автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Усовершенствование конструкций аэродинамических крутильных устройств текстильных машин с целью снижения энергоемкости готовой продукции

НГи од

■ • / :ч

На правах рукописи УДК 677.052.434.4

СЕМЕНОВА АНАСТАСИЯ ГЕННАДЬЕВНА

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ

КРУТИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАШИН С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГО-ЕМКОСТИ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ.

Специальность 05.02.13 -машины и агрегаты (легкая промышленность).

ч

Автореферат диссерцацни на соисхание ученой степени кандидата технических наук.

КОСТРОМА - 1998.

Работа выполнена в Костромском государственном технологическс университете.

Научный руководитель - д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки

техники РСФСР Г.К.Кузнецов

Научный консультант - к.т.н., доцент А.К.Наумов Официальные оппоненты - д.г.н., профессор П.М.Мовшович,

к.т.н. В.А.Козлов.

Ведущая организация - Костромское специальное конструкторское

бюро текстильных машин.

Защита состоится 1998 г. в .часов

на звседании диссертационного совета К 063.89.01 в Костромском государственном технологической университете, аудитория _

Адрес: 156005, Кострома, ул. Дзержинского 17. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан " А " ?/>//,лл5гг?\992 г.

Отзывы по настоящему автореферату, заверенные печать учреждения, в двух экземплярах просим присылать в адрес университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Соркнн А.П.

ОБЩАЯ ХАРКТАРЕСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В связи с резким падением производства в стране, в том числе и в текстильной промышленности, встал вопрос о возможностях и перспективах возрождения текстильных предприятий. Одним из возможных путей решения возникших проблем может быть создание новых и возрождение старых технологий для выработки конкурентно способной продукции с высокими потребительскими характеристиками. В частности, для текстильных предприятий Костромской области таким видом продукции могут стать тонкие чисто льняные ткани, например, льняной батист. При наличии сырья достаточно высокого качества такая продукция может выпускаться и, по данным маркетинговых исследований, пользоваться большем потребительским спросом как на внутреннем так и на внешнем рынках.

Однако кроме сырьевой проблемы здесь возникает проблема высокой себестоимости чисто льняной пряжи высоких весовых номеров, в частности, - высокой ее трудоемкости из-за низкой производительности существующего на данный момент прядильного оборудования.

Ограниченные перспективы значительного увеличения производи тельности традиционного кольцепрядильного оборудования связаны со сложностью дальнейшего повышения скорости бегунков, увеличения размеров паковок и т. п. Поэтому возникает необходимость в развитии так называемых новых способов прядения. Одним из них является аэродинамический , или пневмовьюрковый. Данный метод формирования волокнистого продукта уже используется в самокруточном прядении. Кроме ТОГ9 он может быть использован для выработки достаточно широкого спектра продукции, в том числе для получения чисто льняной пряжи высоких номеров. Полученная пряжа незначительно отличается по своим характеристикам от пряжи кольцевого способа прядения и при ткачестве может быть Использована в качестве уточной нити.

В качестве крутильных органов в пневмовьюрковом способе прядения используются аэродинамические крутильные устройства (АКУ), что позволяет значительно повысить производительность оборудования за счет увеличения скорости выпуска как минимум в 5 - 10 раз в сравнении с традиционным кольцевым. Этот факт, а так же возможность наработки пряжи в бобины может дать значительное снижение трудоемкости готовой продукции. При переработке короткого волокна таким способом процесс прядения может осуществляться из ленты, тем самым устраняя ровничный переход.

Работы, проводимые в этом направлении в ЦНИИЛВ, а так же К остром скин СКБТМ и КНИЛПом показали, что при решении ряда проблем данный метод может дать значительные результаты в направлении повышения прогаводительноста прядильного оборудования. Одной из основных проблей здесь является достаточно большая энергоемкость готовой продукции за счет использования дорогостоящего сжатого воздуха.

Отсутствие на настоящий момент достаточной теоретической базы усложняет дальнейшие проектно - конструкторские изыскания в этой области. Затруднено проектирование новых и усовершенствование существующих конструкций АКУ из - за невозможности прогнозирования основных технологических параметров процесса.

Данная работа выполнялась в соответствии с программой "Русский

лен".

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы является исследование и математическое описание процессов, происходящих в аэродинамическом крутильном устройстве при взаимодействии волокнистого продукта, находящегося в камере АКУ и создаваемого в ней воздушного вихря, а так же создание методики расчета основных технологических параметров работы АКУ и рекомендаций по выбору оптимальных конструктивных параметров и режимов работы.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- проведен патентный поиск и анализ существующих технологических процессов прядения с использованием АКУ, разработана их классификация с точки зрения структуры вырабатываемого волокнистого продукта; разработана классификация существующих конструкций АКУ по ряду признаков;

- сделана оценка экономической целесообразности использования аэродинамических процессов прядения в современных условиях;;

произведен анализ существующих теоретических работ по математическому описанию процессов, происходящих в АКУ;

- сделано математическое описание аэродинамических процессов в камере АКУ, а именно:

а) получены и проанализированы уравнения, описывающие пол скоростей и поле давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУ:

б) получены и проанализированы уравнения для определения частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ, расхода воздуха через тангенциальные сопла АКУ;

в) получено уравнение для определения величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в вихревой камере АКУ, с учетом реальных характеристик волокнистого продукта;

- для проверки адекватности полученных теоретических зависимостей были проведены следующие экспериментальные исследования:

а) исследовано и описано поведение нити в АКУ;

б) исследовано влияние некоторых характеристик волокнистого продукта и ряда конструктивных параметров и режимов работы АКУ на его крутильную способность;

- разработана методика расчета основных технологических параметров работы АКУ и даны рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров, предложены пути усовершенствования существующих конструкций АКУ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ . Работа содержит анализ отечественной и иностранной научно - технической и патентной литературы, теоретические и экспериментальные исследования.

