автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Оптимизация параметров процесса усадки тканей и разработка конструкции усаживающего механизма

Р Г и О/!

На правах рукописи

Соколов Александр Станиславович

Оптимизация параметров процесса усадки тканей и разработка конструкции усаживающего механизма

Специальность 05.02.13 - Машины и агрегаты (легкая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата т-хнических наук

Иваново - 1997

Работа выполнена на кафедре ПТОО и ДМ Ивановской государственной текстильной академии

Научный руководитель -

кандидат технических наук, доцент Ю.Г.Фомин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г.К.Кузнецов кандидат технических наук, доцент А.А.Тувин

Ведущая организация:

Научно-исследовательский экспериментально-конструкторский машиностроительный институт '(НИЭКМИ) г.Иваново

Защита состоится " МйЯ 1997 г.

в // часов на заседании диссертационного совета К 063.33.01 в Ивановской государственной текстильной академии по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Фр.Энгельса,21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Автореферат разослан

«25« М&РУСХ 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н. А.Кулида

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В современных условиях развития рыночной экономики все большее внимание уделяется качеству выпускаемых тканей, а также изготавливаемых из них швейных изделий.

Принудительная усадка тканей на усадочных линиях является одной из основных операций их заключительной отделки и направлена на снижение бытовой усадки при стирке и в процессе эксплуатации до значений, регламентированных ГОСТом. В состав усадочных линий вхЬдят тканеусадочные машины, осуществляющие сжатие ткани в расправленном состоянии вдоль основных нитей с помощью бесконечного резинового ремня. Исследования, проводившиеся ранее, в основном имели цель - раскрыть сущность механизма усадки ткани с точки зрения процессов, происходящих в зоне контакта резинового ремня с усаживающим валом. Поэтому основным направлением при проектировании и эксплуатации машин являлось использование деформационных свойств резинового ремня. При наличии высокой нагрузки ремень быстро изнашивается, что негативно отражается на качестве тканей.

Опыт эксплуатации тканеусадочных машин показал, что они не удовлетворяют запросам промышленности, в основном, из-за низкой долговечности резиновых ремней. Технологические параметры работы тканеусадочной машины с точки зрения их комплексного влияния на процесс усадки ткани не рассматривались. Не проводились работы по систематизации факторов и оценке их влияния на усадку тканей.

В связи с этим не осуществлялось целенаправленного проектирования тканеусадочных машин, учитывающего степень влияния

как отдельных факторов, так и их совместного действия на величину усадки материала. Это не способствовало выявлению полных потенциальных возможностей устройств для усадки ткани и приводило к неоправданным затратам знергоресурсов на привод машины.

Проведение оптимизации по оценке влияния факторов на процесс усадки и разработка устройства для ее реализации является актуальной задачей, представляющей практический и научный интерес.

Цель и задачи исследования. Целью работы является оптимизация параметров процесса усадки тканей на тканеусадочных машинах с резиновым ремнем, разработка нового способа усадки текстильных полотен и устройства для его осуществления. В соответствии с поставленной целью предусмотрено решение следующих задач:

1. Проведение анализа известных способов и устройств для усадки текстильных материалов и выявление основных их недостатков.

2. Рассмотрение основ теории процесса усадки текстильных материалов.

3. Исследование зависимости величины усадки ткани от технологических параметров работы тканеусадочной машины с резиновым ремнем.

4. Получение многофакторной регрессионной модели, показывающей степень влияния каждого технологического параметра и их сочетаний на процесс усадки ткани.

5. На основании математической модели определение оптимальных значений технологических параметров работы тканеусадочной машины.

6. Разработка нового способа усадки текстильных материалов и устройства для его осуществления.

7. Определение затрат мощности на деформацию резинового ремня и его долговечности.

Методика исследований. Работа содержит экспериментальные и теоретические исследования. Экспериментальные исследования проведены на лабораторном каландре КЛ-2/40; плюсовке ПЛ-2/40; устройстве для определения коэффициентов трения материалов; аппрету рно- отделочных линиях "Злитекс" и ЛА0-120-Б-2 АО комбината им. Ф.Н.Самойлова; усадочных линиях ЛУ-120 и ЛУ-180 предприятий АО "БИМ", "Кохматекстиль" с использованием прибора для контроля усадки и вытяжки ткани ППУ-2 и специального испытательного стенда. При выполнении использовались методы тензометрии, а также методика математического планирования экспериментов и обработки результатов измерений. В процессе проведения теоретических исследований применялись методы математического моделирования, теории оптимизации и проектирования текстильных машин.

