автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование оборудования для разделения перопухового сырья на фракции с разработкой узла механической деформации стержня куриного пера

На правах-рукеписи

Галатов Кирилл Станиславович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ПЕРОПУХОВОГО СЫРЬЯ НА ФРАКЦИИ С РАЗРАБОТКОЙ УЗЛА МЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ СТЕРЖНЯ КУРИНОГО ПЕРА

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (коммунальное хозяйство и сфера услуг)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАП 2013

Шахты-2013

005059317

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин»

Научный руководитель: Чертов Юрий Евгеньевич,

кандидат технических наук, доцент.

Официальные оппоненты: Комиссаров Игорь Иванович,

доктор технических наук, профессор кафедра «Проектирование текстильных машин» ФГБОУ ВПО «Ивановская Государственная Текстильная Академия», профессор;

Григорьев Владимир Иванович, кандидат технических наук, доцент, ШИ ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» кафедра «Машины и оборудование стройиндустрии», доцент.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Донской Государственный

Аграрный Университет», п. Персиановский, Ростовская область.

Защита состоится «17» мая 2013 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» по адресу 346500, г. Шахты Ростовской области, ул. Шевченко, 147, ауд. № 2247.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮжноРоссийский государственный университет экономики и сервиса».

Текст автореферата размещен на сайте ЮРГУЭС: http: www.sssu.ru

Автореферат разослан «16 » апреля 2013 Ученый секретарь у^Л^С^/

диссертационного совета A-^/ffl/fj/ Куренова C.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования н степень её разработанности.

Перопуховое сырье является побочным возобновляемым продуктом птицеводства, переработка и утилизация которого является актуальной проблемой не только для этой отрасли народного хозяйства, но и для предприятий среднего и малого бизнеса в т. ч. сферы услуг, использующих в своем производстве это экологически чистое сырьё.

Из всего количества получаемого перопухового сырья наиболее эффективно используется пух и перо водоплавающей птицы. Его применяют в качестве несвязного утеплителя при производстве многих видов товаров широкого потребления: подушек, одеял, матрацев, спальных мешков, спортивной, бытовой и специальной одежды, специального и спортивного снаряжения, обуви.

Исследованиями в области технологии и оборудования переработки перопухового сырья для швейных изделий занимались многие отечественные и зарубежные ученые: И.С. Митрофанов, Б.Н. Никитин, JI.A. Бекмурзаев, И.Ю. Бринк, L.H. Lorch, С. Monjarret, H.Bauer, Е. Benz, R. Gurtler и др.

Перо сухопутных пород птиц, в том числе куриное, используют в меньшей степени, по причине его низких качественных характеристик. Одним из основных показателей качества перопухового сырья является показатель «Fill Power» (F.Р.), характеризующий его наполнительную способность. Исследования последних лет показали возможность увеличения наполнительной способности массы куриного пера на 20% за счет придания стержню пера дополнительного изгиба. Это достигается при нанесении на вогнутую сторону стержня проминов, образующихся после прокатки между парой валков, один из которых рифленый, а другой с упругим покрытием. Технология деформации стержня позволяет применять куриное перо в составе наполнителей и утеплителей швейных изделий, вместо более дорогого сырья водоплавающей птицы, при сохранении потребительских свойств. Особенно это важно при производстве швейных изделий с малым сроком эксплуатации.

Известные устройства механической деформации стержня куриного пера имеют достаточно сложную конструкцию, что объясняется необходимостью обеспечения равномерной ориентированной подачи пера к рифленому валку и реализации процессов загрузка - выгрузка. Поэтому внедрение этой технологии в производство, особенно на малых предприятиях сервиса, сдерживается значительными дополнительными затратами на достаточно сложное оборудование, его обслуживание и необходимостью расширения производственных площадей. В этой связи целесообразно агрегатирование машин разделения перопухового сырья на фракции и механической деформации стержня куриного пера для комплексного использования, что достигается размещением узла механической деформации стержня куриного пера в сортировочных камерах.

Разработка узла механической деформации стержня куриного пера для оборудования разделения перопухового сырья на фракции является актуальной, как для крупных предприятий производителей швейных изделий, так и для малых предприятий сервиса.

Объект исследования.

Объектом исследования является узел механической деформации стержня куриного пера оборудования для разделения перопухового сырья на фракции. Предмет исследования.

В качестве предмета исследования выступает процесс механической деформации стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности, обеспечивающий увеличение наполнительной способности перовой массы. Цель и задачи диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является разработка теоретических положений и рекомендаций по совершенствованию оборудования для разделения перопухового сырья на фракции за счет применения узла механической деформации стержня куриного пера, обеспечивающего повышение наполнительной способности перовой массы.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные научно-технические задачи:

- анализ технологических процессов и оборудования переработки перопухового сырья для поиска технического решения по совершенствованию оборудования разделения перопухового сырья на фракции, обеспечивающего повышение наполнительной способности перовой массы;

- разработка конструктивного решения узла механической деформации стержня куриного пера для комплексного использования с оборудованием разделения перопухового сырья на фракции;

- разработка математической модели для исследования зависимости силы сопротивления прокатке стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности от конструктивных параметров рабочего органа и от условного диаметра стержня пера в очаге деформации;

