автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Повышение долговечности гарнитуры чесальных машин на основе импульсной магнитной обработки и новых конструктивных решений



í

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

.На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГАРНИТУРЫ ЧЕСАЛЬНЫХ МАШН НА ОСНОВЕ ИМПУЛЬСНОЙ МАГНИШОЙ ОБРАБОТКИ И НОВЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ

Специальность 05.02.13 - Машины и агрегаты легкой

промышленности 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени доктора

технических наук

■■...... /1......

УДК 677.051.(088.0)

Иваново 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................ . 7

ГЛАВА ПЕРВАЯ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..................12

1.1 Анализ работы чесальной машины и роль

гарнитуры в процессе чесания . . .......... . 12

1.2 Типы чесальной гарнитуры, конструкций

шляпок и сегментов чесальной машины. .... ..... 15

1.3 Точность изготовления пильчатой гарнитуры

и рабочих органов чесальной машины . . ........ 21

1.4 Требования к механическим свойствам

пильчатой гарнитуры..................21

1.5 Анализ требований к эксплуатационным характеристикам пильчатой гарнитуры.......... 26

1.6 Существующие методы.повышения долговечности

пильчатой гарнитуры. . _______ _______ . . _________________29

1.7 Выбор метода упрочнения гашитуры чесальных

машин.........................31

1.8 Выбор способа крепления отдельных полосок

пильчатой ленты в чешущий блок........... . 41

1.9 Возможности импульсной магнитной обработки

и опытно-промышленных установок. ..... ......48

1.10Характер структурных изменений в металле

под влиянием магнитного поля.............58

ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ........... . 65

ГЛАВА ВТОРАЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЛОЩАДИ КОНТАКТА

ВОЛОКНИСТОЙ МАССЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ГАРНИТУРЫ...........71

2.1 Моделирование поверхностей волокнистой

массы и пильчатой гарнитуры............................71

2.2 Вывод формулы для расчета фактической площади контакта волокнистой массы с металлической поверхностью зубьев

пильчатой ленты........................................78

2.3 Определение фактической площади контакта волокнистой массы с поверхностью пильчатой

гарнитуры..............................................102

2.4 Решение контактной задачи взаимодействия

волокна и пильчатой гарнитуры..........................ИЗ

ВЫВОДЫ...............*.................................122

ГЛАВА ТРЕТЬЯ.РАЗРАБ01КА НОВЫХ ШОВ ПИЛЬЧАТОЙ ЛЕНТЫ И КОНСТРУКЦИЙ СЕГМЕНТОВ И ШЛЯПОК ЧЕСАЛЬНОЙ МАШИНЫ.....................................123

3.1 Исследование качества изготовления пильчатой гарнитуры и выявление "узких мест" в ее конструкции и в технологическом процессе изготовления...........................................123

3.2 Совершенствование профиля сечения пильчатой ленты для изготовления гарнитуры чешущих

сегментов..............................................136

3.3 Разработка конструкций сегмента и шляпки

чесальной машины.......................................140

3.4 Экспериментальные исследования по сварке

пильчатой гарнитуры....................................147

3.5 Исследование микроструктуры зоны термического

влияния сварного шва пильчатой гарнитуры .........151

ВЫВОДЫ..........................159

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ

УСТАНОВКИ ДЛЯ МАГНИТНО-ИМПУЛЬШОЙ ОБРАБОТКИ ЧЕСАЛЬНОЙ ГАРНИТУРЫ........161

4.1 Определение магнитных характеристик стали,

применяемой для изготовления чесальной гарнитуры »... .161

4.2 Разработка схемы возбудителя для магнитно-

импульсной обработки...................188

ВЫВОДЫ..........................198

ГЛАВА ПЯТАЯ. ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО УПРОЧНЕНИЮ

ГАРНИТУРЫ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ..........201

5.1 Влияние импульсной магнитной обработки на параметры качества поверхностного слоя

зубьев пильчатой гарнитуры.................201

5.1.1 Исследование механических свойств гарнитуры. . ".....201

5.1.2 Исследование изменений областей когерентного рассеяния под действием импульсной магнитной

обработки........................228

5.1.3 Определение величины микронапряжений на поверхности и вглубь упрочненного слоя

металла....................... . .247

5.1.4 Дислокационные аспекты формирования качества поверхностного слоя и их роль в повышении долговечности гарнитуры. .... ........ ... .253

5.1.5 Определение изменений плотности дислокаций

. . внутри упрочненного слоя ................256

5.1.6 Энергетический анализ влияния магнитного ........

