Прогнозирование и моделирование надежности игольно-планочной гарнитуры для чесания волокон технической конопли Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

СИСТЕМОТЕХНИКА

УДК 677

Травин Георгий Михайлович

доктор технических наук Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

ops@ksu.edu.ru

Кулемкин Юрий Васильевич

доктор технических наук Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

ops@ksu.edu.ru

Привалов Александр Васильевич

ОАО «Московский экспериментальный завод №1» (г. Москва)

ops@ksu.edu.ru

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИГОЛЬНО-ПЛАНОЧНОй ГАРНИТУРЫ ДЛЯ ЧЕСАНИЯ ВОЛОКОН ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНОПЛИ

При подготовке волокон конопли к прядению целесообразно использовать адаптированное льноперерабатыва-ющее оборудование. Для процесса чесания основным методом адаптации выступает модернизация гребенных полей с использованием специальной игольно-планочной гарнитуры. Вследствие отсутствия опыта эксплуатации такой гарнитуры на волокнах конопли прогнозирование ее отказов, оценку свойств надежности можно осуществить на основе информации об аналогах, используя в качестве которых гарнитуру для чесания длинного трепаного льна. Современные конструкции такой гарнитуры включают алюминиевый профиль в сочетании со сменной полимерной игольной вставкой, что обеспечивает ремонтопригодность гарнитуры. Статистические наблюдения за работой этой гарнитуры с круглой иглой на последних переходах чесания показывают, что средний срок ее службы при плотности посадки 80 игл на 10 см длины составляет 930 часов, а при плотности посадки 64 иглы - 2550 часов. Отказ планок связан с поломкой игл у основания и в вершинной части, образованием загибов, разрушением соединения со вставкой, отклонением положения и расшатыванием. При создании игольно-планочной гарнитуры для чесания конопли необходимо стремиться к поддержанию ее долговечности на уровне не ниже гарнитуры для переработки льна. При этом требуется сокращение издержек на ремонт гарнитуры за счет снижения его трудоемкости и повышения эластичности спроса на элементы ее конструкции. С этих позиций наиболее перспективными являются конструкции с секционными вставками, закрепляемыми разъемным кленовым зажимом. Прогнозируются возможные виды отказов гарнитуры, ведущих к усложнению ее конструкций и использованию новых материалов. На основе диагностической матрицы построены вероятностные модели отказов планок, а также их диагностические модели в совершенной конъюнктивной нормальной форме алгебры логики.

Ключевые слова: чесание конопли, гребенная планка, отказы, срок службы, диагностические модели.

В [5] доказана возможность и целесообразность адаптации льноперерабаты-вающего оборудования под воссоздаваемые на новом уровне технологии производства бытовых тканей из волокон технической ненаркосодержащей конопли. В технологической цепочке подготовки такого волокна к прядению одним из эффективных методов адаптации льняного оборудования рассматривается модернизация гребенных полей на основе использования специально создаваемой под это волокно гребенной игольно-пла-ночной гарнитуры [3].

В приложении к процессу чесания на машинах Ч-302-Л такая технологическая оснастка должна создаваться для начальных, средних и последних переходов чесания. Поскольку полностью отсутствует опыт эксплуатации таких дополняющих средств технологического оснащения на волокнах конопли, прогнозирование их отказов, оценку свойств надежности можно осуществить, используя сведения об аналогах или прототипах.

К настоящему времени накопился значительный опыт эксплуатации различных видов и типов игольно-планочной гарнитуры при чесании длин-

ного трепаного льна. Ретроспективный анализ изменения конструкций такой гарнитуры за последние 30 лет показывает, что основная тенденция в создании планок для средних и последних переходов это использование основания из алюминиевого профиля в сочетании со сменной полимерной игольной вставкой, что обеспечивает такой гарнитуре свойство ремонтопригодности за счет приобретенных в этом случае, главным образом, первичных свойств блочности и взаимозаменяемости. Необходимость обеспечения ремонтопригодности обусловлена низким сроком службы планок, их повышенным расходом, вследствие многообразия видов и значительного количества отказов элементов.