Научная новизна. Установлен параболический закон распределения нормальных напряжений по дуге покоя в зоне контакта валов с резиновым ремнем тканеусадочной машины. Экспериментально исследовано влияние технологических параметров тканеусадочной машины на величину усадки текстильного материала.

Получена многофакторная регрессионная модель процесса усадки тканей на тканеусадочных машинах, на основании которой определены оптимальные параметры ее работы.

Предложен новый способ усадки тканей и устройство для его реализации.

Практическая ценность. Использование полученной математической модели позволяет: обеспечить оптимальные условия проведения процесса усадки, спрогнозировать изменение линейных размеров ткани после обработки, оценить степень влияния параметров работы оборудования для разработки схемы их контроля и стабилизации, принимать рациональные решения при проектировании конструкций тканеусадочного оборудования. Применение разработанного способа и устройства для усадки текстильного материала обеспечивает получение высокой и более равномерной технологической усадки, поддерживаемой на постоянном заданном уровне по его длине и ширине; повышение срока службы резинового ремня на 277 часов в год и КБВ работы оборудования, а также позволяет автоматизировать процесс регулировки и контроля величины усадки материала в системе АСУ ТП.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанного способа и устройства для его осуществления (заявка на изобретение 94031671/12 от 30.08.94 г. с решением о выдаче патента Российской Федерации от 16.01.96 г.) в ценах 1996 г. составил 6356000 руб. в год на одну машину.

Реализация работы. Результаты работы в виде технических решений и рекомендаций используются на Ивановском АО "БИМ". Разработки темы переданы в научно-исследовательский экспериментально-конструкторский машиностроительный институт (НИЭКМИ) г.Иваново и реализуются при проектировании оборудования для механической усадки текстильных материалов.

Апробация работы. Основные вопросы, нашедшие отражение в работе, доложены и обсуждены на:

- международной научно-технической конференции "Современ-

ные тенденции развития технологии и техники текстильного производства". Иваново, 1993г.;

- международной научно-технической конференции "Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности. Прогресс-94. Иваново, 1994 г.;

- семинаре Акад&мии наук по теории машин и механизмов. Кострома, 1994 г.;

I

- международной научно-технической конференции "Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности. Прогресс-95. Иваново, 1995 г. ;

- международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий. Лен-9б. Кострома, 1996 г.;

- международной конференции "Современные проблемы науч-но-производственно-оСразовател'ьного комплекса текстильной и легкой промышленности. Прогресс-96. Иваново, 1996 г.;

- заседаниях кафедры ПТОО и ДМ Ивановской государственной текстильной академии в 1996 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ и получено положительное решение о выдаче патента Российской Федерации от 16.01.96 г. по заявке на изобретение 94031671/12 от 30.08.94 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Она включает 152 страницы машинописного текста, 32 приложения, 64 рисунка, 24 таблицы и 71 наименование списка литературы. ь

Содержание работы

Введение включает обоснование актуальности работы, цель, задачи и методы исследований, описание научной новизны, практическое применение результатов рабсты и ее эффективность.

В первой главе приведен обзср патентной и технической литературы, служащий основанием для выбора цели и задач работы. Значительный вклад в исследования процесса усадки текстильных материалов внесли ученые: Лякишев Б.М., ЩеголевА.И., Архангельский H.A., Валько Э.А., Плаксин С.Я., Пакшвер A.B., Фролов С.С., Клюзтт, Коллинс, Крайкер, Харвуд и др. Установлено, что существующие традиционные способы механической усадки отличаются неравномерностью по ширине полотна и отсутствием возможности точной регулировки степени технологической усадки тканей. Усаживающие устройства имеют невысокий коэффициент полезногс времени работы в основном из-за низкой ходимости резинового ремня.

Обзор работ в области усадки>текстильных материалов показал, что в них рассмотрена только сущность механизма усадки с точки зрения процессов, происходящих в зоне контакта ткани с ремнем и усаживающим валом. Технологические параметры работы тканеусадочной машины и их влияние на процессе усадки ткани рассматривались обособленно друг эт друга.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований г области усадки текстильных материалов свидетельствует о необходимости проведения оптимизации процесса с целью выявления полных потенциальных возможностей тканеусадочных машин и целесообразности разработки новой конструкции устройств для механичес-

кой усадки тканей.

Во второй главе рассмотрены основы теории процесса усадки текстильных материалов. Выявлены причины бытовой усадки тканей и способы ее снижения.

