Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наукові засади проектування швейних машин з регульованою посадкою матеріалу

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією з найважливіших задач текстильної і легкої промисловості є кардинальне підвищення продуктивності праці і випуску високоякісної конкурентоспроможної продукції.

Ріст продуктивності праці і якість обробки виробів у швейному виробництві в значній мірі визначається технологічним устаткуванням, домінуючою частиною якого є парк швейних машин.

Швейне устаткування являє собою достатньо складну механічну систему, у котрої основними механізмами, що характеризують споживчі властивості устаткування в цілому, відповідно до державних стандартів на якість обробки, є механізми переміщення напівфабрикату виробу.

Проте застосування в галузі широкої гами матеріалів із різноманітними фізико-механічними властивостями, перехід до високопродуктивних режимів обробки призводить до істотних порушень умов взаємодії між об'єктом обробки і системами транспортування. Разом з тим, розробка нового високопродуктивного швейного обладнання, яке мало бути орієнтовано на усунення обумовлених явищ, стримується відсутність фундаментальних досліджень у цьому напрямку.

Враховуючи вище згадане, дисертаційна робота спрямована на створення високоефективних швейних машин на основі комплексного наукового дослідження взаємодії робочих органів із матеріалом, а також явищ, що обумовлюють стан останнього.

Зв'язок роботи з науковими планами. Дисертаційна робота відповідає напрямку наукових досліджень Київського державного університету технологій та дизайну (напрямок «Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів»).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка наукових засад проектування швейних машин з регульованою посадкою матеріалу, спрямованих на підвищення ефективності функціонування швейного обладнання, що забезпечує високу продуктивність та якість обробки матеріалів.

Для досягнення поставленої мети були визначені і вирішені такі задачі:

дослідити обробку матеріалу однорейковим рушієм швейних машин і створити математичну модель переміщення матеріалу, розробити умови оптимізації однорейкових рушіїв, а досліджуючи фізико - механічні властивості поверхні напівфабрикатів виробів, визначити структуру нових робочих органів і наукові основи їх проектування;

дослідити параметри робочих органів рушіїв матеріалу на основі узагальненого силового критерію транспортування і виконати оптимізацію формотворних параметрів рушіїв робочих органів матеріалу;

дослідити динаміку взаємодії рушіїв, розробити методику аналізу кінематичних структур із неінтегрованими зв'язками, а також проектування вібропоглинаючих робочих органів, із високою фрикційною спроможністю;

дослідити подовжню і поперечну деформації матеріалу в зоні обробки і створити математичну модель з урахуванням пружно - дисипативних складових, а на її основі створити узагальнену математичну модель посадки диференціальним рушієм матеріалу швейної машини;

розробити концепцію побудови конструктивно - уніфікованого ряду швейних машин із диференціальним рушієм, на основі якої створити нові механізми з новими транспортуючими органами, для дослідження яких розробити метод аналізу перших і других передатних функцій; вирішити задачу параметричного синтезу і розробити наукові основи проектування;

розробити метод дослідження кінематичних і кінетостатичних параметрів механізмів швейних машин із неголономними зв'язками для двох- і трьохланкових груп при зовнішньому полізбудженні;

розробити концепцію побудови інтегрованих голкових і двосторонніх рушіїв з урахуванням фізико - механічних властивостей оброблюваних матеріалів із регульованою посадкою, на основі якої створити нові модифікації механізмів; розробити математичні моделі і виконати параметричну оптимізацію рушіїв; розробити наукові основи їх проектування;

дослідити динаміку взаємодії рушіїв матеріалу при посадці середнього прошарку матеріалу, створити математичну модель і розробити основи проектування параметрів рушіїв для регульованої посадки середнього прошарку пакета матеріалу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

розроблена фізична модель процесу переміщення матеріалу на швейній машині на основі дотичних напруг, що виникають у зоні взаємодії робочих органів із матеріалом;

сформульовані і теоретично обгрунтовані вимоги для створення структури нових транспортуючих робочих органів, при цьому визначені основні фактори, що впливають на критерії транспортування, на основі яких уперше розроблені умови синтезу і цільові функціонали для параметричної оптимізації однорейкових рушіїв матеріалу;

розроблені моделі переміщення матеріалу по критеріях зусилля транспортування та інтегрального показника якості обробки для регулярної і нерегулярної макроформи рушія з урахуванням фізико-механічних властивостей оброблюваних пакетів тканин;

вирішено багатокритеріальну задачу параметричної оптимізації мікроформи рушіїв із регулярною і нерегулярною структурою на основі моделі результуючої складового зусилля транспортування;

розроблені основи проектування макроформи транспортуючих робочих органів і запропонований алгоритм опису взаємодії макроформ рушія для неінтегрованих умов зв'язку в кінематичних структурах;

розроблена методика створення транспортуючих робочих органів із високою фрикційною здатністю та демпфуючими властивостями;

розроблено модель подовжньої і поперечної деформації матеріалу в зоні обробки транспортуючими робочими органами і методика визначення їх пружно-дисипативних складових, заснована на резонансних явищах;

розроблена узагальнена математична модель посадки диференціальним рушієм матеріалу швейної машини;

запропонована концепція побудови конструктивно - уніфікованого ряду машин із диференціальним рушієм матеріалу, на основі якої розроблені динамічні моделі рушіїв із новими транспортуючими робочими органами для основних модифікацій механізмів;

на основі розробленого модифікованого методу подібності узагальнені і вирішені задачі кінематичного дослідження передатних функцій механізмів диференціального рушія матеріалу;

проведений параметричний синтез конструктивно - уніфікованого ряду машин із регульованою посадкою нижнього прошарку в просторі адекватності модельного уявлення об'єкта;

розроблений принцип декомпозиції загальної задачі параметричної оптимізації диференціальних механізмів переміщення матеріалу та алгоритм його рішення;

розроблений метод проектування швейних машин із сегментовидними і високодемпфуючими транспортуючими органами диференціального рушія;

