автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Разработка энергосберегающей технологии производства суровой льняной пряжи мокрым способом с применением ультразвука

На правах рукописи

Сергеев Константин Владимирович

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУРОВОЙ ЛЬНЯНОЙ ПРЯЖИ МОКРЫМ СПОСОБОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных

материалов и сырья

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

00553915о

Кострома 2013

005539153

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет» (г. Кострома).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Жуков Владимир Иванович.

Официальные оппоненты: Брут-Бруляко Альберт Борисович

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», г. Кострома, кафедра технологии и проектирования тканей и трикотажа,

Ильин Лев Сергеевич кандидат технических наук, ОАО «Костромской научно-исследовательский институт льняной промышленности», г. Кострома, заместитель генерального директора.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный политехнический университет», г. Иваново.

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в 12— на заседании диссертационного совета Д 212.093.01 при ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет» по адресу: 156005, г. Кострома, ул. Дзержинского, д. 17., ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «КГТУ». Текст автореферата размещен на сайте ВАК РФ: http://vak2.ed.gov.ru

Автореферат разослан «11» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

і^/іУ Букалов Г.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В 90-х годах прошлого столетия резко сократился отечественный рынок сбыта льняной продукции. В настоящее время во всем мире существует тенденция к увеличению использования натуральных волокон. Ткани из льняной пряжи в силу своих уникальных потребительских свойств все больше применяются в быту и многих отраслях промышленности. Большим спросом за рубежом пользуются изделия из чистого льна без вложения химических волокон, отличающиеся повышенными гигиеническими свойствами и долговечностью.

В настоящее время в Костромской области действует программа «Развитие льняного комплекса Костромской области на 2012-2014 годы», которая предусматривает 28-миллионные вложения в отрасль. При этом качественные показатели отечественной льняной продукции остаются намного ниже, чем у аналогичных европейских и азиатских изделий. Вырабатываемая чистольняная пряжа имеет повышенную неровноту и большое количество пороков, что значительно ухудшает внешний вид тканей.

Преодоление глубокого финансово-производственного кризиса в льняном комплексе региона и в целом России возможно только путем увеличения производства экологически чистого, конкурентоспособного ассортимента льняной пряжи, тканей и изделий.

Отмечается, что крайне необходимо вырабатывать чисто льняную пряжу высокого качества, не применяя при этом энергоемких технологий и экологически опасных компонентов на стадии химической обработки ровницы перед прядением, поскольку их использование влечет удорожание продукции и снижение рентабельности прядильного производства в целом. Поэтому в настоящее время все большее количество предприятий текстильной промышленности снижает объемы, либо вовсе отказывается от производства суровой льняной пряжи ввиду дороговизны и трудоемкости ее выработки. При этом несомненно следует продолжить выработку продукта, в котором полностью сохранены свойства уникального льняного волокна.

Для получения льняной пряжи низкой себестоимости с хорошими потребительскими свойствами необходимо использовать такие технологии, которые обеспечивали бы максимальное сохранение природных свойств льняного волокна. Химические методы облагораживания льняной ровницы хотя и позволили достичь заметных результатов, но экономические и экологические аспекты их применения в совокупности могут поставить это направление под сомнение.

Таким образом, существует необходимость разработки новых, современных, менее энергоемких и более безопасных технологий выработки чистольняной пряжи высокого качества.

В связи с этим, работа, посвященная решению указанных выше вопросов, представляется актуальной.

Цель и задачи исследования. Цель диссертационного исследования состоит в разработке энергосберегающей технологии производства высококачественной суровой льняной пряжи мокрым способом за счет применения ультразвуковой обработки ровницы.

Дня достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: - проведена оценка технологии существующих способов мокрого прядения льна; -проанализированы и классифицированы известные методы использования упругих колебаний в отраслях текстильной промышленности; -экспериментально определено влияние ультразвука на мацерацию льняного волокна, разработано и изготовлено соответствующее лабораторное оборудование; -обоснован выбор ультразвукового воздействия, как способа интенсификации мацерации льняного волокна при мокром способе льнопрядения; -определены целесообразные экономические и физические режимы УЗ воздействия на льняные волокна ровницы, которые дают возможность вырабатывать высококачественную льняную пряжу при меньших энергозатратах на единицу выпускаемой продукции;

-оценена возможность использования ультразвука для выработки льняной пряжи из химически обработанной ровницы;

-экспериментально подтверждена возможность использования ультразвука для выработки высококачественной пряжи малых линейных плотностей; -определена экономическая эффективность применения ультразвука в процессе мокрого льнопрядения.

Методы исследования. При проведении экспериментальных исследований свойств волокна и пряжи использовались стандартные методы математической статистики и текстильного материаловедения, а также необходимое лабораторное оборудование: анализатор качества пряжи и полуфабрикатов КЛА-М, разрывные машины РМП-1 и РМ-3-1, измерительная станция 1Мег Тепзогар1<1 Необходимые математические вычисления, графические построения и проектирование произведены посредством программного обеспечения МаШСас! и Компас 30 соответственно.

Научная новизна работы. В работе впервые:

1. Проанализированы и классифицированы существующие методы использования упругих колебаний в текстильной промышленности.

2. Предложен метод интенсификации мацерации льняного волокна при мокром способе льнопрядения, основанный на ультразвуковом воздействии.