- обоснование методики эксперимента и создание устройства для исследования процесса механической деформации стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности;

- разработка регрессионной модели процесса прокатки стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности, устанавливающей зависимость наполнительной способности перовой массы от конструктивных параметров рабочего органа;

- разработка рекомендаций по выбору конструктивных и технологических параметров узла механической деформации стержня куриного пера оборудования для разделения перопухового сырья на фракции, обеспечивающих наибольшее увеличение наполнительной способности перовой массы.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- разработана математическая модель для исследования зависимости силы сопротивления прокатке стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности от конструктивных параметров рабочего органа и от условного диаметра стержня пера в очаге деформации;

- разработана регрессионная модель процесса прокатки стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности, устанавливающая зависимость

наполнительной способности перовой массы от конструктивных параметров рабочего органа;

- экспериментально получена диаграмма поперечного сжатия стержня куриного пера, установлена величина предела прочности волокон стержня куриного пера при поперечном сжатии.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Практическая значимость работы состоит в следующем: -предложена методика определения наполнительной способности перовой массы, позволяющая минимизировать длительность и материалоемкость экспериментов при исследовании эффективности технологий модификации пера для применения при производстве швейных изделий с несвязными материалами;

-разработаны рекомендации по выбору рациональных конструктивных и кинематических параметров, обеспечивающих наибольшее увеличение наполнительной способности перовой массы в результате прокатки рифленым валком; -предложено схемное решение узла механической деформации стержня куриного пера для уменьшения влияния угловой дезориентации пера относительно рабочего органа на наполнительную способность перовой массы; -предложены конструктивные решения оборудования для разделения перопу-хового сырья на фракции с узлом механической деформации стержня куриного пера, защищенные патентами РФ.

Результаты диссертации представляют интерес для проектно-конструкторских организаций, предприятий, занимающихся изготовлением, модернизацией, ремонтом и восстановлением оборудования переработки перо-пухового сырья, а также предприятий производителей швейных изделий.

Методология н методы исследования. Методологической основой исследования служат основные положения теории прокатки материалов, труды отечественных и зарубежных исследователей в области совершенствования математических моделей технологических узлов оборудования по переработке волокон животного и растительного происхождения.

В диссертации использовались разделы математической статистики и планирования эксперимента, основы теории геометрического подобия и математического анализа, элементы и средства математического и физического моделирования.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся:

- результаты аналитических исследований процесса прокатки стержня пера рифленым валком на плоской поверхности с учетом напряженного состояния структуры стержня в очаге деформации;

- результаты экспериментальных исследований деформации стержня куриного пера при поперечном сжатии;

- регрессионная модель процесса прокатки стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности;

- рекомендации по выбору конструктивных и кинематических параметров узла механической деформации стержня куриного пера.

Степень достоверности н апробация результатов работы. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами теоретических и экспериментальных исследований, их согласованностью, а также стендовыми испытаниями узла механической деформации стержня куриного пера.

Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях: межвузовской (г. Шахты - 2007 г.), Межрегиональной (г. Новочеркасск - 2008 г.) Всероссийских (г. Шахты - 2008, 2009, 2010, 2011 гг.; г. Тула — 2009 г.), международных (г. Ташкент, Узбекистан — 2008 г., г. Прага, Чехия - 2010), а также в рамках конкурсных проектов по программе У.М.Н.И.К (2008, 2009, 2010, 2011гг.) и Эврика (2008 г).

Разработка была представлена на VIII выставке инноваций «Высокие технологии XXI века» (г. Ростов-на-Дону - 2011г.).

Достоверность полученных результатов подтверждается промышленной апробацией результатов работы. Результаты диссертационных исследований внедрены при модернизации двухкамерной сортировочной машины для перо-пухового сырья на предприятии ООО «Пух-Дона».

Структура н объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 144 страницах основного текста и 52 страницах приложений; состоит из введения, четырех глав, содержащих 18 таблиц, 59 рисунков, заключения, а также списка литературы, насчитывающего 133 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе представлены результаты анализа известных технологий и конструкций оборудования по переработке перопухового сырья, а также технологий модификации пера, реализуемых с целью получения наполнителей и утеплителей швейных изделий.

Установлено, что подготовка перопухового сырья для производства изделий на предприятиях различной мощности в РФ и за рубежом осуществляется по различным технологическим схемам, что требует использования соответствующего оборудования. В последнее время развивается сектор малого бизнеса, связанный с индивидуальным изготовлением на заказ спальных принадлежностей и реставрацией старых изделий.

Для всех предприятий, независимо от располагаемых ими производственных мощностей, актуальным является широкое применение в швейных изделиях куриного пера вместо более дорогого сырья водоплавающей птицы. Расширение ассортимента швейных изделий с куриным пером можно достичь улучшением качественных характеристик пера средней фракции (35 — 95 мм). Одним из основных показателей качества перопухового сырья является F.P.

Улучшение наполнительной способности достигается модификацией пера, под которой понимается процесс изменения формы пера в результате различных воздействий. Вопросу модификации пера для швейных изделий посвящены работы, Никитина Б.Н., Бекмурзаева JI.A., Бринка И.Ю., Митрофанова И.С., Гаевого Е.В., Рее. R., Steiner. С. и др., но база знаний в этой области не систематизирована.