запропонована концепція побудови інтегрованих голкових і двосторонніх рушіїв матеріалу з урахуванням фізико-механічних властивостей тканин і особливостей виконання технологічних операцій;

розроблені і теоретично обґрунтовані узагальнені математичні моделі двосторонніх рушіїв, що працюють у режимі адаптації до матеріалу і робочих органів транспортування;

розроблений метод аналізу кінематичних і кінетостатичних характеристик механізмів із неінтегрованими зв'язками структурних груп вищих порядків при зовнішнім полізбудженням;

сформульовані і теоретично обґрунтовані основні умови синтезу геометричних, масо-інерційних і пружних параметрів механізмів двостороннього і голкового рушіїв матеріалу, на основі яких проведений параметричний синтез конструктивно - уніфікованих рядів механізмів на основі декомпозиційного принципу;

розроблені і обґрунтовані математичні моделі голкових рушіїв матеріалу для середніх і важких тканин, та виконана, на основі розроблених умов синтезу, оптимізація параметрів для розщеплених кінематичних ланцюгів та шарнірного паралелограму коливання голководія;

запропонована і обгрунтована динамічна модель рушія матеріалу швейної машини з регульованою посадкою середнього прошарку матеріалу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

розроблена принципово нова конструкція транспортуючих робочих органів, що дозволяє адаптовано впливати на напівфабрикат виробу, забезпечуючи при цьому ефективне регулювання посадки матеріалу і стабільність довжини стибка;

запропоновано метод дослідження оцінки якості обробки напівфабрикатів виробів на швейному устаткуванні рушіями матеріалу з урахуванням фізико - механічної властивості напівфабрикату виробу і характеру виконання технологічної операції;

розроблена установка для аналізу динамічного узагальненого критерію транспортування матеріалу на швейній машині;

одержано за результатами експериментальних досліджень, для узагальнених груп матеріалів регресійні залежності динамічного критерію транспортування від параметрів мікро- і макроформ із регулярною і нерегулярною структурами рушіїв;

розроблена інженерна методика проектування транспортуючих робочих органів із високою демпфуючою спроможністю, на основі використання ресурсозберегаючих газоплазмених технологій;

визначені оптимальні параметри ланок однорейкового рушія матеріалу швейної машини зі зниженою віброактивністю системи транспортування, застосовувані для інженерних методів проектування;

розроблено базові конструктивно - уніфіковані модифікації швейних машин із диференціальним адаптивним рушієм матеріалу і скороченими кінематичними ланцюгами, що спрямовано на зниження динамічної навантаженості машини в цілому і росту продуктивності праці;

визначені пружно - дисипативні складові напівфабрикатів швейних виробів, що дозволяють на початковій стадії проектування рушіїв матеріалу визначати оптимальний закон прямування робочих органів;

розроблені модифікації голкових і двосторонніх адаптивних рушіїв швейних машин із регульованою посадкою для легких, середніх і важких тканин з нормальною (до 5 мм) і збільшеною (до 10 мм) довжиною стибка;

визначені на основі оптимізаційного синтезу масиви геометричних і масо - інерційних параметрів для різноманітних модифікацій голкових і двосторонніх рушіїв, які використовуються для інженерних методів проектування;

розроблена інженерна методика проектування рушіїв матеріалу при переході через зустрічні шви і локальні стовщення;

розроблено програмне забезпечення для дослідження важільних механічних систем, котре інтегровано із середовищем підтримки конструкторської документації;

проведені впровадження результатів роботи і широкий виробничий іспит в науково - виробничих об'єднаннях (НВО «Завод Арсенал» - розробка базового конструктивно - уніфікованого ряду швейних машин із вертикальною віссю обертання човника, НВО «Легпроммеханизація» - розробка нових транспортуючих органів; НВО «Либідь», ЕКТБ УкрНДІшвейпрома Укрпромспецодяг), на ряді підприємств швейної галузі; на об'єднанні «Чернівцілегмаш» (системи автоматизованого розрахунку багатоланкових важільних механізмів);

матеріали дисертаційної роботи впроваджені в навчальній процес та включені до робочих програм курсів «Машини, машини - автомати та автоматичні лінії легкої промисловості», «Розрахунок та конструювання типових машин та автоматів», «Основи автоматизованого проектування обладнання легкої промисловості», а також використовуються при перепідготовці інженерно-технічних робітників.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці ідеї та теми дисертаційної роботи, у постановці та вирішенні основних теоретичних та експериментальних задач. Під керівництвом та за безпосередньою участю автора розроблено методики дослідження, наукові засади проектування швейних машин, що забезпечують обробку пакету матеріалу диференційним, голковим, двосторонніми рушіями з новими транспортуючими робочими органами, і вирішують питання підвищення продуктивності праці та якості виробів. Автору належать основні ідеї опублікованих робіт та винаходів, а також аналіз та узагальнення результатів роботи.

Апробація дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на:

наукових конференціях професорсько-викладацького складу ДАЛПУ (1988-1998 р.р.);

на засіданнях кафедри машин легкої промисловості ДАЛПУ (1988-1999 р.р.);

засіданнях науково-технічної ради Українського науково-дослідного інституту швейної промисловості (м. Київ, 1987-1989 р.р.)

