автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Динамическое нагружение валковой пары для интенсификации процесса отжима

Ершов Сергей Владимирович

ДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ВАЛКОВОЙ ПАРЫ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ОТЖИМА

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

^ 1 тн ш

005531089

005531089

Ершов Сергей Владимирович

ДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ВАЛКОВОЙ ПАРЫ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ОТЖИМА

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена на кафедре системного анализа Текстильного института федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный политехнический университет» (ИВГПУ).

Научный руководитель: Калинин Евгений Николаевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой системного анализа Текстильного института ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет» (ИВГПУ)

Официальные оппоненты: Фомин Юрий Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой проектирования текстильного отделочного оборудования Текстильного института ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный

политехнический университет» (ИВГПУ)

Подьячев Алексей Викторович,

доктор технических наук, доцент, и.о. начальника учебно-методического

управления ФГБОУ ВПО Костромской государственный технологический

университет» (КГТУ)

Ведущая организация: Текстильный институт им. А.Н. Косыгина

ФГБОУ ВПО «Московский

государственный университет дизайна и технологии» (МГУДТ).

Защита состоится «27» июня 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.093.01 при ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет» по адресу: 156021, г. Кострома, ул. Дзержинского, д. 17, ауд. 214, тел. (4942)31-69-91, факс (4942)31-70-08, e-mail: mfo@kstu.edu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет».

Автореферат разослан «¿¿}> мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.К. Букалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 оргапов 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.), между-нар. 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.), все-рос. 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. Ди-митровград, 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе нами выполнен аналитический обзор исследований в области валкового оборудования и существующих способов повышения эффективности процессов механического обезвоживания волокнистого материала в валковых устройствах. На основании проведенного анализа нами определен приоритетный путь дальнейшего совершенствования традиционно используемых технологий обработки волокнистых материалов в валковых устройствах - динамический режим нагружения валов.

Проведен анализ существующих механизмов для создания статического и динамического режимов нагружения валов, на основании которого сделан вывод, что динамический режим нагружения валов возможно обеспечить, используя в качестве источника колебаний пьезокерамический преобразователь, т.к. пьезокерамические преобразователи способны создавать нагрузки, обеспечивающие технологический процесс, генерируя при этом высокие частоты механических колебаний.

Во второй главе в соответствии с целью работы нами разработана классификация способов создания технологической нагрузки в зависимости от используемого режима нагружения валов.

В соответствии с классификацией синтезирована концептуальная модель процесса механической обработки волокнистого материала в валковом устройстве при динамическом режиме нагружения валов (рис. 1), которая воспроизводит логику функционирования исследуемой технической системы, ее структуру и свойства элементов, образующих эту систему.

Определены объекты исследования, которые представляют собой 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».

Рис. 1. Концептуальная модель процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковом устройстве при динамическом режиме

нагружения валов

Сделан научно обоснованный выбор метода компьютерного моделирования, в результате которого метод ячеечного моделирования, основанный на математическом аппарате теории цепей Маркова, определен нами как наиболее эффективный, т.к. дает возможность решения поставленной задачи с тре-

буемыми детализацией, вычислительной эффективностью и скоростью расчета.

На основе метода ячеечного моделирования нами разработана модель механического обезвоживания волокнистого материала в валковой паре при статическом режиме нагружения, являющаяся первой стадией моделирования процесса при динамическом режиме нагружения валов.

Основные элементы модельного представления процесса механическо-

щ М^Ахц ш К и2 №2=5Ахи2

Ах

Ах Ах

Рис. 2. Зона контакта валковой пары: 1,2 — валы отжимного устройства; 3 - обрабатываемый материал; 4 - твердый скелет ткани; 5 - свободная влага

На рис. 2 обозначено: hmK - толщина ткани; hc - толщина скелета ткани; hxex- толщина жидкого слоя на входе; hmin - минимальная толщина деформированного слоя ткани в зоне контакта валов; hd - толщина деформированного слоя ткани в сечении d-d, в котором скорость фильтрации и гидравлическое давление равно нулю; VmK - скорость проводки ткани; Уж - скорость жидкости; I - ширина зоны контакта валов; / - величина, характеризующая сечение зоны контакта, где происходит разрыв потока жидкости и скорость фильтрации становится равной нулю; и - концентрация влаги в ячейке; Ах -ширина ячейки; S - высота ячейки; W- влагосодержание ячейки.

В зоне контакта валов выделяем пять основных сечений: a — awe — е-сечения, которые соответствуют входу обрабатываемого волокнистого материала в зону контакта валов и его выходу; с-с- сечение, проходящее по линии, соединяющей центры валов; b-b и d-d- сечения, в которых скорость фильтрации жидкости равна нулю, влево от сечения b-b она отрицательна, вправо — положительна.

