автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и обоснование основных параметров новой машины для штапелирования льняного волокна методом разрыва

Введение.

1. Аналитический обзор. Основные способы штапелирования текстильных волокон. Конструктивные и технологические схемы и их недостатки. Задачи исследования.

1.1. Конструктивные схемы машин для штапелирования резанием.

1.2. Конструктивные схемы машин для штапелирования методом разрыва.

1.3. Исследования посвященные вопросам штапелирования текстильных волокон.

1.4. Задачи исследования.

2. Разработка новой конструктивной схемы штапелирующей установки для льняного волокна.

2.1. Штапелирующая установка с контролируемым разрывом.

2.2. Штапелирующая установка с контролируемым разрывом и очисткой волокна.

2.3. Выводы.

3. Обоснование основных конструктивных параметров новой штапелирующей установки.

3.1. Возможные варианты конструкций разволокняющих рабочих органов.

3.2. Выбор основных параметров игольчатой (колковой) гарнитуры.

3.3. Обеспечение условий захвата и затягивания волокна в питающей паре.

3.4. Определение необходимого усилия при разрыве волокна.

3.5. Обоснование силовых характеристик взаимодействия прижимных рычагов (колосников) с питающим валом.

3.6. Исследование динамической системы «питающий валик волокно - колосник» с целью выбора рациональных параметров системы.

3.7. Выводы.

4. Моделирование взаимодействия рабочих органов новой установки с волокном в процессе штапелирования.

4.1. Моделирование процесса взаимодействия рабочего органа с прядкой волокна в процессе очистки.

4.2. Взаимодействие отбойной лопасти со штапелированным волокном

4.3. Выводы.

5. Экспериментальные исследования получения короткоштапель-ного льняного волокна из отходов трепания методом разрыва.

5.1. Обеспечение контролируемости разрыва волокон в новой установке.

5.2. Получение короткоштапельного волокна по новому принципу на экспериментальном стенде.

5.2.1. Методика экспериментальных исследований.

5.2.2. Результаты экспериментов. Диаграммы разброса штапельной длины полученных волокон.

5.2.3. Исследование распределения штапеля в зависимости от параметров наладки.

5.3. Экспериментальный образец машины для штапелирования льняного волокна.

5.4. Экспериментальные исследования работы машины.

5.5. Выводы.

В текстильной промышленности намечается подъем производства. На передний план выносятся проблемы совершенствования технологических процессов и создания нового высокопроизводительного оборудования способного производить конкурентно способную продукцию. Одним из путей решения этих проблем, может быть разработка новых технологий и оборудования, позволяющих создавать эту продукцию из нетрадиционного сырья, на существующем на текстильных предприятиях прядильном оборудовании. Использование волокнистых отходов трепания и некондиционного льна в стеблях, для получения короткого льняного волокна, откроет новый отечественный источник сырья, для изготовления нового ассортимента пряжи из смесей льна с хлопком, с шерстью и с химическим волокном. Для того чтобы, можно было использовать лен для прядения в смеси с другими волокнами, необходимо сделать эту смесь однородной по геометрическим и физико-механическим свойствам, а в первую очередь по длине волокна, его тонине и по степени очистки волокна от сорных примесей. Для этого необходима разработка нового оборудования, которое позволило бы изменять штапельную длину льняного волокна, его тонину и проводить очистку волокна от сорных примесей.

В настоящее время штапелирование текстильных волокон применяется для получения волокна со штапельной диаграммой шерстоподобного вида из жгута химических волокон и для штапелирования некоторых натуральных волокон, например шелка. Однако, использование применяемых в этих производствах способов штапелирования для получения короткошта-пельного льняного волокна не возможно по ряду причин.

Сегодня известно, большое количество конструкций предназначенных для переработки льняного волокна различного происхождения в ко-роткоштапельное волокно, много работ посвящено исследованиям этого процесса. Анализ этих работ показывает, что существующие способы штапелирования методом резания и методом разрыва имеют ряд недостатков значительно ухудшающих процесс получения пряжи из смесей, включающих короткоштапельный лен. Кроме того, существующие способы штапелирования используют, как правило, в качестве сырья только отходы трепания льна.

Совершенствование способа штапелирования методом разрыва с целью получения волокна более равномерной длины позволит разработать высокопроизводительное оборудование, позволяющее получать качественное льняное волокно, пригодное для прядения в смеси с другими волокнами. Кроме того, необходимо предусмотреть возможность получения волокна из некондиционной льнотресты и соломы.

