автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и обоснование новой конструкции крутильного механизма прядильной машины с использованием принципа качения бегунка по кольцу

На правах рукописи УДК 678.052

Курков Владимир Васильевич

-21/

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ КРУТИЛЬНОГО МЕХАНИЗМА ПРЯДИЛЬНОЙ МАШИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПА КАЧЕНИЯ БЕГУНКА ПО КОЛЬЦУ

05.02.13 - машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

КОСТРОМА-2004 г.

Работа выполнена в Костромском государственном технологическом университете

Научный руководитель: заслуженный деятель науки,

доктор технических наук, профессор Кузнецов Георгий Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Павлов Ювеналий Васильевич

кандидат технических наук, доцент Разин Сергей Николаевич

Ведущая организация: ФГУП «ЦНИИ Шерсти (г.Москва)

Защита состоится 22 октября 2004 года B 12 00 на заседании диссертационного Совета Д 212.093.01 в Костромском государственном технологическом

университете по адресу: 156005, г.Кострома, ул.Дзержинского, 17, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КГТУ.

Автореферат разослан «20. 09. 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета, заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

¡ФА^-

Н.В.Лустгартен

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время кольцевые прядильные машины составляют около 75 процентов мирового парка прядильных машин. Кольцевой способ прядения различных волокон уже более 150 лет доминирует во всем мире.

Это объясняется тем, что только кольцевой способ прядения обеспечивает одновременно и наивысшее качество, и самый широкий ассортимент вырабатываемой пряжи при максимальной частоте вращения веретен до 25000 об/мин.

Однако, по единодушному мнению ведущих специалистов в области прядения из различных стран мира, потенциал кольцевых прядильных машин практически исчерпан. Одной из основных проблем кольцевого прядения является большая сила трения в паре «кольцо-бегунок», которая:

- ограничивает скорость движения бегунка по кольцу (до 50 м/сек);

- увеличивает уровень обрывности и ограничивает ассортимент вырабатываемой пряжи;

- приводит к быстрому износу бегунка в местах его контакта с кольцом и нитью. Таким образом, данная разработка является актуальной, так как направлена на

кардинальное и комплексное решение указанных проблем, включая повышение производительности и расширение ассортимента и увеличения ресурса работы крутильного механизма.

Цели и задачи работы. Целями данной работы является повышение износостойкости пары "кольцо-бегунок" и повышение производительности крутильного механизма кольцевой прядильной машины, за счет замены принципа скольжения бегунка по кольцу на принцип его качения. Основными задачами данной работы являются:

а) разработка принципиальной схемы новой пары «кольцо-бегунок»;

б) анализ сил, действующих в новой паре «кольцо-бегунок», и степень их вли.г.ия на работу пары и силу натяжения нити;

в) определение и расчет основных факторов, влияющих на силу натяжения выпрядаехмой нити и срок службы бегунка.

Научная новизна. Разработана математическая модель принципиально нового крутильного механизма кольцевой прядильной машины, с использованием качения бегунка по кольцу, определяющая, во-первых силы натяжения выпрядаемой нити в зоне "бегунок-паковка" и в баллоне,

и, во-вторых, - геометрические параметры пары "кольцо-бегунок", исключающие заклинивание бегунка на кольце.

Практическая ценность работы. Практическая ценность разработки

заключается в том, что новая пара «кольцо-бегунок» позволила достичь:

- увеличения срока службы бегунка в 10-100 раз в зависимости от свойств выпрядаемого волокна;

- снижения уровня обрывности пряжи на 10-30 процентов за счет новой геометрии бегунка и принципиально нового взаимодействия бегунка с нитью;

- увеличения скорости движения бегунка до 75 м/сек (в 2 раза);

- расширения ассортимента вырабатываемой пряжи ;

, | рос. национальная!

* | БИБЛИОТЕКА I

! ¿-ЗДх-1

- создания условий для автоматизации процесса прядения на кольцевой прядильной машине.

- В процессе разработки был изготовлен комплект новых колец и бегунков различной массы, который был установлен и успешно прошел лабораторные и производственные испытания на отечественной кольцевой прядильной машине типа ПБ-114-Ш. Новая пара "кольцо-бегунок" демонстрировалась и имела успех на международных выставках ГГMA-95 в Милане и ГГMA-99 в Париже.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили положительную оценку:

• на семинаре по теории механизмов и машин АН РФ (Костромской филиач) в 1998;

• на международной научно-технической конференции «Проблемы повышения качества шерстяных тканей», проводимой ЦНИИшерсти и Итальянской ассоциацией машиностроителей, на базе ОАО Московская тонкосуконная фабрика «Освобожденный труд», Москва, 2001г.

• на международной научно-практической конференции «Пути повышения конкурентоспособности продукции из льна», Вологда, 2004 г.

• на семинаре по теории механизмов и машин «Пути развития кольцевого прядения в шерстяной и льняной отраслях промышленности», Костромской государственный технологический университет, 2004 г.

Содержание работы опубликовано в 5 статьях, в том числе в 2 зарубежных источниках.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами и списка литературных источников. Работа изложена на 127 страницах, имеет 31 рисунок и 7 таблиц.

2. Краткое содержание работы

Во введении дан исторический обзор развития кольцевого прядения и анализ патентной ситуации в ведущих странах мира (Германии, США, Японии) за последние 100 лет по повышению скорости движения и ресурса работы бегунка, определены основные проблемы кольцевого прядения и пары «кольцо-бегунок». Обоснована актуальность темы и изложены цели и задачи диссертации.

