автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Оптимизация процесса транспортировки тканей валковыми модулями и разработка условий снижения энергозатрат на их привод

РГВ од

1 4 дп? <

На правах рукописи

Лодойн Удвал

- ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВГШ ТКАНЕЙ ВАЛКОВЫМИ МОДУЛЯМИ И РАЗРАБОТКА УСЛОВИЙ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ИХ ПРИВОД

Специальность 05.02.1^3,— Машины и агрегаты (легкая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иванопо-1998

Работа выполнена в Ивановской государственной текстильной академии.

Научный руководитель-

кандидат технических наук, доцент Фомии Ю.Г.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кузнецов Г.К. кандидат технических наук, доцент Апдрняпов В.М.

Ведущая организация;

Ивановский научно-исследовательский экспериментально-конструкторский машиностроительный институт (НИЭКМИ)

Защита состоится . » . Осс-с^&Лу^......... 1998 г.

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской государственной текстильной академии.

Автореферат разослан «. /¿Р. » . — 1998 г.

Ученый секретарь

КУЛИ ДАН. А.

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена вопросам исследования и оптимизации процесса транспортировки шерстяных тканей валковыми машинами и разработке условий снижения энергозатрат на их привод.

В работе рассмотрены основы теории механики валковых модулей при установившемся движении текстильного материала, исследовано влияние факторов на изменение линейных размеров тканей по основе при транспортировке, получена многофакторная регрессионная модель процесса усадки ткани и выявлены оптимальные параметры работы сушильно-ширильной машины «Текстима».

Определены математические модели огибающих швов и предложена их рациональная конструкция, разработаны условия снижения динамических нагрузок от швов на валковые модули и энергозатрат на привод машин в регультате оценки влияния технологических и конструктивных параметров валкового оборудования.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Результаты исследования влияния технологических параметров сушильно-ширильной машины «Текстима 6597» на величину усадки шерстяных тканей.

2. Многофакторную регрессионную модель процесса усадки ткани на сушильно-ширильной машине и оптимальные параметры ее работы.

3. Математические модели огибающих швов для соединения полотен шерстяных тканей и рекомендации по выбору типа шва

4. Комплекс оптимальных условий для снижения динамических нагрузок на валковые модули при прохождении швов.

- 45. Рекомендации по снижению энергозатрат на привод валковых машин и уточненную методику расчета потребной мощности.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Перспективным направлением в развитии отделочных производств текстильных предприятий является изыскание резервов в направлении повышения работоспособности оборудования и сокращения затрат энергоресурсов на реализацию технологических процессов при одновременном улучшении качества отделки тканей.

Опыт эксплуатации валкового оборудования показал, что процесс транспортировки шерстяных тканей сопровождается динамическими нагрузками от швов, отрицательно влияющими на надежность рабочих органов машин, и значительными расходами энергоресурсов на привод. Качество обработки тканей в определенной степени определяется процессами их вытяжки и усадки при транспортировке. Стабильность линейных размеров тканей после заключительной отделки должна соответствовать нормам, установленным ГОСТ. ,

Выбор темы исследований обусловлен необходимостью проведения оптимизации процесса транспортировки шерстяных тканей с точки зрения получения заданной степени усадки, снижения динамических нагрузок на валковые модули машин и энергозатрат на их привод.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью данной работы является оптимизация нестационарных процессов усадки и прохождения швов при транспортировке шерстяных тканей в валковых модулях, разработка мероприятий по снижению динамических нагрузок на рабочие органы машин и энергозатрат на их привод. При выполнении работы решены следующие задачи:

исследована зависимость величины вытяжки и усадки ткани от технологических параметров работы валковых машин;

получена многофакторная регрессионная модель, показывающая степень влияния факторов на процесс усадки ткани;

найдены оптимальные значения технологических, параметров работы сушильно-ширильной машины, обеспечивающие максимальную усадку ткани;

определены математические модели огибающих швов тканей и предложен тип обметочного шва для соединения их полотен;

разработаны оптимальные условия для снижения динамических нагрузок на валковые модули при транспортировке швов;

исследовано влияние факторов на потребную модулем мощность и разработаны мероприятия по снижению энергозатрат;

предложена уточненная методика для расчета затрат мощности на привод валковых модулей, учитывающая их конструктивные и технологические особенности.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для проведения теоретических исследований применялись методы математического моделирования, теории оптимизации, интегральных и дифференциальных исчислений.