Высокая потенциальная усадка готовых тканей в основном является следствием неизбежной кх вытяжки в процессе механической обработки, которая нарушает равновесие в структуре ткани, а также вызывает деформирование пряжи и волокон. Величина высокоэластичной деформации волокон определяет степень их потенциальной усадки б ткани.

Значительную бытовую усадку текстильных материалов можно объяснить набуханием волокон при увлажнении, увеличением их диаметра и изгибом. При этом линейные размеры ткани изменяются.

Известны следующие способы снижения потенциальной усадки готовых тканей: химическая стабилизация; естественная усадка ткани в результате ее увлажнения и сушка без натяжения, усиленная одновременным ширением; м'.-ханическаи усадка.

Первые два способа отделки ткани не позеоляют осуществлять выпуск готобых тканей с гарантированной потенциальной усадкой не выше 0.5...1.5Х. Отделка ткани, создающая возможность получить заданную величину потенциальной усадки, может быть осу-дествлена только в результате принудительного сжатия полотна в расправленном состоянии вдоль основных нитей на специальных тканеусадочных устройствах.

Усадка ткани 3 происходит в зоне ее контакта с прижимным 1 и усаживающим 4 валами (рис.1, на резиновом ремне 2. Ткань входит на растянутых и выходит на сжатых волокнах ремня. В зоне ;-сонтакта с лицевой и изнаночной сторон на ткань действуют нор-

мальные удельные давления д. На дуге покоя с углом осп движение ткани, ремня и усаживающего вала происходит с одинаковыми скоростями без проскальзывания, а нагрузка Р на материал максимальна. На дуге скольжения «с, где скорость движения поверхности усаживающего вала выше скорости движения ткани, возникают фрикционные силы, обеспечивающие процесс ее усадки.

Удельные силы трения, действующие на ткань со стороны ремня и вала:

Рр = д-Гр ; Рв » .

где Гр и Гв - коэффициенты трения ткани по поверхности соответственно ремня и вала.

Для усадки необходимо преобладание тормозящего воздействия на ткань (Гр > Гв). Удельная усаживающая сила трения, действующая в любой точке зоны контакта с углом о£с, направлена против движения ткани:

Р = д ^р - Гв) •

Третья глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям зависимости величины усадки ткани от технологических и конструктивных параметров работы тканеусадочной машины. Получена упругая характеристика основного рабсчего органа - резинового ремня, представленная степенной зависимостью (рис.2):

= Ь-Рп

Рабочая зона тканеусадочного устройства

2 3 4

Рис. I

График упругой характеристики образца ремня

Ь (мм) —————-————г~

\ч м ю 8 б к г

10 30 50 70 90 110 130 Р-Юг(Н)

Рис. 2

- поперечная деформация ремня в рабочей зоне тканеуса-дочного устройства, мм;

- нагрузка в хале усаживающего и прижимного валов, Н; и п - коэффициенты, определенные по методу наименьших

квадратов (Ь = 0.35, п = 0.38) и проверенные по графи ку упругой характеристики образца ремня, построенной ; логарифмических координатах.

1

В результате проведенных исследований определена степен влияния на процесс усадки следующих параметров: Утк - скорост движения ткани; Нр - поперечной деформации ремнл в рабочей зс не; (Гр - Гм) - разности коэффициентов трения ткани по резине вому ремню и усаживающему валу; « - угла охвата ремнем усаживг ющего вала и ~ влажности ткани. Температура усаживающег вала в процессе экспериментов поддерживалась постоянной (140*й

Выявлено, что с увеличением скорости проводки тканей (ар: 3980 и 4С-50) с поверхностной плотностью 260 г/м'2 и 270 г/м2 ; 40...50 м/мин (рис.3) происходит снижение их усадки до 5...6: что не соответствует значениям, установленным ГОСТом (7...8Х В связи с этим усадку тканей целесообразно проводить при ск ростях 20...35 м/мин.

По результатам экспериментов определено, что требуем технологическая усадка достигается при величине поперечной п формации ремня 10...12 мм (рис.4). Дальнейший рост деформа: сопровождается снижением ходимости ремня и его разрушением.

Установлено, что возможности усадки ткани увеличиваю'! при повышении разности коэффициентов трения ткани по резинов< ремню и усаживающему валу до 0.5...0.7 (рис.5). С увеличен!

где п

Р Ь

- -

Зависимость величины усадки от скорости движения ткани

8 7 б 5

А. .

