автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование механизма вытягивания армированных швейных ниток

На правах рукописи

Челышев Сергей Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВЫТЯГИВАНИЯ АРМИРОВАННЫХ ШВЕЙНЫХ НИТОК

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-в ЛЕН 2011

Санкт-Петербург 2011

005006678

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Энтин Виталий Яковлевич,

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Полякова Екатерина Владимировна

кандидат технических наук, Волков Владимир Васильевич

Ведущая организация: ОАО «Советская звезда»,

г. Санкт-Петербург

Защита состоится 26 декабря 2011 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 212.236.02 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна» по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18, ауд. 241.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18. Автореферат размещен на сайте http://www.sutd.ru/

Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

¿¡В&гъ&Уя&р, в.В. Сигачева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в швейной промышленности используются в основном нитки, изготавливаемые из химических волокон и нитей. Это обусловлено повышенными требованиями к качеству ниток, применяемых на высокоскоростных швейных машинах, автоматах и поточных линиях. При пошиве силовая нагрузка на нитку в зависимости от структуры и сырьевого состава стачиваемого материала колеблется в пределах 150 - 350 сН, а температура нагрева иглы достигает 400° С.

При таких воздействиях на нитку она должна обладать не только прочностью, но и стабильным разрывным удлинением. От величины и постоянства разрывных удлинений зависит качество шва и обрывность ниток при пошиве, производительность швейного оборудования и швейного производства в целом. Снижение разрывного удлинения ниток на 5 - 10 % по данным Центрального научно-исследовательского института швейной промышленности приводит к увеличению длины безобрывного шва в 3 - 5 раз.

Однако фактическое разрывное удлинение швейных ниток оказывается не постоянным, а изменяется от 22 - 23 % в наружных слоях до 13 - 14 % во внутренних.

Зарубежные производители ниток для выравнивания величин разрывных удлинений в технологическом процессе предусматривают использование специальных вытяжных машин. В России не применяются аналогичные машины, поэтому отечественные нитки значительно уступают по качеству зарубежным ниткам. Этим объясняется актуальность темы диссертационной работы, направленной на разработку механизма, обеспечивающего выравнивание разрывного удлинения швейных ниток.

Цель работы. Разработка механизма вытягивания армированных полиэфирных швейных ниток для выравнивания их разрывных удлинений.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:

• Выполнить анализ влияния разрывных удлинений швейных ниток на процесс пошива.

• Исследовать процесс вытягивания ниток с целью изучения влияния механических нагрузок на изменение их разрывного удлинения.

• Разработать механизм вытягивания ниток и провести технологические испытания.

Достоверность полученных результатов обеспечена большим объемом экспериментальных исследований, результатами аналитического моделирования процесса вытягивания нити, применением современных методов расчета системы регулирования натяжения нити, а также использованием при оценке качества ниток современных измерительных комплексов (Uster Tensorapid-3, КЕТ-80/В, Laserspot LST-11, Statigraf-L, Microcolor 2000, Instron 1122).

з

Научная новизна работы.

• Выполнено аналитическое моделирование процесса вытягивания швейных ниток. Получена аналитическая модель, позволяющая рассчитать величину силовых воздействий для вытягивания ниток.

• Определен диапазон усилий вытягивания ниток 35JIJI, расположенных в различных слоях красильной бобины, для выравнивания их разрывного удлинения.

• Разработано электромеханическое устройство для снижения и выравнивания разрывных удлинений швейных ниток (патент РФ № 2296829).

• Разработана система регулирования натяжения ниток в процессе их перемотки и упругопластической деформации при вытягивании (патент РФ № 104558).

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены:

• на ОАО «Советская звезда» при модернизации оборудования для производства утоненных ниток 35 ЛЛ-У 45ЛЛ-У и 70ЛЛ-У в соответствии с техническими условиями ТУ 8147-031 -00319693 -2011;

• в учебном процессе на кафедрах СПГУТД «Автоматизация технологических процессов» и «Технология и проектирование текстильных изделий»;

• при выполнении работ по гранту Минобрнауки России per. № 2.1.2/3270 и № 2.1.2/13091 АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научно-технических конференциях:

• Международные научно-технические конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС - 2006, 2007, 2008), ИГТА, Иваново.

• Межвузовские научно-технические конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК - 2009, 2010, 2011), ИГТА, Иваново.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 6 в изданиях, рекомендованных «Перечнем ВАК » РФ, получено два патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 97 наименований. Работа изложена на 120 странницах, содержит 20 таблиц, 37 рисунков и 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, показана научная новизна и

практическая значимость результатов работы.

В первой главе рассматривается ассортимент швейных ниток по их назначению и свойствам, дается анализ технологических схем производства швейных ниток в России и за рубежом. Приводятся требования к качеству швейных ниток. На основе анализа работ, посвященных изучению влияния упругопластической деформации на качество ниток, делается вывод о том, что одним из главных факторов, определяющих частоту обрывов и качество швов, является величина разрывного удлинения ниток. Стабильность разрывного удлинения является главным условием высокоскоростного пошива изделий.

