Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика работы 4
2. Состояние вопроса 8
2.1 Введение 8
2.2 Краткий обзор и критический анализ исследований в области металлоткачества 14
2.3 Краткий обзор научных работ по взаимодействию нитей в хлопкоткачестве 19
3. Квазистатический анализ процесса деформации проволоки утка 26
3.1 Характеристики материалов, используемых в производстве металлотканых сеток 27
3.2 Квазистатический анализ процесса деформации металлонитей утка 48
3.2.1 Абсолютно гибкая нелинейно — упругорастяжимая нить утка 49
3.2.2 Жесткая нить утка с прямолинейной осью между соседними нитями основы 56
3.2.3 Жесткая нить утка с изменяющейся до нуля в точке перегиба кривизной оси между соседними нитями основы 62
Заключение по главе 81
4. Квазистатический анализ процесса прибоя утка 83
4.1 Определение коэффициента трения скольжения в паре металлонитей основы и утка 83
4.2 Квазистатический анализ процесса деформации основы при прибое утка. V ..93
4.2.1 жесткая нить основы с прямолинейной осью между соседними нитями утка 93
4.2.2 жесткая нить основы с изменяющейся до нуля в точке перегиба кривизной оси между соседними нитями утка 108
4.3 Модернизация механизма регулирования натяжения основы 122
Заключение по главе 126
Заключение 127
Список литературы
- Краткий обзор и критический анализ исследований в области металлоткачества
- Краткий обзор научных работ по взаимодействию нитей в хлопкоткачестве
- Квазистатический анализ процесса деформации металлонитей утка
- Квазистатический анализ процесса деформации основы при прибое утка. V
Введение к работе
Металлоткачество - уникальная подотрасль, в технологических процессах которой сочетаются специфика образования ткацких переплетений и холодных методов обработки металлов. Металлотканые сетки используются в авиа - и ракетостроении, химической, абразивной, горной, радиоэлектронной, пищевой, бумажной промышленности, в порошковой металлургии, и т. д.
В связи с переходом экономики на современные рыночные отношения повысились требования к качеству и товарному виду вырабатываемых металлосеток, особенно высокой точности и контрольных. К этим сеткам предъявляется высокие требования по допуску на стороны ячеек в свету (допуск на размеры ячеек металлосеток высокой и сверхвысокой плотности имеет порядок КГ .-ЛО"6 м). Практика показывает, что одним из основных факторов, влияющих на качество сетки, является правильное соотношение между силой прибоя, натяжениями основы и сформированной сетки в момент прибоя. В производстве это соотношение находится опытным путем, поскольку производители ткацких станков таких рекомендаций не дают. Более того при проектировании металлоткацких станков возникают сложности по определению сил технологического сопротивления, в частности для батанного механизма - силы сопротивления прибою.
В связи с этим является актуальной задача анализа процесса формирования тканой металлосетки, направленная на разработку программного обеспечения для определения исходных данных к проектным расчетам и рекомендаций непосредственным изготовителям сеток.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка квазистатической модели процесса формирования сеток из металлических мононитей и определение силовых факторов, возникающих в процес се формирования сеток с заданными геометрическим характеристиками; разработка соответствующего программного обеспечения; разработка практических рекомендаций по модернизации металлоткацких станков.
Исходя из поставленной цели сформулированы следующие основные задачи исследований:
1) выявить характеристики "напряжение - деформация" для мононитей, используемых в производстве тканых металлических сеток;
2) разработать математическую модель процесса деформации проволоки утка, позволяющую определить связь между теометрическими характеристиками его оси и усилиями, действующими со стороны проволок основы;
3) разработать математическую модель процесса деформации проволоки основы при прибое утка, позволяющую определить связь между высотой волны предыдущей уточины с одной стороны и геометрическим характеристиками оси основы, ее натяжением и силой прибоя с другой;
4) оценить влияния требуемых параметров контрольных сеток на натяжение основы и силу прибоя, необходимые для обеспечения этих параметров.
Методика исследований. При решении поставленных задач применялись методы: сопротивления материаов, теории механизмов и машин, механики нити, дифференциального и интегрального исчисления, теории тканефор-мирования, математического моделирования и-программирования.
