автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование зажимного механизма трепальной машины для льна

На правах рукописи

005017170

Соколов Александр Вячеславович

о

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЖИМНОГО МЕХАНИЗМА ТРЕПАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ЛЬНА

Специальность 05.02.13 «Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 ол л т

Кострома-2012

005017170

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет» на кафедре теории механизмов и машин, деталей машин и проектирования технологических машин.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Разин Сергей Николаевич Официальные оппоненты:

Палочкин Сергей Владимирович - доктор технических наук, профессор, Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина, заведующий кафедрой прикладной механики; Лапшин Валерий Васильевич - кандидат технических наук, доцент кафедры автоматики и микропроцессорной техники Костромского Государственного технологического университета

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Ивановская государственная текстильная академия», г. Иваново.

Защита состоится 25 мая 2012 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.093.01 в Костромском государственном технологическом университете по адресу: 156005, г. Кострома, ул. Дзержинского, д. 17, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Г.К. Букалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В настоящее время выход длинного волокна в общем объеме вырабатываемой волокнистой продукции составляет 25%, а остальное - менее ценное короткое волокно. Одной из главных задач первичной обработки является изменение соотношения между длинным и коротким волокном в сторону увеличения процента выхода длинного волокна.

Мяльно-трепальные агрегаты, используемые для механической обработки, имеют ряд недостатков, которые приводят к большим потерям длинного волокна на переходах от одной части машины к другой, в зажиме зажимного транспортирующего механизма, в результате нерационального выбора режимов обработки и т.д.

Выявление причин, приводящих к потерям длинного волокна, устранению их путем совершенствования существующей техники, подбора более рациональных условий обработки является чрезвычайно важной задачей повышения эффективности первичной обработки льна.

Настоящая работа посвящена исследованию надежности фиксации слоя обрабатываемого материала в зажиме зажимного транспортирующего механизма трепальной машины мяльно-трепального агрегата и модернизации его с целью увеличения выхода длинного волокна. Тема «Совершенствование зажимного механизма трепальной машины для льна» актуальна, так как предусматривает совершенствование зажима слоя в транспортирующих ремнях трепальной машины, направленное на повышение выхода длинного волокна в условиях заводов первичной обработки.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью диссертационной работы является снижение потерь длинного волокна за счет повышение надежности фиксации слоя путем совершенствования конструкции зажимного транспортирующего механизма трепальных машин на основе развития теоретической и экспериментальной базы исследования процесса зажима слоя обрабатываемого материала с использованием имитационного компьютерного моделирования.

Для достижения указанной цели исследования в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Установить закон изменения сил нормального давления отдельно на каждом из участков линии сопряжения ремней.

2. Теоретически определить силы зажима в любой точке линии сопряжения транспортирующих ремней. Разработать математическую модель зажима пряди льна в транспортирующих ремнях зажимного транспортирующего механизма и построить параметрическую компьютерную расчетную модель, основанную на полученной математической модели.

3. Исследовать влияние геометрических параметров нажимного ролика на величину силы зажима слоя в транспортирующих ремнях трепальной машины.

4. Экспериментально определить силы зажима слоя в транспортирующих ремнях в зависимости от различных факторов.

5. Разработать математическую модель движения нажимного ролика с учетом кинематического возбуждения и неравномерности толщины слоя.

6. Определить рациональные геометрические и технологические параметры элементов зажимного механизма трепальной машины, обеспечивающие повышение надежности зажима.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Решение поставленных задач осуществлялось с применением теоретических и экспериментальных методов. При теоретических исследованиях использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, теоретической механики, механики нити, теории упругости, численные математические методы. Также широко использованы методы компьютерного имитационного моделирования с применением метода конечных элементов. Анализ и обработка экспериментальных результатов исследований проводилась на ПЭВМ с помощью прикладных программ: ANSYS, Mathcad, Microsoft Office Excel 2010, а также оригинальных программных продуктов, созданных при выполнении настоящей работы.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Научная новизна работы заключается в разработке компьютерной модели зажимного механизма трепальной машины для льна, позволяющей провести анализ усилий зажима слоя обрабатываемого сырья и усовершенствовать элементы данного механизма для снижения потерь длинного льняного волокна. По результатам диссертационного исследования впервые:

- разработана компьютерная модель, описывающая взаимодействие элементов зажимного транспортирующего механизма, позволяющая определить распределение нормальных напряжений в любой точке поверхностей сопряжения ремней с учетом их геометрических и физических характеристик;

проведен анализ напряженного состояния ремней зажимного транспортирующего механизма с использованием методов компьютерного имитационного моделирования при различных параметрах конструкции зажимного транспортирующего механизма, показавший, что в существующей конструкции зажимного механизма имеется ряд недостатков, отрицательно влияющих на качество зажима обрабатываемого материала, изменение параметров зажимного устройства позволяет значительно увеличить силы зажима в транспортирующих ремнях;

теоретически определены и экспериментально подтверждены величины сил трения между ремнями и зажатой прядью по линии сопряжения ремней и сил зажима обрабатываемой пряди в зависимости от различных факторов: сил прижима, профиля ролика, местоположения слоя на горизонтальном и вертикальном участках линии сопряжения ремней;

выявлено влияние конструктивных параметров прижимного устройства на силу прижима транспортирующих ремней, установлены их рациональные значения;