Выполненные нами наблюдения за отказами игольно-планочной гарнитуры свидетельствуют о том, что наибольшее их количество приходится на планки средних и последних переходов, как наиболее ответственных при чесании трепаного льна. При проведении наблюдений отказы фиксировались во время ежемесячных чисток машин Ч-302-Л по количеству снятых для замены или ремонта планок. По результатам наблюдений произведен расчет срока службы планок с плотностью

© Травин Г.М., Кулемкин Ю.В., Привалов А.В., 2014

Вестник КГУ им. H.A. Некрасова «й- № 6, 2014

55

СИСТЕМОТЕХНИКА

Таблица 1

Результаты наблюдений за отказами гарнитуры

Плотность Время наблюдения (час)

наблюдений посадки игл 400 768 1072 1456 1744

на 10 см

Количество 64 3 5 8 13 23

отказов планок (п) 72 13 18 20 32 56

80 38 46 53 72 91

Вероятность 64 0,031 0,052 0,083 0,135 0,24

отказаQí (^ 72 0,035 0,188 0,208 0,333 0,58

80 0,396 0,479 0,552 0,752 0,948

Квантиль 64 -1,86 -1,63 -1,38 -1,1 -0,7

нормального 72 -1,1 -0,89 -0,81 -0,43 0,2

распределения Upí 80 -0,26 -0,05 0,13 0,67 1,63

Таблица 2

Сроки службы планочной гарнитуры

Тип планки по плотности посадки игл Показатели срока службы

Средний срок службы 1 (час) Среднее квадратическое отклонение а (час) Коэффициент вариации V

64 2500 1050 0,42

72 1550 750 0,48

80 930 380 0,41

посадки игл диаметрами 0,9; 0,8; 0,7 мм соответственно 64; 72; 80 игл на 10 см длины планки. При расчетах принималось условие подчинения срока службы планок закону нормального распределения. Параметры закона рассчитывались методом квантилей из уравнений вида t¡ = t + ир1 • <, где ир1 - квантиль нормального распределения, с -среднее квадратическое отклонение срока службы от его среднего значения t. Составлялась система уравнений по регистрированным временам наблюдений, которые решались методом наименьших квадратов.

Исходные данные наблюдений за эксплуатацией чесальной гарнитуры при двухсменной работе в течение 5 месяцев в количестве 96 планок каждого типа и предварительная обработка результатов приведены в таблице 1.

Окончательные результаты расчетов срока службы планок отражены в таблице 2.

2500 -Чп--

2000 --

1500 --

1000 --

500

Анализ основных причин отказов гарнитуры на средних и последних переходах чесания волокон льна показывает, что отказ планок связан с деформацией игл, их поломкой у основания и в вершинной части, образованием загибов и подсечек, разрушением соединения игл с полимерной вставкой, отклонением положения игл и их расшатыванием. Все эти причины обусловлены наличием сил, действующих вдоль оси иглы при прокалывании волокна, изгибающих сил при его чесании, а также потерей местной устойчивости передней полки основания из-за ее недостаточной жесткости. Кроме того, срок службы планок существенным образом зависит от количества игл на единицу длины планки. Очевидно, что при большей частоте посадки игл все усилия на каждую иглу возрастают пропорционально уменьшению расстояния между ними. При этом следует иметь в виду и уменьшение сечения игл при большей плотности посадки,

Л

ю Ы Е?

о И о а

о «

В В

Г-Г

и

60 65 70 75 80

Число игл на 10 см длины планки Рис. 1. Зависимость срока службы планок от частоты посадки игл

56

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова № 6, 2014

Прогнозирование и моделирование надежности игольно-планочной гарнитуры для чесания волокон..

что, естественно, снижает их прочность, жесткость и устойчивость. На рис. 1 построена зависимость срока службы планок от частоты посадки игл.