Переход к ячеечной модели связан с пространственно-временной дискретизацией процесса. Ширина зоны контакта валов с обрабатываемым волокнистым материалом, заключенная между сечениями а - а и с - с, т.е. тот участок, на котором непосредственно происходит удаление влага из материала, представляется в виде соответствующей ей цепи т-то количества ячеек.

Каждая ячейка считается ячейкой идеального смещения одинаковой длины Ах, у которой все параметры (температура жидкости, плотность материала, влажность материала и др.) равномерно распределены по объему ячейки. В некоторый момент времени распределение частиц жидкости вдоль ширины зоны контакта валов представлено вектором-столбцом массы жидкости в ячейках:

N

w2

ж

где И; - влагосодержание в рассматриваемой ячейке; j — номер рассматриваемой ячейки.

Переход из одного состояния в другое происходит за время одного перехода Л г, который принимается достаточно малым для того, чтобы частицы жидкости в течение перехода могли переместиться из любой рассматриваемой ячейки только в соседние, но не далее. В течение любого отдельно взятого перехода / распределение влаги в материале по ширине зоны контакта валов составляет величину \¥1 и через время Ж изменяется и становится равным IVЭти состояния связаны матричным равенством:

V?- =Р\У, (2)

где Р - переходная матрица:

р=

"0 0 0 0 0 0 0 0 0 1-У

0 0 0 0 0 0 0 0 1-У У

0 0 0 0 0 0 0 1-У V 0

0 0 0 0 0 0 1-У У 0 0

0 0 0 0 0 1-У У 0 0 0

0 0 0 0 1-У V 0 0 0 0

0 0 0 1-У У 0 0 0 0 0

0 0 1-у V 0 0 0 0 0 0

0 1-у V 0 0 0 0 0 0 0

1 V 0 0 0 0 0 0 0 0

(3)

* = (4)

Уж — скорость движения жидкости в капиллярно-пористой структуре волокнистого материала, м/с; Утк- скорость проводки ткани, м/с.

На побочной диагонали матрицы размещены доли влаги, остающиеся в течение какого-то времени А1 в соответствующей ячейке, а ниже ее размещены доли влаги, переходящие в последующую ячейку.

Модель приведена к машинному виду и позволяет рассчитать остаточную влажность волокнистого материала, при известных параметрах процесса для статического режима нагружения валов.

Подключая в ячеечную модель процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковой паре при статическом режиме нагружения дополнительные параметры устройства для создания динамического режима нагружения и детальное описание физических явлений, протекающих в жале валов под действием упругих колебаний, мы получили ячеечную модель переходных состояний процесса массообмена в зоне контакта валковой пары при динамическом режиме нагружения.

Основной величиной, характеризующей динамический режим нагружения, является знакопеременное давление АР, создаваемое механизмом нагружения и являющееся частью удельной нагрузки, необходимой для создания гидравлического давления в жале валов при динамическом режиме нагружения.

Величина знакоперемешюго давления АР зависит от технических характеристик и технологических параметров работы механизма нагружения, который обеспечивает динамический режим нагружения, и от свойств жидкой среды, содержащейся в структуре обрабатываемого волокнистого материала:

АР = 4,6-Ю-3-4рс1, (5)

где р - плотность жидкой среды, кг/м3; с - скорость распространения звуковых волн в среде, м/с; / -интенсивность,Вт/м2:

/ = 2.(тг/?)2рс, (6)

где/- частота упругих колебаний, Гц; — амплитуда смещений, м.

Структура переходной матрицы в ячеечной модели переходных состояний процесса массообмена в зоне контакта валковой пары при динамическом режиме нагружения сохраняется.

Результатом объединения разработанных нами моделей стал программный комплекс для определения параметров процесса массообмена в системе «валковая пара - волокнистый материал - жидкость».

В третьей главе описан численный анализ ячеечной модели переходных состояний процесса массообмена в зоне контакта валковой пары для статического и динамического режимов нагружения валов. Численный анализ модели выполнен нами с использованием языка программирования сверхвысокого уровня системы МмЬаЬ.

Модельный эксперимент выполнен применительно к хлопчатобумажной ткани миткаль арт. 15 при толщине ткани /гт,=0,245 мм и толщине скелета ткани йс=0,087 мм, который состоит из твердых частиц и химически связанной с ними влаги. Условиям численного эксперимента соответствуют: значение скорости ткани Утк=2,5 м/с, значение диаметров валов Д =200 мм и минимальная толщина деформированного слоя ткани /гш,„=0,1 мм.

