Метод ультразвукового экспресс-контроля тонины неупорядоченного образца мериносной шерсти

Актуальность темы

В настоящее время шерсть по-прежнему занимает ведущую позицию на текстильном сырьевом рынке, являясь основным видом сырья для большинства фабрик текстильной промышленности. С этим связана постоянная потребность в значительных партиях очищенной, мытой и однородной шерсти определенного класса, но в связи с прекращением существования Советского Союза основная сырьевая база шерсти осталась за пределами Российской федерации. Отечественная сырьевая база таких регионов как Алтай, Забайкалье, Нижнее Поволжье, Северный Кавказ и др. не обеспечивают текстильную промышленность необходимым объемом сырья высокого качества.

Кроме того существующая практика переработки шерсти в России включает двух или трехэтапную систему подготовки производственнопродажных партий шерсти, а именно «овцеводческое хозяйство — фабрика первичной обработки шерсти (ПОШ)», либо «овцеводческое хозяйствозаготовительная или посредническая организация — фабрика ПОШ». При этом классировка шерсти и формирование производственно — продажных партий осуществляются на фабриках ПОШ без участия производителей, что снижает заинтересованность хозяйств в получении высококачественной шерсти.

Основным параметром, положенным в основу государственного стандарта классификации шерсти и формирования ее производственно-продажных партий, является тонина, принадлежность значения которой к тому или иному классу определяет качество продукции текстильной промышленности, закупочную цену шерсти и экономические показатели функционирования овцеводческого хозяйства, что является весьма актуальным в условиях дотационного финансирования.

Известные методы и технические средства оценки тонины (органолептический, оптический, пневматический и другие) не обеспечивают 4 оперативности исследования, трудоемки, зачастую субъективны и, самое главное, не обеспечивают требуемой точности измерений, т. е. не способны выступать в качестве технологического фактора, позволяющего корректировать рацион и условия содержания овец для достижения требуемых показателей качества шерсти и не дающего однозначного ответа на принадлежность произведенной хозяйством партии шерсти к данному классу.

Мировая и отечественная практика показывает, что наиболее перспективным направлением повышения эффективности первичной обработки шерсти является переход на одноэтапную систему её подготовки непосредственно в овцеводческих хозяйствах.

Одной из проблем практической реализации этой технологии является переход с органолептического (субъективного и не позволяющего дать точную метрологическую оценку волокна) метода контроля параметров шерсти на инструментальный экспресс — контроль, обеспечивающий точную оценку метрологических показателей и формирование однородных продажных партий шерсти и компоновки шерстяных смесей.

Задача осложняется наличием специфических особенностей мериносовой шерсти, отличающих ее от таких растительных материалов как хлопок или лен: волокна имеют чешуйчатую структуру и покрыты жиропотом, образец шерсти обладает значительной неоднородностью волокон по тонине.

Проведенными в последнее время исследованиями была установлена возможность ультразвукового контроля параметров растительных волокон (в частности, хлопок и лен), свойства которых значительно отличаются от свойств шерсти.

Последнее позволяет утверждать, что ультразвуковые методы и технические средства экспресс-контроля параметров волокна неупорядоченного неподготовленного образца мериносовой шерсти можно считать весьма перспективными при условии обеспечения низкой и статистически достоверной погрешности результата измерений.

Работа выполнена в соответствии с государственной программой «Развитие сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008 — 2012 годы. Научно-исследовательская тема «Разработка и совершенствование ультразвуковых преобразователей для неразрушающего контроля волокон животного и растительного происхождения в АПК» зарегистрирована в государственном регистрационном фонде ФГНУ «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти» (Per. № 1 201 175 091).

Целью работы является повышение эффективности классировки шерсти путем разработки и применения метода и технического средства ультразвукового экспресс — контроля тонины шерсти, обеспечивающих высокую точность измерений и оперативность контроля.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— анализ известных способов и средств оценки тонины мериносовой шерсти;

— формулирование требований к методам и техническим средствам экспресс-контроля неупорядоченного образца мериносовой шерсти и выявление наиболее перспективных;

— выбор информативного критерия, обеспечивающего статистически значимую минимальную величину погрешности измерений и определение функциональной зависимости этого критерия от других значимых факторов;

— разработка метода (способа) экспресс-анализа тонины неупорядоченного образца мериносовой шерсти;

— разработка методики определения рационального сочетания параметров устройства для экспресс-контроля тонины неупорядоченного образца мериносовой шерсти, определяющего максимальное значение критерия обеспечивающего статистически значимую минимальную величину погрешности;

— разработка конструкции устройства, обеспечивающей исключение влияния на погрешность измерений параметров окружающей среды и других внешних возмущений, оценка инструментальной погрешности предлагаемого метода и технического средства определения тонины неупорядоченного образца мериносовой шерсти;

— разработка методики экспресс-анализа тонины шерсти в условиях производства, производственная проверка и экономическая оценка предлагаемых решений.

