автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка метода контроля зоны чесания валичной чесальной машины

На правах рукописи УДК 677.051.4.001.57

БОЙКО СВЕТЛАНА ВИКТОРОВЫ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ЗОНЫ ЧЕСАНИЯ ВАЛИЧНОЙ ЧЕСАЛЬНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.02.13 -машины и агрегаты (лёгкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

КОСТРОМА 1998

Работа выполнена

в Костромском государственном технологическом университете.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Травин Георгий Михайлович

кандидат технических наук, доцент Гусев . Вадим Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Рудовский Павел Николаевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кулёмкин Юрий Васильевич

Ведущая организация: Костромское специальное

конструкторское бюро текстильных машин.

Защита состоится <.<23»^./«¿¿г^Ь ^ 1998 г. в /о часов на заседании диссертационного совета' К 063.89.01 в Костромском государственном технологическом университете, аудитория ¿-74 .

Адрес: 156005, г. Кострома, ул. Дзержинского, 17. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан «<=&?» ¿уэ£г 1998г.

Отзывы по настоящему автореферату, заверенные печатью учреждения, в двух экземплярах просим присылать в адрес университета.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Для повышения эффективности и надёжности юцесса чесания, возможности контроля качества выходного продукта, химизации параметров, характеризующих процесс в целом и его отдельные апы, необходимо создание адаптивных устройств обратной связи для прерывного автоматического слежения за процессом и введения поправок на оде для устранения отклонений от требуемого значения на выходе, ¡сальный аппарат в этом случае необходимо рассматривать как сложную намическуго систему с несколькими входами и выходами.

Оперативное управление такой системой может быть обеспечено только 'И наличии определённой информации о ней, причём параметры, несущие эту [формацию, должны наиболее полно характеризовать процессы и взаимосвязи ;истеме.

О связи параметров процесса чесания с техническим состоянием машины вестно с 50-х г.г. из исследований С.С. Иванова, Д. Кауфмана, И. Коритысского и других. Большой вклад в выявление количественных зисимостей параметров процесса от параметров технического состояния шины внесли Г.О. Лежебрух, Э.Д. Кофман, Г.И. Карасёв, И.Г. Борзунов, Б. Оренбах и другие. На основе их исследований разработаны методы и едства контроля отдельных технологических и динамических показателей боты чесальных машин.

Известно, что на процесс формирования зоны чесания - пространства жду рабочими органами, в котором происходит взаимодействие локнистого материала с чешущими поверхностями рабочих органов, -«шческое состояние машины оказывает значительное влияние.

Но не существует параметров, способных в полной мере арактеризовать зону чесания, и методов её контроля, разработанных на нове таких параметров.

Возможность контроля чонч чесан:;,'! :: процесса её формирования зволит прогнозировать основные технологические параметры процесса сания, оптимизировать его и получать конечный продукт с заданными эйствами. Кроме того, лучшее представление геометрических параметров зы чесания даст возможность расширить диапазон проектно-кструкторских изысканий.

Актуальность темы диссертационной работы заключается в том, что она правлена на совершенствование методов управления процессом чесания гсокнистых материалов на основе разработки диагностического комплекса ктроля зоны чесания между рабочими органами, тесно связанной с шическим состоянием валичной чесальной машины.

Предмет исследования. Предметом исследования является техническое и методическое обеспечение контроля зоны чесания, как интегрального метода оценки технического состояния валичной чесальной машины.

Объек/И исследования. В качестве объекта исследования в работе выбрана зона чесания валичной чесальной машины и процесс её формирования.

Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование контроля технического состояния и управления процессом чесания на валичных чесальных машинах на основе модели процесса формирования зоны чесания и метода контроля параметров этой зоны.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• анализ и систематизация факторов, наиболее полно отражающих протекание процесса чесания, чутко реагирующих на изменение его параметров и оказывающих существенное влияние на качественные показатели выходного продукта;

• описание и исследование зоны чесания между рабочими органами как интегрального параметра технического состояния валичной чесальной машины, определение факторов, влияющих на процесс её формирования, и параметров, количественно её оценивающих;

• экспериментальное подтверждение взаимосвязи между параметрами зоны чесания, параметрами процесса и качественными показателями продукта;

• разработка модели процесса формирования зоны чесания, проведение модельного эксперимента с целью её оптимизации;

® обоснование метода комплексной количественной оценки зоны чесания.

Методы исследования. Работа содержит анализ отечественной и иностранной научно-технической и патентной литературы, теоретические и экспериментальные исследования.

Теоретическая часть диссертации выполнена с использованием методов элементарной геометрии и тригонометрии, интегрального исчисления, приближённых методов вычислений, теории случайных величин и случайных процессов, методов математической статистики, теории конформных преобразований. Для обработки результатов и построения модели использована персональная ЭВМ: написан ряд программ на языке PASCAL, использована система математических расчётов MathCAD. На основе разработанной математической модели создан алгоритм расчёта основных параметров процесса чесания, который может быть реализован в виде программного продукта.