В первой главе кратко излагается анализ работы классической пары «кольцо-бегунок», в том числе анализ сил, действующих в паре (рис.1), их влияние на скорость и срок службы бегунка, а также на уровень обрывности вырабатываемой пряжи.

Разработкой различных прядильных машин и процессом прядения в свое время занимались выдающиеся ученые - Леонардо да Винчи, советские ученые Н.Е. Жуковский, Л.Н.Гинсбург и А.П. Минаков . Кольцевой способ прядения был создан

в 1828 году американским инженером Торпсом, а первая кольцевая прядильная машина была продемонстрирована на Всемирной выставке в Париже в 1878 году, то есть только через 50 лет. Эти два факта убедительно говорят о сложности решаемой проблемы.

с а

РисЛ

Современные кольцевые прядильные машины широко используются в прядении различных волокон, включая лен, шерсть, хлопок и их смеси с различными химическими волокнами. Однако потенциал кольцевых прядильных машин на сегодня практически исчерпан в значительной степени из-за большой силы трения бегунка о кольцо, что, во-первых, ограничивает скорость и срок службы бегунка, во-вторых, увеличивает силы Р и То натяжения нити (рис. 1Ь, к), a следовательно, увеличивает уровень обрывности и одновременно ограничивает ассортимент вырабатываемых нитей.

Важнейшим показателе процесса прядения является сила «Р» натяжения нити в зоне между бегунком и паковкой, которая определяется по формуле проф. А.П. Минакова:

где С- центробежная сила, 13- угол намотки, Г - коэффициент трения между бегунком и кольцом, (I - угол обхвата бегунка нитью, у - коэффициент трения между бегунком и нитью.

Анализ данной формулы показывает, что снижению силы «Р» натяжения пряжи способствуют три фактора, в том числе Г-коэффициент трения между бегунком и кольцом, - угол обхвата бегунка нитью, и - коэффициента трения между бегунком и нитью.

Именно поэтому все дальнейшие рассуждения будут так или иначе касаться именно этих величин.

Сила Тб натяжения нити в баллоне определяется по формуле Эйлера :

Кроме того, в месте контакта нити с бегунком на бегунке быстро образуется канавка (рис. Ы), которая резко ограничивает срок службы бегунка и вызывает резкий рост уровня обрывности пряжи. Во второй главе изложены:

а) общая теоретическая база новой концепции по замене принципа скольжения бегунка по кольцу на принцип его качения.

б) указаны два возможных направления реализации новой концепции, первое из которых представляет собой новую пару «кольцо-бегуы'ок», в которой бегунок выполнен в виде тора, отверстие которого предназначено для захвата нити, а второе - новый крутильный механизм (основой которого является новая пара «кольцо-бегунок»), где бегунок выполнен в виде диска (без отверстия для захвата нити), катящегося по кольцу перед нитью.

Первый вариант новой пары «кольцо-бегунок» (рис.2) содержит бегунок в виде тора, установленный в кольцевом зазоре между наружным (рабочим) и внутренним (вспомогательным) кольцами с возможностью свободного качения по наружному кольцу вокруг паковки под действием силы натяжения вырабатываемой нити.

Особенностью первого варианта новой пары «кольцо-бегунок» явля-ется то, что внутреннее кольцо закреплено коаксиально наружному кольцу с помощью 1-3 радиальных

перемычек, а нить движется по сложной траектории, огибая бегунок под углом 230-240 градусов (см. рис.2с, 2ё).

Анализ сил, действующих в новой паре «кольцо-бегунок», показывает, что сила Р натяжения пряжи в зоне между бегунком и паковкой снижается на 30

рис.2

процентов, при этом сила Тб натяжения пряжи в баллоне снижается практически в 3 л^г за счет изменения (увеличения) угла ц' огибания бегунка нитью.

Р>=-.-^- - с-=0Д29_ (3)

!12|2! + СО530»_ —1(Япа + соваг ) + 0,86- (0,174 + 0,985 ) I / ) 0,07 ) 3,7 '

тб,= Г___ ОД29С=0>035 (4)

е"' 3,7

Сравнительная таблица 1 показывает, что первый и второй варианты нового крутильного механизма обеспечивают (в разной степени) снижение и силы Р натяжения нити в зоне от бегунка до паковки, и силы Тб натяжения нити в баллоне, при этом в первом варианте соотношение сил Р/Тб резко возрастает по сравнению с классическим вариантом крутильного механизма.

Таблица 1

Вариант исполнения механизма Сила «Р» натяжения нити в зоне «бегунок-паковка» Сила «Тб» натяжения нити в баллоне

Классический 1 вариант 2 вариант 0.189С 0,129 С 0,06 С 0,095 С 0,035 С . 0,053 С

При качении бегунка по кольцу он (бегунок) вращается вокруг собственной оси, а следовательно, движется относительно нити по замкнутому кругу. Такое движение бегунка исключает образование канавки на теле бегунка от нити. Более того, такое взаимодействие нити с новым бегунком приводит к полировке его поверхности и улучшению условий движения нити. На графике 1 (рис. 3) показаны результаты исследования уровня обрывности выпрядаемой нити.

в 16 24 240

Время работы бз£'}нха (час)

рис.3

В первом варианте новой пары «кольцо-бегунок» вертикальная составляющая сила Pz (рис. 2d) стремится повернуть бегунок поперек движения, а следовательно, в этом варианте пары сохраняется риск заклинивания бегунка на кольце.