Условиям модельного эксперимента также соответствуют параметры устройства для создания динамического режима нагружения, генерирующего упругие колебания высокой частоты, такие, как амплитуда смещений £=0,01мм и три значения частоты упругих колебаний / равные 35, 42,5 и 50кГц.

В первой серии опытов нами получены графические зависимости изменения абсолютной поперечной деформации волокнистого материала по ширине зоны контакта валов Ь при изменении значения диаметра валов О (рис. 3) и изменении значения минимальной толщины его деформированного слоя Кы (рис. 4).

Из анализа полученных графиков следует, что при изменении значения диаметра валов В от 200 до 260 мм ширина зоны контакта Ь увеличивается с 7,61 до 8,68 мм, т.е. на 14%. При изменении значения минимальной толщины деформированного слоя обрабатываемого волокнистого материала кт,п от 0,1 до 0,16 мм ширина зоны контакта Ь уменьшается с 7,61 до 5,83 мм, т.е. на 24%.

Полученные на данном этапе модельного эксперимента результаты используются нами для определения гидродинамического давления в зоне контакта валов, скорости продольной фильтрации жидкости через капиллярно-пористую структуру волокнистого материала и его остаточной влажности.

Во второй серии опытов нами получены графические зависимости изменения скорости фильтрации жидкости по ширине зоны контакта валов для статического и динамического режимов нагружения (рис. 5). В результате анализа полученных графиков установлено, что при увеличении частоты колебаний в динамическом режиме нагружения с 0 до 50 кГц скорость фильтрации увеличивается с 3515 до 3930 мм/с, т.е. на 11,8% по сравнению со статическим режимом нагружения.

Ширина зоны контакта валковой пары, мм

Рис. 3. Изменение абсолютной поперечной деформации волокнистого материала по ширине зоны контакта валов Ь в зависимости от значения диаметра

валов £>

Рис. 4. Изменение абсолютной поперечной деформации волокнистого материала по ширине зоны контакта валов Ь в зависимости от значения минимальной толщины его деформированного слоя кШп

4000

■ Г-0 КГЦ J-йО (Гц t*4Z5 КГЦ Т=35*ГЦ

•3000

О

5

10

18

2Q

25

Ширина зоны контакта валковой пары, ячейки

Рис. 5. Изменение скорости продольной фильтрации в капиллярно-пористой структуре волокнистого материала для статического и динамического режимов нагружения

В третьей серии опытов нами получены графические зависимости изменения остаточной влажности волокнистого материала в зоне контакта валов для статического и динамического режимов нагружения (рис. 6). На графике представлена ширина зоны контакта валов с обрабатываемым материалом, заключенная между сечениями а - а и с - с.

Величина остаточной влажности обрабатываемого волокнистого материала на выходе из зоны контакта валов определяется остаточной влажностью материала в сечении d-d (см. рис. 2). Т.к. сечение d-d расположено симметрично сечению Ъ - Ъ относительно диаметральной плоскости валов, то величину остаточной влажности материала на выходе из зоны контакта валов можно определить по величине остаточной влажности материала в сечении

Из анализа полученных графиков следует, что при изменении частоты колебаний в динамическом режиме нагружения от 0 до 50 кГц остаточная влажность волокнистого материала уменьшается с 91 до 88% по сравнению со статическим режимом нагружения, что обеспечивает снижение затрат тепловой энергии при последующем высушивании в сушильных машинах на 10

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.).

Ь-Ъ.

-15%.

Ширина зоны контакта валковой пары от сечения а - а до с-с, ячейки

Рис. 6. Изменение остаточной влажности волокнистого материала в зоне контакта валов

■ Для проверки адекватности и точности результатов модельного эксперимента нами решена задача идентификации разработанной компьютерной модели. С использованием набора средств пакета System Identification Toolbox системы Matlab нами построена линейная математическая модель ml динамической системы «валковая пара - волокнистый материал - жидкость», определяющая взаимосвязь между полученными в результате модельного эксперимента данными. Входным сигналом является нагрузка в зоне контакта валов, выходным - остаточная влажность материала. Модель представляет собой так называемый «черный ящик», в котором взаимосвязь между наблюдаемыми данными определяется корреляционным методом и не отражает физики процесса.

Для оценивания соответствия модели ml данным наблюдений нами определены реакция линейной математической модели ml на входной сигнал в виде единичного скачка и частотная характеристика модели ml, которая определяет реакцию системы на гармонический сигнал, и проанализированы функции распределения модели ml в сравнении с авторегрессиошюй ARX моделью т2 (моделью ошибки уравнения), построенной по тем же входным и выходным сигналам.

