автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Исследование, совершенствование и внедрение аэродинамических крутильных устройств для самокруточного прядения

На правах рукописи

003403»1и

РАЗУМЕЕВ ВЛАДИМИР КОНСТАНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ КРУТИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ДЛЯ САМОКРУТОЧНОГО ПРЯДЕНИЯ

Специальность 05.19.02 «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

003483910

Работа выполнена на кафедре технологии шерсти Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет им, А.Н. Косыгина».

Научный руководитель Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Мовшович Павел Михайлович

Доктор технических наук, профессор Панин Иван Николаевич

Ведущая организация

Кандидат технических наук Лабок Владимир Георгиевич

ОАО «ЦНИИЛКА»

Защита состоится « 3 » декабря 2009 г. в « /<9 » часов на заседании диссертационного совета Д.212.139.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» по адресу: 119071, Москва, улица Малая Калужская, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина».

Автореферат разослан « » ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д .212.139.02

доктор технических наук, профессор -— Шустов Ю.С.

АННОТАЦИЯ

В диссертационной работе систематизирована проблема самокруточного (СК) прядения. Рассмотрены основные схемы СК способа прядения. Описаны основные этапы создания СК оборудования в нашей стране. Проанализированы зарубежные и отечественные литературные и патентные источники, связанные с СК способом прядения.

Рассмотрены материалы, связанные с созданием и внедрением отечественных прядильных СК машин ПСК-225-ШГ и ПСК-225-ШГ2.

Проанализированы особенности аэродинамических крутильных устройств (АКУ) и поставлена задача повышения эффективности их работы. Рассмотрены известные математические модели АКУ. Предложена усовершенствованная математическая модель кручения одиночной нити в АКУ с учетом натяжения нити и силового размыкания вьюрка.

Рассмотрены математические модели формирования СК продукта.

Разработана модель оптимизации величины нагона в виде коррекции ук-рутки нити и продукта.

Приведены результаты работ по коррекции конструкции блока АКУ

Рассмотрены различные математические модели СК продукта. Рассмотрены направления развития СК прядения в нашей стране и за рубежом и разработаны соответствующие рекомендации.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований, связанных с повышением эффективности работы АКУ за счет уточнения физики работы устройств.

- Математические модели АКУ различного уровня.

- Практические результаты исследований, воплощенные в серийном отечественном СК оборудовании.

- Рекомендации для дальнейшего развития СК способа прядения.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

СК способ формирования текстильного продукта - один из наиболее эффективных способов прядения, который обеспечивает серьезные экономические и социальные преимущества:

- сокращение числа технологических переходов,

- повышение производительности труда и оборудования,

- уменьшение потребности в рабочей силе, производственных площадях и электроэнергии,

- заметная экономия сырья и улучшение условий труда.

В нашей стране СК способ получил развитие благодаря оригинальному техническому решению с применением аэродинамических крутильных устройств (АКУ).

Высокая эффективность СК процесса предопределила разнообразные области его применения. За истекший период накоплен значительный опыт эксплуатации самокруточного оборудования, который подтверждает, что СК способ - это серьезное средство, на основе которого можно осуществить технологический прорыв в текстильной промышленности.

Представленная работа систематизирует накопленный опыт работ в этой области и определяет направления дальнейшего ее развития. Поэтому тема данной диссертационной работы является актуальной.

Цель и задачи исследования

Опыт промышленного использования СК способа показал, что необходимо постоянно совершенствовать этот технологический процесс. В то же научный и технический уровень использованных при серийном освоении крутильных устройств не обеспечивал полное использование их возможностей.

Основная цель представленной диссертационной работы - развитие теории и практики самокруточного прядения за счет более систематического и точного исследования физических явлений, протекающих в АКУ в процессе кручения и формирования пряжи.

Поставленная цель реализуется за счет решения следующих задач:

- систематизация накопленного опыта в области развития СК прядения;

- разработка уточненной математической модели АКУ, которая в должной мере использует особенности этих устройств: отсутствие жесткого контакта с нитью, взаимозависимость крутильной способности АКУ от уровня приобретенной крутки, перераспределение круток между зонами кручения при переключении знака крутящего момента;

- оптимизация основных конструктивных и технологических параметров процесса и внесение полученных уточнений в серийные блоки АКУ;

- разработка технических и технологических рекомендаций на перспективу.

Общая методика исследования

Работа включает в себя теоретические и экспериментальные исследования.

В основу теоретических исследований положена разработка уточненной математической модели кручения нити в АКУ.

Экспериментальные исследования включают в себя отработку параметров процесса самокручения в лабораторных и производственных условиях с учетом полученных новых зависимостей.

Научная новизна работы

В работе впервые:

- разработана и внедрена уточненная математическая модель процесса кручения нити в АКУ с учетом его физических особенностей;

- разработаны рекомендации для корректировки конструкции блока вихревых камер в промышленных условиях;

- разработана и внедрена для широкого промышленного применения методика выбора оптимального нагона;

- получены оптимальные параметры процесса с учетом разработанных и исследованных особенностей АКУ.

Практическая значимость работы

1. Разработаны и внедрены рекомендации по отдельным параметрам блока вихревых камер.

2. Разработана и внедрена методика выбора оптимального нагона.

3. Систематизированы направления развития СК способа и разработаны соответствующие рекомендации.

Реализация результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора внедрены на ЗАО «Суворовская нить» и в учебном процессе ГОУВПО МГТУ им. Л.Н. Косыгина и ГОУВПО РосЗИТЛП.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на:

- на заседаниях ученого совета ОАО НПК «ЦНИИШЕРСТЬ» (2008,2009 гг.);

- на заседаниях кафедры технологии шерсти ГОУВПО МГТУ имени А,Н. Косыгина (2008,2009 гг.);

- на техническом совете ЗАО «Суворовская нить» (2009 г.),

- на заседании кафедры прядения и МТВМ ГОУВПО РосЗИТЛП (октябрь 2009),

- на Международной научной конференции в г. Элиста, Республика Калмыкия, РФ (13-18 сентября 2009 г.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 174 страницах текста и содержит 5 таблиц, 48 рисунков, список литературы включает 57 наименований. Приложения представлены на 3 страницах.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 7 научных работ, из них 4 работы в журналах, рекомендованных ВАК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, охарактеризована научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Рассмотрены современные данные о соотношениях в переработке различных видов натуральных и химических волокон при производстве текстильных изделий, с учетом чего сформулирован вывод об особой актуальности разработки оптимальных технологий прядения для химических волокон, составляющих до 85% от объема потребления всех видов волокон в шерстяной промышленности.