- установлено влияние неравномерности толщины обрабатываемого слоя и колебаний транспортерной балки зажимного транспортирующего механизма на

силу прижима ремня роликом, разработаны рекомендации по выбору размеров и масс прижимных роликов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Практическая значимость работы заключается в том, что:

- разработан экспериментальный стенд для исследования сил зажима слоя обрабатываемого материала в транспортирующих ремнях трепальной машины;

- определено рациональное расположение роликов, обеспечивающее надежность зажима в сечении ремней, расположенном на одинаковом расстоянии от осей роликов;

- предложены новые формы прижимных роликов, обеспечивающие более надежный зажим обрабатываемого слоя и снижающие потери длинного волокна.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Основные результаты работы были доложены и получили положительную оценку:

- на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС-2008), г. Иваново, 2008;

- на международной научно-методической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона (ЛЕН-2008)», г. Кострома, КГТУ, 2008;

- на 60-й международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе», - ФОГОУ ВПО КГСХА, г. Кострома — 2010;

- на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2011), г. Москва, МГТА им. Косыгина, 2011;

- на семинаре по теории машин и механизмов «Костромской филиал семинара по ТММ РАН секция «Текстильное машиноведение», г. Кострома, КГТУ, 2012

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, пяти глав. Работа изложена на 173 страницах, имеет 107 рисунков и 8 таблиц, список литературы, включающий 122 источника, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, изложены цели и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена обзору теоретических и экспериментальных работ, относящихся к зажимным механизмам трепальных машин. Научно-исследовательские работы в области проектирования трепальных машин были направлены на создание различных вариантов их исполнения. Так как одним из

б

важнейших узлов трепальной машины является зажимной транспортирующий механизм, призванный обеспечить надежность фиксации обрабатываемого материала, поэтому в каждой серии агрегатов вносились изменения в его исполнение.

Значительный вклад в исследование и развитие процесса трепания внесли такие ученые как Суслов H.H., Неронов H.A., Панов Д.А., Левитский И.Н., Кузнецов Г.К., Савиновский В.И., Ипатов A.M., Пашин E.JL, Дьячков В.А., Лапшин А.Б., Разин С.Н., Бойко C.B., Коваленко Н.И., Баринов A.B., Енин М.С. Все эти работы указывают на то, что процесс трепания является сложным процессом и заслуживает более глубокого изучения. Однако, ряд вопросов, касающихся работы зажимного транспортирующего механизма трепальной машины и связанных с надежностью фиксации слоя обрабатываемого материала, изучен недостаточно. Поэтому в результате анализа состояния вопроса были сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке компьютерной модели, позволяющей анализировать силы зажима обрабатываемого слоя в транспортирующих ремнях трепальной машины при различных геометрических и технологических параметрах. Разработана параметрическая компьютерная модель, позволяющая анализировать силы зажима слоя в транспортирующих ремнях. Разработанная модель позволяет учитывать взаимодействие элементов механизма, свойства составляющих его элементов, их геометрические характеристики, свойства слоя, а так же технологические параметры процесса зажима. В компьютерной модели реализована методика параметризации, позволяющая производить расчет при различных значениях выбранных параметров. Геометрические характеристики элементов модели при исходных значениях параметров соответствуют характеристикам элементов агрегата МТА-2Л.

В основе алгоритма обработки результатов лежит метод численного интегрирования, позволяющий получить предельную силу трения (Fmp) на отдельных участках линии сопряжения ремней путем суммирования сил зажима (N) по элементарным площадкам малой площади по следующим формулам:

N = ±Arat, Fmp=2-fmp-N (J)

Для автоматизации процесса расчета сил зажима разработан алгоритм, позволяющий учитывать влияние различных участков линии сопряжения ремней на предельную силу трения слоя. Алгоритм реализован в виде подпрограммы на языке APDL, включенной в состав компьютерной модели. Это позволит получать значения интересующих величин в виде выходных параметров компьютерной модели.

Линия сопряжения транспортирующих ремней имеет несколько характерных участков. Разбиение линии сопряжения ремней по характерным участкам показано на рис.1, (вертикальные участки (1 и 5), горизонтальный участок (3)). Радиус закругления радиальных участков составляет менее 1 мм. Силы давления на прядь на этих участках конечны, следовательно, силами трения на

радиальных участках можно пренебречь, поэтому формула для определения предельной силы трения будет иметь следующий вид:

трЗ

гГ

тр\

(2)

где: Ртр] = 2 • /шр • ^^.м ' " сила зажима на/-м участке линии сопряжения

ремней (/' =1,3,5).

I - слой; II - верхний ремень; III - нижний ремень

Построенная модель позволяет произвести детальный анализ сил зажима в транспортирующих ремнях трепальной машины, выявить влияние различных параметров элементов зажимного и прижимного устройства на величину и характер распределения силы зажима, а так же выбрать рациональные геометрические и технологические параметры зажимного транспортирующего механизма.

Третья глава работы посвящена расчету сил зажима в транспортирующих ремнях при использовании разработанной компьютерной модели.