В исследованном диапазоне частот посадок зависимость носит линейный характер. В соответствии с [4] для таких планок установлены нормы расхода на 1 тыс. час. работы одного перехода 16 шт. Следует заметить, что представленные результаты касаются планок с круглой иглой. Согласно исследованиям [1], при применении плоской иглы на соответствующих переходах чесания срок службы планок существенно возрастает, что обусловлено возрастанием момента сопротивления иглы при изгибе в 2-4 раза, а жесткости ее сечения при изгибе в 4-10 раз.

Все вышеизложенное свидетельствует о том, что при создании (проектировании) игольно-пла-ночной гарнитуры для переработки волокон конопли необходимо стремиться к поддержанию ее долговечности на уровне не ниже гарнитуры для переработки льна. Решение этой задачи осложняется возникновением больших сил в гребенном поле вследствие более высоких механических характеристик волокон конопли.

Даже при сохранении долговечности такой гарнитуры на уровне льняной настоятельно требуется сокращение издержек на восстановление работоспособности планочной гарнитуры за счет снижения трудоемкости сборно-разборочных работ (повышения легкосъемности как свойства ремонтопригодности) и повышения эластичности спроса на элементы конструкции гарнитуры. Наиболее распространенные виды такой гарнитуры со сменной вклеиваемой игольной вставкой требуют следующих операций при ее замене: нагрев основания для размягчения клеевого компаунда, демонтаж игольной вставки, очистка и обезжиривание паза под полимерную сменную вставку, вклеивание новой вставки. В такой ситуации более перспективной для чесания конопли следует рас-

сматривать конструкцию планки с секционными вставками, закрепляемыми разъемным клиновым зажимом, когда ремонт включает только ослабление резьбового соединения, разборку клинового зажима, замену отказавшей секции игольной вставки и ее закрепление. Пример конструкции такой планки представлен на рис. 2.

Сравнение описания операций ремонта двух типов планок показывает явное сокращение трудозатрат на замену секционной вставки за счет снижения объема сборно-разборных работ (усиления свойства легкосъемности). Кроме того, использование такой конструкции снижает с экономических позиций эластичность спроса на планки в сборе и планки с цельной вставкой и повышает ее на секции вставок, что ведет к дополнительному снижению затрат на восстановление работоспособности игольно-планочной гарнитуры.

Попытаемся спрогнозировать все возможные варианты разновидностей отказов элементов иголь-но-планочной гарнитуры для чесания волокон конопли, отталкиваясь от существующих ее конструкций для чесания длинного трепаного льна и предусматривая появление новых элементов в связи с усложнением конструкций и использованием новых материалов. Очевидно, что в любом случае сохранится тенденция принципиального отличия конструкций планок для первых и последующих переходов чесания. Планки первых переходов являются малоэлементными, включающими из алюминиевого профиля, залитого полимером и запрессованные в него иглы или другие расправляющие элементы, например скобы. Планки для средних и последних переходов чесания будут усложняться и должны включать: основание (как правило, из алюминиевого профиля), игольную вставку (цельную или секционную), зажимной элемент и крепежное соединение (например, как на рис. 2). Очевидно, что причины отказов будут различными для этих 2-х групп планок. Возможные прогнозируемые

/> 1 1 1 1 1 1 /II 1 1 1 1 |/ Аг1 ■ 1 I 1 < /м 1 1 1 1 1/1 '11111/111 I III 1/1 1 1 1 Л/

1Л

О О О СМ

/

з • А4

Рис. 2. Конструкция игольной планки со сменными секционными вставками и клиновым зажимом (1 - вставка игольная, 2 - зажимной элемент, 3 - основание (профиль), 4 - резьбовое соединение)

Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова ^ № 6, 2014

57

системотехника

Таблица 3

Матрица отказов игольно-планочной гарнитуры

Элементы гарнитуры Ei Причины отказов элементов Oj

Планок начальных переходов Планок средних и конечных переходов

Поломка 0j Расшатывание игл 02 Выпадение игл 03 Деформация 04 Поломка у основания 05 Поломка вершины 06 Загиб и подсечки 07 Отклонение положения 08 Разрушение соед. иглы с полимерной вставкой 09 о О е = н я м и Ослабление 0И

Основание планки Е1 + +

Игла (скоба) Е2 + + +

Соед. иглы с планкой (вставкой) Е3 + + + +

Вставка игольная Е4 +

Зажимной элемент Е5 +

Крепежное соединение Е6 +

виды отказов каждых элементов отразим в виде диагностической матрицы (таблица 3).

Исходя из матрицы, используя формулу полной вероятности [2], составим вероятностные модели отказов планок первых (А) и последующих (В) переход чесания на основе отказов их элементов как событий случайных и независимых.

P(A) = ¿ P(E¡) • P(A | E¡) = P(E )P(A | +

¡=1

+P(E3 )P(A | E3) =

= 0,5P(A1O1) + 0,5P(A1O2 )P(A | O3),

где P(E¡) - вероятность отказа i-го элемента планки, P(A | Et) - вероятность отказа планки при отказе i-го элемента, P( E1) = P( E3) = 0,5 - равная вероятность отказа основания планки и соединения иглы с основанием.

т

P(B) = £ P(E¡) • P(B | Et) = P(El )P(B | El) +

i

+P(E2 )P(B | E2) + P(E3 )P(B | E3) + +P(E4 )P(B | E4) + P(E5 )P(B | E5) + +P(E6)P(B | E6) = P(Ei)P(B | O4) + +P(E2 )P(B | O5 )P(B | Об )P(B | O7) + +P(E3)P(B | O8 )P(B | O9)+P(E4 )P(B | Oio) + +P(E5)P(B | Oio) + P(E6)P(B | O11),

m

где X P(E¡) = 1. i

На основе матрицы построим диагностическую модель отказов планок в аналитической форме с использованием обозначений, принятых в буле-

вой алгебре [6]. Диагностическая функция для планок начальных переходов:

Fa(Oj,Et) = (O ^£1)(O2 ^£2)(Оз ^£3), или в совершенной конъюнктивной нормальной форме Fa(Oj,Et) = (Ol vEXO2 vO3 vE2).

Для планок последующих переходов:

FÄ(Oj,Et) = (O4 vEi)(O, vO6 vO7 v£2)(Ö8 v

vO9 vE3)(Oi0 vE4 vE5)(OU vE6).

Библиографический список

1. Балобина А.А. Исследование и совершенствование технологии чесания трепаного льна на машине Ч-302 Л: дис. ... канд. техн. наук. - Кострома, 1977. - 208 с.

2. Венцель Е.С. Теория вероятностей: учеб. для вузов. - М.: Высш. шк, 1999. - 576 с.

3. Кулемкин Ю.В. Определение путей адаптации льночесальных машин для переработки волокон конопли / Ю.В. Кулемкин, А.В. Привалов, Г.М. Травин // Инновационные аспекты бизнес-процессов в производстве и сервисе: материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Кострома: КГУ им. Н.А. Некрасова. - 2013. -С. 100-105.

4. Отраслевые нормы расхода технологической оснастки для текстильного оборудования. - М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1985. - 97 с.

5. Привалов А.В. Методы и модели адаптации льноперерабатывающего оборудования под производство тканей из конопли / А.В. Привалов, А.А. Коврижных, Г.М. Травин // Вестник Костром-

58

Вестник КГУ им. H.A. Некрасова № 6, 2014

Повышение эффективности гидрорезания средствами акустической эмиссии

ского государственного университета им. Н.А. Не- 6. Сигорский В.П. Математический аппарат ин-красова. - 2014. - №1. - С. 29-31. женера.- Киев: Техника, 1977. - 765 с.