науково-практичній конференції «Совершенствование организации и повышение эффективности поточного производства в легкой промышленности» (м. Київ, 1988 р.);

засіданні науково-технічної ради Всесоюзного науково-досвідного інституту скловолокна та склопластику (м. Київ, 1989 р.);

республіканській науково - методичній конференції у Московському технологічному інституті легкої промисловості (м. Москва, 1990 р.);

науково-технічній конференції «Новое в технике, технологии и организации швейного производства» (м. Ужгород, 1991 р.);

засіданні технічної ради СКО виробничого об'єднання «Завод Арсенал» (1989-1992 р.р.);

науково-технічній конференції «Системы автоматизированного проектирования и управления в легкой промышленности» (м. Київ, 1993 р.);

засіданні технічної ради Державного підприємства «Чернівцілегмаш» (1993,1994 р.р.);

спеціалізованій виставці обладнання легкої, шкіряної та взуттєвої промисловості (м. Київ, 1996 р.);

машинобудівному об'єднанні фірми Пфафф (Pfaff) (м. Кайзерслаутерн, ФРН, 1999 р.);

науково-технічній конференції «Проблеми легкої і текстильної промисловості на порозі нового століття» (м. Херсон, 1999 р.);

Дисертація доповідалась повністю і отримала позитивну оцінку на:

засіданні кафедри машин та апаратів легкої промисловості Технологічного університету Поділля (м. Хмельницький, 1999 р.);

на науковому семінарі факультету технологічного обладнання та систем управління ДАЛПУ (м. Київ, 1999 р.);

засіданні кафедри машин та апаратів виробництв хімічних волокон і текстильної промисловості Чернігівського технологічного інституту (м. Чернігів, 2000 р.)

Публікації. За темою дисертації опубліковано 56 робіт, серед яких: 26 наукові статті в журналах, 8 тез наукових конференцій, 10 депонованих наукових статей, 4 звіти з науково-дослідних робіт і 8 авторських свідоцтв СРСР та патенту Російської Федерації на винаходи. Список опублікованих основних праць автора за темою дисертації наведено в авторефераті нижче.

На захист автор виносить: наукове обгрунтування та розв'язання важливої науково-технічної проблеми - розробка наукових засад проектування швейних машин з регульованою посадкою матеріалу на основі встановлення закономірної зміни кінематичних, динамічних, параметричних характеристик механізмів рушіїв матеріалу та робочих органів з адаптивними властивостями і створення оптимальних умов функціонування механічних систем транспортування при детермінованому впливі; науково обгрунтовані розробки нових конструктивно-уніфікованих механізмів і робочих органів транспортування, які забезпечують розв'язання значної прикладної проблеми швейного машинобудування - підвищення продуктивності швейного обладнання та якості обробки матеріалів.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів, висновків, списку використаних літературних джерел та додатків. Повний обсяг дисертації 417 сторінок, із них 46 сторінок займають ілюстрації, 14 сторінок - таблиці, 43 сторінки - додатки, 27 сторінок - літературні джерела з 298 найменувань. Обсяг основної частини дисертації становить 287 сторінок.

Основний зміст роботи

однорейковий прошарок рушій швейний

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, поставлено мету та сформульовано задачі досліджень.

Перший розділ присвячений огляду літературних джерел для вивчення стана питань, що відносяться до теми. Огляд здійснювався системно і відповідно до поставлених цілей і задач дослідження з напрямків: моделювання переміщення матеріалу на швейних машинах; явище посадки матеріалу і засоби регулювання взаємного зсуву прошарків матеріалу; системи транспортування швейних машин і питання, пов'язані з проектуванням механізмів і робочих органів.

Встановлено, що практично відсутні дослідження пов'язані з моделюванням процесу транспортування матеріалу на швейній машині, а наявні недостатньо коректно описують об'єкт обробки. Так у ряді робіт, як при теоретичному, так і при експериментальному дослідженнях, об'єкт транспортування розглядався як абсолютно тверде тіло, без урахування складових його фізичних властивостей консервативних і дисипативних. Не враховувався загальний вплив на поводження пакета матеріалу в площинах впливу рушіїв і площини його переміщення.

Посадка матеріалу розглядалася в основному як явище статичного характеру, обумовлена параметрами робочих органів транспортування, без урахування динаміки процесу переміщення і на цій основі формувалися вимоги до регулювання взаємного зсуву прошарків матеріалу і відповідні технічні рішення.

При розробці систем транспортування не враховувались у сукупності особливості виконання технологічних операцій і динамічна навантаженість, був відсутнім елемент адаптивності устаткування до широкої гами оброблюваних матеріалів із різноманітними фізико-механічними властивостями.

Питання проектування механічних систем транспортування швейних машин і робочих органів спрямовано в основному на конструктивне і функціональне удосконалювання і часто обмежуються рамками суто прикладних задач, а питання теоретичного плану, рішення котрих необхідно для розвитку теорії проектування швейних машин, порушені в обмеженій кількості робіт. Дослідження динаміки механізмів рушіїв швейних машин у сучасній постановці не одержали належного розвитку і їх вивчення знаходиться на початковому етапі.

Другий розділ присвячений розробленню концепції побудови нових транспортуючих робочих органів швейних машин і створенню наукових основ їх проектування для забезпечення ефективного регулювання посадки за рахунок адаптованого впливу рушіїв на матеріал.

У основу ефективного регулювання посадки матеріалу прийнято умови обробки напівфабрикатів на швейній машині при відсутності зсуву об'єкта транспортування відносно поверхні рушія матеріалу. Досягається відсутність зсуву напівфабрикату виробу щодо площини рушія зовнішнім впливом, величина якого повинна як мінімум, бути рівна силі, перешкоджаючий переміщенню об'єкта обробки. Під силами, що перешкоджають переміщенню напівфабрикату виробу, розглядаються сили тертя матеріалу об направляючі та формуючі пристосування, роздільні пластини, притискні устрої, вплив оператора на напівфабрикат виробу. Стосовно до однорейкового рушія матеріалу швейної машини зусилля транспортування має вид:

F? =(ф 0k bk (1+ ()2)1/2) dx) cosб +bp г (1+ ()2)1/2/tg) sinб + ф 0p lp bp,	(1)

де , - сила питомого тертя матеріалу відповідно до криволінійної і прямолінійної направляючих;

b_k,b_p - ширина, відповідно криволінійної і прямолінійної направляючих;

- функція, що описує криволінійну ділянку направляючої;

- кут нахилу елементарної смужки криволінійної ділянки направляючої;

г - жорсткість пакета матеріалу;

- деформація матеріалу на криволінійній ділянці направляючої;

l_p - довжина прямолінійної ділянки направляючої.