Проблемой СК прядения занимался ряд зарубежных и отечественных ученых: Henshaw, Walls, П.М. Мовшович, В.П. Хавкин, Г.К. Максимов, Н.Б. Бабуш-

кина, А.Ф. Брусникин, А.Д. Пищиков, М.И. Кокиш, Т.И. Дюканова, A.A. Телицын, К.Э. Разумеев и др. В их работах рассматривались различные теоретические и практические аспекты CK способа, которые позволили реализовать его в производственных масштабах в виде машин «Repco» (Австралия).

В первой главе рассмотрены общие принципы CK процесса и дан обзор зарубежной патентной литературы, который охватывает практически весь период с появления первых сообщений о CK способе формирования.

Первые образцы CK машин, получившие название Repco Spinner, были выпущены австралийской фирмой Repco в 1971 г. В дальнейшем промышленный выпуск этих машин производился по лицензии английской фирмой Platt Saco-Lowell. Всего было выпущено около 2000 машин. Наряду с первой моделью были созданы еще две модели, отличающиеся от первой более высоким техническим уровнем и разнообразием ассортимента.

Работы по созданию CK оборудования были начаты также в СССР и Франции.

Приведенный в данной главе обзор основных патентов и авторских свидетельств, связанных с CK прядением и средствами для его реализации, охватывает практически весь период с появления первых сообщений о CK способе формирования по настоящее время.

К первой группе патентов относятся патенты, в которых сформулированы основные принципы CK способа прядения и приведены некоторые конструкции устройств для его реализации.

Ко второй группе устройств относятся устройства, реализующие CK структуру с использованием разного рода нестационарностей, в т.ч. с использованием изменения длины и количества зон кручения, а также разного рода прерывателей. А также путем перемещения вьюрков вдоль линии транспортировки скручиваемого продукта.

Значительную группу патентов занимают патенты, направленные на варьирование структуры получаемого CK продукта.

На основании выполненного обзора ставится одна из задач работы - систематизировать результаты работ по созданию и освоению CK способа прядения в нашей стране и за рубежом. На основании выполненных исследований намечается оптимизация конструктивных и технологических параметров процесса и их внедрение. Намечается разработать предложения по перспективному развитию CK способа.

В главе 1 дано описание известного зарубежного CK оборудования.

Прядильная самокруточная машина "Repco spinner", модель 888 - первая прядильная CK машина в промышленном варианте.

Машина имеет четыре выпуска, которые одновременно останавливаются при обрыве ровницы или пряжи. Питание производится восемью катушками крученой ровницы, либо четырьмя бобинами сученой ровницы. Конструкция небольшой по числу рабочих мест и по своим размерам прядильной машины обусловлена конструкцией единого крутильного органа в виде сучильных валиков.

Прядильная самокруточная машина "Repco Spinner Mk2" - машина того же технологического назначения, что и первая модель, однако, отличается от нее более высокими техническими данными (увеличение скорости выпуска с 220 до 300 м/мин , увеличение числа прядильных мест с 4 до 5, повышение производительности на 55%, -

уменьшение удельного расхода электроэнергии на 75%, увеличение выпускной паковки с I до 2,5 кг.

Прядильная самокруточная машина "Яерсо-8еШ1" использует принцип двухста-днйного кручения и предназначена для выработки пряжи, состоящей из трех компонентов: одного из штапельных волокон и двух комплексных нитей малой линейной плотности, используемых в качестве прикрута в две стадии.

Прядильная СК машина "ЯБ 200" (фирма "АКБТ", Франция) предназначена для выработки армированной СК пряжи в два сложения. В качестве питающего продукта применяется ровница из гребенной шерсти, хлопка или химических волокон с различной штапельной длиной. Стержневыми нитями могуг быть различные комплексные нити с различной линейной плотностью. Некоторые виды пряжи, получаемые на этой машине, получили наименование "новакор". Это название относится только к пряже, обвитой натуральными волокнами. Важная особенность данной машины - использование принципа нереверсивного вьюрка с изменением длины и количества зон кручения перед крутильным механизмом.

На основании проведенного обзора ставится основная задача настоящей работы - на базе современного научного подхода (прежние решения, во многом, носили эмпирический характер) - обосновать и скорректировать известные технические решения, а также заложить основу для дальнейшего усовершенствования СК способа (расширить ассортимент и область применения СК прядения).

В главе 2 рассматривается проблема сообщения волокнистому продукту (нити) знакопеременной крутки (ЗПК). Показано, что этот процесс - ключевой этап при реализации СК способа, поскольку он связан с постоянным высокоскоростным динамическим воздействием на нить.

В этой главе обобщаются результаты исследований в области динамики кручения одиночной нити. Полученные результаты применимы не только к СК прядению, но также и к другим случаям ложного кручения.

Рассмотрен общий случай кручения, из которого вытекают практически все известные случаи кручения, как действительного, так и ложного.

На рис. 1 приведена расчетная схема общего случая кручения.

; 2 3 ь

Рис. 1. Общая схема кручения

Здесь:

1 - скручиваемый продукт;

2 - питающий механизм;

3 - крутильный механизм (вьюрок);

4 - выпускная пара (в частном случае наматывающий механизм);

vo > vi > v„ > v2 . линейные скорости соответственно питающей пары, продукта в зоне вьюрка, вьюрка, выпускной пары (мотального механизма);

£ £ £

о> 1' 2. относительные линейные деформации соответственно в зоне питания, первой и второй зон кручения (до и после вьюрка);

>' 2 - длины зон кручения;

п - интенсивность кручения, обеспечиваемая вьюрком,;

"и - угловая частота вращения мотального устройства (относительно оси, параллельной оси скручиваемой пряди); К К К

'' 2 - соответственно крупен питающего продукта, продукта в зонах I и II. Отметим, что в случае пм, отличной от нуля, схема представляет собой устройство действительного кручения типа "кольцо - бегунок".

