ВВЕДЕНИЕ
Легкая промышленность относится к обрабатывающим отраслям, технология глубокой переработки сырья и материалов в которой включена в перечень критических технологий, утвержденный Президентом Российской Федерации В.В. Путиным по результатам совместного заседания Совета Безопасности Российской Федерации, Президиума Государственного совета Российской Федерации и Совета при Президенте Российской Федерации по науке и высоким технологиям (протокол от 30 марта 2002 г. № Пр-578.).
Разработанная в связи с этим Концепция развития легкой промышленности России определяет цели, задачи и приоритеты ее развития для удовлетворения спроса внутреннего рынка отечественными товарами бытового, специального и технического назначения, увеличения экспорта продукции отрасли и рассчитана на период до 2010 г.
Условия, обеспечивающие развитие отечественной легкой промышленности, а также повышение эффективности производства современных конкурентоспособных товаров, могут быть достигнуты за счет решения целого ряда задач, в том числе:
- проведения технологической модернизации предприятий и обеспечение на этой основе стабильного инновационного развития отрасли;
- обеспечения глубокой переработки отечественного сырья: натуральных кожи и меха;
- снижения материалоемкости и энергоемкости выпускаемой продукции и повышение рентабельности производства.
Состояние основных производственных фондов отрасли не позволяет производить высококачественную, сравнимую с зарубежными аналогами продукцию. По состоянию на конец 2000 г степень их износа составила 54,2%, коэффициент обновления и коэффициент выбытия составили в сопоставимых ценах соответственно - 0,5 и 2,1. По оценке НИИ статистики на начало 2000 г.
7
доля оборудования, эксплуатируемого до 5 лет, составила 1,4%, 6-10 лет -21,2%, 11-20 лет- 57,3%, более 20 лет-20,1% [1].
Продукция легкой промышленности удерживается сейчас на российском рынке во многом благодаря сдерживанию цен производителями при растущих затратах. Таким образом, предприятия легкой промышленности находятся в трудном положении из-за недостатка оборотных средств, высокого износа технологического оборудования, снижения рентабельности в связи с ростом затрат и сдерживанием цен производителями, низкой конкурентоспособности продукции.
Повышение конкурентоспособности продукции легкой промышленности должно быть достигнуто путем технологической модернизации предприятий, минимизации непроизводственных затрат, применения государственных стандартов, обязательной и добровольной сертификации продукции на уровне международных требований, повышения уровня научно-технического и кадрового обеспечения отрасли.
Приоритетными направлениями научных исследований и инновационных разработок являются:
- разработка и освоение ресурсосберегающих, экологически чистых технологий текстильного производства;
- разработка и освоение технологий изготовления изделий из натуральных кож и меха, обеспечивающих гибкость производства и экологичность продукции.
Основой развития легкой промышленности являются результаты фундаментальных и прикладных исследований и разработок новых машин и оборудования, материалов, образцов продукции, технологий, направленных на повышение потребительских свойств товаров, обеспечение требований к ним по безопасности и экологичности.
Для повышения конкурентоспособности продукции легкой промышленности должны быть решены общие задачи технологического обновления отрасли, пополнения оборотных средств предприятий, организационного реформи-
8
рования предприятий, повышения эффективности научно-технического обеспечения производства, а также задачи отраслей, обусловленные их спецификой. Наиболее актуальной и финансовоемкой является задача технологического обновления отрасли.
В результате реализации Концепции объем выпуска продукции легкой промышленности к 2010 г. увеличится в 2 раза. Это соответствует среднегодовому индексу физического объема производства 107 %. В этом случае доля отечественной продукции на внутреннем рынке составит не менее 55%. Экспортный потенциал отрасли к 2010 г. увеличится до уровня, превышающего импорт товаров легкой промышленности [1].
Повышение качества изделий легкой промышленности во многом зависят от условий проведения операций механической обработки. Анализ готовой продукции показывает, что многие дефекты обработки, образующиеся на промежуточных технологических операциях, проявляются и на конечном качестве продукции, что ведет к снижению сортности, а, следовательно, и стоимости изделия.