3. Экспериментально доказано положительное влияние ультразвуковых волн в водной среде на процесс мацерации льняных волокон при относительно низкой (комнатной) температуре.

4. Установлено, что при .мокром прядении льна наиболее эффективным способом улучшения мацерации является использование воздействия УЗ на ровницу в водной среде прядильного корыта.

5. Доказано, что наилучшее воздействие на процесс мацерации льняных волокон оказывает ультразвуковое воздействие в форме импульсов ультразвуковых колебаний.

Практическая ценность и реализация полученных результатов. В

условиях лаборатории кафедры прядения КГТУ создан лабораторный стенд для получения суровой льняной пряжи, включающий все элементы конструктивно-заправочной линии прядильной машины ПМ-88-Л8 с ультразвуковым устройством. Характеристики наработанной с помощью лабораторного стенда льняной пряжи оценивались на автоматизированном лабораторном комплексе КЛА-М и измерительной установке иэгег ТепБогар1с1. Установлено, что применение ультразвука в мокром льнопрядении позволяет снизить энергоемкость процесса и выработать более прочную и равномерную суровую льняную пряжу малой линейной плотности. Определены физические параметры УЗ поля, обеспечивающие повышение качества пряжи, вырабатываемой мокрым способом из суровой льняной ровницы. Получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Установлено, что влияние УЗ воздействия на качество льняной пряжи, выработанной из химически обработанной ровницы, несущественно. Технология может быть реализована в производственных условиях путем модернизации прядильных машин за счет их оснащения ультразвуковыми устройствами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены, обсуждались и получили одобрение на: 63-й и 65-й межвузовских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» (г. Кострома, 2011, 2013), научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий» («ЛЁН-2012») (г. Кострома, 2012), общероссийском научном семинаре «Технология текстильных материалов» (г. Кострома, 2013), ежегодной республиканской научно-практической конференции «Внедрение наукоемкой техники и технологии в производство» (г. Душанбе, 2013), научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2011).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 9 публикациях, в том числе 3 статьях в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», входящем в перечень ВАК РФ, 3 статьях в сборниках научных трудов, 3 материалах научно-практических конференций.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение и общие выводы,

библиографический список из 55 наименований. Диссертация изложена на 125 страницах, текст работы включает 43 рисунка, 4 таблицы, приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе рассмотрена физическая природа звуковых и ультразвуковых колебаний, выявлены характерные особенности распространения колебаний УЗ частоты в сплошной среде. Проанализированы механизм генерации УЗ колебаний, принцип действия пьезоэлектрического преобразователя, суть пьезоэффекта.

В главе проведен обзор научных работ по использованию вибрационных и ультразвуковых установок в текстильной промышленности. На основе изучения теоретических и экспериментальных исследований, проведенных А.Д. Жигаловым, В.Г. Гольдшмидтом, Е.Д. Мизоновым, А.Н. Гребенкиным, сделан вывод о существовании определенной положительной динамики в повышении качества полуфабрикатов и готовой продукции при применении колебаний на различных этапах технологического цикла.

В главе проаначизированы теоретические основы формирования пряжи, процессы, проходящие в вытяжном приборе при кольцевом способе прядения, устройство и работа машин мокрого прядения льна. Выявлены актуальные проблемы технологии производства пряжи из суровой и химически обработанной ровницы. Установлено, что для выработки пряжи высокого качества необходимо стабилизировать и сделать более закономерным процесс вытягивания. Условием этого является полная и интенсивная мацерация веществ, соединяющих элементарные льняные волокна и их комплексы в составе технического льняного волокна.

Доказана необходимость разработки новой, энергоэффективной, экологически безопасной технологии, позволяющей вырабатывать пряжу высокого качества.

Вторая глава посвящена определению основных параметров технологии мокрого прядения льна с применением ультразвука.

Правильный подбор технологических режимов может быть осуществлен только при детальном анализе физических эффектов, протекающих в ультразвуковом поле. Эта задача может быть решена при условии получения достаточно полной информации о параметрах применяемых колебательных систем и ультразвукового поля. К таким параметрам следует отнести:

1) характер генерируемого электрического напряжения, подводимого к пьезоэлементу;

2)частоту колебаний рабочей поверхности ультразвукового устройства;

3) акустическую мощность, выделяемую в технологический объем;

4) среднюю фактически излучаемую мощность, приходящуюся на единицу площади поверхности продукта при прохождении им прядильного корыта прядильной машины (интенсивность УЗ воздействия);

5) давление ультразвукового поля в определенных точках технологического объема, т.е. эффективное (действующее) значение звукового давления.

Не менее важно определение места расположения пьезоэлектрических преобразователей в конструктивно-заправочной линии прядильной машины и необходимого количества пьзопреобразователей на одну прядильную машину.

В главе описан предлагаемый метод интенсификации мацерации льняного волокна при мокром способе прядения льна за счет воздействия ультразвуковых колебаний на продукт (льняную ровницу). Суть его в том, что на этапе прохождения ровницей водной среды прядильного корыта на нее воздействуют ультразвуковые колебания, создаваемые специальным пьезокерамическим преобразователем (излучателем). Работа излучателя основана на явлении обратного пьезоэффекта. Схема ультразвукового устройства (УЗУ) приведена на рис. 1.