При дискретизации продукта в зоне 1 и механическом объединении вьюрка 3 со сборной поверхностью получается схема кручения «со свободным концом», характерная для пневмомеханического прядения.

При пм ~~ ® и непрерывном скручиваемом продукте имеет место ложное кручение.

Составим общие уравнения кручения волокнистого продукта в двухзонном крутильном устройстве, в качестве которых используем уравнения баланса числа кручений в зонах I и II в единицу времени:

d г 1]К] 1 = я I m

dt (1 + е,) 1 + е0 1 + £•, ' Ш

d l2K2 п | £,(у,-У2) А>2

dt (l + f2) 1 + £■] 1+£г ф

Отметим, что для принятого общего случая переменными являются скорости движения продукта и вьюрка , длины зон I и II, а интенсивность кручений

К К Т Т

вьюрка зависит от круток 1 ' 2 и натяжения 1 ' 2 :

n = n(KltK2,Tj,T2)

(3)

Для того, чтобы замкнуть систему, добавим уравнения связей: Зависимость натяжения от относительных линейных деформаций:

Т, =Т1(£0,£1)^ Т2 = Тг{ех,Ег)

Зависимость относительных линейных деформаций отукрутки и скорости:

Отмечено выше, что получение ЗПК при помощи крутильного устройства реализуется за счет различного рода нестационарностей процесса кручения, в т.ч. и за смет периодического изменения параметров технологической линии в зоне кручения:

- периодического изменения количества зон кручения до вьюрка, при одновременном изменении длины зон;

- переменной скорости транспортировки продукта;

- перемещения вьюрков в пространстве;

- реверсивного крутящего момента, сообщаемого продукту вьюрками.

В работе показано, что наиболее эффективен последний вариант.

В заключение делается вывод о том, что использование АКУ обеспечивает начительиые преимущества перед МКУ, как в отношении простоты и надежности, так и в связи с большими возможностями в отношении гибкости управления [ расширения ассортимента получаемой пряжи.

В третьей главе рассматривается математическая модель процесса круче-ия в АКУ.

Показано, что в вихревой камере кручение нити происходит благодаря гради-иту скоростей при вращательном движении воздуха по поперечному сечению ка-еры.

Нами предложен метод для использования испытания в статике как средства ля определения динамических характеристик схем кручения с АКУ.

В работе рассматривается важная в практическом отношении схема с при-енеикем АКУ, в которой учитывается часть указанных выше факторов.

Основу повой модели составляет следующее уравнение:

е1 В2

(5)

Зависимость коэффициентов крутки от укрутки:

к

(6)

и = и0 -С,(К, -Кг)-С2Т,

(7-1)

где

Т - натяжение в зоне вьюрка,

С,,С2 - константы, зависящие от упругих свойств материала, п„ - интенсивность кручения вьюрка при К, = К2 = 0, Т = 0.

Расчетная схема процесса кручения в двухзонном АКУ приведена на рис. 1. Здесь:

\ у', ^ - соответственно скорость поступления продукта в зону I, скорость прохода продукта через вьюрок и скорость выхода продукта из зоны II,

е0,£,,е2 - относительные линейные деформации продукта соответственно перед зоной I, в зоне I и в зоне II.

Рис. 2. Расчетная схема кручения нити в двухзонном АКУ

Процесс кручения одиночной пряди описывается уравнениями, которые вытекают из условий баланса деформаций сдвига в соответствующих зонах.

В АКУ отсутствует силовой зажим, который препятствует перераспределению линейных деформаций между зонами. Поэтому для баланса этих деформаций

следует рассматривать общую зону длиной А .

Баланс относительных линейных деформаций в двухзонном АКУ описывается одним уравнением для общей зоны I + II длиной I — + ^

.(¡е

/_ =-Ц--(8)

<Л (1 + £)к

У 2

После соответствующих преобразований получается уравнение, характеризующее динамические процессы, происходящие в АКУ.

V2 + [г, (1 + а) + г2 (1 + ад)]^- + (1 + аб)К2 =

ш ш

1 + е ¿Па , <1е

= -г,--- + т.Ь—

V, йх 1 Л

(9)

Здесь т1гТг - приведенные постоянные времени для первой и второй зон кручения, а постоянные коэффициенты характеризуют свойства скручиваемого продукта при деформациях растяжения и сдвига, его линейную скорость транспортировки и частоту вращения воздушного вихря.

г

Поскольку изменения ° невелики, то в практических расчетах коэффициенты О+ о0»0+ + Можно считать постоянными, а уравнение (9) - линейным. Что касается уравнения (2), то оно может быть линеаризовано благодаря тем же самым допущениям.

Полученная модель используется при расчете оптимального нагона, при ко-ором полностью компенсируется укрутка и практически исключается натяжение рядей при кручении и формировании СК продукта. Это оптимизирует крутиль-ую способность вьюрка и стабилизирует процесс формирования СК продукта.

Для оптимального нагона характерно соотношение £ = 0, т.е. отсутствие тносительной линейной деформации прядей и продукта.

Проводя соответствующие преобразования, имеем:

г,г2 Л2 + [(т, + г2 )(1 + а0) + т2 (1 + а0 + (1 + а0) Кг =

от да

= • <»»

V, ¿1

Нами получено важное соотношение, показывающее, что уравнение дина-ики кручения одиночной пряди в двухзонном АКУ при оптимальном нагоне налогично выражению, полученному для МКУ, где не учитывались нагон, ук-утка и натяжение скручиваемой пряди. Это показывает внутренне единство мо-елей, полученных для МКУ (линейная модель) и для АКУ (нелинейная модель, эторая в процессе расчета была линеаризована).