Поэтому разработка оборудования и технологий для подготовки льняного волокна к прядению в смеси с другими волокнами является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является создание теоретических основ проектирования новой машины для получения короткоштапельного льняного волокна методом контролируемого разрыва и исследование процессов протекающих при этом. Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи и получены новые результаты:

1. проведен анализ существующих методов штапелирования волокна и оборудования для их осуществления, определенны их недостатки;

2. усовершенствован способ штапелирования волокон разрывом и разработана более совершенная конструктивная схема машины для штапелирования льняного волокна, в которой возможно получение кроткош-тапельного волокна из отходов трепания и из стеблей некондиционного льна, с параллельной очисткой полученного волокна;

3. предложены теоретические модели, позволяющие изучить процесс взаимодействия волокна с рабочими органами новой штапелирующей машины, изучить процесс очистки волокна и модель, позволяющая спрогнозировать отдельные свойства получаемого волокна при различных параметрах установки, определены основные параметры новой установки для получения короткоштапельного льняного волокна;

4. по результатам теоретических исследований разработан экспериментальный стенд и проведены исследования подтвердившие преимущества метода контролируемого разрыва, и позволившие предварительно определить некоторые параметры установки для штапелирования; создан экспериментальный образец новой установки, проведен анализ волокна получаемого с ее помощью.

Методы исследования

При выполнении диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования.

Теоретические исследования проводились с применением общих методов теоретической механики, методов динамики машин, дифференциального исчисления.

Решение и анализ уравнений проводился аналитическим путем и численными методами с использованием ЭВМ.

Применялись современные методы планирования и автоматизации экспериментальных исследований.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- созданы математические модели процессов, протекающих в новой машине, использующей принцип контролируемого разрыва, таких как процессы захвата и затягивания волокна в зону разрыва, удержания волокон, захвата и разрыва волокон разволокняющим органом и разработаны методики определения основных параметров машины;

- разработана модель взаимодействия прядки волокна с рабочими органами машины в процессе очистки, учитывающая скорость удара, упругие и демпфирующие свойства волокна;

- предложена модель, прогнозирующая среднюю длину и среднеквадратичное отклонение волокна получаемого методом контролируемого разрыва.

Практическая значимость

В результате выполненных исследований:

- разработана новая машина для получения короткоштапельного льняного волокна методом контролируемого разрыва. Изготовлен экспериментальный образец такой установки;

- определены основные параметры рабочих органов установки и технологического процесса;

- разработан экспериментальный стенд для исследования процесса шта-пелирования волокна методом контролируемого разрыва;

- даны рекомендации по проектированию новой машины для штапелиро-вания.

Апробация результатов работы

Материалы диссертации были доложены и получили положительную оценку:

- на международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лен 2002) г. Кострома, «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс 2001) г. Иваново, «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2001) г. Москва;

- на всероссийском семинаре по теории машин и механизмов Российской академии наук (Костромской филиал) 2003г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 работ.

6. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ существующих способов штапелирования текстильных волокон показал, что существуют два основных способа - разрывом и резанием. Способ разрыва между вальцами, вращающимися с разной скоростью, не применим для получения короткоштапельных льняных волокон, т.к. при этом способе получаются волокна с большим разбросом длины при средней длине около 100 мм. Способ резанием дает более равномерный штапель, но при этом получаются тупые концы волокон, что ухудшает их прядильные свойства. Необходима разработка нового способа штапелирования, лишенного этих недостатков.

2. Разработан новый способ штапелирования разрывом, обеспечивающий контролируемость разрыва и среднюю длину волокна, с необходимой для технологического процесса точностью. На разработанную установку получен патент Российской Федерации на изобретение.

3. Предложены теоретические модели, описывающие процесс взаимодействия волокна с рабочими органами машины и методики для определения основных параметров новой установки, таких как:

- основные геометрические параметры разволокняющего устройства оснащенного игольчатой (колковой)гарнитурой;

- числа рядов игольчатых планок;

- обеспечение условий затягивания и транспортирования волокон;

- обеспечение необходимого усилия прижима педали к питающему валу.

4. Проведен динамический анализ системы «питающий вал - волокно -прижимной рычаг», результаты которого позволяют определить допустимую скорость транспортирующего вала и параметры жесткости пружин в зависимости от масс рычагов и требуемого усилия прижима.

5. Создана теоретическая модель процесса очистки волокна в новой машине, которая позволила оценить влияние основных конструктивных и кинематических параметров машины на выделение сорных примесей.

6. Предложена методика расчета ударной нагрузки действующей со стороны рабочего органа на зажатую прядку волокна, позволяющая определить основные динамические параметры процесса очистки и разво-локнения льняного волокна.

7. Предложена модель, позволяющая прогнозировать среднюю длину и неравномерность штапельного состава волокна получаемого методом контролируемого разрыва.

