автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета вытяжных механизмов для мокрого прядения льна

С Л П'П г' • ч ^

Костромской государственный технологический университет

УДК 677.052.94 На правах рукописи

ФАРУКШИН Владимир Вилориевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ВЫТЯЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ ДЛЯ МОКРОГО ПРЯДЕНИЯ ЛЬНА

Специальность — 05.02.13 Машины и агрегаты легкой промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

В.Н. Аносов,

кандидат технических наук, доцент С.Е. Проталинский

Кострома

1999

Содержание

стр.

Введение........................................................................................................ 4

Глава 1. Состояние проблемы и постановка задач........................................................9

1.1. Конструкции современных вытяжных механизмов для мокрого прядения льна................................................................................11

1.2. Обзор литературы, посвященной исследованию работы и методам расчета вытяжных механизмов....................................................................26

1.3. Выводы и задачи исследования..................................................................................................44

Глава 2. Анализ работы выпускной пары вытяжных механизмов

для мокрого прядения льна.................................................... 48

2.1. Условия силового взаимодействия элементов выпускной пары.............................................................................................. 48

2.2. Численное моделирование процесса баллонирования нити .. 54

Выводы................................................................................................. 64

Глава 3. Контактное взаимодействие элементов выпускной пары 66

3.1. Основные определения и допущения....................................... 66

3.2. Дискретная модель контактного взаимодействия эластичного покрытия валика с жестким цилиндрическим штампом....................................................................................... 67

3.3. Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния эластичного покрытия валика................................. 72

3.4. Идентификация упругих характеристик эластичного покрытия нажимного валика..................................................... 73

3.5. Контактное взаимодействие элементов выпускной пары при стационарном процессе вытягивания....................................... 75

3.6. Идентификация диссипативных свойств эластичного покрытия нажимного валика..................................................... 79

Выводы................................................................................................. 88

Глава 4. Моделирование колебаний нагрузки на нажимной

валик выпускной пары............................................................ 89

4.1. Обобщенная динамическая модель системы нагружения нажимного валика с учетом ее упругодемпфирующих свойств.......................................................................................... 89

4.2. Определение вынужденных колебаний системы нагружения нажимного валика....................................................................... 96

4.3. Методика расчета колебаний нагрузки на нажимной валик вытяжного механизма для мокрого прядения льна................ 114

4.4. Определение конструктивных характеристик элементов системы нагружения нажимного валика.................................. 116

4.5. Анализ влияния конструктивных параметров вытяжного механизма на величину колебаний нагрузки на нажимной валик............................................................................................. 118

Выводы................................................................................................. 124

Глава 5. Комплексная автоматизированная система расчета параметров вытяжного механизма для мокрого прядения льна............................................................................ 126

Общие выводы............................................................................................. 132

Литература.................................................................................................... 134

Приложения.................................................................................................. 140

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы. Повышение качества выпускаемой продукции и эффективности производства в текстильной промышленности связано с совершенствованием как технологических процессов, так и оборудования, с помощью которого эти процессы осуществляются.

Современные текстильные машины, будучи кинематически сложными агрегатами, представляют собой динамические системы с развитой структурой, где взаимовлияние отдельных механизмов достаточно велико. Однако в реальной практике проектирования это взаимовлияние обычно не учитывают, расчет каждого механизма ведут обособленно от остальных, а машину в целом создают на основе опыта эксплуатации базовой модели без существенного обновления структуры последней.

При проектировании принципиально новой машины до опытного образца на основе априорного анализа доводят, как правило, лишь один вариант структуры, отбрасывая при этом остальные. В случае успешного завершения испытаний опытного образца машина, со всеми ее достоинствами и недостатками, становится родоначальницей целой серии модификаций. Так происходит тиражирование неоптимальной структуры базовой модели в ее модификациях. Новый, более высокий уровень проектирования машин с применением САПР должен быть свободен от этой "болезни наследственности", присущей традиционному проектированию.

Современные методы проектирования, базирующиеся на применении ЭВМ, повышают качество и сокращают сроки получения принципиально новых решений, освобождают конструкторов от трудоемких и рутинных операций, позволяют решать задачи многокритериальной оптимизации и учитывать множество противоречивых требований. Системы автоматизированного проектирования должны стать инструментом в руках конструкторов, который никоим образом не диктовал бы им жесткую последовательность

проектных процедур, а лишь в трудных ситуациях подсказывал направление поиска.