Основным условием свободного (без заклинивания) движения бегунка является соблюдение соотношения между шириной «а» (рис.4) направляющего выступа наружного и внутреннего колец и радиусом «г» бегунка в пределах:

а = (0,2-0,25)г (5)

При «а» меньше 0,2 угол а перекоса и сила натяжения нити начинают возрастать в геометрической прогрессии (рис 5), а при «а» больше 0,25г невозможно

рис. 4 Рис. 5

обеспечить достаточную жесткость конструкции бегунка. Кроме того, ширина «а» направляющего выступа внутреннего кольца влияет на вероятность защемления нити между ободом бегунка и внутренним кольцом, а следовательно, влияет и на работоспособность новой пары (при «а» меньше 0,2г вероятность защемления нити возрастает до критической величины). Производственные испытания и анализ качества нити

В процессе производственных испытаний новой пары вырабатывалась пряжа от 200 до 65 текс из гребенной шерсти при скорости веретен до 7500 об/мин, что на 20 процентов выше скорости на классической паре, при этом срок службы бегунка увеличился минимум в 10 раз.

Показатели качества пряжи, полученной с помощью традиционной и новой пары «кольцо-бегунок», приведены в сравнительной таблице 2.

Таблица 2

Наименование показателей Пряжа, полученная на традиционном "кольце-бегунке" Пряжа, полученная на новом "кольце-бегунке"

1. Фактическая линейная плотность (текс) 12,5 12,45

2. Коэффициент вариации по линейной плотности (%) 1,12 1.12

3. Разрывная нагрузка (сН) 770 780

4. Коэффициент вариации по разрывной нагрузке (%) 9.2 9.4

5. Разрывное удлинение (%) 21.3 21,7

6. Коэффициент вариации по разрывному удлинению (%) 10,7 10,7

Таблица 2, подтверждает, что основные физико-механические характеристики пряжи с традиционного и нового колец практически не отличаются. В такой

ситуации решающее значение приобретает показатель уровня обрывности, так как обрывность, и прямо и косвенно, влияет на качество вырабатываемой пряжи. В новом крутильном механизме показатель уровня обрывности существенно меньше (см. рис.3), а следовательно, и качество пряжи также выше. Экономическая эффективность новой пары «кольцо-бегунок» Разработка позволяет увеличить срок службы бегунка, снизить уровень обрывности пряжи и повысить скорость (производительность) веретен. Только за счет повышения в 3 раза срока службы нового бегунка (48 часов, вместо 16) обеспечивается:

- повышение производительности кольцепрядильной машины на 1,25 процента;

- снижение затрат на закупки бегунков на 15000 рублей в год.

В третьей главе изложена принципиальная схема (рис.6) и основные принципы проектирования второго варианта новой пары «кольцо-бегунок» и результаты теоретических расчетов и лабораторных испытаний второго варианта.

с а

рис.6

Основной особенностью второго варианта новой пары «кольцо-бегунок» является то, что внутреннее кольцо закреплено на кольцевой планке машины с помощью стойки 10, проходящей через полое веретено, что обеспечивает беспрепятственное вращение нити в кольцевом зазоре с минимальным трением Б и углом ц огибания бегунка (рис.6 Ь, 6с).

Кроме того, крайне важно указать, что во втором варианте пары силы Р и Тб воздействуют не на бегунок, как это происходит в классическом и первом вариантах пары, а непосредственно на внутреннее кольцо 8. Таким образом, впервые в мировой практике бегунок движется по кольцу под действием совершенно новой силы "Я" (рис.6ё), вектор которой расположен в плоскости вращения бегунка и совпадает с направлением его движения, а следовательно, бегунок второго варианта новой пары не подвержен перекосу и/или заклиниванию (как это происходит в классическом и первом вариантах пары) и движется по кольцу с минимально возможным трением о кольцо. В процессе работы разработаны геометрические параметры работоспособности новой пары, в том числе условия движения бегунка без заклинивания и без защемления или проскальзывания нити между бегунком и внутренним кольцом.

По вышеприведенным формулам (1) и (2) определены силы натяжения Р и Тб, а также определена зависимость этих сил между собой .

Важно заметить, что во втором варианте новой пары «кольцо-бегунок» соотношение сил Р и Тб равно 1,13 (вместо 2 и 3,7 в классическом и первом вариантах пары).

Нижеприведенная таблица 3 сил натяжения нити позволяет сравнить и проанализировать работу классического и двух вариантов новой пары «кольцо-бегунок».

Из таблицы 2 видно, что второй вариант новой пары обеспечивает не только снижение в 2-3 раза сил Р и Тб натяжения пряжи, но и благоприятное соотношение этих сил:

Тб = 1,13 Р (8)

что в свою очередь обеспечивает равномерное (без резкого перепада в месте контакта нити с бегунком) натяжение пряжи от выпускной пары валов вытяжного прибора машины до паковки.

Взаимосвязь срока службы и уровня обрывности

Как и в первом варианте новой пары, бегунок второго варианта одновременно вращается и вокруг оси веретена, и вокруг собственной оси, при этом контакт бегунка с нитью размазан не по всей поверхности бегунка (как в первом варианте, а исключительно по окружности обода бегунка, что, во-первых, резко снижает зону контакта нити с бегунком, а во-вторых, исключается образование канавки на теле бегунка. Таким образом, и второй вариант новой пары «кольцо-бегунок позволяет резко снизить уровень обрывности вырабатываемой пряжи и одновременно в десятки раз увеличить срок службы бегунка. На графике 1 показана взаимосвязь между сроком службы трех вариантов бегунков (традиционного и двух вариантов нового) и уровня обрывности вырабатываемой пряжи.

