автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка конструкции и методов проектирования дифференциальных шпаруток ткацких станков

Л/ '

п,-/

и

костромской государственный

технологический университет

На правах рукописи УДК 677.024.001.57

Букина Светлана Васильевна

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ШПАРУТОК ТКАЦКИХ СТАНКОВ

Специальность 05.02.13 Машины и агрегаты (легкая промышленность)

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кузнецов Г.К.

Научный консультант -кандидат технических наук доцент Проталинский С.Е.

Кострома - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................5

Глава 1. Состояние вопроса и обоснование темы исследования.................11

1.1. Назначение шпаруточного механизма...................................11

1.2. Современные тенденции конструирования

шпаруточных устройств........................................................14

1.3. Типичные неисправности шпаруток, возникающие

в процессе эксплуатации......................................................24

1.4. Обоснование темы исследования..........................................30

1.5. Состояние вопроса...............................................................32

1.6. Цель и задачи исследования.................................................51

Глава 2. Теоретические исследования зависимости конструкции шпарутки от основных технологических параметров ткачества..............................!...........................................53

2.1. Анализ напряженного состояния ткани в зоне

шпаруток.............................................................................53

2.2. Исследование влияния условий процесса ширения

ткани на конструкцию шпарутки..........................................59

2.3. Моделирование силового воздействия ткани

на шпарутку........................................................................63

2.4. Методика расчета нагрузки на шпаруточные кольца..................69

2.5. Разработка САПР шпаруточных устройств............................73

Глава 3. Экспериментальные исследования влияния основных показателей процесса ткачества на конструктивные параметры шпарутки.........................................................78

3.1. Экспериментальные исследования силового взаимодействия ткани со шпаруткой.....................................78

3.2. Методика проведения эксперимента......................................80

3.3. Разработка математической регрессионной модели

силового взаимодействия ткани со шпаруткой...........................81

3.4. Экспериментальные исследования распределения

нагрузки на шпаруточные кольца..........................................87

3.4.1. Методика исследований.............................................89

Глава 4. Разработка конструкции и технологии изготовления

дифференциальной шпарутки......................................93

4.1. Обоснование параметров углов наклона колец

в дифференциальной шпарутке............................................94

4.1.1. Подбор материала шпаруточного кольца....................96

4.1.2. Разработка конструкции шпаруточного кольца...........100

4.2. Подбор материала втулки игольчатого кольца......................102

4.3. Разработка конструкции подколечника................................102

4.4. Повышение эксплуатационных свойств игл шпаруточных колец...............................................................................107

4.5. Разработка конструкции дифференциальной шпарутки

с расширенными функциональными возможностями................111

Глава 5. Производственные испытания дифференциальных

шпаруток новой конструкции.......................................116

5.1. Методика по определению среднего срока службы шпаруток..........................................................................116

5.1.1. Экспериментальная проверка результатов

расчета среднего срока службы шпаруток.................122

5.2. Производственные испытания дифференциальных

шпаруток на текстильных предприятиях..............................122

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.............................................124

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В настоящее время на мировой рынок поступает пряжа новых видов, особенно из химических волокон и создаются новые виды тканей. Улучшение качества вырабатываемых тканей наряду с повышением производительности является важнейшей задачей в ткацком производстве. Шпарутка играет ключевую роль, как в процессе формирования ткани, так и в обеспечении ее качества.

Шпарутка является одним из узлов ткацкого станка и служит для удержания ткани на уровне заправочной ширины, для снижения напряженности процесса формирования ткани и нагрузок на нити основы в процессе прибоя, особенно в кромках. От надежности и долговечности работы шпаруток во многом зависит уровень обрывности нитей и качество вырабатываемой ткани. Согласно данным объединения "Климовсктекмаш" и ряда текстильных предприятий, время простоев станков по ликвидации обрывов нитей основы в зоне шпаруток при выработке хлопчатобумажных тканей составило 2.33 часа или 4.23% от общих технологических простоев. Исследованиями ВНИИПХВ установлено, что 60-80% всех обрывов основных нитей при выработке шелковых тканей происходит в зоне шпаруток. Кроме того, установлено, что одной из причин неравномерной уработки нитей по ширине полотна является неудовлетворительная работа шпаруток существующих конструкций.

Несмотря на обилие конструкций шпаруток, ни одна из них не отвечает в полной мере требованиям ткачества. Основной причиной этому является отсутствие научно обоснованных методов проектирования шпаруток с учетом упругих свойств различных тканей.

Для решения имеющихся проблем, с учетом важной роли шпаруток в процессе тканеобразования, возникла необходимость проведения научно-исследовательских работ, целью которых является

всестороннее изучение и анализ существующих конструкций и технологии изготовления шпаруток для бесчелночных ткацких станков, разработка направлений их совершенствования, а также создание на их основе усовершенствованной конструкции шпаруток и прогрессивной технологии их изготовления, которые обеспечили бы высокое качество выпускаемой продукции и удовлетворение современных требований ткачества.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работы является исследование, разработка конструкции и методов проектирования дифференциальных шпаруток, их взаимодействие с тканью с учетом ее упруговязких свойств.

