Совершенствование амортизирующих покрытий гладильного оборудования предприятий бытового обслуживания

Актуальность темы

исследования. Эффективность производства и качество швейных изделий, обрабатываемых на предприятиях бытового обслуживания, в большой степени определяется качеством межопперационной и, в особенности, окончательной влажно-тепловой обработки (ВТО). Значимость процессов ВТО, используемого на предприятиях бытового обслуживания, усиливается тем, что эти процессы занимают более четверти трудоемкости в общем технологическом цикле изготовления одежды, а окончательная ВТО производится также и на предприятиях химчистки при восстановлении ее внешнего вида.

При совершенствовании оборудования ВТО, актуальным является разработка теории эксплуатации важного элемента рабочих органов — амортизирующего покрытия, назначение которого — выравнивание давления прессования по поверхности обрабатываемого узла пли изделия в целом. Неодинаковая толщина по площади обрабатываемых участков одежды, а на предприятиях бытового обслуживания также и значительная вариабельность их толщины и деформационных свойств, — все это предъявляет повышенные требования к податливости амортизирующего покрытия, соблюдению условий соответствия геометрических параметров рабочих органов гладильного оборудования. Сказанное актуализирует разработки, направленные на научное обоснование методов расчета и оптимизации геометрических и силовых параметров гладильного оборудования, что обусловливает необходимость разработки математических моделей деформационных характеристик амортизирующего покрытия.

Степень разработанности проблемы. Вопросы исследования деформационных характеристик элементов амортизирующего покрытия рассматривались рядом ученых. Существенный вклад в экспериментальные исследования внесли Иванов В. А., Г. В. Калмыков, JI.A. Ломакина, Е.Х. Мели-ков, С. Н. Салищев, Р. Н. Филимоненкова, А. П. Черепенько, В. Г. Шуметов, другие отечественные ученые. Помимо экспериментальных исследований, указанные авторы рассматривали также математические модели деформационных характеристик элементов амортизирующего покрытия, их связь с параметрами гладильного оборудования.

В то же время следует отметить, что большинство работ характеризуется односторонностью подхода, отсутствием системности в описании деформационных характеристик элементов амортизирующего покрытия, игнорированием особенностей предприятий бытового обслуживания. Наблюдается значительное разнообразие моделей, в основе которых, как правило, лежат степенные функции и полиномиальные регрессионные зависимости, параметры которых не имеют достаточно четкого физического смысла. До настоящего времени не разработана модель многослойного амортизирующего покрытия, описывающая деформационные характеристики пакета в целом, включая обрабатываемое изделие. Отсутствует научно объективно обоснованная методика определения параметров моделей деформационных характеристик элементов амортизирующего покрытия, предусматривающая, в том числе, оценку их точности, недостаточно проработаны вопросы оптимизации параметров амортизирующего покрытия.

С учетом отмеченных пробелов, данное диссертационное исследование посвящено совершенствованию операций ВТО путем исследований деформационных характеристик и разработки математических моделей элементов амортизирующего покрытия и в целом пакета: покрытие — обрабатываемое изделие.

Объектом исследования являются рабочие органы оборудования для влажно-тепловой обработки вообще и для окончательной ВТО — в особенности.

Предметом исследования являются деформационные характеристики элементов амортизирующего покрытия и в целом пакета: покрытие — обрабатываемое изделие.

Цель диссертаг/ионной работы состоит в совершенствовании операций ВТО за счет соответствующего выбора деформационных свойств амортизирующего покрытия на основе разработанных теоретических и методических положений по математическому моделированию деформационных характеристик его элементов и в целом пакета: покрытие — обрабатываемое изделие, направленных на создание методики расчета и оптимизации параметров покрытия и оборудования ВТО в целом.

Реализация этой цели обусловила постановку и решение следующих основных задач:

— системный анализ взаимодействия рабочих органов гладильного оборудования с обрабатываемым полуфабрикатом;

— разработка требований к эксплуатационным характеристикам амортизирующие покрытия рабочих органов гладильного оборудования;

— анализ и обобщение данных по экспериментальным исследованиям деформационных характеристик элементов амортизирующих покрытий;

— разработка базовой математической модели и установление информативных показателей деформационных свойств элементов амортизирующих покрытий;

— разработка базовой математической модели деформационных характеристик пакета: амортизирующее покрытие — обрабатываемый полуфабрикат;

— разработка методов оценивания параметров функций, аппроксимирующих деформационные характеристики элементов амортизирующих покрытий;

— разработка методики оптимизации параметров покрытий подушек гладильных прессов для окончательной влажно-тепловой обработки;

— подготовка рекомендаций для производства конструктивных элементов амортизирующих покрытий прессов ВТО, используемых на предприятиях бытового обслуживания.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования служат методологические принципы, теоретические положения и выводы, содержащиеся в фундаментальных и прикладных исследованиях отечественных и зарубежных авторов по проблемам исследования деформационных свойств элементов амортизирующих покрытий гладильного оборудования, а также работах в области расчета их параметров.

