Исследование и разработка процесса и оборудования для получения эластичных кож

Удовлетворение потребностей населения России в предметах массового спроса является одной из основных задач отечественной легкой промышленности, решение которой, особенно в настоящее время — период становления и развития рыночных отношений в России, неразрывно связано с повышением качества выпускаемой продукции и эффективности ее производства. Вытеснение с рынка многих товаров отечественных производителей легкой промышленности товарам^ экспортируемыми из стран ближнего и дальнего зарубежья, делает необходимым повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции. Одним из путей решения этой проблемы является использование производственных процессов, в том числе и для механической обработки кожевенного материала, основанных на совершенствовании всего используемого технологического оборудования и разработки принципиально нового, основанного на достижениях современной отечественной науки и техники.

Весомый вклад в разработку фундаментальных и прикладных научных исследований производственных процессов и технологического оборудования вносят ученые Московской государственной академии легкой промышленности, Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна, Центрального научно-исследовательского института кожевенно-обувной промышленности, Российского заочного института текстильной и легкой промышленности, Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса, а также ряда других НИИ и вузов РФ. Теоретической и практической деятельностью в этом направлении занимались и занимаются большое количество исследователей, авторов фундаментальных работ [16, 26, 33, 36, 37, 40, 41, 57, 60, 62, 70, 82, 86, 92, 100]. Их вклад в отечественную науку имеет огромное значение и служит научной базой для молодых ученых, работающих в этой области.

Изучение потребностей кожевенно-обувной и кожгалантерейной промышленности позволило сделать вывод о том, что в настоящее время они испытывают острый дефицит в кожах отечественного производства, обладающих повышенной эластичностью. Это связано с тем, что используемое оборудование для механических отделочных операций провалки и тяжки натуральных кож, не обеспечивает получения обрабатываемым материалом необходимой тягучести и гибкости, т. е. эластичности. Существенными недостатками тянульных машин различного типа является их низкая производительность (обработка одной кожи осуществляется за 10−20 перемещений полуфабриката относительно рабочих органов) и неодинаковое силовое воздействие на обрабатываемый материал на различных топографических участках, приводящее иногда к разрыву полуфабриката, особенно его периферийных участков. Для предотвращения разрывов и от-душистости лицевой поверхности полуфабриката важное значение имеет его влажность (так, для кож хромового дубления оптимальная влажность составляет 28−32%). Более низкая влажность будет способствовать образованию отдушисто-сти и обрывов при тяжке, более высокая сводит эффект тяжки к минимуму. Таким образом, постоянный контроль влажности и при необходимости доведение ее до оптимального значения перед каждым перемещением полуфабриката значительно снижает производительность оборудования. Перед первой тяжкой возникает необходимость проведения разбивки лап и краев кожи, которая связана с тем, что тянульные машины не всегда обеспечивают достаточное растягивание этих участков, что также увеличивает общее время процесса мягчения. Все вместе сказанное объясняет, почему процесс получения эластичных натуральных кож является малоэффективным, низко производительным, и поэтому он зачастую просто не используется на отечественных предприятиях.

Повышение эффективности оборудования может осуществляться двумя путями: либо за счет его модернизации и усовершенствования традиционных рабочих органов, либо за счет разработки принципиально иных рабочих органов, которые осуществляют новые, более эффективные процессы воздействия на обрабатываемый материал. Используемые технологии представляют собой интегрированный набор тех или иных машинных операций, реализуемых конкретным комплектом оборудования. Очевидно, наиболее эффективное, с точки зрения экономических показателей и конечного качества продукции, оборудование должно базироваться на наилучшем машинном процессе и реализовывать передовую технологию. Поэтому в диссертационной работе был реализован именно второй путь повышения эффективности оборудования для получения эластичных кож.

Наиболее важные операции процесса получения эластичных кож [83]:

• основная операция — механическая обработка полуфабриката;

• подготовительная операция — придание полуфабрикату необходимой степени увлажнения перед проведением основной операции.

Как показал анализ современного отечественного и импортного оборудования для механической обработки кож, выполняемой с целью повышения их эластичности, используемые рабочие органы (реверсные валы, эластичные ленты, резиновые шары и т. п.) имеют одинаковый принцип воздействия на обрабатываемый материал, основанный на деформациях растяжения и изгиба. Экспериментальным и теоретическим вопросам механической обработки натуральных кож, выполняемой традиционными рабочими органами, посвящено достаточно много НИР, которые для таких процессов и операций как мездрение, сгонка волоса, двоение, отжим и разводка позволили достичь определенных результатов, однако для операции тяжки, указанных выше недостатков, устранить до сих пор не удалось.

