автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка методов расчета технологических и механических параметров тканеформирования

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ. ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ Я ТЕХНИЧЕСКОЙ ЮЖГЖИ РОССИИ

ИВАЮБСКШ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСШГО ЗНАМЕНИ ТЕКСШЫШ ИНСТИТУТ им. М.В. ФРУНЗЕ.

На правах рукописи

ФЕРНАНДО САВДУН

ЗРАВОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ТЕШХЮГИЧЕШИ И МЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТКАНЕФОРМИЮВАНШ

Специальности: СБ.02.13 - машины и агрегаты легкой промышленности; 05.19.03 - технология текстильных материалов .

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ИВАНОВО - 1992

Работа выполнена о Ивановском ордена Трудового Красного Епаме: текстильном институте им. М.В.Фрунзе.

Научный руководитель

джтор технических наук, профессор Миг у шов И. И. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Николаев С. Д., кандидат технических наук, доцент Яблоков Б. В. Ьедушее предприятие

Ивановский научно-исследовательский институт хлопчатобумажно промышленности (ИВНИГИ).

К 063.33.01 Ивановского ордена Трудового Красного Знамени текстильного институт«, им. М.В.Фрунзе по адресу: 153475, г.Иваново, пр. Ф.Энгельса, 21.

С диссертацией можно ознакомитьсл в библиотеке института.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в двух экземплярах просим направлять в адрес института.

Залита, диссертации состоится в .. /.(..... часов на засед

часов на заседании специализированного Совета

Ученый секретарь

специализированного Ооеета К 063.33.01,

кьядздат гекни-есних неук. доцент

Н.-А.КУЛИйй

АННОТАЦИЯ

В работе рассмотрены вопросы расчета геометрических, мзхаиичэскм я технологических параметров основных и уточных нитей в процессе трансформирования на основе нелинейной механики нити. Разработаны элементы теории механики нити с учетом смятия и сцепленности контактирующих нитей. Обоснована теории для расчета коэффициента жесткости нити на изгиб при - нелинейноа заву;сжос ги напряжение - де^ермашя изгиба нити. Разработаны экспериментально - аналитические методы для определения величины коэффициента жесткости нити на изгиб. Выявлена взаимосвязь геометрии залравки, натяжения и Физико-механических свойств основных и уточных нитей и плотности ткани в процессе тканеформирования. Проведен численннй расчет на ЭВМ параметров нитей В ткани полотняного переплетения.

Результаты работы рекомендуется НйИ. СКВ и вузам при расчета параметров ткацких переплетений нитей и определении исходных данных проектирования основных исполнительных механизмов ткацких станков. АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1. Элементы обобщенной теории механики нити с учетом смятия и сцепленности контактирующих нитей при нелинейной зависимости напряжение - деформация изгиба нити.

2. Формулы для расчета коэффициента иэгибной жесткости нити.

3. Экспериментально-аналитические методы определения коэффициента изгибной жесткости нити.

4. Обобщенную теорию и методику расчета параметров основных и уточных нитей в процесса тканеформирования.

5. Численные расчеты на ЭВМ параметров нитей в ткани.

ОБЩАЯ ЮУ'АКТШШИХА ГйКЯЫ Актуальность теми я и с с е р т ь. ц и и. й рнзвитаи современной техники и технологии текстильного производства все более возрастает роль науки. Научно обоснованные ¡.'етода расчета и проектирования механических параметров технологических объектов текстильного производства базируются на использовании аналитических и экспериментальных методов механики нити и ткачи. В связи с непрерывным и резким увеличением рабочих скоростей движения нитей и ткани и разработкой новьк принципов текстильной технологии механика нити и ткани приобретает еше большую актуальность в решении сложных динамических проблем, возникаших при совершенствовании существующих и проектировании новых технологических процессов и машн текстильного производства.