При проведении предварительного анализа (при толщине слоя равной нулю) выявлено, что на участке ремня между соседними роликами имеется область в которой, из-за сильного выгибания верхнего транспортирующего ремня зажим обрабатываемого слоя мал и при увеличении сил прижима этот длина этого участка не изменяется. Одним из вариантов решения этой проблемы является сближение прижимных роликов. Установлено, что при исходных размерах прижимных роликов невозможно сблизить ролики на такое расстояние, при котором исчезает вышеупомянутая область. Расчеты показали, что диаметр прижимных роликов оказывает незначительное влияние на величину и характер распределения сил зажима в транспортирующих ремнях. Это влияние проявля-

ется только непосредственно под прижимными роликами и вызвано изменением пятна контакта между верхним транспортирующим ремнем и прижимным роликом. Данное заключение позволяет произвести анализ сил зажима при использовании роликов меньшего диаметра. Расчеты при меньшем диаметре прижимных роликов позволили установить минимальное расстояние, при котором отсутствует выгибание верхнего ремня. Это расстояние составило 130 мм. Установлено, что минимальные силы зажима слоя в ремнях возникают в его сечении равноудаленном от осей роликов («слабое сечение»). При этом увеличение сил прижима при расстоянии между роликами меньшем 130 мм приводит к росту сил зажима в этом сечении.

Анализ результатов расчетов позволил сделать заключение о том, что сила зажима на вертикальных участках линии сопряжения ремней значительно меньше, чем на горизонтальном участке. С целью увеличения сил зажима на вертикальных участках предложена новая форма ролика - с проточкой. Проведен анализ интенсивности сил зажима на вертикальном участке линии сопряжения ремней с целью определения рациональной ширины проточки. Анализ интенсивности сил зажима при различных параметрах модели позволил установить, что наиболее интенсивный зажим на вертикальном участке обеспечивается при ширине проточки, большей, чем ширина нижнего ремня. Это обусловлено тем, что при использовании проточки боковые поверхности паза верхнего ремня деформируются в сторону боковых поверхностей нижнего ремня, обеспечивая более надежный зажим. Направление и характер общих деформаций при различной форме прижимного ролика показан на рис.2.

нниинни ШШШшт

ВтШШШШт

"ШЯЯт 1 -

|1 нн

V

И*

а.

Я»

Л

т !Ш!й1

ж с

Щ\

б.

Рис. 2. Полные деформации ремня (а) при отсутствии проточки, (б) при наличии проточки шириной 50 мм

Расчет с учетом обрабатываемого слоя показал, что сила зажима под осью ролика достаточна для его удержания. В «слабом сечении» эта сила невелика, и ее невозможно увеличить за счет увеличения сил прижима при существующем в настоящее время расстоянии между роликами (250мм). Установлено, что для обеспечения достаточной силы зажима слоя в «слабом сечении» необходимо уменьшить это расстояние до 110мм, следовательно, диаметры роликов необходимо уменьшить до 100мм и более. Исследование влияния ширины проточ-

ки на величину силы зажима позволило установить, что рациональными параметрами зажимного транспортирующего механизма с точки зрения эффективности зажима слоя являются следующие:

- ширина проточки более 40 мм;

- расстояние между осями роликов менее 110 мм;

- диаметры роликов 40-100 мм.

Данные рекомендации позволят усилить надежность фиксации слоя обрабатываемого волокна. Очевидно, что при проектировании зажимного механизма необходимо учитывать множество других параметров, одним из которых является величина общей силы прижима, приходящейся на одну трепальную секцию. При рекомендованных параметрах механизма сила зажима связана с силой прижима линейным законом, что позволяет вычислять силу зажима графически и аналитически при любом значении силы прижима. График, показывающий зависимость предельной силы трения в «слабом сечении» от силы прижима на всем участке линии сопряжения ремней при рекомендованных и исходных параметрах прижимного устройства показан на рис.3.

-При рекомендованных параметра*

--При исходных параметр**

-При рекомендованных параметрах

— — При исходных параметрах

Рис. 3. Предельная сила трения в «слабом сечении» при рекомендованных и исходных параметрах прижимного устройства (а) по всей линии сопряжения, (б) на вертикальном участке

Использование рекомендованных параметров позволяет увеличить предельную силу трения в «слабом сечении» в 3,37 раза, а на вертикальном участке линии сопряжения ремней - в 2,8 раза при сохранении общей силы прижима на одну секцию. Также исследовано, как влияют изменения диаметров и добавление проточки в ролике на величину контактных напряжений. Установлено, что применение рекомендованных параметров прижимного устройства приведет к снижению запаса прочности ремней со 198 до 109, но это, по нашему мнению, не должно сказаться на сроке службы ремней, поскольку это значение остается достаточно высоким. Одним из важных параметров работы зажимного транспортирующего механизма является сила сопротивления движению ремней по

транспортерной балке. Увеличение числа роликов при одновременном уменьшении их диаметров в рассматриваемых диапазонах приведет к увеличению силы сопротивления движению ремней по транспортерной балке на 1,13%. Четвертая глава посвящена исследованию прижимного устройства, за счет которого создается зажим слоя в ремнях зажимного механизма. Приведен обзор существующих в настоящее время прижимных устройств и отмечено, что любое из них может быть приведено к виду, показанному на рис.46. Для прижимного устройства агрегата МТА-2Л (рис.4а)

а.