Питома сила тертя?₀ⁱ залежить від зусилля взаємодії між транспортуючими робочими органами та ефективної площі контакту матеріалу з рушієм.

Зусилля взаємодії досліджено на однорейковому рушії матеріалу, динамічна модель якого, для випадку кінематичного збудження, описувалася неоднорідним диференціальним рівнянням другого порядку, де функцію зовнішнього впливу апроксимовано рядом Фур'є.

Рівняння зусилля взаємодії отримано при початкових умовах інтегрування

t=0; P=F₀; , значеннях

; і має вид:

	(2)

де - жорсткість відповідно замикаючого пружного елемента, притискної лапки, рушія матеріалу, голкової пластини;

- коефіцієнт демпфування механізму рушія;

- приведена маса механізму;

- початкове зусилля притиснення матеріалу.

Для оптимізації зусилля взаємодії стосовно до рейкового рушія запропонована основна умова синтезу виду:

	(3)

однорейковий прошарок рушій швейний

де a_i - i - е значення функції обмеження на простір функціональних і кінематичних параметрів механізму;

ф_i - i - й коефіцієнт, що враховує виконання функцій обмеження;

r - коефіцієнт, що залежить від характеру досліджуваної поверхні відгуку, варіювався в межах від 1 до 4.

Система функціональних обмежень визначалася по припустимих критеріях:

- відхилення від рівнобіжності прямування:



,	(4)

де _h,v - кути повороту головних ланок кінематичних ланцюгів відповідно горизонтальних і вертикальних переміщень робочого органа;

yⁱ_f,yⁱ_t - значення вертикальної складової функції положення відповідно передньої і останньої точок, що належить транспортуючому органу;

n - кількість обчислень функціонала (3) на фазі транспортування матеріалу;

; _i - коефіцієнт робочої ходи механізму для досліджуваної і i-тої базової структури механізму;

Z_j - ваговий коефіцієнт, що характеризує вимоги до «жорсткості» дотримання умови на рівнобіжність прямування для різноманітних фаз переміщення робочого органа;

k - кількість положень робочого органа для j - тої структури механізму;

N - кількість досліджуваних механізмів;

- коефіцієнт узгодження ітераційного процесу виконання умови по рівнобіжності,

- відхилення від прямолінійності:

	(5)

де h, hⁱ_max - максимальна висота виходу середньої точки робочого органа над лінією голкової пластини для досліджуваної і i-тої базової структури;

_р,_p ⁱ - кут повороту головного вала машини відповідний робочій ході транспортуючого органа при заданій довжині стибка для досліджуваної і і - тої базової структури;

y_m - функція положення середньої точки поверхні робочого органа;

- коефіцієнт узгодження ітераційного процесу виконання умови по прямолінійності.

Для створення оптимальних умов взаємодії рушіїв із матеріалом сформульовані основні вимоги до нових транспортуючих органів:

- робоча поверхня рушія повинна мати мікронерівність, розмірні параметри якої, дозволяли б взаємодіяти з елементарними волокнами матеріалів;

- форма і висота цієї мікронерівності повинна забезпечувати зчеплення з максимальною кількістю елементарних волокон;

- для забезпечення достатнього зусилля переміщення напівфабрикату виробу з елементарними волокнами повинна взаємодіяти максимальна площа робочої поверхні рушія;

- параметри форми і висоти мікронерівності повинні виключити можливість ушкодження матеріалу на фазі транспортування при різноманітних технологічних режимах обробки.

Відповідно до основних вимог для нових транспортуючих органів уперше запропоновано і дано визначення макро- і мікроструктур із регулярною і нерегулярною формами рушіїв матеріалу.

У основу розроблення нових рушіїв матеріалу покладена концепція створення додаткових транспортуючих площин, параметри яких визначалися на основі рішення двокритеріальної задачі максимізації результуючої складового зусилля транспортування і інтегрального показника обробки матеріалу в залежності від зусилля взаємодії між робочими органами Р, площі транспортування S, розміру мікронерівності H.

Інтегральний показник обробки матеріалу на швейній машині визначався по функції Гомперца як середній геометричний розмір, де всі критерії - стирання, пилингуємість, закочуваємість ворсу розглядалися як рівнозначні:

,	(6)

де n - кількість критеріїв в інтегральному показнику (n = 3);

- i - й критерій інтегрального показника обробки матеріалу;

- параметр, що враховує розмірну характеристику по i - у критерію.

Результуюча складова зусилля транспортування визначалася по:

Dj = Tj - Qj,	(7)

де T_j - зусилля транспортування матеріалу при j - й фазі зусилля взаємодії між робочими органами;

Q_j - зусилля зсуву матеріалу при j - й фазі зусилля взаємодії між робочими органами.

Фази взаємодії j=I при 2H P 10H, j=II при 11H P 50H.

Рівняння регресії результуючої складового зусилля транспортування і інтегрального показника обробки матеріалу для мікроструктури рушія з регулярною формою для основних груп матеріалів має вид:

- тканина платте-сорочкової групи, комбіноване переплетіння:

DI=1.27P-5.28*10-3S-3.53*10-2H+1.19*10-3PS+2.23*10-5PH+
+6.39*10-3SH-0.13* 10-2P2-1.33*10-3S2-2.09;
DII=0.65P-0.09S+0.12H+1.89*10-3 PH+2.36*10-4SH-1.28*
*10-2P2+ 1.74*10-4S2 -5.69*10-4H2-1.09;
G=-2.86*10-2P+3.04*10-4S-9.29*10-4H-2.82*10-5PH+
+3.75*10-4P2+4.45*10-6H2+0.972,

- тканина плащової групи:

DI=0.83P+1.89*10-2S+1.51*10-2H-4.01*10-4PS+
+1.71*10-3PH-7.36* 10-2P2-7.75*10-5S2-0.96;
DII=0.12P-8.38*10-2S+9.41*10-2H+2.46*10-4 PS+
+2.74*10-4SH+ 1.49*10-4S2 -2.77*10-4H2+2.78;
G=-3.46*10-2P+1.07*10-3S-5.32*10-4H+1.92*10-5PS+
+3.50*10-4P2+2.96*10-6S2+1.14,

- тонкосукняна тканина костюмної групи:

DI=0.94P-3.58*10-2S+5.78*10-2H+3.60*10-3PH-
-5.34*10-4PS-0.12P2+1.30*10-4S2-2.09*10-4H2+0.08;
DII=0.14P-0.06S+0.18H+4.52*10-4SH-3.2*10-5S2-6.78*10-4H2-6.68.
G=-3.37*10-2P-7.56*10-4S+7.54*10-4H-1.53*10-5PH+
+2.62*10-5PS+3.68*10-4P2+2.66*10-6S2+0.93.

Для мікроструктури рушія з нерегулярною формою при обробці матеріалів пальтової групи:

DI,II=-0.89P - 0.06S - 1.97R + 44.85L + 8*10-4PS+0.37PR + 0.12PL+
+ 2.39*10-2SL + 1.39*10-3P2-1.60*10 - 4S2 - 7.53L2 - 61.46;
G=-1.08*10-2P-2.74*10-3-1.81*10-2R+5.55*10-3L+1.73*10-5PS+
+3.43*10-3PR+4.45*10-4SL-6.14*10-2RL+0.97,

де R - висота зуба рушія;

L - довжина додаткової площини транспортування.

Основою створення макроформи транспортуючих робочих органів запропонована концепція рівномірного розподілу контактних напруг у зоні взаємодії з матеріалом, що припускає адаптацію макроформи рушія до траєкторії рушія. Апроксимація макроформи робочого органа рушія матеріалу виконано дрібно-лінійною функцією, тоді остаточною задачею синтезу макроформи робочого органа, яка була сформульована як мінімаксна: мінімізувати кількості лінійних інтервалів опису макроформи робочого органа, що забезпечують максимальну сумарну лінію контакту на усій фазі транспортування:

,	(8)

де n - кількість лінійних інтервалів дрібно-лінійної апроксимації;

l_i - довжина лінії контакту i - го інтервалу макроформи робочого органа.

Вузли сполучення макроформи є характерними точками робочого органа, у яких відбувається перевірка умови взаємодії з матеріалом і рушієм на різноманітних фазах. З огляду на те, що зв'язок між об'єктом обробки і рушієм є неголономним, необхідно розробити ітераційний пошук виконання умови взаємодії. Перевірка виконання умови взаємодії здійснювалася по нерівності:

Pi - ic ji 0,	(9)

де P_i - зусилля взаємодії між робочими органами в i - у вузлі сполучення;

_i - деформація матеріалу в i - у вузлі сполучення, виражена різницею ходів транспортуючих робочих органів у вертикальній площині взаємодії;

c_ji - жорсткість матеріалу, що транспортується в i - у вузлі сполучення на j - й фазі деформації.

Відповідно до задач дослідження - створення рушіїв матеріалу, що забезпечують транспортування тонких і легкоушкоджувальних матеріалів, розроблені основи проектування рушіїв із високою демпфуючою спроможністю.

Визначення параметрів дисипації виконано на прикладі однорейкового рушія, динамічна модель якого описується диференціальним рівнянням другого порядку. Коефіцієнт демпфування рушія дорівнює:

	(10)
;;
;;

де - коефіцієнти відповідно демпфування і жорсткість матеріалу.

Третій розділ присвячений створенню конструктивно - уніфікованого ряду швейних машин із механізмами, що регулюють посадку нижнього прошарку матеріалу.

У основу розроблення покладена концепція адаптивного впливу механічної системи транспортування на оброблюваний матеріал і створення рушіїв матеріалу машин човникового стибка зі скороченими кінематичними ланцюгами.

Концепція адаптивного впливу дозволяє, по-перше, цілком виключити порушення взаємодії між транспортуючими робочими органами, по-друге, забезпечити оптимальний вплив на об'єкт обробки, не допускаючи при цьому руйнації його макро- і мікроструктури.

Оцінка впливу скорочених кінематичних ланцюгів на динамічну навантаженість машини диференціального транспортування виконана по частотній характеристиці шатуна рейки і розміру навантаження, що припадає на розподільний вал машини.

Для визначення розміру навантаження, що припадає на розподільний вал машини, динамічна модель механізму переміщення матеріалу подана у виді коливальної системи, масо-інерційні параметри якої приведені до розподільного вала машини. На підставі рівняння Лагранжа другого роду отримано рівняння прямування зведеної ланки механізму:

	(11)

де ₁, ₀ - кут повороту відповідно ланки приведення і головного колеса розподільного вала;

c₀ - жорсткість розподільного вала;

m_j, J_k - маса та момент інерції, відповідно j-ї ланки, що чинить поступальний рух та k-ї ланки що чинить обертальний рух;

u_j1; i_k1 - аналоги відповідно лінійних і кутових швидкостей центру сил інерційного опору просуванню пакета тканини;

P_(t) - зусилля взаємодії між притискною лапкою і рушієм;

м - коефіцієнт, що враховує період взаємодії лапки з рушієм /? = 0 - рушій під голковою пластиною або P_(t)= 0; м = 1 - рушій впливає на лапку/.

Частотна характеристика головної ланки диференціального рушія визначалася по рівнянню:



	(12)

де w, u - деформація шатуна рушія матеріалу відповідно в подовжніх і поперечних напрямках;

EJ - згибна жорсткість шатуна;

EF - жорсткість шатуна при розтягу - стиску;

m_s - маса шатуна;

Е - модуль пружності матеріалу шатуна;

l - поточна дугова координата перетину;

,	(13)

де R - приведений радіус кривизни шатуна рушія матеріалу;

б - поточне значення розміру кута, що охоплює сектор шатуна.