Теоретическая часть диссертации выполнена с использованием методов дифференциального и интегрального исчисления, теории дифференциальных уравнений в частных производных, которые направлены на рассмотрение аэродинамических процессов, происходящих в камере АКУ, а так же на описание динамики кручения волокнистого продукта в камере АКУ под действием воздушного вихря. Решение и анализ уравнений осуществлялось аналитическим путем и численными методами с использованием ЭВМ (системы МАСНСАО). Так же создан алгоритн расчета основных технологических параметров работы АКУ, который может быть реализован в виде протрам много продукта.

Достоверность всех основных результатов выполненных теоретических исследований проверена экспериментально на специально разработанном стенде в лабораторных условиях. При испытаниях использовалась видео съемка. .

Были изготовлены и испытаны около 20 типоразмеров аэродинамических вьюрков, из которых были составлены конструктивные ряды. Испытания проводились на образцах волокнистого продукта различного качества и линейной плотности.

Для определения характеристик продукта использовался метод световых проекций, определение жесткости на кручение осуществлялось по стандартной методике с использованием крутильного маятника И.С.Павлова.

Так же использовались экспериментальные данные ранее проводимых работ. Использовались методы планирования и анализа ' эксперимента.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

- разработаны классификации аэродинамических процессов прядения и применяемых в них АКУ;

- описан характер поведения волокнистого продукта в вихревой камере АКУ;

- получены и проанализированы уравнения, описывающие поле скоростей и поле давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУ;

- получены уравнения для определения частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ, расхода воздуха через тангенциальные сопла, а так же величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ с учетом его реальных характеристик;

- установлено влияние баллонирования нити в канере АКУ на величину крутящего момента;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЕЗНОСТЬ:

- разработан экспериментальный стенд и методика косвенного определения величины крутящего момента через замеряемые крутки насыщения в первой или второй зонах кручения АКУ;

- разработана научно - обоснованная инженерная методика расчета и проектирования АКУ, позволяющая дать рекомендации по выбору оптимальных конструкций АКУ и режимов его работы при заданных характеристиках готового продукта, обеспечивающих снижение расхода сжатого воздуха;

- предложены пути усовершенствования существующих конструкций аэродинамических вьюрков, не требующие значительных капитало вложений и позволяющие достичь экономии сжатого воздуха до 20 %.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Методика расчета и проектирования АКУ принята к использованию в конструкторских разработках КБ Костромского завода Текмаш. Разработанные в соответствии с данной работой методические указания рекомендованы для использования в ходе процесса обучения по

дисциплине ''Тепло- массо-обменные процессы" для специальности 17.07 в Костромском государственном технологическом университете.

ПУБЛИКАЦИИ. В результате выполненной работы имеется II публикации, в том числе 4 статьи н 6 тезисов докладов на всероссийских и международных научно - технических конференциях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на -/¿70 страницах машинописного текста, состоит из введения , четырех глав, заключения , общих выводов и списка литературы из наименований и приложения, а гак же включает 44 рисунка и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснованы актуальность темы, цель н задачи исследования, методы исследования , научная новизна а практическая полезность работы. Так же приводится история развития аэродинамического прядения и теоретических работ связанных с ним. Обзор и анализ этих работ позволил сделать вывод о недостаточности теоретической базы для описания процесса кручения волокнистого продукта в аэродинамическом крутильном устройстве.

Здесь же описывается принцип кручения волокнистого продукта в АКУ, основные его достоинства и недостатки.

В первой главе рассматривается современное состояние вопроса и формулируются цели и задачи исследования.

Проведенный обзор латентных материалов существующих техно логий аэродинамического прядения и конструкций аэродинамических крутильных устройств позволил разработать их классификацию. Составлена4 классификация технологических процессов прядения с использованием АКУ на основании структуры формируемого волокнистого продукта, приведены примеры оборудования и технологические схемц, а так же основные достоинства и недостатки этих технологий. Так же составлена классификация аэродинамических крутильных устройств по следующим признакам: структура формируемого волокнистого продукта; тип конструкции; тип применяемой рабочей аэросмеси. Приведены примеры различных конструкций АКУ.

Патентный поиск проводился по семи странам и охватывал период с 1985 г. по 1997 г. Выявлено, что наибольшее количество разработок в этой области за рубежом проводилось в Японии, США, Германии, Франции и Голландии. На основании приведенной классификации сделан экономический аналш технологий аэродинамического прядения и

обоснована целесообразность их применения в текстильно! промышленности.