В процессе исследования применялся методический аппарат математического моделирования, системного анализа, математической статистики. Обработка информации осуществлялась с использованием программных продуктов статистической обработки данных.

Эмпирическую базу диссертационной работы составили данные экспериментальных исследований, проведенных в лабораторных и производственных условиях, а также опубликованные в научной литературе по рассматриваемой проблематике.

Научная новизна проведенного исследования заключается в разработке теоретических и методических положений по математическому моделированию деформационных характеристик элементов амортизирующего покрытия и в целом пакета: покрытие — обрабатываемое изделие, направленных на создание методики расчета и оптимизации параметров покрытия и оборудования ВТО, используемого на предприятиях бытового обслуживания.

Научная новизна подтверждается следующими полученными научными выводами и результатами, выносимыми на защиту:

1. В результате анализа системы: рабочие органы гладильного оборудования — обрабатываемый полуфабрикат выявлены основные элементы, их функции и параметры, определяющие механизм взаимодействия элементов, что позволило разработать и обосновать требования к деформационным характеристикам амортизирующего покрытия и их изменению в процессе эксплуатации.

2. Разработана базовая математическая модель деформационных свойств элементов амортизирующих покрытий, основанная на аппроксимации эмпирических зависимостей деформации от давления прессования однои двучленными экспоненциальными функциями. На основании предельного анализа показано, что параметры базовой математической модели имеют четкую физическую интерпретацию и являются информативными показателями деформационных свойств элементов амортизирующих покрытий.

3. Предложены и апробированы оптимизационные методы оценивания параметров нелинейных функций, аппроксимирующих деформационные характеристики элементов амортизирующих покрытий, основанные на построении локальных описаний квадратичной функции оптимизации полиномами первой и второй степени с применением методологии планирования имитационного эксперимента.

4. Обосновано, что предложенная базовая математическая модель деформационных свойств элементов амортизирующих покрытий применима для описания деформационных свойств многослойных амортизирующих покрытий, а таюке пакета: амортизирующее покрытие — обрабатываемый полуфабрикат.

5. Разработана методика оптимизации параметров покрытий подушек гладильных прессов для окончательной влажно-тепловой обработки, основанная на линейной аппроксимации начальных участков деформационных свойств элементов покрытия и учитывающая изменение их жесткостных параметров в период эксплуатации, а также вариабельность геометрических характеристик обрабатываемых изделий.

Теоретическая значимость проведенного исследования состоит в разработке теоретических и методических положений по математическому моделированию деформационных характеристик элементов амортизирующего покрытия и в целом пакета: покрытие — обрабатываемое изделие, направленных на создание методики расчета и оптимизации параметров покрытия и оборудования ВТО.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что разработанные в результате исследования математические модели деформационных свойств элементов амортизирующих покрытий легли в основу методики оптимизации параметров покрытий подушек гладильных прессов для окончательной влажно-тепловой обработки, что позволило разработать рекомендации по направлениям дальнейшего совершенствования элементов оборудования ВТО и его рациональной эксплуатации.

Основные выводы и рекомендации работы могут служить методической базой для дальнейших исследований по проблеме совершенствования элементов амортизирующих покрытий оборудования ВТО, а также предлагаются к использованию в учебном процессе при чтении таких дисциплин, как «Бытовая техника», «Машины и аппараты легкой промышленности», «Материаловедение» студентам вузов.

Апробация результатов исследования. Выводы и практические результаты работы докладывались на заседаниях кафедры «Бытовая техника» Российского государственного университета туризма и сервиса, кафедры «Прикладная механика» Московского государственного университета дизайна и технологии, 1 Международном конгрессе «Менеджмент индустрии здоровья и красоты» MedBeautyManagement, Москва 2007 г.

Выводы.

1. Наибольшие трудности в расчете распределения давления прессования по поверхности обрабатываемого изделия возникают в случае окончательной ВТО изделий на гладильных прессах с криволинейной — цилиндрической, сферической — формой подушек. Основной вклад в податливость покрытия вносит амортизатор, деформационная характеристика которого в рабочем диапазоне давлений аппроксимируется линейной зависимостью AH/Hq=P/E, где в качестве показателя упругих свойств принимается условный модуль упругости амортизирующего слоя Е ~ модуль по хорде.