У результаті рішень на ЕОМ рівняння (11) методом Рунге - Кутта - Мерсона, а рівняння (12) методом Ріца встановлено, що динамічна наванта-женість розподільного вала зменшена на 42% в порівнянні з базовою моделлю, при цьому власна частота коливань базової ланки збільшилась у 1.2 рази.

Напівфабрикат виробу в процесі обробки отримує вплив від двох складових рушія - вертикальної і горизонтальної у взаємно перпендикулярних площинах. Урахування пружно-дисипативних складових матеріалу виконано на основі математичного моделювання. Моделлю першого порядку описується поводження матеріалу в площині перпендикулярній голковій пластині, а моделлю другого порядку - у площині переміщення.

Урахування пружних властивостей матеріалу по моделі першого порядку виконано на основі дрібно-лінійної апроксимації. Визначення числа лінійних інтервалів запропонованої функції зводилося до рішення мінімаксної задачі, де мінімізувалося число інтервалів дрібно-лінійної функції при максимальному числі значень у j - у інтервалі з урахуванням виконання обмеження на необхідність і достатність умови адекватності лінійної залежності, при якому максимальне відхилення середніх експериментальних значень від апроксимуючої прямої не перевищувала десяти відсотків:

	(14)

де - кількість інтервалів;

- загальне число вимірів пружної складової матеріалу;

- число вимірів пружної складової матеріалу, що входять у - й інтервал, який є функцією середньоквадратичного відхилення на - у інтервалі.

Аналітичне вираження для консервативної сили матеріалу на - тому інтервалі подано у виді:

	(15)

де с_jМ, с_М - коефіцієнти жорсткості матеріалу на j-у, та -у інтервалі відповідно;

- узагальнена та поточна j - координати.

Модель другого порядку для пружної і відновлювальної сили описується

	(16)
	(17)

де - кількість прошарків матеріалу в пакеті;

- горизонтальна складова впливу на матеріал;

- константи лінійної і кубічної характеристик пружних властивостей матеріалу, що транспортується;

- константи дисипативної характеристики матеріалу.

На підставі моделей першого і другого порядків розроблена математична модель посадки матеріалу диференціальним рушієм із приведеною масою напівфабрикату виробу , пов'язаної з жорсткою опорою, що відбиває об'єкт обробки матеріалу до притискного устрою, через пружний елемент із постійною жорсткістю і пружний елемент із нелінійною симетричною характеристикою, що створює силу, рівну добуткові постійної , на зсув Х у третьому ступені. Функція зовнішнього впливу відбита різницею ходів переднього і заднього рушіїв механізму. Тоді рівняння має вид:

	(18)

де x - узагальнена координата переміщення зведеного центру мас напівфабрикату виробу під притискною лапкою;

Q - сила тертя напівфабрикату виробу о притискну лапку;

W(t) - горизонтальна складова зусилля транспортування.

Розрахункова модель механізму диференціального рушія матеріалу відбиває спрощену плоску кінематичну схему подану нижче на рис. 1. Математична модель диференціального рушія приведена у виді системи рівнянь (19):

	(19)

де

J11=m10u2101+J10i2101+J1+m7u271+J7i271 m8u281+J8i281; J51=m7u75 u71+J7i75i71+ m8u85 u81+ J8i85i81 + + m10u105 u101+ J10i105i101;	(20)
J61= m7u76 u71+J7i76i71+ m8u86 u81+ J8i86i81 + + m10u106 u101+ J10i106i101;

- передатні функції від ланки приведення 1 до ланок 7, 8, 10;

c₁₂, c₁₃ - коефіцієнти жорсткості пружин механізмів притискної лапки та рейки;

m_i, J_j - маса i -ї та момент інерції j -ї ланок механізму (рис. 1);

c_M, b_M - коефіцієнти жорсткості та демпфування матеріалу, відповідно до

моделі матеріалу першого порядку;

- аналоги відповідно лінійних і кутових швидкостей i -ї ланки по узагальненій координаті ланки j -ї ланки механізму (рис. 1);

l_j, l_k - радіус-вектор від кінематичної пари 10 до поточної координати точки на поверхні відповідно заднього і переднього рушіїв матеріалу.

Для визначення перших і других передатних функцій у системі (19), розроблений модифікований метод подоби з елементами чисельного диференціювання, а також програмне забезпечення для системи автоматизованого розрахунку.

Застосування сегментоподібних транспортуючих робочих органів дає можливість істотно /до 40%/ знизити посадку матеріалу і зменшити складову динамічної взаємодії між робочими органами.

Порівняльний аналіз зусилля взаємодії між транспортуючими робочими органами оптимізованих конструкцій механізмів швейних машин із новими рушіями матеріалу і базових швейних машин показав, що вони при максимальній круговій частоті обертання головного вала (500 с^-1) практично в 2,5-3 рази нижче, ніж у базових машин.

Четвертий розділ присвячений створенню і проектуванню двосторонніх рушіїв матеріалу. У основу розроблення засобів переміщення матеріалу покладений принцип створення однакових умов транспортування для верхнього і нижнього прошарків матеріалу. Проте, створення абсолютно адекватних умов переміщення прикордонних прошарків пакета матеріалу неможливо, тому що умови взаємодії робочих органів і самої структури швейного устаткування накладає визначені системи обмежень на реалізацію засобів транспортування.

(21)

де x_y - установлене значення посадки нижнього прошарку матеріалу;

x_(i)^max - розрахункове максимальне значення посадки, обумовлене по (18);

r_р - штрафний параметр;

p - індекс послідовного значення штрафного параметру, що відповідає порядковому номеру аналізованої задачі;

-штрафна функція векто-ра параметрів .