Результатом идентификации стало совпадение измеренных и прогнозируемых моделью данных на 87,48%, что свидетельствует об адекватности разработанной нами модели переходных состояний процесса массообмена в зоне контакта валов.

В четвертой главе нами проведен анализ динамической устойчивости колебательной системы «валковая пара — волокнистый материал - жидкость», которую образует валковое устройство, работающее в динамическом режиме нагружения. Анализ выполнен на основе разработанной нами модели упруговязкого взаимодействия валкового устройства с волокнистым материалом, в которой для описания свойств исследуемой динамической системы использованы операторные передаточные функции, а источники внешнего возмущения системы определены технологическими и эксплуатационными параметрами работы валкового оборудования.

В соответствии с критерием Гурвица нами построена карта расположения 1гулей и полюсов характеристического полинома (рис. 7). Расположение всех корней характеристического полинома, т.е. полюсов передаточной функции системы, в левой комплексной полуплоскости свидетельствует об устойчивости системы в целом.

Из анализа построенной нами амплитудно-фазовой характеристики в полярных координатах определена устойчивость системы по критерию Найквиста (рис. 8). График не охватывает начало координат, из чего можно заключить, что колебательная система «валковая пара — волокнистый материал - жидкость» является устойчивой.

Из построенной нами диаграммы Боде определен диапазон безрезонансных рабочих скоростей в заданном диапазоне значений коэффициентов жесткости валов (рис. 9). Из анализа построенной диаграммы следует, что рассматриваемая система, а значит, и режим работы валкового устройства при заданных параметрах характеризуются двумя резонансными состояниями с частотами сокр]=50 рад/с и £0*^=130 рад/с. Угловая скорость валов Ырав равна 25 рад/с и не превышает критической скорости, что свидетельствует об устойчивости колебательной системы «валковая пара — волокнистый материал - жидкость» и отсутствии резонансных состояний при заданных параметрах процесса.

Определена реакция системы «валковая пара - волокнистый материал — жидкость» на периодическое возмущение (рис. 10). Из анализа графической зависимости, характеризующей реакцию системы, следует, что изменение амплитуды колебаний рассматриваемой системы во времени чрезвычайно мало. Это свидетельствует о минимальном вредном воздействии энергии колебательного процесса на валковое устройство.

Результаты исследования динамической устойчивости системы определяют основные концепции расчета виброзащитных характеристик валкового оборудования, работающего в динамическом режиме нагружения, и являются основой для дальнейшего поиска оптимальных условий его эксплуатации.

На основе результатов проведенного исследования нами разработано устройство для создания импульсного режима нагружения исполнительных органов технологических машин, которое защищено патентом РФ на изобретение. Устройство позволяет обеспечить работу валкового оборудования в динамическом режиме нагружения и реализовать процесс механической об-

работки волокнистого материала в валковом устройстве с заданными технологическими параметрами.

Карта нулей и полюсов

0.075-.. 0X152.. 0.038. 0.026 0.018 0X08175

(М.г- 150 _ '-,125 да

0,24.'. ■' / ."50 •'•' V 1Ь '".-" Чоо"

.а:т2:1 - .125

0.075 -•' 0.052" 0.038 0Л2Й 0.01'е 0.003175

-18 -16 -1.« -12 .10-3-6-4-2 О

Действительная ось

Рис. 7. Карта расположения нулей и полюсов полинома Гурвица на комплексной полуплоскости

Диаграмма Найквиста

Рис. 8. Амплитудно-фазовая характеристика системы «валковая пара — волокнистый материал - жидкость» в полярных координатах

Диаграмма Боде

ю ю" ю' Частота (рад/с)

Рис. 9. Диаграмма Боде динамической системы «валковая пара - волокнистый материал - жидкость»

1 0.8 0.6 0.4

Л 02

cd

g 0 J02

•0.4 -0.6 -о а и

71 Г

Импульсная характеристика -!-ГГ

I

ш

MV-i.......ffltf......r/tti.......г

System: W11S5 ; {System: W11 ss ] : System: WI1ss. ! ■ Tme (sec): 0.5 ' "II Time (sec): 6.42 ;■'/ Time (secï 12.6 '

AmpSude: 1.14e-013 ' f! Amplitude: -2.44e-013 | f Ampläude: -4.4e-013 : I--M 1:.... :..;;.-

System: W11 ss I : ¡System: Wllss i : ISystem W11ss ..VTimeCsecï 2.01 !...>!т»пв(звс*8Л8 Time (sec* 14.2

; : Amplitude: 1,4e-012 ;! AirpKude: 9.71 e-013 ; ; i Ampltude: 626e-013

ЩТШШ1

ю\

: i !'■ ; v/j

10 12 14 16 18 20 Время (с)

Рис. 10. Импульсная характеристика системы «валковая пара - волокнистый

материал - жидкость»

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В работе установлена возможность применения динамического режима нагружения валов при обработке волокнистого материала в валковом устройстве. Доказано, что динамический режим нагружения повышает эффективность массообменного процесса в зоне контакта валов и оказывает при этом минимальное вредное воздействие на само валковое устройство, не нарушая его работоспособности.