2. Для расчета максимального значения перепада давления по поверхности обрабатываемого изделия, занимающего всю рабочую площадь комплекта подушек гладильных прессов, предложена формула:

АРшах = #с / Rn. п ф (осо) (EAhy + ЛЯрАЕ) / #0, где Нс — высота цилиндрического (сферического) сегмента комплекта подушекRH п — радиус формующей поверхности нижней подушкиф (а0) — угловой параметр, зависящий от угла охвата 2осо и вида формующих поверхностейЕ и АЕ — соответственно фактическое значение условного модуля упругости амортизирующего элемента покрытия и его отклонение от расчетной величиныAhy — отклонение толщины обрабатываемых изделий от расчетного значенияЛНр — расчетная деформация амортизирующего элемента при заданном давлении прессования.

3. С учетом критерия качества APmax<0,01 МПа получено ограничение на величины параметров покрытия:

HJ RH. n (р (осо) < 0,01/ | СAhy + Рр5С |, где С — фактическое значение жесткости амортизирующего элемента покрытия и его отклонение от расчетной величиныРр — расчетная величина давления прессования- 5С=АС/СР — относительное (к расчетному значению жесткости амортизирующего элемента Ср) отклонение жесткости АС=С-СР в процессе эксплуатации. Неравенство позволяет по заданным параметрам амортизационного элемента покрытия С и АС, технологическим параметрам Ahy и Рр определять область его применения, характеризуемую величиной форм-фактора HJRB. пф (ссо) формующих подушек подушек гладильных прессов для окончательной ВТО швейных изделий.

4. Определены пределы применимости серийно выпускаемого амортизационного покрытия конструкции НИИлегмаш на универсальных прессах ПП-0,5У2М и 1111−0,25У2М с цилиндрическими и сферическими подушками, широко применяемых для окончательной ВТО швейных изделий на предприятиях бытового обслуживания. При заданных значениях технологических параметров с учетом номинального (трехлетного) срока службы амортизирующего элемента покрытия имеются следующие ограничения на его параметры: при диапазоне изменения толщины обрабатываемых изделий hyf=4 мм начальная жесткость амортизирующего элемента не должна превышать 23 кПа/мм, а конечная — 56 кПа/мм.

5. С увеличением угла охвата до 100°, что характерно для ВТО плечевого пояса, критерий качества АРтах<0,01 МПа при использовании серийно выпускаемого амортизационного покрытия конструкции НИИлегмаш не может быть обеспечен: уже при диапазоне изменения толщины обрабатываемых изделий /?у£=0,5 мм начальная жесткость покрытия должна быть не более 5 кПа/мм, в то время как серийно выпускаемые амортизирующие элементы из силиконовой резины толщиной 12 мм при величине условного модуля упругости до эксплуатации £о~0,13 МПа (с жесткостью С0 около 10 кПа/мм) не удовлетворяют этому требованию.

6. Уменьшение жесткости амортизирующего элемента путем увеличения толщины нецелесообразно экономически и с технической точки зрения, частая смена покрытия также нежелательна. Альтернативным вариантом является разработка специального покрытия меньшей жесткости, что может быть достигнуто, в частности, изменением конструкции амортизирующего элемента (например, за счет увеличения пористости).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. В результате анализа системы: рабочие органы гладильного оборудования — обрабатываемый полуфабрикат выявлены пять характерных элементов покрытия: парораспределительный, теплоизоляционный, амортизирующий, выравнивающий и обтягивающий, установлены целевые функции и требования к ним. Основным слоем покрытий является амортизирующий, который выравнивает давление по поверхности обрабатываемого изделия, обеспечивает подачу пар через нижнюю подушку в зону обработки для перевода волокон ткани в высокоэластическое состояние и просос воздуха через нее в процессе сушки и стабилизации вакуумным отсосом. Использование для амортизирующего слоя губчатой резины с закрытыми порами, оснащенного выступами и специальной перфорацией, позволяет исключить из состава покрытия теплоизоляционный и парораспределительный слои.

2. В результате анализа результатов экспериментальных исследований деформационных характеристик элементов амортизирующих покрытий установлены источники возникновения систематических ошибок, которые могут быть устранены путем пересчета данных измерений образцов малого размера посредством форм-фактора, учитывающего влияние размера образца на показатели деформационных характеристик. При построении математических моделей целесообразно использовать следующие информативные показатели: начальный модуль упругости при сжатии, дифференциальный модуль упругости при сжатии, коэффициент формы, позволяющий учитывать размеры образцов как физических моделей элементов покрытийжесткость и податливость как показатели, учитывающие конструктивные особенности элементов покрытия.