Большие возможности в повышении уровня механизации, производительности труда и улучшения качества механической обработки, выполняемой с целью повышения эластичности кожи, имеет разработка и внедрение в коже-венно-обувную и кожгалантерейную промышленность оборудования, реализующего процесс ударной обработки. Рабочий инструмент в таком оборудовании представляет собой направленный поток твердых частиц (инденторов)9 и процесс мягчения осуществляется за счет скоростного удара их по поверхности кожи. При этом силовое воздействие на обрабатываемый материал кратковременно, равномерно и довольно легко регулируемо. Однако процесс ударного мягчения кож, несмотря на его достоинства, как в теоретическом, так и в практическом аспектах исследован недостаточно.

Операции тяжки предшествует вспомогательная операция увлажнения полуфабриката. Следовательно, эффективность и качество процесса получения эластичных кож зависит также от длительности и качества гигротермического воздействия. Эту операцию необходимо выполнять и для подготовки кож к ударному мягчению. Поэтому заслуживает внимание разработка вспомогательного оборудования для увлажнения полуфабриката, использующего новый способ воздействия сверхвысокочастотной (СВЧ) энергией, которая является удобным источником тепла, и в ряде применений обладает несомненными преимуществами перед другими источниками. Такой источник не вносит каких-либо загрязнений при нагреве, отличается гибкостью в применениях и практически безынерционен в управлении. Однако использование СВЧ — энергии именно для процесса увлажнения кожевенного полуфабриката, как показал литературный обзор, ни кем из исследователей еще не рассматривался. Следовательно, с целью создания дополнительного оборудования для подготовки кожевенного полуфабриката к операции механического воздействия для повышения его эластичности необходимо провести исследования, прежде всего прикладного характера по использованию для увлажнения кожевенных материалов СВЧ способа подвода тепла.

Итак, потребность легкой промышленности в высокоэластичных кожах для удовлетворения спроса населения на изделия кожевенно-обувной и кожга-лантерейной отраслей отечественного производства и невозможность их получения на применяемом оборудовании порождают научную проблему, суть которой заключается в разработке эффективного оборудования, реализующего принципиально иные машинные процессы, основанные на новых, выходящих за рамки достигнутых знаниях. Учитывая суть проблемной ситуации, тема диссертационной работы является актуальной и своевременной, и поэтому имеет экономическую и социальную значимость.

Объектом исследования данной НИР является процесс получения эластичных кож, включающий основную операцию механического воздействия на обрабатываемый полуфабрикат и вспомогательную операцию его увлажнения.

Предметом исследования является основное (механическое) и вспомогательное (гигротермическое) оборудование процесса получения эластичных кож, на разработку которого направлена диссертационная работа.

Целью работы является повышение эффективности и качества процесса получения эластичных кож за счет разработки оборудования, основанного на новых способах механического (ударного) и гигротермического (СВЧ) воздействия на обрабатываемый полуфабрикат.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследования:

• провести анализ используемого оборудования для проведения механической операции тяжки натуральных кож с целью выявления недостатков этого оборудования и показать возможность использования и перспективность ударного процесса для получения эластичных кож;

• выполнить теоретическое исследование процесса ударного взаимодействия твердых тел с натуральной кожей для чего: определить основные факторы машинного процесса, вызывающие повышение эластичности кожи в результате ее ударной обработкиполучить описание механизма разволокнения внутренней структуры кож;

• провести экспериментальное исследование процесса ударного взаимодействия твердых тел с натуральной кожей для чего: разработать методики исследований, позволяющие получить данные адекватные реальности, включающие описание экспериментального оборудования для проведения ударного мягчения и определения основных параметров процесса ударного взаимодействияопределить влияние основных факторов процесса ударного мягчения на изменение степени разволокнения внутренней структуры кожи;

• обсудить результаты экспериментальных и теоретических исследований;

• разработать новый способ механической обработки, основанный на ударном процессе и позволяющий получать кожи высокой эластичности;

• разработать, учитывая специфику ударного взаимодействия кожи с твердыми телами требования, которым должна удовлетворять установка для мягчения кож ударом, изготовить и провести апробацию технического решения, удовлетворяющего этим требованиям;

• разработать новый способ гигротермического воздействия на кожевенный полуфабрикат, основанный на использовании СВЧ — энергии, с целью интенсификации процесса увлажнения и обосновать его преимущества;

• разработать, учитывая специфику использования СВЧ — энергии требования, которым должна удовлетворять установка для увлажнения кожи, изготовить и провести апробацию технического решения, удовлетворяющего этим требованиям;

• для установок ударного мягчения и увлажнения в СВЧ — поле кожевенного полуфабриката: определить рациональные режимы обработкиразработать рекомендации по внедрению и практическому использованию в производстве.