Рис.4.Конструкция прижимного устройства агрегата MTA2JI (а) схема нажимного устройства, (б) эквивалентный упругий элемент 1 - ремень; 2-ролик; 3-рычаг; 4 - упругий элемент

получена формула, определяющая зависимость силы давления ролика на ремень от конструктивных параметров его исполнения.

b sin В

(3)

N = Р + F

упр

a sin а

где: Рупр-с-(1-10)> 1 = т[(хв -х,)2 +(ув -у,)2 ; с - жесткость упругого элемента; I, ¡о - соответственно длина упругого элемента в текущем и недеформи-рованном состоянии; Р - вес ролика; а, Ъ - геометрические параметры устройства; х,, у, - координаты точки О] относительно системы координат ХОУ;

xg=b-sin{cc + y)-í уд =-b-cos(a + y); /-arceos 3

/3=-7Г-в-а-у^ 9 = arctg

fa2 +b2-AB2

2 ab

= const.

-bcos(a + у)-у\ x\-b sin{a + у)

Отмечено, что эта зависимость носит нелинейный характер, но при изменении толщины ремня в пределах 5 мм ее можно считать линейной. Найдена жесткость эквивалентного упругого элемента, которая для существующего прижимного устройства составила 568 Н/м, при этом величина эквивалентной жесткости зависит от угла а. Главной задачей прижимного устройства является обеспечение постоянства силы прижима. Установлено рациональное положение точки крепления рычага прижимного устройства, обеспечивающего минимальное изменение силы прижима.

Изменение силы прижима обусловлено двумя причинами: изменением толщины ремня, возникающего из-за неравномерности толщины обрабатываемого слоя и колебаниями балки зажимного транспортирующего механизма. Получена математическая модель, описывающая движение ролика по ремню с учетом изменения его толщины и колебаний балки зажимного транспортирующего механизма, позволяющая определить зависимость силы давления ролика на абсолютно жесткий ремень от времени:

N соэ ю = ту + .Г + те - та ■ к Бт( И) ^ с упр

у^ = к0 + ДА + Д/г ■

соэ

2л(х[ - П) Ь

= Ус х1

(4)

(5)

V

Я- -х,

Ь

Бт

¿Л

I

(х1 -VI)

где: ус - координата центра масс ролика, определяемая из системы уравнении, в которой первые два равенства получены исходя из того, что точка касания ролика и ремня с координатами (х,,у,) удовлетворяет двум уравнениям: уравнению кривой, описывающей изменение толщины ремня у=/(0 и уравнению окружности радиуса К с центром в точке С, а последнее исходя из того, что в этой точке должны быть равны и производные по х от этих функций, к0 и Ак -соответственно средняя толщина и амплитуда колебаний толщины ремня, V -скорость ремня, Ь - длина волны неровноты ремня, а и к - соответственно амплитуда и частота колебаний балки зажимного транспортирующего механизма, т - масса ролика, <р - угол между нормалью к поверхности ремня осью у. Исследование влияния этих факторов на неравномерность силы прижима позволило установить, что в существующем в настоящее время прижимном устройстве изменение силы прижима из-за неравномерности слоя по толщине может достигать 2,5 %, а из-за колебаний балки - 20%. Для снижения влияния последнего фактора на силу прижима предложено уменьшить массу прижимного ролика, а необходимую силу прижима обеспечить за счет предварительной затяжки пружины.

Пятая глава работы посвящена экспериментальному определению сил зажима слоя обрабатываемого волокна в транспортирующих ремнях при рекомендо-

ванных параметрах конструкции зажимного механизма, схема которого представлена на рис.5.

С

Рис.5. Схема экспериментального стенда для определения сил зажима: 1-прижимные ролики, 2-балка, 3- зажимы, 4- боковые стойки, 5-болты,

6-шнур, 7-грузы.

Измерения силы зажима для каждого набора параметров проводилось в пятикратной повторности. В ходе эксперимента расстояния между роликами принимались 250 мм, 200мм, 130мм, 100мм. К прижимным роликам прикладывались нагрузки 100 Н и 200 Н. Диаметр ролика 40мм с проточкой 65мм.

Результаты эксперимента представлены на рис.6 подтвердили явление выгибания ремня при существующем расстоянии между роликами, которое отрицательно сказывается на силе зажима в «слабом сечении». Численные значения сил зажима по длине ремня, полученные экспериментально и численно представлены в табл. 1.

180

160

140

\ 120

I 100 S

; ао

\ \ \

\\ \ \ / ' /

\\ i /

\\ i /

V

Таблица 1

Координата по длин« ремня (z), мм

-Растояние250

---РастояннеЗДО

-Растояние200 - РастояниеЮО

Расстояние между осями роликов (L) Сила зажима на различном расстоянии от неподвижного ролика

0 L/4 L/2

250 мм 160 75,3 42,8

200 мм 160 (170) 68,6 (72,7) 39,2 (35,2)

130 мм 160 (175) 124,4 (115,2) 107,8 (97,2)

100 мм 160 (199) 160 (-157) 121,6 (126,1)

Рис. 6. Результаты измерения силы зажима на экспериментальном стенде при различном расстоянии между роликами

Результаты эксперимента с достаточной точностью подтвердили результаты теоретического расчета сил зажима (9%). Кроме того были проведены эксперименты с целью определения механических характеристик материала ремня и слоя сырца: модуль упругости и коэффициент Пуассона. С целью определения амплитуд колебаний транспортерной балки проведен эксперимент на

МТА-2Л. Результаты эксперимента показаны на рис.7. Амплитуда колебаний: до 200 мкм, средняя частота колебаний: к=83,5 с1.