8. Разработан экспериментальный стенд и проведены исследования влияния параметров зажима обрабатываемого волокна и расположения рабочих органов на штапельную длину волокна и ее неравномерность. На основании этих исследований и теоретических положений для получения хлопкоподобного льняного волокна можно рекомендовать:

- шаг установки зажимных элементов 35-40 мм;

- ширина зажимных элементов (без очистки) 15-25 мм, (с очисткой волокна) 10-15 мм;

- усилия зажатия (усилия прижатия рычага к питающему валу) 150-170 Н;

- глубина внедрения разволокняющсго рабочего органа в паз питающего вала не менее 30 мм.

9. Разработан экспериментальный образец новой машины для штапелирования, использующей принцип контролируемого разрыва. Получены штапельные диаграммы и диаграммы распределения длины получаемого с ее помощью волокна. Среднеквадратическое отклонение длины волокна равно ао=5 - 8 мм при средней длине получаемого волокна равной 30-35 мм. Коэффициент вариации по длине получаемого волокна 20-25%. Количество не прядомых волокон длиной менее 16 мм -1520%. Это подтверждают достоинства метода контролируемого разрыва и работоспособность новой машины.

1. Б.С. Михайлов, А.Г. Севосгьянов. Теория и практика штапелирования жгутов методом разрыва. Из-во "Легкая индустрия". М.: 1971, с. 200.

2. Машиностроение. Энциклопедия в 40 т. Т. IV-13. Машины и агрегаты текстильной и легкой промышленности. М.: Машиностроение. 1997.

3. Патент RU 2104340 от 22.03.96 (автор Пашин Е.Л.). Способ механического штапелирования льняных волокон в ленте.

4. Патент RU 2124593 от 08.10.96 (автор Пашин Е.Л.). Устройство для штапелирования льняного волокна в ленте.

5. Патент RU 2125129 от 14.07.97 (автор Пашин Е.Л.). Устройство для механического штапелирования льняного волокна.

6. А.Г. Севостьянов, П.А. Севастьянов. Моделирование технологических процессов. М.: "Легкая и пищевая промышленность". 1984, с. 344.

7. К.Б. Александров. Компьютерное моделирование штапелирования жгута химических элементарных нитей методом разрыва. Автореферат дис. кан. тех. наук. М.: 2000.

8. В.Е. Гусев, В.А. Усенко. Прядение химического штапельного волокна. М.: "Легкая индустрия". 1964.

9. В.Е. Гусев, П.К. Коряковский. Штапельное волокно в шерстопрядении. Гизлегпром. 1964.

10. J. Wagged. The Relation between the Orientation of Filaments in a Rayon Tow and some Characteristics of Tops made from Tow, journal of the Textile Institute, Transactions, Vol. 45, №2, т. 81-91, 1954.

11. Textile World, vol. 93 №2, p. 109-110. 1943.

12. E.H. Бершев и др. "Технология производства нетканных материалов". М. "Легкая индустрия". 1982, с. 352.

13. В.Е. Слываков. Теория и практика штапелирования жгутовых химических нитей дифференцированным резанием. М. «Легкая индустрия». 1976. 208 с.

14. В.Е. Слываков. Рациональные методы переработки химических волокон. М.: Легпромбытиздат. 1990. 144 с.

15. Ю.В. Павлов и др. Теория процессов, технология и оборудование для приготовления крученой, фасонной пряжи и ниток. Иваново. Ивановская государственная текстильная академия. 1999. 380 с.

16. Л.С. Ильин, Н.В. Баскакова. Исследование процесса получения корот-коштапельного льна методом резания. Вестник КГТУ, Кострома 2001. с. 7-9.

17. Х.А. Алимова, Р.З. Бурнашев. Теоретические аспекты и практические рекомендации по штапелированию и измельчению отходов натурального шелка. Ташкент, Из-во ФАН. 1994. 36 с.

18. К.Б. Александров и др. Компьютерное моделирования процесса штапелирования разрывом. Известия ВУЗов: Технология текстильной промышленности. 1998. №1, с. 24-27.

19. Патент RU 2167226 от 03.04.2000 (авторы Корабельников А.Р., Кора-бельников Р.В., Пашин Е Л ). "Устройство для штапелирования льняного волокна.

20. Патент RU 2178021 от 3 1.07.2000., ( авторы Ширяев А.В., Корабельников Р.В., Корабельников А.Р.) Устройство для штапелирования и очистки льняного волокна.

21. Ширяев А.В., Корабельников Р.В. Разработка новой установки для штапелирования и очистки льняного волокна. Сборник научных трудов молодых ученых КГТУ. Выпуск 2. Кострома 2001, с. 21-24.

22. Г.И. Мирошниченко. Основы проектирования машин первичной обработки хлопка. М.: Машиностроение. 1972.

23. Н.М. Ашнин. Кардочесание волокнистых материалов. М.: Легпромбытиздат. 1985, с. 144.