Анализ графика 1 показывает, что срок службы первого и второго вариантов бегунков в десятки раз превышает срок службы традиционного пластмассового бегунка, при этом уровень обрывности постоянен на всем протяжении срока службы бегунка и на 40-50 процентов ниже по сравнению с первым вариантом бегунка

Расчет оптимальной ширины внутреннего кольца

Анализ сил (рис.7), действующих во втором варианте пары «кольцо-бегунок», показывает, что величина движущей бегунок силы Ру и вероятность заклинивания нити между бегунком и внутренним кольцом зависят от соотношения ширины «а» опорного выступа внутреннего кольца и радиуса бегунка (рис.8).

При ширине «а» полочки, близкой к нулю, вектор движущей бегунок силы Ру направлен в сторону от направления движения бегунка, а нить неизбежно заклинивается между ободом бегунка и внутренним кольцом.

Для определения критической величины «а» направляющей полочки внутреннего кольца составлены уравнение равновесия (считая движение бегунка устоявшимся) и уравнение моментов относительно точки контакта бегунка с внешним кольцом:

а

Ь

Рис.7

Рис. 8

1п = Р БтЗ - Т = 0 1т = Т Бшу - Тк - М = 0

(9) (Ю)

Из второго равенства получаем условие движения бегунка:

Тг сову > Тк + М (11)

После ряда преобразований данного выражения получим условие минимального натяжения нити Р и Тб в зависимости от ширины «а» опорной полочки внутреннего кольца и радиуса «г» бегунка:

Соэу = -у/1-зга:у =^\-(\-Ь)2 =ЬЪ-Ъг, гдеЬ=а/г (12)

В четвертой главе изложены рекомендации по практическому использованию новой пары «кольцо-бегунок», в том числе показаны приемы быстрой замены бегунка, а также способы заправки нити .

3. Общие выводы

1. Работа позволила определить два основных направления развития новой концепции и разработать два варианта крутильного механизма прядильной машины с использованием принципа качения бегунка по кольцу, различающихся способом крепления кольца на кольцевой планке, формой бегунка и способом взаимодействия бегунка с нитью.

2. В результате анализа сил, действующих в новом крутильном механизме, установлено, что сила натяжения выпрядаемой нити и в первом и во втором вариантах нового крутильного механизма снижается, при этом:

- в первом варианте соотношение силы натяжения в зоне «бегунок-паковка» возрастает на 70 процентов по сравнению с классическим крутильным механизмом, что позволяет повысить плотность намотки и увеличи, вес паковки,

- во втором варианте нового крутильного механизма это соотношение снижается на 85 процентов (по сравнению с классическим механизмом) и близко к единице, что создает оптимальные условия для получения нити высоких номеров и прядения коротких волокон.

3. В результате исследований установлено, что качение бегунка позволяет:

- снизить и стабилизировать уровень обрывности выпрядаемой нити за счет нового взаимодействия бегунка с нитью, исключающего образование канавки в теле бегунка в месте контакта с нитью;

- резко (в десятки раз) повысить срок службы бегунка, во-первых, за счет снижения коэффициента трения между бегунком и кольцом и, во-вторых, за счет исключения прорезания бегунка нитью.

4. В результате проведенных расчетов установлено, что величина перекоса (заклинивания) нового бегунка на кольце и вероятность защемления нити между бегунком и кольцом зависят от соотношения ширины «а» направляющих элементов нового кольца и радиуса нового (круглого) бегунка, при этом это соотношение должно быть в пределах: а = 0,2 - 0,25 г.

5. В результате исследований работы второго варианта нового крутильного механизма установлено, что минимальная сила натяжения выпрядаемой нити достигается при условии, когда ширина «а» направляющего элемента кольца равна радиусу нового бегунка, то есть при а= 1,0-1,1 г (рис.7).

6. Проведены лабораторные и производственные испытания первого и второго вариантов нового крутильного механизма, подтвердившие работоспособность и экономическую э ффективность новой концепции.

7. Сравнительный анализ качества нити, полученной с помощью классического и нового бегунков, показал, что выпрядаемая с помощью нового крутильного механизма нить по всем параметрам, включая линейную плотность, разрывную нагрузку и удлинение, сравнима с нитью, полученной на классическом кольцевом крутильном механизме (см. таблицу 2), при этом уровень обрывности в новом крутильном механизме значительно ниже и стабильнее, а следовательно, и качество пряжи полученной на новом механизме можно считать выше.

8) В процессе исследований двух вариантов нового крутильного механизма установлено, что первый вариант механизма предназначен и рекомендуется для прядения нитей низких и средних номеров (от Nm 1 до Nm 30) из длинных волокон (например, шерсти) , а второй вариант - для нитей средних и высоких номеров (от Nm 20 до Nm 300) из коротких волокон (например, хлопка).

По результатам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Курков В.В., Лабок В.Г. Новая кольцепрядильная система. Журнал «ТекстильнаяПромышленность»№,2000 г.,стр.45-46,7 ил.