Экспериментальные исследования проводились с применением методов физического моделирования и тензометрических измерений, при обработке результатов измерений использовались методы математической статистики.
Научная новизна.
1) В квазистатической постановке разработана математическая модель процесса деформирования уточной металлической мононити сетки полотняного переплетения, позволяющая определить при принятых допущениях форму ее геометрической оси и возникающие силовые факторы.
2) Разработана математическая модель статики деформированной мета ллической мононити основы сетки полотняного переплетения, позволяющая определить ее натяжение и силу прибоя в предположении, что в момент прибоя формируется элемент сетки между двумя предшествующими подводимой уточинами.
3) Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для автоматизированного расчета силовых и геометрических параметров основы и утка в процессе формирования металл осетки. Сравнение числовых расчетов с результатами проведенных другими авторами экспериментальных исследований показали на приемлемость предложенной методики определения силы прибоя и натяжения основы в момент прибоя при изготовлении сеток из металлических мононитей.
4) Разработана упрощенная методика определения коэффициента трения в паре перекрещивающихся металлических мононитей. Для ряда мононитей, используемых в металлоткачестве, с доверительной вероятностью 0.95 определены значения коэффициентов трения.
5) Для ряда мононитей, используемых в металлоткачестве, методом тензометрирования получены зависимости «растягивающее усилие — удлинение нити», после обработки которых построены зависимости «напряжение — относительная деформация» испытуемых образцов.
6) На основании анализа результатов исследования предложено направление модернизации механизма отпуска основы металлоткацких станков типа СТР.
Практическая ценность. Разработанная математическая модель статики прибоя уточной нити и программное обеспечение, позволяющие определить по требуемым параметрам сетки (размеру ячейки в свету, диаметрам и материалам проволок основы и утка) требуемую силу прибоя и натяжение основы в момент прибоя, предназначаются для использования при модернизации существующих и проектировании новых моделей металлоткацких станков, Полученные на основании результатов экспериментов механические характеристики ряда металлонитей могут быть использованы и при решении других производственных и научных задач.
Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсах цикла ДС (дисцилины специализаций) при подготовка студентов направления 651600 Технологические машины и оборудования (специальности 170700 Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности) и направления 551800 Технологические машины и оборудования (специальности 551824 Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности).
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались:
1. На межвузовской научно - технической конференции 23 - 25 апреля 2001 года. В г. Иваново, ИГТА.
2. На международной научно - технической конференции 21—24 мая 2001 года. В г. Иваново, ИГТА.
3. На международной научно - технической конференции 27-30 мая 2002 года. В г. Иваново, ИГТА.
4. На межвузовской научно - технической конференции 22 - 24 апреля 2003 года. В г. Иваново, ИГТА.
5. На расширенном заседании кафедры теории механизмов и проекти рования текстильных машин, ИГТА, г. Иваново, в 2003г.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из 4-х глав и заключения. Текст изложен на 157 траницах. В работе имеется 11 таблиц, 6І рисунков, список литературы, включающий 111 наименований, и 3 приложения.
Краткий обзор и критический анализ исследований в области металлоткачества
Поисковое знакомство с научными исследованиями показывает, что специальной литературы по металлоткацкому оборудованию к настоящему времени опубликовано очень мало, внимание исследователей к изучению оборудования и технологий металлоткачества продолжает оставаться недостаточным. Так за период с 1970 по 1996 годы во всем мире (исключая Российскую Федерацию) было опубликовано всего лишь 18 работ, затрагивающих металлоткачество и производство" трикотажа из металлической проволоки [1]. Из них пять публикаций - в Германии, четыре - в США» по три - во Франции и в Англии, по одной — в Бельгии, Индии, Чехии. Десять публикаций являются патентами. Имеется также чуть более 30 публикаций по металлическим и металлизированным волокнам и мононитям.