Во второй главе приводятся результаты исследования физико-механических свойств армированных швейных ниток 35ЛЛ, 45ЛЛ и 70ЛЛ, находящихся на красильной бобине. Получены количественные оценки влияния механических нагрузок на разрывное удлинение. Установлено, что в результате вытягивания ниток с усилием Т = 200 сН, величина разрывного удлинения для ниток 35ЛЛ снижается на 35 - 40 %, а относительная разрывная нагрузка увеличивается на 7 - 13%.

На основе данных экспериментальных исследований выполнены полиномиальные аппроксимации для получения аналитических зависимостей разрывного удлинения от усилия вытягивания для швейных ниток 35ЛЛ. Аналитические зависимости позволяют сделать прогноз величин вытягивающих усилий для задаваемых разрывных удлинений (рис. 1).

5

О 100 200 300 400 500

Усилие вытягивания Т, сН

Рисунок 1 - Графики изменения разрывного удлинения ниток 35 ЛЛ под действием усилия вытягивания

На рисунке верхняя кривая соответствует ниткам, расположенным на поверхности бобины (катушка №1), а нижняя - ниткам, расположенным у перфорированного патрона (катушка № 5).

Полученные аналитические зависимости имеют вид:

£г, = -5 10"5Г2 + 0.0014Г +17,141,

гг5 = -2-10"

0,0028Г + 15,104.

(1) (2)

В главе также приводятся результаты сравнительных экспериментальных исследований швейных армированных ниток 35ЛЛ, 45ЛЛ, 70ЛЛ (рис. 2).

25 -----

о -----

О 100 200 300 400 500

Усилие вытягивания Т, сН

Рисунок 2 - Снижение относительной разницы Де,^ разрывных удлинений ниток 35ЛЛ, 45ЛЛ, 70ЛЛ с катушек № 1 и № 5 после вытягивания

Из графика следует, что в результате вытягивания ниток 35ЛЛ с усилием 400 сН, разница разрывных удлинений ниток с катушек № 1 и № 5 снижается с 12 % до 3 %. Для выравнивания разрывных удлинений ниток 45ЛЛ и 70ЛЛ потребуются более высокие усилия вытягивания, так как их линейная плотность выше соответственно в 1,3 и 2 раза.

В третьей главе рассмотрены известные способы и устройства, применяемые для стабилизации разрывных удлинений химических нитей, пряжи и швейных ниток.

Наиболее совершенным устройством, обеспечивающим вытягивание швейных ниток является намоточно-вытяжная машина фирмы Mettler. Недостатком машины является отсутствие в ней устройства, обеспечивающего регулирование натяжения, которое может изменяться из-за неоднородности вытягиваемой нити. В предлагаемом нами электромеханическом устройстве предусмотрена система регулирования удлинения швейных ниток. Схема устройства показана на рис. 3.

Рисунок 3 - Схема электромеханического устройства обработки ниток

На рисунке изображены: 1 - красильная бобина, 2 - баллоноограничитель, 3 - пружинный нитенатяжитель, 4 - тормозной шкив, соединенный через редуктор с электродвигателем 5 (на рисунке редуктор не показан), 6 и 11 — направляющие ролики, 7 - измерительный ролик, 8 - приемное веретено, 9 -бобина обработанных ниток, 10 - устройство для нанесения эмульсии, 12 -рычаг измерительного ролика, 13 - сельсин, 14 - электромагнитный тормоз.

Зона вытягивания нити расположена между тормозным шкивом и приемной бобиной. Тормозной момент создается электродвигателем. Электромагнитный тормоз создает предварительное натяжение нити перед тормозным шкивом. Для исследования поведения нити под действием усилий вытягивания в работе проведено аналитическое моделирование процесса вытягивания нити (рис. 4).

Рисунок 4 - Схема вытягивания нити

На рисунке изображены: 1 - электромагнитный тормоз, 2 - тормозной шкив, 3 - приемная бобина.

В зоне вытягивания нить движется со скоростью V. Скорость движения нити до тормозного шкива и. Очевидно, что для вытягивания нити должно

V

выполняться неравенство и < V . Отношение скоростей В = — определяет

и

величину вытяжки (утонения) нити под действием усилия вытягивания Т.

В соответствии со схемой вытягивания (рис.4) уравнение вращения тормозного шкива можно записать в виде

(3)

где - радиус тормозного шкива, ф - угол поворота тормозного шкива, J - приведенный момент инерции системы торможения.

При установившемся режиме работы устройства, когда ^>=0, уравнение (3) примет вид

7КВ= М + (4)

Тогда усилие вытягивания равно

Т = Г + ± (5)

К,

Для моделирования процесса вытягивания использована имитационная модель (рис. 5).

Чо

^АЛЛААЛ-

Дтр

-ЛЛЛЛЛЛ-1

а)

Т б>

Ь,

Рисунок 5 - Имитационная модель армированных ниток

Модель состоит из двух частей: из упругой части Ь]0 и из упругопластической части Ь2о (рис.5я), образованной параллельно соединенными упругой пружиной и пластическим элементом, представленным двумя пластинами, между которыми при их относительном сдвиге развивается сила трения

На рис. 56 изображена эта же модель, находящаяся под действием растягивающей силы Г на участке АВ (рис. 4).