В результате проведенного анализа предложено классифицировать способы модификации пера для использования в швейных изделиях в зависимости от природы воздействующего фактора и варианта его реализации. Предлагаемая классификация приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Классификация способов модификации пера

Воздействие на перо может быть механическим, химическим, тепловым или комбинированным. В последнем случае изменение формы достигается сочетанием нескольких воздействий.

Установлено, что наиболее эффективное увеличение Р.Р. получаемой перовой массы обеспечивает технология механической деформации стержня пера, заключающаяся в его прокатке между парой валков, один из которых рабочий имеет рифленую поверхность, а другой прижимной - упругое покрытие. Однако, внедрение данной технологии в производство, особенно на малых предприятиях сервиса, сдерживается значительными дополнительными затратами на достаточно сложное оборудование, его обслуживание и необходимостью расширения производственных площадей.

В результате изучения известных конструкций оборудования для переработки перопухового сырья установлено, что более широкое внедрение технологии механической деформации стержня куриного пера в производство возможно при совмещении этого процесса с процессом разделения перопухового сырья на фракции в одном устройстве.

На основе выполненных исследований и выводов по главе сформулированы цель и задачи дальнейших исследований.

Во второй главе обоснованы изменения конструкции оборудования для разделения перопухового сырья на фракции, заключающиеся в размещении узла механической деформации стержня куриного пера (УМД) в последней камере; разработана математическая модель процесса механической деформации стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности, отражающая особенности возникновения внутренних напряжений, вызванных сжимающей нагрузкой в очаге деформации. Проведены экспериментальные исследования по определению зависимости напряжений, возникающих в структуре

стержня при деформации, от ее степени, определена величина предела прочности волокон стержня куриного пера при поперечном сжатии.

бертальныиканм йщткомт Установлено, что УМД

необходимо размещать в последней камере машины для разделения перопухового сырья на фракции (см. рисунок 2). При этом перо из канала лабиринта сортировочной машины опускается на ленту транспортера, которая перемещает его к рифленому валку.

В результате анализа конструктивных решений УМД установлено, что наиболее целесообразным является решение, при котором прокатка стержня пера осуществляется на ленте подающего транспортера рифленым валком (см. рисунок Зв). Необходимое давление на стержень пера при этом обеспечивает прижимной валок, установленный под рифленым валком и лентой транспортера.

4 1 2 1 IX

Рисунок 2 - Размещение УМД в сортировочной машине

1- приводной барабан: 2 - натяжной барабан:

/ - рифленый валок: 5 - прижимной валок:

7- тас/ппна для подачи пера

3 - лента транспортера: б - устройство натяжения:

Рисунок 3 - Схемные решения УМД В результате анализа процесса прокатки стержня куриного пера на плоской поверхности (см. рисунок 4 а и б) получены формулы для определения минимально допустимого диаметра рифленого валка (1) и нахождения средней скорости деформации стержня пера средней фракции одной рифлей (2)

_ ^^птахе

О-вШ/?) '

(1)

V

деф.ср.

120 '

где п - частота вращения рифленого валка, мин"; О - диаметр рифленого валка, мм; а - угол захвата стержня пера рифленым валком, рад;

(3 - угол подвода стержня пера, град.

^тах.в. - максимально возможная высота расположения очина стержня пера относительно плоской контактной поверхности, мм.

Условие захвата стержня куриного пера при прокатке рифленым валком имеет известный вид

Nsma<fNcosa, (3)

где Л'-сила нормального давления рифли на стержень пера, Н; /- коэффициент трения стержня пера по материалу рифли.

а) ' б)

Рисунок 4 - Схемы для определения: а) угла подвода пера к рифленому валку; б) угла захвата стержня пера рифленым валком

Для аналитического описания процесса механической деформации стержня пера при прокатке был исследован процесс деформации стержня куриного пера при сжимающем нагружении пуансоном. Испытания стержня куриного пера средней фракции (от 35 до 95 мм) проводились с использованием устройства для создания сжимающей нагрузки, измерения осуществлялись при помощи ПК и цифрового иБВ-микроскопа Э^Мюго 2 с программным обеспечением «МюгосарШге» (см. рисунок 5).

персональный . компьютер

устройство для соиинпя сжашаюшеи нагружу

стержень перо цифровой ГКВ-мнкроскоп

Фото деформации стержня перп

Рисунок 5 - Проведение испытаний на сжатие стержня куриного пера В результате испытаний была впервые определена величина предела прочности волокон стержня куриного пера при поперечном сжатии (437 466 МПа при Р=0,95) и получены системы полиномов, характеризующие внутренние напряжения в структуре стержня куриного пера при сжимающей нагрузке.

На рисунке 6 показаны полученные зависимости напряжений, возникающих при увеличении и уменьшении сжимающей нагрузки в очаге деформации стержня куриного пера от степени деформации.