25 30 35 40 45 50 У„л(м/мин)

Рис. 3

Зависимость ^'са^ки матегнала от величины поперечной леЗормацки Ьемня п рабочей зоне тканеусагоодой машины

ш * 8 7

б 5

•

> / Г Ач

8

9 10

Рис. 4

11 12 НР (мм)

Вл:?ян:н раян кти "оэ'^ии 'знтоп ?р-'н'"* чл

резиновомуремкт ку?ажиза"оцему валуна велк-'кну усадки ткани

8 7

б 5 4

> А. .

0,2 0,Ъ 0,4 0,5 0,6 ^

Рис. 5

Зависимость усадки ткани от величины угла охвата ремнём усаживающего вала

Ю) 8,5

8

1,5 7

>

90 НО 130 150 170 <Х (град.)

Рис. 6

Зависимость усадки от вла"шости ткани

Ш) 9 8 7 6 5 Н

3 Н 5 б 7 8 9 10 /1 11 в /4 15 \л/тк (

Рис. 7

угла охвата ремнем усаживающего вала до 180° при той же скорости движения ткани происходит увеличение времени, в течение которого осуществляется сокращение ремня и усадка ткани сжатием. В этих условиях релаксация материала протекает полнее и достигается более высокая усадка (рис.6). Влажность ткани при экспериментальных исследованиях варьировалась в интервале от 3 до 17% (рис.7). Таким образом, с увеличением влажности материала до 6...7Х усадка резко возрастает, затем плавно увеличивается до 8.57. и при достижении влажности 12... 13% снижается.

Четвертая' глава посвящена обработке результатов исследований по оценке влияния факторов на величину процесса усадки тканей с использованием теории математического планирования эксперимента и поиску его оптимальных параметров.

Получена математическая модель, показывающая степень влияния параметров работы тканеусадочной машины на величину усадки ткани:

Ф = 7.42 - 0.86Xi + 1.05X2 + 0.93Х3 + О.ЗЗХ4 + 0.9Х5 + + 0.15XiXE + О.1ЗХ1Х3 " O.I2X1X4 " О.О82Х1Х5 - 0.17x2X3 + + О.О68Х2Х4 ->■ О.З1Х4Х5 ,

где Xi - скорость движения ткани, м/мин;

Х2 - поперечная деформация ремня в жале усаживающего и прижимного валов, м;

Хз - разность коэффициентов трения ткани по резиновому ремню и усаживающему валу;

Х4 - угол охвата ремнем усаживающего вала, град;

Х5 - влажность ткани, Z.

Проверка с помощью критериев Фишера, Кохрена и Стьюдента свидетельствует, что уравнение адекватно с доверительной вероятностью 0.95.

Установлено, что наибольшее влияние на величину усадки ткани оказывают поперечная деформация резинового ремня, разность коэффициентов трения и влажность ткани. С их увеличением растет величина параметра оптимизации.

На основании многофакторной математической модели процесса

I

усадки тканей получены оптимальные значения параметров работы' тканеусадочной машины: Утк = 29 м/мин; Нр = 11 мм; (Гр - Гм) = = 0.46...0.5; й = 146°; = 7.6Х. Оптимизацию процесса усадки тканей проводили методом крутого восхождения, одним из наиболее рациональных методов поиска экстремума.

В пятой главе приводится описание устройства для осуществления нового способа усадки текстильных материалов (заявка на изобретение 94031671/12 от 30.08.94 г.). Выполнен расчет затрат мощности на изгиб и поперечную деформацию ремня базового и предлагаемого устройств.

Потребная мощность привода из расчета потерь только на поперечную деформацию ремня:

N = - ,

где Уп _ объем материала ремня, м3;

и' - удельная энергия упруго деформированного элементарного объема ремня, кН/м2;

Утк - линейная скорость движения ткани (ремня), м/мин;

и - длина ремня, м; V _ элементарный объем, м3.

Потери мощности от изгиба ремня:

ДЫ =

2-(1 - Уп)'Ур 102

/ EJ Е5

^ сН2 + с122

+ ... +

где уп - коэффициент полезной упругости ремня при изгибе; Ур - скорость движения ремня, м/мин;

с!п - диаметр вала, м.

Уменьшение в предполагаемом устройстве нагрузки на ремень в рабочих зонах усадки до 60 кН/м обеспечивает снижение энергозатрат на упругую деформацию ремня с 1.28 до 0.93 кВт при сохранении необходимой степени технологической усадки тканей.

Проведен расчет долговечности резинового ремня при полной и частичной нагрузке в жале валов.

Срок слул.бы ремня:

EJ - жесткость ремня при изгибе, кН-м^;

,2.

