Содержание к диссертации
Введение
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РОВНИЧНЫХ МАШИН И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
1.1. Анализ факторов, ограничивающих частоту вращения веретен 10
1.2. Изучение условий формирования ровницы и существующих
технических средств для повышения ее качества 32
1.3. Влияние направляющих поверхностей на натяжение ровницы
и качество ровничных паковок 44
1.4.0 недостатках процесса вытягивания на ровничных машинах 52
1.5. Выводы по главе 55
2. РАЗРАБОТКА ВИБРОУСТОЙЧИВЫХ И ИЗНОСОСТОЙКИХ РОВНИЧНЫХ ВЕРЕТЕН И ИХ ОПОР 57
2.1. Решение задачи о равномерном износе в опорах веретен 57
2.2. Расчет веретена на вибрацию 63
2.3. Выводы по главе 72
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕРЕТЕН 74
3.1. Установки и приборы для испытания веретен 77
3.2. Методы измерения и исследования вибрации веретен 82
3.3. Испытания веретен ровничных машин на вибрацию 87
3.4. Испытание веретен ровничных машин на износ 95
3.5. Выводы по главе 98
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫТЯГИВАНИЯ И ФОРМИРОВАНИЯ РОВНИЦЫ НА РОВНИЧНЫХ МАШИНАХ Р-192-5 100
4.1. Уточненная методика определения нагрузок на нажимные валики вытяжного прибора 100
4.2, Разработка математических моделей распространителей крутки для создания благоприятных условий формирования ровницы .... 110
4.2Л. Снижение колебаний натяжения ровницы по рядам веретен ПО
4.2.2. Стабилизация крутки ровницы на участке между передним цилиндром и рогулькой 113
4.2.3. Определение натяжения ровницы на поверхности распространителя крутки с образующей в форме спирали 116
4.2.4. Математическое описание регулирования удельного давления ровницы на поверхность распространителя
крутки со спиралевидной направляющей 122
4.2.5. Расчет натяжения ровницы по участкам ее движения
от вытяжного прибора до катушки 125
4.3. Выводы по главе 130
5. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ НОВАЦИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ РОВНИЧНЫХ МАШИН 132
5.1. Обоснование выбора объектов исследования 132
5.2. Формирование ровницы на ровничной машине Р-192-5 134
5.3. Исследование показателей качества ровницы и ровничной
паковки 139
5.4. Анализ показателей качества пряжи 150
5.5. Выводы но главе 155
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 157
ЛИТЕРАТУРА 159
ПРИЛОЖЕНИЕ 173
Акты промышленных внедрений
- Анализ факторов, ограничивающих частоту вращения веретен
- Решение задачи о равномерном износе в опорах веретен
- Установки и приборы для испытания веретен
- Уточненная методика определения нагрузок на нажимные валики вытяжного прибора
- Формирование ровницы на ровничной машине Р-192-5
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Отсутствие инвестиций в основной капитал вынуждает текстильные предприятия использовать технологическое оборудование, установленное еще в 70-80-х годах прошлого столетия. К настоящему времени такое оборудование морально и физически изношено и считается ниэкопроизводителышм. Основным условием снижения себестоимости производства и повышения качества пряжи является достижение максимально высокой эффективности используемых машин прядильного производства, что возможно только при широком внедрении новых технических средств и совершенствовании технологий.
Проведенный анализ влияния различных факторов на повышение эффективности работы ровничных машин выявил, что основпой причиной, ограничивающей частоту вращения веретен и соответственно нроюводительность машин, является вибрация веретеи. Вибрация возникает в результате неуравновешенности и биения у комплекта «веретено-рогулька»; возможной песоосносги веретен, втулок и подпятников; низкой износостойкости опор. Повышенные вибрации приводят к увеличению натяжения ровницы и ее обрывности. Кроме этого из-за вибрации сильно увеличивается расход электроэнергии, что приводит к снижению и без того низкого коэффициента полезпого действия машины.
Для решения актуальной проблемы улучшения качества производимой ровницы необходимо добиваться снижения перовноты ровницы от вытягивания, уменьшения неконтролируемой вытяжки ровницы в выпускной зоне, выравнивания натяжения ровницы по рядам веретен.
Отмеченные недостатки в работе ровничных машин так или иначе связаны с конструктивным несовершенством машины, а именно с элементами три- : босонряжений. Чтобы обеспечить наилучшее взаимодействие поверхностей трения деталей ровничных машин, необходимо создавать благоприятную геометрию нитенаправляющих и формирующих устройств, добиваться идеальной совместимости элементов сопряжения веретенных опор и минимизации их изнашивания. Поэтому решение перечисленных научных проблем, направленных на совершенствование технологических процессов на ровничпых машинах, на сегодняшний день является актуальной задачей.