При выполнении экспериментальных исследований использовались методы тензометрии, методика математического планирования экспериментов и обработки результатов измерений. Экспериментальные исследования проведены на отделочном оборудовании для обработки шерстяных тканей (АО «Камвольный комбинат» и АО «Нэхмэл») с использованием прибора ППУ-1 для контроля усадки и вытяжки тканей; машине «Текстима 6597» (АО «Нэхмэл») по оценке влияния факторов на процесс усадки материала; лабораторном каландре КЛ-2/20; плюсовке ПЛ-2/40 и установке для определения натяжения и коэффициентов трения тканей; установках для измерения коор-

- б -

динат огибающих швов и деформаций эластичных покрытий валов; разрывной машине РТ-250 для определения прочности шва и ткани; гидростате ТУР БН-2; валковых машинах (отжиме ОТ-140-11 и плюсовке ПД-140-21, АО «Нэхмэл») для замера затрат мощности ваттметром Н348.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы:

получена многофакгорная регрессионная модель процесса усадки шерстяных тканей;

на основании математической модели выявлены оптимальные параметры работы сушильно-ширильной машины «Текстима 6597»;

определены математические модели огибающих швов тканей; предложен тип обметочного шва для соединения полотен тканей; выявлены оптимальные условия для снижения динамических нагрузок от швов на валковые модули;

разработаны мероприятия по снижению энергозатрат на привод валковых машин;

предложена формула для расчета потребной мощности на привод модулей, учитывающая влияние конструктивных и технологических факторов.

ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ ДЛЯ ТЕОРИИ. Определены математические модели процессов усадки тканей и прохождения швов при транспортировке материала валковыми модулями, уточнена методика расчета мощности на их привод.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В результате математического моделирования процесса усадки шерстяных тканей получены оптимальные условия его проведения на сушильно-ширильных машинах, позволяющие спрогнозировать изменение линейных размеров материала после обработки, оценить степень влияния параметров работы оборудования и создать условия для принятия решений при его проектировании.

Предложен тип обметочного шва для соединения полотен шерстяных тканей (однониточный с нитью №80ЛХ), соответствующий требованиям их транспортировки. Разработаны рекомендации по снижению:

динамических нагрузок при прохождении швов в модулях, обеспечивающие повышение работоспособности и надежности сборочных единиц машин;

энергозатрат на привод валковых машин (на 15...20%), позволяющие обоснованно рассчитать и выбрать мощность двигателя привода.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. По теме диссертации в 1996...97 гг. выполнена госбюджетная работа на НИЭ корпорации легкой промышленности «Армоно». Результаты работы в виде технических решений и рекомендаций внедрены и используются на АО «Нэхмэл» (г. Улан-Батор) по производству шерстяных тканей.

Результаты работы переданы в научно-исследовательский экспериментально-конструкторский машиностроительный институт (НИЭКМИ) г. Иваново и реализуются при проектировании валкового и сушильно-ширильного оборудования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты научно-исследовательской работы были доложены и получили положительную оценку на:

научно-технических конференциях по проблемам легкой промышленности, г. Улан-Батор, 1995, 1996, 1997 г;

международной научно-технической конференции «Проблемы развития малоотходных экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности», Иваново, 1995 г;

международной научно-технической конференции «Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве», Иваново, 1996 г;

международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий», Кострома, 1996 г;

международной научно-технической конференции «Современные проблемы научно-производственно-образовательного комплекса текстильной и легкой промышленности», Иваново, 1997 г;

расширенном заседании кафедры легкой промышленности Мон. ТУ, Улан-Батор, 1997 г.

техническом совете предприятия АО «Нэхмэл», Улан-Батор,1997г;

техническом совете НИЭ корпорации легкой промышленности «Армоно», Улан-Батор, 1997г;

расширенном заседании кафедры ПТОО и ДМ ИГТА, Иваново, 1998 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав с выводами, списка использованной литературы из 116 наименований, приложения. Научная работа выполнена на 187 страницах, включает 87 рисунков и 29 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая ценность диссертации.

Первая глава посвящена обзору источников информации по исследованию процессов транспортировки тканей валковыми модулями, которые

имеют широкое применение в текстильной и других отраслях промышленности. Результаты обзора показали, что некоторые из проблем изучены еще недостаточно. Исследования характера изменения линейных размеров тканей по основе при транспортировке и автоматического пропуска швов через жало валов проводились только применительно к хлопчатобумажным тканям.