В настоящее время наиболее полно изучена механика идеально гибкой иити, в которой считается нулевой жесткость нити при изгибе, кручении и смятии. Однако, в реальных условиях текстильных процессов изгибная и крутильная жесткости, сшнаемость нити часто играют весьма существенную или даже определяющую роль/.' Для исследования таких процессов механика идеально гибкой нити оказывается неприемлемой, поскольку она не описешавт качественно и количественно натякение и форму нити при скольжении по стержням малых радиусов кривизны, ъ. также пун скольжении уточных нитей по основным нитям, когда значительное влияние на величину натяжения иити оказывает их хесткссть и другие Факторы. Механика идеально гибкой нити не описывает изменения натяжения нити при сминаемости нити. Существуют и.другие процессы сильного изгиба и смятия нити, е которих параметры налряженно-дефзрмированного состояний нитей зависят от кесткости нити на изгиб, кручение и смятие. Поэтому при

- ? -

1ашггическом исследовании "текстильных процессов с нитями и. ь астности. процесса тканеЗоркироБат«« коо -лодимо испольэоват * зханику нити, кесткоя на растяжение, изгиб, кручяние VI ситпи.

Разрабогка теории межлики ткацкого нереялотвикя нитей даст »мощность научно обосновано проектировать исполнительные забочие) механизмы ткацкого стажа по заданным параметрам юметрии заправки нитей на ткацком станке и и зависимости от 13ико- механических свойств осноьнда к уточннх нитей и плотности знкрвтных видов вырабатьшаемих из них тканей. При зтои нити осматриваются не только кач технологические объекты, но и повременно как гибкие звенья исполнительных механизмов ткацкого :анка.

Исследования в области текстильного материаловедения жазываюг, что при деформации большинство текстильных нитей »являет одновременна свойства упругости, вязкости, лластич->сти и эластичности при нелинейной зависимости напряжение -деформация . . Поэтому и механика ткацкого переплетения должна ггь разработана с учетом упруговязкопластических деформаций ¡.стяжения, изгиба и смятия, рассматриваемых с позиции нелинейной орш налрякенно-деформировахного состояния тела.

Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является разработка усовершенствованных тодов аналитического расчета параметров нитей в процесс« анеформировашя на основе нелинейной механики нити, результаты торых в дальнейшем могут быть использованы для научно основанного проектирсьаьия исполнительных механизмов ткацкого анка по заданным параметрам нитей и конкретных вида: Рабатываемых из них тнапей.

В саотаетстеии с поставленном целью необходима реаить 'следующие задачи: ' •'.

1. Провести аналитический обзор научной литературе! :< области исследований процесса тканефоршрозания, теории и методов прикладной механики нити и ткани, а также определить перспективное направление их обобщения и усовершенствования.

2. Разработать уточненную теорию механики нити применительно к процессу тканеформирования.

3. Теоретически обосновать методы определения коэффициента хесгкости нити на изгиб на основе нелинейной механики шти.

4. Разработать экспериментально-аналитические методы определения коэффициента жесткости нити при изгибе.

Б. Разработать схемы и модели для расчета различных этапов процесса тканефорииравания.

6. Решить дифференциальные уравнения состояния нити для каждого этапа процесса тканеформирования.

У. Проанализировать полученное аналитическое реакние задачи на численном примере для полотняного переплетения нитей в ткани.

Методика исследования.

Работа содержит как теоретические, так и экспериментальные исследования. В теоретических исследованиях попользованы методы теоретической механики, дифференциального и интегрального исчисления, механики нити и ткани, вычислительной математики, текстильной технологии и материаловедения.

Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке.

~ 4 -

Научная новизна.

В диссертационной . работе впервые получены следующие оультаты:

разработаны элементы обобщенной теории механики нити с учетом смятия V. сиепленности контактирующих нитей при нелинейной зависимости напряжение - деформация изгиба нити ; получены уравнения для расчета коэффициентов изгибной жесткости нити, нагруженной распределенной или сосредоточенной нагрузкой; разработаны экспериментально-аналитические методы для определения коэффициента изгибной кесткости нити;

разработана теоретическая модель для геометрического и силового расчета ткацкого переплетения на основе заданных параметров основных и уточных нитей и вида их переплетения 9 ткани с учетом геометрии заправки нитей на ткацком станке; разработана методика и программа расчета на ЭВМ параметров ткацкою полотняного пьреплетения !;ите:1.

Практическая ценность.

Разработанные аналитические истоды расчета взаимосвязанных рамзтрев процесса ткянеформирования на основе методов нелинейной ханики нити и ткаки является исходными данными для научно основанных технологических расчетов ткацких переплетений нитей и оектирования основных исполнительных механизмов ткацкого станка.

Разработанные на основе теория нелинейной механики нити спермментально-анаЛитические методы определения коэффициента гибной жесткости нити могут быть использованы в текстильном гериаловедении.

Апробация работы.