2. V.Kurkov. Ring-spinning novelty, «Textile Asia», Business Press Ltd, Januari 2001, p.49-50, fig.5.

3. W.Kurkow. Ein neues Ringspinn-system, «International Textile Bulletin», N6, Novemb *r 2001, p.51-54, abb.5

4. Курксь В.В. «Прядильный колпак как альтернатива кольцевому способу прядения». Материалы международной научно-практической конференции «Пути повышения конкурентоспособности отечественной продукции из льна», Изд. ЦНИИИЛКа, стр.266-267., Мин.промышленности, науки и технологий Российской Федерации.

5. Кузнецов Г.К., Курков В.В., Титов С.Н., «Технология текстильной промышленности», 2004, № 1.

¡7535

РНБ Русский фонд

2005-4 15263

Курков Владимир Васильевич

Разработка и обоснование нового крутильного устройства для прядильной машины с использованием принципа качения бегунка по кольцу

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 13.09.2004. Формат бумаги 60x84 1/16 Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Заказ 596. Тираж 100.

Редакционно-издательский отдел Костромского государственного технологического университета, ул. Дзержинского, 17.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Анализ теоретических и экспериментальных работ по исследуемому вопросу.

1.1. Анализ сил, действующих в традиционном узле "нить-бегунок-кольцо".

1.2. Оценка износостойкости современных колец и бегунков

1.3. Оценка влияния бегунка на качество и обрывность вырабатываемой пряжи.

1.4. Основные направления развития пары "кольцо-бегунок" и оценка их перспектив.

1.5. Выводы и постановка задач диссертации .,.

ГЛАВА 2. Разработка первого варианта нового крутильного механизма с использованием принципа качения бегунка по кольцу.

2.1. Разработка принципиальной схемы первого варианта нового крутильного устройства.

2.2. Силовой анализ первого варианта пары «кольцо-бегунок

2.3. Основные условия работоспособности первого варианта новой пары «кольцо-бегунок».

2.4. Краткое описание работы первого варианта новой пары

2.5. Разработка конструкции и изготовление опытного образца первого варианта пары для машины ПБ-114-Ш.

2.6. Проведение производственных испытаний первого варианта пары «кольцо-бегунок».

2.7. Сравнительный анализ качества выработанной пряжи

2.8. Разработка вспомогательных операций.

2.9. Краткие выводы по первому варианту нового крутильного механизма.

ГЛАВА 3. Разработка второго варианта нового крутильного механизма

3.1. Разработка принципиальной схемы второго варианта новой пары "кольцо-бегунок".

3.2. Силовой аналш второго варианта новой пары.

3.3. Основные условия работоспособности второго варианта крутильного механизма.

3.4. Краткое описание работы второго варианта крутильного механизма.

3.5. Изготовление и экспериментальные испытания модели второго варианта крутильного механизма

3.6. Оценка износостойкости бегунка второго варианта.

3.7. Оценка влияния второго варианта крутильного механизма на качество и обрывность пряжи.

3.8. Разработка вспомогательных операций.

3.9. Краткие выводы по второму варианту новой пары.

Многочисленные археологические находки, проводимые на территории современной Европы, Средней Азии, Африки, Южной и Северной Америк показывают (рис. 1,2), что одним из древнейших орудий производства является прядильное веретено /3,17,34/. Это не удивительно, так как во все времена одной из жизненных необходимостей человека была и остается одежда, которая предохраняет его от переохлаждения или перегрева, а также служит предметом различных социальных и других атрибутов, выражающих личность человека, его принадлежность к той или иной расе или религии. Именно веретено позволяет из отдельных волокон получить достаточно прочную нить /3,17/.

Первые механические прялки (рис.3) появились практически одновременно в различных частях Европы, в том числе в России /17/, в середине 16 века, и представляли собой рогульчатое веретено (рис.4), вращающееся с помощью ножного привода. Над усовершенствованием прялки (рис.5) в XV веке работал и великий ученый и изобретатель Леонардо да Винчи /3/, что говорит о важности и сложности проблем прядения.

Остатки Гм' глниявого мре- ммое »«ретем uummro «не «•»«• кк|, mtuHiwe юго ее«, i Tei ритораа мйдевное на

CCCf территории Ulacluapa* рис.1

Схема ручного прадемия рис.2 Руссы* иколрадк* рис.3

Рогульчатое веретено самопрялки рис.4

Ii 13 U I? . C»Of. ыка Леонардо да Винчи рис.5

Первая прядильная машина "Дженни" была создана в Англии усилиями Д.Гарриссона и Р.Аркрайта в 1767 году, и затем, в 1775 году была усовершенствована С.Кромптоном, который объединил первый вытяжной аппарат с подвижной кареткой с веретенами машины Дженни /3/ и получил первую прядильную машину непрерывного действия.

Дальнейшее развитие и совершенствование прядильной машины привело к трансформации рогульки в колпак и созданию:

- рогулъчатой прядильной машины с вытяжным аппаратом и колпачными веретенами со свободно надетыми на них фланцевыми катушками (рис.6);

- сельфакторной. машины с разделенными процессами кручения и наматывания пряжи (рис.7);

- кольцепрядильной машины с вытяжным аппаратом и веретенами (рис.8);

- комбинированной колпачной прядильной машины с подвесной рогулькой в виде колпака и веретеном от кольцепрядильной машины (рис.9), разработанной в СССР в 1930-1935 годах советским инженером Зворыкиным

17/, я иг • рис.6 рис.7

Подмена! ро-Пиым системы

И. Л Заорышш рис.8 рис.9

Рогульчатые и колпачные прядильные машины .и сельфакторы успешно использовались во всем мире более 200 лет, при этом пряжа из хлопка, шерсти и льна низких и средних номеров вырабатывалась в основном на рогульчатых и колпачных прядильных машинах, а пряжа средних и высоких номеров, - на сельфакторах.