Для подтверждения теоретических исследований проведены стендовые эксперименты на базе бытовой валичной чесальной машины для шерсти. Использованы как модернизированные стандартные методики для определения коэффициентов распределения и съёма, параметров процесса

чесания, так и авторская методика для определения разводки между рабочими органами валичной чесальной машины.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые в качестве интегральных параметров оценки технического состояния валичной чесальной машины, адекватно отражающих реальные процессы, происходящие в ней, предложены и обоснованы характеристики зоны чесания - её площадь и объём. Новые научные положения отражаются в том, что:

• предложен вероятностный подход к описанию технического состояния валичной чесальной машины;

• на основе полученного экспериментальным путём материала доказано, что разводка между рабочими органами чесальной машины является случайной величиной, закон распределения которой близок к нормальному;

• доказано, что процесс формирования зоны чесания является случайным процессом, который можно описать функциями площади и объёма зоны чесания, доказаны свойства стационарности, нормальности и апериодичности процесса;

® для валичной чесальной машины ЧБВ с применением теории цепей Маркова получены регрессионные зависимости, связывающие параметры процесса чесания и качественные показатели чесальной ленты с параметрами технического состояния машины;

• получена модель процесса формирования зоны чесания и на её основе предложен алгоритм расчёта параметров процесса и показателей качества выходного продукта, найдены регрессионные зависимости между геометрическими параметрами рабочих органов и площадью зоны;

• предложен метод контроля зоны чесания, основанный на измерении ёмкости между рабочими органами валичной чесальной машины;

• техническое состояние чесальной машины предложено описывать с помощью матрицы состояний, элементами которой являются средние значения с5ъс:.;сб в каждой зоне чесания, их средние квадратические отклонения и функции спектральных плотностей.

Практическая значимость:

• предложенный способ описания зоны чесания, введение понятий площади и объёма этой зоны позволяют расширить диапазон проектно -конструкторских исследований;

• модель процесса даёт возможность прогнозировать результаты процесса и . показатели качества выходного продукта на основе небольшого числа

начальных данных;

• предложенный метод контроля зоны чесания между рабочими органами валичной чесальной машины позволяет при создании комплекса на базе ЭВМ диагностировать объёмы зон чесания между рабочими органами машины как на стадии её изготовления, так и при эксплуатации,

техническом обслуживании и ремонте; контроль может производиться как в статическом, так и в динамическом режимах;- •

• система контроля, созданная на основе предложенного способа модернизации узла регулировки разводок между рабочими органами может быть использована в качестве базы для последующей разработки системы автоматического регулирования и контроля состояния рабочих зон валичной чесальной машины, обеспечения стабильности процесса чесания и полунения продукта с заданными параметрами.

Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены

• на заседаниях кафедры технологии конструкционных материалов и ремонта •текстильных машин Костромского государственного технологического университета;

• на всероссийской научно - технической конференции «ЛЁН - 96», Костромской государственный технологический университет;

• на международной научно - технической конференции «ПРОГРЕСС - 94», Ивановский государственный технологический институт;

• на семинаре по теории машин и механизмов Академии наук России (Костромской филиал).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в семи публикациях, в том числе в трёх статьях и четырёх тезисах докладов на всероссийских и международных научно - технических конференциях.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения,- изложенных на 150 страницах машинописного текста, включающих 36 рисунков, 15 таблиц, 5 приложений и списка литературы из 92 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы предмет, объект, цель и задачи исследования, представлены методы исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

Здесь же описаны основные методы исследования процесса чесания волокнистых материалов, трудности, возникающие в ходе исследования, обоснована необходимость системного подхода к процессу, дан анализ существующих моделей процесса.

В 1-й главе исследована возможность использования разводки между -рабочими органами чесальной машины в качестве параметра контроля процесса чесания волокнистого материала.

Проведён обзор литературы, изданной в России за последние 20 лет, и выявлены:

• с одной стороны, показатели качества выходного продукта и параметры процесса, наиболее чувствительные к изменению разводки;

• с другой стороны, факторы, существенно влияющие на величину и стабильность разводки.

Дан анализ результатов исследований величины и стабильности разводки во всех зонах чесания чесальных машин, аналитических и эмпирических зависимостей, связывающих:

• разводку и параметры процесса чесания, такие, как коэффициенты распределения и съёма, величина усилия чесания, дуга чесания и др.,

• разводку и качественные параметры выходного продукта, такие, как засорённость, количество узелков, неровнота ленты и др.

Наряду с эти?Л особое внимание уделено факторам, определяющим в свою очередь величину и стабильность разводок.

Предварительный анализ условий стабильности разводок и выявление причин их нарушения показали, что предпосылки для их изменений заложены как в конструкции чес&теной машины, так и в ходе самого процесса чесания.

Дана классификация основных факторов, влияющих на изменение величины разводки, они разделены на 3 группы: конструктивные, монтажные, эксплуатационные.

К конструктивным факторам отнесены, например, наличие продольных рёбер жёсткости и кольцевых приливов, разностенность барабанов, класс точности машины и др.

Монтажные факторы нарушения разводок возникают при сборке отдельных узлов машины в единый агрегат. К ним отнесены эксцентричность рабочих органов, их недостаточная статическая и динамическая балансировка, неравномерная обтяжка ЦМПЛ и др.

В ходе эксплуатации машины п ре;:;;;;»;с высоких скорооей проявляются вибросмещения различных узлов, вспучивание обечайки главного барабана,' деформации деталей и др., которые отнесены к эксплуатационным факторам.

На основе имеющегося экспериментального материала, полученного ведущими исследователями технологии процесса чесания и процессов' взаимодействия механизмов чесальных машин (Г.О. Лежебрух, Э.Д. Кофман, С.Б. Оренбах, М.И. Худых, Н.М. Ашнин, Н.И. Труевцев и другие) установлены способы расчёта и величины предельных значений изменения разводки в результате воздействия тех или иных факторов.