Достижение этой цели позволит повысить производительность ткацких станков за счет существенного снижения износа кромочных нитей вследствие подбора рациональных параметров шпарутки в зависимости от вида вырабатываемой ткани. Кроме того, уменьшатся простои станка из-за снижения нагрузки на нити основы и предотвращения набивания ткани в кромках. Таким образом, современные шпарутки должны обеспечивать эффективную выработку тканей нужной плотности с качественной кромкой, особенно если в нее зарабатывается название фирмы, не должны ограничивать технологических возможностей станка, быть удобными и простыми в обслуживании и иметь высокие эргономические показатели.

В соответствии с поставленной целью предстояло:

- изучить влияние технологических и механических характеристик процесса формирования ткани на конструкцию шпарутки;

- изучить взаимодействие ткани со шпаруткой в процессе формирования ткани на ткацком станке с учетом условий упругих свойств нитей и их реологических свойств;

- разработать методику расчета нагрузки на шпаруточные кольца и натяжения ткани по зонам шпарутки;

- разработать рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров и путей усовершенствования существующих конструкций шпаруточных устройств;

- разработать конструкцию шпарутки нового поколения обладающей возможностью переналадки при изменении режимов тканеформирования.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Задачи, поставленные в данной работе, решались теоретическими и экспериментальными методами.

Теоретические исследования проводились с применением общих методов теоретической механики, прикладной математики, вязкоупругости, теории дифференциальных уравнений. Решение и анализ уравнений проводился аналитическим путем и численными методами с использованием ЭВМ (системы МаШСАО). Так же создан алгоритм расчета основных параметров процесса ткачества, влияющих на конструкцию шпарутки ткацкого станка, который может быть реализован в виде программного продукта.

Достоверность всех основных результатов выполненных теоретических исследований подтверждена экспериментами на ткацком станке СТБ-175 с применением современной тензометрической и осциллографической аппаратуры. Для исследования характера изменения натяжения ткани между кольцами по длине шпарутки и распределения нагрузки на кольца шпарутки разработано специальное тензометрическое устройство - шпарутка-датчик.

Производственные испытания и внедрение проводились на Костромском льнокомбинате, Гаврилов-Ямском льнокомбинате, льнокомбинате "Яковлевская мануфактура".

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В представленной работе новыми научными результатами, полученными автором, являются:

- разработка метода математического моделирования силового взаимодействия ткани со шпаруткой в процессе формирования ткани на ткацком станке с учетом упругих свойств нитей и их реологических свойств;

- разработка методов расчета нагрузки на шпаруточные кольца и натяжения ткани по зонам шпарутки, что позволяет в САПР шпаруточных устройств определять рациональные конструктивные параметры шпарутки в зависимости от вида вырабатываемой ткани;

- создание экспериментальной установки "шпарутка-датчик" для измерения сил, действующих на шпаруточные кольца.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. В представленной работе новыми техническими решениями являются:

- шпарутка ткацкого станка (а.с. 1807121) удостоена Диплома за изобретение на 44-й Выставке изобретений, научных исследований и промышленных технологий "BRUSSELS ЕШЕКА'95";

- методика и программы для инженерного расчета рациональных конструктивных параметров, которые могут быть использованы конструкторскими бюро при проектировании новых шпаруток;

- результаты работы в виде конструкторской документации,технических решений и рекомендаций внедрены на Костромском игольно-планочном заводе "Красная Маевка". Опытные образцы новой шпарутки направлены на льняные и х/б предприятия легкой промышленности. Результаты испытаний подтверждены соответствующими документами.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы доложены и получили положительную оценку:

- на научно-технической конференции "Пути совершенствования технологий и оборудования для переработки льняных, хлопковых и

химических волокон в льняной отрасли промышленности" секция "Машины и оборудование", Кострома, КГТУ, 1993;

- на техническом совете Костромского игольно-планочного завода "Красная Маевка", Кострома, 1993;

- на республиканской научно-технической конференции "Лен-94","Лен-96", "Лен-98", Кострома, 1994-98;

- на 44-й выставке изобретений, научных исследований и промышленных технологий "BRUSSELS EUREKA'95", Брюссель, Бельгия, 1995;

- на всероссийском семинаре по теории машин и механизмов Российской академии наук (Костромской филиал) 1998.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ.

1. Букина C.B., Лебедев В.А. Основные направления развития конструкции ширильных устройств. Республ. научно-техническая конференция. Тезисы докладов, КГТУ, Кострома, 1993г.

2. A.c. 18071221 D03 J1/22. Шпарутка ткацкого станка. Букина C.B. и др. -4929396/12; Заявлено 15.03.91; Опубл. 07.04.93; Бюлл. № 13 - 2с.: 6 ил.

3. Букина C.B. Повышение долговечности деталей шпаруток путем применения для их изготовления полимерных и композиционных материалов. Республиканская научно-техническая конференция. Тезисы докладов, КГТУ, Кострома, 1994г.

