пищевой, бумагоделательной, горнодобывающей промышленности, порошковой металлургии, сельском хозяйстве. Они предназначаются для фильтрации жидкостей и газов (в атмосферных условиях, в вакууме или под давлением), просеивания и сортировки сыпучих материалов, контроля размеров частиц сыпучих материалов, обезвоживания и сушки влажных материалов и других целей.
Современное металлоткацкое производство требует новых научных разработок, направленных на повышение его технологической и экономической эффективности, качества и конкурентоспособности продукции. В текстильном машиностроении повысить его технологическую эффективность возможно за счет обеспечения качества проектирования оборудования, а качество металлических сеток - путем совершенствования методов технического контроля на всех этапах производства, в том числе и за счет введения новых нормативных требований к показателям качества готовых изделий.
Основной технологической причиной снижения качества металлических сеток является различное натяжение основы и утка по ширине заправки станка. В металлоткачестве подобное возникает в результате неправильного взаимодействия рабочих органов исполнительных механизмов с формируемым продуктом. Технологический процесс ткачества сетки, учитывая специфические свойства металлонитей, оказывается особенно чувствительным к деформационным свойствам звеньев механизмов, к колебательным процессам в исполнительных механизмах станка. Деформационные и колебательные процессы можно минимизировать на стадии проектирования или модернизации ткацкого оборудования. Решение данных задач можно получить при наличии динамических и математических моделей, учитывающих взаимосвязи между технологическими объектами (нити основы и утка) и исполнительными механизмами. В частности необходим учет взаимодействия батанного и рапирного механизмов с упругой системой заправки станка, через которую раскрываются согласующие связи работы основных исполнительных механизмов.
Дополнительной проблемой металлоткацкого производства является то, что станки работают в условиях больших динамических воздействий, их узлы трения загрязняются и быстро изнашиваются. В этих условиях одним из путей решения проблем повышения надежности и долговечности оборудования, снижения затрат энергии, расходуемой на преодоление сил трения, является рациональное применение смазочных материалов, что значительно повышает технологическую эффективность работы механизмов ткацкого станка.
Нерешенной проблемой на данном этапе развития металлоткацкого производства является методическое обеспечение операций технического контроля в направлениях определения технологической результативности и эффективности процесса металлоткачества и оценки качества продукции на всех этапах производства металлических сеток. Кроме разработки соответствующих методов и средств контроля, основывающихся на современных информационных технологиях, нерешенной проблемой является разработка соответствующих стандартов предприятия на комплексный подход в оценивании качества готовой продукции.
Таким образом, повышение эффективности проектирования оборудования для производства металлических сеток связано с проблемами развития, углубления и обобщения теории динамического анализа батанных и рапирных механизмов, повышения ресурса их работы. Повышение качества готовой продукции связано с совершенствованием методологии операций технического контроля.
Цель работы - повышение эффективности оборудования и качества тканых сеток путем разработки научного, методического и программного обеспечения процессов проектирования основных исполнительных механизмов металлоткацкого станка, а также совершенствования операций технического контроля изготовляемой продукции.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
- систематизированы конструкции механизмов прокладывания утка, подвода и уплотнения уточных нитей ткацких станков;
- обобщены динамическая и математическая модели анализа вынужденных колебаний бруса батанного механизма узких и широких металлоткацких станков, учитывающие упругие свойства звеньев батанного механизма;
- разработана математическая модель задачи вынужденных колебаний системы привод ткацкого станка – привод рапирного и батанного механизмов - упругая система заправки станка, необходимая для анализа конструктивных и технологических возможностей рапирного и батанного механизмов при выработке сетки заданных технических характеристик;
- установлен закон движения главного вала станка под действием приложенных сил и сил, возникающих в процессе движения основных исполнитель-
ных механизмов, и определен крутящий момент на главном валу станка СТР-
100-М с учетом неравномерности его вращения;
- разработаны математические модели задач собственных и вынужденных продольных и поперечных колебаний гибкой рапиры металлоткацкого станка как тела переменной длины;
- разработана математическая модель задачи определения геометрической формы уточной мононити непосредственно после прокидки её в зев до момента касания с бердом;
- разработаны устройства для прокладывания утка с жесткой и гибкой рапирой на металлоткацком станке;
- разработаны алгоритмы и программное обеспечение для кинематического, кинетостатического (с учетом сил трения) и динамического анализа рычажных и кулачково-рычажных механизмов;
- разработаны составы смазочных материалов на основе минерального
масла И-40А и мыльной пластичной смазки ЦИАТИМ-201 для повышения долговечности кинематических пар металлоткацких станков;
- разработана концепция организации технического контроля металло-
ткацкого производства на основе рекомендаций международных стандартов ИСО 9000;
- предложены методики по формированию полного плана технического контроля на основе использования современных информационных технологий, по определению технологической результативности и эффективности процесса металлоткачества, по оценке качества готовой продукции металлоткацкого производства;
- предложена новая методология определения оптимальных значений параметров металлоткацкого станка с учетом комплексных показателей технологической результативности и эффективности;
- разработан компьютерный метод измерения определяющих единичных показателей качества металлической сетки;
- спроектирован стандарт организации на технические условия изготовления металлических сеток.