Вторая глава посвящена теории вопроса формирована волокнистого продукта в АКУ, а так же экспериментальны! исследованиям, подтверждающим адекватность полученных теоретически зависимостей. Теоретические исследования проводились в два этапа.

На первом этапе, в результате анализа решения уравнения Навье Стокса в цилиндрических координатах, при условиях стационарности осесиммегричности системы, вязкости и несжимаемости воздушног потока, были получены уравнения, описывающие поле скоростей и пол давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУ. Установлен зависимость между статической н динамической составляющими давленн воздушного потока в камере АКУ. Данные зависимости объясняю поведение нити в вихревой камере АКУ, которое описывается в этой глав на основании данных видеосъемки и визуальных наблюдений. Здесь ж приводится зависимость, полученная аналитическим путем, для опред ления величины крутящего момента , действующего на волокнисты продукт в камере АКУ, которая не противоречит эмпирической зав симости, полученной ранее в работах П.М.Мовшовича и подтверждая что крутящий момент пропорционален скорости проскальзывания нит относительно "синхронной" ее скорости вращения.

Так же, на основании уравнения Сен - Венана получены зависим ост для расчета и других основных аэродинамических параметров работ? АКУ:

• частота вращения воздушного вихря в камере АКУ:

где а - угол наклона оси тангенцального сопла к оси камеры АКУ;

Ло - радиус вихревой камеры АКУ с учетом величины пограннчног слоя, м.

VI - скорость истечения воздуха из тангенциального сопла, м/с;

У1 • эт а 2я

■о

к-1 к

введенный в данную формулу коэффициент ц. учитывает количество площадь сечения тангенциальных сопл;

- объемный расхода воздуха через тангенциальные сопла:

1

■> JL.pt к-\ 1

к-Л

/с

где

- площадь сечения тангенциальных сопл, м ; для вьюрков,

имеющих лсопл крутого сечения

4

сопл;

- введено понятие кр!Ггического давления, которое характеризует подаваемое к тангенциальным соплам давление, обеспечивающее максимальную крутильную способность АКУ, и определяется по формуле:

Р\кр ~ Ро

1 +

1

_1_

2

м. )

Так же в этой главе приводятся уравнения, описывающие динамику крутки в двухзонном АКУ, н зависимости, позволяющие аналитическим путем рассчитать крутки насыщения в первой и второй зонах кручения АКУ:

Ма-1

7

М0-1

/

/_, 4 . Г ¡2 где 1 ~ ^ + / ^' ) " ^езраз>1ернЬ1е сг™оситель,1Ые значения

длин соответственно первой и второй зон кручения;

I - жесткость на кручение волокнистого продукта, определяется по стандартной методике с использованием крутильного маятника И.С.Павлова. Н м2;

Мо - крутящий момент, действующий на волокнистый продукт в начальный момент закручивать Н м.

Для проверки адекватности полученных зависимостей проведен ряд экспериментальных исследовании. В данной главе приводится описание н принцип работы стационарного экспериментального испытательного стенда и методика косвенного определения крутящего момента по замеряемой величине круток насыщения. Установлена зависимость

V

крутильной способности АКУ от следующих параметров: давление воздуха, подаваемого к соплам АКУ; длина активной части вихревой камеры; диаметр вихревой камеры; число тангенциальных сопл и их угол наклона к оси вихревой камеры; соотношение дайн зон кручения АКУ. Так же приводятся данные экспериментальных исследований , на основании которых сделан вывод о большом влиянии на величину крутящего момента реальных характеристик волокнистого продукта (формы и площади его поперечного сечения, ворсистости поверхности, жесткости на кручение, вида волокна). Отмечено, что линейная плотность волокнистого продукта практически не оказывает влияния на величину сообщаемой в АКУ продукту крутки.

На основании этих выводов и при использовании теории аэродинамических моментов на втором этапе теоретических исследований была получена расчетная формула для определения величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ при учете формы его поперечного сечения и ворсистости поверхности. Введено понятие наибольшего радиуса сечения волокнистого продукта, учитывающее эти его характеристики. Данная зависимость учитывает так же характер баллонирования волокнистого продукта в камере АКУ и определяется формулой:

где Кб - коэффициент, учитывающий смещение волокнистого продукта в вихревой камере АКУ при его баллонировании, определялся аналитическим путем;

К з - коэффициент, учитывающий снижение крутки при затирании волокнистого продукта о стенки камеры АКУ, определялся в результате экспериментальных исследований;

С, - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления волокнистого продукта ( приводятся величины этого коэффициента для различных волокнистых материалов при углах атаки 30 - 90°по данным работы Г.Г.Павлова);

ро - плотность рабочей аэроскеси в камере АКУ, кг/м}; в - коэффициент, учитывающий затухание вихря по длине активной части вихревой камеры 1а, (ряд коэффициентов в зависимости от Ц определялся экспериментально);

Япр - наибольший радиус сечения волокнистого продукта, м.