Использованные зависимости получены главным образом на основе результатов одно- и многофакторных экспериментов. Такой подход не позволяет воспользоваться полученными соотношениями для обобщённого •анализа технического состояния машины и прогнозирования результатов

процесса чесания в целом. Кроме того, в реальных условиях происходит воздействие на разводку большого количества связанных и не связанных между собой факторов, наложение их друг на друга, приводящее к непредсказуемому изменению величины разводки.

На основании анализа работ, посвященных этой научной проблеме, сформулированы цель, объект, предмет и задачи исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям, направленным на выявление зависимостей между разводкой и параметрами процесса чесания.

Эксперименты проведены на стенде, созданном на базе бытовой валичной кардочесальной машины для шерсти ЧБВ производства Орловского завода ТЕКМАШ. Стенд оснащён регулируемым трёхдвигательным приводом, позволяющим приводить в движение приёмный, главный и съёмный барабаны независимо друг от друга.

В ходе экспериментов были решены следующие задачи:

1. Разработана методика определения разводки • между рабочими органами валичной чесальной машины, с использованием в качестве регистрирующих элементов однородных однослойных тонколистовых материалов малой твёрдости.

2. Установлены регрессионные зависимости между величиной разводки и коэффициентами распределения и съёма, для чего на машине ЧБВ проведены эксперименты в зонах "главный барабан - рабочий валик" и "главный барабан -съёмный барабан".

Сырьём для экспериментов послужила смесь 80% шерсти и 20% вискозы.

Установкой различных разводок между рабочими органами произведено моделирование двух реальных ситуаций:

• разводки неточные, но равномерные по ширине рабочих органов;

• разводки неточные и неравномерные по ширине (результат монтажных перекосов).

В основу проведения экспериментов положена методика -'М.В.Эммануэля, согласно которой коэффициенты распределения и съёма определяются в зависимости от величин питающей, остаточной загрузки и загрузки рабочего валика. Методика определения загрузок основана на взвешивании волокнистого материала, вычесанного с определённых участков поверхностей главного барабана и рабочего валика.

3. По результатам экспериментов на основе теории цепей Маркова рассчитаны параметры процесса чесания. Построена матрица перехода за один шаг (1), дающая вероятностную картину возможных перемещений волокна. Дальнейшие преобразования матрицы перехода (приведение её к каноническому виду, обращение и др.) позволили вычислить следующие параметры процесса чесания:

среднее число раз К, которое волокно будет проходить точки чесания, прежде чем оно перейдёт на съёмный барабан, т.е. кратность чесания волокна на валичной машине;

Р(1) =

Га ?! 0 0 0

0 Рг Чг 0 0

0 0 Р} Чг 0

<?4 0 0 0 Ра

1о 0 0 0 1

(1)

> время Г„ необходимое для прохождения волокна по пути "главный барабан -рабочий валик - чистящий валик - главный барабан";

' среднее время циркуляци волокна на ¡-й рабочей паре;

> среднее время Т прохождения волокна через валичную машину;

> другие.

Величины ЛГ и Тявляются количественными характеристиками смешивающей и ¡ыравнивающей способности чесальной машины.

4. Установлена зависимость качества выходного продукта от точности [астройки как одного из факторов, определяющих уровень технического состояния машины. Показателем качества выбрана неровиота по массе, :онтроль которой осуществлялся на автоматизированном лабораторном :омш^ :е КЛА «Текстроника». Получены диаграмма массы реализации, »пределен коэффициент вариации по массе для различных длин отрезков градиент неровноты), построен спектр неровноты по массе для различных шин волн.

С целью проверки гипотезы о случайном характере изменения разводки кспернментальные . данные подвергнуты статистической обработке. 1араллельно обработаны результаты экспериментов, проводившихся ранее на том же экспериментальном стенде, в ходе которых измереши разводок >сушествлены через биения обечаек рабочих оргяноп.

С помощью непараметрических критериев и критериев согласия юдтверждены гипотезы о случайном характере разводки, о воспроизводимости [змерений, о близости закона распределения случайной величины к юрмальному.

На основании экспериментальных исследований сделав вывод о ¡едостаточной информативности разводки между рабочими органами реальной машины как интегрального параметра оценки технического остояния машины.

\

В третьей главе исследован процесс формирования зоны чесания -зазора между рабочими органами, в кртором происходит процес« взаимодействия волокнистого материала с чешущими поверхностями.

Из описания процесса сделан вывод, что на величину зоны чесани; оказывают влияние:

геометрические параметры машины (размеры рабочих органов, толщинь стенок, количество Продольных приливов и др.);

параметры гарнитур, которыми обтянуты рабочие органы (высота и уты наклона зуба или иглы, тип гарнитуры и др.);

параметры волокнистого материала (длина волокна, коэффициент трени: волокна о материал гарнитуры и др.);

(к

Рис.1. Поперечное сечение зоны чесания «главный барабан - рабочий валик».

параметры процесса чесания (технологические разводки, скорости бочих органов машины, вибрации машины и отдельных узлов и др.).

Рис.2. Зона чесания «главный барабан - рабочий валик».

Для количественной оценки величины зоны чесания введены понятия пощади и объёма этой зоны. Площадью зоны чесания названа площадь риволинейного четырёхугольника АВСО (рис. 1), образованного дугами гсания, соответствующими точке 03 на главном барабане. Объёмом зоны есания назван объём тела (рис. 2), образованного цилиндрическими ОЕсрхисстями рабочих органов вдоль дуг чесания на поверхности главного арабана, соответствующей образующей, содержащей точку ОЗ, и лоскостями, проходящими через торцевые плоскости барабанов.