Объект исследования — методы и технические средства ультразвукового контроля тонины мериносовой шерсти.

Предмет исследования — закономерности распространения ультразвуковой волны в пространственно ограниченном измерительном канале, заполненным неупорядоченным образцом волоконного материала.

Методы исследований. Методы теории дифференциально-интегрального исчисления, методы итерационного исчисления, методы теории анализа функций, методы теории планирования активного эксперимента и регрессионного анализа, методы теории случайных процессов, теории вероятностей и статистической теории обработки экспериментальных данных.

Научную новизну представляют:

— новый метод экспресс-анализа тонины неупорядоченного образца мериносовой шерсти, основанный на принципе измерения степени затухания амплитуды ультразвуковой волны, проходящей последовательно через четыре грани прямоугольного образца шерсти, и последующего определения среднеарифметического значения.

— оригинальная методика определения рационального сочетания частоты ультразвуковой волны, полуширины измерительного канала и угла наклона приемника акустических колебаний, совокупность которых обеспечивает максимальное значение звукового давления и, следовательно, высокую точность измерений.

Практическую ценность работы представляют:

— конструкция ультразвукового устройства, исключающая влияние на погрешность измерений параметров окружающей среды и вибрационных колебаний во время процесса измерений и предусматривающая наличие заполненного эталонным образцом шерсти известной тонины реперного канала и оригинального крепления приемника в обойме из пористой резины;

— частный случай возможной реализации множества вариантов конструктивных параметров ультразвукового устройства для экспресс-анализа тонины шерсти в условиях производства: частота ультразвуковых колебаний — 150 кГц, полуширина измерительного канала — 5 мм, угол наклона приемника по отношению к продольной оси канала — 48°;

— оригинальная методика экспресс-анализа тонины шерсти в условиях производства;

— рекомендации по при применению разработанного ультразвукового способа, технического средства и методики экспресс-контроля тонины мериносовой шерсти.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанная методика и ультразвуковое устройство экспресс-анализа тонины мериносовой шерсти прошли производственные испытания в ОАО Племсовхоз «Степное» Родинского района Алтайского края.

Научные положения, выводы и рекомендации использованы при разработке проектно-технологических и практических рекомендаций «Ультразвуковой способ, техническое устройство и методика экспресс-анализа тонины мериносовой шерсти», одобренных и принятых к использованию Главным управлением сельского хозяйства администрации Алтайского края.

Методические рекомендации и устройство используются в учебном процессе при проведении лабораторных работ по курсу «Светотехника и электротехнологии» в ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на:

V международной научно-практической конференции «Аграрная наука — сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 17−18 марта 2010 г.);

II этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ Сибирского федерального округа номинации «Технические науки» (г. Красноярск, 16 апреля 2010 г.);

III этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ Сибирского федерального округа номинации «Технические науки» (г. Саратов, 24−26 мая 2010 г.);

VI международной научно-практической конференции «Аграрная наука — сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 3−4 февраля 2011 г.);

IV международной (заочной) научно-практической конференции молодых ученых «Инновационные тенденции развития российской науки» (г. Красноярск, 25−28 апреля 2011 г.) — научно-практической конференции молодых ученых «Научные достижения производства» (г. Иркутск, 20−22 апреля 2011 г.);

X региональной научной студенческой конференции аграрных вузов Сибирского федерального округа «Научные основы развития АПК», (г. Барнаул, 25−27 апреля 2011 г.);

VII международной научно-практической конференции «Аграрная наука — сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 2 февраля 2012 г.) — международной научно-практической конференции «Развитие инновационной деятельности в АПК региона» (г. Барнаул, 13 сентября 2012 г.).

Работа удостоена диплома 1 степени в X региональной научной студенческой конференции аграрных вузов Сибирского федерального округа «Научные основы развития АПК», (г. Барнаул, 25−27 апреля 2011 г.) и диплома 3 степени II этапа Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ Сибирского федерального округа в номинации «Технические науки» (г. Красноярск, 16 апреля 2010 г.).