Анализ данной зависимости показал, что в начальный момент закручивания крутящий момент пропорционален квадрату частоты вращения воздушного вихря и увеличивается с увеличением длины активной часта вихревой камеры, радиуса волокнистого продукта, а так же при увеличении амплитуды баллонирования н при условии отсутствия затирания волокнистого продукта о стенки камеры АКУ. Данная зависимость подтверждается экспериментальными исследованиями и может быть непосредственно использована в проектных расчетах.

В третьей главе разработана методика расчета основных технологических параметров работы АКУ, даны рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров , а так же приводится пример расчета.

Методика теоретического расчета параметров работы АКУ составлена на основании выше приведенных аналитических зависимостей. Критерием оптимальности конструкции АКУ принимается минимальная величина расхода сжатого воздуха при заданной величине крупен в первой зоне кручения АКУ. Основными исходными данными для расчета являются:

а) коксгрукпгвные параметры АКУ - длина и диаметр активной части вихревой камеры; число и форма тангенциальных сопл, площадь их сечения; угол наклона тангенциальных сопл к оси вихревой камеры; длины зон кручения;

б) характеристики волокнистого продукта - наибольший радиус сечения волокнистого продукта, жесткость на кручение;

в) характеристики рабочей аэросмеси - температура; кинематическая вязкость; плотность при атмосферном давлении.

Алгоритм расчета состоит из следующих этапов:

- расчет и выбор основных аэродинамических параметров работы АКУ. А именно: <.

а) расчет величины критического давления;

б) выбор величины давления , подаваемого к АКУ (оно не должно превышать критическое);

в) расчет величины объемного расхода воздуха ( при необходимости -расчет массового расхода);

г) расчет частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ;

- расчет основных технологических параметров работы АКУ, который включает:

а) расчет аэродинамического крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ;

б) расчет круток насыщения в первой и второй зонах кручения АКУ;

в) рекомендации по выбору величины нагона и скорости прядения.

При реализации предложенной методики в виде программного

продукта возможен подбор таких режимов работы (выбор давления) и соотношения зон кручения, при которых заданная конструкция АКУ обеспечит необходимую крутку волокнистого продукта.

Адекватность предложенной методики проверена экспериментально. Для этого проводились испытания, а так же расчеты односопловых вьюрков, изготовленных по типу ПСК, при кручении шерстяного волокни стого продукта. Так же проводилось сравнение экспериментальных и расчетных данных для четырехсоплового вьюрка, спроектированного, и описанного в работе НЛ.Гинзбург, для бескруточного прядения льна мокрым способом (БПМ), Расхождения между расчетными и экспериментальными данными не превышает 5%.

Приводится пример расчета технологических параметров вьюрка ПСК и их сравнение с данными, полученными в результате испытаний машины ПСК-225-ШГ на стендовом участке Костромского СКБТМ.

Даны рекомендации по выбору конструктивных параметров АКУ, обеспечивающих повышение его крутильной способности с цепью снижения расхода сжатого воздуха при неизиенных характеристиках готового продукта.

Четвертая глава посвящена разработке усовершенствованных конструкций аэродинамических вьюрков типа ПСК и БПМ, а так же расчету экономии энерго - затрат на сжатый воздух при их использовании.

На основании анализа полученных аналитических зависимостей и экспериментальных данных предложена модернизация существующих конструкций вьюрков, которая заключается в удлинении активной части .вихревой камеры. Причем насадки, которые, в частности, предлагается выполнить к вьюркам ПСК и БПМ, должны иметь форму диффузора, т.е. расширяться в направлении движения волокнистого продукта, для предотвращения гашения крутки в результате затирания волокнистого продукта о стенки вихревой камеры при его баялонировании. Причем угол раскрытия диффузора должен соответствовать углу баллона . Удлинение активной части вихревой камеры на 10 мм. для вьюрка ПСК при условии постоянства крутки, по предварительным подсчетам дает экономию сжатого воздуха до 10%.

Здесь же предложены новые конструкции вьюрков ПСК и БПМ на основе патентной разработки, выполненной Костромским СКБТМ (заявка N1301006 БЦ). Эта конструкции характеризуются оригинальной формой тангенциальных сопл и удлиненной, как описывалось выше, вихревой камерой. Использование таких конструкций АКУ, по предварительным расчетам, может дать экономию сжатого воздуха свыше 20,%.

В заключительной части работы обобщены основные достоинства и недостатки пневмовьюркового способа прядения и возможности его применения в современных условиях. Акцентируется значимость возможно сги прогнозирования технологических параметров работы АКУ на стадии их проектирования. В связи с этим делается вывод, что данная работа является лишь небольшим шагом в исследованиях с целью создания полноценной методики проектирования и расчета аэродинамических крутильных устройств текстильных машин. Для создания такой методики необходимо не только развивать математическую модель кручения волокнистого продукта в камере АКУ, но и создавать мощные базы данных, включающие как характеристики самих АКУ так и волокнистого продукта.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Исследования, проведенные на основе анализа патентной литературы, определили классификацию технологических процессов прядения с использованием АКУ с учетом их достоинств н недостатков, а так же экономическую целесообразность, их использования в условиях производства. Составлена классификация аэродинамических кругильных устройств текстильных машин по ряду признаков.