УДК 621.9

Галиновский Андрей Леонидович

доктор педагогических наук Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

galcomputer@yandex.ru

Зосимов Матвей Владимирович

кандидат технических наук Костромской государственный университет им. Н.А. Некрасова

zosimov@inbox.ru

Моисеев Валерий Александрович

кандидат технических наук Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

moiseev56@mail.ru

Хафизов Максим Васильевич

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

m-khafizov@mail.ru

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОРЕЗАНИЯ СРЕДСТВАМИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

В статье рассматриваются вопросы повышения эффективности гидрорезания за счет управления качеством обработки с применением метода акустической эмиссии (АЭ), который хорошо зарекомендовал себя при выборе рациональных режимов токарной и ультразвуковой обработки материалов. Опытным путем установлено, что мощность АЭ отражает характер изменения производительности гидрорезания. Эксперименты проведены при варьировании угла взаимодействия ультраструи с поверхностью материала и расстояния от среза фокусирующей трубки до поверхности образца. Рассмотрено влияние спрееобразования на интенсивность акустического излучения, пропорционально увеличивающегося с ростом расстояния от среза фокусирующего сопла до поверхности образца. Установлено, что применение данного метода может быть целесообразно с практической точки зрения для оперативного выбора рациональных режимов гидрообработки, в особенности когда осуществляется переход на резание новых материалов. Показана необходимость дальнейших исследований по уточнению влияния спрея ультраструи на мощность акустического излучения в целях повышения точности определения оптимальных режимов ультраструйной обработки. Утверждается, что аналогичные результаты могут быть получены при решении вопросов оптимизации гидроабразивной резки материалов.

Ключевые слова: ультраструйная обработка, гидрорезание, технологические режимы, акустическое излучение.

Ультраструйная технология имеет заметное число варьируемых технологических параметров, причем как очевидных, так и латентных. К параметрам ультраструйной обработки материалов и жидкостей относятся: скорость подачи гидро-, гидроабразивной струи (£, мм/с); твердость обрабатываемого материала (НЕС); толщина обрабатываемого материала (Н, отн. ед.); шероховатость поверхности (Ег, мкм); температура ультраструи (Т, °С); глубина гидрокаверны, (Н, мм); расход абразива (с, г/мин); унос массы материала вследствие эрозии (Ат, мг); величина валика пластического оттеснения материала (Ь, мкм); давление жидкости, создаваемое насосом высокого давлении (Р, МПа); АЭ - акустическая эмиссия; газонасыщение струи жидкости / суспензии (^ отн.ед.).

Многие из перечисленных параметров являются малоизученными, в особенности их взаимного влияния и взаимосвязи. Опираясь на многолетний опыт освоения ультраструйных технологий и системный анализ результатов исследований [3; 4; 6-8], мы получили свои качественно-количественные результаты числа взаимосвязей для параметров гидроструй-

ной обработки материалов и жидкостей. Определено, что в настоящее время установлено только около 40% возможных взаимосвязей параметров. Также отмечается недостаточная изученность их влияния на уровень акустического излучения.

Наряду с расходом абразива и варьированием давления в гидросистеме, для которых во многом уже решены вопросы выбора рациональных режимов, в частности по критерию обеспечения максимальной производительности и минимальной себестоимости реза [9], существует группа других оптимизируемых параметров, имеющих важное значение для обеспечения повышения эффективности ультраструйной обработки. В [2; 5] показано, что изменение угла взаимодействия ультраструи и поверхности образца а, а также варьирование расстояния от среза фокусирующего сопла до него Ь позволяет повысить производительность резания. Вместе с тем в настоящее время отсутствуют необходимые для реализации этих идей методики выбора данных параметров.

В контексте решаемой задачи по разработке экспресс-метода определения рациональных режимов ультраструйной обработки материалов опыт-

© Галиновский А.Л., Зосимов М.В., Моисеев В.А., Хафизов М.В., 2014 Вестник КГУ им. H.A. Некрасова М- № 6, 2014

59