I 0.4 0.5 0 Л 0.7

Степень деформации

0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.« 0.85 0.9

Степень деформации

а) б)

Рисунок 6 - Зависимости напряжений в структуре стержня куриного пера от степени деформации: а) при нагружении; б) при снятии нагрузки

Экспериментальные зависимости при сжимающем нагружении стержня куриного пера в зависимости от исходного диаметра в очаге деформации аппроксимированы следующими полиномами:

<

(4)

г<т0 23 = 2290,б£3 -1582,5£2 + 349,36е +1,346 ; Л2 = 0,99 ст05 = 1637,3е3-14!6,1£2 + 376,43£-4,46;Л2 =0,98 сг0 „ = 1468,2е3 -128 1,2е2 + 330,94е - 3,81 ; Я1 = 0,98 стц = 1069.8г3 - 869,75е2 + 230,05е - 2,59 ; Я2 = 0,99 а, 4 = 985,19с3 - 770,07е2 + 209,36е-1,58 ;«2 =0,99 сг,183 = 883,3 1£3-684,56е2 + 172,11е - 0,31; Я2 = 0,97 .

Экспериментальные зависимости при снятии нагрузки аппроксимируются системой полиномов:

ГТо,23 =9439б£3 -181465Й2 +1 16371г - 24847; Я1 = 0,92 ст05 = 48534е3 -104428е2 + 75131е -18050;Я2 = 0,92 ст08 =87144с3 -205141£2 + 161024г:-42124;/?2 =0,98 (5)

СГ,, = 66256£3 - 157507Е2 + 124987с -33102; К2 =0,95 сг|4 = 174562£3-443128£2 +375188£-105945 ; Л2 =0,95 ^ст, и = 3581 74с3 -946340с2 + 833690£ - 244873 ; Я1 = 0,94.

Используя системы уравнений (4) и (5) методом интерполяции по исходным значениям степени деформации е и условного диаметра стержня пера с/„, в котором находится очаг деформации, можно определить действующие напряжения о-при нагружении и снятии нагрузки.

При анализе процесса прокатки стержня пера для каждой рифли можно выделить условную рабочую зону, угловой размер которой зависит от диаметров рифленого валка и прокатываемого пера. Условная рабочая зона состоит из сегментов, имеющих соответствующие угловые размеры (см. рисунок 7).

<р

/Ч

гЬч %

АН-рабочая чона рифпи АЯ- чона уаетченя на.'ручки ВС- чона уменьшения нагручки СЕ- чона снятая нагрузки (1п - диаметр стрежня пера ^доп~ <^01гУсп"1Л11'1" '*<*'*<>Р

''ост ' '¡взор. соответствующий остаточной деформации

у - угловой размер зоны уменьшения силы сопротивления оеформации Г)- она метр рифленого папка О -угол захвата пера

И

в , .л

дои

Рисунок 7 - Условная рабочая зона рифли при прокатке стержня пера

Для описания процесса механической деформации стержня куриного пера рифленым валком на плоской неупругой поверхности при изменении угла ср от (-а) до у, предложена следующая система уравнений

[ ¿пМ(Ьс)=а11с*+Ь11с1+с1-,

, . О.

м =

2Ь

й ц/ '

6 = -0,095с12пМ + 0,368с/ш+| + 0,495

а = агссо/и2^'--^^ 180 \ Э

£(<р) = п(Ч>) =

п Л , =--агссоа 1 +

180 \

О

-со $<р

(6)

сг„ (е, с/„,+|), если - а < ф < 0;

если 0 < ср < у;

0, если у < ф < (2л - а),

я

^+, = (1 + /)-ЛГ„.(«>-у/-0 = (1 + /)

М—I

где d„i+i - условный диаметр стержня пера в месте контакта стержня пера с (1+/')-ой рифлей, мм;

/' - текущая координата, определяющая номер рифли; Lc-длина стержня куриного пера, мм;

о,,,6|,С| - коэффициенты полинома, характеризующие изменение условного диаметра стержня по его длине;

4-текущее значение длины стержня куриного пера, мм; ^-угловой шаг рифления валка, рад;

D — диаметр рифленого валка, мм; M- число рифлей, участвующих в процессе прокатки одного стержня;

S — величина остаточной деформации стержня куриного пера; а — угол захвата стержня пера, рад;

hdon. - минимально допустимый зазор при прокатке, мм; у — угловой размер зоны уменьшения силы сопротивления деформации, рад; е - степень деформации стержня куриного пера; <р - угол поворота рифленого валка, рад;

п{<р)~ нормальное давление на стержень пера одной рифли, Н/мм2; <т„- напряжение в структуре стержня куриного пера при сжатии, определяемое из системы (4), МПа;

ар - напряжение в структуре стержня куриного пера при уменьшении сжимающей нагрузки, определяемое из системы (5), МПа; S,;i+1 - площадь очага деформации (1+/)-ой рифли, мм2; À — угловой размер вершины рифли, рад\

О — текущее значение углового размера вершины рифли, рад; N— сила нормального давления одной рифли, Н;

/- коэффициент трения скольжения пера по контактной поверхности; F/ч - сила сопротивления прокатке стержня пера для (1+/')-ой рифли, Н; SF-результирующая сила сопротивления прокатке стержня куриного пера рифленым валком, Н.

Система уравнений (6) позволяет определить результирующую силу сопротивления прокатке стержня пера с известным законом изменения условного диаметра по длине в зависимости от параметров рабочего органа УМД.

