автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование высокоскоростного устройства фрикционного типа для ложного кручения нити

РГ6 ОА

ВЫСОКОСКОРОСТНОГО УСТРОЙСТВА ФРИКЦИОННОГО ТИПА ДЛЯ ЛОЖНОГО КРУЧЕНИЯ нити

Специальность 05.02.13 Машины и агрегаты (лёгкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва -1997

Работа выполнена на кафедре проектирования машин дл производства химических волокон и красильно-отделочного обор} дования Московской государственной текстильной академии имен: А.Н.Косыгина и в ОАО "Химтекстильмаш", ОАО "Химволокно' г.Чернигов.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Прошков Алексей Фёдорович Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Чередниченко Пётр Иванович - кандидат технических наук, доцент Родионов Вячеслав Алексеевич Ведущее предприятие - Открытое акционерное общество

"Химтекстильмаш", г.Чернигов

Защита диссертации состоится . 1997]

в 4О часов на заседании диссертационного совета К 053.25.03 Московской государственной текстильной академии име! А.Н.Косыгина (117918, г. Москва, ул. Малая Калужская, дом Московская государственная текстильная академия).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московск* государственной текстильной академии.

Автореферат разослан " 1997 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

А.П.Яскин

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена разработке методики расчёта и проектирования трёхшпинедльных дасковых крутильных механизмов фрикционного типа. В работе определена динамическая модель шпин-цельного узла механизма, позволяющая рассчитать собственную частоту гго колебаний; исследовано влияние основных конструктивных параметров механизма на эффективность его работы; исследована возможность говыгпения долговечности полиуретановых дисков путём введения на-юлнителей.

В результате проведения многофакторного эксперимента получена математическая модель процесса кручения, использование которой тозволяет оптимизировать геометрические параметры крутильных механизмов.

Автор защищает:

расчётные схемы и методику определения частоты собственных колеба-гай шпиндельных узлов механизма;

результаты экспериментальных исследований влияния геометрических траметров крутильного механизма на эффективность его работы; - математическую модель процесса кручения с использованием 3-х шпин-(ельных механизмов;

результаты экспериментальных исследований возможности повышения (олговечности полиуретановых дисков путём введения наполнителей, методику расчёта и проектирования трёхшпиндельных дисковых кру-ильных механизмов фрикционного типа.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Текстурированис синтетических нитей текс> тильного назначения, как технологический процесс, позволяющий улуч шить их потребительские свойства, является одним из основных произ водственных процессов. Ложное кручение занимает ведущее положенж среди способов текстурирования нитей. В настоящее время свыше 85°/ текстурированных нитей производится именно этим способом. Боль шинство текстурирующих машин оснащено трёхшпиндельными дисковы ми крутильными механизмами.

В течение последних десяти лет практически все ведущие фирмы производители текстурирующего оборудования перешли на выпуск высо копроизводительных текстурирующих машин с рабочей скоростью 180 200 м/с. До недавнего времени дальнейшее повышение скорости выпуск! нити сдерживалось уровнем развития нагревательных устройств, габари ты которых постоянно увеличивались и достигли 2,5 м, за счёт чего ма шины стали энергоёмкими и сложными в обслуживании.

В 1994 году на съезде, посвященном текстурированшо химически: нитей /США/ появилось сообщение французской фирмы "ISBT" о ново* высокотемпературной технологии текстурирования с использование» укороченного нагревателя с температурой рабочей поверхности 520 °С Были приведены данные о высокой эффективности и экономичное^ новой технологии и вместе с тем указано, что препятствием на пути внед рения новой технологии становятся крутильные механизмы, которые н могут обеспечить необходимую рабочую скорость.

В этой связи проведение комплексных исследований 3-х шпиндель ных крутильных механизмов с целью оптимизации их конструктивны параметров и разработка научно обоснованной методики их расчёта i проектирования является актуальной научной задачей. Тема данно]

работы входит в перечень основных направлений работы ОАО "Химтекстильмаш" (г. Чернигов).

Цель исследований. Цель настоящих исследований заключается в разработке научно обоснованной методики расчёта и проектирования 3-х шпиндельных дисковых крутильных механизмов фрикционного типа.