Остались неизученными ряд вопросов: выбора модели нагруженной зоны эластичного покрытия вала; экспериментальной проверки закона распределения нормальных напряжений в зоне контакта валов модуля; оптимизации процесса усадки шерстяных тканей и получения ее математической модели; выбора типа шва для соединения полотен тканей; разработки условий снижения динамических нагрузок на рабочие органы валковых машин и энергозатрат на их привод.

Рассмотрение этих вопросов в отношении валковых машин для обработки шерстяных тканей представляется весьма целесообразным.

Во второй главе рассмотрены основы механики валковых модулей при установившемся движении материала Определены параметры нагруженной зоны эластичного покрытия вала: относительная деформация и модель ее формообразующей поверхности. Экспериментально выявлен параболический характер распределения относительной деформации покрытия вала и нормальных напряжений по длине дуги контакта валов. Проведен анализ силового взаимодействия материала с валами модулей, один из которых является приводным. Установлены условия захвата материала валковыми парами и факторы, влияющие на их тяговую способность. Определены коэффициенты трения покоя тканей («Тамир», арт. 221 и «Шевиот», арт. 223) по металлической и обрезиненной поверхности и зависимость их от параметров материала.

В результате исследований получены исходные данные для изучения нестационарных режимов работы валковых модулей: усадки шерстяных тка-

ней при транспортировке и прохождении швов через жало валов.

Третья глава диссертации посвящена исследованию зависимости процессов вытяжки и усадки шерстяных тканей при транспортировке от технологических и конструктивных параметров работы оборудования. Рассмотрена методика определения натяжения материала по блокам машины с учетом углов обхвата тканью рабочих органов и коэффициентов ее трения. Экспериментально определены коэффициенты трения скольжения для различных видов материалов, выявлена их зависимость от нагрузки, процентного содержания шерсти, влажности и переплетения тканей.

Получение необходимой информации об изменении размеров ткани по длине является важной проблемой при эксплуатации машин и поточных линий отделочного производства Оперативный контроль этого параметра необходим для нормальной работы машин и качественной обработки тканей. Шерстяные ткани в большей степени подвержены процессу усадки благодаря свойствам шерстяного волокна и более низких по сравнению с хлопчатобумажными тканями коэффициентов трения по металлу и резине. Для выявления характера деформации (усадки и вытяжки) и измерения ее величины применялся портативный прибор ППУ-1 с двумя датчиками, конструкция которого разработана в ИГТА. Контроль линейных размеров тканей проводился в соответствии с выражением:

е = {М2-Ы1) -100/^, (1)

где е - усадка (вытяжка.) ткани, %;

N1 и Ыг- число импульсов, поступающих от датчиков (рис. 1).

Приведены результаты контроля линейных размеров тканей на машинах для мокрой и заключительной обработки в АО «Камвольный комбинат» и АО «Нэхмэл», которые показали, что шерстяные ткани при транспортировке в валковых машинах получают усадку в пределах 2.,. 4%, а на сушильно-

Схема измерения линейных размеров тканей ППУ-1

Рис. 1

Динамическая модель валкового модуля

/2

Рис. 2

ширильной машине «Текстима» - 15... 18%. Исследовано влияние на величину усадки шерстяных тканей следующих параметров сушильно-ширильной машины: скорости движения ткани, ее опережения по отношению к скорости цепного поля, температуры в термо и охладительных камерах и влажности ткани.

Получена многофакторная регрессионная модель процесса усадки (2) на сушильно-ширильной машине «Текстима 6597» на основании методики планирования экспериментов.

ср = 4.4 - 0.23Xi+ 0.33Х2+ 0.218X3 + O.O6IX4- ОЛЗ6Х5+ 0.014Х!Х2 + + 0.021Х[Хз- О.О2Х1Х4 - O.OI8X1X5 - 0.016X2X3 + 0.016 Х2Х4 + 0.013Х2Х5 + + O.OI9X3X4 +0.021X3X5 -0.021ХфХ5 . (2)

Выявлены оптимальные значения технологических параметров работы сушильно-ширильной машины: скорость движения ткани (Xi = 25 м/мин), опережение скорости цепного поля (Х2 = 16%), температура второй зоны сушильной камеры (Хз = 180°С), температура охладительной камеры (Х4 = 35°С), влажность ткани (Х5=50%).