Основные методы исследований. Работа содержит результаты теоретических и экспериментальных исследований.
В теоретических исследованиях использовались методы дифференциального и интегрального исчислений, аналитической геометрии, математического моделирования, теории упругих колебаний, теории дифференциальных уравнений в обыкновенных и частных производных, теории механизмов и машин, теоретической механики, сопротивления материалов, механики гибкой нити, механики одномерных тел переменной длины. Решения дифференциальных уравнений упругих колебаний рассматриваемых моделей, уравнений кинематики и кинетостатики исполнительных механизмов металлоткацких станков, дифференциальных уравнений движения динамических моделей исполнительных механизмов станков выполнены аналитическими и численными методами с применением ПЭВМ.
Экспериментальные исследования проводились методами тензометрии на действующем оборудовании в производственных и лабораторных условиях на приборах и специальных стендах. При обработке результатов измерений использовались методы математической статистики.
Достоверность предложенных разработок, выводов, рекомендаций под-
тверждена результатами тензометрических, компьютерных исследований, производственных или лабораторных испытаний, использованием при разработке математических моделей рассматриваемых задач научно обоснованных положений теории колебаний, теоретической механики, сопротивления материалов и др.
Методом последовательного симплекс-планирования эксперимента получены уравнения модели в области оптимального состава смазочных материалов для шарнирных соединений металлоткацких станков как на основе минерального масла, так и на основе мыльной пластичной смазки. Экспериментальные исследования поверхностей трения кинематических пар проводились с использованием рентгеновского микроанализатора фирмы «Camebax» (Франция).
Для исследования структуры, параметров и характеристик производст-
венно-технической системы производства металлических сеток, для создания функциональной модели, отображающей структуру и функции данной системы, а также потоки информации и материальных объектов, преобразуемые этими функциями, использовалась методология функционального моделирования IDEF0 (ICAM Definition, США). Кроме этого при исследовании технологических параметров металлоткацкого производства использовались методы квали-
метрии и программные продукты современных информационных технологий.
Научная новизна диссертационной работы заключается в развитии и разработке научного и методического обеспечения процессов проектирования рапирных и батанных механизмов металлоткацких станков; в создании на базе известных положений теории механических колебаний обобщенной математической модели динамического взаимодействия рабочего органа (берда) упругой системы батанного механизма с упругой системой заправки станка; в разработке математических моделей задач собственных и вынужденных продольных и поперечных колебаний гибкой рапиры металлоткацкого станка как тела переменной длины; в создании математической модели геометрической формы проложенной мононити до момента касания её с бердом; в разработке методов и средств контроля, основывающихся на современных информационных технологиях и связанных с совершенствованием методологии технического контроля готовой продукции, а именно получены новые научные результаты:
по специальности 05.02.13
- предложена уточненная классификация механизмов прокладывания, подвода и уплотнения уточных нитей ткацких станков;
- разработаны алгоритмы и программное обеспечение для кинематическо-
го, кинетостатического (с учетом сил трения) и динамического анализа рычажных механизмов, используемых в ткацких станках;
- разработана математическая модель задачи о собственных частотах и формах изгибно-крутильных колебаний бруса широких металлоткацких станков с n лопастями, соответствующая его уточненной динамической модели;
- разработана математическая модель задачи о вынужденных колебаниях
бруса на фазе взаимодействия берда с опушкой вырабатываемой сетки;
- разработана математическая модель задачи о собственных и вынужденных изгибных колебаниях рапиры как стержня переменной длины с распределенной массой, находящегося под воздействием периодической знакопеременной продольной силы, и ее аналитическое решение;
- разработана математическая модель установившегося вращения главного вала с учетом динамической характеристики электродвигателя металлоткацких станков типа СТР-100-М. Экспериментально исследовано влияние батанного и рапирного механизмов на динамику привода данных станков;