Сделан вывод о том, что в силу большого числа факторов, оказывающих пияние на процесс формирования зоны чесания, практически невозможно становить её точные размеры в заданный момент времени. Любая фигура в оперечной плоскости, подобная изображённой на рис.1, и любое тело в ространстве, подобное изображённому на рис.2, являются лишь вариантами из ;ножества возможных. На основании этого предложено процесс юрмирования зоны чесания считать случайным, и для его описания применять ¡.точтностные модели.

Формулы для расчёта площади и объёма выведены на основе имеющихся формул для вычисления дуг чесания с некоторым их видоизменением и дополнением. Алгоритм расчёта основан на применении формул планиметрии, теорем синусов и косинусов и соотношений в прямоугольном треугольнике. После преобразований формула для вычисления площади зоны чесания приняла вид:

5 = 0.5- {(П,-8т(у/,) + КгБт((рд) ■ [Кг(1-Соз(у/,)) + Яг(1-Соз(<р,)) +

а] + (Я,-8^(4/1) + Яг8т(<р2)) • [Иг(1-Со$(у/^) + Яг(1-Со5(^) + а] - (2)

0.5-Н, ■ (2 у,- Бт (2 у/,) + 2 \{/2 - Зт(2 у/^) - 0.5-Я2 -(2(р, - 5т(2<р,) + 2 ср2

-Бт(2(р2))},

где

Я;, Я2 - радиусы рабочих органов,

VI, №, 9! ,ф2 - углы чесания рабочих органов до и после линии центра.

Объём зоны чесания найден суммированием по формуле трапеций элементарных площадей, вычисленных вдоль дуги чесания для каждой точки образующей барабана:

й/5^/2 +5/2+ + ... +^7, (3)

Для вычисления площадей и объёма создана программа на языке РАБКАЬ.

Алгоритм вычисления и расчётные формулы (2) и (3) наглядно показали, что площадь и объём зоны чесания являются функциями, зависящими от ряда переменных:

5 = ДО,, Я2, а, г, К а, /3);

V = У(Я,, Я2, а, г, Н, а, Д

где

Я], Я2 - радиусы рабочих органов,

а - высота подъёма волокна над поверхностью главного барабана,

г - разводка между рабочими органами,

Ъ - высота зуба гарнитуры,

а - критический угол чесания,

Р - угол наклона зуба гарнитуры.

Часть этих переменных детерминированные, например, радиусы барабанов и угол наклона зуба гарнитуры, а часть - случайные, например, разводка между рабочими органами, высота подъёма волокна над поверхностью главного барабана. Следовательно, функции площади и объёма являются случайными функциями, описывающими процесс формирования зоны чесания.

Кроме того, площадь и объём зоны чесания являются более ёмкими по эличеству параметров, их определяющих, следовательно, более «формативными по сравнению с разводкой между рабочими органами. Найдены регрессионные зависимости параметров процесса чесания, олученных в ходе проведения экспериментов, от объёма зоны чесания, оказано, что интегральный параметр, каковым и является объём, существенно ггаяет на все показатели процесса.

Предложено считать площадь и объём зоны чесания двумя различными ункциями, описывающими один и тот же случайный процесс - процесс ормирования зоны чесания, а имеющиеся массивы значений функций -1ИНИЧНЫМИ реализациями этого процесса. Функция площади рассчитана в шисимости от точки образующей, а функция объёма - в зависимости от угла оворота главного барабана, которому соответствует "своя" образующая.

В данной работе изучение свойств случайного процесса произведено как о ансамблю реализаций на основе функции площади, так и по единичной еализации на основе функции объёма.

С применением критериев серий, инверсий для доказательства гационарности процесса, критериев согласия Ястремского, Пирсона и ритерия для доказательства нормальности, разложением функции пектральной плотности для выявления периодических составляющих процесса оказано, что процесс формирования зоны чесания является стационарным, периодическим случайным процессом с законом распределения, близким к ормальному. Для проведения исследований написаны программы на языке АБСАЬ.

На основе проведённых исследований создан алгоритм, моделирующий роцесс формирования зоны чесания, позволяющий рассчитать величины лощадей и объёмов во всех зонах чесания данной машины и параметров роцесса, связанных с ними.

В качестве входных данных для расчёта использованы средние значения азводок между рабочими органами и величины их рассеяния в продольном и адиальном сечениях рабочих органов. Количество измерений выбрано еболыпим.

Сформированы массивы площадей и объёмов, причём размеры массивов огут быть произвольными, в зависимости от требуемой точности. На основе «пирических зависимостей, приведённых в главе 2, найдены параметры роцесса, такие, как

вероятность перехода волокна с одного рабочего органа на другой;

время пребывания волокна в машине;

кратность чесания;

дополнительная неровнота продукта от каждого рабочего органа;

суммарная неровнота продукта, создаваемая машиной;

другие.

и

По полученным результатам проведено сравнение эмпирических и теоретических расчётов, доказана адекватность модели, воспроизводимость на её основе основных тенденций процесса и результатов экспериментов.

Доказательство адекватности построенной модели реальному процессу дало возможность использовать её для описания технического состояния машины в конкретный момент времени.

Для бытовой валичной чесальной машины для шерсти ЧБВ рассчитаны значения объёмов зон чесания между парами сопряжённых рабочих органов машины и построена матрица, характеризующая состояние отдельных зон чесания и процесс в целом.