Важной особенностью полученных соотношений является то, что они без ринципиальных изменений могут быть использованы для расчета оптимального агока всей зоны кручения и формирования СК продукта. В этом случае вводится оррек^ия на эквивалентный диаметр крученого продукта и на его крутку, лияющей на его укрутку.

Сопоставление экспериментально подобранного нагона (4%) и полученного асчетным путем (4,2%) и сказывает хорошую адекватность принятой модели.

В четверюй главе приветны результаты экспериментальных исследова-ий, направленных на оптимизацию 1 миологических и конструктивных парамет-ов блока АКУ.

Основные требования, предъявляемые к кру -чльным устройствам:

- высокая интенсивность кручения, необходимая ,1Я обеспечения высокой корости выпуска;

- большая частота изменения режима (интенсивности или ь-гфавления) кру-ящего воздействия;

- высокий уровень крутящего воздействия при малом осевом сопротивлении вижению прядей;

- гибкость управления процессом; простота и надежность работы

В работе дается обзор различных конструкций вихревых камер. К наиболее адекватной конструкции следует отнести камеры с непрямым воздействием струи воздуха на нить (см. рис. 3).

Рис. 3. Вихревая камера с конусными втулками

Камера характеризуется различной конусностью внутренних поверхностей (60° и 70°) у втулок, что создает внутреннюю поверхность в виде клина и обеспечивает некоторые эжектирующие свойства камеры. Это существенно уменьшает выделение пыли и сора на внутренней поверхности камеры.

Сообщение прядям знакопеременной крутки само по себе недостаточно для поддержания стабильного процесса. На выходе из вытяжного прибора мычка не уплотнена. При работе со скоростью выпуска порядка 2-4 м/с воздушные потоки, вызываемые вращением выпускного цилиндра, способствуют отклонению мычки вниз, ее провисанию и образованию так называемой "петли", что приводит к па-мотам и повышению обрывности. Необходимость стабилизации процесса особенно велика при реверсивном режиме, в связи с периодическим изменением знака крутки в зоне I.

Все это обуславливает создание специальной конструкции крутильных устройств, включающих блок вихревых камер и коммутирующее устройство - пневматический переключатель.

В задачу такой конструкции входит:

- Сообщение скручиваемым прядям ЗПК нужной амплитуды и частоты,

- Стабилизация технологического процесса кручения-формирования (минимальная обрывность).

- Наиболее эффективный переход части ЗПК прядей в крутку СК продукта (пряжи).

- Контроль технологического процесса (реакция на обрыв прядей и пряжи).

- Эффективная заправка рабочего места при ликвидации обрыва.

Для стабилизации процесса при работе на высоких скоростях и в широком диапазоне линейных плотностей была разработана конструкция выорка-эжектора с так называемой системой "независимой подкрутки". Выявлено, что применение независимой подкрутки привело к повышению прочности пряжи на 5-10%.

Для стабилизации процесса при работе на высоких скоростях и в широком диапазоне линейных плотностей была разработана конструкция выорка-эжектора с так называемой системой "независимой подкрутки". В этом устройстве проброс прядей через камеры при заправке и подкрутка их в рабочем режиме выполняются при помощи двух различных каналов. Разработанный вьюрок-эжектор выполнен одновтулочным с двумя сопловыми каналами, подключенными к различным источникам сжатого воздуха (рис. 4). В заправочном режиме сжатый воздух поступает в пробрасывающий канал 2, расположенный под углом 30° к продольной оси эжектора, а канал 1 отключен. Напротив, в рабочем режиме воздух подается в подкручивающий канал 1, расположенный под углом 75° к продольной оси устройства и тангенциально к основному каналу, а канал 2 отключен. Угол 75° выбран для создания подкручивающего воздействия на прядь и получения небольшой осевой составляющей (для правильной ориентации волокон на поверхности скручиваемой пряди).

Пробрасывающий канал 2 имеет небольшое смещение в радиальном направ-ении от продольной оси. Это выполнено для небольшой подкрутки прядей при аправке.

Рис. 4. Вьюрок-эжектор.

Экспериментальные исследования показали, что, применение независимой одкрутки привело к повышению прочности пряжи на 5-10%. Повышение давле-ия воздуха в подкручивающем сопле приводит к некоторому увеличению проч-ости при одновременном снижении крутки. Отсюда следует, что давление в под-ручивакмцем сопле может быть управляющим фактором для получения СК пря-:и с заданными свойствами.

1

Д-Д

тм^Я^Г^^1*™"* - -динихеяьная камера (№

вихрешх камер П''ИВеДеНЫ ^^ "°ЛУ"™ "Р" -здании блока

1

-------:. 1 ^

вытяжной прибор

Обозначения:

1,2- рабочие камеры,

3,4- индивидуальные переключатели,

5 - соединительная камера.

разработанный , гл. 2. т, рапе™ круш, одниочной „„,»,, """

увеличивает прочность „р,»„ ,„ 20.25%

В главе 5 рассматриваются вопросы, связанные с математическими основами моделирования CK продукта, а также некоторые перспективные вопросы развития CK способа.

В работе проведен обзор известных моделей CK продукта. В частности рассмотрена схема из трех прядей, являющаяся обобщением рассмотренных ранее схем.

В работе выполнен расчет взаимной фазировки двойной структуры AB и обкручивающей пряди С. Доверительные границы измеряемых участков находятся в пределах 1-2,4%. Экспериментальная проверка показала хорошее совпадение экспериментальных и расчетных данных.

В работе затронуты также вопросы, связанные с дальнейшим усовершенствованием структуры CK продукта. В частности проведен анализ схемы СФК (совмещенного формирования и кручения). Рассмотрены также различные схемы с неоднородными соединяемыми прядями («селфил», схемы с несимметричными АКУ).

Представленные в работе материалы по этой проблеме показывают хорошие перспективы варьирования ассортимента получаемой пряжи в рамках CK технологии.