поля на механические свойства стали................262

5.1.7 Механизм возникновения дислокаций под

действием импульсного магнитного поля..............268

5.1.8 Исследование влияния размера зерна на превращения в стали под действием

магнитного поля....................................271

5.1.9 Закалка стали в магнитном поле.....................296

5.1.10 Проведение низкого отпуска зубьев пильчатой ленты и последующей их импульсной магнитной обработки..........................................301

5.1.11 Исследование остаточных напряжений 1-го рода......305

5.2 Механизм упрочнения поверхностного слоя

зубьев импульсной магнитной обработкой...............311

5.3 Упрочнение зубьев гарнитуры другими методами.........316

5.4 Исследование механических свойств импортной гарнитуры............................................324

5.5 Обработка пильчатой ленты импульсным магнитным полем при ее изготовлении на автоматической

линии в условиях А0"Ивчесмаш"........................327

5.5.1 Модернизация автоматической линии по

изготовлению пильчатой ленты.......................327

5.5.2 Обработка пильчатой ленты импульсным магнитным

полем в производственных условиях..................331

ВЫВОДЫ...............................................334

ГЛАВА ШЕСТАЯ.ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ _

МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ НА ВЕЛИЧИНУ ИЗНОСА ЧЕШУЩЕЙ ГАРНИТУРЫ ЧЕСАЛЬНЫХ МАШИН...........337

6.1 Определение коэффициента трения пары

волокнистый материал-металл............................337

6.2 Проведение испытаний пильчатой гарнитуры, обработанной импульсным магнитным полем,на износостойкость на экспериментальной установке....... .346

6.3 Исследование величины износа импортной пильчатой гарнитуры и отечественной,упрочненной разными

методами ................................„..............367

6.4 Расчет интенсивности изнашивания зубьев

пильчатой гарнитуры....................................371

6.5 Обработкаигольчатой гарнитуры импульсным

магнитным полем........................................381

6.6 Дислокационный механизм возникновения

микротрещин в металле..................................389

6.6.1 Влияние микротрещин на механические

свойства стали.......................................390

6.6.2 Дислокационный механизм разрушения...................391

6.7 Производственные испытания пильчатой гарнитуры, обработанной в импульсном магнитном поле...............398

6.8 Разработка алгоритма расчета фактической площади контакта пары волокно-металлическая поверхность, волокно-пильчатая гарнитура,интегральной

массовой интенсивности изнашивания.....................403

ВЫВОДЫ.................................................405

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................407

ЛИТЕРАТУРА.................................................411

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................

ВВЕДЕНИЕ

Повышение качества чешущей гарнитуры чесальных машин имеет важное народно-хозяйственное значение.Чешущая гарнитура с высокими эксплуатационными характеристиками обеспечивает рост производительности труда,экономию металла и повышение качества изделий легкой и текстильной промышленности.

Применение новых высокоскоростных чесальных машин и использование хлопка различной засоренности предъявляют повышенные требования к качеству чешущей гарнитуры.

| Для изготовления чешущей гарнитуры в текстильном машиностроении

используется проволока из углеродистой стали 50,55 и 65. Материал, технология изготовления,термическая обработка отечественной чешущей гарнитуры не претерпевали существенных изменений в течение длительного времени,несмотря на модернизацию оборудования в прядильном производстве текстильной промышленности. Чешущая гарнитура к чесальным машинам,поступающая на внутренний рынок с отечественных заводов-изготовителей, не отвечает требованиям,которые предъявляются к механическим и эксплуатационным характеристикам пильчатой гарнитуры при современномразвитии оборудования текстильной промышленности.Значительно возрос импорт чешущей гарнитуры в Россию из Германии,Швейцарии, Японии и других стран.