Удлинение нити равно AL = L, - ¿I0 + Ь2 - Ь2д (6)

Относительное удлинение нити равно б = ——+ ——— = + к2е2 (7)

Цо+ L2o ЦО + Ао

где к. = —^-, кг = —Ь»—, , = * = h±zb<L. (g)

i + i i + 1 г i

^10 ^ l20 ^10 ^ 20 ^10 ь20

Поскольку натяжение в рабочей зоне постоянно, справедливо равенство

= ¿W (9)

На участке CD деформируется только упругий элемент модели, поэтому можем записать F = , где г!\" - относительное удлинение первого элемента модели (участок CD), а жесткость этого элемента.

Для участка АВ можем записать T = sf°E,, T-FTP=efE:L, (10) где Е2 - жесткость второго элемента модели, состоящего из упругого и пластического компонентов.

Представленные исходные уравнения (9) и соотношения (10) позволили получить выражение

1 + /Д p + fcExp

Б=1 = , + Г_£___<">

и F + Е{(\ + к) F+ Ej(l +к)

отражающее зависимость утонения нити В от параметров, характеризующих упругопластические свойства нити (модулей упругости Е/ и Е2, Fmp, к = LI0 / Ll0) и от силовых характеристик: усилия вытягивания Т и силы предварительного натяжения F. Выполненное моделирование явилось теоретической предпосылкой для создания электромеханического устройства.

В работе показано, что нить, располагающаяся на красильной бобине, существенно неоднородна, и колебания разрывного удлинения могут достигать 12 - 22 %. В связи с этим механизм вытягивания дополнен системой автоматического регулирования натяжения нити в зоне вытягивания.

На рис. 6 представлена схема системы. Система содержит следующие элементы: нить 1; приемную бобину 2; неподвижные направляющие ролики 3 подвижный направляющий ролик 4; неподвижный цилиндр 5; пружину 6 механизм для задания силы натяжения пружины 7; тормозной шкив 8 тормозное устройство 9; редуктор 10; тормозной двигатель И; усилитель 12 электрическую мостовую схему сравнения 13.

\

р

Рисунок 6 - Схема системы регулирования удлинения нитки

На ролике 4 закреплен электрический контакт, при перемещении которого изменяется выходное напряжение моста (/„. Неподвижный цилиндр 5 заполнен вязкой жидкостью и имеет подвижный поршень с демпфирующим отверстием. Один конец штока поршня соединен с подвижным направляющим роликом, другой конец - с пружиной. Тормозное устройство 9 предназначено для создания предварительного натяжения нити.

Тормозной шкив В через редуктор соединен с тормозным двигателем 11, который через редуктор 10 создает момент М, направленный против направления вращения тормозного шкива (М = Л/1В/, / - передаточное число редуктора). Если принять, что проскальзывание нити по тормозному шкиву отсутствует, то в ней возникает сила натяжения Т = М / Яш (/?,„ - радиус тормозного шкива). Требуемая величина силы натяжения нити Т определяется технологом.

Выполнен расчет системы с целью обеспечения необходимого качества регулирования, которое характеризуется временем переходного процесса и величиной статической ошибки.

Для расчета использованы следующие уравнения элементов системы:

- уравнение движение подвижного ролика с пружиной и демпфером

Jш•Pl<Pi> = Ml>.±Mcт, Мд,=См1й, (И)

(Т21р1+Т1р + 1)Х = К0Т,

(12)

- уравнения электродвигателя

ю

- уравнение усилителя

ил. = кям1

ЭУи Я'

(14)

- уравнение тормозного шкива

т = кшм,

(15)

- уравнение измерительного и сравнивающего устройства им=Ки(Х3-Х),

(16)

Приведенные уравнения позволяют получить уравнение системы

(,а0р3 + ахр2 + агр + а3)Х = Ъ3Х3 + с31/ю + (д.гр + с/3)/, (17)

т т Кд/7

где а0 = ГЛ, = — Н—^—аг = с с с

т

^ + Тдв, а3=1 + Кр;

л г

Ьъ = Кс, = К„КшК0г, ¿2 = Л'0Г,)в, ¿3=К0; Кр = КиК1уКтКшК,с,

/ - внешнее воздействие (возмущение).

Для расчета системы решена задача параметрического синтеза. В результате решения определены значения параметров системы, обеспечивающие требуемое качество регулирования. Для решения применен метод эффективных полюсов, который имеет простые алгоритмы, позволяющие за минимальное время проанализировать показатели качества большого количества вариантов систем с различными показателями качества. Такая возможность для анализа позволяет выбрать подходящие варианты. Однако алгоритмы метода' могут применяться только в рабочей области, где колебательность системы ц < 5.

Для построения рабочей области предусмотрены уравнения границ, составленные из коэффициентов уравнения системы:

С учетом выражений для коэффициентов уравнения (17) уравнения границ принимают вид

я2а0<6о,2, а]а3<а

<0.5д|Д2, ¡7,<73 < ()а\.