250

200

Время, мс

Рис. 7. Колебания транспортерной балки зажимного транспортирующего механизма

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что одной из причин, влияющих на выход длинного льняного волокна, помимо несовершенства обрабатываемого слоя, является недостаточность сил зажима слоя в «слабом сечении» - сечении, расположенном на равных расстояниях от нажимных роликов.

2. Установлен закон изменения сил нормального давления отдельно на каждом из участков линии сопряжения ремней. Анализ этих сил показал, что зажим волокна, в основном происходит на горизонтальном участке линии сопряжения ремней, силы нормального давления на вертикальных участках составляют 4% от общей силы нормального давления.

3. Разработана математическая модель позволяющая получить силы зажима в любой точке линии сопряжения ремней. Построена параметрическая компьютерная модель, основанная на полученной математической модели.

4. Анализ напряженно-деформированного состояния позволил установить, что увеличение сил прижима не позволяет существенно повлиять на силы зажима при существующих в настоящее время геометрических параметрах зажимного транспортирующего механизма

5. Исследовано влияние геометрических параметров прижимного устройства, установлено:

а) сближение осей роликов существенным образом влияет на силы зажима. Уменьшение расстояния между роликами с 250 до 100 мм при неизменной силе прижима приводит к увеличению сил зажима в «слабом сечении» с 8,3 до 60 Н. Силы зажима слоя в «слабом сечении» возрастают в этом случае при неизменной общей силе прижима ремня к балке зажимного транспортирующего механизма с 8,3 до 28 Н.

б) при увеличении диаметра ролика с 40 до 100 мм сила зажима изменяется с 72 до 92 Н (увеличивается на 22%).

в) для увеличения сил зажима слоя на вертикальных участках линии сопряжения ремней необходимо выполнить ролик с проточкой. Исследование влияния ширины проточки на силу зажима на вертикальных участках позволило установить, что при ширине проточки большей ширины нижнего ремня сила зажима на исследуемых участках возрастает на 20%. Этот фактор будет способствовать сохранению и полной обработке льна в случае их неполного попадания в зажим транспортирующих ремней.

6. Исследование напряжений на площадке контакта ролика радиуса R=80 мм с проточкой 40 мм позволяет установить, что максимальные напряжения, возникающие при этом, составляют 0,5 Мпа, что в два раза выше имеющих место при существующих в настоящее время конструктивных параметрах зажимного транспортирующего механизма.

7. Разработана математическая модель движения прижимного ролика. Установлено, что в существующем в настоящее время прижимном устройстве изменение силы прижима из-за неравномерности слоя по толщине может достигать 2,5 %, а из-за колебаний балки - 20%. Для снижения влияния последнего фактора на силу прижима предложено уменьшить массу прижимного ролика, а необходимую силу прижима обеспечить за счет предварительной затяжки пружины.

8. В результате проведенного исследования предложены рациональные конструктивные параметры зажимного транспортирующего механизма, обеспечивающие надежность зажима волокна при обработке: диаметры роликов 100 мм, расстояние между роликами 110 мм, ширина проточки 40 мм.

ПУБЛИКАЦИИ, ОТРАЖАЮЩИЕ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

РАБОТЫ

Журналы, входящие в «Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий»

1. Коваленко Н.И., Разин С.Н., Балабаев П.С., Соколов A.B. Экспериментальное определение жесткости транспортирующих ремней трепальной машины/ Коваленко Н.И., Разин С.Н., Балабаев П.С., Соколов A.B. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. -2009. -№4с.

2. Коваленко Н.И., Разин С.Н., Соколов A.B. Моделирование напряженно-деформированного состояния моделей транспортирующих ремней тре-

пальной машины/ Коваленко Н.И., Разин С.Н., Соколов A.B. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности .-2010. -№5.

3. Коваленко Н.И., Разин С.Н., Соколов A.B. Моделирование взаимодействия элементов транспортирующего механизма трепальной машины/ Коваленко Н.И., Разин С.Н., Соколов A.B. // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности.-2011.-№ 3.

Научно-технические журналы и сборники научных трудов

4. Коваленко Н.И. Направления исследования и совершенствования расчетов элементов транспортирующего механизма трепальной машины для льна/ Коваленко Н.И., Соколов A.B. // Вестник КГТУ,- Кострома, КГТУ,-2009,-№21.

5. Соколов A.B. Разработка программного обеспечения для расчета моделей сечений плоских фигур/ Соколов A.B., Разин С.Н., Коваленко Н.И. // Деп. в ВИНИТИ, №708-В2009,- Москва. - 2009.

6. Разин С.Н. Моделирование некоторых параметров нажимного устройства трепальной машины/ Разин С.Н., Коваленко Н.И., Соколов A.B. // Вестник КГТУ,- Кострома, КГТУ ,-2010.-№23.

Сборники материалов и тезисы докладов на Международных, всероссийских и межвузовских конференциях

7. Соколов A.B. О необходимости расчета вынужденных колебаний транспортерной балки трепальной машин для льна/ Соколов A.B., Разин С.Н., Коваленко Н.И. // Тезисы международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС-2008), - г. Иваново, - ИГТА, - 2008.

8. Соколов A.B. Применение ЭВМ при решении дифференциального уравнения вынужденных колебаний транспортерной балки трепальной машины/ Соколов A.B., Разин С.Н., Коваленко Н.И. // Тезисы международной научно-методической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона (ЛЕН-2008)» -Кострома, КГТУ ,-2008.