4. Букина C.B., Кузнецов Г.К. Шпарутка с расширенными функциональными возможностями. Ж. "Текстильная промышленность", № 3, М., 1995.

5. Букина C.B., Кузнецов Г.К., Ямщиков C.B. Назначение шпаруток и их классификация. Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, №4, 1996.

6. Букина C.B., Кулемкин Ю.В., Лебедев В.А. Влияние процесса ширения ткани на конструкцию шпарутки. Республиканская научно-техническая конференция. Тезисы докладов,КГТУ,Кострома, 1996г.

7. Букина C.B., Кулемкин Ю.В. Проталинский С.Е., Сторц Т.П. Моделирование силового воздействия ткани на шпарутку. Изв. вузов. Технология текстильной промышленности,№ 6, 1996г.

8. Букина C.B., Кулемкин Ю.В., Проталинский С.Е. Распределение нагрузки на шпаруточные кольца. Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, № 2,1997г.

9. Букина C.B. Алгоритм проектирования шпаруточных устройств ткацких станков. Республиканская научно-техническая конференция. Тезисы докладов, КГТУ, Кострома,!998г.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

С внедрением в текстильную промышленность высокоскоростных бесчелночных ткацких станков значительно повысились требования к качеству технологической оснастки, в частности, шпаруток.

1 Л.Назначение шпаруточного механизма.

Имеющееся [1,2] описание назначения шпаруток на ткацких станках не раскрывает всех технологических аспектов их функционирования. Отсутствие теоретических основ проектирования и использования шпаруток, учитывающих упруговязкие свойства ткани, затрудняет выбор их принципиальной конструкции при проектировании ткацких станков для заданного ассортимента ткани.

Ряд авторов [3, 4] полагают, что при формировании ткани нити утка испытывают только деформации изгиба. Однако, по нашим данным [5] преобладающим видом деформации утка вследствие прибоя его к опушке является деформация растяжения, наличие которой в каждом вновь сформированном элементе вызывает усадку ткани от центра полотна к краям, причем на краю ткани деформации всех элементов суммируются и край значительно смещается относительно последней кромочной нити пробранной в бердо. Это приводит к несовпадению плотности нитей основы по берду и в ткани, сошедшей со шпарутки.

Основная задача шпарутки согласно [1,2] состоит в предотвращении существенного износа кромочных нитей вследствие ширения ткани бердом. Если придерживаться такой концепции технологического функционирования шпарутки, то проще было бы сразу формировать ткань на заданную ширину, поскольку она все равно усаживается после шпаруток. Однако это оказывается невозможным по ряду причин. Ткань, сформированная на заданную величину, не обладающая усадкой, должна иметь нулевые напряжения в уточине и, следовательно, такая ткань не обладает основными свойствами, предъявляемыми к ткани, в частности,

жесткостью структуры. Такая ткань будет иметь низкую прочность, высокую деформируемость не только по основным осям, но и при сдвиге нитей основы относительно друг друга. Аналогом такой ткани является

нетканый материал, получаемый иглопрошивным способом.

/'

площадь контакта о

Рассмотрим элемент ткани (рис. 1.1 а) с заполнением менее 100% по основе. После формирования усадка элемента ткани в основном происходит на расстоянии /о, а на дуге Г0 усадка происходит в меньшей степени вследствие трения между основой и утком. С момента образования элемента ткани, пока ткань находится на шпарутке, в уточине начинают интенсивно протекать реологические процессы (в основном релаксационные), которые при сходе ткани со шпарутки уменьшают величину упругой усадки ткани. По нашим данным, при относительной деформации 5% для лавсано-вискозной пряжи за первую секунду

напряжение в нити снижается на 20%, откуда следует еще одно функциональное назначение шпарутки - уменьшение усадки вследствие ее релаксации.

Рассмотрим процесс движения уточины в зоне формирования. Согласно [6, 1, 2], основными силами сопротивления движению утка являются силы трения между уточными и основными нитями. Силы трения для текстильных материалов [7, 8] существенно зависят от площади контакта трущихся поверхностей. Из рис. 1.1а ясно, что при усадке ткани величина угла а охвата основы уточной нитью увеличивается, следовательно, увеличивается площадь контакта между основой и утком и возрастают силы трения. Отсюда одна из важнейших задач шпарутки состоит в снижении напряженности процесса формирования нагрузок на нити основы в процессе прибоя, особенно в кромках. В большинстве случаев именно по этой причине невозможно получение ткани без шпаруток. Может оказаться, что уточина просто не доводится до заданного положения относительно предыдущей прибитой уточины согласно заданной плотности по утку (возникает эффект набивания ткани в кромках).

Для случая формирования ткани с высоким заполнением по утку (более 100%) усадка ткани оказывается небольшой (рис. 1.16), поскольку уточина испытывает значительные деформации смятия в момент формирования. Такие ткани могут вырабатываться без шпаруток, так как уже в момент формирования имеют достаточно напряженную устойчивую структуру. Для этой группы тканей функциональное назначение шпаруток может сводится к дополнительному ширению ткани (больше, чем заправка по берду) с целью достижения заданной плотности. Эта задача может �