2. На основе анализа исследований, проводимых в области аэродинамического прядения по описанию процессов, происходящих в АКУ, сделан вывод о ^недостаточности теоретической базы для создания научнообоснованной инженерной методики проектирования аэродннами чееких крутильных устройств текстильных машин.

3. Описан принцип действия АКУ н механизм формирования пряжи в закрученной воздушной струе.

4. На основании экспериментальных наблюдений(с использованием прозрачного вьюрка) описано поведение нити в вихревой камере АКУ, в частности возможные варианты движения, и процесс баллонирования.

5. Разработан стационарный экспериментальный испытательный стенд и методика косвенног о определения величины крутящего момента,

действующего на волокнистый продукт в камере АКУ, по замеряемой величине крутки насыщения.

6. Экспериментальные исследования позволили установить влияние на крутильную способность АКУ ряда конструктивных и технологических параметров, а именно:

- крутильная способность АКУ увеличивается с увеличением длины активной части вихревой камеры при условии отсутствия затирания бштонирующего продукта о стенки АКУ, а так же с увеличением числа тангенциальных сопл;

- с увеличением угла наклона тангенциальных сопл к оси вихревой камеры эжекционная способность АКУ уменьшается, а крутильная увеличивается;

- крутка, сообщаемая продукту в АКУ зависит от формы и площади его сечения, ворсистости поверхности и максимальна, когда диаметр вихревой камеры приблизительно равен двум наибольшим диаметрам волокнистого продукта;

- при изменении соотношения длин зон кручения число кручений в них остается равным и максимально, когда длинны зон равны. При достаточно большой разнице длин зон кручения наблюдается проскальзывание витков через вихревую камеру АКУ из меньшей зоны в большую.

- крутильная способность АКУ увеличивается с увеличением давления сжатого воздуха, подаваемого к тангенциальным соплам АКУ, при превышении определенной критической величины давления крутильная способность остается неизменной.

7. Анализ решения уравнения Навье - Стокса в цилиндрических координатах при условии стационарности и осесимметричности системы, вязкости и несжимаемости воздушного потока (задача Куэтта), позволил получить и проанализировать поле скоростей и поле давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУ.

8. На основании теории аэродинамических моментов получено уравнение для определения величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ в начальный момент закручивания, при учете его реальных характеристик и характера баллонирования. В уравнение введены полученные экспериментально коэффициенты, учитывающие снижение крутки от затирания баллонирующего продукта о стенки АКУ и от затухания вихря по длине активной части вихревой камеры, что непосредственно позволяет использовать данную формулу б расчетах АКУ.

9. На основании уравнения Сен - Венана получены аналитические зависимости для определения частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ и расхода воздуха через тангенциальные сопла АКУ.

10. Разработана методика расчета основных технологических параметров работы АКУ, реализованная в виде алгоритма.

И. Даны рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров АКУ н предложены пути его усовершенствования с целью повышения крутильной способности.

12. Разработаны усовершенствованные конструкции аэродина -нических вьюрков ПСК и БПМ, применение которых, по предварительным .подсчетам, позволило бы достичь экономии сжатого воздуха до 20% при неизменных характеристиках готового продукта.

13. Предложены дальнейшие направления теоретических исследований, направленных на создание более совершенной научнообоснованной инженерной методики проектирования АКУ.

Апробация работы.

Результаты работы были доложены и получили положительную оценку на всероссийских научно - технических конференциях:

-"ЛЕН - 96" .Костромской государственный технологический университет;

-"Прогресс - 97" Теория и практика разработки оптимальных техноло гических процессов и конструкции в текстильном производстве. - ИГТА, 199?;

- на семинаре по теории механизмов и машин Академии наук (Костромской филиал), 1998.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Семенова А.Г., Моряков Е.В., Наумов А.К., Шутов Г.Н. Теоретический расчет поля скоростей аэродинамического вьюрка. - Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 1996, N2, с.93 - 94.

2. Семенова А.Г., Моряков Е.В., Наумов А.К., Шутов Г.Н. теоретический расчет поля давлений аэродинамического вьюрка. - Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 1996, N3, с,80 - 82.

3. Семенова А.Г., Наумов А.К., Моряков Е.В., Шутов Г.Н. Метод теоретического расчета аксиальной силы, увлекающей волокнистый продукт в аэродинамическом вьюрке. - Изв. ВУЗов. Технология текстильной промышленности, 1996, N5, с. 66 -68.

4. Семенова А.Г. Расчетная формула для определения крутящего момента, создаваемого аэродинамическим вьюрком. - Сборник научных трудов молодых ученых КГТУ, Кострома, 1997, с.112 -113.

5. Семенова А.Г., Шутов Г.Н. Расчет технологических параметров аэродинамических крутильных устройств текстильных машин. - Сборник тезисов докладов на VII Интернациональном конгрессе по теории машин и механизмов, Либерец, Чехия 1996, с.527 - 532.

6. Семенов .Г., Шутов Г.Н. Формирование льняной пряжи в закрученной воздушной струе. - тезисы доклада на всероссийской научно -технической конференции "Лен - 96", КГТУ, 1996.

7. Семенова А.Г. Методика расчета конструктивных и технологических параметров аэродинамических вьюрков. - тезисы доклада на Всероссийской научно - технической конференции "Современные технологии текстильной промышленности"(Текстиль - 97), Москва, МГТА.1997.