.2

(18)

к I

12Г.

23т2 144Г!

стТ,

(19)

КР

6(Кдп+сТдв)2 с(т + КДПТ,в)

-I,

-Кр = КПКЭУК^'КшКО"

На рис. 7 представлена рабочая область. По оси ординат отложены возможные значения коэффициентов скоростного демпфирования, по оси абсцисс — значения коэффициентов усиления. В рабочей области показаны четыре рабочие точки и линия р = 1, разделяющая область на две подобласти: апериодических и колебательных процессов.

Кт

3

1

с я) ню ио А'зу

Рисунок 7 - Рабочая область

На рис. 8 и 9 показаны результаты численного моделирования переходных процессов. При моделировании эффект влияния упруго-пластической деформации на переходный процесс реализовывался с помощью вводимых возмущений:

т = и /(1) = ехр(-0.51)5т(Ш). (20)

Рисунок 8 - Переходные процессы: кривая 1 - Кдп = 0.5, КЭУ = 2, / = 0.3; кривая 2 - Кдп = 2.5, Кэу = 2, / = 0.3.

1.......

1..........хЛ.....

И К 1

АЛ/::

Ж..........

V

сек

Рисунок 9 - Переходные процессы: кривая 1 - Кдп =2.5, Кэу =100,/ = ехр(-0.50зт(100; кривая 2- КД11=2.5,КЭУ=50,/ = ехр(-0.5/)5т(100.

Моделирование выполнялось для рабочих точек, соответствующих различным значениям коэффициентов усиления и демпфирования.

Результаты моделирования позволяют сделать вывод о том, что предложенная система при практическом использовании может обеспечить требуемую стабилизацию натяжения нити.

Время регулирования при коэффициентах усиления К-)у = 50 и Кэу = 100 не превышает 1 секунды, и отклонение измерительного ролика при установившемся режиме Хсг= 0.

В разд. 3.4 приводятся результаты технологических испытаний разработанного механизма для вытягивания армированных швейных ниток 35ЛЛ и 45ЛЛ. Оценка физико-механических свойств ниток до вытягивания и

после вытягивания производилась на современном комплексе приборов ряда зарубежных фирм (Ке18о1а Ьаэегэро! ЬБТ II, Тсхк'сЬпо БТАТЮЯАРН - Ь, М]сгосо1ог 2000). Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Таблица 1 - Изменение свойств ниток 35ЛЛ в результате вытягивания

Число отклонений от среднего диаметра

Т, сН Р, сН е,% с1,% д с1, % Отклонение, % Всего

+30 +15 -15 -30

0 1584 17,6 35,4 0 14 6 2 22

100 1520 17,0 34,6 2,3 0 5 3 0 8

200 1569 16,9 34,1 3,7 0 8 1 0 9

300 1575 14,8 33,8 4,5 0 4 1 0 5

В таблице приняты следующие обозначения: Т - усилие вытягивания, сН; Р - разрывная нагрузка, сН; е - удлинение, %; с! - оптический диаметр ниток,%; д =( <1о - с! т) / <1 о, %; где с10 - диаметр ниток до вытягивания, с1 т - диаметр ниток после вытягивания с усилием Т.

Из анализа полученных данных следует, что в результате вытягивания относительное разрывное удлинение ниток снизилось на 16 %, произошло утонение ниток на 4,5 % и примерно в 4 раза повысилась равномерность ниток по диаметру. Аналогичные результаты получены при вытягивании ниток 45ЛЛ: относительное разрывное удлинение снизилось на 15 - 30 %, диаметр уменьшился на 7 - 10 %, в полтора раза уменьшилось число отклонений диаметра от среднего значения.

Проведенные исследования показывают, что разработанный механизм вытягивания с системой автоматического регулирования удлинения позволяет осуществить целенаправленное изменение свойств швейных ниток.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработан механизм для вытягивания швейных армированных ниток с целью уменьшения и стабилизации их разрывных удлинений. Механизм разработан на основе результатов экспериментально-теоретических исследований ниток, как объекта силового воздействия системы регулирования натяжения и защищен автором двумя патентами РФ № 2296828 и № 104558.

2. Экспериментально установлено, что величина разрывного удлинения швейных ниток 35ЛЛ, 45ЛЛ и 70ЛЛ, расположенных на поверхности красильной бобины, на 12 - 22 % выше разрывного удлинения ниток, находящихся у перфорированного патрона.

3. На основе данных экспериментальных исследований выполнены полиномиальные аппроксимации для получения аналитических зависимостей разрывного удлинения от механических нагрузок для швейных ниток 35ЛЛ, позволяющих прогнозировать величины вытягивающих усилий для достижения

задаваемых разрывных удлинений ниток, расположенных в различных слоях красильной бобины.

4. В результате теоретического моделирования процесса вытягивания ниток получено аналитическое описание зависимости величины утонения ниток от величины растягивающего и тормозного усилий. Описание позволяет произвести расчет параметров настройки механизмов вытягивания.

5. Выполнено аналитическое проектирование системы регулирования натяжения ниток с учетом требований по быстродействию и точности регулирования.