Поэтому возникает необходимость увеличения долговечности отечественной чешущей гарнитуры путем совершенствования техники и технологии ее изготовлениям именно взыскание нового способа ее поверхностного упрочнения.Кроме того,в настоящее время имеют место трудности в технологическом процессе крепления отдельных полосок пильчатой ленты в чешущий блок и недостатки в конструкциях шляпки и сегмента для его крепления.

ЦЕПЬ РАБОТЫ. Цель настоящей работы состоит в совершенствовании конструкции и повышении качества чешущей гарнитуры, шляпок и сегментов чесальных машин, качества прочеса и надежности чесального оборудования за счет улучшения эксплуатационных характеристик чесальной гарнитуры благодаря применению упрочняющей импульсной магнитной обработки и лазерной сварки для крепления отдельных полосок пильчатой ленты в чешущий блок; в развитии методов математического моделирования для решения задач проектирования и исследования влияния импульсной магнитной обработки на физико-механические и эксплуатационные свойства чешущей гарнитуры.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.. Методической и теоретической основой диссертации явились труды ведущих отечественных и зарубежных ученых по технике и технологии чесального производства, теории математического моделирования, магнетизма, упругости, трения и износа, дислокационной теории, методам поверхностного пластического деформирования и т.д.

Микроструктурный анализ проводился с помощью электронного просвечивающего микроскопа с получением изображений методом светлого поля и угольных реплик с образцов с оттенением окисью вольфрама. Фотографирование вершин зубьев пильчатой ленты до и после износа осуществлялось на растровом электронном микроскопе. Рентгенострук-турный анализ проводился на дифрактометре типа ДР0Н-4. Напряжения I рода определялись методом Н.Н.Давиденкова. Исследования на трение и износ осуществлялись на машине трения типа 2070 С11Г-1. Плотность дислокаций, величины микронапряжений и размеры блоков когерентного рассеяния определялись по известным методикам с использованием ЭВМ. Механические свойства чешущей гарнитуры исследовались на специальных приборах фирмы "ГРАФ"(Швейцария) в измерительной лаборатории АО "ИВЧЕСМАШ" по стандартным методикам.

Эксперименты проводились с доверительной вероятностью (ГОСТ 8,011-72) и точностью измерений -1,1*2,3% для одного режима обработки импульсным магнитным полем в зависимости от типа проводимого эксперимента.Численные решения уравнений различных процессов решались с использованием ЭВМ.Обработку и оценку результатов осуществляли методами математической статистики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА результатов,полученных в ходе выполнения диссертационной работы,заключается в следующем:

1.Разработана методика теоретического исследования условий контакта волокнистой массы с металлической поверхностью и поверхностью пильчатой гарнитуры.Получены уравнения для определения фактической площади контакта волокнистой массы с металлической поверхностью и поверхностью пильчатой гарнитуры.Установлена зависимость фактической площади контакта от параметров пильчатой ленты.Разработан алгоритм расчета фактической площади контакта пары волокнистая масса-пильчатая гарнитура. . .

2.Разработана методика теоретического исследования износа зубьев пильчатой гарнитуры.Установлены характер и степень влияния параметров пильчатой ленты на характеристики трения волокнистой массы по поверхности зубьев гарнитуры,а также на распределение нормальных напряжений по высоте зуба.Получено уравнение и разработан алгоритм решения уравнения интегральной массовой интенсивности изнашивания зубьев гарнитуры.

3. Разработаны и исследованы конструкции шляпки и сегмента чесальной машины для установки и крепления в них чешущих блоков гарнитуры, а также способы изготовления чешущих блоков для шляпки и сегмента. Установлена зависимость величины разновысотности вершин зубьев о профиля пильчатой ленты и способа её базирования при изготовлении чешущего блока.Разработаны два новых профиля пильчатой ленты.

4. Разработана математическая модель расчета параметров магнит-

ного поля в зоне вершины зуба пильчатой ленты. Установлена зависимость величины плотности магнитной энергии от направления магнитного поля относительно оси зуба и заполнения пространства между зубьями воздухом или ферромагнитным порошком.