Работа выполнена в соответствии с планом исследований ИГТА в рамках гранта Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области технических наук 2002 г. и научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" на 2003-2004 гг.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности ровничных машин за счет увеличения производительности и улучшения качества путем разработки и использования оптимальных форм трнбосопряжений деталей ровничных машиш
Для достижения данной цели били поставлены л решены следующие задачи:
-
Выявлены способы улучшения качества ровницы и повышения производительности ровничных машин со съемными рогульками.
-
Разработаны методы повышения износостойкости и долговечности де» талей ровничной машины путем оптимизации формы поверхностей трения.
-
Разработана конструкция ровничного веретена с нижней опорой, обеспечивающей снижение неравномерности износа элементов трибосопряження (шпинделя и подпятника) и способность веретена самоцеитрироваться.
-
Созданы палсжітгс и виброустойчипые веретена и их опоры для работы с большими наковками на высоких скоростях (до 1300 об/мин).
-
Уточнены рациональные нагрузки иа нажимные валики вытяжного прибора маїшнш Р-192-5.
-
Разработаны математические модели распространителей крутки с геометрией, обеспечивающей стабилизацию натяжения и крутки ровницы но рядам веретен.
-
Апробированы и внедрены в производство новые способы и технические средства стабилизации процессов вытягивания, формирования и наматывания ровницы.
Методы исследования. При выполнении работы применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы дифференциального и интегрального исчислении, аналитической и начертательной геометрии, математического моделирования, теоретической механики, механики идеально гибкой нити. Экспериментальные исследования проводились иа лабораторном и действующем производственном оборудовании с использованием стандартных методик и современной измерительной аппаратуры. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением методов математической статистики на ЭВМ.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке теоретических основ для расчета виброустоНчивых, износостойких веретен и для создания оптимальных конструкций распространителей крутки, в разработке уточненной методики расчета нагрузок на валики вытяжного прибора, а также в использовании полученных научных выводов для совершенствования технологаческнх процессов и модернизации ровничных матнп.
I) диссертационной работе впервые получены следующие основные результаты:
поигуїсна математическая модель пяты шпинделя веретена, для которой износ рабочей поверхности одинаков по высоте пяты;
выполнены теоретические расчеты и экспериментальные исследования вибрации ровничных перстей с повой формой пяты н получены числовые характеристики стабильности работы веретен усовершенствованной конструкции;
разрабоїаиьі методика профилирования спиралеобразных распространителей крупен и методы расчета их поверхности, необходимые для создания бла-
гоприятяых условий формирование ровницы (выравнивания величин наряжения и ложной крутки ровницы по рядам веретен);
- разработан расчехно-экспфимептаяышй метод для определения нагру
зок на нажимные валики вытяжного прибора, учитывающий силы, действую
щие в зонах вытягивания, состав сортировки, линейную плотность и структуру
перерабатываемого полуфабриката;
получены новые экспериментальные данные практической апробации предлагаемых научных разработок;
- обоснованы оптимальные технологические режимы вьгашшааш, фор
мирования и наматывания ровницы из хлопкового сырья применительно к ров-
ничной машине Р-192-5.
Практическая значимость и реализации результатов работы. Разработанные способы по стабилизации основных процессов на ровничных машинах и технические средства для их реализации позволили увеличить производительность труда и повысить качество продукции.
Разработанные теоретические положения по достижению равномерного износа трибосопряжевий на основе оптимизации их геометрии рекомендуются к использованию конструкторами при проектировании веретен и их опор повышенной износостойкости для ровничных, прядильных и крутильных машин.
Созданная методика профилирования устройств ложной крутки позволяет быстро и достоверно определять необходимые конструктивные параметры распространителей крутки с учетом особенностей выпускных зон ровничных машин различных моделей.
Результаты работы могут быть использованы производственниками для совершенствования технологии формирования ровпицы и модернизации ровничных машин, а также студентами при изучении дисциплин «Прядение натуральных и химических волокон», проектирование текстильных машин», «Расчет и конструирование текстильных машин».
Промышленная реализация результатов диссертационной работы осуществлена на ООО «Красная ветка» (г. Кинсшма Ивановской обл.). Внедрение технико-технологических мероприятий для повышения эффективности работы ровничных машин позволило значительно повысить рабочую скорость веретен и улучшить показатели качества ровницы. В результате повысилась производительность оборудования и труда в прядильпом производстве, возросло качество пряжи и, как следствие, снизилась себестоимость продукции.