Одним из наиболее распространенных материалов при изготовлении обуви, одежды и галантерейных изделий является кожа, что объясняется ее совершенно специфическими свойствами, не имеющих себе аналогов, в том числе и при их воспроизведении в виде искусственных материалов. При этом качество изделий из кожи, как конечного продукта во всей технологической цепочке, в значительной степени зависит от качества самого материала, представляющего комбинацию большого числа, факторов совершенно независимых друг от друга. Они, во-первых, определяются видом сырья, а также его исходными характеристиками, совокупность которых известна [2 - 5] и весьма велика. Во-вторых, качественные показатели готовой продукции формируются последовательно в технологическом процессе обработки кожи, которая, вступая в этот цикл, носит название «шкуры» и только после большого числа операций приобретает необходимые для «кожи» признаки. В третьих, на каждой из операций технологического процесса имеется достаточно большой число управляемых, а
9
также неуправляемых параметров, которые существенно отражаются на свойствах готовой продукции.
Исходя из последнего, представляется интересным и целесообразным проследить за возможностью управления технологическими параметрами операций обработки кожевенного полуфабриката с тем, чтобы гарантировано получить заданные характеристики готовой продукции.
В целом такая задача чрезвычайно обширна, чтобы решить ее в рамках одной работы. Поэтому выделена часть технологического процесса кожевенного и мехового производств, связанная только с операциями механической обработки. Они обладают некоторой общностью с точки зрения методологии подхода к изучению процессов, и дают возможность формировать целую группу механических (физических) свойств готовой продукции. Например, прочность, толщина и разнотолщинность по площади, мягкость и эластичность, и прочие параметры качества кожи. Все эти условия заранее задаются в требованиях к готовой продукции и определяют возможности ее дальнейшего использования в виде сырья для обувной и галантерейной промышленности. Так, по назначению, кожи классифицируются для верха и низа обуви, подкладочные, галантерейные, шорно-седельные, технические, сыромятные, для одежды и головных уборов, для перчаток и рукавиц и проч. Кожи бывают как мягкие, так и жесткие, иногда даже с сохранением волосяного покрова. Они должны быть определенной толщины в стандартных точках установленных в нормативно-технической документации на соответствующий вид продукции [6-14].
Исследованиями, направленными на совершенствование технологических процессов и оборудования легкой промышленности, занимались большое количество авторов: Фукин В.А., Майзель М.М., Лопандин Д.В., Карамышкин В.В., Комиссаров А.И., Сторожев В.В., Бурмистров А.Г., Иванов В.А., Бескоро-вайный В.В., Каплин Л.А., Фридлянд А.А., Радченко О.Г., Парамонов В.С, Зу-рабян К.М., Жаворонков А.И. и др.
Весомый вклад в разработку фундаментальных и прикладных научных исследований в данном направлении вносят ученые Московского государст-
10
венного университета дизайна и технологий, Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна, Центрального научно-исследовательского института кожевенно-обувной промышленности, Российского заочного института текстильной и легкой промышленности, Орловского научно-исследовательского института легкого машиностроения и др.
Среди механических операций обработки кожевенного полуфабриката выделены: мездрение, строгание, разводка, мягчение, шлифование, которые формируют качество кожи. Следует обратить внимание на то, что отдельные параметры (в том числе и дефекты), проявляются и в готовом изделии. Имеют место ряд операций резания (обрезка, обрядка, чепракование), однако, они принадлежат к группе особых операций: разделению всей шкуры на отдельные топографические участки и в большинстве случаев они выполняются вручную, в связи с этим актуален вопрос их механизации.
Операции механической обработки кожевенного полуфабриката чаще всего связаны с резанием, обеспечивающим снятие определенного слоя материала по всей площади. Исключение составляет работа разводных машин, когда притуплённые винтообразные ножи осуществляют деформирование (растяжение) полуфабриката. Также специфической является работа тянульно-мягчительных машин, которые обрабатывают кожу путем многократного деформирования и, тем не менее, требуемая степень эластичности не всегда достигается на этой операции, что в конечном итоге влияет на ее качество. Это свидетельствует о целесообразности поиска новых способов обработки кож, которые бы позволили достигать нужной эластичности (мягкости) и тем самым повысить качество кож.