4/7 кГц ПьезопреоВразоЬатель

Рис. 1. Схема ультразвукового устройства

Экспериментально доказано, что ультразвуковое воздействие на льняные волокна интенсифицирует процесс мацерации последних. При этом, наилучшее воздействие на процесс мацерации льняных волокон оказывает ультразвуковое воздействие в форме импульсов ультразвуковых волн (рис.2).

Г=40 кГц Г=4{) кГц

а б

Рис. 2. Характер электрического напряжения, подводимого к пьезоэлементу: а - в виде «пачек» импульсов, чередующихся с частотой 50 Гц; б - в виде непрерывного сигнала.

Определена зона конструктивно-заправочной линии льнопрядильной машины, в которой применение УЗ воздействия наиболее эффективно и целесообразно. Проведено сравнение графиков спектральной плотности пряжи, полученной базовым (без УЗ) способом 1 с графиками спектров пряжи, полученной при использовании УЗУ только в прядильном корыте и только в вытяжном приборе машины 2 (рис. 3,4).

Рис. 3. График спектральной плотности пряжи, полученной 1 - без УЗ и 2 - при воздействии на ровницу УЗ в прядильном корыте

длчиз 1 м

Рис. 4. График спектральной плотности пряжи, полученной 1 - без УЗ и 2 - при воздействии на ровницу УЗ в вытяжном приборе

Установлено, что ультразвук - фактор, способствующий снижению уровня неровноты выходящего продукта (льняной пряжи) по линейной плотности. Больший эффект получен при применении УЗ только в водной среде прядильного корыта машины. В генерации ультразвука и его воздействии на льняную ровницу в зоне вытяжного прибора нет необходимости, т.к. вне водной среды невозможно возникновение явления кавитации - главного действующего фактора ультразвуковой обработки.

В главе сформулирован механизм использования ультразвука для интенсификации мацерации льняного волокна: создание с помощью пьезоэлектрического преобразователя в жидкой среде прядильного корыта

кавитационных явлений, способствующих лучшему смачиванию льняной ровницы и более интенсивному размягчению инкрустирующих веществ, соединяющих элементарные льняные волокна в составе технических волокон.

Определена амплитуда колебаний рабочей поверхности УЗ устройства, величина которой составила примерно 6 мкм. На основании этого рассчитаны параметры ультразвукового поля, наличие которых обеспечивает повышение интенсивности мацерации льняного волокна при снижении температуры воды в прядильном корыте.

При определении теоретических и практических принципов применения ультразвука в процессе мокрого прядения льна выполнен расчет необходимого количества УЗУ на одну прядильную машину. Установлено, что с целью повышения качества пряжи, вырабатываемой мокрым способом из льняной ровницы, возможно использование УЗУ с полезной мощностью N=5-6 Вт, работающего в частотном диапазоне 20-40 кГц и способного создать ультразвуковое поле во всем объеме прядильного корыта с интенсивностью /=0,6 Вт/см2 и эффективным звуковым давлением Рэ=15 атмосфер.

В третьей главе получено экспериментальное подтверждение эффективности использования ультразвука в процессе мокрого льнопрядения из суровой ровницы.

Выявлена незначительность влияния ультразвука на параметры пряжи, выработанной из химически обработанной ровницы. В процессе мокрого прядения льна, ровница подвергалась УЗ воздействию при прохождении жидкой среды прядильного корыта. Исследования производились на прядильных машинах ПМ-88-Л8 и ПМ-88-Л5.

С помощью программного обеспечения КЛА-М произведено сравнение спектров базового варианта 1 и спектров пряжи, полученной при воздействии на ровницу ультразвуковых колебаний 2 - для вареной и беленой пряжи соответственно (рис. 5, 6).

Рис. 5. Графики спектральной плотности пряжи, полученной из вареной ровницы 1 -базовым способом и 2 - при воздействии на ровницу УЗ

ГП'НТ.'ч'.ГП'^МЧ-З

Рис. 6. Графики спектральной плотности пряжи, полученной из беленой ровницы с интенсивной химической обработкой 1 - базовым способом и 2 - при воздействии на

ровницу УЗ

При анализе полученных результатов установлено, что наличие ультразвука при мацерации не влияет на длину волокон из которых формируется пряжа и не влечет ожидаемого снижения неровноты по линейной плотности пряжи, вырабатываемая из ровницы, подвергнутой химической обработке любого вида.

Льняная ровница, проходя через прядильное корыто может испытывать растягивающее воздействие. Экспериментально определено, что величина подобного воздействия при использовании УЗ в мокром льнопрядении не должна превышать 2 Ы.

При оценке влияния крутки льняной ровницы на эффективность УЗ воздействия, сделан вывод, что крутка ровницы существенно влияет на ее прочность, но применение ультразвука значительно снижает усилие вытягивания во всех случаях. Таким образом, крутка ровницы не оказывает какого-либо значимого влияния на эффективность применения УЗ при мокром способе прядения льна.

В главе проведен комплексный анализ качественных показателей суровой льняной пряжи, полученной при воздействии на ровницу ультразвука и без него с разными вытяжками.