В четвертой главе исследовано влияние динамических факторов на работу валковых модулей. Транспортировка полотен ткани сопровождается чередованием стационарных и нестационарных режимов их работы. Последние возникают в процессе прохождения швов через жало валов модуля периодически с интервалом в 10... 60 секунд в зависимости от рабочей скорости движения материала. Выявлена оптимальная конструкция швов для соединения полотен шерстяных тканей с точки зрения прочности и минимального динамического воздействия на валы (обметочный однониточный с нитью №80JIX). На специальной установке определены формы огибающих различных видов швов тканей до деформации и под нагрузкой 150, 300 Н/см. Для

полного анализа характера огибающих найдены их математические модели в виде эмпирических формул показательной (лицевая сторона шва) и степенной (изнаночная -сторона):

^а^-ех^-б,*,)]. (3)

Уг~аг'х2 , (4)

где XI, х2, у| и у2 - координаты точек огибающих швов;

Ьь а2 и Ь2 - коэффициенты, определяемые с помощью экспериментальных точек огибающих швов по способу натянутой нити.

Для определения величины динамических нагрузок от швов использовали их математические модели и динамическая модель валкового модуля, представленная в виде пары валов (металлического I и эластичного 2) с обрабатываемой тканью. 3 (рис. 2). В момент прохождения шва равновесие сил, действующих на валы, нарушается за счет возмущающей силы определяемой формулой:

= Щ УЦъАипы 1 {05Ь,а) 2 ■, (5)

где Ш; - масса 1-го вала, соударяющегося со швом; у; - координата высоты огибающей шва, У1|С - скорость движения ткани;

Ьш- максимальная высота и ширина шва соответственно.

Таким образом, динамическая нагрузка от швов на рабочие органы машины зависит от массы соударяющего вала, скорости движения ткани и параметров шва.

Проведено исследование динамических моделей трехвальных модулей. Получены и решены дифференциальные уравнения движения валов при установившемся движении и в процессе прохождения швов. Определены ди-

намические нагрузки, действующие на валы модулей, и выявлены условия их снижения: применение валов с двумя степенями свободы перемещения, упругое крепление их опор, предварительная деформация швов. Дана оценка влияния прохождения швов через модуль на натяжение ткани. Определена длительность переходных процессов распрессовки и прижима валов для выявления длины необработанных участков ткани при транспортировке швов.

Пятая глава посвящена исследованиям по энергозатратам на привод модулей. Привод валковых машин обеспечивает транспортировку тканей с заданной рабочей скоростью и создает энергетические ресурсы с целью компенсации полезных и вредных сопротивлений в валковых модулях и кинематических цепях. Проведена оценка методов расчета потребной мощности на привод валковых машин и установлена степень влияния конструктивных и технологических факторов на ее величину. Разработаны рекомендации по снижению энергозатрат на привод модулей:

обоснованный выбор нагрузки и скорости материала при обработке;

применение малопрогибных конструкций валов диаметром 250...350 мм;

использование эластичных покрытий с твердостью 90... 95 ед. по Шору и толщиной 20...40 мм.

Уточнена методика для расчета мощности по методу удельных показателей в соответствии с выражением:

-Ур -1] -АМ-км ■к,-кнв •к5-кн-к0!г], (б)

где г - число пар валов модуля;

Ь1 - рабочая длина вала;

Ур - рабочая скорость машины;

Р1 - нагрузка в жале валов;

ДN - удельный показатель мощности;

к„ - коэффициент, отражающий наличие в зоне контакта валов материала;

кь к[ш, к«, кн, ко - коэффициенты, учитывающие влияние температуры в зоне контакта, твердости покрытия вала, толщины его эластичного слоя, неравномерности распределения нагрузки по длине жала и диаметра валов соответственно;

г] - КПД привода

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Относительная деформация покрытия валов модуля по длине дуги их контакта изменяется по параболическому закону.

2. Коэффициенты трения шерстяных тканей по металлическим и обрезиненным поверхностям валов определяют их натяжение при транспортировке и увеличиваются с повышением содержания шерсти, влажности и сложности переплетения материала

3. Транспортировка шерстяных тканей через валковые модули машин для мокрой обработки сопровождается усадкой материала в пределах 2... 4%.

4. Получена многофакторная регрессионная модель процесса усадки ткани, показывающая степень увеличения параметра оптимизации с повышением разности скоростей ввода материала в машину и цепного поля, температуры во второй зоне термической и охладительной камерах.

5. Установлены оптимальные параметры работы сушильно-ширильной машины «Текстима», обеспечивающие максимальную усадку ткани.

-166. Выявлена рациональная конструкция швов для соединения полотен шерстяных тканей - о дно ниточные обметанные (нить №80 ЛХ).