В диссертационной работе использованы такие методы исследования как: эмпирический и теоретический, а также методы абстрагирования, анализа и синтеза, индукции и дедукции, моделирования. Также применяются методы статики и динамики теоретической механикиметоды теории упругостиметоды математической статистики, программирования и логической алгоритмизации.

Достоверность полученных результатов исследования обеспечивается:

• использованием в качестве теоретической и методологической базы диссертационного исследования фундаментальных трудов отечественных и зарубежных авторов по вопросам механической обработки натуральных кож и другим вопросам исследуемой проблемы;

• использованием современных методов исследования, оборудования и приборов для подготовки и проведения экспериментов и обработки полученных результатов, применением ПЭВМ и пакета прикладных программ в программной оболочке ^^икктз^б;

• апробацией теоретических выводов и методических рекомендаций на научных конференциях, а также в опубликованных работах.

Научная новизна заключается в том, что:

• показано на основании реологического моделирования деформационного поведения кожи, что остаточная деформация, получаемая на оборудовании для операции тяжки, возрастает с увеличением количества проходов полуфабриката относительно рабочих органов;

• проведено теоретическое исследование процесса ударного взаимодействия тел с натуральной кожей с целью разработки технологических основ нового способа воздействия на полуфабрикат повышающего его эластичность и определены основные факторы этого процесса;

• показана возможность использования различных моделей удара и процесса передачи энергии для объяснения механизма повышения пористости натуральных кож, оцениваемого степенью разволокнения их внутренней структуры, т. е. описан механизм повышения эластичности кож в результате их ударной обработки;

• обосновано использование гигротермического воздействия СВЧ — полем с целью интенсификации процесса увлажнения кожевенного полуфабриката, как подготовительной операции ударного мягчения, и показаны его преимущества;

• предложены наиболее рациональные режимы ударного мягчения и увлажнения полуфабриката в СВЧ установке для различных кожевенных материалов;

Технологическая новизна работы заключается в разработке:

• нового способа механического воздействия на натуральную кожу с целью повышения ее эластичности, основанного на ударном процессе (защищен патентом РФ);

• нового способа увлажнения кожевенного материала в СВЧ — поле, позволяющего подготовитьполуфабрикат к ударному мягчению (защищен авторским свидетельством СССР).

Конструкторская и практическая ценность работы заключается в том, что:

• разработаны научно-обоснованные технические требования, учитывающие специфику процессов, которым должны соответствовать оборудование для ударного мягчения и увлажнения кожевенного полуфабриката;

• разработаны, согласно техническим требованиям, конструкторские решения оборудования для ударного мягчения (защищена патентом РФ) и увлажнения;

• разработаны рекомендации по внедрению и практическому использованию в производство установок для ударного мягчения и увлажнения полуфабриката в СВЧ — поле;

• результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе вузами легкой промышленности и группы сервиса. Наиболее полно они отражены в монографии «Разработка и исследование новой технологии и оборудования для мягчения кож ударом».

Результаты диссертации могут быть использованы в проектно-конструкторских, научно-исследовательских организациях и на предприятиях кожевенно-обувной и кожгалантерейной промышленности при:

— разработке и совершенствовании существующих процессов механической обработки натуральных кож и создании новых;

— разработке научно-обоснованных исходных требований на проектирование нового оборудования для мягчения кож ударом, технологической оснастки и приборов, позволяющих повышать качество получаемой продукции.

Практическая значимость работы подтверждается эффективностью внедрения ее результатов в производство на Краснодарском и Таганрогском кожевенных заводах. Суммарный годовой эффект НИР по всем реализованным к настоящему времени разработкам составляет 654,4 тыс. руб. Документы, подтверждающие внедрение и практическое использование теоретических положений, выводов и рекомендаций, представлены в приложении 2 диссертации.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертации были доложены и получили положительную оценку на ряде научно-технических конференциях ЮРГУЭС (г. Шахты — 1994;99гг) — на Республиканском научно-практическом семинаре «Перспективы развития производства товаров народного потребления и сферы услуг» (г. Хмельницк, 1990г) — на Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс 99) в Ивановской академии текстильной промышленности (г. Иваново — 1999г).

По материалам диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе патент № 2 102 488 «Способ обработки кож и устройство для его реализации» и авторское свидетельство № 1 425 889 «Способ увлажнения заготовок верха обуви».