Апробация работы. Материалы по теме диссертациоппой работы доложены и получили положительную оценку:
на международной научно-технической конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкции в тек-стильпом производстве" («Прогресс - 1997», г. Иваново);
па международных научно-технических конференциях "Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности" («Прогресс - 2000... 2002 гг., 2005», г. Иваново);
па межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и леткой промышлгалгосги» («Поиск — 2005», г. Иваново);
яа расширенном заседании кафедры начертательной геометрии и черчения Ивановской государственной текстильной академии (г. Иваново, 2006 г.).
Публикации. Основные результаты исследований, выполненных в рамках настоящей диссертации, опубликованы и 22 печатных работах, в том числе шесть статей в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», шесть депонированных рукописей, четыре тезисов докладов научно-технических конференций, два информационных листа, получено четыре патента на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, содержит 173 страницы машинописного текста, 48 рисунков, 13 таблиц, список литературы из 157 наименований, приложение.
Анализ факторов, ограничивающих частоту вращения веретен
Основным органом крутильного и наматывающего устройства текстильных (ровничных, прядильных, крутильных) машин является веретено. При всем многообразии конструкций комплект веретена состоит из вращающегося шпинделя с блочком (зубчатым колесом) и деталей опор шпинделя и крепления веретена на машине.
В общем случае шпиндели веретен совершают сложные колебания, являющиеся результатом действия внешних возмущающих сил, а также сил внешнего и внутреннего сопротивлений.
Главное требование к веретенам - устойчивая работа, т.е. работа без больших вибраций в зоне рабочих скоростей [1]. Вибрация веретен является основным препятствием, ограничивающим дальнейшее наращивание скоростей ровничных машин с навесными рогульками. Повышенные вибрации приводят к увеличению натяжения ровницы и ее обрывности, вследствие чего нарушается нормальный ход технологического процесса, ухудшается качество пряжи.
Кроме отмеченного, конструкция веретена должна отвечать следующим требованиям.
1. Шпиндель должен быть достаточно жестким (не должен деформироваться при надевании и снятии с него рогульки или шпули, которые должны надежно на нем фиксироваться и центрироваться).
2. Опоры шпинделя должны обеспечивать равномерность его вращения и высокую долговечность работы, удобную и надежную смазку и малое потребление мощности.
3. Обслуживание веретена должно быть простым и удобным.
Шпиндель 1 ровничной машины (рис.1 Л) хлопчатобумажного производства расположен на двух опорах скользящего трения [2]. Нижняя опора 2 неподвижная, верхняя опора-втулка 3, укрепленная в верхней каретке 4, подвижная. На верхнюю коническую часть шпинделя, имеющую осевую прорезь, надевается рогулька 5. Веретено вращается винтовой передачей б от вала, расположенного в нижней каретке 7. Втулка 3 располагается соосно с веретеном, на наружной поверхности ее помещается катушка 8, получающая вращение при помощи винтовой передачи 9 от пруткового вала 10, смонтированного в верхней каретке 4,
Веретено представляет собой стальной цилиндрический стержень, верхний конец которого выточен соответственно размерам верхнего канала втулки и имеет сквозную прорезь, в которую входит штифт втулки. Благодаря штифту рогулька прочно закрепляется на веретене.
Решение задачи о равномерном износе в опорах веретен
Главное требование к веретенам текстильных машин (ровничных, прядильных, крутильных) - устойчивая работа, т.е. работа без больших вибраций в зоне рабочих скоростей. Вибрация веретен является основной причиной, ограничивающей дальнейшее наращивание скоростей ровничных машин с навесными рогульками. Повышенные вибрации приводят к увеличению обрывности продукта, вследствие чего нарушается нормальный ход технологического процесса, ухудшается качество пряжи. Кроме того, под воздействием сил трения контактирующие поверхности деталей машин изнашиваются. Вибрация возникает в результате неуравновешенности и биения у комплекта «веретено-рогулька»; возможной несооспости веретен, втулок и подпятников; низкой износостойкости опор. Веретено с изношенной пяткой не может нормально работать, его вибрация возрастает в несколько раз. При этом сильно увеличивается расход электроэнергии, что приводит к снижению и без того низкого коэфф. полезного действия машины. Поэтому опоры шпинделя веретена должны обладать высокой прочностью и износостойкостью.
Важнейшее технологическое условие к пяте шпинделя - это равномерное ее снашивание в процессе работы веретена и, соответственно, самоцентрирование и непровоцирование субгармонических колебаний веретена [131].