С целыо оценки влияния УЗ на возможность выработки высококачественной пряжи более высоких линейных плотностей произведены сравнительные испытания выработки суровой пряжи из ровницы линейной плотности 530 текс при постоянной крутке 503 кр/м с применением УЗ и без него. Ровница выработана из чесаного льна № 18. Эксперимент проводился на прядильной машине ПМ-88-Л8 с вытяжками: 10,9; 11,5; 11,7; 12,9; 13,2. В случае применения УЗ, в прядильном корыте использовалась вода комнатной температуры. При работе машины без УЗУ, температура воды составляла стандартные 70-75 °С. На приборе КЛА-М оценивались: неровнота пряжи по линейной плотности, коэффициент вариации по линейной плотности, величина дисперсии в интервале длин волн

12-400 мм и общей дисперсии. При использовании средств программного обеспечения КЛА-М в ходе подбора идеальных спектров, определялись также средняя линейная плотность элементарных волокон и их комплексов, а также их средняя длина.

Посредством измерительной системы ЦЫег Тепзогар1с1 определялись разрывные характеристики пряжи: абсолютная разрывная нагрузка Р и абсолютная работа разрыва А, относительная разрывная нагрузка Р и относительная работа разрыва Э. Полученные значения приведены в сводной таблице параметров льняной пряжи, выработанной при различных вытяжках с применением УЗ и «базовым» способом. Несоответствие значений фактической линейной плотности пряжи ее расчетным значениям обусловлено естественной неровнотой ровницы по линейной плотности.

Таблица

Сводная таблица параметров льняной пряжи, выработанной на машине ПМ-88-Л8 при различных вытяжках с применением УЗ и «базовым»

способом

Способ выработки пряжи Без УЗ При наличии УЗ

Заправочная вытяжка £ 10,9 11,5 11,7 12,9 13,2 10.9 11,5 11,7 12.9 13.2

Средняя линейная плотность суровой ровницы, текс 530 530

Параметры выработанной пряжи

Фактическая линейная плотность пряжи. Тпр.ф., текс 49 47 45 48 46 45 41 40

Абсолютная разрывная нагрузка Р, И 5,03 3,89 3,73 6.10 4,86 4,04 5,1 1 4,01

Абсолютная работа разрыва А, И 29.32 39,34 28.89 - - 38,06 41.41 36.30 43,12 32,83

Относительная разрывная нагрузка Г. И/текс 0.10 0.08 0.08 0.13 0,11 0.09 0.125 0,10

Относительная работа разрыва С, И/текс 0.59 0.84 0.64 0,79 0.90 0.81 1.052 0.821

Средняя линейная плотность комплексов волокон, мтекс 3500 2950 3200 2500 2850 2800 2500 2400

Средняя длина комплексов волокон, мм во 55 75 45 50 50 50 60

Дисперсия в интервале длин волн 12-400 мм 1243,40 1418,56 1554,01 1160,71 1391,95 1373.9 1589.69 1646,70

Обгцая дисперсия, 1827,38 1989.18 2327.95 - - 1480.84 1774,25 1782,8 2088,09 2160,62

Коэффициент вариации (по КЛА-М) по линейной плотности пряжи. % 42.75 44.30 48.25 38,48 42,12 42,22 45.70 46,48

Анализируя данные таблицы, можно констатировать: 1. При наличии УЗ, получаемая пряжа имеет большие по сравнению с «базовым» вариантом (без УЗ) значения абсолютной разрывной нагрузки (.Руз>Р), которая характеризует пиковое значение разрывного усилия при

Рис. 7. Диаграммы сила-удлинение пряжи, выработанной без воздействия на

Рис. 8. Диаграммы сила-удлинение пряжи, выработанной без воздействия на ровницу ультразвука (а) и при его наличии (б) с вытяжкой 11,5

Рис. 9. Диаграммы сила-удлинение пряжи, выработанной без воздействия на ровницу ультразвука (а) и при его наличии (б) с вытяжкой 11.7

2. У пряжи, выработанной с применением УЗ, значение абсолютной работы разрыва А, превосходит аналогичный показатель пряжи, выработанной «базовым» способом (Ауз>А). Абсолютная работа разрыва оценивается площадью фигуры, ограниченной линией диаграммы и осью

абсцисс (рис. 7-9). Чем больше площадь, тем больше прочность продукта (пряжи).

3. Относительные значения разрывной нагрузки Б и работы разрыва О у пряжи, наработанной с применением УЗ также превосходят показатели образцов, полученных «базовым» способом.

4. При сравнении спектров на КЛА-М установлено, что пряжа, выработанная с применением УЗ в своем составе имеет комплексы волокон, средняя линейная плотность и средняя длина которых меньше аналогичных параметров «базового» варианта, что свидетельствует о лучшем дроблении волокон в вытяжном приборе и большей равномерности получаемой пряжи. Визуально это соответствует «смещению» вершины (пика) спектра пряжи выработанной с ультразвуком 1 вниз и влево по отношению к спектру пряжи выработанной «базовым» способом 2 (рис. 10).

Рис. 10. Графики спектрограмм пряжи полученной: 1 - при воздействии на ровницу ультразвука и 2 - без такового

5. Коэффициент вариации по линейной плотности у льняной пряжи, выработанной с применением УЗ имеет значение меньшее, чем у «базового» образца. Это говорит о том, что пряжа формируется из более тонких и коротких комплексов волокон, что в результате обеспечивает формирование более равномерной пряжи по свойствам.