Вопросы повышения качества кожи при механической обработке рассматриваются достаточно часто, но связаны они либо с определенными операциями, либо с конкретными предприятиями, что определяет частный характер этих разработок. Предлагаемые исследования имеют такую направленность, чтобы обобщить уже существующие положения и полученные в настоящих исследованиях материалы по созданию технологического процесса механической обработки кожи, обеспечи-
II
вающего стабильно высокое (для данного вида сырья) качество продукции. Ввиду того, что на кожевенные и меховые предприятия легкой промышленности поступает нестандартное кожевенно-меховое сырье (натуральные кожи), его механическая обработка неизбежна и является актуальной.
Механическую обработку поверхности полуфабриката на предприятиях легкой промышленности проводят, как основную операцию технологического процесса, выполняемую с целью изменения геометрических размеров полуфабриката. В основе процесса лежит разрушение материала тем или иным способом [9,10,15-18].
Процессы взаимодействия рабочего органа оборудования с обрабатываемой поверхностью, на которых основаны все технологические операции для механической обработки полуфабриката, представляют собой процессы механического ориентированного разрушения поверхностных слоев кожи. Эти процессы чрезвычайно многообразны, что обусловлено различиями технологических операций и требований к ним, различием рабочих органов машин и характера их взаимодействия с материалом.
В реальных процессах скорость подачи детали непостоянна, непостоянно также давление зерен и граней на деталь. Это происходит вследствие засаливания рабочей поверхности инструмента, затупления режущих кромок и выкрашивания абразивных зерен, неравномерности толщины и физико-механических свойств различных топографических участков кожи и др. Поэтому для достижения требуемого качества, кожи приходится обрабатывать инструментом неоднократно, повторяя процесс.
Недостаток экспериментальных данных по определению величины и характера сил сопротивления материала в различных условиях удара, в различных скоростных режимах, а также недостаточная изученность механизма обработки кож ударом, приводит к тому, что в настоящее время отсутствует общетеоретические предпосылки, позволяющие назначать режимы обработки кож ударом и формулировать научно обоснованные исходные требования на проектирование технологического оборудования.
12
При создании новых и модернизации существующих кожевенных машин наметилась тенденция увеличения ширины рабочего прохода для обеспечения возможности обработки целых кож повышенных развесов. Однако это ведет к значительному увеличению длины и массы вращающихся валов, их динамической нагруженности, что вызывает повышение уровня вибраций рабочих валов, преждевременный износ деталей, а также отрицательно сказывается на качестве обработки кожевенных материалов. Отсутствие в распоряжении конструкторов и эксплуатационников необходимых теоретических и экспериментальных исследований по вопросам снижения виброактивности кожевенных машин, нередко приводит к необоснованным конструктивным решениям [19].
Разрабатываемые в данной работе теоретические и экспериментальные основы создания и совершенствования оборудования для механической обработки по условиям повышения качества и эффективности кожевенно-обувного и мехового производств легкой промышленности особенно своевременны. В настоящее время эти производства характеризуются несовершенством оборудования для механической обработки, устаревшими формами организации производства и, вероятно, поэтому они находятся в условиях хронического кризиса, зачастую нерентабельны, а спрос населения покрывается путем импорта.
Одним из наиболее важных рабочих органов, влияющих на работоспособность технологического оборудования для механической обработки кожевенно-меховых материалов и их качество, являются обрезиненные валы, входящие в конструкции подавляющего большинства машин.
Изучение вопросов трения и износа при взаимодействии обрезиненных валов с прижимными валами является основополагающим при оценке эффективности работы оборудования в целом [7,20 - 24].
Одним из наиболее перспективных методов повышения износостойкости обрезиненных валов, на наш взгляд, является метод диффузионной поверхностной модификации, однако его применение для условий повышенной кислотности, влажности, агрессивности, которые создают обрабатываемые кожевенно-меховые материалы, еще не оценивалось.