V =

(У, с-1 С,

У 2

У, 0-3

У4

\ у 5 С,

(4)

где

VI - объёмы 1-х зон чесания;

о; - средние квадратические отклонения объёмов;

(7, - функции спектральных плотностей.

Подобно матрице (1), описывающей состояние машины с точки зрения процессов волокнообмена, матрица (4) описывает техническое состояние машины, т.е. состояние машины с точки зрения механических процессов, происходящих в ней (износ, деформации, вибрации и т.п.).

На основе полученной модели проведён машинный эксперимент, установлены зависимости площади зоны чесания от геометрических параметров, эксцентричности рабочих органов, деформаций, возникающих в главном барабане. Эксперимент подтверждает возможность использования характеристик зоны чесания в качестве интегральных параметров технического состояния машины.

В четвёртой главе предложен метод измерения объёма зоны чесания. Сделан обзор и анализ устройств и способов контроля разводок между вращающимися рабочими органами по отечественным и зарубежным источникам информации преимущественно в чесальных машинах и прокатных станах.

Предлагаемый емкостной метод измерения объёма зоны чесания валичных машин позволяет использовать в качестве датчиков сами рабочие органы, изолированные друг от друга.

Приведено математическое обоснование метода на основе свойства инвариантности ёмкости относительно конформных преобразовании. Установлено, что ёмкость между двумя замкнутыми оболочками круглого сечения вычисляется по формуле:

с;=-

Arch

2-л-е

f

2-rrr2

15 (5)

где

АгскХ = 1п(.У + ^(Х2 -1))

в. - расстояние между центрами оболочек,

Г] и г2 - радиусы оболочек.

По результатам стендового эксперимента по измерению ёмкости установлена корреляционная связь между объёмом зоны чесания и величиной ёмкости, доказано, что предложенный метод обладает высокой чувствительностью.

Рекомендовано с целью реализации метода на чесальной машине или группе машин модернизировать узел регулировки разводок между рабочими органами, изолировав их друг от друга путём введения подшипников скольжения из токонепроводящего материала. От каждой пары контролируемых рабочих органов машины необходимо вывести разъёмы для подключения устройства контроля, каковым может являться микропроцессорное устройство либо бытовой компьютер, оснащённый необходимым программным обеспечением.

Система контроля может быть использована в качестве базы для последующей разработки системы автоматического регулирования и контроля состояния рабочих зон валичной чесальной машины, обеспечения стабильности процесса чесания и получения продукта с заданными параметрами.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Анализ факторов, оказывающих влияние на величину и стабильность разводки между рабочими органами, позволил провести их классификацию и установить способы получения диапазонов изменения разводки под влиянием тех или иных факторов.

2. Разводка между рабочими органами чесальной машины, являющаяся случайной величиной, закон изменения которой близок к нормальному, связана регрессионной зависимостью с коэффициентами распределения и съёма.

3. На основе использования уточнённой и дополненной методики определения коэффициентов распределения и съёма и теории цепей Маркова могут быть рассчитаны параметры процесса чесания, имеющие • прямую связь с показателями технического состояния машины.

4. Введённые понятия площади и объёма зоны чесания - параметров, характеризующих зону чесания, информационно более насыщенны, чем разводка между рабочими органами.

5. Созданная имитационная модель процесса формирования зоны чесания достаточно полно и достоверно отражает реальный процесс. Она адекватна процессу и даёт хорошую воспроизводимость результатов экспериментов.

6. Зависимости площади зоны чесания от геометрических параметров и эксцентричности рабочих органов, полученные путём машинного эксперимента, подтверждают взаимосвязь процессов, происходящих в зоне чесания, с техническим состоянием машины.

7. Процесс формирования зоны чесания следует рассматривать как случайный процесс, обладающий свойствами стационарности, нормальности и апериодичности. В качестве функций, его описывающих, могут выступать площадь и объём зоны чесания, являющиеся одновременно интегральными параметрами диагностирования технического состояния машины.

8. Техническое состояние машины может быть описано с помощью матрицы состояний, элементами которой являются средние значения объёмов в каждой зоне чесания, их средние квадратические отклонения и функции спектральных плотностей.

9. Емкостной метод диагностирования объёма зоны чесания, основанный на зависимости электрической ёмкости между цилиндрическими оболочками от геометрических размеров оболочек и расстояния между их центрами, может быть использован как интегральный метод оценки технического состояния вапичной чесальной машины. Применимость метода основана на свойстве инвариантности ёмкости относительно конформных преобразований.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ:

1. Бахмуров А.Н., Бойко C.B., Травин Г.М. Анализ размерных цепей узла главный барабан - рабо_чий валик валичных кардочесальных машин. Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции "Пути совершенствования технологии и оборудования в льняной отрасли текстильной промышленности (Лён - 94)". - Кострома, 1994.'

2. Бойко C.B., Гусев В.А. К вопросу о разводке между рабочими органами валичной кардочесальной машины. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «...» («Прогресс - 94») - Иваново, 1994.

3: Бойко C.B., Нахапетова О.Н. Экспериментальные исследования влияния величины и стабильности разводок на параметры процесса чесания. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий» («Лён-96»). - Кострома, 1996.

4. Бойко C.B., Гусев В.А., Дукалов Д.В., Логинов C.B. Расчёт величины объёмной разводки между рабочими органами валичной кардочесалыюй машины. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий» («Лён-96»). - Кострома, 1996.

5. Гусев В.А., Бойко C.B., Бортников А.Н. Метод оперативного диагностирования технологических разводок между рабочими органами валичных кардочесальных машин. - Сборник научных трудов молодых учёных КГТУ. Кострома, 1997.