Зависимость результирующей силы сопротивления прокатке стержня куриного пера длиной 60 мм от угла поворота рабочего органа для конструктивных параметров рифленого валка:

- диаметр вершин рифлей рабочего органа D = 30 мм;

- угловой размер вершины рифли Я = 0,02 рад;

- угловой шаг рифления валка у/ = 0,195 рад,

рассчитанная графоаналитическим методом с использованием пакетов прикладных программ Компас - 3D V.l 1 и Microsoft office Excel - 2003, приведена на рисунке 8. Установлено, что величина результирующей силы давления валка на стержень пера зависит от числа рифлей одновременно участвующих в процессе прокатки, которое в свою очередь зависит от параметров рифленого валка и диаметра прокатываемого стержня.

F. 11

Угол поворота рифленого валка

Рисунок 8 - Зависимость результирующей силы сопротиЕшения прокатке стержня куриного пера от угла поворота рабочего органа

Разработанная математическая модель может быть использована при определении мощности электропривода рабочего органа УМД оборудования для разделения перопухового сырья на фракции.

В третьей главе произведен анализ факторного пространства и определен параметр оптимизации модели; получена регрессионная модель процесса прокатки стержня пера рифленым валком на плоской поверхности, позволяющая исследовать зависимость F.P. перовой массы от конструктивных параметров рифленого валка; определены конструктивные параметры рифленого валка, обеспечивающие наибольшее увеличение F.P.

В результате анализа объекта исследований и его факторного пространства выбран параметр оптимизации - F.P. перовой массы и установлены значимые факторы: шаг рифления, ширина вершины рифли, зазор между вершиной рифли и плоской контактной поверхностью.

Для реализации многофакторных исследований была создана лабораторная установка для физического моделирования процесса прокатки стержня пера рифленым валком на плоской поверхности (см. рисунок 9). Конструкция установки позволяет регулировать зазор между рифленым валком и контактной поверхностью (цена одного деления микровинта 0,01 мм), изменять частоту вращения валка в диапазоне от 0 до 153 мин"1,

Рисунок 9 - Лабораторная установка для экспериментального исследования: 1 - микровинт; 2 - основание; 3 - рифленый валок; 4 - электродвигатель; 5 - блок питания; 6 - контактная поверхность.

производить замену рабочего органа - рифленого валка. Параметры сменных рифленых валков диаметром 30 мм приведены на рисунке 10.

С целью уменьшения временных и материальных затрат при проведении многофакторных исследований на основе положений теории подобия обоснована методика проведения эксперимента с применением компактного прибора для определения показателя F.P. перовой массы (см. таблицу 1). Установлено, что при 5-кратном измерении наполнительной способности перовой массы компактным прибором и доверительной вероятности Р=0,95, можно вычислить F.P. в диапазоне (100-^300) in3/oz с абсолютной погрешностью ± 4 in3/oz (дюйм3/унция).

Таблица 1 - Соотношение параметров приборов для измерения показателя Р.Р. несвязных материалов__

Стандартный прибор Компактный прибор

Диаметр, мм 284 Диаметр, мм 94,7

Высота, мм 500 Высота, мм 167

Масса крышки, г 94,5 Масса крышки, г 10,5

Масса пера, г 28,35 Масса пера, г 3

Площадь основания мм" 63345 Площадь основания мм" 7043

дюйм" 98,18 дюйм" 10,91

Давление в приборе, г/мм" 0,00149 Давление в приборе, г/мм" 0,00149

Для получения регрессионной модели процесса механической деформации стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности, позволяющей определить влияние конструктивных параметров рабочего органа на Р.Р. куриного пера был реализован рототабельный композиционный центральный план Бокса - Уилсона. Уровни и интервалы варьирования факторов представлены в таблице 2. Матрица планирования факторного эксперимента, содержащая 23 опыта была рандомизирована.

Таблица 2 - Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы Уровни варьирования Интервал ы варьирования, /,

-1 0 1

р (X]) - шаг рифления, мм 2 3 4 1

Ь (Х2)- ширина вершины рифли, мм 0,25 0,625 1 0,375

И (хз) - зазор между вершиной рифли и плоской поверхн., мм 0,04 0,05 0,06 0,01

р=2мм; ь=0.25мм р=2мм: Ь=0.62мм р=2мм; ь=1мм

Рисунок Ю - Параметры сменных рифленых валков: р - шаг рифления; Ь - ширина вершины рифли

Зависимость показателя F.P перовой массы от выбранных варьируемых факторов предполагалась нелинейной.

Каждое сочетание уровней факторов является многомерной точкой в факторном пространстве. Расчеты проводились с помощью пакета прикладных математических программ Maple 9.5.

После обработки результатов и их статистической оценки получена математическая модель, адекватно описывающая процесс прокатки стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности:

Y = 179,47 -13,91х,2 - 9,66л:,2 - 4,75д-,х2 + 4,25х,х) -3,3З.х2х>, (7)

где Y- параметр оптимизации, показатель F.P. перовой массы; хих2,х3 — нормированные значения шага рифления, ширины вершины рифли, зазора между вершиной рифли и контактной поверхностью. Трехмерные изображения поверхности отклика при фиксированных значениях факторов показаны на рисунке 11.