Сельфакторы и колпачные прядильные машины были вытеснены кольцепрядильными машинами в конце- 19 и средине 20 веков, так как благодаря малому весу бегунка обеспечивали более высокую скорость (производительность) веретен и более широкий ассортимент вырабатываемой пряжи из длинных (лен, шерсть) и коротких (хлопок) волокон.

Сегодня кольцевые прядильные машины составляют около 80 процентов мирового парка прядильных машин /6,10,50/, а остальные 20% парка, составляют пневмопрядильные машины, разработанные в 1955-1960 годах в СССР, совместно со специалистами из Чехословакии.

Кольцевой способ прядения был создан в 1828 году американским инженером Торпсом /3/, а первая кольцевая прядильная машина была продемонстрирована на Всемирной выставке в Париже в 1878 году, то есть через пятьдесят лет, что говорит о сложности решаемой задачи.

Длительное . время пару "кольцо-бегунок" специалисты считали неработоспособной парой из-за огромных нагрузок, возникающих в месте контакта бегунка с кольцом /28/, однако уже в начале 20 века кольцевые прядильные машины практически полностью вытеснили рогульчатые колпачные) машины и сельфакторы, так как могли вырабатывать пряжу в самом широком ассортименте при скорости веретен до 15 ООО об/мин.

Современные кольцепрядильные машины работают со скоростью вращения веретена до 25 ООО об/мин., и уже более 150 лет, кольцевой способ прядения различных волокон не имеет альтернативы. Это объясняется тем, что и сегодня только кольцевой способ прядения обеспечивает одновременно и наивысшее качество, и самый широкий ассортимент вырабатываемой пряжи с максимальной (до 25 ООО об/мин) скоростью веретен.

Однако, по единодушному мнению ведущих специалистов в области прядения из различных стран мира, потенциал кольцевых прядильных машин практически исчерпан, в значительной степени из-за большой силы трения бегунка о кольцо, что ограничивает скорость вращения бегунка по кольцу (пределом скорости бегунка считается скорость в 45-50 м/сек), и приводит к быстрому износу бегунка. Для стального бегунка ресурс работы равен 200250 часов, для полиамидного,- 8-32 часа /28,41,42/.

За последние 100 лет производительность кольцепрядильных машин увеличилась незначительно /9/, и в основном за счет механизации вспомогательных операций (использования автоматического съема паковок и замены ровницы), а также за счет уменьшения диаметра кольца и агрегирования прядильной машины с мотальным автоматом. Кроме того, себестоимость кольцевой пряжи остается сравнительно высокой, из-за большой доли ручного труда при устранении обрыва нити.

Кольцепрядильная машина (рис.10 и 10а)' содержит три основных узла, вытяжной прибор, веретено и пару "кольцо-бегунок", определяющих ее основные технические характеристики /36,37/. При этом веретена и вытяжной прибор имеют и сегодня значительный потенциал, и только пара "кольцо-бегунок" сдерживает рост производительности кольцепрядильной машины. Именно поэтому специалисты и ученые различных стран мира постоянно ищут пути совершенствования пары "кольцо-бегунок" /9/. Сущность процесса кольцевого прядения состоит в том, чтобы:

- путем вытягивания в вытяжном приборе, и скручивания (прядения) отдельных волокон с помощью вращения веретена и бегунка получить пряжу определенной тонины и с заданными физико-механическими свойствами;

- за счет разницы скоростей вращения бегунка и веретена намотать полученную пряжу на паковку с определенной плотностью и весом. рис.10 рис. 10а

Бегунок активно участвует и в процессе кручения и в процессе наматывания пряжи на паковку, что делает его, несмотря на малые размеры и чрезвычайно малый вес (сотые доли грамма) одним из важнейших элементов крутильного механизма машины, при этом именно бегунок сдерживает рост производительности и ассортиментные возможности машины /6,16,50/, из-за больших сил трения, возникающих в месте контакта бегунка с кольцом и/или с пряжей.

Целью данной работы является разработка новой концепции пары "кольцо-бегунок", в которой принцип скольжения бегунка по кольцу заменен на принцип его качения /13,14,27/, что автоматически обеспечивает кардинальное и комплексное решение указанных выше проблем кольцевого прядения, так как коэффициент трения качения на два порядка меньше коэффициента трения скольжения.

В данной работе предполагается:

• разработать и обосновать новую конструкцию крутильного устройства в виде пары «кольцо-бегунок», в которой принцип скольжения бегунка по кольцу заменен на более прогрессивный принцип его качения;

• определить силы, возникающие в новой паре «кольцо-бегунок» и степень их влияния на силу натяжение и уровень обрывности нити, а также на срок службы бегунка;

• определить зависимости геометрических параметров круглого бегунка и нового кольца, обеспечивающие движение бегунка с минимальным износом и без заклинивания, а также движение нити с минимальным натяжением и без защемления.

• подтвердить практически (путем производственных испытаний опытного образца нового крутильного устройства) работоспособность и эффективность замены принципа скольжения бегунка по кольцу, на принцип его качения, а также показать способы быстрого и удобного обслуживания машины с новой парой "кольцо-бегунок", так как без них любая идея не имеет перспектив на ее практическую реализацию.