6. Выполнено численное моделирование процессов регулирования. Результаты свидетельствуют о том, что спроектированная система обеспечивает необходимую стабилизацию натяжения нити в процессе ее вытягивания при перемотке с красильной бобины на паковку.

7. Получено технологическое подтверждение работоспособности разработанного механизма вытягивания ниток в целом при производстве армированных швейных ниток 35JIJI.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: Статьи в рецензируемых журналах, входящих в «Перечень ВАК РФ»

1. Энтин В.Я., Челышев C.B., Каневский М.А. Система регулирования натяжения нити при намотке на бобину..// Известия вузов. Технология легкой промышленности, № 1,2011, с. 12-23.

2. Чайкин В.А., Челышев C.B., Энтин В .Я. и др. К задаче механической обработки ниток с целью оптимизации их упруго-релаксационных свойств. //Швейная промышленность, № 6, 2007, с. 33-34

3. Энтин В .Я., Чайкин В.А., Челышев C.B. К задаче автоматического регулирования процесса выравнивания свойств нитей. //Известия вузов. Технология легкой промышленности, № 1, 2008, с. 35-39.

4. Энтин В .Я., Челышев C.B. и др. Улучшение свойств швейных ниток на основе их механической обработки. //Известия вузов. Технология текстильной промышленности, № 5,2008, с. 24-26.

5. Энтин В.Я., Чайкин В.А., Челышев C.B. и др. Силовое решение проблемы качества швейных ниток. //Швейная промышленность, № 3, 2009, с. 50-51.

6. Энтин В.Я., Чайкин В.А., Челышев C.B. и др. Модификация деформационных свойств нитей с учетом прогнозируемых условий их эксплуатации. //Швейная промышленность, № 1,2010, с. 42—43.

Патенты РФ

7. Каневский A.C., Чайкин В.А., Челышев C.B. и др. Устройство для выравнивания натяжения нитей. Патент РФ № 2296828.

8. Каневский A.C., Энтин В.Я., Челышев C.B. и др. Устройство для регулирования величины удлинения швейных ниток. Патент РФ № 104558.

Материалы научно-технических конференций

9. Челышев C.B., Энтин В .Я. Удлинение швейных ниток и его влияние на их пошивочные свойства. //Сб. материалов Международной научно-технической конф. «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС - 2007)». Материалы конференции. Ч. 1, Иваново, ИГТА, 2007, с. 206.

10. Чайкин В.А., Челышев C.B., Энтин В.Я. и др. Проблема оптимизации упруго-релаксационных свойств швейных ниток. //Сб. материалов Международной научно-технической конф. «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС - 2008)» Иваново, ИГТА, 2008, с. 5-6.

11. Челышев C.B., Энтин В.Я. Силовой метод управления упруго-релаксационными свойствами швейных ниток. //Сб. материалов межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2009). Иваново, ИГТА, 2009, ч. 1, с. 153-154.

12. Челышев C.B., Энтин В.Я. Изменение реологических свойств швейных ниток в процессе вытягивания. //Сб. материалов межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2009). Иваново, ИГТА, 2009, ч. 1, с. 154-155.

13 Афанасьев В.И., Челышев С.В, и др. Коррекция свойств пряжи под воздействием низкотемпературной плазмы. //Сб. материалов МНТК «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2010). Иваново, ИГТА, 2010, с. 25-26.

14. Виноградова A.B., Федорова A.A., Челышев C.B. Улучшение физико-механических свойств полиэфирных швейных ниток. //Сб. материалов МНТК «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск 2010). Иваново, ИГТА, 2010, с. 195 - 197.

15. Челышев C.B., Каневский М.А. и др. Исследование системы автоматического регулирования деформационных свойств швейных ниток. //Сб. материалов межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2011). Иваново, ИГТА, 2011, с. 22-23.

16. Челышев C.B., Виноградова A.B., Систер Д.П. Изменение деформационных свойств швейных ниток под действием гравитационных сил. //Сб. материалов межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2011). Иваново, ИГТА, 2011, с. 19-21.

17. Афанасьев В.И., Виноградова A.B., Челышев C.B. Электромеханическая система коррекции свойств швейных ниток. //Сб. материалов межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск - 2011). Иваново, ИГТА, 2011, с. 24-25.

61 12-5/1266

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИИ И ДИЗАЙНА

На правах рукописи

пп П.

Челышев Сергей Викторович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВЫТЯГИВАНИЯ АРМИРОВАННЫХ ШВЕЙНЫХ НИТОК

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Энтин В.Я.