6. Гусев В.А., Бойко C.B., Бортников А.Н. Разработка микропроцессорной диагностической системы контроля разводок между рабочими органами чесальной машины ЧБВ. - Сборник научных трудов молодых учёных КГТУ. Кострома, 1997.

7. Бойко C.B. Моделирование процесса формирования зоны чесания между рабочими органами валичной кардочесальной машины. Деп. в ЦНИИТЭИлегпром, рег.№ 3793-ЛП, - M ., 1998.

Автореферат Бойко C.B.

Подписано в печать 18.11,98г. Заказ221 .Тираж 1 ОО.КГТУ.

КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА КОНТРОЛЯ ЗОНЫ ЧЕСАНИЯ ВАЛИЧНОЙ ЧЕСАЛЬНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.02ЛЗ -машины и агрегаты (лёгкая промышленность)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

На правах рукописи УДК 677.051.4.001.57

БОЙКО СВЕТЛАНА ВИКТОРОВНА

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Травин Г.М.;

кандидат технических наук, доцент Гусев В.А.

Кострома 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................3

Глава 1. Разводка между рабочими органами - основной

параметр технического состояния машины.......6

1.1. Разводка - ведущий параметр, определяющий процесс чесания волокнистого материала...............6

1.2. Факторы, определяющие величину изменения разводки..........................................................15

1.3. Количественная оценка величины разводки

с учётом деформаций. .......................................20

1.4. Информационная ограниченность линейной разводки как параметра контроля процесса чесания............26

Глава 2.Экспериментальное определение величины

разводки и параметров процесса чесания.................

2.1. Выбор и обоснование метода измерения разводки для экспериментального исследования...............

2.2. Проверка гипотезы о случайном характере изменения величины разводки..........................

2.3. Экспериментальное определение коэффициентов распределения и съёма.....................................

2.4. Расчёт параметров процесса чесания на основе модели движения волокна в чесальной машине как процесса Маркова......................................

2.5. Исследование неровноты выходного продукта.....

Глава 3. Моделирование процесса формирования зоны

чесания с целью разработки метода

его контроля................................................57

3.1. Понятие зоны чесания, её площади и объёма............57

3.2. Вычисление площади и объёма зоны чесания............61

3.3. Площадь и объём зоны чесания как случайные функции, описывающие процесс формирования

зоны чесания......................................................64

у

.30 30 .34 .40

45 54

3.4. Моделирование процесса формирования

зоны чесания.......................................................75

3.5. Построение матрицы технического состояния машины и вычисление параметров процесса..........80

Глава 4. Разработка метода контроля зоны чесания......90

4.1. Анализ методов измерения и контроля разводок......90

4.2. Выбор и теоретическое обоснование метода измерения объёма зоны чесания...........................96

4.3. Экспериментальная проверка предложенного метода измерения............................................100

Общие выводы и рекомендации.................................109

Список используемой литературы.............................111

Приложения..........................................................118

Введение.

Для повышения эффективности и надёжности процесса чесания, возможности контроля качества выходного продукта, оптимизации параметров, характеризующих процесс в целом и его отдельные этапы, необходимо создание адаптивных устройств обратной связи для непрерывного автоматического слежения за процессом и введения поправок на входе для устранения отклонений от требуемого значения на выходе. Чесальный аппарат в этом случае необходимо рассматривать как сложную динамическую систему с несколькими входами и выходами.

Оперативное управление такой системой может быть обеспечено только при наличии определённой информации о ней, причём параметры, несущие эту информацию, должны наиболее полно характеризовать процессы и взаимосвязи в системе.

О связи параметров процесса чесания с техническим состоянием машины известно с 50-х г. г. из исследований С.С.Иванова, Д.Кауфмана, Я.И.Коритысского и других. Большой вклад в выявление количественных зависимостей параметров процесса от параметров технического состояния машины внесли Г.О.Лежебрух, Э.Д.Кофман, Г.И.Карасёв, И.Г.Борзунов, С.Б.Оренбах и другие. На основе их исследований разработаны методы и средства контроля отдельных технологических и динамических показателей работы чесальных машин....

Известно, что на процесс формирования зоны чесания -пространства между рабочими органами, в котором происходит взаимодействие волокнистого материала с чешущими поверхностями рабочих органов, - техническое состояние машины оказывает значительное влияние.

Но не существует параметров, способных в полной мере охарактеризовать зону чесания, и методов её контроля, разработанных на основе таких параметров.

Возможность контроля зоны чесания и процесса её формирования позволит прогнозировать основные технологические параметры процесса чесания, оптимизировать его и получать конечный продукт с заданными свойствами. Кроме того, лучшее представление геометрических параметров зоны чесания даст возможность расширить диапазон проектно-конструкторских изысканий.