Основными задачами исследования являлись:

- выбор наиболее высокопроизводительного и универсального крутильного механизма на основе анализа патентных и научных источников;

- выбор оптимальных расчётных схем и методики определения критической скорости механизма;

- исследование влияния основных геометрических параметров крутильного механизма эффективность сю работы;

- проведение многофакторного эксперимента с целью получения математической модели процесса кручения;

- поиск путей повышения срока службы полиуретановых фрикционных элементов;

- разработка научно обоснованной методики проектирования 3-х шпиндельных крутильных механизмов.

Методика исследований. Решение задач, поставленных в данной диссертационной работе проводилось теоретическими и экспериментальными методами. Основой работы являлся информационный анализ научных и патентных источников, труда отечественных и зарубежных учёных по технике и технологии текстурирования. Теоретические исследования проводили с использованием положений механики машин, динамики высокоскоростных механизмов. Экспериментальные исследования проводили на опытном образце текстурирующей машины МТ-1Л, установленном в ОАО "Химтекстильмаш" и на стендах в лабораторных условиях. В работе применяли методы планирования многофакторного

эксперимента. По методике расчета частот собственных колебанш шпинделей составлены программы дня ЭВМ.

Научная новизна.

Предложены расчётные схемы и методика определения частоть собственных колебаний шпинделей механизма, а также разработань программы дга проведения данных расчётов на ЭВМ. Разработан! программа, позволяющая определить геометрические параметрь шпиндельного узла, обеспечивающие вибрационную устойчивосп механизма при получении заданного числа кручений.

Предложена экспериментально подтверждённая форма сеченю профиля рабочей поверхности фрикционного диска (рабочий профиль 1 сечении очерчен по дуге окружности, радиус которой равен толщин! диска). Данная форма позволяет оптимизировать процесс кручения обеспечит!, максимальное число кручений при заданном коэффициент скорости или же обеспечить заданное число кручений при меньше* коэффициенте скорости.

Предложен способ повышения долговечности полиуретановы: дисков путём введения износостойких добавок.

Исследовано влияние некоторых отечественных замасливателей н: степень набухания полиуретана и даны рекомендации по их применению

С использованием методов математического моделировани: много факторного эксперимента получена модель в виде полином; второй степени, адекватно описывающая процесс кручения нип крутильным механизмом и позволяющая максимизировать числ< крушений путём изменения конструктивных параметров механизма.

На основании данных, полученных в ходе выполнен!! диссертационной работы, разработана методика расчёта и проектиро вания высокоскоростных 3-х шпиндельных дисковых крутильны механизмов фрикционного типа.

Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные исследования, положенные в основу данной работы дают возможность конструктору научно обоснованно разрабатывать высокоскоростные крутильные механизмы для текстурирующих машин, выбирая оптимальные параметры, обеспечивающие заданное число кручений и динамическую стабильность механизма при возрастании скоростей текстурировагаш.

Способ повышения долговечности полиуретановых дисков путём введения износостойких наполнителей (порошков овализованых алмазов или оксида хрома) может быть использован не только при изготовлении фрикционных дисков, но и доя других изделий, работающих на истирание.

Реализация результатов работы. Результаты, полученные при выполнении данной работы, переданы ОАО "Химтекстильмаш" (г.Чернигов) и используются при исследовании высокоскоростных крутильных механизмов. Разработанная методика расчёта и проектирования 3-х шпиндельных дисковых крутильных механизмов используется в учебном процессе на кафедре ПМХВ и КОО (МГТА, г. Москва) и на кафедре МА ПХВ (ЧТИ, г. Чернигов). Результаты исследований рекомендуются НИИ, КБ и вузам текстильного профиля доя использования при исследовании и проектировании крутильных механизмов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку:

- на научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГТА им. А.Н.Косыгина, I'. Москва, 1997 г.;

- на заседании кафедры ПМХВ и КОО, МГТА им. А.Н.Косыгина г.Москва, 1997 г.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 3 опубликованных статьях.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав выводов и рекомендаций, списка литературы (63 наименования) i приложений (10 страниц). Работа изложена на 186 страница? машинописного текста, содержит 65 рисунков, 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационное работы, сформулированы её задачи, дано краткое описание работы * основные результаты.