6. Применение УЗ в процессе прядения снижает уровень общей дисперсии и дисперсии по коротким отрезкам в интервале длин волн 12-400 мм. Известно, что вытяжной прибор прядильной машины создает неровноту в интервале длин волн примерно до 400 мм, поэтому можно сделать вывод о том, что применение УЗ снижает неровноту пряжи, вызываемую работой вытяжного прибора прядильной машины, а это означает, что движение волокон в зоне вытягивания становится более закономерным.

7. При использовании УЗ возможна выработка льняной пряжи меньшей линейной плотности (т.е. более тонкой). Наличие ультразвуковых колебаний в жидкой среде прядильного корыта позволило выработать пряжу линейных плотностей 41 и 40 текс, что оказалось невозможным при «базовом» способе прядения.

В четвертой главе обоснована экономическая эффективность технологии производства суровой льняной пряжи мокрым способом с

со

применением ультразвука за счет снижения энергоемкости процесса мокрого прядения льна.

Одной из основных особенностей энергосберегающей технологии производства суровой льняной пряжи мокрым способом с применением УЗ является возможность снижения температуры воды в прядильном корыте. Это несомненно повлечет улучшение условий труда прядильщиц (особенно в летний период работы), сокращение времени выполнения рабочих приемов, а главное - снижение расхода пара на единицу выпускаемой продукции, т. е. снижение энергоемкости процесса мокрого прядения льна и себестоимости высококачественной льняной пряжи. В результате расчета было установлено, что снижение нормы расхода пара для производства 1 т. суровой льняной пряжи за счет снижения температуры воды в прядильном корыте, позволяет получить экономический эффект от применения УЗ в мокром льнопрядении, равный 16568,3 руб. на одну прядильную машину (256 веретен) в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Ультразвуковое воздействие (УЗ) в процессе мокрого льнопрядения интенсифицирует процесс мацерации льняных волокон, что позволяет повысить степень дробления технических волокон на элементарные волокна и их комплексы и сделать процесс вытягивания более закономерным. При этом, наилучшее воздействие на процесс мацерации льняных волокон оказывает ультразвуковое воздействие в форме импульсов.

2. Ультразвук - фактор, способствующий снижению неровиоты вырабатываемого продукта (льняной пряжи) по линейной плотности. При этом больший эффект получается при применении УЗ в водной среде прядильного корыта машины. Генерация ультразвука и его воздействие на льняную ровницу в зоне вытяжного прибора нецелесообразны.

3. С целыо повышения качества пряжи, вырабатываемой мокрым способом из льняной ровницы, рекомендуется использование УЗУ с полезной мощностью N=5-6 Вт, работающего в частотном диапазоне 20-40 кГц и способного создать ультразвуковое поле во всем объеме прядильного корыта с интенсивностью /=0,6 Вт/см" и эффективным звуковым давлением Рэ= 15 атмосфер.

4. Ультразвуковое воздействие на суровую льняную ровницу в жидкой среде прядильного корыта производит уменьшение длины комплексов волокон, формирующих пряжу, что позволяет повысить прочность вырабатываемого продукта, снижает неровноту пряжи по линейной плотности.

5. При выработке пряжи из химически обработанной ровницы наличие ультразвука не влияет на длину волокон из которых формируется пряжа и не влечет ожидаемого снижения неровноты пряжи по линейной плотности, что обусловлено практически полным разрушением клеящего комплекса при химической обработке ровницы.

6. При прохождении ровницей водной среды прядильного корыта с

наличием в нем УЗ колебаний, к ровнице не должно прилагаться растягивающее усилие, превышающее 2 Н.

7. Крутка ровницы существенно влияет на ее прочность, но применение ультразвука значительно снижает усилие вытягивания во всех случаях. Таким образом, крутка ровницы не оказывает какого-либо значимого влияния на эффективность применения УЗ при мокром способе прядения льна.

8. Применение ультразвуковых колебаний делает возможным выработку более тонкой пряжи лучшего качества при прочих равных условиях.

9. Использование УЗ в процессе прядения способствует улучшению качества суровой пряжи при одновременном снижении энергозатрат на ее производство на 16568,3 руб. на одну прядильную машину (256 веретен) в год.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По теме диссертации опубликованы следующие работы: Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК РФ

1. Сергеев К.В. К вопросу об ультразвуковом воздействии, как факторе интенсификации мацерационной способности волокна при мокром способе прядения льна / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Изв. вузов. Технология текстил. пром-сти. - 2011. - № 5(334)-С. 47-50.

2. Сергеев К.В. Снижение неровноты по линейной плотности и упрочнение льняной пряжи с помощью применения ультразвуковых колебаний в процессе мокрого прядения льна / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Изв. вузов. Технология текстил. пром-сти. - 2012. - № 4(340) - С. 61-64.

3. Сергеев К.В. Анализ параметров льняной пряжи, выработанной мокрым способом прядения при воздействии на ровницу ультразвука и без такового с различными значениями вытяжки / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Изв. вузов. Технология текстил. пром-сти. - 2013. -№3. - С. 43-47.

Статьи в научных сборниках

4. Сергеев К.В. Использование ультразвука в процессе получения льняной пряжи мокрым способом / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Вестник костромского государственного технологического университета. - 2011. - №2(27). - С. 2022.

5. Сергеев К.В. Сравнительные испытания выработки пряжи из льняных волокон с применением ультразвука и без него / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Вестник костромского государственного технологического университета. -2013.-№1(30).-С. 14-16.