Основные результаты и отдельные положения работы долсжень автором и обсуждались на:

- областной научно-технической конференции Раучным разработкам широкое вшг-рение в практику" - Иваново, 1983 г.

- Всесоюзной научно-технической конференции 1Ьвее в технике и технологии текстильного производства" - Иваново, 1990г.

- заседании кафедры ТМ и ПТМ Ивановского ордена Трудового Красногс Знамени текстильного института им. М.В. Фрунзе, 1992 г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 5 научных работ, в том числе одна статья в журнале "Технология текстильной промышленности два депонированных отчета по НИР,- тезисы двух докладов на научно-технических конференциях, а также получено одно положительное решение о выдаче авторского свидетельства на изобретение. Объем диссертации.

Диссертация изложена на 149 страницах, содержит 4 главы с выводами, обшие выводы, список литература 61 наименований, 3 таблицы, 40 рисунков и 2 приложений на IS страницах.

»4

ООДЕШНИЕ РАБОТУ Ьаедениа содержит обоснование актуальности работы, здесь сформулировали ее цели и задачи, определены научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена аналитическому обзору работ по вопросам ткане4срмирования и расчета его параметров по основе и утку, механики жесткой на изгиб и смятия нити при ткачеформироваиии и вопросам определения жесткости нити на изгиб.

Л-

В . последнее время изучению вышеизложенных вопросов ■делается большое внимание. Это объясняется широким применением •каней в различных областях техники, а также1' тенденциями резкого 'Реличения скоростей современных текстильных мзшин и ¡еобходкмостыо решения задачи по определению расчетных нагрузок, щляюгдася исходными данными при проектировании ткацких станков.

В своих работах Новиков iL Г., Дынник O.A., Алексеев К. Г., !асильченко Ö.H. , Николаев С.Д. , Степанов Г.В. и др. аналитически и исспериментально исследовали процесс формирования ткани на ткацком танке. Анализ данных работ показал необходимость принимать во ¡нимание наличие зоны формирования ткани при расчете силы прибоя, атяжения нитей основы и учитывать изгибную жесткость и •минаемость нитей, которые в реальных условиях в процессе качества играет весьма существенную роль.

В области определения яесткости текстильных материалов на вгиб следует отметить работы Пирса. Ссловьеза А.Н., Лаэаренко 1. М., Мигушова И. И., Кутузовой Й.Е. и др. Анализ данных работ оказал, что применяемые и предлагаемый методы определения згибной жесткости текстильных материалов имеют определенные реимущества для тканей, в то ке время имеот ряд недостатков, спользование этих методов для испытания нитей затруднительно и змерение модуля жесткости происходит косвенным образом через змерение других величин, Также характеризующих свойства нити.

По результатам обзора было установлено, что при изучении лро-есса тканеформирезания недостаточно исследовано влияние изгибной эсткосги нити в зоне формирования ткани'при нелинейной зависимости апряшкие-деформация изгиба нитей и их сминаемости. Теоретическое зучение процесса прибоя в зоне формирования ткани заключается в

получении системы уравнений, характеризующей взаимосвязь межд: Технологическими, механическими и геометрическими параметрами тка неформирдаания для определения силы прибоя, натяжения ните! основы и утка. Используя данную систему уравнений можно уже № начальной стадии проектирования определить, какими будут услпвш ее формирования на станке. Также разработанные существующие метол определения изгибной жесткости нити или ткани является приближенными и косвенно-сравнительными.

Для решения этих задач необходимо применение теории нелинейной механики нити. К исследованиям в этой области можнс отнести работы Мигушова И.И., йасильчзнко В.Н. л др. Эти работы являются исходными по данным вопроса«.

■Учитывая вышеизложенное, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, в като&е входят разработка уточненной теории нелинейной механики нити применительно к процессу формирования ткани, разработка схем и моделей для различных эталон процесса тканеформирозанил, исследования- методов определения коэффициента нагибной жесткости нити, рет- уравнений состояния нити для каждого зтала процесса тканеформироваиия, анализ полученного аналитического решения задачи на численном примере для полотняного переплетения нитей в ткали.

Вторая глава содержит теоретические основы механики изгибаемой нити для изучения процесса тканеформирования. Теоретическими предпосылками для проведения настоящего исследования являлись известные работы по вопросам нелинейной механики нити, жесткой на изгиб.