В России первым глубоким научным исследованием металлоткацкого оборудования можно считать работу д.т.н. Г.М.Смирнова [9]. В ней проведен сравнительный анализ основных исполнительных механизмов станка ТП-100-М производства Шуйского машиностроительного завода и станка UDWZ - 0.04 фирмы «Draweba» (Германия). Автором показана необходимость модернизации батанного механизма, механизма отпуска основы и набора товара. В работе представлен обзор- российской и зарубежной литературы в области металлоткачества до 1970 года, в котором автор указывает на небольшое число исследований металлоткацких станков и их механизмов, что безусловно тормозит совершенствование новых металлоткацких станков.
С 1980 года вопросами исследования металлоткацкого оборудования и технологий металлоткачества наиболее активно в России занимается Ивановская государственная текстильная академия (ИГТА), За этот период материалы исследований активно распространялись на производстве и международных научных конференциях, опубликовано несколько десятков сообщений и научных статей, защищены три диссертации на соискание ученой степени кандидата техническах наук.
Первой актуальной, в связи с некоторым застоем в развитии металлоткацкого производства, явилась работа А.Н.Смирнова [2]. Автор попытался увязать вопросы технологического плана с разработкой новой конструкции батанного механизма современного рапир ного металлоткацкого станка, спроектированного Шуйским СКБ ткацкого оборудования. Дан подробный обзор металлоткацкого оборудования производства СССР и зарубежного, а также работ по металлоткачеству до 1982 года. Проведены кинематическое, кинетостатическое и динамическое исследования усовершенствованной кон-струкции батанного механизма рапирного металлоткацкого станка. Впервые сделана попытка выяснить целесообразность двухкратного прибоя металл о-утка. Предложен аналитический способ определения некоторых качественных показателей фильтровых металлосеток.
Следующий вклад в исследование металлоткацких станков был сделан А.А.Тувиным [3]. Основной целью было исследование конструкции механизма прокладывания уточной проволоки ткацкого станка типа СТР-100-М, разработка рекомендаций по усовершенствованию рапирного механизма для увеличения ресурса его работы. Дан обзор существующих механизмов прокладывания утка с помощью жестких рапир. Предложена методика кинематического и силового исследования пространственного кулачково рычажного рапирного механизма, разработана методика и приведены результаты исследования влияния рапирного и батанного механизмов на динамику привода станка. Рассмотрены вопросы о поперечных колебаний рапиры как стержня переменной длины и создания рациональных смазочных материалов для повышения долговечности шарнирных соединений механизма привода рапир.
Диссертационная работа А.В.Чумикова [4] рассматривает вопросы исследования и совершенствования механизма прибоя утка уже освоенного потребителями станка СТР-100-М. Здесь, а также в работах [20, 21], приводятся результаты сравнительного анализа работы двухприбойных батанных механизмов с шарнирно - рычажным и кулачковым приводом. На станках типа ТП в момент прибоя батан практически выстаивает в течение 40 угла поворота главного вала, обеспечивая тем самым стабильное положение уточины в момент формирования сетки. Выстой батана в момент прибоя способствует затуханию упругих колебаний систем заправки основы и самого батана, обусловливая более точную фиксацию уточины в опушке ткани, что позволяет повысить качество вырабатываемой ткани. В рапирных станках типа СТР-100-М используется кулачковый привод. Практический выстой батана за счёт рычажной системы значительно меньше ( 11). Автор считает, что для для увеличения фазы практического выстоя батана у опушки ткани до 40 необходимо ввести фазу выстоя толкателя кулачка, и предлагает вариант батанного механизма с выстоем 20 без второго прибоя, позволяющий повысить качество металл осетки. Далее в [4] дается разработка динамической модели батанного механизма станка СТР-100-М, и приведен анализ собственных и вынужденных колебаний бруса батана, которым подтверждается целесообразность введения фазы выстоя. Брус представлялся стержнем с распределенными параметрами.
Краткий обзор научных работ по взаимодействию нитей в хлопкоткачестве
Взаимодействию нитей основы и утка в хлопкоткачестве посвящены исследования многих авторов. Здесь назовем работы И.И.Мигушова [40...43], Г.В.Степанова [36...39], С.ВЛмщикова [56..,59], Е.Д.Ефремова и его учеников [48...55], В.В.Чугина [45...47]. Е.А.Шировой [60...62] и др.