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа изложена на 168 страницах, из которых 145 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 8 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 112 наименований, и 2 приложений. Приложение 1 (9 страниц) включает 7 рисунков, 2 таблицы.

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Разработана, на уровне патента РФ, новая технология ударного мягчения кож.

2. Разработаны исходные требованиями на их основе создана технологическая установка для мягчения кож ударом, защищенная патентом РФ.

3. Разработана конструкция безызносного сопла.

4. Разработано дополнительное оборудование, позволяющее повысить качество ударной обработки за счет стабилизации ударного импульса тел рабочего агента.

5. Рассмотрены вопросы интенсивной гигротермической обработки кожевенного материала. Установлено, что СВЧ-нагревание является перспективным для использования в гигротермических установках кожевенного производства. На уровне изобретения разработан способ увлажнения кожи в СВЧ-поле, позволяющий получить равномерное распределение влаги по толщине обрабатываемого материала за относительно короткое время (2−3 мин.), позволяющее повысить качество ударной обработки.

6. Разработано дополнительное оборудование для подготовки полуфабриката к ударному мягчению, позволяющее реализовать способ, описанный в предыдущем пункте.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключительной части диссертационной работы изложим «выводное» знание, представляющее синтез полученных итогов и их соотношение с общей целью и конкретными задачами, поставленными и сформулированными во введении, из которых выделим «основные» и проследим за их решением по мере решения «второстепенных» задач. Исходя из цели работы, к основным задачам необходимо отнести разработку нового эффективного оборудования для механической обработки с целью повышения эластичности кожи и разработку нового эффективного оборудования для увлажнения полуфабриката при подготовке его к механической обработке. Наличие слова «новое» предполагает разработку оборудования на каких-то принципиально иных, отличных от традиционных способов. Таким образом, выделяются еще две основные задачи — разработка этих способов. Определясь логикой построения диссертационной работы, перечислим итоговые результаты исследования и проведем их синтез.

1. В результате использования модельного метода деформационного поведения кожи, рассмотрение ее различных реологических моделей, удалось объяснить такие недостатки валичного оборудования, используемого для повышения эластичности кож, как его низкая производительность, обусловленная вынужденным неоднократным прохождением полуфабриката относительно рабочих органов, и невысокое качество обработки, связанное с низкой степенью разволокнения внутренней структуры.

Таким образом, показана низкая эффективность технологического оборудования, используемого в настоящее время в производственном процессе получения эластичных кож, что подтверждает актуальность темы, правильный выбор предмета исследования и поставленной цели диссертационной работы.

Определившись с направлением даттьнейтттего исследования и в соответствии с целью и поставленными задачами, далее было проведено теоретическое и экспериментальное исследования ударного взаимодействия твердого тела с кожей с целью подтверждения возможности использовании этого процесса в технологическом оборудовании для мягчения кож.

2. Теоретическое исследование факторов ударного взаимодействия, обеспечивающих возрастание пористости и разволокнение фибрилл коллагена, на основе классической теории удара позволило установить, что основными, при прочих равных условиях, являются такие факторы как скорость удара и скорость распространения звука в обрабатываемом материале, или точнее — их отношение, называемое числом Маха. Установлено, например, что процесс мягчения кож верха обуви типа «хромового выростка» должен наблюдаться при числах Маха, принадлежащих диапазону 0,26−0,45.

3. В качестве волновых моделей плоского удара рассмотрены взаимодействия двух бесконечных полупространств и пространств, имеющих три граничные поверхности — одну контакта и две свободные. Вторая модель, более реально отражающая ударный процесс, позволила показать, что при обработке кожевенного материала рабочим органом в виде скоростной струи тел рабочего агента, процесс протекания каждого единичного удара сопровождается циклической передачей энергии и вибрацией поверхностей полуфабриката как во время удара, так и некоторое время спустя. Это приводит к тому, что в объеме полуфабриката возникают многочисленные чередующиеся волны сжатия и разряжения, что, по всей видимости, и обуславливает раскручивание и разъединение фибрилл коллагена внутренней структуры натуральной кожи, т. е. происходит ее разволокнение.

Таким образом, в результате только теоретического рассмотрения ударного взаимодействия показана принципиальная возможность использования для мягчения кож рабочего инструмента в виде скоростной струи инденторов. Следуя логике и плану проведения экспериментальных исследований, сначала был определен выбор параметров, подлежащих оценке до и после механической обработки. Далее, наряду с традиционными методиками был разработан также и ряд новых методик, включающих описание соответствующего лабораторного оборудования.