2. На основе результатов анализа разработанной компьютерной модели переходных состояний процесса массообмена, протекающего при обработке волокнистого материала в валковом устройстве, установлено, что использование динамического режима нагружения способствует уменьшению остаточной влажности материала с 91 до 88% при одних и тех же входных параметрах процесса, что обеспечивает снижение на 10 — 15% затрат тепловой энергии при последующей обработке в сушильном оборудовании.

3. Из анализа разработанной модели упруговязкого взаимодействия валкового устройства с волокнистым материалом определен диапазон безрезонансных рабочих скоростей валкового устройства, работающего в динамическом режиме нагружения. Установлено, что динамический режим работы валкового устройства характеризуется двумя резонансными состояниями с частотами а>крг=50 рад/с и а>кр2=130 рад/с, а рабочая частота валкового устройства сораб=25 рад/с соответствует докритическому режиму его эксплуатации.

4. На основе проведенного анализа процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковом устройстве как динамической колебательной системы «валковая пара — волокнистый материал - жидкость» установлены динамические характеристики конструкционных материалов и сборочных единиц валкового устройства, обеспечивающие устойчивые функциональные параметры валкового оборудования, работающего в динамическом режиме нагружения.

5. Разработана методика проектирования, в основе которой лежат созданные нами алгоритмы, реализованные в компьютерных программах, позволяющие провести комплексный анализ процесса обработки волокнистого материала в валковом устройстве, работающем в динамическом режиме нагружения, и являющиеся основой для проектирования валковых устройств с заданными технологическими параметрами.

6. Разработаны устройства для создания динамического режима нагружения исполнительных органов технологических машин, позволяющие обеспечить работу валкового оборудования в динамическом режиме нагружения (патенты РФ на изобретения №2371531, №2435992) со следующими технологическими параметрами: создаваемая нагрузка Г 30^50 кН, частота колебаний/35^50 кГц, амплитуда колебаний £ 10-Н10 мкм.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК РФ

1. Ершов, C.B. Концептуальная модель процесса механического воздействия на текстильный материал в валковом устройстве с динамическим режимом нагружения / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. -2011. - №7. - С. 118 — 120.

2. Ершов, C.B. Синтез ячеечной модели массообмена в процессе обезвоживания волокнистого материала распределенным давлением / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности.-2011,-№6.-С. 118-121.

3. Ершов, С.В Компьютерный анализ ячеечной модели процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковой паре / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2012,- №1,- С. 137 - 140.

4. Ершов, C.B. Компьютерная модель переходных состояний процесса массообмена в зоне контакта валковой пары / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2012.- №2.- С. 117-120.

Статьи в научных сборниках и материалах конференций

5. Ершов, C.B. О динамическом режиме нагружения исполнительных органов технологических машин / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Вестник научно-промышленного общества - М. : Алев-в, 2011.-Вып. 15.-С. 73 -75.

6. Ершов, C.B. Интеграция SimMechanics с приложениями MatLab, написанными на языке m / C.B. Ершов, Е.С. Константинов // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2008): сборник материалов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. - Иваново: ИГТА, 2008. - 4.2 С. 248 - 249.

7. Ершов, C.B. Оптимизация системы силового нагружения валковой машины / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2010): сборник материалов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. — Иваново: ИГТА, 2010 -4.2 С. 207.

8. Ершов, C.B. Повышение эффективности процесса механической обработки текстильного материала распределенным давлением / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона (Лен - 2010): сборник материалов международной научно-технической конференции. - Кострома: КТТУ, 2010. - С. 119-120.

9. Ершов, C.B. Устройство для создания импульсного режима нагружения исполнительных органов валковой машины / C.B. Ершов, E.H. Ка-

лшшн // Текстиль XXI века: тезисы докладов девятой всероссийской научной студенческой конференции. - М.: Ml "ГУ им. А.Н. Косыгина, 2010. - С. 91.

10. Ершов, C.B. Устройство для обработки текстильного материала методом создания импульсного режима нагружения исполнительных органов технологических машин / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС - 2010): сборник материалов международной научно-технической конференции. - Иваново: ИГТА, 2010. — 4.2 С. 181.