Изучая состояние нити, находящейся в свободном состоянии,

получены формулы натяжения нити вдоль ее оси и уравнения Формы оси

V

- е -

и с учетом жесткости нити на изгиб. При это« учитывалась инейчая зависимость маяду изгибающим моментом и кривизной к

м - в ^

и

в - коэффициент жесткости нити на изгиб; ч - коэффициент нелинейности.

Исследовано движение нити по направляющей поверхности малой зизны. получены дифференциальные уравнения, которые имет дующий вид:

* р ♦ 1 4Р ♦ С 1Уг шкм н . о,

н г

, » Г г

ах н

к " 1Лгн 4 гцЭ ~ кравкзна оси нити; р - натяжение нити: й - дуговая координата длины нити; « - коэффициент трения между нитью и направляющей; г'1( - радиус нити;

- сила сцепленности контактирующих нитей:

- радиус цилиндра.

Из решения системы дифференциальных уравнений получены знэния взаимосвязи натяжения и перерезающей силы между ведуыьй эедомой ветвями нити. Полученные выражения показывает влияние й'ициента трения, сцегленности поверхностей, угла охвата нитью -шдрической поверхности, радиуса нити и цилиндра.

На основе теории кзлинеинш механики нити получена систем.')

диФлронцяальньк уравнений, связшашая характеристики смятия «.•¡^затиг/иш нитей, высоту смятий и длину кривой смятий, нормальное давление ыс1. определяющее взличлну сми.;:вешсгл нити. Тзиротическн шано выражать это в слодукяем виде:

N о А

СЖ ОК СЖ '

где - коэффициент жесткости нити (при смятии);

- относительная деформация сжатия;

- коэффициент нелинейности при сжатии.

Теоретически показано, что в процессе ткаиеформирования нить получает незначительные относительные продольные деформации при растяжении. Танке показано, чго динамическое натяжение основы от сил инерции массы нитей является незначительным по сравнению с другими составляющими.

!4е удается получить общее аналитическое решение полученной сис-омы уравнений, содержащей нелинейные, неоднородные дифференциальные уравнения б частных производных. Возможно численное решение задачи с поыошью ЗБЫ или аналитическое решение конкретной, задачи, сводящейся к уравнениям, иыеюедм известное аналитическое решение.

Третья глава посвяшена разработке акспериментально-аналитичес-ких методов определения коэффициента яесткости г,.ти ив. изгиб. -

Для оценки жесткости текстильной нити при изгибе исследованы два метода:

1. Метод при изгибе нити под действием сосредоточенной силы;

2. Метод при изгибе нити под действием распределенной нагрузки (собственного веса образца нити)..

При изгибе жесткой нити, имеющей нерастяжимую ось, на

юдеинкой фрикционной поверхности . цплнндра 8 плоскости, тендикулярной оси цилиндра, разработал пзрвий экспериментально-галитический метод определений коэ$<}ициента изгкбной жесткости и на основе нелинейной мечалики касткой на изгиб. нитя [ученные формулы для расчета > коэффициентов нелинейности ч и поной жесткости в имеют следующий аид:

ч - а - совгО (гн + Гц:>х СУ0 - гн - гц> ;

______

<> - угод изгиба нити; к - кривизна оси нити в конечной точке; р» - внешнее сосредоточенное усилие;

- ордината точки о. Гаким образом, для численного определения величин Нициентов я и в необходимо измерить величины *>. гн> г , >\ годставить их значения в вышеприведенные формулы- С целью ■яиения точности экспериментального измерения угла изгиба г оправку с нитью размешали в параллельном пучке света и *ряли их в изображении, увеличенном на экране. Для 1чатобумажной нити 25 текс указанным методом определены 1.4; в - 2,4 * 10~" Ни'. Выведены диМеренииальные уравнения, характеризуют« форму нити и которые далее использованы при выводе формулы для -опрч-кия величин в и ч нити, изгибаемой г.од действием собственного (второй метод). В этом случае нить изгибается в вертикальной

. тт

плоскости, один ее конец кестко закреплен на поверхности цилиндра, другой свободный конец имеет горизонтальное положение, линия оси нити совпадает с осью абсцисс. Здесь измерить параметры, характе-ризукщие изгибную жесткость нити, непосредственно на образце также затруднительно. Поэтому измеряли их на увеличенном на экране изображении .

Приведены результаты экспериментально-аналитических исследований обоими методами по определению в и ч для хлопчатобумажных ошлихтованных нитей разных линейных плотностей.