В) при 42= 1

Рисунок 11 - Зависимости Р.Р.(У): а) от ширины вершины рифли (х2) и шага рифления (д-|); б) от ширины вершины рифли (д-2) и зазора между вершиной рифли и контактной поверхностью (д'3); в) от шага рифления (*,) и зазора между вершиной рифли и контактной поверхностью (дз)

Графическая интерпретация оптимума ченной в результате исследования модели с помощью пакета прикладных программ Maple 9.5 показана на рисунке 12.

Получены следующие нормированные и натуральные значения факторов, при которых F.P. перовой массы достигает максимального значения (180):

.V, = 0,16, х2 = -0,77 ,.v3 =0,12; р = 3,16мм, b = 0,34 мм, h = 0,052 мм.

регрессионной модели, полу-

Рисунок 12- Графическая интерпретация оптимума регрессионной модели

Таким образом, максимальное увеличение Р.Р. перовой массы после механической деформации стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности составляет 21,6%.

В четвертой главе приведены результаты исследований процесса механической деформации стержня куриного пера, стендовых испытаний УМД, а также конструктивные решения оборудования для разделения перопухового сырья на фракции с УМД.

Проводились эксперименты по определению:

- максимальной высоты расположения очина стержня пера относительно плоской поверхности после свободного падения;

- значения средней скорости деформации, обеспечивающей наибольшую эффективность процесса механической деформации стержня пера;

- влияния ориентации пера при прокатке относительно рифленого валка на Р.Р. перовой массы;

-допустимого числа прокаток одного стержня пера;

- потребной мощности на механическую деформацию стержня куриного пера.

Основным технологическим параметром, определяющим диаметр вершин рифлей, является высота расположения конца очина пера относительно ленты транспортера ктах, величина которой зависит от трех основных факторов: средний радиус кривизны стержня куриного пера - Яс, мм (*[); высота падения пера

- мм (х2); доля пуховой части к длине пера — Ь0(хз). Для нахождения зависимости высоты расположения конца очина стержня пера относительно плоской поверхности от факторов был реализован двухуровневый трехфакторный план Бокса - Уилсона. При проведении опытов установлены следующие диапазоны варьирования факторов: = 41- 118,5 мм; ктс> = 220 -2500 мм; 0,5- 1.

После обработки результатов и их статистической оценки получена адекватная математическая модель:

где У- параметр оптимизации, Итах\

х,,х2,х3 - нормированные значения среднего радиуса кривизны стержня куриного пера, высоты падения пера и доли пуховой части к длине пера, соответственно.

Модель позволила определить минимально допустимое значение диаметра вершин рифлей валка ОтЫ = 71 мм, обеспечивающее подвод стержня пера в зону захвата.

Для оценки эффективности процесса механической деформации контролировали относительное уменьшение среднего радиуса кривизны стержня куриного пера, 5рс,%

где Яс,- значение / - го исходного среднего радиуса кривизны стержня куриного пера, мм;

У = 10,32 - 6,775х1 +0,7х2 +0,55.Г;

(8)

(9)

Яск - значение к - го среднего радиуса кривизны стержня куриного пера после механической деформации, мм; п - число измерений.

Определение скорости механической деформации стержня куриного пера, обеспечивающей наиболее интенсивное уменьшение среднего радиуса кривизны стержня осуществлялась по линейным регрессионным моделям, которые были получены после обработки результатов эксперимента, заключавшегося в прокатке стержней при различных частотах вращения рифленого валка.

Зависимость углового коэффициента линейной регрессионной модели от частоты вращения рифленого валка имеет вид

к = -0,0014и2 + 0.16н-3,9. (10)

Для рифленого валка диаметром 30 мм частота вращения, обеспечивающая наибольшую эффективность процесса механической деформации стержня пера, составляет 57 мин"1. Полученному значению частоты вращения рифленого валка соответствует рациональное значение средней скорости деформации стержня пера одной рифлей равное 4,9 мм/с, определенное по формуле (2).

При стендовых испытаниях УМД с рациональными параметрами рабочего органа установлено, что величина Р.Р. перовой массы зависит от угловой дезориентации пера на подающей транспортерной ленте. В случае произвольного расположения куриных перьев на ленте транспортера при подаче к рифленому валку наблюдалось увеличении Р.Р. перовой массы в среднем на 13,6%. Подача куриных перьев перпендикулярно оси нарезки рифлей валка обеспечивает увеличение Р.Р. перовой массы в среднем на 20,4%. Отклонение от расчетного значения, полученного по регрессионной модели, не превышает 6%. Экспериментальные исследования процесса прокатки стержня пера под разными углами относительно оси нарезки рифлей позволили получить зависимости относительного уменьшения среднего радиуса кривизны стержня куриного пера от угла подачи, представленные на рисунке 13.

I

П : I'

* к

5 .

Ц6

I Е

«Г

И3

X *

I о 5

18 30 45 60 75 00 10S 120 13S 150 185 1в( Угол подачи стержня пера

-прямая нарезка (1) — - косая нарезка (2)

4", градусы

Рисунок 13 - Зависимость относительного уменьшения среднего радиуса кривизны стержня пера от угла подачи при прокатке валком с прямой и косой нарезкой рифлей

Анализ зависимости показывает, что процесс механической деформации стержня пера протекает достаточно интенсивно в диапазоне углов подачи от 30 до 160 градусов.