13
Механическая обработка наиболее сложных материалов, применяемых в легкой промышленности - натуральных кож, меха, характеризуется наличием большого количества процессов (волососгонно-чистильными, мездрильными, отжимными, строгальными, разводными, тянульно-мягчильными, шлифовальными и проч.), что влечет за собой необходимость использования целой гаммы соответствующего оборудования. При этом значительное улучшение технических характеристик и качества выполнения одним типом оборудования не позволяет решить главную задачу промышленности - удовлетворить потребность населения России в высококачественных предметах массового спроса. Поэтому необходимо разрабатывать теоретические и экспериментальные основы повышения качества механической обработки комплексно, выполняя анализ всех процессов и соответствующего оборудования.
К недостатку многих НИР и ОКР следует отнести, то, что зачастую они решают частные вопросы повышения эффективности и качества ограничиваясь каким-то одним типом оборудования, не затрагивая весь технологический цикл, что не позволяет достигать стабильно высокого качества конечного продукта. Вероятно, поэтому современная кожевенная промышленность в настоящее время практически не выпускает кожи первого сорта для производства обуви, а меховая обладает такими недостатками как: жесткость и ломкость дермы и пр.
Нуждаются в дополнительной разработке конструкции захватных устройств для перемещения кожевенно-меховых материалов, форсунок для нанесения рабочих растворов на поверхности изготавливаемых материалов, машин для обработки полуфабриката и измельчения отходов.
Использование полученных результатов диссертационного исследования позволяет ликвидировать «узкие места» в механизации производственных процессов механической обработки, повысить качество выпускаемой продукции и улучшить условия труда путем: снижения вибродинамических характеристик и уровня шума технологического оборудования; создания принципиально нового оборудования для мягчения кож ударом; рациональной организации производства, использующего безотходные технологии.
14
Результаты комплексного исследования являются теоретическими и экспериментальными основами повышения качества механической обработки в ко-жевенно-обувном и меховом производствах и способны восполнить имеющиеся пробелы, а также внести определенный вклад в совершенствование оборудования для механической обработки материалов легкой промышленности и организацию производства.
Диссертационное исследование выполнялось в рамках научно-технической программы «Инновационная деятельность высшей школы» и подпрограммы 202.4 «Инновационные проекты в области сервиса» Министерства образования и науки РФ.
Работа выполнялась автором сначала (1980 - 1988 гг.) на кафедрах «Машины и аппараты легкой промышленности» и «Машины и оборудование стройиндустрии» Новочеркасского политехнического института (1988 — 2000 гг.) (ныне Южно-Российский государственный технический университет (НПИ) и кафедрах «Прикладная механика» Московского государственного университета сервиса и Московского института управления и сервиса (2002 - 2004 гг.).
Целью исследования является повышение эффективности производства и улучшение качества кожевенно-мехового полуфабриката на базе развития теоретических основ совершенствования технологического оборудования
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
• анализ современного оборудования и технологии механической обработки кожевенного и мехового производств;
• анализ технологических процессов и определение факторов, влияющих на качество при выполнении операций механической обработки кожевенного и мехового полуфабриката;
• разработка теоретических основ создания валичных машин для механической обработки кожи и меха с учетом условий динамики взаимодействия рабочих органов с полуфабрикатом;
15
• разработка обобщенной математической модели машин валичного типа и создание методов вибродинамических расчетов технологического оборудования кожевенно-мехового производств;
• разработка новых охраноспособных конструкций машин и устройств для: нанесения технологических растворов на поверхности материалов, отжима, прямолинейного и фигурного резания, транспортированию полуфабриката и переработки отходов на уровне изобретений;
• создание методики планирования траекторий раскроя кожевенно-меховых материалов для устройства, разработанного на базе двухподвижного соединения;
• исследование процесса изнашивания обрезиненных валов, а также влияние на разрушение приповерхностных слоев резины ее неоднородности и активных наполнителей;
• совершенствование метода поверхностной диффузионной модификации применительно к обрезиненным валам кожевенно-мехового оборудования;
• разработка рекомендаций по определению рациональной мощности кожевенно-меховых производств, повышающих их эффективность.