Рис. 1. Розрахункова модель диференційного рушія матеріалу:

1,…, 9 - ланки механізму горизонтальної складової переднього та заднього рушіїв матеріалу;

1,10,11 - ланки механізму вертикальної складової переднього та заднього рушіїв матеріалу

При обробці матеріалу в «жорсткому» режимі

d(₁₁ - ₁₀)/dt = 0, (22) розроблено метод проектування сегментоподібних робочих органів для диференціального рушія матеріалу й отримані рівняння, що описують ординати рушія для різноманітних груп матеріалів.

Тому розроблення засобів двостороннього транспортування становило компромісну задачу між забезпеченням високої якості обробки напівфабрикату виробу і можливістю технічної реалізації.

На основі дослідження технологічних операцій по обробці напівфабрикатів виробів для широкої гами матеріалів розроблені основні засоби двостороннього транспортування, розділені по технологічному принципу, пов'язаному, насамперед, із прямуванням робочих органів.

До першої групи відносять засоби транспортування, адаптовані до нижнього рушія матеріалу. До другої групи відносять засоби, адаптовані до верхнього рушія матеріалу. До третьої групи відносять засоби, що реалізують принцип «м'якого транспортування», тобто адаптація до оброблюваного матеріалу, що призводить до неінтегрованих зв'язків у кінематичних ланцюгах механізмів.

На рис. 2 і рис. 3 подані базові принципово нові структури механізмів двостороннього рушія, відповідно для середніх і важких матеріалів.

Кінематичний аналіз базових модифікацій рушіїв виконано на основі розробленого модифікованого методу трикутників.

Структура кінематичного ланцюга двостороннього рушія для середніх матеріалів поданий у модифікаціях:

- для групи виду три функція положення має вид:

	(23)
= A14A15 / (A15A16),

де (₁; ₁₃; ₉; ₇) - кут нахилу шатуна верхнього рушія матеріалу, який визначається положенням головних ланок кінематичних ланцюгів;

A₁₄^x(₉; ₇) A₁₆^x - проекція на вісь OX відстані між кінематичними парами A₁₄^x і A₁₆^x;

для групи другого виду функція положення має вид:

	(24)

де (A₁₄A₂₁)_xy - довжина стійки, виражена функцією положення головних ланок кінематичних ланцюгів двостороннього рушія;

- для групи виду п'ять функція положення має вид:

	(25)

де ₁₁^xy - кут нахилу відомої ланки до лінії голкової пластини, індекс xy указує на залежність вихідного параметра від положення ведучого шатуна A₁₂A₁₄ і нижнього рушія матеріалу А₁₇;

A₁₄^xA₁₇^x - проекція функції положення кінематичних пар на горизонтальну вісь.

Аналіз особливості визначення функції положення двостороннього рушія машин важкого класу характерний тим, що в кінематичній структурі механізму знаходяться, по-перше, триланкові групи, а по-друге, структура механізму є перемінною. Тому рішення задачі про функцію положення триланкової групи здійснювалося ітераційним методом шляхом рішення системи трансцендентних рівнянь наведених нижче

	(26)

де

A₂₁^x, A₂₁^y - координати кінематичної пари A₂₁ у проекції на OX і OY,

б₉ - кут нахилу умовної стійки A₁₇A₂₁ до горизонтальної осі.

Динамічні моделі механізмів двостороннього переміщення матеріалу графічно відбивають його дійсну кінематичну схему, які отримують три збуджуючих впливи.

Рівняння руху приведеного центру мас має вид:

	(27)

де - коефіцієнти, що враховують схему взаємодії робочих органів рушія матеріалу;

- маса i -ї та момент інерції j -ї ланок механізму (рис. 2);

- аналоги відповідно лінійних і кутових швидкостей i -ї ланки по узагальненій координаті ланки j -ї ланки механізму (рис. 2);

b_М - коефіцієнт дисипації енергії в матеріалі;

b₁, ₁ - коефіцієнти, що відбивають приведені витрати енергії на тертя в кінематичній парі ланки 3 (рис. 2);

y₂₀^{1;11 -} функція зовнішнього впливу.

У основу оптимізаційного синтезу двостороннього рушія матеріалу покладена декомпозиційна задача проектування, що складається з двох етапів.

Для першого етапу проектування запропоновано метод визначення базових параметрів механізму на основі вимог до механізмів двостороннього переміщення матеріалу. На другому етапі, варіюючи параметри механічної системи як базові, так і спочатку задані, де враховуються пружно - дисипативні властивості не тільки окремих ланок механізму, але й оброблюваного матеріалу, визначалися параметри механізмів.

Цільова функція, з огляду на нормалізовану систему обмежень, подана в виді:

min (Pi / P0 + Z);
,	(28)

де P _i - i - e усереднене значення зусилля взаємодії між транспортуючими робочими органами;

P ₀ - попереднє зусилля, що деформує оброблюваний матеріал;

a - параметр, що визначає порушення обмеження;

x_i^yd- i - й параметр, що задовольняє вимоги штрафної функції;

x_i - i - й параметр системи обмежень.

З огляду на те, що в системі обмежень параметри відрізняються не тільки фізично, але і по розмірності, параметри x_i^yd і x_i нормалізовані по нелінійній структурі:

,	(29)

де? _i - дійсне значення параметра оптимізації.