11. Ершов, C.B. Повышение эффективности процесса механической обработки текстильного материала распределенным давлением / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности: тезисы докладов II международной научно-практической конференции. - М.: МГУДТ, 2010. - С. 91 - 93.

12. Ершов, C.B. Интенсификация механического воздействия рабочих органов технологических машин на обрабатываемый текстильный материал / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Студенты и молодые ученые КГТУ — производству: сборник материалов 62-й Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов. - Кострома: КГТУ, 2010. — С. 56 -57.

13. Ершов, C.B. Интенсификация процесса механической обработки текстильного материала распределенным давлением / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Современные технологии и оборудование текстильной промышленности: тезисы докладов международной научно-технической конференции. — М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2010. - С. 179 - 180.

14. Ершов, C.B. Ячеечная модель процесса механического обезвоживания ткани / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2011): сборник материалов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. — Иваново: ИГТА, 2011. - 4.2 С. 292.

15. Ершов, C.B. Устройство для создания динамического режима нагружения исполнительных органов технологических машин / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности: материалы международной научной конференции. - Витебск, ВГТУ, 2011. — 4.2 С. 168- 170.

16. Ершов, C.B. Анализ ячеечной модели валкового отжима текстильного материала в режиме статического нагружения / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности (ПОИСК - 2012): сборник материалов межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов. - Иваново: ИГТА, 2012 — 4.2 С. 216-217.

17. Ершов, C.B. Идентификация ячеечной модели процесса валкового отжима текстильного материала / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС - 2012): сборник материалов международ-

ной научно-технической конференции. - Иваново: ИГТА, 2012 - 4.2 С. 171 -172.

18. Ершов, C.B. Компьютерное моделирование процесса массообме-на через капиллярно-пористую структуру волокнистого материала в зоне контакта валковой пары / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Студенты и молодые ученые КГТУ - производству: сборник материалов 64-й Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов. - Кострома: КГТУ, 2012-С. 81.

19. Ершов, C.B. Метод ячеечного моделирования как инструмент численного анализа массообмена при отжиме текстильного материала в валковой паре / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции. - Димитровград: ДИТИНИЯУ МИФИ, 2012.-С. 14-18.

20. Ершов, C.B. Использование механических колебаний как фактора интенсификации массообменных процессов в технологии обработки капиллярно-пористых структур / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Динамика машин и рабочих процессов: сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. - С. 96 - 98.

21. Ершов, C.B. Компьютерное моделирование процесса механического обезвоживания текстильного материала в валковой паре / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Инновации молодежной науки: сборник материалов Всероссийской научной конференции молодых ученых. - СПб: СПГУТД, 2012.

22. Ершов, C.B. Теоретические основы оптимального проектирования динамических роторных систем методом моделирования и анализа нестационарных состояний массообменных процессов / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Актуальные проблемы науки в развитии инновациошшх технологий (Лен — 2012): сборник материалов международной научно-технической конференции. - Кострома: КГТУ, 2012.

23. Ершов, C.B. Синтез и численный анализ компьютерной модели нестационарных состояний массообменных процессов при обработке волокнистых материалов в валковой паре / C.B. Ершов, E.H. Калинин // Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ - 2012): сборник материалов международной научно-технической конференции. - М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2012. - С. 42 - 43.

Патенты и свидетельства

24. Пат. 2371531 Российская Федерация, МПК D06B 15/02. Устройство для обработки длинномерных материалов давлением/ Ершов C.B., Калинин E.H. [и др.] ; заявитель и патентообладатель Ивановская государственная текстильная академия. - №2008125373/12 ; заявл. 23.06.2008 ; опубл. 27.10.2009, Бюл. №30.

25. Пат. 2435992 Российская Федерация, МПК F15B 21/12, В06В 1/18. Устройство для создания импульсного режима нагружения исполни-

тельных органов технологических машин / Ершов C.B., Калинин E.H. [и др.] : заявитель и патентообладатель Ивановская государственная текстильная академия. - №2010115551/06 ; заявл. 19.04.2010 ; опубл. 10.12.2011, Бюл. №34.

26. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012618393. Программный комплекс для определения параметров процесса массообмена в системе «волокнистый материал - валковое устройство» : заявка № 2012616323 от 24.07.2012 РФ / C.B. Ершов, E.H. Калинин, Е.С. Константинов (РФ). - Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 17.09.2012.