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Новый метод экспресс-анализа тонины неупорядоченного образца мериносовой шерсти, основанный на принципе измерения степени затухания амплитуды ультразвуковой волны, проходящей последовательно через четыре грани прямоугольного образца шерсти, и последующего определения среднеарифметического значения.

2. Математическая модель и методика определения рационального сочетания частоты ультразвуковой. волны, полуширины измерительного канала и угла наклона приемника акустических колебаний, совокупность которых обеспечивает максимальное значение звукового давления и минимальную погрешность измерений.

3. Оригинальный аппаратурный комплекс для проведения экспресс-анализа тонины неупорядоченного образца мериносовой шерсти.

4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований.

5. Методика определения тонины мериносовой шерсти в производственных условиях.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 11 работ, в том числе три в изданиях, по перечню ВАК, а также получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 18 таблиц, 4 приложения.

Список литературы

включает 95 наименования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований установлено следующее:

1. Основным параметром, положенным в основу государственного стандарта классификации шерсти и формирования ее производственно-продажных партий, является тонина, принадлежность значения которой к тому или иному классу определяет качество продукции текстильной промышленности, закупочную цену шерсти и экономические показатели функционирования овцеводческого хозяйства, что является весьма актуальным в условиях дотационного финансирования.

2. Известные методы и технические средства оценки тонины не обеспечивают оперативности исследования, трудоемки, зачастую субъективны и, самое главное, не обеспечивают требуемой точности измерений, т. е. не способны выступать в качестве технологического фактора, позволяющего корректировать рацион и условия содержания овец для достижения требуемых показателей качества шерсти и не дающего однозначного ответа на принадлежность произведенной хозяйством партии шерсти к данному классу.

3. Ультразвуковые методы анализа полностью удовлетворяют сформулированным в работе требованиям к анализаторам волоконных материалов по быстродействию, но не в полной мере обеспечивают точность измерения в силу неупорядоченности образца шерсти. В качестве критерия, обеспечивающего статистически значимую величину погрешности результата измерения, целесообразно использовать максимальное экстремальное значение акустического давления на приемную поверхность устройства, значение которого находится в функциональной зависимости от частоты ультразвуковой волны, геометрических параметров измерительного канала и угла позиционирования приемника по отношению к продольной оси канала.

4. Способ экспресс-анализа тонины неупорядоченного образца мериносовой шерсти, основанный на принципе измерения степени затухания амплитуды ультразвуковой волны, проходящей через четыре грани прямоугольного образца шерсти, и последующего определения среднеарифметического значения, позволяет проводить статистическую оценку тонины с совокупной инструментальной погрешностью ±2,5% и доверительной вероятностью 0,95.

5. Практическая реализация способа экспресс-анализа тонины неупорядоченного образца мериносовой шерсти обеспечена ультразвуковым устройством, конструкция которого рассчитана в соответствии с оригинальной методикой определения рационального сочетания частоты ультразвуковой волны (диапазон варьирования — (70.220) кГц), полуширины измерительного канала (диапазон изменения — (3.10) мм) и угла наклона приемника акустических колебаний (диапазон — (0.70) градусов), совокупность которых гарантирует максимальное значение звукового давления и, следовательно, высокую точность измерений.

6. С целью исключения влияния на погрешность измерений параметров окружающей среды и вибрационных колебаний во время процесса измерений конструкция разработанного устройства предусматривает наличие заполненного эталонным образцом шерсти известной тонины реперного канала, что позволяет производить измерение методом сравнения, и оригинального крепления приемника в обойме из пористой резины.

7. Представленная в работе методика экспресс-анализа тонины шерсти в условиях производства реализована с использованием ультразвукового устройства, конструктивными параметрами которого являются: частота ультразвуковых колебаний — 150 кГц, полуширина измерительного канала — 5 мм, угол наклона приемника по отношению к продольной оси канала — 48° .

Значение ожидаемого экономического эффекта, рассчитанное для стада овец породы «Алтайская тонкорунная» при настриге 6 кг, при использовании одного ультразвукового устройства, обеспечивающего более точную классификацию шерсти по тонине, составляет 409 руб./гол. в год, срок окупаемости 1,5 года, коэффициент экономической эффективности 0,67.