В четвертей главе рассматривается теоретическая модель геометрического и силового расчета ткацкого переплетения на основе уравнений нелинейной механики нити, которые выведены во второй глав

Разработанная методика расчета параметров тканеформирования заключается в последовательной стыковке уравнений для свободной и контактирующей нитей и уравнений равновесия элемента ткани в момент прибоя. Получена система уравнений, описывающая изменение натяжения вдоль кити основы в зоне формирования, а также изменение угла охвата утка основой. Полученная система ура' нений характеризует изменение геометрической плотности по утку, которая зависит от натяжения основы и утка, силы прибоя и других параметров. Показана взаимосвязь фазы строения ткани и силовых параметров.

Составлена программа решения систем нелинейных уравнений на ЭВМ, которая реализована на конкретных числовых примерах для некоторых артикулов хлопчатобумажных тканей полотняного переплетения. Выполнен сравнительный анализ результатов аналитических расчетов на ЭВМ с экспериментальными данными, полученными 6.Н. Васильченко. Точность теоретических расчетов достаточна для технологических и конструкторских целей.

- Т> -

ОСНОВНЫЕ ВУВОДЫ

1. /лалиэ литературы понаэызавт необходимость дальнейшего еретического исследования процесса формирования ткани.

Я. Существующие методы определения изгибной местности нити влямтся приближенными. Поэтому необходимо разработать уточнен-в методы тределиния коэффициента изгибной жесткости нити на ноее нелинеиной механики нити.

о. Выведено уравнение, связывающее натяжение ведомой и ведущей твей нити, скользящей по поверхности другой нити, в зависимости угла охвата напра^ляшвй нити, их .коэффициентов трения и эпленности.

4. Получена система дифференциальных уравнений для расчета эактеристик смятия контактирующих нитей на основе' теории мнейной механики нити.

5. Получены уравнения для расчета коэффициента изгибной жестко-[ нити.нагруженной сосредоточенной или распределенной нагрузкой, основе модели нелинейной механики нити.

6. Разработаны экспериментально-аналитические методы для еделения коэффициента изгибной яесткости нити в соответствии олученными расчетными формулами.

?. Разработана теоретическая молель для расчета геометрических силовых параметров ткацкого переплетения нитей на основе теории инеиной механики нити, включающая системы дифференциальных знений, описывающих состояние взаимодействующих основных и -¡пых нитей в процессе тканеформирования.

8. Разработана методика расчета параметров ткацкого полотняно-гереплетения нитей для участков свободной и контантирукдай нитей хгледушзй стыковкой решений для этих участков.

- тя ..

9. Разработан алгоритм решения систем нелинейные уравнений я ЭВМ для расчета исходных данных при проектировании основных рабочи механизмов ткацкого станка на основе заданных параметров основнь: и уточных нитей и вида переплетения их в ткани.

10. Расчетные величины натяжения основных нитей и ткани, силы прибоя, определенные с помопыо ЭВМ по разработанной методике и алгоритму, незначительно отличаются от экспериментально измеренных величин натяжения основных нитей и ткани, силы прибоя.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Фернандо С. 0 механике ткацкого переплетения. - В кн.: Научным разработкам - широкое внедрение в практику--- Тез. докл. обл. научно-техн. конф. - Иваново. 1988.

2. Фернандо С. Проблемы расчета параметров ткаяеформирования: Отчет по НИР/' ИвТИ им. М.В.Фрунзе: Руководитель работы проф. И. И.Мигушов - № ГР 01.86.0124660 : Иваново, 1989 г.

3. Фернандо С. Исследование процесса тканеформирования и взаимосвязи параметров нитей и ткани. - В кн.: Новое в технике и технологии текстильного производства.^ Тез. докл. Всесоюэн. научно -техн. конф. - Иваново, 1990 г.

4. Фернандо С. Теоретическое исследование механики нити, деформируемой на изгиб и смятие. - Деп. ВЦНИИТЭПлегпром, М 3168 -ЛИ, 1990 г.

5. Фернандо С. Определение коэффициента изгибной жесткости нити при нелинейной зависимости напряжение - деформация - Изв. вузов.

Технология текстильной промышленности . 1990, № Б._

Получено положительное решение о выдаче авторского свидетельства по заявке "Способ измерения коэффициента жесткости нити на изгиб*.