12

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Основываясь на приведенных выше теоретических расчетах и результатах производственных испытаний опытных образцов двух вариантов принципиально новой пары «кольцо-бегунок» можно утверждать, что цели данной работы, которые заключались в определении возможности использования принципа качения бегунка по кольцу вместо принципа его скольжения и в выявлении основных закономерностей в работе и конструировании новой пары «кольцо-бегунок» выполнены полностью.

1 .Результаты лабораторных и производственных испытаний первого варианта новой пары «кольцо-бегунок» (бегунок в виде тора и кольцо с радиальными пермычками) прямо и косвенно подтвердили факт качения нового бегунка по кольцу, что в свою очередь позволяет:

- увеличить срок службы и стальных и пластмассовых бегунков в 10-100 раз, соответственно, за счет снижения сил трения между бегунком и кольцом;

- дополнительно увеличить срок службы пластмассового бегунка в 5-100 раз (в зависимости от абразивных свойств вырабатываемой пряжи) за счет нового контакта бегунка с нитью и отсутствия канавки на теле бегунка в месте его контакта с нитью;

- снизить уровень обрывности пряжи на 10-20 процентов, в зависимости от характеристики волокна и номера пряжи;

- без больших затрат модернизировать кольцепрядильную машину.

При этом необходимо указать, что из-за особенности конструкции первого варианта кольца пряжа имеет сложную траекторию и большой угол у огибания бегунка нитью, что ограничивает скоростные и ассортиментные возможности новой идеи.

Таким образом, первый вариант новой пары «кольцо-бегунок» целесообразно использовать при производстве пряжи низких и средних номеров (до Nm 40) или пряжи из высоко абразивных волокон (например, шерсти или стекловолокна), а также в случаях, когда используются полиамидные бегунки.

2. Второй вариант новой пары «кольцо-бегунок» имеет сложную систему крепления внутреннего кольца, что с одной стороны усложняет и удорожает конструкцию прядильной машины, но с другой, стороны, сложная конструкция новой пары «кольцо-бегунок» позволила создать принципиально новое взаимодействие бегунка с кольцом и бегунка с нитью. Например, впервые в мировой практике удалось нейтрализовать негативное влияние радиальной Рх и вертикальной Pz сил на работу бегунка и исключить рывки, перекосы и заклинивание бегунка на кольце. Эти усовершенствования, в сочетании с принципом качения бегунка по кольцу позволили полностью реализовать весь потенциал новой идеи, в том числе обеспечить оптимальные условия для движения бегунка по кольцу, а также оптимальную траекторию движения нити и минимальный угол огибания бегунка нитью.

Теоретические расчеты и предварительные результаты испытаний модели второго варианта новой пары «кольцо-бегунок» показали, что второй вариант новой пары «кольцо-бегунок» превосходит первый вариант по всем показателям, так как позволяет:

• увеличить скорость бегунка до 100 м/сек (в два раза);

• увеличить срок службы бегунка до 5000 часов (до года);

• снизить уровень обрывности пряжи на 30-40 процентов;

• резко расширить ассортимент вырабатываемой пряжи (от КГт 1 до Ыш 400).

При этом необходимо указать, что изготовление и эксплуатация второго варианта новой пары «кольцо-бегунок» требуют достаточно высокой точности изготовления и сборки и модернизации ряда узлов и деталей кольцепрядильной машины.

Второй вариант новой пары «кольцо-бегунок» универсален и потому его целесообразно использовать на новой кольцепрядильной машине для прядения средних и высоких номеров пряжи из различных натуральных и искусственных волокон, а также их смесей.

3. Установленные в работе математические зависимости геометрических параметров нового крутильного устройства для кольцевой прядильной машины бегунка позволяют проектировать крутильное устройство с максимально возможным сроком службы бегунка и кольца, а также с минимальным уровнем обрывности вырабатываемой пряжи.

1. Аносов В.Н., Изв.вузов. Технология текстильной промышленности, 1989, № 1. с,96-98. .

2. Бархоткин Ю.К. ,Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. -2003, № 2, с.38-40.

3. Бергман И, Людике А., Руководство по прядению, Часть 1. (перевод с немецкого под редакцией проф. В.К. • Задарновского, Изд-во Легкой промышленности, М.-Л., 1932 г., стр.290-295

4. Борзунов И.Г. и Бадалов К.И., и др., Прядение хлопка и химических волокон, изд. "Легпромбытиздат", М., 1986 г., стр. 149-152

5. Букалов Г.К., Развитие теории взаимодействия текстильного продукта с нитепроводлящими рабочими органами и методов повышения их износостойкости., Кострома, 2001.

6. Бюллер Г., Могут ли кольцепрядильные машины работать быстрее., "Melland textilberichte", № 2, 1974, р.91-100

7. Влияние разницы в натяжении при кручении, возникающей от изменения размера бегунка, скорости веретена и диаметра кольца., "Shirley Institute Memoirs", 1956, December, v.29, p.201-224

8. Греенвуд Ф., Control Ring Systems and Choice of Traveller Weight., "Textile Manufacturer", 1961, v.87, № 1036, April, p. 140-144

9. Гусев B.E., Прядение шерсти и химических волокон, изд. Легкая Индустрия, М., 1974 г., стр.481-487

10. Дуртемпле В., Ring Technique-the Secret of Production., "Canadian Textile Journal", 1960, April. v.77, № 7, p.45-48

11. Кирилов JI.H. Кольцевые прядильные машины для льна, изд. Легкая индустрия, М., 1966г, стр.67-69.