В первой главе приведён обзор литературных источников касающихся процесса текстурирования синтетических нитей методо* ложного кручения с использованием механизмов фрикционного типа Анализ литературных источников показал, что при текстурированго нитей текстильного ассортимента предпочтительным является использо вание 3-х шпиндельных дисковых крутильных механизмов фрикционного типа. Отмечено, что с повышением скоростей текстурирования до 200 м/< возрастают требования к конструкции и динамике крутильньн механизмов, в то время как отсутствует научно обоснованная методик; их расчёта и проектирования. Дан краткий обзор и анализ работ посвящённых исследованию текстурирующих механизмов (авторы Додонкин Ю.В., Шетлер В.В., Носов В.И., Волхонский В.А., У.Моррис Сшшцын С.Н., Чистяков В.Г., Немокаев B.C., Гавриленко Н.И.).

На основании проведённого обзора литературных источников в качестве объекта исследований выбран 3-х шпиндельный дисковый крутильный механизм.

Вторая глава посвящена исследованию динамики шпиндельных узлов крутильного механизма, а именно: определению частот собственных колебаний шпиндельных узлов и оценке влияния конструктивных параметров механизма на уровень его вибрационных характеристик. Дана схема механизма и расчётные схемы для определения частот собственных колебаний. . .

При выборе расчётных схем были проанализированы наиболее распространённые методы приближённого определения частот собственных колебании сложных систем. Поскольку рабочая частота шпинделей должна быть ниже основной критической скорости (чтобы избежать выхода механизма из строя при переходе резонансной зоны), предпочтительнее пользоваться формулой Дункерлея, дающей расчётное значение частоты несколько ниже действительного значения.

При проведении расчёта частоты собственных колебаний шпиндельных узлов крутильного механизма использовали метод сил, метод расчленения сложной системы на простые с последующим определением частоты собственных колебаний по зависимости Дункерлея, а также метод Рзлея при учёте приведённой массы вала.

При проведении расчетов шпиндель крутильного механизма можно рассматривать как полужёсткий.

В конструкции крутильного механизма имеются два типа шпиндельных узлов: с приводным блочком и без него. Конструкцию шпиндельного узла с приводным блочком можно представить как состоящую из трех частей:

а) нижняя консоль с блочком и невесомой межопорной частью;

б) весомая межопорная часть;

в) верхняя консоль с фрикционными дисками и невесомой межопорной частью.

Определив критические угловые скорости частных систем, определяем общую критическую скорость шпиндельного узла. При расчёте шпиндельных узлов без приводного блочка используем схему верхней консоли с блочком, учитывая при этом приведённую массу вала.

С использованием данной методики был проведён расчёт критической скорости крутильного механизма фирмы "Бармаг", тип 5 и снята его амплитудно-частотная характеристика. Отличие теоретического и экспериментального значений не превысило 11%.

Для оценки влияния насадок на величину критической скорости определили критическую скорость шпиндельного узла без насадок. Наличие насадок снижает величину критической скорости шпиндельного узла w на 80 %.

Программы HAST 2-4, составленные на основе описанной методики, позволяют рассчитать критические скорости шпинедпьных узлов крутильного механизма с расположением дисков на консоли или между опорами, а также подобрать параметры механизма, обеспечивающие его устойчивую работу при заданной скорости. По результатам расчётов, проведённых с использованием данных программ, построены графики, наглядно отображающие влияние параметров шпиндельного узла не его критическую скорость. Программы рекомендуется использовать при проектировании крутильного механизма.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния конструктивных параметров • крутильного механизма на эффективность его работы. Исследовано влияние таких параметров, как количество дисков, радиус кривизны рабочей поверхности диска, взаимное перекрытие дисков, зазор между дисками, коэффициент трения дисков. Исследования по данной главе были проведены в лабораторных условиях на специальном стенде, состоящем из 3-х шпиндельного крутильного механизма с регулируемым межцентровым расстоянием, датчика натяжения нити, измерительного прибора Н339, электро-

двигателя с регулируемым приводом. Эксперименты проводились в статическом и динамическом режимах. Критерием оценки служило соотношение натяжений нити до и после крутильного механизма.

В главе приведены результаты испытаний дисков с различными профилями в производственных условиях. Установлено, что диски со сложным профилем рабочей поверхности не имеют преимуществ перед дисками с профилем, очерченым по дуге окружности (круглым). Лучшие результаты получены для дисков с круглым профилем и радиусом кривизны рабочей поверхности равным 6 мм.