Высокие экономические преимущества CK способа обусловливают постоянный интерес к этому способу и за рубежом. Продолжаются попытки найти новые возможности в направлении, разработанном фирмой Repco (Австралия). Эти попытки направлены на агрегирование и автоматизацию, без существенных предложений в отношении качества и ассортиментных возможностей.

Интересным направлением представляется разработка фирмы Alma Saurer (Германия), получившая наименование WinPro. Система относится к производству пряжи в 2, 3 и 4 сложения. Возможный диапазон - переработка волокон длиной 55-220 мм - из шерсти или акрилового волокна. Получаемая CK пряжа получает действительную крутку на крутильной машине и превращается в пряжу, известную в литературе как самокрученокрученая пряжа (СКК пряжа) - в английской терминологии - STT yarns.

ОБЩИЕ ВЫВОД Ы И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Самокруточный способ прядения - один из наиболее эффективных способов получения пряжи и получил определенное развитие за рубежом и в нашей стране.

2. Для получения эффективных рекомендаций по дальнейшему совершенствованию CK способа необходимо подробное изучение научного и производственного опыта, накопленного за последние 35 лет в этой области.

3. Развитие теории и практики самокруточного прядения за счет более точного исследования физических явлений, протекающих в АКУ в процессе кручения и формирования пряжи, представляет собой актуальную задачу.

4. Ключевой вопрос - детальное изучение процессов, происходящих в АКУ. Выполнение этой задачи позволило выявить новые связи влияющих параметров.

5. В работе найдено, что на крутильную способность АКУ существенное тормозящее влияние оказывают деформации растяжения и сдвига, возникающие при кручении нити.

6. Проведенные исследования позволили определить важную роль нагона в качестве компенсирующего фактора и разработать методику расчета оптимального нагона. Полученные теоретические результаты (4%) хорошо согласуются с экспериментальным значением (4,2%). Полученные рекомендации были реализованы на ЗАО «Суворовская нить» и дали существенную стабилизацию технологического процесса

7. Новый подход к анализу процесса кручения в АКУ позволил провести исследования для корректировки конструктивных параметров серийного блока АКУ.

8. На базе проведенных исследований выполнен анализ современных направлений в развитии CK способа прядения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов кандидатских диссертаций:

1. Разумеев, В.К. Исследование технологического зазора в пневматическом переключателе [Текст] / Разумеев, В.К., Мовшович, П.М., Филипьев, А.Ф., Разумеев, К.Э. // ж. Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. - 2008, - №3(308), с. 42-44.

2. Разумеев, В.К. Влияние длины шлангов на динамику переключения воздуха в вихревой камере в машине ПСК-225ШГ [Текст] / Разумеев, В.К., Мовшович, П.М., Филипьев, А.Ф., Разумеев, К.Э. // ж. Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. -2008.- №4 (309), С. 31-35.

3. Разумеев, В.К. Состояние и тенденции мирового овцеводства, рынка шерсти и продукции ее переработки [Текст] / Разумеев, К.Э., Разумеев, В.К., Филиппова, Т.М. // ж. Овцы, козы. Шерстяное дело. - 2006, №4, с. 1-13.

4. Разумеев, В.К. Тенденции мирового рынка шерсти и продукции из нее [Текст] / Разумеев, К.Э., Разумеев, В.К., Филиппова, Т.М. // ж. Овцы, козы. Шерстяное дело. - 2009, №1, с. 43-52.

Статьи в других изданиях:

5. Разумеев, В.К. Динамика кручения одиночной нити в двухзонном аэродинамическом крутильном устройстве. [Текст] / Мовшович, П.М., Разумеев, В.К., Филипьев, А.Ф., Разумеев, К.Э. // Сборник научных трудов ОАО НПК «ЦНИИШерсть», М: «Оргсервис-2000», 2008, С. 71-77.

6. Разумеев, В.К. Основные тенденции производства и переработки шерсти. [Текст] / Разумеев, К.Э., Разумеев, В.К. // Материалы международной научной конференции, 13-18 сентября 2009 г. Элиста: КалмНИИСХ, 2009, с. 32-40.

7. Разумеев, В.К. Развитие самокруточного способа прядения. [Текст] / Разумеев, В.К. // Материалы международной научной конференции, 13-18 сентября 2009 г. Элиста: КалмНИИСХ, 2009, с. 48-49.

Подписано в печать 02.11.09 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ 353 Тираж 80 ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

Введение

Глава 1. Процесс самокручения. Создание и развитие СК способа за рубежом

1.1 Краткий обзор

1.2. Обзор основных патентов

1.3. Зарубежное оборудование

1.3.1. Прядильная самокруточная машина «Repco Spinner», модель

1.3.2. Прядильная самокруточная машина «Repco Spinner Мк2»

1.3.3. Технология получения и переработки самокрученой пряжи на машинах типа «Repco Spinner»

1.3.4. Прядильная самокруточная машина «Repco Selfil»

1.3.5. Прядильная СК машина «RS200»

1.4. Постановка задачи по развитию СК направлению в нашей стране 53 Выводы по главе

Глава 2. Знакопеременное кручение

2.1. Общий случай кручения. Частные случаи кручения

2.2. Двухзонное МКУ. Идеальный случай

2.3. ЗПК при постоянной частоте вращения вьюрка

2.4. Сообщение продукту ЗПК в МКУ с переменной скоростью транспортировки

2.5. Сообщение продукту ЗПК перемещающимися вьюрками (МКУ)

2.6. Особенности сообщения ЗПК при помощи аэродинамического крутильного устройства (АКУ)

Выводы по главе

Глава 3. Кручение нити в АКУ

3.1. Кручение одиночной нити в АКУ. Вопросы статики

3.2. Математическая модель кручения нити в АКУ

3.3. Влияние нагона в системе с АКУ. Идеальный нагон

3.4. Расчет оптимального нагона в двухзонном АКУ 105 Выводы по главе

Глава 4. Исследования с целью оптимизации параметров блока

4.1. Создание крутильного устройства 112 4.1.1. Классификация крутильных устройств (КУ)

4.2. Создание блока вихревых камер 122 Выводы по главе

Глава 5. Сводка теоретических результатов и перспективы развития СК способа

5.1. Краткий обзор работ по механике крученых нитей и статических моделей СК продукта

5.2. Анализ СК пряжи из нескольких прядей

5.3. Разработка усовершенствованной самокруточной технологии совмещенного формирования и кручения (СФК)

5.3.1 Теоретические основы способа СФК

5.3.2. Промышленное освоение способа СФК

5.4. Разработки, связанные с варьированием СК структуры

5.5. Новые зарубежные разработки 160 Выводы по главе 5 165 Общие выводы и рекомендации 166 Литература 168 Приложения

Многие века для выработки различных видов текстильных изделий использовались исключительно натуральные волокна, среди которых выделялись, прежде всего, шерсть, хлопок, лен и шелк [1-3].