6. Титова У.Ю., Сергеев К.В., Воеводин П.Н. Повышение мацерационной способности льняного волокна с помощью ультразвука / У.Ю. Титова, К.В. Сергеев, П.Н. Воеводин // Научные труды молодых ученых КГТУ. В 2-х ч. -2010.-Вып. П.; 4.1 - С. 32-36.

Материалы конференций

7. Сергеев К.В. Исследование влияния ультразвука на мацерационную

способность льняного волокна / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Студенты и молодые ученые КГТУ - производству: материалы 63-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов: в 2 т. Т. 2; Секц. 4-8. - Кострома: Изд-во КГТУ, 2011. - С. 78-79.

8. Сергеев К.В. Разработка технологии получения льняной пряжи мокрым способом с применением ультразвука / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лён -2012): сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. (Кострома, 18-19 окт. 2012 г.). - Кострома: Изд-во КГТУ, 2012. - С. 42-43.

9. Сергеев К.В. Интенсификация степени мацерации льняного волокна при мокром способе прядения льна за счет воздействия на него ультразвуковых колебаний / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Совр. проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании: сборник научных трудов междунар. науч.- практ. конф., Выпуск 4. Том 10. - Одесса: Черноморье, 2011.-ЦИТ:411-0400.-С.12-14.

Сергеев Константин Владимирович

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУРОВОЙ ЛЬНЯНОЙ ПРЯЖИ МОКРЫМ СПОСОБОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 7.11.2013. Печ. л. 1,0. Заказ 498. Тираж 100. РИО КГТУ, Кострома, ул. Дзержинского, 17

I 8

ФГБОУ ВПО «КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201451363 ^

СЕРГЕЕВ Константин Владимирович

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУРОВОЙ ЛЬНЯНОЙ ПРЯЖИ МОКРЫМ СПОСОБОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных

материалов и сырья

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Жуков В.И.

Кострома 2013

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

.4

1. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ......................12

1.1. К вопросу о природе ультразвукового воздействия...................12

1.2. Обзор научных работ по использованию вибрационных и ультразвуковых установок в текстильной промышленности.....................19

1.2.1. Применение вибрирующего промежуточного валика

в вытяжном приборе прядильной машины............................................19

1.2.2. Применение вибрирующих нитепроводников

в хлопкопрядении..........................................................................22

1.2.3. Интенсификация процесса мацерации льняных волокон путем вибрации жидкой среды прядильного корыта.......................................26

1.2.4. Применение упругих колебаний в первичной обработке и в мокром прядении льна....................................................................29

1.3. Анализ процесса мокрого прядения льна................................36

1.4. Выводы по главе 1............................................................55

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ МОКРОГО ПРЯДЕНИЯ ЛЬНА С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА........57

2.1. Ультразвуковое воздействие как метод повышения степени мацерации льноволокна при мокром прядении.....................................58

2.2. Определение зоны использования ультразвука в процессе мокрого льнопрядения.....................................................................66

2.3. Теоретические и практические принципы применения ультразвука в процессе мокрого прядения льна.....................................73

2.4. Выводы по главе 2............................................................87

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В ПРОЦЕССЕ МОКРОГО ПРЯДЕНИЯ ЛЬНА........................................................................89

3.1. Определение степени влияния ультразвука на качество пряжи из химически обработанной ровницы.....................................................89

3.2. Применение ультразвукового воздействия на льняные волокна с целью снижения неровноты по линейной плотности и повышения прочности пряжи...........................................................................92

3.3. Комплексный анализ качественных показателей суровой льняной пряжи, полученной при воздействии на ровницу ультразвука и без него с разными вытяжками.......................................................................98

3.4. Выводы по главе 3...........................................................104

4. ОБОСНОВАНИЕ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА СУРОВОЙ ЛЬНЯНОЙ ПРЯЖИ МОКРЫМ СПОСОБОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКА...............106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ........................................110

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................112

ПРИЛОЖЕНА

118

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время доля текстильной и легкой промышленности в общем объеме валового продукта России снизилась до 1,8 %. В 90-х годах прошлого столетия выпуск льняных тканей снизился в 6 раз, резко сократился отечественный рынок сбыта льняной продукции [1,стр. 6]. В то же время в мире существует тенденция к увеличению использования натуральных волокон. Ткани из льняной пряжи в силу своих уникальных потребительских свойств по прежнему широко применяются в быту и многих отраслях промышленности. Большим спросом за рубежом пользуются изделия из чистого льна без вложения химических волокон, отличающиеся повышенными гигиеническими свойствами и долговечностью.

В настоящее время в Костромской области действует программа «Развитие льняного комплекса Костромской области на 2012-2014 годы», которая предусматривает 28-миллионные вложения в отрасль. Преодоление глубокого финансово-производственного кризиса в льняном комплексе региона и в целом России возможно только путем увеличения производства экологически чистого, конкурентоспособного ассортимента льняной пряжи, тканей и изделий. При этом качественные показатели отечественной льняной продукции остаются намного ниже, чем у аналогичных европейских и азиатских изделий.

Отмечается, что крайне необходимо вырабатывать чисто льняную пряжу значительно более высокого качества, не применяя при этом экологически опасных компонентов на стадии химической обработки ровницы перед прядением [1, стр. 7].