Санкт-Петербург 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................ 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СВОЙСТВ ШВЕЙНЫХ НИТОК И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИХ КАЧЕСТВУ........ 8

1.1 Краткая характеристика физико-механических свойств швейных ниток....................................... 8

1.2 Технологические схемы производства швейных ниток .... 13

1.3 Анализ влияния разрывного удлинения швейных ниток на процесс пошива....................................... 15

Выводы по первой главе..................................... 24

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА СВОЙСТВА ШВЕЙНЫХ НИТОК.............. 25

2.1 Экспериментальное исследование влияния механических нагрузок на свойства швейных ниток в зависимости от их расположения в красильной бобине...................... 25

2.2 Экспериментальные исследования влияния механических нагрузок на разрывные удлинения швейных ниток......... 27

2.3 Определение диапазона усилий вытягивания для достижения заданных свойств ниток................................ 31

Выводы по второй главе...................................... 41

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ

МЕХАНИЗМА ВЫТЯГИВАНИЯ ШВЕЙНЫХ НИТОК........... 42

3.1 Анализ известных способов и устройств для стабилизации

свойств швейных ниток................................ 43

3.1.1 Устройство для вытягивания, термостабилизации

и заключительной обработки ниток................ 43

3.1.2 Устройство для вытягивания нитей

при бесконтактном инфракрасном нагреве.......... 45

3.1.3 Устройства для вытягивания химических нитей...... 47

3.1.4 Устройство для натяжения перематываемых нитей ... 50

3.1.5 Устройство для автоматического регулирования натяжения движущегося материала................ 52

3.2 Разработка механизма вытягивания швейных ниток........ 55

3.2.1 Аналитическое моделирования процесса вытягивания 55 ниток с использованием тормозных устройств.......

3.2.2 Основные требования, предъявляемые к вытяжным 65

устройствам....................................

3.2.3 Швейная нить как объект регулирования........................66

3.2.4 Измерительное устройство..............................................67

3.2.5 Расчет заправочных параметров......................................69

3.3 Разработка и исследование системы регулирования

натяжения нити....................................... 74

3.3.1 Разработка принципиальной схемы системы.

Уравнения элементов............................ 74

3.3.2 Уравнение движения системы.................... 83

3.3.3 Аналитическое проектирование системы. Исследование динамических свойств системы....... 85

3.4 Технологические испытания механизма вытягивания при производстве армированных ниток....................... 92

Выводы по третьей главе..................................... 102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................. Ю4

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................... 106

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт о внедрении результатов диссертационной

работы.................................... 116

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Справка о практическом использовании

результатов работы и ожидаемом экономическом эффекте..................... 117

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Технические условия ТУ8147-031-00319693 -2011

Нитки полиэфирные (опытная партия)......... 118

ВВЕДЕНИЕ

Изготовление швейных ниток является важной составляющей производств текстильной и легкой промышленности.

В настоящее время в швейной промышленности применяются в основном нитки, изготавливаемые из химических волокон и нитей. Удельный вес производства хлопчатобумажных ниток за последние 25 лет сократился с 75 % до 5 %. Такие изменения в ассортименте швейных ниток вызваны повышенными требованиями к качеству ниток, применяемых на высокоскоростных швейных машинах, автоматах и поточных линиях [1].

Актуальность работы. Нагрузки, испытываемые швейной ниткой в процессе пошива, особенно в условиях высоких скоростей, очень велики. При каждом стежке челночной строчки швейная нитка в течение 0,001 сек из состояния покоя достигает скорости до 150 км/час и затем сразу же тормозится. В этих условиях силовая нагрузка на нитку в зависимости от структуры стачиваемого материала, толщины нити, скорости пошива составляет 150 -350 сН, а температура нагрева иглы достигает 400° С [2-4]. При таких воздействиях нить должна обладать не только прочностью, но и стабильными физико-механическими свойствами, обеспечивающими необходимые разрывные удлинения для гашения пиковых нагрузок. Снижение разрывного удлинения ниток на 5 - 10 % приводит к увеличению длины безобрывного шва в 3 - 5 раз. Так, например, при снижении удлинения лавсановых ниток с 20 % до 10 % количество обрывов на 100 м строчки уменьшилось с 13 до 4 [5].

Высокое и непостоянное разрывное удлинение швейных ниток при соединении деталей изделий приводит к стягиванию швов, ухудшает взаимодействие рабочих органов швейных машин, вызывает пропуск стежков и увеличивает обрывность, что в конечном счете не только ухудшает качество пошиваемых изделий, но и снижает производительность труда. Так, например, при пошиве мужских костюмов на ликвидацию одного обрыва

нити швея затрачивает в среднем 40 секунд. При сменном задании 310 костюмов общие затраты времени на ликвидацию обрывов составляют 1 час, что равнозначно времени, которое требуется для пошива 14 костюмов. Однако, разрывное удлинение полиэфирных швейных ниток как правило не постоянно и может колебаться от 10 % у ниток, находящихся у перфорированного патрона, до 20 % у ниток, расположенных на поверхности бобины [6].

Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что разрывное удлинение швейных ниток оказывают существенное влияние на процесс пошива и качество пошиваемых изделий. Этим объясняется большое внимание, уделяемое производителями ниток за рубежом процессам обработки их для получения необходимых разрывных удлинений. Зарубежные производители ниток в технологическом процессе для этой цели предусматривают установку специальных вытяжных машин [7]. В России при производстве ниток не применяются аналогичные машины, поэтому качество отечественных ниток значительно уступает качеству зарубежных.

В связи с этим разработка механизма стабилизации разрывных удлинений швейных ниток является актуальной.