Двадцатый век ознаменовался созданием и весьма интенсивным развитием химических волокон, которые принято подразделять на две большие группы: искусственные и синтетические. В группе синтетических, как правило, выделяют штапельные волокна и филаментные нити.

К концу XX века население Земли достигло 6 млрд. человек, а мировой объем производства и переработки волокон всех видов — 50 млн. тонн, т.е. на душу населения приходится 8-9 кг натуральных и химических волокон. В монографии проф. Перепелкина К.Е. [4] приводятся прогнозные оценки роста населения Земли и потребности волокон на душу населения в XXI веке — 9-11 млрд. человек и 12-15 кг волокон на 1 человека.

Нами изучены данные Международной организации шерстяников-текстильщиков (International Wool Textile Organisation — I WTO) о динамике производства различных видов волокон, переработанных мировой текстильной промышленностью в период с 1970 по 2005 годы [5]. Следует отметить, что в целом за указанный период годовой объем всех видов волокон увеличился с 22,2 до 62,6 млн. тонн.

45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0

Объемы производства различных волокон, тыс. тонн г .' ' 7 .

ЖШШ ШШИ ЩЙда ШШМИаШдш! ---- —

Хим.волокна хлопок шерсть лен шелк

1970 1980 1985 1990 1995 2000 2005 201Опр

Рис. la Динамика объемов производства различных натуральных и химических волокон в период с 1970 по 2005 годы и прогнозные значения на 2010 год. лен шелк шерсть

3%~\ 0% 4о/о целл.воло кна филам.ни ти 54% хлопок 93%

Рис. 16. Соотношения в мировом производстве нату- Рис. 1 в. Соотношения в мировом производстве различных хи-ральных волокон в 2005 году мических волокон в 2005 году

Как следует из данных статистики организации IWTO [5], объем производства всех видов химических волокон в период с 1970 по 2005 гг. увеличился с 8,4 до 34,3 тыс. тонн, т.е. более чем в 4 раза, тогда как среди натуральных волокон наибольший прирост продемонстрировало мировое производство хлопка: с 11,4 до 26,2 тыс. тонн, т.е. менее чем в 2,5 раза.

На рис. 1а нами представлена динамика объемов различных видов натуральных и химических волокон в период с 1970 по 2005 гг. и прогнозные значения на 2010 год.

На рис. 16 и 1в нами представлены соотношения в производстве натуральных и химических волокон в 2005 году.

В целом, следует признать, что в конкурентной борьбе с интенсивно развивающимся производством различных видов химических волокон наиболее снизилась доля мирового производства натуральной шерсти, тогда как хлопок и лен весьма успешно сохранили те ниши ассортимента, где они используются в текстильной промышленности [6-7].

С учетом вышеуказанной статистики производства различных видов натуральных и химических волокон, используемых при производстве текстильных изделий, следует признать особую актуальность разработки оптимальных технологий прядения именно для химических волокон, составляющих до 85% от объема потребления всех видов волокон в шерстяной промышленности.

Самокруточный (СК) способ формирования текстильного продукта [89] является одним из наиболее эффективных способов прядения, который обеспечивает ряд серьезных экономических и социальных преимуществ: сокращение числа технологических переходов, повышение производительности труда и оборудования, уменьшение потребности в рабочей силе, производственных площадях и электроэнергии. Способ обеспечивает заметную экономию сырья и улучшает условия труда.

СК способ основан на принципе ложного кручения, при котором процессы формирования прядей, их кручения и наматывания разделены. Это позволяет увеличить скорость выпуска пряжи в 10-15 раз. Кроме того, СК способ совмещает в одном технологическом переходе процессы прядения, трощения, кручения, а иногда и наматывания. Это дополнительно увеличивает экономическую эффективность процесса получения пряжи. По существу, СК способ - первый способ, в котором в промышленном масштабе удалось реализовать получение пряжи без действительного кручения в промышленном масштабе.

Проблемой самокруточного прядения занимались зарубежные и отечественные ученые: D.E.Henshaw [10], Walls, П.М. Мовшович [8,9,33-44,54-57], В.П. Хавкин, В.К. Афанасьев, Т.П. Крюк, Т.Н. Кудрявцева, Г.К. Максимов, Н.Б. Бабушкина, А.Ф. Брусникин, А.Д. Пищиков, М.И. Кокиш, Т.И. Дюкано-ва, А.А. Телицын, К.Э. Разумеев [33,54,56-57], Е.А. Лобашева и др. В этих работах рассматривались различные теоретические и практические аспекты

СК способа, которые позволили использовать его в производственных масштабах в виде машин «Repco» (Австралия, Англия) и ПСК (СССР).

СК способ был предложен в 1961 г. D.E.Henshaw (Австралия, CSIRO) [10]. Впоследствии D.E.Henshaw, Walls и рядом других сотрудников CSIRO была получена группа патентов на модификации СК способ, получаемых СК структур и соответствующие устройства для его реализации [11-31]. Почти одновременно фирмой Du Pont de Nemours (США) был получен патент, в котором описывался аналогичный СК продукт, однако предлагалась несколько другая реализация способа.

В дальнейшем, по мере расширения фронта работ по развитию СК способа, расширения его промышленного применения, детализации требований, предъявляемых к СК продукту, появилось значительное количество патентов на модификации СК структуры, различные способы их получения, а также на различные конструкции соответствующих устройств.

Первые образцы СК машин, получившие название Repco Spinner, были выпущены австралийской фирмой Repco в 1971 г. В дальнейшем промышленный выпуск этих машин производился по лицензии английской фирмой Piatt Saco-Lowell. Всего было выпущено около 2000 машин. Наряду с первой моделью были созданы еще две модели, отличающиеся от первой более высоким техническим уровнем и разнообразием ассортимента.

Работы по созданию СК оборудования были начаты также в СССР и Франции.

В нашей стране технической основой СК оборудования стали оригинальные аэродинамические крутильные устройств (АКУ), предложенные ВНИИЛТекмашем. Применение этих устройств обеспечило большую гибкость управления и создало предпосылки для существенного расширения ассортимента вырабатываемой пряжи. Кроме того, конструктивная простота АКУ дало возможность промышленного освоения СК оборудования.

Применение самокруточного способа в нашей стране позволило добиться большого экономического и технического прогресса Совместная работа ряда организаций, включая ВНИИЛТекмаш, ЦНИИШерсти, Костромское СКВ ТМ, завод «Таджиктекстильмаш», Курский трикотажный комбинат, Суворовская фабрика объемной пряжи, позволила реализовать самокру-точный способ в промышленных условиях.

Промышленные участки были организованы на Курском трикотажном комбинате (позднее - АО «Сейм»), Суворовской фабрике объемной пряжи (в настоящее время ЗАО «Суворовская нить»), Астраханском трикотажном комбинате, на фабриках в Сумгаите и Капсукасе. В настоящее время интерес к СК способу не угас. Продолжается эксплуатация большого СК производства на ЗАО «Суворовская нить». Ведутся работы в Англии, Франции и Германии. По своим возможностям СК способ может составить техническую основу для возрождения текстильной отрасли в нашей стране. В данной работе излагаются результаты научных исследований автора в этой области, некоторые из которых внедрены на ЗАО «Суворовская нить».

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Самокруточный способ прядения - один из наиболее эффективных способов получения пряжи и получил определенное развитие за рубежом и в нашей стране.

2. Для получения эффективных рекомендаций по дальнейшему совершенствованию СК способа необходимо подробное изучение научного и производственного опыта, накопленного за последние 35 лет в этой области.

3. Развитие теории и практики самокруточного прядения за счет более точного исследования физических явлений, протекающих в АКУ в процессе кручения и формирования пряжи, представляет собой актуальную задачу.

4. Ключевой вопрос — детальное изучение процессов, происходящих в АКУ. Выполнение этой задачи позволило выявить новые связи влияющих параметров.

5. В работе найдено, что на крутильную способность АКУ существенное тормозящее влияние оказывают деформации растяжения и сдвига, возникающие при кручении нити.

6. Проведенные исследования позволили определить важную роль нагона в качестве компенсирующего фактора и разработать методику расчета оптимального нагона. Полученные теоретические результаты (4%) хорошо согласуются с экспериментальным значением (4,2%). Полученные рекомендации были реализованы на ЗАО «Суворовская нить» и дали существенную стабилизацию технологического процесса

7. Новый подход к анализу процесса кручения в АКУ позволил провести исследования для корректировки конструктивных параметров серийного блока АКУ.

8. На базе проведенных исследований выполнен анализ современных направлений в развитии СК способа прядения.

1. Гусев В.Е. Сырье для шерстяных тканей, нетканых материалов и первичная обработка шерсти. - М.: Легкая индустрия, 1976. - 460 с.

2. Кузнецов Т.И. Шерстоведение. М.: Международная книга, 1950. 402 с.

3. Разумеев К.Э. Сырье для предприятий шерстяной отрасли промышленности. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2003. - 205 с.

4. Перепелкин К.Е. Прошлое, настоящее и будущее химических волокон. — М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004. 208 с.

5. IWTO Market Information. Edition 2007. 2007, pp. 1-62.

6. Разумеев К.Э., Разумеев В.К., Филиппова Т.М. Состояние и тенденции мирового овцеводства, рынка шерсти и продукции ее переработки: Овцы, козы, шерстяное дело, №4, 2006 г., с. 1-13.

7. Разумеев К.Э., Разумеев В.К., Филиппова Т.М. Тенденции мирового рынка шерсти и продукции из нее: Овцы, козы, шерстяное дело, №1, 2009 г.,с.45-54.

8. Мовшович П.М. Самокруточное прядение. //М., Легпромбытиздат, 1985 г., 248 с.

9. Мовшович П.М. Разработка теоретических основ технологического процесса самокручения и промышленного оборудования для его реализации, докторская диссертация, Кострома, 1987 г.

10. D.E. Henshaw. A model for self-twist yarn. Journ of the Text. Inst., 1970, Vol.61, №3, 97-107.

11. Forming twisting yarns and other twisting assemblies. //Патент Англии № 1015291- 1965 г.

12. Yam structure // Патент Англии № 1047503 -1966 г.

13. Process for forming twisted fibre assemblies,//.Патент Англии № 10843711966 г.

14. Twisted thread assemblies. // Патент Англии № 1144614 1967 г.

15. Twisting apparatus //Патент Англии № 1121942- 1964 г.

16. Formation of twisted thread assemblies// Патент Англии № 1336932. -1975 г.

17. Strand twisting apparatus //Патент Англии № 1341293 1973 г.

18. Strand twisting apparatus II Патент Австралии № 432698 1968 г.

19. Process for producing alternating twist // Патент США № 3415048 1968 г.

20. Method of imparting dual twist to yarn //Патент США № 2986867 1961 г.

21. Method of and apparatus for forming a multy-ply yarn //Патент США № 3999361 -1976 г.

22. Apparatus for twisting a strand //Патент Англии № 2004570 1979 г.

23. Method of forming a self-twisted fibrous structure //Патент Англии № 2007729 1979 г.

24. Self-twist yarn strand system // Патент США № 4074511 1978 г.

25. Fluid self-twist spinning apparatus // Патент США № 4120143 1978 г.

26. Self-twist yarn, strand and method //Патент США № 4123893 1978 г.

27. Self-twist yarn node fixation apparatus and method //Патент США № 4142365 1979 г.

28. Node fixation in self-twist yarn //Патент США № 4170103 1979 г.

29. Self-twist yarn and method and apparatus for producing it //Патент США № 4276740 1981 г.

30. Self-twist yam and method of making Бате/ТПатент США №4246750- 1981г.

31. Self-twist yam and method and apparatus for making such yams // Патент США №4279120- 1981 г.

32. Зотиков В.Е. и др. Основы прядения волокнистых материалов, М., Гиз-легпром, 1989 г.