7. Определены математические модели огибающих лицевой и юна-ночной сторон швов в виде уравнений показательной и степенной функций, на основании которых получены формулы для расчета усилий от швов ткани на валы.

8. Динамическая нагрузка от шва на вал пропорциональна его массе, квадрату скорости движения ткани и зависит от параметров швов.

9. Для снижения динамических нагрузок при прохождении швов в трехвалковых модулях рекомендуется применение систем валов модулей с двумя степенями свободы перемещения, снижение массы валов, предварительная деформация швов.

10. Транспортировка швов через жало контактирующих валов сопровождается изменением натяжения тканей.

11. Определена длительность процессов распрессовки и прижима валов в модулях при прохождении швов для расчета длины необработанных участков тканей.

12. Затраты мощности на привод возрастают с повышением интенсивности нагрузки в жале модуля, скорости машины, толщины покрытий и диаметров валов, неравномерности нагрузки по их длине.

13. Для уменьшения потерь мощности рекомендуется использовать в модулях конструкции малопрогибных валов диаметром 250... 350 мм с опорой посередине и твердыми покрытиями (типа полиуретана) толщиной 20... 40 мм.

14. Предложена формула для расчета мощности на привод валковых модулей по методу удельных показателей, учитывающая влияние конструктивных и технологических факторов.

15. Внедрение рекомендаций по данной работе в АО «Нэхмэл» по

производству шерстяных тканей позволило на 20% сократить энергозатраты

на привод валковых машин,

Материалы диссертации отражены в следующих публикациях

1. Удвал Л., Фомин Ю.Г. Изменение линейных размеров тканей при транспортировке в поточных линиях. / Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экономически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности. Тезисы докладов международной научно-технической конференции Прогресс-95. Иваново, 1995. -с. 121 (Равное участие авторов).

2. Удвал Л., Фомин Ю.Г. Основные направления снижения энергозатрат на привод валковых модулей. / Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве Прогресс-96: Тезисы докладов международной научно-технической конференции. -Иваново. 1996. -с. 193. (Равное участие авторов).

3. Удвал Л., Фомин Ю.Г. Условия снижения энергозатрат на привод валковых модулей. / Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий (Лен - 96): Тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Кострома, 1996. С. 149. (Равное участие авторов).

4. Удвал Л., Фомин Ю.Г. Конструкции валов, применяемых в текстильной промышленности. / Сборник научных трудов. - Улан-Батор, 1996, №1/23, с.83. (Равноеучастие авторов).

5. Удвал Л., Фомин Ю.Г. Анализ переходных процессов в двух и трехвалко-вых модулях. / Сборник научных трудов, - Улан-Батор, 1996. №1/23, с.98. (Равное участие авторов).

6. Удвал Л., Фомин Ю.Г. Определение энергозатрат на привод модуля. /

Сборник научных трудов. - Улан-Батор, 1996, №1/23, с.86. (Равное участие авторов).

7. Удвал Л. Условие затягивания материала валами. / Сборник научных трудов. -Улан-Батор, 1997,№3, с.55.

8. Удвал Л., Авдай Ч. Параметры, влияющие на прохождение ткани через валковые модули. I Сборник научных трудов. - Улан-Батор, 1997. №3, с. 14. (Равное участие авторов).

9. Удвал Л., Фомин Ю.Г. Определение условий снижения динамических нагрузок на валковых машинах,/ Современные проблемы научно-производственно-образовательного комплекса текстильной и легкой промышленности (Прогресс-97): Тезисы докладов международной конференции, - Иваново, 1997, с.21, (Равное участие авторов).

10.Удвал Л., Фомин Ю.Г. Динамика плоского текстильного материала в технологическом процессе при транспортировании валковым механизмом. / Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве Прогресс-97: Тезисы докладов международной конференции. —Иваново, 1997. - с.5. (Равное участие авторов).

11.Удвал Л., Фомин Ю.Г, Оптимизация процесса усадки шерстяных тканей на сушильно-ширильной машине «Текстима-6597». 1 Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 1998. №2, с.113... 115. (Равное участие авторов).

12.Удвал Л. Определение динамических нагрузок от швов на валковые модули. / ИГТА. - Иваново, 1998, -6с. - Рукопись деп. В ЦНИИТЭИлегпром. № 3764 ЛП от 1998.

.писано к печати 04.03.98г. Формат издания 60x84 1/16. [.л.1,0.Усл.п.л.0,93. Заказ 245/р. Тираж 80 экз.

апринтный участок ИГТА,153000, г. Иваново, Ф.Энгельса, 21 ,