Необходимость автоматизации процесса проектирования выдвигает проблему разработки методов, машинных алгоритмов и программ решения соответствующих технических задач в текстильном машиностроении.

Рассматривая современные технологии проектирования прядильного оборудования, можно сказать, что в настоящее время отечественное текстильное машиностроение располагает недостаточным опытом для автоматизации процесса проектирования вытяжных механизмов прядильных машин для мокрого прядения льна. Поэтому задача совершенствования методов расчета вытяжных механизмов является сегодня актуальной.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка новых моделей, методов, машинных алгоритмов и программ, направленных на совершенствование существующих методов инженерного расчета вытяжных механизмов для мокрого прядения льна, что позволило бы конструкторам более обоснованно подходить к выбору рациональных конструктивных параметров при проектировании подобного рода механизмов.

Для реализации указанной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

1) разработаны дискретная модель силового взаимодействия элементов выпускной пары вытяжного механизма и методика определения величины нагрузки на нажимной валик с учетом напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика, процесса баллонирования пряжи и колебаний нагрузки;

2) разработаны модель и методика расчета напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика при кинематическом его взаимодействии с выпускным цилиндром в условиях упруго вязкого контакта;

3) усовершенствована методика расчета колебаний нагрузки на нажимной валик путем учета демпфирующих свойств системы нагружения;

4) разработана комплексная автоматизированная система расчета параметров вытяжного механизма для мокрого прядения льна.

Методы исследования. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились с применением общих методов теории механизмов и машин, теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, теории колебаний, прикладной математики, механики деформируемого твердого тела, теории упругости и пластичности. При разработке алгоритмов и прикладных программ использовались численные математические методы и язык программирования Си. Проверка работоспособности алгоритмов и адекватности моделей проводилась с помощью вычислительных экспериментов на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на стендах с использованием современной электронной измерительной аппаратуры для определения механических и конструктивных характеристик элементов вытяжного механизма с целью использования их в инженерных расчетах.

Научная новизна. В результате теоретических и экспериментальных исследований впервые:

— разработаны методы, алгоритмы и программы: 1) определения величины нагрузки на нажимной валик с учетом ее колебаний, напряженно-деформированного состояния эластичного покрытия валика и натяжения пряжи в баллоне; 2) численного моделирования напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика при кинематическом его взаимодействии с выпускным цилиндром в условиях упруго вязкого контакта; 3) расчета колебаний нагрузки на валик с учетом демпфирующих свойств системы нагружения;

— на основе разработанных методов получена комплексная автоматизированного система расчета параметров вытяжного механизма для мокрого прядения льна;

— предложена методика экспериментального определения диссипативных свойств эластичного покрытия валика.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанные методы и пакеты прикладных программ дают возможность аналитически исследовать влияние различных факторов на процесс вытягивания в вытяжном механизме, позволяют обоснованно подходить к выбору рациональных конструктивных параметров подобного рода механизмов и направлены на повышение качества проектирования.

Метод расчета величины нагрузки на нажимной валик с учетом напряженно-деформированного состояния его эластичного покрытия, усовершенствованная методика расчета колебаний нагрузки на валик и комплексная автоматизированная система расчета параметров вытяжного механизма для мокрого прядения льна использованы конструкторским отделом АО "Костроматекстильмаш" при проектировании прядильной машины ПМ-88-Л10.

Метод расчета напряженно-деформированного состояния эластичного покрытия валика при его взаимодействии с жестким цилиндрическим штампом в условиях упруго вязкого контакта и соответствующая компьютерная программа использованы лабораторией РТИ ЦНИИМашдеталь при разработке новых эластичных покрытий нажимных валиков прядильных машин.

Отдельные положения работы в настоящее время используются в учебном процессе на кафедре теории механизмов и машин и проектирования текстильных машин Костромского государственного технологического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку: на международной

научно-технической конференции "Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий (Лен — 96)" (г. Кострома, 1996 г.), на семинаре по теории механизмов и машин Костромского филиала Российской академии наук (г. Кострома, декабрь 1996 г.), на республиканской научно-технической конференции "Комплексное использование волокнистого сырья при производстве товаров широкого потребления" (г. Ташкент, 1997 г.), на международной научно-технической конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве (Прогресс — 97)" (г. Иваново, 1997 г.), на всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии текстильной промышленности" (г. Москва, 1997 г.), на международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях" (Лен — 98) (г. Кострома, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 4 таблицы и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 73 наименований и приложений.