Подписано в печать /¿PPf.JP/3 Формат 1/16 60x84. Бумага писчая. Плоская печать. Усл. печ. л. 1,28. Уч. - изд. л. 1,26. Тираж 80 экз. Заказ № ЗМЯ

Редакционно-издательский отдел Текстильного института ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет» Копировально-множительное бюро 153000, г. Иваново, Шереметевский пр., 21

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ивановский государственный политехнический университет» ТЕКСТИЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ (Текстильный институт ИВГПУ)

ДИНАМИЧЕСКОЕ НАГРУЖЕНИЕ ВАЛКОВОЙ ПАРЫ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ОТЖИМА

Специальность 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

На правах рукописи

Ершов Сергей Владимирович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Д.т.н., профессор Калинин Е.Н.

Иваново 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАР АКТЕРИСТИКА РАБОТЫ....................................... 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................................................................... 11

1.1. Обзор исследований в области валкового оборудования............... 11

1.2. Обзор способов повышения эффективности процессов обработки волокнистого материала в валковых устройствах........................ 14

1.3. Анализ механизмов для создания статического режима нагруже-ния................................................................................. 16

1.4. Анализ механизмов для создания динамического режима нагруже-ния................................................................................. 17

1.5. Постановка цели и задач исследования..................................... 24

2. СИНТЕЗ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПЕРЕХОДНЫХ СОСТОЯНИЙ ПРОЦЕССА МАССООБМЕНА ПРИ ОБЕЗВОЖИВАНИИ ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА В ВАЖОВОЙ ПАРЕ............................. 25

2.1. Разработка концептуальной модели процесса взаимодействия волокнистого материала с валковым устройством, работающим в динамическом режиме нагружения......................................... 25

2.2. Выбор и обоснование метода компьютерного моделирования........ 30

2.3. Анализ процесса обезвоживания волокнистого материала в зоне контакта валов.................................................................. 31

2.4. Разработка ячеечной модели процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковой паре при статическом режиме нагружения.............................................................. 34

2.5. Разработка ячеечной модели переходных состояний процесса мас-сообмена при обезвоживании волокнистого материала в валковой паре................................................................................ 38

2.6. Разработка алгоритма компьютерной реализации ячеечной модели

переходных состояний процесса массообмена при обезвоживании волокнистого материала в валковой паре................................. 41

3. АНАЛИЗ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ПЕРЕХОДНЫХ СОСТОЯНИЙ ПРОЦЕССА МАССООБМЕНА ПРИ ОБЕЗВОЖИВАНИИ ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА В ВАЖОВОЙ ПАРЕ...................... 45

3.1. Планирование модельного эксперимента.................................. 45

3.2. Экспериментальное исследование компьютерной модели переходных состояний процесса массообмена при обезвоживании волокнистого материала в валковой паре........................................ 46

3.2.1. Определение поперечной деформации волокнистого материала

по ширине зоны контакта валов........................................ 49

3.2.2. Определение скорости фильтрации жидкости по ширине зоны контакта валов.............................................................. 49

3.2.3. Определение остаточной влажности волокнистого материала... 52

3.3. Идентификация ячеечной модели переходных состояний процесса массообмена при обезвоживании волокнистого материала в валковой паре........................................................................... 53

3.3.1. Особенности задач идентификации.................................... 53

3.3.2. Решение задачи идентификации ячеечной модели переходных состояний процесса массообмена при обезвоживании волокнистого материала в валковой паре.................................... 54

4. КОМПЬЮТЕРНЫЙ АНАЛИЗ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ «ВАЛКОВАЯ ПАРА - ВОЛОКНИСТЫЙ МАТЕРИАЛ - ЖИДКОСТЬ»........ 60

4.1. Воздействие переходных процессов на систему «валковая пара -волокнистый материал - жидкость»........................................ 60

4.2. Разработка модели упруго-вязкого взаимодействия валкового устройства с волокнистым материалом......................................... 62

4.3. Компьютерный анализ модели упруго-вязкого взаимодействия валкового устройства с волокнистым материалом....................... 68

4.3.1. Проверка устойчивости системы «валковая пара - волокнистый материал - жидкость» по критерию Гурвица................. 71

4.3.2. Проверка устойчивости системы «валковая пара - волокнистый материал - жидкость» по критерию Найквиста............... 73

4.3.3. Исследование резонансных состояний системы «валковая пара

- волокнистый материал - жидкость»................................. 75

4.3.4. Исследование импульсной характеристики системы «валковая пара - волокнистый материал - жидкость»........................... 77

4.4. Разработка устройства, позволяющего обеспечить работу валкового оборудования в динамическом режиме нагружения................. 78

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ....................................... 86

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................. 88

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 104

Приложение 1. Программный комплекс для определения параметров процесса массообмена в системе «волокнистый материал - валковое

устройство»......................................................................... 105

Приложение 2. Модель упруго-вязкого взаимодействия валкового

устройства с волокнистым материалом....................................... 108

Приложение 3. Патенты РФ на изобретения................................. 124

Приложение 4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.................................................................. 128

Приложение 5. Акт о внедрении результатов работы в учебный процесс................................................................................... 129

Приложение 6. Акт об апробации результатов работы в производственных условиях................................................................... 130

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 ее равномерностью в обрабатываемом волокнистом материале.