8. Семенова А.Г. Метод теоретического расчета крутящего момента, создаваемого аэродинамическим вьюрком. - тезисы доклада на Республиканской и. - т. конференции "Комплексное использование волокнистого сырья при производстве товаров широкого потребления", Ташкент, ТИТЛП.1997.

9. Семенова А.Г. Принцип действия, области и возможности применения аэродинамических вьюрков в текстильной промышленности (обзор). - тезисы доклада на Международной н. - т. конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве"(Прогресс-97), Иваново, ИГТА, 1997.

10. Основы методики расчета основных технологических параметров работы аэродинамических крутильных устройств текстильных машин. - тезисы доклада на конференции, С - Петербургский государственный университет технологии и дизайна, 1998.

11. Семенова А.Г., Наумов А.К. Модернизация аэродинамических крутильных устройств текстильных машин. - Опыт работы по научно -техническому обеспечению региональной программы "Развитие льняного комплекса Костромской области на 1997 - 2000 гг.", Кострома ,1998.

Семенова А.Г.

Автореферат

Подписано в печать 28.С8.98г.Заказ227.ТиражЮЗ.

КГЦ' .Дзержинске го 17.

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 677,052.484.4

СЕМЕНОВА АНАСТАСИЯ ГЕННАДЬЕВНА

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ

КРУТИЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАШИН С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ.

Специальность 05.02.13 -машины и агрегаты (легкая промышленность).

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Научный руководитель:

д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Г.К.Кузнецов Научный консультант:

к.т.н., доцент А.КЛаумов

КОСТРОМА - 1998.

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Общая характеристика работы.

2. Состояние вопроса. 8.

ГЛАВА I. Аэродинамические крутильные устройства и их применение в технологических процессах прядения.

1. Классификация технологических процессов аэродинамического

прядения: Ж

1.1. Применение аэродинамических крутильных устройств

в процессах формирования самокрученого продукта 49.

1.2. Получение армированной пряжи при использовании аэродинамических крутильных устройств.

1.3. Применение АКУ для выработки пряжи ложного кручения.

1.4. Использование АКУ в качестве вспомогательных органов

в процессах прядения. 29.

2. Аэродинамические крутильные устройства прядильных машин

(классификация). 33.

2.1. Типы АКУ для формирования волокнистого продукта различной структуры. 34.

2.2. Конструктивные типы АКУ. Ъ9.

2.3. Рабочие аэродинамические смеси, применяемые в АКУ. ЬО.

3. Экономическая целесообразность применения АКУ в различных технологических процессах прядения.

ГЛАВА 11. Теоретические основы процесса кручения волокнистого продукта в АКУ.

1. Поведение нити в АКУ.

2. Математическое описание аэродинамических процессов в

вихревой камере АКУ. Ы.

3. Поле скоростей в вихревой камере АКУ. щ.

4. Поле давления в вихревой камере АКУ.

54. '55. М. 62.

66. 75.

и.

ГЛАВА III. Методика расчета и проектирования аэродинамических

крутильных устройств текстильных машин. 85.

1. Расчет основных аэродинамических параметров работы АКУ. 86.

2. Расчет основных технологических параметров работы АКУ.

3. Рекомендации по выбору конструктивных параметров АКУ. 94..

4. Пример расчета технологических параметров работы АКУ. 95. *

ГЛАВА IV. Разработка усовершенствованных конструкций аэродинамических крутильных устройств. Расчет экономии сжатого воздуха при их использовании. /¿2?.

1. Модернизация аэродинамического вьюрка типа ПСК (вариант 1).

2. Разработка новой конструкции вьюрка типа ПСК

(вариант 2). ¿04.

т.

¿09. Ж. т.

5. Крутящий момент.

6. Частота вращения воздушного вихря в камере АКУ.

7. Расход воздуха через тангенциальные сопла АКУ.

8. Теоретический расчет динамики крутки в двухзонном АКУ.

9. Экспериментальные исследования по определению параметров работы АКУ.

10. Расчетная формула крутящего момента в вихревой камере АКУ с учетом реальных характеристик волокнистого продукта.

11. Влияние баллонирования волокнистого продукта в камере АКУ на величину крутящего момента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. ЛИТЕРАТУРА. ПРИЛОЖЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1 .ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В связи с резким падением производства в стране, в том числе и в текстильной промышленности, встал вопрос о возможностях и перспективах возрождения текстильных предприятий. Одним из возможных путей решения возникших проблем может быть создание новых и возрождение старых технологий для выработки конкурентно способной продукции с высокими потребительскими характеристиками. В частности, для текстильных предприятий Костромской области таким видом продукции могут стать тонкие чисто льняные ткани, например, льняной батист. При наличии сырья достаточно высокого качества такая продукция может выпускаться и, по данным маркетинговых исследований, пользоваться большем потребительским спросом как на внутреннем так и на внешнем рынках.

Однако кроме сырьевой проблемы здесь возникает проблема высокой себестоимости чисто льняной пряжи высоких весовых номеров, в частности, - высокой ее трудоемкости из - за низкой производительности существующего на данный момент прядильного оборудования.