Поставленная задача состоит в том, чтобы получить такой профиль вертикального сечения пяты шпинделя, который бы удовлетворял условию равномерного износа [7]:
где р,- удельное давление элементарной кольцевой площадки пяты;
v, - скорость скольжения;
г, - радиус до элементарной кольцевой площадки.
Пусть кривая, по которой очерчен профиль вертикального сечения пяты задана уравнением F(x,y) = 0 и обращена выпуклостью вверх (рис. 2.1).
Для этой кривой р} в каждом сечении равно
Установки и приборы для испытания веретен
Существуют стенды двух основных типов: групповые и одиночные. Первые представляют собой укороченные машины со снятыми вытяжными аппаратами и мотальными механизмами, так, что используется только привод. На этих стендах ведут длительные испытания на износ и проверку работы веретена без нагрузки и с нагрузкой. При этом контролируют число оборотов, вибрацию, состояние смазки, температуру опор. Несколько раз в день сменяют паковки для имитации реальных условий съема. Длительность испытаний зависит от поставленной задачи и составляет не менее 500 -1000 ч.
Индивидуальные стенды предназначены для лабораторных работ и рассчитаны на испытание одного-двух, реже четырех веретен и включают в себя устройство для крепления испытуемых веретен, привод веретен гибкой передачей, допускающий плавную регулировку скорости, прибор для контроля числа оборотов. В большинстве стендов имеются устройства для исследования выбега веретена, а также приспособления для крепления виброметров.
Установка для испытания прядильных веретен на вибрацию. В лаборатории прикладной механики Московского текстильного университета им. А.Н. Косыгина имеется специальная машина для испытания веретен (автор проф. Малышев А.П.).
Испытуемые веретена 8 приводятся во вращение от электродвигателя 1 при помощи последовательно сцепленных передач гибкой связью - двух ременных и тесемочной (рис. 3.1). От двигателя 1 вращение передается ремнем 2 конусу 3, который вместе со вторым конусом За и ремнем 4 образует бесступенчатый редуктор для плавного изменения чисел оборотов веретен. Перемещая ремень 4 отводкой 5, можно менять передаточное отношение между числами оборотов конусов. Конус За шнуровой передачей связан с жестяным барабаном 6, длина которого достаточна для вращения одновременна пяти веретен 8, смонтированных на брусе 7 и получающих вращение от барабана при помощи шнуров или тесьмы 9. Для обеспечения необходимого натяжения гибких связей служат натяжные приборы, состоящие из блоков 10, рычагов, установленных на осях 11, и передвижных грузов 12. Последний служит для регулирования и измерения натяжения гибких связей.
Для записи колебаний веретен был изготовлен оригинальный виброграф, пользуясь которым можно было получать виброграммы в масштабе 1:1. Виброграф имеет следующее устройство. На кронштейнах, прикрепленных к стене, в неподвижных подшипниках вращался шкив 13, смонтированный так, чтобы среднее сечение его располагалось в плоскости осей вращений веретен. На стойке 14 мог качаться рычаг 15, выполненный на одном конце в виде рукоятки для управления, на другом - в виде вилки для установки блока 16. Пружина всегда отклоняет рычаг по часовой стрелке, благодаря чему лента 17 для записи виброграммы автоматически держится над веретенами и не касается их. Электродвигатель 18 приводит в движение шкив 13 и, следовательно, ленту 17 вибрографа; скорость ленты всегда бувает постоянной (1 м/сек).
Для записи виброграммы рычаг поворачивается рукой, лента опускается на верхние концы веретен, и испытуемое веретено, снабженное острым наконечником, центрированным на токарном станке, записывает виброграмму на ленте, на которую наклеиваются полоски закопченной бумаги так, чтобы после опыта они легко снимались с ленты.
Во избежание несчастных случаев при испытаниях на высоких скоростях, особенно в зонах критических скоростей, группу веретен и жестяной барабан ограждают стальной сеткой, как показано на рис. 3.2. На этом рисунке виден также вибрационный тахометр для измерения чисел оборотов веретен без прикосновения к ним. Такой тахометр необходим по двум причинам. Во-первых, для установки обычного тахометра нет свободного места - мешает лента. Во-вторых, даже и при отсутствии ленты нельзя прижимать тахометр к веретену сверху или сбоку, так как это неизбежно вызывает торможение веретена и, следовательно, потерю скорости.
Уточненная методика определения нагрузок на нажимные валики вытяжного прибора
Установлено, что величина нагрузок на валики является важнейшим параметром, влияющим на закономерность движения волокон в поле вытягивания. В результате установки чрезмерной нагрузки ускоряется износ деталей вытяжного прибора и привода машины, увеличивается площадь контакта цилиндра и валика, что ухудшает условия процесса вытягивания [140]. При недостаточной нагрузке на нажимной валик преобладает сила сопротивления продукта вытягиванию, валик скользит по мычке, отставая от цилиндра, появляются непропрядки.