Для уменьшения влияния угловой дезориентации пера при прокатке относительно оси нарезки рифлей на качество процесса механической деформации предложено оснащать УМД тремя рифлеными валками:

- валок с углом рифления 0°;

- валок с углом рифления 45°;

- валок с углом рифления 135° (см. рисунок 14).

¿..14

/ - натяжной дороден транспортере 2 - риф лении Ьазак с пряной нарезной 3 - баш с угпап нарезьи рифлей *5 - - балок с цглоп порезки рифлей 135'

5 - лента транспортера 6 - приЬоднай барабан транспортера

У - устройстбо натяхения 8 - ограничительная пластина 9 - при шинной балок

Рисунок 14 —Схемное решение УМД Путем многократной прокатки одного стержня пера установлено, что он выдерживает пятикратную обработку рифленым валком, начиная с шестого цикла деформации, начинается процесс разрушения. Таким образом, можно утверждать, что обработка стержня пера тремя рифлеными валками не приведёт к снижению качества деформированного пера.

Определение потребной мощности на механическую деформацию стержня пера осуществлялось при помощи цифрового датчика тока, подключаемого непосредственно к USB - входу компьютера. Для обработки результатов измерений использовалось программное обеспечение цифровой лаборатории «Радуга» (см. рисунок 15).

@ Г срО вв в 1 © Ш СВ ~~I

' "—С^М I . I | ,- — 1 --- '

Рисунок 15 — Зависимость тока якоря электродвигателя от нагрузки на валу при прокатке стержней пера (исходный условный диаметр 1,8 мм)

Установлено, что измеренные средние значения силы сопротивления прокатке стержней куриного пера средней фракции отличаются от значений, полученных при решении системы уравнений (6), не более чем на 9 %.

На основании проведенных исследований предложены конструктивные решения оборудования для разделения перопухового сырья на фракции с УМД, защищенные патентами РФ, а также разработаны рекомендаций по выбору конструктивных и технологических параметров узла механической деформации стержня куриного пера.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Анализ технологических процессов и оборудования переработки перопухового сырья показал, что для эффективного повышения наполнительной способности перовой массы необходимо агрегатирование машин разделения перопухового сырья на фракции и механической деформации стержня куриного пера для комплексного использования.

2. В результате анализа конструктивных решений узла механической деформации установлено, что наиболее целесообразным является решение, при котором прокатка стержня пера осуществляется на ленте подающего транспортера рифленым валком. Необходимое давление на стержень пера при этом обеспечивает прижимной валок, установленный под рифленым валком и лентой транспортера.

3. Экспериментально установлено, что среднее значение предельной величины зазора между сжимающим пуансоном и опорной поверхностью, при котором, независимо от условного диаметра стержня куриного пера, наблюдается разрушение волокон, составляет 0,028±0,005 мм. Получена диаграмма поперечного сжатия стержня куриного пера и впервые определена величина предела прочности его волокон при поперечном сжатии, которая находится с доверительной вероятностью Р=0,95 в диапазоне 437 466 МПа.

4. Разработана математическая модель процесса механической деформации стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности, позволяющая исследовать зависимость силы сопротивления прокатке стержня пера от конструктивных параметров рабочего органа: диаметра вершин рифлей; шага рифления; углового размера рифли. Установлено, что зависимость силы сопротивления прокатке стержня куриного пера имеет колебательную составляющую, амплитуда и частота которой зависит от диаметра стержня прокатываемого пера и параметров рабочего органа.

5. Предложенная методика экспериментального исследования механической деформации стержня куриного пера рифленым валком на плоской поверхности позволила минимизировать затраты времени и материалоемкость эксперимента. Установлено, что компактный прибор позволяет производить оценку наполнительной способности перовой массы при доверительной вероятности Р=0,95 с погрешностью ± 4 дюйм3/унция.

6. По результатам экспериментального исследования с применением центрального рототабельного композиционного планирования по плану Бокса-Уилсона разработана регрессионная модель процесса прокатки пера рифленым валком на плоской контактной поверхности. Получены рациональные параметры рифленого валка: шаг рифления р = 3,2 мм, ширина вершины рифли Ъ = 0,3 мм, зазор между вершиной рифли и контактной поверхностью при прокатке А = 0,05 мм, обеспечивающие максимальное увеличение показателя наполнительной способности перовой массы (А Р.Р. = 21,6 %).

7. На основании исследований по определению максимальной высоты расположения очина стержня куриного пера относительно плоской поверхности после свободного падения и анализа процесса подвода пера к рифленому валку установлено, что минимально допустимое значение диаметра вершин рифлей валка /?„,,,, = 71 мм.

8. В результате экспериментальных исследований с применением регрессионного анализа установлена зависимость среднего радиуса кривизны стержня куриного пера, получаемого при прокатке рифленым валком от частоты его вращения. Определена средняя скорость деформации стержня пера при прокатке рифленым валком равная 4,9 мм/с, при которой наблюдается наиболее интенсивное уменьшение его радиуса.

9. При стендовых испытаниях узла механической деформации стержня куриного пера с рациональными параметрами рабочего органа установлено, что величина наполнительной способности перовой массы зависит от угловой дезориентации пера на подающей транспортерной ленте. Экспериментально доказана возможность применения для узла механической деформации стержня куриного пера трехвалкового рабочего органа, обеспечивающего увеличение наполнительной способности перовой массы близкого к значению, полученному при исследовании регрессионной модели. Отклонение, не превышает 6%.