На підставі проведеної параметричної оптимізації отриманий базовий масив параметрів ланок A₁A₂ = A₁A₃; O₂A₂=O₃A₃; O₄A₆=O₄A₇; O₁A₁=2.94 мм; A₁A₂=60.8 мм; A₂A₄=22.5 мм; A₄O₄=25.6 мм; O₄A₆=27.0 мм; A₆A₈=62.3 мм; A₈O₅=164.4 мм; O₅A₉=72.4 мм; A₉A₁₃=46.3 мм; O₇A₁₀=1.5 мм; A₁₀A₁₁=36.0 мм; A₁₁O₆=22 - 30 мм; O₆A₁₂=25.6 мм; A₁₂A₁₃=72.4 мм; A₁₃A₁₄=54.3 мм; A₁₄A₁₅=36.5 мм; A₁₅A₁₆=26.0 мм; A₁₆^X=18.0 мм; O₁A₁₈=1.63 мм; A₁₈A₁₉=16.2 мм; A₇A₁₉=96.5 мм; ₁=₂; ₁=78.0⁰; ₃=78.0⁰; ₄=8.5⁰; ₁=163⁰; ₂=54⁰., що задовольняє системі функціональних обмежень:

- максимальне переміщення матеріалу склало 5,8 мм, при цьому розмір виходу макроформи рушія над голковою пластиною в момент початку і закінчення етапу транспортування знаходився в межах 0,12 - 0,14 мм;

- розмір взаємного зсуву прошарків матеріалу, який обумовлено по результуючій зусилля транспортування (розділ 2) D_I,II > 0, на всьому інтервалі переміщення мав контрольований характер;

- коефіцієнт робочої ходи рушія матеріалу знаходився в межах 0.26 - 0.31;

Рівняння руху механізму двостороннього рушія для важких матеріалів має вид

	(30)

де - аналоги відповідно лінійних і кутових швидкостей i -ї ланки по узагальненій координаті ланки j -ї ланки механізму (рис. 3);

- маса i -ї та момент інерції j -ї ланок механізму (рис. 3);

y_6,y₁₄ - узагальнені координати руху відповідно верхнього та нижнього рушіїв;

- розмір попередньої деформації пружного елемента в першому зв'язку;

- коефіцієнт, що враховує склад робочих органів, які взаємодіють із матеріалом;

- передатна функція зовнішнього впливу ₁₀ до ланки 5;

c_i - коефіцієнт жорсткості пружного i - го елементу системи робочих органів транспортування матеріалу.

В основу розроблення цільового функціонала для двостороннього рушія матеріалу швейних машин із збільшеною довжиною стибка, на етапі кінематичного синтезу, покладена процедура пошуку мінімальної неузгодженості руху робочих органів на фазі транспортування матеріалу для довжини стибка, заданої в діапазоні від - X₀ /максимальний розмір реверсивного переміщення матеріалу/ до + X₁ /максимальний розмір прямого переміщення/, при цьому взаємний зсув прошарків матеріалу повинний бути рівний нулю:

	(31)

де x_i^u - i - й розмір переміщення верхнього рушія на j - у інтервалі фази транспортування;

x_i^d - i - й розмір переміщення нижнього рушія на j - у інтервалі фази транспортування;

п - загальна кількість обчислювань x_i^u та x_i^d на j - у інтервалі фази транспортування, де визначається цільова функція;

- загальна кількість фаз транспортування;

W_j - j - й ваговий коефіцієнт, що формує «жорсткість» обмеження на неузгодженість руху робочих органів;

x_i - i - а довжина стибка.

Ціль оптимізації на етапі динамічного синтезу розв'язати умову, що максимізує час (max) взаємодії верхнього рушія з матеріалом на фазі транспортування, при якому для вектора, змінних параметрів, при будь-якому значенні A₂₂, що є координатою точки і яка належить макроформі робочого органа, вираженої у функції кута повороту головного вала виконується:

	(32)

де - інтервал макроформи робочого органу верхньої рейки, що описується дрібно-лінійною функцією з початковим k. і останнім n параметрами;

інтервал макроформи нижньої рейки, що описується дрібно-лінійною функцією з початковим l і останнім m параметрами.

На підставі розроблених математичних моделей і цільових функціоналів для різноманітних модифікацій рушіїв, виконана параметрична оптимізація для модифікації механізму верхнього рушія, що забезпечує обробку напівфабрикату виробу при переході через зустрічні шви і локальні стовщення.

У п'ятому розділі наведено дослідження швейних машин із голковим рушієм, який є одним з ефективних засобів для запобігання відносного зсуву шарів матеріалу. Проте діюче у промисловості обладнання не дозволяє ефективно використовувати голковий двигун матеріалу при обробці напівфабрикату виробу великою довжиною стибка (до 10 мм). Пов'язано це, насамперед із недосконалістю механізму транспортування матеріалу голкою, концепція побудови якого базується на традиційному рішенні, характерному для машин із довжиною стибка до 5 мм.

Для усунення негативного явища розроблена базова конструкція механізму транспортування матеріалу голкою із застосуванням шарнірного паралелограму. Розробка нової конструкції механізму з великим числом ланок і кінематичних пар вимагало нового підходу до проектування багатоланкових структур голкових рушіїв і критерію оптимізації на етапі динамічного синтезу.

Як критерій оцінки працездатності механізму голкового рушія на початковому етапі проектування, прийнято розподіл реакцій у кінематичних парах за умови, що максимальне значення їх обмежено.

При оптимізації по заданих реакціях у кінематичних парах передбачалось, що на ланки механізму діють зовнішні сили, відомі за значенням і напрямком. Точки прикладання зовнішніх сил до ланок механізму передбачаються також відомими. Зі складу механізму виділяється структурна група з усіма зовнішніми силами, що діють на її ланки. До зовнішніх кінематичних пар структурної групи прикладаються сили, такі, щоб група під їхньою дією знаходилася в рівновазі. Приймається умова, що сили, прикладені до зовнішніх кінематичних пар структурної групи, постійні за значенням, проте їхній напрямок змінюється і залежить від взаємного положення ланок самої структурної групи.

На другому етапі умовою синтезу механізму прийнята мінімізація абсолютної різниці усередненого відхилення координати точки, утвореної перетинанням горизонтальної складової ходу голки і лінією голкової пластини від горизонтальної складової усередненої координати середньої точки макроформи рейкового рушія матеріалу. Додатковими умовами синтезу є критерії, віднесені до фази транспортування: рівнобіжність робочої поверхні рейки лінії голкової пластини; прямолінійність робочої ділянки траєкторії рейки. Таким чином, цільова функція має вид: