Развитие методов расчета и проектирования тканеформирующей оснастки как функционально-комплексной группы

Актуальность исследования. В постиндустриальном обществе экономический рост всё в большей степени будет определяться долей той продукции, которая основана на инновационных решениях. Добиться повышения конкурентоспособности отечественной текстильной продукции можно только на пути инновационной модернизации отрасли, преодоления технологического отставания, обусловленного старением активной части основных фондов. Одним из главных направлений практической реализации преодоления отставания является создание новых конкуренто и патентоспособных видов дополняющего оборудования (технологической оснастки), позволяющих обеспечивать одновременно повышение технического уровня и расширение технологических возможностей основного.

Именно технологическая оснастка являясь необходимым массовым вариативным звеном, создает возможности производства продукции с заданными свойствами, настраивает оборудование по продукту, что позволяет текстильщикам обеспечивать гибкость ассортиментной политики. В сочетании с относительно низкой долговечностью, существенным влиянием на качество вырабатываемой продукции, стабильность и непрерывность технологических процессов, всё это обусловливает особую роль оснастки в технологических системах текстильных производств.

Как объект исследования различные виды ткацкой технологической оснастки выступают: в области повышения качества и надежности в работах Бабаяна Л. Г., Буянова М. А., Журавкова В. М., Каленьтьева В. Г., Худых М. И. и др.- по проблемам методического обеспечения создания новых конструкций в исследованиях: Букиной C.B., Горячкина Г. М., Долинского В. Ф., Киселёва Д. М., Лабока Д. В., Пекарь Ж. В., Подгорного Ю. И., Пчелина И. К., Терентьева В. И., Хаита М. Б. и др.- по вопросам применения новых материалов и технологий изготовления в публикациях: Лабока В. Г.,.

Серовской О.И., Шамштейна А. И. и др.- по проблемам эксплуатации — Богзы «.

А.Д., Ковальского П. Г., Оиикова Э. А., Травина Г. М. и др. ученых.*'.

Однако вопросы комплексного рассмотрения технологической оснастки как агрегированной группы дополняющих средств технологического оснащения не освещены в имеющихся публикациях, а управления формированием конкурентных преимуществ на предпроизводственной стадии, стадиях производства, распределения и эксплуатации освещены лишь в ограниченном количестве работ. Всё это обусловливает необходимость, особую актуальность и своевременность исследования теоретических и прикладных аспектов проблемы.

Цели и задачи исследования. Цель диссертационного исследования заключается в повышении качества, надежности и эффективности функционирования новых видов тканеформирующей оснастки. Поставленная цель реализуется путем решения следующих задач:

— выполнить классификацию тканеформирующей оснастки, установить взаимосвязь смены её жизненного цикла и жизненного цикла оборудования и оценить влияние на эффективность процесса ткачестваразработать модели силового взаимодействия элементов тканеформирующей оснастки с перерабатываемым продуктом и модели её функционирования;

— разработать методическое обеспечение проектного расчета элементов тканеформирующей оснастки;

— выполнить экспериментальное исследование влияния конструктивных и кинематических факторов на / деформации и напряжения в элементах тканеформирующей оснастки на примере ремизных рам;

— сформулировать основные направления формирования конкурентных преимуществ при проектировании, изготовлении и эксплуатации новых видов тканеформирующей оснастки и методы оценки их научно-технического уровня;

— создать конкурентои патентоспособные конструкции тканеформирующей оснастки на основе совершенствования конструкций элементов и обеспечить их широкое отраслевое внедрениедать оценку эффективности использования новых конструкций тканеформирующей оснастки.

Объект исследования — дополняющие средства технологического оснащения текстильной промышленности.

Предмет исследования — методы проектирования и обеспечения конкурентоспособности тканеформирующей оснастки.

Методы исследования. Методологическая база исследований является множественной, включающей: системный и сравнительный анализы, диалектическую логику, методы обобщений и аналогий. В работе использовались методы. теории вероятности, математического и структурного моделирования, теории графов, алгебры логики, экспертной оценки, ранговой корреляции, расчета размерных цепей, развертывания функции качества, соматографического анализа, инженерных расчетов.

Эмпирической базой служили массивы информации деятельности ведущих предприятий производства технологической оснастки заводов ОАО «МЭЗ № 1» г. Москва, ОАО «Красная Маёвка» г. Кострома, результаты отчетов отраслевых НИИ, материалы выставок, патентные обзоры.

Научная новизна. В диссертации впервые исследована агрегированная группа тканеформирующей оснастки на основе моделирования силового взаимодействия её составляющих с перерабатываемым продуктом и моделирования их функционированияразработан методический инструментарий расчета и проектированиясформулированы основные направления формирования конкурентных преимуществ на этапах создания и эксплуатации конструкций. При этом получены следующие научные результаты:

— предложена классификация ткацкой технологической оснастки, основанная.

У V * «I на формировании обобщенных агрегированных групп по ^»? признаку функциональной общности, позволяющей осуществлять производственную и * сбытовую интеграциювыявлено закономерное сокращение жизненных циклов оснастки по поколениям её создания и эксплуатацииустановлена степень влияния видов тканеформирующей оснастки на технологический процесс ткачества через комплекс факторов его эффективности во временных, натуральных и экономических категориях;

— на основе моделирования нагружения ремизной рамы, структурного моделирования зевообразовательного механизма, математического моделирования закона движения ремиз установлено, что наибольшие нагрузки ремизная рама испытывает после перехода линии заступа при движении вверхпри отсутствии угловых подвижностей в механизме зевообразования при сборке ремизной рамы могут возникнуть монтажные напряжения и дополнительные нагрузки, применение ассиметричного закона движения ремиз снижает динамические нагрузки на раму;

— разработаны динамические модели ремизной рамы и её элементов, совокупность которых образует математическую модель, включающую (10п+2) нелинейных дифференциальных уравнений, численное решение которых возможно только на ЭВМпредложена методика расчета деформаций и напряжений в ремизной раме, учитывающая жесткость узлов соединений её элементов, что позволяет обеспечить высокую точность расчета. Разработан алгоритм идентификации ремизной рамы и машинного расчета её конструкции по данной методике;

— экспериментально установлено, что характер изменения ускорений деформаций и напряжений в ремизной раме определяется наличием зазоров в зевообразовательном механизме, частотами собственных колебаний планок и их упругим взаимодействием с галевами и нитями основы. Зависимости деформаций планок от их жесткостных характеристик, технологической нагрузки и расположения точек кинематического возбуждения подчиняются закону гиперболы. С увеличением жесткости соединений боковины с планкой деформации планок уменьшаются, а напряжения в верхней планке и боковине растут. Использование номограмм зависимостей деформаций и напряжений от геометрических и жесткостных характеристик рам позволяет оценить их эксплуатационные показатели;

— разработаны модели воздействия формируемой ткани и её кромки на зуб берда и устройство ширения на ткацком станке с учетом упругих и реологических свойств нитей, что позволяет определить исходные нагрузки для проектного расчета параметров берда и шпарутки, а также методики распределения нагрузки по кольцам шпарутки, позволяющие осуществлять проектирование дифференциальной шпарутки, и проектного расчета шага зубьев берда, позволяющие установить требования к точности бердной ленты;

— доказано, что рост амплитуды колебаний рычага скала, рассчитанной по предложенной динамической модели его функционирования, с повышением скорости главного вала станка приводит к повышению инерционных характеристик скальной системы. Это служит основанием считать скало технологической оснасткой и использовать их набор при выработке тканей различных характеристик и артикулов;

— установлены основные факторы формирования конкурентных преимуществ тканеформирующей оснастки на примере ремизных рам: добавленное качество, услуги технического сервиса, изменение затрат у потребителя. Для повышения конкурентоспособности использована методика развертывания функции качества, позволяющая трансформировать пожелания потребителей в требования к конструкции. Предложен и обоснован интегральный показатель научно-технического уровня оснастки как критерий ее инновационности. Для управления надежностью рам в условиях эксплуатации разработаны прогнозные модели отказов, увязывающие их с причинами возникновения;

— анализ современных тенденций создания высоконадежных и эффективных I, конструкций тканеформирующей оснастки, исследование их поведения при I изменении условий функционирования, использование разработанных методов проектного расчета позволили определить основные направления в конструировании: использование новых видов компаундов и композитных материалов, совершенствования профилей полуфабрикатов и конструктивных решений узлов, учет необходимости демпфирования, а также социального эффекта. Выявлены основные области эффективности создания и внедрения комплекса тканеформирующей оснастки, предложена и апробирована методика оценки экономического эффекта при использовании ее новых конструкций.

Практическую значимость диссертации представляют: рекомендации по обеспечению угловых подвижностей в зевообразовательном механизме и применению ассиметричного закона движения ремиз, позволяющие в совокупности исключить монтажные напряжения и снизить динамические нагрузки на ремизную рамуматематические модели силового взаимодействия элементов тканеформирующей оснастки с нитями основы и опушкой ткани, создающие возможность определения исходных нагрузок и характера их распределения для использования в инженерных расчетах;

— предложения по использованию набора скал для регулирования инерционных характеристик скальной системы, улучшения ее динамики при выработке тканей различного ассортимента;

— методическое обеспечение проектного расчета и программный продукт для реализации отдельных методик при создании конкурентоспособных конструкций тканеформирующей оснастки и ее элементовэкспериментальные стенды и методики испытаний создаваемых конструкций ремизных рам, моделирующие реальные условия их динамического нагружения;

— предложения по повышению конкурентоспособности создаваемых конструкций ремизных рамформируемой на различньк стадиях их жизненного цикла с учетом требований й пожеланий потребителей, а также по управлению их надежностью при изготовлении и эксплуатации;

— рекомендации по применению новых видов компаундов и порошковых спеченных материалов в конструкциях рам, берд и шпарутокновых профилей базовых деталей рам, бердных лентконструкций узлов соединений и приводных замков, шпаруточных устройств, часть которых защищены авторскими свидетельствами и патентами;

— за период с 1998 по 2009 г. г. освоено производство и внедрено на предприятиях текстильной отрасли новых конструкций, защищенных авторскими свидетельствами, патентами или созданными на основе ноу-хау: ремизных рам и шпаруток по 50 тыс. шт., берд — 15 тыс. шт. Отдельные разделы исследования вошли составляющей в работу «Разработка научных основ создания и внедрения комплекса конкурентоспособных средств технологического оснащения текстильной промышленности» удостоенную премии Правительства РФ в области науки и техники за 2009 год. Соответствие паспорту специальностей ВАК. Диссертационная работа выполнена в рамках специальности 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы. Легкая промышленность», области исследований по п. 1 «Разработка научных и методологических основ проектирования и создания новых машин, агрегатов и процессов .», п. 5 «Разработка научных и методологических основ повышения производительности машин, агрегатов и процессов и оценки их экономической эффективности и ресурса», паспорта специальностей ВАК.

Апробация диссертации. Основные положения и результаты диссертационнго исследования были доложены и получили положительную оценку в среде научной общественности и практиков на: Республиканских научно-технических конференциях и семинарах «Лён «, КГТУ, Кострома,.

2000,2002 г.г. «Научно-технические достижения — льняному комплексу области», ГСХА, Кострома, 2000 г.- на международных научно-технических конференциях «Лён на пороге XXI века», — Вологда, 2000, 2004 г.г.- «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промыгиленности» (Прогресс-2002), «Перспективы использования комплексных технологий в текстильной и легкой промышленности» (ПИКТЕЛ — 2003), ИвГТА, Иваново, 2002, 2003 г.г.- на V Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2002 г.- на международных научно-практических конференциях, «Повышение конкурентоспособности льняного комплекса России в современных рыночных условиях», Москва, 2008, 2011 г.г., Вологда 2009; на межкафедральном семинаре «Управление в производственных, социальных и экономических системах», КГУ им. Н.А. Некрасова- 2010, на пасширенном заседании кафедры огранизации производства и сервиса, КГУ им. Н. А. Некрасова, 2011; на заседании Костромского филиала семинара по Теории машин и механизмов (текстильное машиноведение) РАН, 2011; на расширенном заседании кафедры ТММДМи ПРТМ, КГТУ, 2011 г.

Публикации. Положения диссертации отражены в более 80 публикациях, в том числе: 1 монография, 16 статей в изданиях рекомендуемых ВАК РФ, 17 научных статей в других журналах и сборниках научных трудов, 4 патента, 6 авторских свидетельств, 3 -учебных и методических пособия.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, включающих 29 параграфов, выводов и предложений, изложенных на 223 страницах. Работа содержит 21 таблицу, 59 рисунков, список литературы включает 165 наименований.

Общие выводы и рекомендации. } *.

1. При классификации ткацкой оснастки целесообразно выделить обобщенную агрегированную группу тканеформирующей оснастки, которая образуется по признаку функциональной общности её взаимно дополняющих видов, что позволяет осуществлять производственную и сбытовую интеграцию. Определена степень влияния этой оснастки на надежность, устойчивость и стабильность технологического процесса, качество продукции, эргономические нормативы.

2. На основе ретроспективного анализа поколений тканеформирующей оснастки, скоординированных с поколениями ткацких станков, установлена закономерность сокращения их жизненных циклов при переходе от одного поколения к другому. Условием технического прогресса в создании новых поколений оснастки является зарождение жизненного цикла последующего поколения на стадии зрелости предыдущего.

3. Ремизная рама в процессе формирования ткани испытывает нагрузки от натяжения нитей основы, силы инерции, веса рамы с галевами, силы трения в направляющих, реакции от приводных рычагов. Давление от натяжения основы является приведенной силой от натяжения основы и величины перемещения рамы, в зависимости от которой оно изменяется в 1,5 — 2,5 раза. Наибольшую нагрузку рама испытывает при движении вверх от заступа. Отсутствие угловых подвижностей в зевообразовательном механизме может вызвать в раме монтажные напряжения и дополнительные нагрузки. Применение закона модифицированной трапеции ускорения ремиз снижает динамические нагрузки на раму.

4. Предложены математические модели силового взаимодействия зуба берда с опушкой ткани и формируемой ткани со шпаруткой, которые позволяют определять исходные нагрузки на рабочие элементы данных видов оснастки. Разработана динамическая модель функционирования ремизной рамы, представляющая совокупность нелинейных дифференциальных уравнений и учитывающая податливость нитей основы и галев методом замены малоинерционных податливых звеньев, а также податливость планок методом врезания конечных элементов.

5. Создана оригинальная методика приближенного определения частоты свободных колебаний рычага скала, основанная на энергетическом методе с учетом потенциальной и кинетической энергии деформации ветвей основы и пружин скала. Расчеты, выполненные по методике подтверждают факт роста амплитуды колебаний рычага скала с увеличением инерционных характеристик скальной системы, что служит основанием применения набора скал при выработке различных тканей.

6. Разработаны расчетная и аналитическая модели определения деформаций и напряжений в элементах ремизной рамы, особенностью которых является учет жесткостей соединений, повышающий точность расчета по сравнению с другими методиками, что подтверждено экспериментальной проверкой. Предложена программа машинного расчета конструктивных элементов рам по разработанным моделям.

7. Предложена и апробирована авторская методика определения нагрузки на любое кольцо шпарутки, что позволяет реализовывать в её конструкции требование обеспечения равномерного натяжения ткани при ширении за счет создания дифференциальной шпарутки с различными углами наклона колец. Создана методика перераспределения допусков на неточность изготовления зуба берда и диаметра перевивочного материала, которая основана на расчете размерных цепей вероятностным методом, что позволяет сформулировать требования к точности изготовления исходного полуфабриката — бердной ленты.

8. Наличие зазоров в системе зевообразовательного механизма изменяет величину и характер ускорения планок ремизной рамы. Так при зазоре 0,4 мм ускорение на верхней планке в 1,6 раза, а на нижней планке в 1,75 раза выше, чем на тяге. С увеличением зазора от 0,4 мм до 1,2 мм ускорение вертикальной тяги возрастает в 1,3 раза, верхней планки в 1,4 раза, нижней в.

2 раза. При выборке зазора ускорения уменьшаются на тяге в 2 раза, а на планках в 3 раза.

9. Напряжения в ремизной раме при увеличении заправочного натяжения основы уменьшаются, а затем начинают расти, что объясняется влиянием натяжения на инерционные нагрузки. В зависимости от натяжения разность напряжений составляет от 3 до 20%. Наибольшие напряжения возникают в верхней планке и в зоне крепления приводных замков и составляют при движении рамы вверх соответственно 3,2−3,6 мПа и 1,8−2,2 мПа.