Ограниченные перспективы значительного увеличения производительности традиционного кольцепрядильного оборудования связаны со сложностью дальнейшего повышения скорости бегунков, увеличения размеров паковок и т. п. Поэтому возникает необходимость в развитии так называемых новых способов прядения. Одним из них является аэродинамический , или пневмовьюрковый. Данный метод формирования волокнистого продукта уже используется в самокруточном прядении. Кроме того он может быть использован для выработки достаточно широкого спектра продукции, в том числе для получения чисто льняной пряжи высоких номеров. Полученная пряжа незначительно отличается по своим характеристикам от пряжи кольцевого способа прядения и при ткачестве может быть использована в качестве уточной нити.

В качестве крутильных органов в пневмовьюрковом способе прядения используются аэродинамические крутильные устройства (АКУ), что позволяет

значительно повысить производительность оборудования за счет увеличения скорости выпуска как минимум в 5 - 10 раз в сравнении с традиционным кольцевым. Этот факт, а так же возможность наработки пряжи в бобины может дать значительное снижение трудоемкости готовой продукции. При переработке короткого волокна таким способом процесс прядения может осуществляться из ленты, тем самым устраняя ровничный переход.

Работы, проводимые в этом направлении в ЦНИИЛВ, а так же

Костромским СКБТМ и КНИЛПом показали, что при решении ряда проблем данный метод может дать значительные результаты в направлении повышения производительности прядильного оборудования. Одной из основных проблем здесь является достаточно большая энергоемкость готовой продукции за счет использования дорогостоящего сжатого воздуха.

Отсутствие на настоящий момент достаточной теоретической базы усложняет дальнейшие проектно - конструкторские изыскания в этой области. Затруднено проектирование новых и усовершенствование существующих конструкций АКУ из-за невозможности прогнозирования основных технологических параметров процесса.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы является исследование и математическое описание процессов, происходящих в аэродинамическом крутильном устройстве при взаимодействии волокнистого продукта, находящегося в камере АКУ и создаваемого в ней воздушного вихря, а так же создание методики расчета основных технологических параметров работы АКУ и рекомендаций по выбору оптимальных конструктивных параметров и режимов работы.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- проведен патентный поиск и анализ существующих технологических процессов прядения с использованием АКУ, разработана их классификация с точки зрения структуры вырабатываемого волокнистого продукта; разработана классификация существующих конструкций АКУ по ряду признаков;

- сделана оценка экономической целесообразности использования аэродинамических процессов прядения в современных условиях;

- произведен анализ существующих теоретических работ по математическому описанию процессов, происходящих в АКУ;

- сделано математическое описание аэродинамических процессов в камере АКУ, а именно:

а) получены и проанализированы уравнения, описывающие поле скоростей и поле давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУ;

б) получены и проанализированы уравнения для определения частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ, расхода воздуха через тангенциальные сопла АКУ;

в) получено уравнение для определения величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в вихревой камере АКУ, с учетом реальных характеристик волокнистого продукта и характера его баллонирования;

- для проверки адекватности полученных теоретических зависимостей были проведены следующие экспериментальные исследования:

а) исследовано и описано поведение нити в АКУ;

б) исследовано влияние некоторых характеристик волокнистого продукта и ряда конструктивных параметров и режимов работы АКУ на его крутильную способность;

- разработана методика расчета основных технологических параметров работы АКУ и даны рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров, предложены пути усовершенствования существующих конструкций АКУ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ . Работа содержит анализ отечественной и иностранной научно - технической и патентной литературы, теоретическиё и экспериментальные исследования.

Теоретическая часть диссертации выполнена с использованием методов дифференциального и интегрального исчисления, теории дифференциальных уравнений в частных производных, которые направлены на рассмотрение аэродинамических процессов, происходящих в камере АКУ, а так же на описание динамики кручения волокнистого продукта в камере АКУ под действием воздушного вихря. Решение и анализ уравнений осуществлялось аналитическим путем и численными методами с использованием ЭВМ (системы МАТНСАЭ). Так же разработан алгоритм расчета основных технологических параметров работы АКУ, который может быть реализован в виде программного продукта.

Достоверность всех основных результатов выполненных теоретических исследований проверена экспериментально на специально разработанном стенде в лабораторных условиях. При испытаниях использовалась видео съемка.

Были изготовлены и испытаны около 20 типоразмеров аэродинамических вьюрков, из которых были составлены конструктивные ряды. Испытания проводились на образцах волокнистого продукта различного качества и линейной плотности.

Для определения характеристик продукта использовался метод световых проекций, определение жесткости на кручение осуществлялось по стандартной методике с использованием крутильного маятника И.С.Павлова.