Ю.Разработаны конструкции оборудования для разделения перопухового сырья на фракции с узлом механической деформации стержня куриного пера, защищенные патентами РФ. Внедрение этих технических решений на предприятиях коммунального хозяйства и сервиса позволит снизить себестоимость производства новых и реставрации старых швейных изделий за счет применения дешевого несвязного материала.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах: Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах:

1. Галатов, К.С. Определение параметров рабочего органа узла модификации пера сортировочных машин / К.С. Галатов, Ю.Е. Чертов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. -2012. - №1. С. 48-51.

2. Чертов, Ю.Е. Повышение эффективности модификации стержня пера птицы / Ю.Е. Чертов, К.С. Галатов // Птица и птицепродукты. -2012. -№ 6. С. 6062.

Патенты, свидетельства о регистрации программного продукта:

3. Пат. 2366767 Российская Федерация, МПК8 B68G 3/08. Устройство для сортировки куриного пера / Ю.Е. Чертов, К.С. Галатов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». № 2008113670/12; заявл. 07.04.2008; Опубл. 10.09.2009. Бюл. №25. 2 с.

4. Пат. 2424384 Российская Федерация, МПК8 B68G 3/08. Устройство сортировки перо-пухового сырья на фракции / Ю. Е., Чертов, К.С. Галатов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». № 2010102611/05; заявл. 26.01.2011; Опубл. 20.07.2011. Бюл. №20. 2 с.

5. Пат.2467948 МПК8 B68G 3/08, В07В 1/20. Устройство разделения перопу-хового сырья на фракции в жидкой среде / К.С. Галатов; Ю.Е. Чертов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». № 2011105570/02; заявл. 14.02.2011; Опубл. 27.11.2012. Бюл. №33. 1 с.

6. Пат. 2468987 МПК8 B68G 3/08. Устройство переработки пера в шлейс / Ю.Е. Чертов; К.С. Галатов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». № 2011133439/12; заявл. 09.08.2011; Опубл. 10.12.2012. Бюл. № 34. 1 с.

Публикации в журналах, сборниках трудов, материалах конференций:

7. Чертов, Ю.Е. Универсальная двухкамерная сортировочная машина / Ю.Е.Чертов, К.С. Галатов // Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады Всероссийской научн.-техн. конф.; под общ. ред. чл.-корр. Российской акад. наук В.П. Мешалкина. Тула: Изд-во ТулГУ. -2009. С. 86-89.

8. Чертов, Ю.Е. Разработка двухкамерной машины для сортировки куриного пера / Чертов, К.С. Галатов // Проблемы машиностроения и технического обслуживания в сфере сервиса. Радиоэлектроника, телекоммуникации и информационные технологии: межвузовский сб. науч. трудов / сост. С.А. Кузнецов. Шахты: Изд.- во ЮРГУЭС. -2008. С. 21-23.

9. Галатов, К.С. Разработка двухкамерной сортировочной машины для получения куриного модифицированного пера / К.С. Галатов, Ю.Е.Чертов. // Студенческая научная весна - 2008: материалы Межрегион, научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Южного федерального округа / ЮРГТУ. Новочеркасск: ЛИК. -2008. С.169-172.

10. Галатов, К.С. Универсальная сортировочная машина / К.С. Галатов, Ю.Е Чертов // Актуальные проблемы техники и технологии: сб.науч.тр.ред кол.: H.H. Прокопенко [и др.]; ГОУ ВПО «Южно-Рос.гос.ун-т экономики и сервиса». Шахты: ГОУ ВПО «ЮРГУЭС». -2009. С. 6-8.

И. Галатов, К.С. Разработка двухоперационной машины для переработки перопухового сырья / К.С. Галатов, Ю.Е Чертов // Дни науки - 2010: доклады II Международной научно-практической конференции. Publishing House "Education and Science" s.r.o. (Чехия, Прага).-2010. С. 100-103.

12. Галатов, К.С. Разработка машин для разделения перопухового сырья на фракции с узлами модификации пера / К.С. Галатов // Актуальные проблемы техники и технологии: сб.науч.тр.ред кол.: H.H. Прокопенко [и др.]; ФГБОУ

ВПО «Южно-Рос.гос.ун-т экономики и сервиса». Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС». -2011. С. 6-9.

13. Галатов, К.С. Определение диаметра рабочего органа узла модификации пера сортировочных машин / К.С. Галатов // Актуальные проблемы техники и технологии: сб.науч.тр.ред кол.: H.H. Прокопенко [и др.]; ФГБОУ ВПО «Юж-но-Рос.гос.ун-т экономики и сервиса». Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС». -2011. С.9-11.

ГАЛАТОВ КИРИЛЛ СТАНИСЛАВОВИЧ

Совершенствование оборудования для разделения перопухового сырья с разработкой узла механической деформации стержня куриного пера

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор 15.04.2013. Подписано 15.04.2013. Формат 60x84 1/16. Цифровая печать. Усл. печ. л.1,2. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 76 Отпечатано в типографии: ИП Бурыхин Б.М. Ростовская область, г.Шахты, ул.Шевченко, 143