5. Раскрыта физическая сущность и выявлен механизм упрочнения импульсной магнитной обработкой. Эта .обработка вызывает закономерные изменения структуры и физических свойств, обусловленные образованием новой субзеренной структуры, снижением граничной энергии и перераспределением дислокаций как внутри субзерен, так и на их границах. .

6. Разработаны условия обработки импульсным магнитным полем, обеспечивающие формирование антифрикционного поверхностного слоя и управление комплексом его параметров (механических, физических, структурных), отличающихся равномерностью распределения по поверхности и глубине слоя, а также стабильностью во времени при эксплуатации. Установлено, что глубина упрочненного импульсной обработкой слоя зависит от качества предшествующей термообработки. Обоснован выбор метода поверхностного упрочнения гарнитуры импульсным магнитным полем путем сравнения с другими методами упрочнения для определенных условий эксплуатации в производстве.

7. Получена зависимость степени упрочнения от величины исходного зерна, режимов магнитной обработки. Установлена связь между величиной граничной энергий субзерен, толщиной граничного слоя, количеством дислокаций в субграницах и внутри субзерен от режимов импульсной магнитной обработки.

8. Рассчитано и экспериментально подтверждено снижение износа рабочей части зубьев гарнитуры, упрочненных магнитной обработкой, по сравнению.с обычной гарнитурой. Рассмотрен дислокационный механизм возникновения микротрещин в металле. Установлено, что импульсная магнитная обработка повышает износостойкость зубьев гарнитуры

при одновременном сохранении в заданных режимах работы ее проникающей способности.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Полученные в работе теоретические и экспериментальные разработки позволяют осуществлять проектирование и изготовление гарнитур с высокими эксплуатационными характеристиками.

Разработаны конструкции шляпки и сегмента с целью крепления на них сварных блоков чешущей гарнитуры.......

Разработан комплекс оборудования для экспериментального исследования режимов сварки пильчатой гарнитуры; созданы составы паст для сохранения твердости вершин зубьев в околошовной зоне.

Сконструированы и изготовлены магнитно-импульсные установки, позволяющие упрочнять пильчатую ленту как в стационарном режиме, так и во время движения на автоматической линии при ее изготовлении или при навивке ленты на чесальные барабаны.

Разработан алгоритм определения интенсивности изнашивания гарнитуры.

Создан комллекс оборудования для экспериментального исследования эксплуатационных характеристик гарнитуры.

Разработаны технологические основы импульсного магнитного метода упрочнения, обеспечивающего формирование стабильных параметров качества поверхностного слоя зубьев гарнитуры.

Получены аналитические и графические зависимости механических и эксплуатационных характеристик чешущей гарнитуры от режимов импульсной магнитной обработки.

Создана расчетно-экспериментальная методика для прогнозирования изменения физико-механических свойств металла гарнитуры под действием импульсного магнитного поля.

Проведена модернизация линий по изготовлению пильчатой ленты на АО "ЙВЧЕСМАШ".

ГЛАВА ПЕРВАЯ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ работы чесальной машины и роль гарнитуры

в процессе чесания

Почти во всех системах прядения основных видов волокон процесс чесания занимает центральное место. От успешности его проведения всецело зависит рентабельность последующих переходов обработки и

9

качество выпускаемой продукции пряжи.

Первые чесальные машины появились 200 лет тому назад и имели весьма примитивное устройство. Однако, заложенные в них методы воздействия на волокна и совместной работы основных рабочих органов и до настоящего времени сохраняют свое принципиальное значение.

Вековая практика установила две системы чесальных машин: система "барабан-шляпки" и система "барабан-рабочий-чиститель". Первая система в основном применяется в хлопкопрядении. Вторая система распространена более широко и применяется при обработке более длинных волокон-шерсти, льна, шелковых отходов, а также в угарном прядении. Обе системы преследуют одну и ту же цель: последовательное дробление пучков вплоть до разделения их на отдельные волокна, а также очистку от мелких пороков и сора. В этом случае к эффективности чесания предъявляют �