Актуальность темы диссертационной работы заключается в том, что она направлена на совершенствование методов управления процессом чесания волокнистых материалов на основе разработки диагностического комплекса контроля технического состояния валичной чесальной машины.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые в качестве интегральных параметров оценки технического состояния валичной чесальной машины, адекватно отражающих реальные процессы, происходящие в ней, предложены и обоснованы характеристики зоны чесания - её площадь и объём. Новые научные положения отражаются в том, что:

• предложен вероятностный подход к описанию технического состояния валичной чесальной машины;

• на основе полученного экспериментальным путём материала доказано, что разводка между рабочими органами чесальной машины является случайной величиной, закон распределения которой близок к нормальному;

• доказано, что процесс формирования зоны чесания является случайным процессом, который можно описать функциями площади и объёма зоны чесания, доказаны свойства стационарности, нормальности и апериодичности процесса;

• для валичной чесальной машины ЧБВ с применением теории цепей Маркова получены регрессионные зависимости, связывающие параметры процесса чесания и качественные показатели чёсаной ленты с параметрами технического состояния машины;

• получена модель процесса формирования зоны чесания и на её основе предложен алгоритм расчёта параметров процесса и показателей качества выходного продукта, найдены регрессионные зависимости между геометрическими параметрами рабочих органов и площадью зоны;

• предложен метод контроля зоны чесания, основанный на измерении ёмкости между рабочими органами валичной чесальной машины;

• техническое состояние чесальной машины предложено описывать с помощью матрицы состояний, элементами которой являются средние значения объёмов в каждой зоне чесания, их средние квадратические отклонения и функции спектральных плотностей.

Практическая значимость:

• предложенный способ описания зоны чесания, введение понятий площади и объёма этой зоны позволяют расширить диапазон проектно - конструкторских исследований;

• модель процесса даёт возможность прогнозировать результаты процесса и показатели качества выходного продукта на основе небольшого числа начальных данных;

• предложенный метод контроля зоны чесания между рабочими . органами валичной чесальной машины позволяет при создании комплекса на базе ЭВМ диагностировать объёмы зон чесания между рабочими органами машины как на стадии её изготовления, так и при эксплуатации, техническом обслуживании и ремонте; контроль может производиться как в статическом, так и в динамическом режимах;

• система контроля, созданная на основе предложенного способа модернизации узла регулировки разводок между рабочими органами может быть использована в качестве базы для последующей разработки системы автоматического регулирования и контроля состояния рабочих зон валичной чесальной машины, обеспечения стабильности процесса чесания и получения продукта с заданными параметрами.

Апробация работы. Основные теоретические положения и результаты диссертационной работы были доложены

• на заседаниях кафедры технологии конструкционных материалов и ремонта текстильных машин Костромского государственного технологического университета;

• на республиканской научно - технической конференции «ЛЁН -96», Костромской государственный технологический университет;

• на международной научно - технической конференции «ПРОГРЕСС - 94», Ивановский государственный технологический институт;

• на семинаре по теории машин и механизмов Академии наук России (Костромской филиал).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы представлено в семи публикациях, в том числе в трёх статьях и четырёх тезисах докладов на всероссийских и международных научно - технических конференциях.

Глава 1.

Разводка между рабочими органами - основной параметр технического состояния чесальной машины.

1.1. Разводка - ведущий параметр, определяющий процесс чесания волокнистого материала.

Основная задача процесса чесания - первичная обработка волокнистого материала, получение из хаотической массы волокон чёсаной ленты, максимально однородной по своим характеристикам и свойствам, из которой в дальнейшем получится качественная пряжа, а затем - качественный тканый или вязаный материал.

Получение качественного продукта невозможно без создания наилучших условий для его переработки, т.е. без оптимизации работы машин и агрегатов, используемых в чесании. А создание оптимальных режимов, в свою очередь, требует тщательного изучения процесса чесания волокнистых материалов.

Изучение процесса чесания происходит на двух уровнях:

- как макропроцесса взаимодействия потока волокон с рабочими органами и их узлами;

- как микропроцесса, в котором участвуют отдельные волокна и отдельные элементы или участки чешущих поверхностей, контактирующие с ними.

Существует множество параметров, характеризующих процесс чесания, которые используются при различных исследованиях в зависимости от поставленной задачи. Так, при изучении изменений, происходящих в обрабатываемой волокнистой массе, показателями являются неровнота и плотность входного и выходного продукта, длина и распрямлённость отдельного волокна и т.п. При исследовании влияния чесального агрегата на волокнистый материал во внимание принимаются коэффициенты распределения и съёма, разводки между рабочими органами, параметры гарнитуры, игольчатой или пильчатой, которая непосредственно контактирует с волокнами, показатели смешивающей и выравнивающей способности машины и т.п. Наконец, при исследовании динамического режима процесса на первый план выходят скорости рабочих органов, нарушение соосности и эксцентричность рабочих органов и, как следствие, вибрации как всей машины в целом, так и отдельных её узлов.

Перечень можно продолжать, ведь кроме перечисленных, ведутся исследования прочности и надёжности деталей и узлов, интенсивности износа поверхностей, оптимальности геометрических размеров и форм рабочих органов и многие другие. Такая раздробленность в подходе к изучению процесса необходима в связи со сложностью и многообразием как элементов, из которых состоит чесальный агрегат, так и отношений, зависимостей, которыми эти элементы связаны. Конечно, параметры неравноценны, есть среди них зависимые и независимые, основные и производные, информативные и менее информативные.

Вне зависимости от задачи и направления исследования, ведущим параметром, важность которого признаётся всеми исследователями, является разводка. Разводка - это расстояние между двумя рабочими органами, в пространстве между которыми происходит процесс чесания волокон.

О существенном влиянии величины и стабильности разводки на процесс чесания и качество чёсаной ленты известно как из практических, так и из теоретических исследований процесса чесания. Начало исследованиям в этом направлении положили С.С.Иванов, Г.И.Карасёв (СССР), Д.Кауфманн (ФРГ), В.Яблоньский (Польша). В последние годы в нашей стране исследованиями проблем стабильности и равномерности разводок и их влиянием на процесс чесания занимаются крупные научные и научно-исследовательские центры, такие, как СПАТД (ЛИТЛП) (г.Санкт-Петербург), МТА (г.Москва), ЦНИХБИ (г.Москва), ИвТИ (г.Иваново), ЦНИИмашдеталь (г.Москва), КГТУ (КТИ) (г.Кострома).