33. Разумеев К.Э., Мовшович П.М. Обобщенная модель знакопеременного кручения//Сборник научных трудов, ОАО НПК «ЦНИИШЕРСТЬ», М., 2007

34. Гинзбург JI.H. Динамика основных процессов прядения, ч. III/ Гинзбург JI.H., Хавкин В.П., Молчанов А.С., Винтер Ю.М., Мовшович П.М., //Легкая индустрия-1976 г.

35. Хавкин В.П., Гинзбург Н.Л., Горн И.В., Мовшович П.М. Динамика кручения в однозонном крутильном устройстве с механическим вьюрком, Труды ЦНИЛВ, т.31, М., 1976, с. 44-50.

36. Хавкин В.П., Гинзбург Н.Л., Горн И.В., Мовшович П.М. Динамика кручения в двухзонном крутильном устройстве с механическим вьюрком, Труды ЦНИЛВ, т. 31, М., 1976 г., с. 51-56.

37. Мовшович П.М., Бабушкина Н.Б. и др. Сообщение знакопеременной крутки при помощи перемещающихся вьюрков, НИИ труды ВНИИЛТекма-ша, 1985, с.33-37.

38. Мовшович П.М. Динамическая модель самокруточного продукта с применением АКУ, НИИ труды ВНИИЛТекмаша, № 40, М., 1982 г., с. 49-55.

39. Мовшович П.М. Динамика процессов кручения волокнистого продукта, НИИ труды ВНИЛТекмаша, сб. № 25, 1975 г., с. 53-67

40. Мовшович П.М., Бабушкина Н.Б. и др. Аэродинамическое крутильное устройство для обработки нитей воздушными потоками и их применение для получения самокруточного продукта, «Машины и оборудование для легкой промышленности», ЦЕЖИТЭИЛегпищемаш, 1974 г.

41. Мовшович П.М., Бабушкина Н.Б. и др. Определение эффективности устройства для получения переменной крутки с использованием аэродинамических вьюрков, «Машины и оборудование для легкой и текстильной промышленности», ЦНИИТЭИЛегпром, 1975 г.

42. Завьялова Е.М., Мовшович П.М. Исследование процесса кручения пряжи в аэродинамическом крутильном устройстве, НИИ труды ВНИИЛТекмаша, № 26, 1977 г., с. 53-58

43. Мовшович П.М., Хавкин В.П., Ильин А.И. Устройства для самокруточного формирования пряжи. М., ЦНИИТЭИлегпищемаш, 1971, с. 38.

44. Куличков Ю.С., Мовшович П.М., Хавкин В.П. Влияние изменения натяжения при пуске и останове прядильно-крутильной машины на свойства пряжи, Научно-исслед. труды ВНИИЛтекмаша, сб.№26, М., 1977,с. 46-52.

45. L.R.G. Treloar. The geometry of multy-ply yarns. Journ. of the Text. Inst., 1956, Vol.47, №6, 348-368

46. J.W.S. Hearle. The Mechanics twisted yarn: the influence of transverce forces of tensile behavior. Journ. of the Text. Inst, 1958, Vol.49, №8, 389

47. L.R.G. Treloar, G. Riding. A theoiy of the stress-strain properties of contini-ous-filament yarns. Journ. of the Text. Inst., 1963, Vol.54, №4, 156

48. L.R.G. Treloar. The stress-strain properties of multy-ply cards. Part I. Theoiy. Journ of the Text. Inst., 1965, Vol.56, 477

49. G. Riding. The stress-strain properties of multy-ply cards. Part II. Experimental. Journ of the Text. Inst., 1965, Vol.56, 489

50. J.W.S. Hearle. On theory of the mechanics of twisted yarns. Journ of the Text. Inst., 1969, Vol.60, №3, 95

51. A. Tayebi, S. Backer. The mechanics of self-plying structures. Part II. Multifilament strands. Journ of the Text. Inst., 1973, Vol.64, №12, 711.

52. A. Tayebi, S. Backer. The mechanics of self-plying structures. Part I. Monofilament strands. Joum of the Text. Inst., 1973, Vol.64, №12, 704.

53. Севостьянов А.Г. Методы и средства исследования технологических процессов. М: Легкая индустрия, 1980. 392 с.

54. Мовшович П.М., Разумеев В.К., Филипьев А.Ф., Разумеев К.Э. Динамика кручения одиночной нити в двухзонном аэродинамическом крутильном устройстве: Сборник научных трудов ОАО НПК «ЦДИИШерсть». М.: Издательство «0ргсервис-2000», 2008 г., с. 71-77.

55. Мовшович П.М., Филипьев А.Ф., Разумеев В.К. Исследование технологического зазора в пневматическом переключателе: Сборник научных трудов ОАО НПК «ЦНИИШерсть». М.: Издательство «0ргсервис-2000», 2008 г., с. 78-82.

56. Мовшович П.М., Разумеев В.К., Разумеев К.Э., Филипьев А.Ф. Исследование технологического зазора в пневматическом переключателе. / Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2008, №3(308), с. 42-44.

57. Мовшович П.М., Разумеев В.К., Разумеев К.Э., Филипьев А.Ф. Влияние длины шлангов на динамику переключения воздуха в вихревой камере в машине ПСК-225ШГ. / Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности. -2008, №4(309), с. 31-35.