Цель работы - разработка механизма вытягивания армированных полиэфирных швейных ниток для выравнивания их разрывного удлинения.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ влияния разрывных удлинений швейных ниток на процесс пошива (обрывность, качество шва стачиваемых деталей);

2. Исследовать процесс вытягивания ниток с целью изучения влияния механических нагрузок на изменение их разрывного удлинения;

3. Разработать и исследовать механизм вытягивания ниток.

Научная новизна работы:

1. Разработано электромеханическое устройство для выравнивания натяжения нитей (патент РФ на изобретение № 2296829).

2. Выполнено аналитическое моделирование процесса вытягивания швейных ниток. Получена математическая модель, позволяющая рассчитать величину силовых воздействий для вытягивания ниток.

3. Определен диапазон усилий вытягивания ниток, расположенных в различных слоях красильной бобины для стабилизации их разрывного удлинения.

4. Разработана система регулирования величины удлинения швейных ниток (патент РФ на полезную модель № 104558).

Основное содержание работы изложено в трех главах.

В первой главе рассмотрен ассортимент и технологии производства, назначение и физико-механические свойства швейных ниток. Показана взаимосвязь между разрывным удлинениям швейных ниток и их пошивочными свойствами.

Во второй главе выполнено аналитическое моделирование процесса вытягивания швейных ниток. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния механических нагрузок на удлинения швейных ниток.

В третьей главе выполнен анализ способов и устройств для стабилизации свойств нитей и швейных ниток. На основе анализа разработан механизм вытягивания швейных ниток, обеспечивающий стабилизацию их разрывных удлинений.

Выполнен расчет системы регулирования натяжения и удлинения швейных ниток. Представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований механизма вытягивания ниток, определен диапазон усилий вытягивания для наиболее массового ассортимента ниток 35ЛЛ и 45ЛЛ, а также даны рекомендации по использованию разработанной системы регулирования и механизма вытягивания ниток.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены:

• на ОАО «Советская звезда» при модернизации оборудования для производства утоненных швейных ниток 35ЛЛ-У и 45ЛЛ-У в соответствии с техническими условиями ТУ 8147-031-00319693-2011;

• в учебном процессе на кафедрах СПГУТД «Автоматизация технологических процессов» и «Технология и проектирование текстильных изделий»;

• при выполнении работ по гранту Минобрнауки России (проект № 2Л.2/13091) в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг)».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научно-технических конференциях:

• Международные научно-технические конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС - 2006, 2007, 2008), ИГТА в

г. Иваново;

• Межвузовские научно-технические конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК - 2009, 2010, 2011), ИГТА в г. Иваново

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, из них 6 в

изданиях, рекомендованных «Перечнем..... ВАК РФ», получены два патента

РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 95 наименований. Работа изложена на 120 страницах, содержит 37 рисунков, 20 таблиц и 3 приложения.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СВОЙСТВ ШВЕЙНЫХ НИТОК И ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ИХ КАЧЕСТВУ

1.1 Краткая характеристика физико-механических свойств швейных

ниток

В основу классификации швейных ниток положены следующие признаки: назначение ниток, сырьевой состав, способ отделки, а также такие структурные показатели, как количество сложений, направление окончательной крутки, линейная плотность и др. [8].

По назначению швейные нитки разделяются на одежные, обувные, для вышивания, хирургические и др.

По сырьевому составу швейные нитки разделяются на натуральные, химические и комбинированные (из химических и натуральных компонентов).

По способу отделки швейные нитки могут быть суровыми, матовыми, глянцевыми, белыми, черными, цветными в зависимости от обработки поверхности ниток специальными препаратами. Такая обработка осуществляется в процессе их производства. В настоящее время в производстве швейных ниток широко используется огнестойкая, биоцидная, ароматизирующая, светоотражающая и др. виды отделок.

По количеству сложений швейные нитки могут выпускаться в 2, 3, 6, 12 и 18 сложений. Наиболее широко при изготовлении изделий из тканей, трикотажа и нетканых материалов применяют однокруточные швейные нитки в 3 сложения и двухкруточные в 6 сложений.

По направлению окончательной крутки нитки вырабатываются с сочетанием прядильной и окончательной крутки Z/S и S/Z. Нитки, имеющие окончательную левую крутку S, называются нитками левой крутки, а имеющие окончательную правую крутку Z - правой крутки.

Толщина швейных ниток характеризуется торговым (условным) номером или линейной плотностью в тексах (1 текс равен массе 1000 м нити, выраженной в граммах).

Рассмотрим основные свойства и назначение швейных ниток. Основные характеристики ниток представлены в табл. 1.1.

Хлопчатобумажные швейные нитки. В производстве швейных ниток промышленным способом хлопчатобумажное волокно начали использовать в конце 19 века, а еще 30 лет назад в России среди всего ассортимента используемых ниток хлопчатобумажные составляли более 90%. Благодаря хорошим потребительским свойствам хлопчатобумажные нитки до сих пор имеют широкое применение, особенно в производстве одежды для детей. Качество хлопчатобумажных ниток определяется качеством используемого сырья и совершенством технологии и способа отделки. Для изготовления хлопчатобумажных ниток используется гребенная пряжа из тонковолокнистого хлопка. Высокопрочные, мерсеризованные хлопчатобумажные нитки на сегодняшний день одни из самых дорогих. Предназначаются они для пошива изделий из трикотажных полотен.