9. Соколов A.B. Система автоматизированного расчета усилий в стержнях (описание программного продукта)/ Соколов A.B., Разин С.Н., Коваленко Н.И. // Каталог программных средств КГТУ - Кострома, РИО КГТУ ,2008г.

Ю.Соколов A.B. Система автоматизированного расчета вынужденных колебаний транспортерной балки трепальной машины (описание программного продукта)/ Соколов A.B., Разин С.Н., Коваленко Н.И. // Каталог программных средств КГТУ - Кострома, РИО КГТУ ,2008г.

П.Соколов A.B. Автоматизированный расчет моментов инерции сечений сложной конфигурации (описание пр. продукта)/ Соколов A.B., Разин

i6

С.Н., Коваленко Н.И. // Каталог программных средств КГТУ - Кострома, РИО КГТУ ,2009г.

12.Разин С.Н. Пути совершенствования транспортирующего механизма трепальной машины для льна / Разин С.Н., Коваленко Н.И., Соколов A.B. // Материалы 60-й международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе» ФОГОУ ВПО КГСХА, - 2010.

13.Коваленко Н.И. Моделирование параметров нажимного устройства трепальной машины/ Коваленко Н.И., Разин С.Н., Соколов A.B. //Тезисы международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2011), -г. Москва, МГТА им. Косыгина, 2011.

Соколов Александр Вячеславович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЖИМНОГО МЕХАНИЗМА ТРЕПАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ЛЬНА

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать 23.04.2012. Печ. л. 1,0. Заказ НО. Тираж 100. РИО КГТУ, Кострома, ул. Дзержинского, 17

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

СОКОЛОВ АЛЕКСАНДР ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЗАЖИМНОГО МЕХАНИЗМА ТРЕПАЛЬНОЙ МАШИНЫ ДЛЯ ЛЬНА

Специальность 05.02Л3 «Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)»

УНИВЕРСИТЕТ»

61 12-5/2919

На правах рукописи УДК 67/^05"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. С.Н. Разин

Кострома - 2012

ВВЕДЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

5

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования..................................................12

1.1. Основные конструкции зажимных транспортирующих механизмов промышленных машин и машин для внезаводской обработки......................................................................................................................................................12

1.2. Обзор исследований, посвященных усовершенствованию

зажимных транспортирующих механизмов....................................................................29

1.3. Аналитическое и экспериментальное исследование силы зажима волокна в транспортирующих механизмах........................................................................46

Глава 2. Компьютерное моделирование зажимного

транспортирующего механизма для анализа зажима обрабатываемого

слоя в транспортирующих ремнях................................................................................................52

2.1. Математическая модель зажима слоя волокна в

транспортирующих ремнях трепальной машины для льна..............................52

2.2. Выбор автоматизированных средств для проведения анализа............55

2.3. Выбор системы анализа и интерпретация результатов CAE ANSYS 58

2.4. Построение модели объекта исследования............... ................................65

2.4.1. Определение параметров материалов модели..................................................65

2.4.2. Построение геометрической модели........................................................................66

2.4.3. Построение расчетной модели......................................................................................72

2.4.4. Инструменты для проведения анализа без учета слоя волокна... 79 2.4.5 Инструменты для проведения анализа с учетом слоя волокна.... 82

2.5. Параметризация расчетной и геометрической модели................................84

Глава 3. Расчет сил зажима в транспортирующих ремнях трепальной

машины................................................................................................................................................................89

3.1. Расчет сил зажима в транспортирующих ремнях без учета обрабатываемого слоя............................................................. 90

3.1.1. Исследование влияния расстояния между прижимными

роликами на силу зажима в транспортирующих ремнях.................. 90

3.1.2. Исследование влияния диаметра прижимных роликов на силу зажима в транспортирующих ремнях.......................................... 95

3.1.3. Исследование влияния формы прижимных роликов на силу

зажима в транспортирующих ремнях.......................................... 102

3.2. Расчет сил зажима в транспортирующих ремнях при наличии в расчетной модели слоя обрабатываемого волокна............. ............ 110

3.2.1. Определение влияния различных параметров на величину силы зажима............................................................................... Ш

3.2.2. Выбор рациональных параметров конструкции прижимного устройства........................................................................... 115

3.3. Исследование дополнительных параметров зажима в

транспортирующих ремнях...................................................... 122

Глава 4. Исследование прижимного устройства транспортирующего механизма трепальной машины................................................. 133

4.1. Моделирование процессов взаимодействия элементов трепальной машины.............................................................................. 134

4.2. Анализ конструкции нажимного устройства трепальной машины 140

Глава 5. Экспериментальное исследование свойств элементов транспортирующего механизма................................................. 147

5.1. Экспериментальное определение сил зажима волокна в транспортирующих ремнях..................................................... 147

5.2. Экспериментальное определение модуля упругости материала транспортирующих ремней трепальной машины.......................... 153

5.3. Экспериментальное определение модуля упругости льняного

волокна................................................................................ 156

5.4. Экспериментальное определение параметров колебаний

транспортерной балки транспортирующего механизма................... 158

Общие выводы..................................................................... 160

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................... 162

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы

В настоящее время выход длинного волокна в общем объеме вырабатываемой волокнистой продукции составляет 25%, а остальное -менее ценное короткое волокно. Одной из главных задач первичной обработки является изменение соотношения между длинным и коротким волокном в сторону увеличения процента выхода длинного волокна.