Так же использовались экспериментальные данные ранее проводимых работ. Использовались методы планирования и анализа эксперимента. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

- разработаны классификации аэродинамических процессов прядения и применяемых в них АКУ;

- описан характер поведения волокнистого продукта в вихревой камере АКУ;

- получены и проанализированы уравнения, описывающие поле скоростей и поле давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУ;

- получены уравнения для определения частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ, расхода воздуха через тангенциальные сопла, а так же величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ с учетом его реальных характеристик;

- установлено влияние баллонирования нити в камере АКУ на величину крутящего момента;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЕЗНОСТЬ:

- разработан экспериментальный стенд и методика косвенного определения величины крутящего момента через замеряемые крутки насыщения в первой или второй зонах кручения АКУ;

- разработана научно - обоснованная инженерная методика расчета и проектирования АКУ, позволяющая дать рекомендации по выбору оптимальных конструкций АКУ и режимов его работы при заданных характеристиках готового продукта, обеспечивающих снижение расхода сжатого воздуха;

- предложены пути усовершенствования существующих конструкций аэродинамических вьюрков, не требующие значительных капиталовложений и позволяющие достичь экономии сжатого воздуха до 20 %.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Методика расчета и проектирования АКУ принята к использованию в конструкторских разработках КБ Костромского завода Текмаш. Разработанные в соответствии с данной работой методические указания рекомендованы для использования

в ходе процесса обучения по дисциплине "Тепло- массообменные процессы" для специальности 17.07 в Костромском государственном технологическом университете.

ПУБЛИКАЦИИ. В результате выполненной работы имеется 11 публикации, в том числе 4 статьи и 6 тезисов докладов на всероссийских и международных научно -технических конференциях.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Современное развитие техники характеризуется все более широким использованием достижений различных областей науки. В текстильной промышленности результатом такого развития могут служить, существующие в настоящее время наряду с традиционным кольцевым, альтернативные безверетенные способы прядения, где используются как механические процессы, так и все большее значение приобретает использование аэродинамических сил, электрических полей и пр.

Сам принцип безверетенного прядения возник сравнительно давно. По данным статьи [ 16 ], первый патент основанный на использовании воздушных потоков, был известен еще в 1904 г. Однако, отсутствие достаточно глубоких теоретических исследований в области механической технологии волокнистых материалов и аэродинамики не позволило определить большие потенциальные возможности этого способа для повышения производительности труда и оборудования в прядении и осуществить его. Кроме того появление новых способов прядения совпало с периодом развития кольцепрядильных машин, пришедших на смену машин периодического действия.

В 70 - е годы, когда дальнейшее развитие конструкций кольцепрядильных машин стало ограничено и возникли трудно разрешимые проблемы: дальнейшее повышение скорости бегунков, размеров паковок, КПВ машины, снижение затрат труда на съем готовой пряжи, - научные исследования были направлены на поиски и развитие принципиально новых способов получения пряжи.

Значительное внимание и средства, которые выделяются во многих странах на разработку безверетенных способов прядения, объясняются большими потенциальными возможностями в повышении производительности труда и оборудования и возможностями автоматизации процесса прядения, что имеет важное значение при создании поточных линий и организации производства.

Наибольшее распространение среди безверетенных способов прядения получили те, в которых для скручивания или уплотнения волокнистого продукта в качестве рабочего органа используется воздушный, реже жидкостный, вихрь. Главным преимуществом таких методов прядения является разделение процессов кручения и наматывания, что открывает возможности значительного повышения производительности оборудования за счет увеличения скорости выпуска.

В общем случае процесс безверетенного прядения представляет собой постепенное утонение, а затем скручивание волокнистого продукта. Возможны два варианта процесса скручивания:

- первый, когда скручиваемый волокнистый продукт остается непрерывным от питающей до наматываемой (приемной) паковки. Общая схема кручения изображена на рис. 1. В этом случае крутящий момент, передаваемый крутильным органом пряже, распространяется по обе стороны от места его приложения, как в первую так и во вторую зоны кручения, причем направление крутки в этих зонах различное. При движении продукта из первой зоны во вторую он целиком теряет крутку и выходит из устройства раскрученным. Это типичная схема так называемого ложного кручения;

1. Питающая паковка.

2. Крутильный орган.

3. Приемная паковка.

Рис. 1. Общая схема безверетенного прядения.

- вторая схема скручивания волокнистого продукта позволяет получить пряжу действительного кручения. Для этого необходимо избежать крутящего момента одновременно в обе зоны кручения. При кольцевом прядении это достигается путем вращения приемной паковки ( веретена ) одновременно с крутильным органом. В безверетенных способах прядения применяется принципиально другой способ: для избежания распространения крутящего момента в первую зону питающий продукт утоняется и разъединяется до такой степени, что между питающей паковкой и

крутильным органом создается дискретный поток волокон, который не может передавать крутящий момент. Благодаря этому во второй зоне кручения пряжа получает действительную крутку. Такой способ формирования волокнистого продукта получил название прядения "со свободным концом".

Наиболее ярким примером безверетенного способа прядения "со свободным концом", где в качестве рабочего органа используется воздушный вихрь, является пневмомеханическое камерное и роторное прядение. Эти методы достаточно широко применяются и на настоящий момент с полным правом могут считаться традиционными.

Другим, не менее интересным примером безверетенного прядения с использованием воздушного вихря является аэродинамическое вьюрковое прядение. В отличие от пневмомеханического прядения, где камера или ротор вращаются с большими скоростями, здесь аэродинамическое крутильное устройство (АКУ) является неподвижным, а процесс кручения осуществляется за счет создаваемого в нем воз