- разработана конструкция механизма привода жесткой рапиры, используемая в производстве для серийно выпускаемых металлоткацких станков СТР-100-М, СТР-130-М, СТМ-6-200, СТР-120-Т, СТР-120-Л и других ткацких станков специального назначения;
- создано устройство механизма прокладывания утка с гибкой рапирой для модернизированного металлоткацкого станка DМ-2000-М, позволяющее ликвидировать челночный способ прокладывания утка и процесс перематывания утка на уточные шпули, довести уровень шума при работе станка до уровня
санитарных норм (повышение частоты вращения главного вала на 65…70% и
производительности станка за счет увеличения КПВ до 70%);
- разработаны составы смазочных материалов на основе минерального
масла И-40А и мыльной пластичной смазки ЦИАТИМ-201 для повышения дол-
говечности кинематических пар металлоткацких станков на основе эффекта избирательного переноса;
- создана конструкция установки для проведения испытаний материалов и смазок на изнашивание с изменяющейся в процессе испытаний площадью контакта образцов и постоянным коэффициентом взаимного перекрытия, позволяющая с достаточно высокой точностью () определять характеристики трения и изнашивания в условиях возвратно-вращательного движения;
по специальности 05.19.02
- разработана математическая модель задачи определения геометрической формы уточной мононити непосредственно до момента касания её с бердом;
- предложена концепция организации технического контроля металлоткацкого производства, позволяющая учитывать требования и рекомендации международных стандартов ИСО 9000;
- разработана методика формирования полного плана технического конт-
роля металлоткацкого производства с учетом применения современных инфор-
мационных технологий;
- созданы методики по определению технологической результативности и эффективности процесса металлоткачества, позволяющие осуществлять мониторинг данного технологического процесса;
- сформирована методика комплексной оценки качества продукции металлоткацкого производства;
- предложена новая методология определения оптимальных значений параметров металлоткацкого станка с учетом комплексных показателей технологической результативности и эффективности процесса ткачества;
- разработан компьютерный метод оценки определяющих единичных показателей качества металлической сетки, позволяющий автоматизировать и упростить данную операцию измерения;
- спроектирован стандарт организации на технические характеристики
металлических сеток, включающий оценку качества производимой продукции.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Основная часть изложенных в диссертационной работе методов расчета динамических характеристик рапирных и батанных механизмов, методик расчета характеристик трения и изнашивания в условиях возвратно-вращательного движения звеньев, способов оптимизации состава рациональных смазочных материалов для узлов трения ткацких станков опубликована автором в монографии, учебном пособии, научных статьях журналов «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», «Заводская лаборатория», «Вестник машиностроения» и других изданиях.
Производственные испытания конструкции механизма с жесткой рапирой проводились на станках СТР-100-М на ОАО «Текстильмаш» (г. Чебоксары), конструкции механизма прокладывания утка с гибкой рапирой на станках DМ-2000-М - на ОАО «Солнечногорский завод металлических сеток им. Лепсе» (г. Солнечногорск, Московская обл.).
Производственные испытания разработанных смазочных материалов на основе минерального масла И-40А и мыльной пластичной смазки ЦИАТИМ-201 проводились на ОАО «Текстильмаш» (г. Чебоксары), на ОАО «Солнечногорский завод металлических сеток им. Лепсе» (г. Солнечногорск, Московская обл.), на ОАО «Электрокабель» Кольчугинский завод» (г. Кольчугино, Владимирская обл.).
Математические модели основных задач, рассмотренных в работе, доведены до практической реализации при проектировании механизмов прокладывания уточной нити для серийно выпускаемых станков типа СТР-100-М, СТР-130-М, СТМ-6-200, СТР-120-Т, СТР-120-Л и при модернизации станка DM-2000-M. Разработанные составы смазочных материалов на основе минерального масла И-40А и мыльной пластичной смазки ЦИАТИМ-201 используются для повышения долговечности кинематических пар металлоткацких станков типа СТР-100-М и DM-2000-M. Кроме этого математические модели ряда задач, рассмотренных в работе, доведены до практической реализации в виде программных средств для ПЭВМ, что обеспечивает снижение трудозатрат на проведение расчетных опытно-конструкторских работ при проектировании и модернизации ткацких станков.