Мяльно-трепальные агрегаты, используемые для механической обработки, имеют ряд недостатков, которые приводят к большим потерям длинного волокна на переходах от одной части машины к другой, в зажиме зажимного транспортирующего механизма, в результате нерационального выбора режимов обработки и т.д.

Выявление причин, приводящих к потерям длинного волокна, устранению их путем совершенствования существующей техники, подбора более рациональных условий обработки является чрезвычайно важной задачей повышения эффективности первичной обработки льна.

Настоящая работа посвящена исследованию надежности фиксации слоя обрабатываемого материала в зажиме зажимного транспортирующего механизма трепальной машины мяльно-трепального агрегата и модернизации его с целью увеличения выхода длинного волокна. Тема «Совершенствование зажимного механизма трепальной машины для льна» актуальна, так как предусматривает совершенствование зажима слоя в транспортирующих ремнях трепальной машины, направленное на повышение выхода длинного волокна в условиях заводов первичной обработки.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является снижение потерь длинного волокна за счет повышение надежности фиксации слоя путем

совершенствования конструкции зажимного транспортирующего механизма трепальных машин на основе развития теоретической и экспериментальной базы исследования процесса зажима слоя обрабатываемого материала с использованием имитационного компьютерного моделирования.

Для достижения указанной цели исследования в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Установить закон изменения сил нормального давления отдельно на каждом из участков линии сопряжения ремней.

2. Теоретически определить силы зажима в любой точке линии сопряжения транспортирующих ремней. Разработать математическую модель зажима пряди льна в транспортирующих ремнях зажимного транспортирующего механизма и построить параметрическую компьютерную расчетную модель, основанную на полученной математической модели.

3. Исследовать влияние геометрических параметров нажимного ролика на величину силы зажима слоя в транспортирующих ремнях трепальной машины.

4. Экспериментально определить силы зажима слоя в транспортирующих ремнях в зависимости от различных факторов.

5. Разработать математическую модель движения нажимного ролика с учетом кинематического возбуждения и неравномерности толщины слоя.

6. Определить рациональные геометрические и технологические параметры элементов зажимного механизма трепальной машины, обеспечивающие повышение надежности зажима

Методы исследования

Решение поставленных задач осуществлялось с применением теоретических и экспериментальных методов. При теоретических исследованиях использованы методы дифференциального и интегрального

исчисления, теоретической механики, механики нити, теории упругости, численные математические методы. Также широко использованы методы компьютерного имитационного моделирования с применением метода конечных элементов. Анализ и обработка экспериментальных результатов исследований проводилась на ПЭВМ с помощью прикладных программ: ANS YS, Mathcad, Microsoft Office Excel 2010, а также оригинальных программных продуктов, созданных при выполнении настоящей работы.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в разработке компьютерной модели зажимного механизма трепальной машины для льна, позволяющей провести анализ усилий зажима слоя обрабатываемого сырья и усовершенствовать элементы данного механизма для снижения потерь длинного льняного волокна. По результатам диссертационного исследования впервые:

разработана компьютерная модель, описывающая взаимодействие элементов зажимного транспортирующего механизма, позволяющая определить распределение нормальных напряжений в любой точке поверхностей сопряжения ремней с учетом их геометрических и физических характеристик;

проведен анализ напряженного состояния ремней зажимного транспортирующего механизма с использованием методов компьютерного имитационного моделирования при различных параметрах конструкции зажимного транспортирующего механизма, показавший, что в существующей конструкции зажимного механизма имеется ряд недостатков, отрицательно влияющих на качество зажима обрабатываемого материала, изменение параметров зажимного устройства позволяет значительно увеличить силы зажима в транспортирующих ремнях;

- теоретически определены и экспериментально подтверждены величины сил трения между ремнями и зажатой прядью по линии

сопряжения ремней и сил зажима обрабатываемой пряди в зависимости от различных факторов: сил прижима, профиля ролика, местоположения слоя на горизонтальном и вертикальном участках линии сопряжения ремней;

выявлено влияние конструктивных параметров прижимного устройства на силу прижима транспортирующих ремней, установлены их рациональные значения;

установлено влияние неравномерности толщины обрабатываемого слоя и колебаний транспортерной балки зажимного транспортирующего механизма на силу прижима ремня роликом, разработаны рекомендации по выбору размеров и масс прижимных роликов.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в том, что:

разработан экспериментальный стенд для исследования сил зажима слоя обрабатываемого материала в транспортирующих ремнях трепальной машины;

определено рациональное расположение роликов, обеспечивающее надежность зажима в сечении ремней, расположенном на одинаковом расстоянии от осей роликов;

предложены новые формы прижимных роликов, обеспечивающие более надежный зажим обрабатываемого слоя и снижающие потери длинного волокна.

Апробация результатов работы

Основные результаты работы были доложены и получили

положительную оценку:

на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС-2008)», г. Иваново, 2008;

на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона (JIEH-2008)», г. Кострома, КГТУ, 2008;

на 60-й международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе», - ФГБОУ ВПО КГСХА, г. Кострома - 2010;

на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2011)», г. Москва, МГТА им. Косыгина, 2011;

на семинаре по теории машин и механизмов «Костромской филиал семинара по ТММ РАН секция «Текстильное машиноведение», г. Кострома, КГТУ, 2012

Публикации

1. Коваленко Н.И. Экспериментальное определение жесткости транспортирующих ремней трепальной машины / Н.И. Коваленко, С.Н. Разин, П.С. Балабаев, A.B. Соколов // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2009. - №4.