24. Р.В. Корабельников и др. Выбор основных параметров рабочих органов волокноочистителя. Ж. Известия ВУЗов: Технология текстильной промышленности. 1999. № 1, с. 16-18.

25. И.И. Мигушов. Механика текстильной нити и ткани. М.: Легкая индустрия. 1980, с. 160.

26. А.И. Комиссаров и др. Проектирование и расчет машин обувных и швейных производств. М.: Машиностроение. 1978, с. 431.

27. А.А. Яблонский, С.С. Норейко. Курс теории колебаний. М.: Высшая школа, 1977, с. 248.

28. Прочность, устойчивость. Колебания. Справочник в трех томах (под общей редакцией И.А. Биргера и Я.Г. Пановко). Том 1. М.: Из-во «Машиностроение». 1968, с. 194 195.

29. С.П. Тимошенко. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967.

30. А.В. Ширяев, Р.В. Корабелы гиков. Разработка новой установки для штапелирования и очистки льняного волокна. Сб. научных трудов молодых ученых КГТУ. Выпуск 2, Кострома, 2001. с. 21 24.

31. Р.В. Корабельников, А.В Ширяев, А.Р. Корабельников. Взаимодействие отбойной лопасти со штапелированным волокном. Кострома, КГТУ. Вестник КГТУ, №3. 2001, с. 63-65.

32. А.В. Ширяев, Р.В. Корабельников. О новой установке для получения модифицированного льняного волокна. // Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2001). с. 8 - 9.

33. Р.В. Корабельников, А.В Ширяев, А.Р. Корабельников. Моделирование процесса взаимодействия рабочего органа с прядкой волокна в процессе очистки. Ж. Известия высших учебных заведений. «Технология текстильной промышленности». 200. №3. с. 10-13.

34. А.В. Ширяев, Р.В. Корабельников, А.Р. Корабельников. Совершенствование способа получения модифицированного льняного волокна // Материалы международной научно-технической конференции. Вологда. 2001. с. 22-23.

35. Р.В. Корабельников, А.Р. Корабельников, А.В. Ширяев. Выбор основных параметров игольчатой (колковой) гарнитуры при переработке модифицированного льняного волокна. Ж. Известия Вузов. «Технология текстильной промышленности». 2001, №6.

36. А.В. Ширяев. Определение усилия зажима льняного волокна при его нагружении поперечной сосредоточенной силой. Сб. научных трудов молодых ученых КГТУ. Выпуск 3. 2002, с. 40-42.

37. А.Р. Корабельников, А.В. Ширяев, Р.В. Корабельников. Обоснование основных параметров питающей пары устройств для получения корот-коштапельного волокна методом разрыва. Сб. научных трудов молодых ученых КГТУ. Выпуск 3. Кострома, 2002, с. 126- 131.

38. Р.В. Корабельников, А.Р Корабельников А.В. Ширяев. Выбор рациональных параметров питающего устройства для обработки модифицированного льняного волокна. Ж. Известия Вузов. «Технология текстильной промышленности». 2002. №2.

39. Р.В.Корабельников, А.Р Корабельников Взаимодействие рабочего органа с волокном в процессе очистки. Кострома, КГТУ. Вестник КГТУ,№1. 1999. с. 24 -26.

40. Ю.С. Виноградов. Математическая статистика и ее применение в текстильной и швейной промышленности. Нз-во «Легкая индустрия». Москва, 1970. 312 с.

41. Е. Лаврентьева, Т. Шарова Расширение ассортимента пряжи с использованием короткоштапельного льняного волокна. Ж. «Текстильная промышленность» 2000, JN14.

42. Ширяев А.В. Развитие способов штапелирования методом разрыва применительно к котонизации отходов трепания льна. КГТУ. Кострома, 2003.12 с. Депон. в ООО «Лсгпроминформ», № 4070, 28.10.2002.тссшйсшш шщшшщш1. Ш:1. Ы2178021

43. Российским агентством по патентам и товарным знакам на основании Патентного • закона Российской Федерации, введенного в действие 14 октября 1992 года, выдан настоящий патент на изобретение

44. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШТАПЕЛИРОВАНИЯ И ОЧИСТКИ ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА1. Патентооблацатель(ли):

45. Костромской государственный технологи leckuri, университетпо;:заявке № 2000120547, дата поступления: 31.07.2000

46. Приоритет от 31.07.2000 •Автор(ы) изобретения:

47. Корабелъников (Ростислав (Васильевич

48. Ширяев (Александр (Викторовul, %ора()елъников ойндрей (Ростиславови1

49. Патент действует на всей территории Российской Федерации в течение 20 лет с 31 июля 2000 г. при условии своевременной уплаты пошлины за поддержание патента в силе

50. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерацииг. Москва, 10 января 2002 г.