3. Установлено, что математические модели деформационных характеристик элементов амортизирующих покрытий и обрабатываемых материалов должны включать параметры, связанные с физическими показателями материалов и конструкций. Сформулированы требования к аппроксимирующим функциям, описывающим зависимость деформавды — давление сжатия.

Наиболее часто применяемые зависимости абсолютной деформации АЯот давления прессования р степенные функции не позволяют дать точную оценку дифференциального модуля упругости, в то время как именно его величина рассматривается как критерий качества операции ВТО. Получены базовые модели для аппроксимации деформационных кривых элементов покрытий и обрабатываемых тканей.

4. Предложена двучленная экспоненциальная модель для аппроксимации деформационных кривых AH=J (p) двухслойных амортизаторов применение которой расширяет возможности аппроксимации экспериментальных деформационных характеристик, при этом каждый из параметров функции имеет четкий физический смысл. Апробированы оптимизационные методы оценивания параметров экспоненциальных функций, основанные на построении локальных описаний квадратичной функции оптимизации полиномами первой и второй степени с применением методологии планирования имитационного эксперимента с помощью математических программ типа Mathcad, Mathematica.

5. Установлено, что одним из важнейших требований к функциям, аппроксимирующим деформационные свойства пакета, является возможность синтеза ее параметров по параметрам функций, описывающих элементы пакета. В этой связи дополнительно введены следующие показатели деформационных свойств: дифференциальная податливость Кд, начальную податливость Ко, как предел дифференциальной податливости при стремлении давления сжатия к нулю (7Го=1т1Кд|р"о=1/Со).

6. Показано, что наибольшие трудности в расчете распределения давления прессования по поверхности обрабатываемого изделия возникают в случае окончательной ВТО изделий на гладильных прессах с криволинейной — цилиндрической, сферической — формой подушек. Доказано, что деформационная характеристика амортизатора в рабочем диапазоне давлений аппроксимируется линейной зависимостью АН/Н0=Р/Е. Получена формула для расчета максимального значения перепада давления по поверхности обрабатываемого изделия.

7. Получено ограничение на величины параметров покрытия с учетом критерия качества ДРтах<0,01 МПа. Неравенство позволяет по заданным параметрам амортизационного элемента покрытия С и, А С, технологическим параметрам Ahy и Рр определять область его применения, характеризуемую величиной форм-фактора Hc/Runq>(oс0) формующих подушек подушек гладильных прессов для окончательной ВТО швейных изделий.

8. Определены пределы применимости серийно выпускаемого амортизационного покрытия конструкции НИИлегмаш на универсальных прессах ПП-0,5У2М и ПП-0,25У2М с цилиндрическими и сферическими подушками, широко применяемых для окончательной ВТО швейных изделий на предприятиях бытового обслуживания. При заданных значениях технологических параметров с учетом номинального (трехлетного) срока службы амортизирующего элемента покрытия имеются следующие ограничения на его параметры: при диапазоне изменения толщины обрабатываемых изделий hy^~4 мм начальная жесткость амортизирующего элемента не должна превышать 23 кПа/мм, а конечная — 56 кПа/мм.

9. Установлено, что с увеличением угла охвата до 100°, что характерно для ВТО плечевого пояса, критерий качества АРтах<0,01 МПа при использовании серийно выпускаемого амортизационного покрытия конструкции НИИлегмаш из силиконовой резины толщиной 12 мм не может быть обеспечен вследствие того, что его жесткость значительно превышает рассчитанное оптимальное значение. Показано, что уменьшение жесткости амортизирующего элемента путем увеличения толщины нецелесообразно экономически и с технической точки зрения, частая смена покрытия также нежелательна.

10. Полученные математические модели деформационных свойств элементов амортизирующих покрытий положены в основу методики оптимизации параметров покрытий подушек гладильных прессов для окончательной ВТО. Разработаны рекомендации по направлениям дальнейшего совершенствования элементов оборудования ВТО и его рациональной эксплуатации, которые внедрены в производство на предприятиях отрасли. Установлено, что альтернативным вариантом амортизирующего элемента является разработка специального покрытия меньшей жесткости. Предложены методы решения данной проблемы, в частности, изменение конструкции амортизирующего элемента за счет увеличения его пористости.