12. Крагельский И.В., Трение волокнистых материалов.- М.:Гизлегпром., 1941.

13. Кузнецов Г.К., Титов С.Н., Румянцев М.А., Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности.-1991, № 1, с. 101-103.

14. Кузнецов Г.К., Курков В.В., Титов С.Н., О возможности замены трения скольжения в паре «кольцо-бегунок» на трение качения., Технология текстильной помышленности № 1,2004.

15. Курков В.В, Лабок В.Г., Текстильная промышленность,- 2000, № 3, с.45-46.

16. Макаров А.И., Расчет и конструирование машин прядильного производства,- М.: Машиностроение, 1969.

17. Малышев А.П., Веретено, изд. ГизЛегПром, Москва, 1950 г., стр.22-29.

18. Меркин Д.Р., Введение в механику гибкой нити,- М.: Наука, 1980.

19. Мигушов И.И., Механика текстильной нити и ткани.-М., Легкая индстрия, 1980.

20. Мигушов .„ И.И., Мей Шун Чи, Изв.вузов. Технология текстильной промышленности.- 1994, № 3,с. 19-23.

21. Неедхам X., Паркин В., Recent Developments in Woollen and Wosted Yarn Manufacture (Traveller and Ring)., "Textile Recorder", 1962, November, v.LXXX, № 956, p.91

22. О работе бегунка, "Textile Industries", 1963, (Из материалов совещания работников текстильной промышленности Юго-Восточных штатов Америки)

23. Основы теории, конструирования и расчет текстильных машин, (под ред. Буданова К.Д.), М.: Машиностроение, 197-5.

24. Оутпут И., Improved Spinning Rings Speed., "Modern Textile Magazine", 1963, March, № 3, V.XXXIV, p.42

25. Пагет Ф., Rings and Speeds, Port II., "Textile Industries", 1965, v.129, № 2, p.79-87

26. Патент СССР N* 1804505, Тоскомизобретений", 1991 г.

27. Патент Германии N* 436164, нац.кл. 76 с, 6/0, 1926 г.

28. Патент США N* 2 051 209, нац.кл. 57/119 57/120, 1935 г.

29. Патент США N* 2 198 636, нац.кл. 57/119, 57/120, 57/156.

30. Патент США N* 3 866 404, МКИ D 01, h 7/52-62, 1974 г.

31. Пиковский Г.И., Сальман С.И., Прядение льна, изд. Легкая индустрия, М., 1968 г.32.' Проталинский С.Е., Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, 1996, № 2, с.24-27.

32. Прошков А.Ф., Расчет и проектирование машин для производства химических волокон.- М., Легкая и пищевая промышленность, 1982.

33. Рыбаков Б.Ф., Ремесло древней руси, изд.'Академии наук СССР, 1946 г., стр. 17-20.

34. Севастьянов А.Г., Методы и средства исследования технологических процессов текстильной промышленности.- М., Легкая индустрия, 1980.

35. Справочник по прядению льна, под ред. Б.Н.Фридман, Легкая индустрия, 1979.

36. Справочник по хлопкопрядению, изд."Легкая и пищевая промышленность", Москва, 1985 (под ред. Широкова В.П.)., стр.231-233.

37. Труевцев Н.И. и др., Технология и оборудование текстильного производства.- Легкая индустрия, 1975.

38. Усовершенствованные прядильные кольца фирмы Saco-Lovell (Англия)., "Textile Industries", 1961, November, v. 125, № 12, р. 162

39. Хвальковский Н.В., Трение текстильной нити.- М.,ЦНИИТЭИлегпром, 1966.

40. Хюттлер В., Optimum Conditions in Ring Spinning, "Textille Recorder", № 936, p.60-62

41. А. Червендинев, Влияние на теглото на бегача въерху физико-мезаничните показатели на памучната прежа., "Текстильная промышленность" № 9, 1968, стр. 13-15

42. Штальдер X., "Grundlagenforschung-Basis für Innovationskraft in Ringspinnen", International Textile Bulletin, 1998.

43. Щедров B.C., Основы механики гибкой нити.- М., Машгиз, 1961.

44. Якубовский Ю.В. и др, Основы механики нити,- Л., Легкая индустрия, 26.

45. Improved Spinning Rings., "Textile Recorder", 1964, March, v.81, № 972, p.82t

46. Heat Treating of Spinning ets Rings., "Textile Manufacturer", 1963, v.89, № 1064, p.345

47. Now to Find Pressure of Traveller Against Ring, "Textile Word", 1965, July, "Fact-File", p.64

48. Now to Find Correct Traveller Weight.', -"Textile World", 1981, juli, p.56

49. Optimum Spinning. Spindle Speeds and Traveller Weights for Maximum Production of Cotton Yarn., "Platts Bulletin",v.X, № 9, p. 299-306

50. Ring Holder Shows oll Level., @ Modern Textiles Magasine", 1963, June, p.46

51. Ring und Lauferkombinationen und garndurchgang bei Spinn und Zwirnringen., "Spinner-Weber Textilverdlung", № 9, 1977, p.859-897 .

52. Using a Monogram to get Traveller Speed., "Textile World", 1965, Juli, p.68

53. Unfinished Rings., "Textile Industries", 1962, June, v. 126, № 6, p.67-68