Из результатов исследований и практик эксплуатации текстильного отделочного оборудования известно, что каждому проценту уменьшения остаточной влажности волокнистого материала при механическом обезвоживании соответствует 3 - 5% снижения затрат тепловой энергии при последующей обработке в сушильных машинах. 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 между собой 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 вдоль зоны контакта валов с обрабатываемым волокнистым материалом. Это определяет актуальность дальнейшего совершенствования методов проектирования валкового оборудования сред-

ствами компьютерного моделирования, являющимися основой для принятия оптимальных технических решений.

Таким образом, научные исследования, направленные на совершенствование процесса механической обработки волокнистого материала в валковых устройствах и развитие методов компьютерного моделирования, как основы для принятия оптимальных технических решений, являются в настоящее время актуальными.

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 упруго-вязкого взаимодействия валкового устройства с волокнистым материалом, позволяющей определить устойчивость работы валкового устройства, работающего 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, на основе матричной математики, методов идентификации механических систем, численных методов компьютерного исследования динамических моделей средствами системы инженерных и научных расчетов.

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 упруго-вязкого взаимодействия валкового устройства с волокнистым материалом, позволяющая определить устойчивость работы валкового оборудования, работающего в динамическом режиме нагружения;

• созданы алгоритмы, реализованные в компьютерных программах, позволяющие провести комплексный анализ процесса механического обезвоживания волокнистого материала в валковом устройстве, работающим 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 ВМ 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 Всероссийском семинаре по теории машин и механизмов Костромского филиала РАН РФ (г. Кострома, КГТУ, 2012 г.), на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» Поиск - 2008, Поиск - 2010, Поиск - 2011, Поиск - 2012 (г. Иваново, ИГТА, 2008 - 2012 г.), на международных научно-технических конференциях Прогресс - 2010, Прогресс - 2012 (г. Иваново, ИГТА, 2010 — 2012 г.), на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий» Лен - 2010, Лен -2012 (г. Кострома, КГТУ, 2010-2012 г.), на научно-технических конференциях молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» (г. Кострома, КГТУ, 2010-2012 г.), на всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» (г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина,

2010 г.), на международных научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» Текстиль - 2010, Текстиль - 2012 (г. Москва, МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2010 г.), на международной научно-практической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности» (г. Москва, МГУДТ, 2010 г.), на международной научной конференции «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» (г. Витебск, ВГТУ, 2011 г.), на международной научно-технической конференции «Инновации и перспективы сервиса» (г. Уфа, УГАЭС, 2011 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике» (г. Димитровград, ДИТИ НИЯУ МИФИ, 2012 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Динамика машин и рабочих процессов» (г. Челябинск, ЮУрГУ, 2012 г.), на всероссийской научной конференции молодых ученых «Инновации молодежной науки» (г. Санкт-Петербург, СПГУТД, 2012 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 26 печатных работах, в том числе: 4 статьи в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», который входит в перечень периодических изданий ВАК, 5 статей в сборниках научных трудов, 14 тезисов на научно-технических конференциях, 2 патента РФ на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Публикации полностью отражают основное содержание работы.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 130 страницах, содержит 4 основных главы, общие выводы и рекомендации, список литературы на 141 наименование, 6 приложений, включает 31 рисунок и 1 таблицу.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Обзор исследований в области валкового оборудования

Научно-исследовательские работы в области валкового оборудования проводились в направлении разработки методов его проектирования и имели целью повышение технико-экономических показателей технологических процессов с возможностью их научно-обоснованного прогноза.

Так, исследования в области механики валковых механизмов (модулей) проводились Г.К. Кузнецовым и рядом авторов [1...4]. Выявлены силовые режимы работы этих механизмов для нескольких схем кинематического взаимодействия валов и обрабатываемого материала, изложены вопросы теории распределения напряжений по поверхности контакта валов при различной степени жесткости покрытий. Силовой анализ валковых механизмов с учетом стационарности их работы и уравновешенности звеньев проводился статистическими методами и заключался в определении главного вектора и главного момента нормальных и касател