Наиболее важной для протекания процесса чесания считается зона «главный барабан - шляпки» для шляпочных машин и «главный барабан - рабочие валики» для валичных, т.к. именно в этой зоне происходит основное воздействие на волокнистый материал. В России первые работы по изучению зависимости качества выходного продукта от разводок между главным барабаном и шляпками принадлежат С.С. Иванову [41]. На основании экспериментальных исследований им было установлено, что с увеличением разводки между главным барабаном и шляпками (начиная с 0.15 мм) на каждые 0.025 мм качество прочёса ухудшается в среднем на 6%, при этом выделение пороков и очёсов уменьшается, а неровнота чёсаной ленты несколько увеличивается.

Э.Д.Кофманом с коллегами [53] подтверждено, что уменьшение разводок в зоне "главный барабан - шляпки" эффективно снижает количество пороков в прочёсе - от 44 до 47% на каждые 0.05 мм от номинала (0.25 мм).

По данным Г.О.Лежебруха [61], разводка является одним из факторов, определяющих меру перехода волокна с главного барабана на рабочий валик и обратно.

При проведении многофакторного эксперимента Русаковой H.A.[78] во внимание принималась не только абсолютная величина разводки, но и амплитуда колебаний разводки между главным. барабаном и шляпками. Уравнения регрессии для качества прочёса и неровноты ленты показали влияние величины и неравномерности разводки на оба этих параметра.

Процесс волокнообмена в зоне "главный барабан - приёмный . барабан" определяет питающую загрузку главного барабана, а, следовательно, оказывает влияние на все процессы, протекающие в дальнейшем в машине. Исследования в этой зоне отражены в работах A.A. Азиханова [7], М.М. Варковецкого [24], Ю.В. Иванова [43] и других.

Ю.В.Иванов считает, что величина разводки между главным и приёмным барабанами наряду с диаметрами барабанов и характеристиками перерабатываемого волокна является одним из параметров, обеспечивающих переход волокна с отдающего барабана на принимающий.

От величины разводки в этой зоне зависит качество выходного продукта. В частности, М.М.Варковецким в результате дисперсионного анализа доказано, что оптимальными для машин типа ЧМ-450-7 можно считать разводки 0.178 мм и 0.229 мм, при которых среднее число пороков на единицу длины составляет 9.5 и 8.6 соответственно.

В зоне съёма происходит процесс формирования волокнистого потока в ленту или в холст. От величины разводки в этой зоне зависит, с одной стороны, качество выходного материала, его равномерность и плотность, а с другой стороны - величина остаточной загрузки главного барабана.

Определяя неровноту чёсаной ленты при различных разводках между главным и съёмным барабанами, В.Яблоньский [1] установил, что с увеличением разводки выравнивающая способность чесальной машины уменьшается.

Эти выводы подтверждены исследованиями Д. Кауфманна [3], согласно которым увеличение разводки между главным и съёмным барабанами от 0.127 мм до 0.381 мм приводит к возрастанию загрузки шляпок, увеличению числа узелков, снижению распрямлённости волокон в прочёсе, повышению неровноты чёсаной ленты.

В работе [10] убедительно доказано, что разводка между главным и съёмным барабанами по их краям и в середине неодинакова. Этот факт влечёт за собой неравномерность распределения пороков по ширине прочёса, а именно: в средней части прочёса число образующихся узелков значительно выше, чем по его краям (рис. 1.1).

к а о о, о с

с*

я" «

о о, о

с

190

173

156

139

122

105

1020

Ширина прочёса, см

125

главный барабан

Т т !

177 203

__*

155

съёмный барабан

100

Рис. 1.1. Кривые распределения числа пороков в 1 г прочёса по длине образующей барабанов чесальных машин ЧММ-450-4 и ЧМ-450-7.

Регрессионные зависимости между качеством прочёса и разводкой в этом случае являются линейными вида

Я = Ас1 + С,

где

Я - количество узелков в 1 г; с1 - разводка, мкм.

о4 >

и

л н К о>

ч <я н о к со о о.

5.6 " 5.1 4.6 4.1 " 3.6

1.2

1.36

1.52

1.1

1.,

со О И Ч и со ;>>

к X

о р.

о с

коэффициент стабильности разводок, к О О О С ' отРезки Длиной 8 мм

^ * * * * - отрезки длиной 285 мм

310 252

194

136

78

20

1.2

□

н-

1.36

а)

□

□

1.52 1.68 1.84

К

о

О,

<и ч

Л

ё о ж т о о, с

2300 2160 2020 1880 1740 1600

коэффициент стабильности разводок, к

с узелки размером меньше 0.5 мм 1 узелки размером больше 0.5 мм

б)

.36 1.52 1.68 1.84 2

Коэффициент стабильности разводок, к

В)

Рис. 1.2. Зависимость качественных показателей чёсаной ленты от коэффициента стабильности разводок.

2

о4-

ей X

а о ч

о »

:а> [О

0 ь

1 <и

э

о

о у

1.6

0.2

-4-

95

146.86 198.71 250,57 302.43 354.29 406.14

458

разводка, мкм

по Задерию по Яблоньскому по Яблоньскому по Борзунову по Кауфманну