Четвёртая глава посвящена математическому планированию эксперимента. При этом было использовано ротатабельное планирование 2-го порядка, поскольку результаты, полученные в 3-й главе дают основания считать искомые зависимости нелинейными. При планировании использовали план Бокса В-4, изменяли наиболее существенные факторы, влияющие на работу крутильного механизма: количество дисков в механизме, радиус кривизны рабочей поверхности диска, зазор между дисками, перекрытие дисков.

По результатам обработки экспериментальных данных получена полиноминальная модель второго порядка, адекватно описывающая процесс текстурирования с использованием 3-х шпиндельных дисковых крутильных механизмов.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям полиуретановых дисков. Рассмотрены две основных задачи:

1) определение влияния замасливателя на степень набухания полиуретана и, следовательно, на долговечность дисков;

2) увеличение долговечности дисков путем введения синтетических алмазов зернистостью 5-7 мкм или порошка оксида хрома, которые повышают износостойкость полиуретановых дисков.

Приведены результаты исследования влияния некоторых замасливателей (Синтокс-12, М-11, ТЭПРЭМ-6 и ТРТ-620) на степень набухания полиуретана. Наименьший прирост массы среди

отечественных замаслнвателей наблюдается при использовании замасли-вателя ТЭПРЭМ-6 И,82%).

Определены приведённые коэффициенты трения синтетической нити по полиуретановым дискам с различным содержанием наполнителей.

Исследована степень истирания полиуретановых дисков с наполнителями. Получены величины оптимального процентного содержания добавок, за счет которых удалось увеличить износостойкость полиуретановых дисков в 2-2,5 раза.

Установлено, что полиуретановые диски с наполнителями имеют больший срок службы, чем диски из чистого полиуретана и в то же время отсутствует проблема "снегообразования" (так называют процесс стирания с нити излишков замасливателя, низкомолекулярных соединений и микроволокон).

В шестой главе изложена методика расчёта и проектирования 3-х шпиндельных крутильных механизмов фрикционного типа. Основная цель, которую преследовал автор при разработке методики - доступность работы доя понимания специалистами соответствующего профиля и возможность использования сё в качестве методического материала при разработке новых конструкций механизмов ложного кручения фрикционного типа.

В методике кратко изложены достоинства 3-х шпиндельных крутильных механизмов, область их применения, диапазон линейных плотностей перерабатываемых ими нитей, предложена последовательность действий конструктора при проектировании 3-х шпиндельных МЛК с учётом исходных требований.

Приведены зависимости для расчёта основных конструктивных параметров механизма: максимального межцентрового расстояния шпинделей механизма; минимального перекрытия дисков, при котором они только касаются нити, не скручивая её; диаметра дисков; для определения технологического и конструкционного углов обхвата нитью

дисков. Кроме того даны рекомендации по выбору таких параметров механизма, как число дисков, их толщина и радиус кривизны рабочей поверхности, зазор между дисками. Приведены зависимости для расчёта мощности, потребляемой крутильным механизмом.

Даны рекомендации но выбору материалов фрикционных дисков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Обзор литературных источников и их анализ показал, что в настоящее время наиболее перспективными среди механизмов ложного кручения нити являются трёхшпиндельные многодисковые механизмы фрикционного типа. Однако до сих пор отсутствует научно обоснованная методика их расчёта и проектирования и её необходимо разработать.

2. Одной из основных задач при создании МЛК является обеспечение вибрационной устойчивости механизма и с этой целью необходимо определять частоту его собственных колебаний. При этом в качестве расчётной схемы предпочтительнее использовать схему свободно лежащего на двух опорах вала с насаженными на нём дисками, расчленять её на частные схемы и находить общую критическую частоту методом Дункерлея.

3. Получено уравнение зависимости для определения частоты собственных колебаний вала с закреплённым не нём диском и формулы для расчёта соответствующих коэффициентов влияния.

4. Отличие результатов теоретических расчётов частоты собственных колебаний крутильного механизма фирмы "Ваппа§" (тип 5) и экспериментальных данных его амплитудно-частотной характеристики не превысило 11%.

5. Анализ зависимости частоты собственных колебаний крутильного механизма от его конструктивных параметров показал, что у шпиндельных узлов консольного исполнения наибольшее влияние

оказывает диаметр их консольной части, а у шпиндельного узла с расположением дисков между опорами - приведённый диаметр шпинделя.

6. При частотах вращения шпиндельного узла свыше 350 об/с рекомендуется использовать конструкцию крутильного механизма с расположением дисков между опорами.