4. Экспериментально исследована зависимость степени разволокнения различного кожевенного полуфабриката от таких факторов как скорость удара, масса и материал индентора. Установлено, что для кож хромового метода дубления степень разволокнения достигает порядка 180%. Обсуждение результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса ударного мягчения показало их хорошую сходимость.

На этом этапе синтезом проведенных исследований стало решение одной из основных задач исследования.

5. Разработан новый способ механической обработки, основанный на ударном процессе.

Новизну этого способа подтверждает патент РФ [68]. Учитывая специфику нового способа, разработаны исходные требования на технологическую установку для ударного мягчения кож. Исходя из этих требований, был разработан ряд технических решений.

6. Разработано устройство — система электромагнитного разгона ферромагнитных инденторов, позволяющее повысить качество ударной обработки за счет стабилизации ударного импульса тел рабочего агента.

7. Разработана конструкция эжекторного струйного пистолета, позволяющая значительно увеличить производительность и срок эксплуатации технологической установки для ударного мягчения.

На этом этапе синтезом нового способа и конструкторских решений стало решение еще одной основной задачи исследования.

8. Разработана новая эффективная технологическая установка для ударной обработки кожи, позволяющая за один проход полуфабриката относительно скоростной струи тел рабочего агента (время обработки порядка 10 с) получить значительную степень разволокнения (порядка 160 180%) его внутренней структуры. Новизну установки подтверждает патент РФ [68].

Исследования прикладного характера по использованию интенсифицированных методов тепло — и массо — обмена позволили решить еще одну из основных задач исследования.

9. Разработан новый способ увлажнения кожевенного полуфабриката в СВЧ поле. Новизна способа подтверждена авторским свидетельством СССР [10].

Разработанные исходные требования на устройство для интенсификаци-онного увлажнения и новый способ гигротермического воздействия СВЧ энергии на увлажняемый материал позволил решить последнюю из основных задач.

10.Разработано эффективное устройство для проведения термообработки кожевенного материала в СВЧ-поле. Определены оптимальные параметры процесса увлажнения различных типов кожи в экспериментальной СВЧ установке. Общее время увлажнения составляет 2−3 минуты, что говорит об эффективности установки, используемой СВЧ энергии, по сравнению с остальными известными устройствами, использующими иные принципы теплового воздействия.

Подведем обобщенную итоговую оценку проделанным в диссертации работе исследованиям.

Главный смысл проделанной НИР заключается в возможности повышения эффективности производственного процесса получения эластичных кож за счет использования более эффективного, основанного на новых способах технологического оборудования.

Как уже было отмечено в ведении, в настоящее время кожевенно-обувная и кожгалантерейная отрасли легкой промышленности РФ испытывают острую необходимость и постоянный дефицит в высокоэластичных кожах, которые практически не выпускает отечественная легкая промышленность. Дело доходит до того, что мы экспортируем кожевенное сырье за рубеж и после его обработки импортируем обратно уже как готовую продукцию. О цене изделий из такого материала говорить не приходиться.

Естественно, данная НИР не решает в полном объеме эту проблему легкой промышленности. Разработанные технические решения установки для ударного мягчения и устройства для интенсифицированного увлажнения способны удовлетворить потребности лишь мелкосерийного производства. Для больших кожевенных заводов и фабрик нужны более мощные и производительные устройства, что рождает новые научные и конструкторско-технические задачи для разработчиков оборудования легкой промышленности. Например, для увеличения площади обработки и повышения производительности установки для ударного мягчения можно использовать более одного эжекторного струйного пистолета. Вариант более производительной установки для увлажнения в СВЧ поле описан в диссертационной работе, но для его реализации необходимо решить ряд конструкторско-технических задач.

Практические предложения по использованию результатов данной диссертационной работы нашли применение и были внедрены на Краснодарском и Таганрогском кожевенном заводе. Внедрение конструкторско-технологической документации на технологическую установку и результатов исследования по получению эластичных кож многократным ударом дают предполагаемый годовой экономический эффект этим предприятиям 203,4 тыс. руб. и 274,5 тыс. руб соответственно. Внедрение на Таганрогском кожевенном заводе конструктор-ско-технологической документации на технологическую установку и результатов исследования по увлажнению кожевенного полуфабриката в СВЧ поле дает предполагаемый годовой экономический эффект 176,5 тыс. руб.

Итого, общий предполагаемый годовой эффект от внедрения результатов исследования данной диссертационной работы в производство, составляет 654,4 тыс. руб. Акты внедрения приведены в приложении 2.