Напомним, что ровница, из которой вырабатывается пряжа на предприятиях отрасли может быть суровой и химически обработанной.

При выработке пряжи из суровой ровницы необходимо добиться размягчения склеивающих соединений - мацерации. Этот процесс реализуется смачиванием ровницы в горячей (70-75°С) воде. Поддержание

температуры таких значений в прядильном корыте отрицательно сказывается на санитарно-гигиенических условиях труда, способствует росту энергоемкости процесса прядения. Это влечет удорожание продукции и снижение рентабельности прядильного производства в целом. Поэтому в настоящее время все большее количество предприятий текстильной промышленности снижает объемы, либо вовсе отказывается от производства суровой льняной пряжи ввиду дороговизны и трудоемкости ее выработки. При этом несомненно следует продолжить выработку продукта, в котором полностью сохранены свойства уникального льняного волокна.

При использовании химически обработанной ровницы (вареной, беленой и пр.), ровница прежде чем попасть в прядение подвергается обработке (отварке, отбеливанию или крашению) в специальных котлах. Однако, волокна при использовании химических реактивов могут дополнительно разрушаться. По утверждениям специалистов, химическая обработка, направленная на удаление лигнина, приводит к упорядочению промежуточной кристаллической фазы, но при этом не происходит изменения конформации макроцепей целлюлозы, поскольку фаза остается кристаллической и молекулярная подвижность цепи не может увеличиться. Поэтому жесткость такого волокна не только не уменьшается, но даже возрастает. Щелочная и хлоритно - окислительная обработки вызывают разориентацию в структуре целлюлозы [2, стр. 128]. Это приводит к ухудшению прядильной способности волокон и свойств пряжи. Кроме того использование химической обработки ровницы влечет необходимость использования в цепочке технологических переходов дополнительного оборудования, применение дорогостоящих реактивов, появление дополнительных отходов (хлоритные обработки позволяют удалить от 36 до 44% лигнина при значительной потере массы более 15%). В результате происходит удорожание выпускаемой продукции с одновременной потерей природных свойств льняного волокна.

Большую проблему создают и экологические аспекты химических обработок, связанные с тем, что в составе химических веществ, применяемых в отбелке, используется хлор. Во многих странах Европы уже приняты законы, запрещающие использование подобных веществ в производстве.

Итак, производственные процессы, характерные для отечественного льнопрядения имеют существенные недостатки и значительно уступают по эффективности западным технологиям. При этом, вырабатываемая чистольняная пряжа имеет повышенную неровноту на коротких отрезках и большое количество пороков, что значительно ухудшает внешний вид тканей.

Вступление Китая в ВТО в январе 2005 года явилось очень серьезным осложняющим фактором для отечественных льнопроизводителей

Для сохранения своих позиций на внешнем рынке изделий из льна отечественным производителям необходимо резко повысить технологический уровень производства и качество выпускаемой продукции.

На основании изложенного делаем вывод, что для получения льняной пряжи низкой себестоимости с хорошими потребительскими свойствами необходимо использовать такие технологии, которые обеспечивали бы максимальное сохранение природных свойств льняного волокна. Химические методы облагораживания льняной ровницы хотя и позволили достичь заметных результатов, но экономические и экологические аспекты их применения в совокупности могут поставить это направление под сомнение.

Таким образом, существует необходимость разработки новых, современных, менее энергоемких и более безопасных технологий выработки чистольняной пряжи высокого качества.

В данной диссертационной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных автором и направленных на совершенствование технологического процесса мокрого прядения льна, в частности на разработку энергоэффективной, экологически

безопасной технологии мокрого прядения льна, позволяющей вырабатывать чистольняную пряжу высокого качества с сохранением уникальных потребительских свойств льняного волокна.

В связи с этим, работа, посвященная решению указанных выше вопросов, представляется актуальной.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель диссертационного исследования состоит в разработке энергосберегающей технологии производства высококачественной суровой льняной пряжи мокрым способом за счет применения ультразвуковой обработки ровницы.

Дня достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: - проведена оценка технологии существующих способов мокрого прядения льна; -проанализированы и классифицированы известные методы использования упругих колебаний в отраслях текстильной промышленности; -экспериментально определено влияние ультразвука на мацерацию льняного волокна, разработано и изготовлено соответствующее лабораторное оборудование; -обоснован выбор ультразвукового воздействия, как способа интенсификации мацерации льняного волокна при мокром способе льнопрядения; -определены целесообразные экономические и физические режимы УЗ воздействия на льняные волокна ровницы, которые дают возможность вырабатывать высококачественную льняную пряжу при меньших энергозатратах на единицу выпускаемой продукции;

-оценена возможность использования ультразвука для выработки льняной пряжи из химически обработанной ровницы;

-экспериментально подтверждена возможность использования ультразвука для выработки высококачественной пряжи малых линейных плотностей; -определена экономическая эффективность применения ультразвука в процессе мокрого льнопрядения.

Методы исследования. При проведении экспериментальных исследований свойств волокна и пряжи использовались стандартные методы

математической статистики и текстильного материаловедения, а также необходимое лабораторное оборудование: анализатор качества пряжи и полуфабрикатов КЛА-М, разрывные машины РМП-1 и РМ-3-1, измерительная станция Х^ег Тепзогар!«!. Необходимые математические вычисления, графические построения и проектирование произведены посредством программного обеспечения МаЛСас! и Компас ЗБ соответственно.