Идея работы заключается в учете адаптирующих свойств внешних связей при формировании воздействия рабочего органа технологической машины на обрабатываемый материал.
Методы исследования. В процессе выполнения работы использовались общие и специальные методы исследований, включая научное обобщение, методы статики и динамики теории машин и механизмов, прикладной механики, теории упругости, математической статистики, сопротивления материалов, поверхностной диффузионной модификации материалов, экспериментальные исследования.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
• новые математические модели кожевенно-меховых машин валичного типа в матричном виде;
16
• методика расчета центробежных форсунок для охлаждения винтовых ножей кожевенно-меховых машин;
• методика планирования траектории движения при разрезании кожевенно-меховых материалов для разработанной конструкции нового устройства;
• экспериментальные данные процесса изнашивания и температурного режима трения обрезиненных валов кожевенно-мехового оборудования;
• экспериментальные влияния структурной неоднородности резин на разрушение приповерхностных слоев обрезиненных валов в процессе их эксплуатации;
• закономерности влияния наполнителя резин и их структурной неоднородности на изменение физико-механических характеристик обрезиненных валов при их эксплуатации;
• разработанный состав модифицирующего раствора с учетом специфики среды работы машин кожевенно-мехового производства.
Научная новизна. Результаты исследований по совокупности составляют новое решение задачи по разработке теоретических основ проектирования и эксплуатации валичных кожевенно-меховых машин, обрабатывающих кожи и мех с широкой гаммой свойств, использования новых методов расчета с целью повышения эксплуатационных характеристик машин и оборудования и имеющей существенное значение для легкой промышленности:
1. Разработаны теоретические модели кожевенно-меховых машин валич-ного типа, учитывающие массо-инерционные характеристики оборудования, а также жесткости муфты, опор валов, двигателя, позволяющие определять рабочие усилия между ножевым и прижимным валами с учетом свойств обрабатываемого материала и, позволяющие выбирать оптимальные режимы его обработки с целью повышения качества.
2. Создана упрощенная графо-аналитическая методика расчета центробежных форсунок для охлаждения винтовых ножей кожевенно-меховых машин, учитывающая угол распыла и перепад давления на форсунке и позволяю-
17
щая повысить эффективность процесса охлаждения при уменьшении расхода охлаждающей жидкости (воды).
3. Создана новая методика планирования траектории движения при раз-)т\ резании кожевенно-меховых материалов, основанная на решении обратной задачи кинематики для разработанных на уровне изобретений двухподвижных сочленений манипулятора.
4. Получены новые экспериментальные данные изменения износостойкости обрезиненных валов и температурного режима трения, а также выявлен
> факт периодического колебания температур при скоростях скольжения, пре-
вышающих 0,5 м/с. Разработаны рекомендации по улучшению рабочих характеристик обрезиненных валов.
5. Получены новые экспериментальные данные о влиянии наполнителя резин на их физико-механические характеристики. Установлено, что активные
• наполнители способствуют повышению прочности, износостойкости, модуля
упругости, сопротивления раздиру и влияют на эластические свойства резин.
6. Используя полученные экспериментальные результаты, разработан состав модифицирующего раствора с учетом специфики рабочей среды машин кожевенно-мехового производства, обеспечивающий создание на поверхности обрезиненных валов слоя заданной толщины повышенной износостойкости,
•f твердости и прочности с использованием метода диффузной модификации.
Достоверность полученных данных подтверждается адекватностью математических моделей и лабораторных экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных результатов (расхождение не более 18% при доверительной вероятности 0,9), а также использованием современных апробированных методов исследования.
к Практическая значимость и реализация результатов работы.
Научно-практические разработки, предложенные в диссертации, позволяют повысить эффективность работы и производительность оборудования для механической обработки натуральных кож и меха. На уровне изобретений и патентов |