Для более точного определения нагрузок на валики в вытяжном приборе ровничной машины разработана расчетно-экспериментальная методика определения напряжения поля сил трения, учитывающая технологические и геометрические характеристики используемого волокна [141].
На этой машине установлен четерехцилиндровый двухзонный вытяжной прибор мод. ВБ-45Р. Он состоит из двух последовательно расположенных вытяжных пар, между которыми находится нейтральная зона с уплотнителем мычки. Уплотнитель мычки делит весь прибор на две зоны: заднюю, состоящую из задней вытяжной пары и третьей вытяжной пары, и переднюю, состоящую из второй вытяжной пары и передней пары (см. рис. 5.2).
На первом этапе с учетом реальной схемы транспортирования ленты к вытяжному прибору определялось натяжение лепты при входе в питающую пару вытяжного прибора (рис. 4.1). Натяжение входящей ленты зависит от длины зоны транспортирования, линейной плотности, углов обхвата лентой где а - коэффициент, характеризующий физические свойства продукта и уплотнителя, см2; НУ — коэффициент трения между продуктом и уплотнителем; g—развес ленты, г/см; -удельный вес волокна, г/см3; D\ -диаметр ленты, см; Di - диаметр уплотнителя на выходе, см; & - удельное заполнение уплотнителя лентой, при котором отсутствует сопротивление протаскиванию; L - длина активной зоны уплотнителя, см. Значения нагрузок на нажимные валики вытяжного прибора будем определять с учетом сил, действующих на мычку в процессе вытягивания.
Для расчета необходимых нагрузок на валики вытяжного прибора прежде всего будем исследовать напряжение поля сил трения в зонах вытягивания. Ввиду чрезвычайной сложности определиті, напряжения поля сил трения между вытяжными парами прямыми методами не предоставляется возможным. Рациональным можно считать расчетно-экспериментальный метод исследования. В этом случае за характеристику полей сил трения в сечении поля вытягивания будем принимать плотность мычки, выраженную коэффициентом заполнения волокном продукта:
Формирование ровницы на ровничной машине Р-192-5
Процесс формирования ровницы на ровничной машине можно разделить на три этапа:
1) расправление ленты на питающей рамке и подача ее в вытяжной прибор;
2) вытягивание ленты в вытяжном приборе;
3) формирование и наматывание ровницу на катушку.
Обозначенные этапы наглядно просматриваются на фотографии ровничной машины
Для кручения мычки, выходящей из вытяжного прибора, применяют веретена с рогульками. За каждый оборот веретена мычка получает одно кручение. Наматывание происходит вследствие разности частот вращения катушки и рогульки. На ровничных машинах отечественного производства катушка опережает рогульку (веретено).
Механизм крутки, применяемый в прядении хлопка, должен отвечать следующим требованиям:
- принудительное движение рогульки и катушки обеспечивает необходимое (достаточно малое) натяжение ровницы в процессе ее кручения и наматывания;
- прохождение ровницы внутри полой ветви рогульки защищает ее от разрушения потоком воздуха; чтобы ровница не вылетала из полой ветви рогульки, прорезь делают изогнутой;
- обвивание ровницей лапки обеспечивает плотную намотку ровницы на катушке и предохраняет ровницу от действия потоков воздуха на пути от рогульки к катушке;
- центробежная сила вертикального стержня прижимает лапку к катушке и способствует увеличению плотности намотки.
Натяжение ровницы при наматывании обусловлено вытяжкой ровницы между выпускным цилиндром и рогулькой, трением ровницы о вершину рогульки и ее полую ветвь, трением о лапку, которую ровница обвивает, и трением о лапку в том месте, где она прижимает ровницу к катушке.
Чтобы не происходило неконтролируемого вытягивания ровницы и ее обрывов, натяжение ровницы должно быть значительно меньше ее прочности.
Наибольшее число обрывов (75 %) ровницы возникает по технологическим причинам, в том числе 60 % обрывов у веретена из-за низкой крутки ровницы между передним цилиндром и рогулькой и неравномерного натяжения ровницы на этом участке.
Из-за высокой обрывности на ровничных машинах уменьшается их производительность и образуется значительное количество рвани ровницы. Из-за больших потерь времени на присучивание снижается производительность труда, так как для ликвидации каждого обрыва приходится останавливать машину. Кроме того, большая обрывность ровницы связана с образованием пороков ровницы, которые влияют на обрывность продукта на следующих машинах.