ГЛАВА 1.

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

С древних времен люди занимались выращиванием льна и производством из него различных изделий, так как льняные ткани обладают такими положительными свойствами, как гигроскопичность и прочность. Гигроскопичность важна как одна из характеристик гигиенического качества текстильных изделий, а гигроскопичность льна выше, чем у хлопка.

В настоящее время льняные изделия пользуются все большей популярностью и спросом, как на внутреннем, так и на международном рынке. Поэтому задача выработки качественной льняной пряжи остается и сегодня актуальной. Однако за последние годы из-за экономического кризиса выращивание и переработка льна перестали в России быть делом выгодным. Так в Костромской области посевы льна и выпуск льноволокна сократились почти в восемь раз. Производство льняных тканей уменьшилось в десять раз. Отрасль перестала быть ведущей. Для выхода из создавшегося положения в декабре 1996 года Правительством России утверждена федеральная программа "Развитие льняного комплекса России на 1996—2000 гг.", одним из направлений которой является техническое перевооружение текстильных производств, которое может проводиться в двух направлениях: либо путем разработки и внедрения эффективных технологий и совершенно нового оборудования с более высокими производительностью и качеством продукции, либо за счет улучшения конструкций существующих машин. А это в свою очередь требует развития и совершенствования культуры проектирования с учетом уже накопленного опыта.

Производство льняной пряжи отличается от технологии прядения хлопка, шерсти и штапельного волокна, где в основном сохраняется первоначальная длина и толщина волокон. Начиная от чесания и кончая прядением, все время происходит разрушение технических льняных

волокон — их утонение и укорочение, то есть образуется новый по своим физическим свойствам продукт.

В прядении льна применяются два способа: сухой и мокрый, которые определяют характер процесса вытягивания. Иногда для получения гладкой пряжи при сухом прядении применяют подмачивание скручиваемой пряжи. Данный метод называется полумокрым прядением.

При сухом прядении вытягивание и формирование пряжи осуществляется из технических волокон (комплексов из элементарных волокон, связанных между собой пектиновыми и другими инкрустирующими, клеящими веществами), имеющих высокую линейную плотность. Поэтому на прядильных машинах сухого прядения льна вырабатывают пряжу линейной плотности не менее 100 текс, что является существенным недостатком данного способа прядения.

Для получения более тонкой пряжи необходимо ослабить связи в ровнице между элементарными волокнами. С этой целью применяют различные способы ослабления межволоконных связей. Самый распространенный способ — смачивание ровницы непосредственно перед вытяжным механизмом путем прохождения ее через корыто с горячей (до 70° С) водой или водой с добавлением различных смачивателей. Кратковременное смачивание не может разрушить более стойкие комплексы. Поэтому в настоящее время широко применяются процессы предварительного химического облагораживания ровницы (отварка, отбелка), благодаря чему межволоконные связи оказываются значительно ослабленными, и в процессе вытягивания технические волокна легко дробятся на более мелкие. При этом пряжа формируется из волокнистых комплексов более равномерных по тонине, что позволяет получать продукт высокого качества (из-за снижения неровноты и обрывности) и низкой линейной плотности (до 16 текс). Перечисленные процессы осуществляются при мокром способе получения льняной пряжи.

Поэтому в первой главе рассматриваются конструкции вытяжных механизмов прядильных машин, применяющихся в настоящее время для мокрого прядения льна, делается обзор литературы, посвященной исследованию работы и методам расчета конструктивных параметров

вытяжных механизмов, и на основании этого ставятся задачи, которые будут решаться в данной диссертации.

1.1. Конструкции современных вытяжных механизмов для мокрого прядения льна.

В настоящее время для выработки льняной пряжи мокрого прядения в отечественной промышленности используются кольцепрядильные машины ПМ-88-Л5 и ПМ-88-Л8, основное различие которых состоит в конструкции вытяжного механизма. Конструктивно-технологические линии данных машин представлены соответственно на рис. 1 и 2.

На машине ПМ-88-Л5 применяется двухцилиндровый однозонный одноремешковый вытяжной механизм высокой вытяжки с двумя самогрузными валиками и изогнутым вытяжным полем между питающей и вытяжной парами (рис. 3), которое обеспечивается ремешковым устройством, состоящим из транспортирующего ремешка, надетого на два свободно вращающихся нижних валика и получающего движение от среднего обрезиненного цилиндра, вращающегося в сторону вытягивания с