Армированные швейные нитки. В настоящее время основную долю ниток составляют армированные нитки. Технология производства армированных ниток впервые в России была освоена в конце 70-х годов 20 века. Производится нитка путем соединения стержня из высокопрочной полиэфирной комплексной нити (ПЭКН) и оплетки из хлопчатобумажных, полиэфирных или сиблоновых штапельных волокон. Основные характеристики 12-ти типов армированных ниток представлены в табл. 1.1. Видно, что армированные нитки более чем в полтора раза прочнее хлопчатобумажных.

Таблица 1.1- Основные характеристики и области применения

швейных ниток

Условное обозначение ниток Номинальная линейная плотность, текс Разрывная нагрузка, сН Разрывное удлинение, % не более Назначение

Хлопчатобумажные нитки

«Экстра» 30.0 687 4.1 Для пошива изделий из трикотажных полотен

«Прима» 50.0 1006 4.7 Для пошива изделий из тканей

«Прочные» 67.0 1540 5.6

Армированные нитки

35 ЛЛ 34.5 1450 22 Для пошива изделий из тонких тканей и тканей средней толщины

35 ЛХ 34.5 1325 22

45 ЛЛ 43.5 1725 22 Для пошива изделий из костюмных и пальтовых тканей, в производстве обуви

44 ЛХ 45 1620 26

65 ЛХ 68.5 2260 27 Для пошива обуви, изделий из кожи и кожзаменителей, швейных изделий из джинсовых материалов, в производстве мягкой мебели

70ЛЛ 65.0 2550 23

80 ЛЛ 93.0 3234 26 В производстве изделий из толстых и плотных материалов, для пошива обуви, кожгалантерейных изделий, автомобильных чехлов, тентов и палаток, изделий технического назначения, мягкой мебели

100ЛЛ 103.0 3600 28

150 ЛЛ 154.0 5400 28

150 ЛХ 158.0 5390 26

200 ЛЛ 206.0 7200 28

200 ЛХ 215.0 7360 27

Полиэфирные нитки

70Л 70.5 3434 24 Для пошива тканей средней толщины, обметывания петель, в процессах изготовления обуви, сумок, перчаток, парусов и т.д.

86Л 94.0 4500 21

ИОЛ 138.0 6300 30

ПОЛ 185.0 7840 30 Для пошива обуви, изготовления изделий из грубых кож, фильтровальных материалов, брезента и др.

260Л 290.0 12000 30

"полиэфирные штапельные нитки

ЗОЛШ 28.0 900 22 Для пошива изделий из тонких тканей, трикотажных полотен, обметывания срезов деталей швейных изделий

40ЛШ 42.0 1200 22

210ЛШ 210.0 5800 26 В производстве упаковочных мешков в пищевой, табачной и др. отраслях промышленности

270ЛШ 280.0 7500 30

Полиэфирные армированные швейные нитки обладают следующими преимуществами по сравнению с хлопчатобумажными: высокой прочностью, низкой неровнотой по прочности, более высоким удлинением, низкой усадкой, высокой прочностью к истиранию, кислото-щелочеустойчивостью, термо-хладостойкостью, гнилоустойчивостью, стойкостью к воздействию ультрафиолетовых лучей, что повышает срок годности швейных изделий [9-11].

Полиэфирные армированные нитки считаются универсальными и обеспечивают высокую прочность соединения деталей, хороший внешний вид и эластичность строчки. Их используют для стачивания деталей, обметывания срезов и выполнения отделочных строчек. Предназначаются армированные швейные нитки для пошива изделий из тонких и средних тканей, трикотажных полотен, изделий из костюмных и пальтовых тканей, для пошива обуви, изделий из кожи и кожзаменителей, джинсовых материалов, выполнения отделочных строчек.

Полиэфирные штапельные нитки. Технология производства штапельных ниток внедрена в России в конце 20 века. По сравнению с хлопчатобумажными полиэфирные штапельные нитки эластичнее и ровнее, предназначаются для пошива изделий из тонких и средних тканей, трикотажных полотен, обметывания срезов.

Полиэфирные нитки. Производятся из высокопрочных малоусадочных полиэфирных комплексных нитей и отличаются высокой прочностью, улучшенными пошивочными свойствами, не разрушаются при воздействии влаги. Предназначаются для выполнения отделочных и потайных строчек, машинной вышивки, выстегивания материалов, для пошива изделий из тканей с пропиткой, выполнения рельефных декоративных швов, в производстве кожгалантерейных изделий, мягкой мебели.

Кроме представленных в табл. 1.1 видов ниток применяется большое количество и других ниток различного назначения и состава, некоторые из

них указаны ниже.

Полиэфирные текстурированные нитки. Производятся из полиэфирных текстур