7. Для проведения исследований с целью определения зависимостей транспортирующего и тормозного эффекта крутильного механизма от его параметров разработан стенд, позволяющий изменять: выходное натяжение нити, вдело дисков, зазор между ними, межцентровое расстояние шпинделей, использовать диски разного профиля и с различными коэффициентами трения фрикционной поверхности. Критерием оценки являлось соотношение натяжений нити на входе и выходе механизма.

8. Установлено, что основные параметры, влияющие на эффективность работы крутильного механизма - это радиус кривизны его рабочей поверхности и соотношение данной величины с толщиной диска, число дисков, зазор между ними и перекрытие дисков.

9. В результате проведения многофакторного эксперимента и анализа данных получена математическая модель, адекватно описывающая процесс кручения нити с учётом основных параметров 3-х шпиндельного крутильного механизма. Данный полином рекомендуется использовать для комплексной оценки механизма по окончании его проектирования.

10. Установлено, что расхождение между расчётными и экспериментальными значениями при проведении многофакторного эксперимента не превышало 12% при 6,2% в среднем по всему плану.

11. Анализ результатов экспериментальных исследований влияния геометрических параметров крутильного механизма на эффективность его работы показал:

а) зависимость числа кручений от радиуса кривизны рабочей поверхности диска имеет резко экстремальный характер с максимумом при величине 11/11=1,0-1,3

б) для обеспечения эффективности работы крутильного механизма достаточно 7 рабочих дисков;

в) с увеличением перекрытия дисков величина крутки возрастает, но лишь на 10% в исследованном диапазоне от 7 до 17 мм;

г) зазор между дисками рекомендуется выбирать равным 0,6-0,7 мм, учитывая толщину нити.

Полученные выводы подтверждаются при анализе процесса кручения с использованием математической модели.

12. Исследования дисков с асимметричными профилями в производственных условиях не выявило никаких преимуществ перед дисками с круглым профилем; кроме того, полученная нить по ряду критериев качества уступает нити, полученной на дисках с круглым профилем.

13. Анализ сочетания полиуретановых дисков с.различными замас-! ливателями показал, что при производстве нитей, которые затем будут

текстурироваться с помощью полиуретановых .дисков, следует использовать замасливатели Синтокс-12 и М-11.

14. Использование микропорошков синтетических алмазов или оксида хрома в качестве наполнителей при изготовлении дисков из полиуретана позволяет повысить их долговечность до 1 года при высоких скоростях выпуска нити. При этом обеспечивается высокое качество получаемой нити и при отсутствии "снегообразования".

15. Оптимальным является 5-7% содержание наполнителя в полиуретане. При этом имеет место наименьший износ дисков.

16. Способ повышения долговечности полиуретановых дисков путём введения в композицию алмазного порошка или оксида хрома может быть использован не только при изготовлении фрикционных дисков, но и для других изделий, работающих на истирание.

17. На основании полученных результатов разработана методик расчёта и проектирования 3-х шпиндельного дискового крутильног механизма.

18. Составной частью методики является программа расчёт: критической частоты крутильного механизма НАвТ-проект. Эт* программа позволяет выбрать рабочую скорость механизма в заданноь диапазоне, обеспечивающую его оптимальные динамические характе ристики.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах: ,, ,

1. Сумша О.О., Борщ М.М. Про вплив конструктивних особливос-тей на эфекгавшсть роботы крутильного механизму фрикцшного типу // Вшшк Чершпвського технолопчного шституту. 1996. - № 2. - С. 88-91.

2. Сумша О.О., Борщ М.М. Дослщження потуретанових диск1в крутилышх мехашзм1в фрикцшного типу // В1сник Чершлвського технолопчного институту. 1996. - № 2. - С. 91 -97.

3. Сумина Е.А. Основные рекомендации для разработки трёхшпин-дельных дисковых крутильных механизмов // Депонирование в ЦНИИТЭИлегпром, № 3723-лп от 21.04.97.

ЛР N 020753 от 04.03.93 Подписано в печать 25.04.97 Сдано в производство 25.04.97 Формат бумаги 60x84/16 • Бумага множ. ,Усл. п. л. 1,0 .. ,. Уч.-изд. л. 0.75 Заказ 178 Тираж 80

Электронный набор МГТА; 117918. Малая Калужская, 1^1 ^ ¿