10. Уравнения зависимостей прочностных параметров ремизных рам при заданной нагрузке, прогибе и расположении замков, найденные в результате регрессионного анализа, позволяют оптимизировать соотношение жесткостей элементов рамы для обеспечения ее надежности. Установлено, что характер распределения нагрузки по ширине рамы определяется шагом фиксаторов. С увеличением числа фиксаторов деформации и напряжения в раме снижаются. Экспериментально доказано, что с увеличением жесткости соединений боковины с планкой деформации элементов рамы уменьшаются. Напряжения в верхней планке и боковине при этом растут, в нижней уменьшаются.

11. Формирование программы производства тканеформирующей оснастки должно базироваться на оценке размера и структуры ее рынка, пространственный анализ которого выявил наиболее перспективные сегменты рынка: ремизные рамы, галева, берда. Структура потребления тканеформирующей оснастки близка к закону Парето. Формирование и реализация ее конкурентных преимуществ происходит на этапах жизненного цикла: предпроизводственном, производственном, распределения и эксплуатации. На предпроизводственной на основе развертывания функции качества, выявляются ожидания потребителя, трасформируемые в технические условия.

12. Предложена и апробирована методика количественной оценки научно-технического уровня создаваемой оснастки, учитывающая ее функционально-потребительские свойства, параметры продукта, параметры надежности, технической новизны и экономичности эксплуатации. Показатель оценки может служить критерием инновационности внедряемой оснастки.

13. Разработаны прогнозные модели взаимосвязи функциональных и параметрических отказов рам с причинами их возникновения в двух формах. Получены зависимости для расчета вероятности безотказной работы элементов рам, позволяющие устанавливать для них контрольные значения. На основании распределения отказов по рамам комплекта предложены зависимости для оценки безотказности ремизного прибора.

14. Общемировая тенденция технических решений по конструкциям базовых деталей ремизных рам направлена на повышение жесткости профилей и снижение массы за счет геометрии, повышения износостойкости, подбора материалов и уменьшения количества деталей в раме путем объединения функций планок и галевоносителей. Разработаны конструкции планок и освоен их выпуск из тонкостенного коробчатого профиля, повышающие жесткость на 25%, при уменьшении погонной массы на 1015%. Новизна технических решений подтверждается наличием 4 авторских свидетельств и патентов.

15. Создание высоконадежных узлов соединений элементов рам и приводных замков осуществляется на основе совершенствования конструкций. Разработаны и внедрены соединения планки с боковиной по A.c. № 759 632, № 1 051 143 (винтовое с дополнительным расклинивающим эффектом) и по A.C. № 114 788, патенту № 473 372 (в шип), конструкции галевоносителя крючкового типа с клиновым прижимом. Для жесткого привода рам разработаны конструкции замков, крепления к планке которых осуществляются с помощью обоймы и подпружиненных клиньев, а также с клиновым подпружиненным элементом для выборки зазора в соединениях.

16. На основе разработанного унифицированного ряда узлов и деталей созданы конструкции дифференциальных шпаруток, защищенные авторским свидетельством и патентом. Для клееных берд выполнены работы по замене термореактивного компаунда на клей-расплав на основе эпоксидной смолы, модифицированной низкомолекулярным каучуком с концевыми эпоксиуретановыми группами. Производство таких берд осуществляется по разработанным ТУ9671−012−300 558−06, 2006 г. Предложено использование отечественной ленты по ТУ П23.00.00.000, 2001 г. для производства галев, отличающейся от импортной по показателям точности и прочности.

17. Эффективность создания конкурентоспособного комплекта тканеформирующей оснастки следует оценивать по уровню технической и научной новизны, по объему внедрения и выпуска продукции, по повышению ее качества и конкурентоспособности, по социальному и экономическому эффекту. Для экономической оценки разработана и предложена специальная методика, апробированная на примере ремизного прибора.

18. Внедрение комплекта позволяет повысить производительность оборудования до 25%, КПВ до 0,96, снизить уровень обрывности на 10−12%, освоить новые виды продукции, повысить ее качество, облегчить условия труда операторов, исключить ручной труд на проборке. Общий подтвержденный экономический эффект от внедрения комплекта составляет около 50 млн руб. Отдельные разделы работы были представлены на ВДНХ и награждены дипломами и медалями, а также вошли в комплексное исследование, удостоенное премии Правительства РФ в области науки и техники за 2009 год.