Научная новизна работы. В работе впервые:

1. Проанализированы и классифицированы существующие методы использования упругих колебаний в текстильной промышленности.

2. Предложен метод интенсификации мацерации льняного волокна при мокром способе льнопрядения, основанный на ультразвуковом воздействии.

3. Экспериментально доказано положительное влияние ультразвуковых волн в водной среде на процесс мацерации льняных волокон при относительно низкой (комнатной) температуре.

4. Установлено, что при мокром прядении льна наиболее эффективным способом улучшения мацерации является использование воздействия УЗ на ровницу в водной среде прядильного корыта.

5. Доказано, что наилучшее воздействие на процесс мацерации льняных волокон оказывает ультразвуковое воздействие в форме импульсов ультразвуковых колебаний.

Практическая ценность и реализация полученных результатов В условиях лаборатории кафедры прядения КГТУ создан лабораторный стенд для получения суровой льняной пряжи, включающий все элементы конструктивно-заправочной линии прядильной машины ПМ-88-Л8 с ультразвуковым устройством. Характеристики наработанной с помощью лабораторного стенда льняной пряжи оценивались на автоматизированном лабораторном комплексе КЛА-М и измерительной установке 1Мег Тешогар!«! Установлено, что применение ультразвука в мокром

льнопрядении позволяет снизить энергоемкость процесса и выработать более прочную и равномерную суровую льняную пряжу малой линейной плотности. Определены физические параметры УЗ поля, обеспечивающие повышение качества пряжи, вырабатываемой мокрым способом из суровой льняной ровницы. Получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель. Установлено, что влияние УЗ воздействия на качество льняной пряжи, выработанной из химически обработанной ровницы, несущественно. Технология может быть реализована в производственных условиях путем модернизации прядильных машин за счет их оснащения ультразвуковыми устройствами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены, обсуждались и получили одобрение на: 63-й и • 65-й межвузовских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» (г. Кострома, 2011, 2013), научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий» («ЛЁН-2012») (г. Кострома, 2012), общероссийском научном семинаре «Технология текстильных материалов» (г. Кострома, 2013), ежегодной республиканской научно-практической конференции «Внедрение наукоемкой техники и технологии в производство» (г. Душанбе, 2013), научно-практической конференции «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании» (г. Одесса, 2011).

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК РФ 1. Сергеев К.В. К вопросу об ультразвуковом воздействии, как факторе интенсификации мацерационной способности волокна при мокром способе прядения льна / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Изв. вузов. Технология текстил. пром-сти. - 2011. - № 5(334) - С. 47-50.

2. Сергеев К.В. Снижение неровноты по линейной плотности и упрочнение льняной пряжи с помощью применения ультразвуковых колебаний в процессе мокрого прядения льна / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Изв. вузов. Технология текстил. пром-сти. - 2012. - № 4(340) - С. 61-64.

3. Сергеев К.В. Анализ параметров льняной пряжи, выработанной мокрым способом прядения при воздействии на ровницу ультразвука и без такового с различными значениями вытяжки / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Изв. вузов. Технология текстил. пром-сти. - 2013. - №3. - С. 43-47.

Статьи в научных сборниках

4. Сергеев К.В. Использование ультразвука в процессе получения льняной пряжи мокрым способом / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Вестник костромского государственного технологического университета. - 2011. - №2(27). - С. 2022.

5. Сергеев К.В. Сравнительные испытания выработки пряжи из льняных волокон с применением ультразвука и без него / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Вестник костромского государственного технологического университета. -2013.-№1(30).-С. 14-16.

6. Титова У.Ю., Сергеев К.В., Воеводин П.Н. Повышение мацерационной способности льняного волокна с помощью ультразвука / У.Ю. Титова, К.В. Сергеев, П.Н. Воеводин // Научные труды молодых ученых КГТУ. В 2-х ч. -2010.-Вып. 11.; 4.1 - С. 32-36.

Материалы конференций

7. Сергеев К.В. Исследование влияния ультразвука на мацерационную способность льняного волокна / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Студенты и молодые ученые КГТУ - производству: материалы 63-й межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов: в 2 т. Т. 2; Секц. 4-8. - Кострома: Изд-во КГТУ, 2011. - С. 78-79.

8. Сергеев К.В. Разработка технологии получения льняной пряжи мокрым способом с применением ультразвука / К.В. Сергеев, В.И. Жуков //

Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лён -2012): сб. трудов междунар. науч.-техн. конф. (Кострома, 18-19 окт. 2012 г.). - Кострома: Изд-во КГТУ, 2012. - С. 42-43.

9. Сергеев К.В. Интенсификация степени мацерации льняного волокна при мокром способе прядения льна за счет воздействия на него ультразвуковых колебаний / К.В. Сергеев, В.И. Жуков // Совр. проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании: сборник научных трудов междунар. науч.- практ. конф., Выпуск 4. Том 10. - Одесса: Черноморье, 2011.-ЦИТ:411-0400.-С. 12-14.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит введение, 4 главы, заключение и общие выводы, библиографический список из 55 наименований. Диссертация изложена на 122 страницах, текст работы включает 43 рисунка, 4 таблицы, приложения.

1. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1. К вопросу о природе ультразвукового воздействия

Понятие «ультразвук» (УЗ) приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обознач