где V - число пробегов ремня в секунду;

- количество валов;

С - предел выносливости материала ремня, Н/м2;

ш - показатель степени (5...6);

бтах- максимальное напряжение цикла, Н/м2.

,2.

Установлено, что снижение в предлагаемом устройстве нагрузки в рабочих зонах усадки до 60 кН/м обеспечивает повышение ходимости резинового ремня на 277 часов в год.

Общие выводы

1. Установлено, что существующие способы и соответствующие им устройства в основном не обеспечивают равномерную технологическую усадку и надежную ее фиксацию по длине и ширине полотна ткани.

2. Для реализации процесса механической усадки ткани необходимы следующие условия: пропуск ткани между двумя поверхностями с разными коэффициентами трения; сокращение поверхности, обладающей большим коэффициентом трения в направлении нитей основы; создание давления, обеспечивающего фрикционную связь материала с резиновым ремнем.

3. Увеличение влажности ткани, поперечной деформации резинового ремня в жале валов и угла Охвата ремнем усаживающего вала способствует повышению степени технологической усадки.

4. Требуемая ГОСТом технологическая усадка материала достигается при скорости его обработки до 30 м/мин, а при ее повышении усадка снижается.

5. Экспериментально получена упругая характеристика усаживающего ремня, имеющая вид степенной зависимости.

6. Установлено, что требуемая технологическая усадка достигается при значении разности коэффициентов трения ткани по резиновому ремню и металлическому валу в пределах 0.5...0.7.

7. Методом тензометрии определены значения коэффициентов трения тканей разных артикулов по металлическому валу и обрези-ненным роликам.

8. Получена многофакторная регрессионная модель процесса усадки ткани на тканеусадочной машине, на основании которой определены оптимальные значения технологических параметров ее работы.

9. Рекомендованы основные требования, которым должны удовлетворять разрабатываемые устройства для усадки тканей; обеспечение регулируемого угла охвата ремнем усаживающего вала, снижение нагрузки на ремень; регулировка прижима по кромкам ткани; разделение процесса усадки на два цикла за счет использования двух пар усаживающих и прижимных валов, автоматический контроль и регулировка степени усадки материала.

10. Предложен новый способ равномерной усадки ткани и устройство для его осуществления, новизна которых подтверждена положительным решением о выдаче патента по авторской заявке.

12. Реализация предлагаемого устройства обеспечивает повышение работоспособности резинового ремня на 227 часов в год и снижение энергозатрат на упругую деформацию ремня при сохранении требуемой технологической усадки тканей.

13. Результаты работы переданы для практического использования на Ивановское АО "БИМ" и используются в Ивановском НИЭКМИ при проектировании текстильного отделочного оборудования, предназначенного для усадки текстильных материалов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Соколов A.C., Фомин Ю.Г. Разработка конструкции основного усаживающего механизма тканеусадочной машины//Современные тенденции развития технологии и техники текстильного производства: Тез. докл. международной науч.-техн. конф.- Иваново, 1992. с.109.

2.Пат. 2004656 С1 Россия, МКИ D06C 21/00. Устройство для механической усадки ткани/А.С.Соколов и др. Опубл. !1993, Бюл. 45-46.•

3. Соколов A.C., Фомин Ю.Г. Анализ и оптимизация процесса усадки тканей//Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности. Прогресс- 94: Тез. докл. международной науч.-техн. конф,- Иваново, 1994.с.97.

4. Соколов A.C., Фомин Ю.Г. Оценка влияния технологических параметров работы тканеусадочных машин на величину усадки тка-ни/ИГТА.- Иваново, 1995.- 7с.- Рукопись деп. в ЦНИИТЭИлегпром. N 3592-лп от 20.04.95.

5. Соколов A.C., Фомин Ю.Г. Оптимизация процесса усадки тканей на тканеусадочных машинах//Изв. вузов. Технология текстильной промышленности.- 1995.- N6.- с.85-88.

6. Соколов A.C., Фомин Ю.Г. Разработка устройства для равномерной усадки ткани//Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности.Прогресс-95: Тез. докл. международной науч.-тех. конф.- Иваново, 1995. с.154.

7. Соколов A.C., Фомин Ю.Г. Экономичный способ усадки тка-ни//Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий. Лен-96: Тез. докл. международной науч.-техн. конф.- Кострома, 1996. с. 144.

8. Соколов A.C., Фомин Ю.Г. Разработка экономичного способа усадки ткани//Современные проблемы научно-производственно-образовательного комплекса текстильной и легкой промышленности. Прогресс-96: Тез. докл. международной конф. - Иваново, 1996. с.190.