Методика расчета амплитуд и форм вынужденных колебаний бруса батана, необходимая как для расчета прочностных характеристик звеньев механизма, так и для анализа возможности изготовления данной сетки на проектируемом или исследуемом станке, математическая модель задачи о собственных и вынужденных колебаниях рапиры как стержня с распределенной массой, находящегося под воздействием продольной силы, и ее аналитическое решение, рекомендации по изменению цикловой диаграммы работы рапирного и батанного механизмов станков СТР-100-М и СТМ-4-130 приняты к использованию ООО «Текмал» (СКБ ткацкого оборудования), г. Шуя Ивановской обл.
Стандарт организации на контроль качества тканых металлических сеток разработан для предприятия ООО «Текмал», г. Шуя Ивановской обл.
Отдельные результаты работы используются в учебном процессе ИГТА
при изучении дисциплин «Основы проектирования оборудования текстильной промышленности», «Основы автоматизированного проектирования», «Динамика текстильных машин», в курсовом проектировании и при выполнении выпускных квалификационных работ бакалаврами, инженерами и магистрами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку: на республиканской научно-технической конференции «Пути развития научно-технического прогресса в текстильной промышленности», г. Тбилиси, ГрузНИИТП, 1986; на Всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых «Технический прогресс в развитии ассортимента и качества изделий в легкой промышленности», г. Иваново, ИвТИ, 1987; на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Опыт работы по снижению шума и повышению надежности при создании и эксплуатации технологического оборудования», г. Пенза, ПНПО «Текстильмаш», НИЭКИПмаш, 1989; на Всесоюзной научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы и перспективы энергетики в энергостроении», г. Иваново, ИЭИ, 1989; на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и лег-
кой промышленности» (Прогресс – 1988, 1994, 1995, 1999, 2002, 2005…2008),
г. Иваново, ИвТИ, 1988, ИГТА, 1994, 1995, 1999, 2002, 2005… 2008; на VII международном конгрессе по теории механизмов и машин, г. Либерец, Чешская республика, 1996; на межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2000, 2006, 2007, 2011), г. Иваново, ИГТА, 2000, 2006, 2007, 2011; на I международной научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности», г. Иваново, ИГТА, 2003; на 58-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству», г. Кострома, КГТУ, 2007; на Х Всероссийской конференции-семинаре «Проектирование, контроль и управление качеством продукции и образовательных услуг», Москва-Тольятти-Сызрань, филиал Самарского государственного технического университета в г. Сызрани, 2007; на заседаниях технического совета ООО «Текмал» (СКБ ткацкого оборудования, ООО «Текстильмаш»), г. Шуя Ивановской области, 1989, 1996, 2003, 2006, 2008, 2010, 2011; на совместном заседании кафедры проектирования текстильных машин и научного семинара по проблемам повышения эффективности технологических процессов текстильной и легкой промышленности ИГТА, 2011.
Личное участие автора в получении результатов, изложенных в диссертации. Соискателю принадлежит основная роль в постановке цели и задач работы, непосредственном выполнении аналитических и экспериментальных исследований, разработке соответствующего методического и программного обеспечения, обобщении результатов и формулировке выводов по работе. Доля соискателя в опубликованных с соавторами работах по теме диссертации составляет от 25 до 75%.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 67 печатных работах, в числе которых одна монография, одно учебное пособие, 20 статей в журналах, входящих в перечень ВАК, пять авторских свидетельств и один патент, два свидетельства об отраслевой регистрации разработки программного обеспечения в отраслевом фонде алгоритмов и программ РФ, два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, восемь статей в сборниках научных трудов (в т.ч. две статьи в зарубежных изданиях), 27 тезисов докладов в сборниках материалов научно-технических конференций различных уровней.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения с основными выводами по работе, библиографического списка и четырех приложений. Работа изложена на 362 страницах машинописного текста, включает 126 рисунков, 52 таблиц. Библиографический список состоит из 235 наименований.
Похожие диссертации на Развитие научного и методического обеспечения процессов проектирования оборудования и технического контроля производства тканых металлических сеток