2. Коваленко Н.И. Моделирование напряженно-деформированного состояния моделей транспортирующих ремней трепальной машины / Н.И. Коваленко, С.Н. Разин, A.B. Соколов // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2010. - №5.

3. Коваленко Н.И. Моделирование взаимодействия элементов транспортирующего механизма трепальной машины / Н.И. Коваленко, С.Н. Разин, A.B. Соколов // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2011. - № 3.

4. Коваленко Н.И. Направления исследования и совершенствования расчетов элементов транспортирующего механизма трепальной машины для льна / Н.И. Коваленко, A.B. Соколов // Вестник КГТУ. - Кострома: РИО КГТУ.-2009. -№21.

5. Соколов A.B. Разработка программного обеспечения для расчета моделей сечений плоских фигур / A.B. Соколов, С.Н. Разин, Н.И. Коваленко // Деп. в ВИНИТИ, №708-В2009. - Москва. - 2009.

6. Разин С.Н. Моделирование некоторых параметров нажимного устройства трепальной машины / С.Н. Разин, Н.И. Коваленко, A.B. Соколов // Вестник КГТУ - Кострома: РИО КГТУ - 2010. - №23.

7. Соколов A.B. О необходимости расчета вынужденных колебаний транспортерной балки трепальной машин для льна / A.B. Соколов, С.Н. Разин, Н.И. Коваленко // Тезисы международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (ПРОГРЕСС-2008)» -Иваново. - ИГТА. - 2008.

8. Соколов A.B. Применение ЭВМ при решении дифференциального уравнения вынужденных колебаний транспортерной балки трепальной машины / A.B. Соколов, С.Н. Разин, Н.И. Коваленко // Тезисы международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона (ЛЕН-2008)» - Кострома. - КГТУ. - 2008.

9. Соколов A.B. Система автоматизированного расчета усилий в стержнях (описание программного продукта) / A.B. Соколов, С.Н. Разин, Н.И. Коваленко // Каталог программных средств КГТУ. - Кострома: РИО КГТУ.-2008.

10. Соколов A.B. Система автоматизированного расчета вынужденных колебаний транспортерной балки трепальной машины (описание программного продукта) / A.B. Соколов, С.Н. Разин, Н.И. Коваленко // Каталог программных средств КГТУ. - Кострома: РИО КГТУ. - 2008.

11. Соколов A.B. Автоматизированный расчет моментов инерции сечений сложной конфигурации (описание пр. продукта) / A.B. Соколов,

С.Н. Разин, Н.И. Коваленко // Каталог программных средств КГТУ. -Кострома: РИО КГТУ. - 2009.

12. Разин С.Н. Пути совершенствования транспортирующего механизма трепальной машины для льна / С.Н. Разин, Н.И. Коваленко, A.B. Соколов // Материалы 60-й международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе». - Кострома. - ФГБОУ ВПО КГСХА. - 2010.

13. Коваленко Н.И. Моделирование параметров нажимного устройства трепальной машины / Н.И. Коваленко, С.Н. Разин, A.B. Соколов // Тезисы международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2011), - Москва. - МГТА им. Косыгина. - 2011.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав. Работа изложена на 173 страницах, имеет 107 рисунков и 8 таблиц, список литературы, включающий 122 источника, 2 приложения.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Основные конструкции зажимных транспортирующих механизмов промышленных машин и машин для внезаводской обработки льна

В нашей стране мяльно-трепальные машины были созданы в начале XX века. Первичная обработка лубяных волокон стала самостоятельной отраслью текстильной промышленности к 1925 году.

Главная роль в развитии первичной промышленности играли научно-исследовательские учреждения. Основным из них являлся научно-исследовательский институт лубяных волокон (ЦНИИЛВ). Накопленный опыт позволил подойти к созданию новых машин.

Первые научные исследования с целью создания теоретических основ проектирования трепальных машин были выполнены в Советском Союзе А.Б. Кузьминским [51], A.A. Разуваевым [77], Т.В. Костицыным [45], С.О. Доброгурским [20].

Большим вкладом в развитие теоретических основ процесса трепания лубяных волокон был выход в 1940 году монографии А.Б Кузьминского [51]. Поскольку процесс трепания представляет собой сложное механическое явление, исследование которого непосредственно в целом невозможно, А.Б. Кузьминский расчленил его на простейшие явления и применил к ним методы математического и механического анализа, а затем рассмотрел совокупность этих явлений, называемую процессом трепания.

A.A. Разуваевым была исследована зависимость между размерами и взаимным расположением бильных барабанов, а также характер и величина силы удара. Им введены понятия: поле трепания и величина двойного протрепа.

Т.В. Костицыным решалась задача выделения из общей массы сопротивлений только полезных, для преодоления которых предназначена машина.

С.О. Доброгурским был выполнен силовой анализ процесса трепания, который ограничен рассмотрением сил, действующих на рабочей кромке бильной планки, без учета ее переносного движения.

На основании этих исследований В.В. Андреев [9] разработал технические условия на проектирование отечественной льнотрепальной машины ЛТ-2, а Климовский машиностро