И.И.Мигушовым [40...43] в развитие школы проф. А.П.Минакова обобщены и углублены теоретические основы нелинейной механики жесткой нити с учетом нелинейно - упруговязкопластических деформаций растяжения, изгиба и кручения, Предложены экспериментально - аналитические методы определения коэффициентов жесткости и вязкости нити при растяжении, изгибе и кручении. Выведена важная для решения многих задач текстильного производства зависимость (3.5.7) [41] между натяжениями в ведущей и ведомой ветвях нелинейно — упруговязкопластической нити, скользящей по неподвижному цилиндру.
Г.В.Степановым предложена математическая модель строения ткани в статьях [36...39]. В первой постановке нити считались линейно упругие на изгиб. Далее на базе работ И.И.Мигушова упругая характеристика заменена на нелинейно - упругопластическую. Сила взаимодействия между уточной и основной нитями считается равномерно распределенной по дуге контакта. В качестве альтернативы анализируется возможность замены распределенной силы сосредоточенной. Показано, что по геометрическим признакам осевая линия нити в ткани имеет форму, близкую к синусоидальной кривой. Предложенную модель рекомендуется использовать для определения структурных, геометрических и силовых характеристик нитей в ткани, находящейся как под действием растягивающих усилий, так и в свободном состоянии.
В работах [27, 28] предлагается уравнение связи между силой прибоя и прибойной полоской, полученное из приближенного уравнения движения опушки ткани. Однако определить из этого уравнения одну из величин можно только при известной второй величине.
С.В.Ямщиков [56...59] проводил исследования взаимосвязи натяжений и деформаций в нитях и ткани. В результате анализа математических моделей взаимосвязи напряжений и деформаций в текстильных материалах выявлены наиболее перспективные модели теории наследственной вязкоупругости. Такие модели описывали в основном релаксационные свойства текстильных материалов, не учитывая нелинейный характер упругих напряжений и диссипативные явления, проявляющиеся в увеличении натяжения в зависимости от скорости деформирования текстильного материала. Автор вводит учет этих факторов, отмечая, что даже простейшая обобщенная модель при достаточно большом числе элементов может хорошо описывать поведение текстильного материала при всех видах нагружения .
В статье [56] разработан способ определения эмпирических коэффициентов, входящих в зависимости между усилием и деформацией в текстильном упругонапряженном материале. В статье [58] получены формулы для расчета сил, движущих уточину, и сил трения утка об основные нити в зоне формирования, которые могут служить базой для разработки математической модели прибоя утка и позволяют описать как движение уточины на прибой, так и её обратное движение при отходе бер да.
Широкий круг вопросов, связанных с технологией тканеформирования, рассматривается в работах Е.Д.Ефремова. В частности в [48...55] это вопросы: деформации нитей основы вследствие "зевообразования и прибоя; определения коэффициента трения нити по нитепроводникам; определения влияния на натяжение нити длин ее участков в системе заправки; регулирования натяжения нитей основы во время прибоя; разработки математической модели нагонного механизма; определения параметров строения ткани при овальном поперечном сечении нити; измерения натяжения, длины и толщины нити, и т.д.
Рассматривая задачу о регулировании натяжения основы в момент прибоя авторы [52] предлагают выполнить ближний к ремизкам пруток основона-блюдателя подвижным, перемещая его во время прибоя вверх на некоторую величину посредством двухоборотного кулачка. Это перемещение создает дополнительное натяжение нижней ветви зева, что улучшает условия формирования ткани полотняного переплетения.
В статье [44] предлагается модель взаимодействия сил у опушки в элементе ткани полотняного переплетения, позволяющая учитывать взаимодействие нитей по всей зоне контакта. Получена система уравнений, описывающая силовое взаимодействие основы и утка. Данная система дает возможность определить структуру элемента ткани в опушке. При определении изгибающих моментов допускается, что происходит упругий изгиб.
В статьях [45...47] разнообразие форм участков перехода нити с одной поверхности ткани на другую сводится к трем принципиальным вариантам, определяемым углом наклона оси нити основы в зоне между двумя соседними уточинами. Найдены аналитические выражения, позволяющие определить угол охвата нити в ткани, расстояние между центрами радиусов кривизны осевой линии нити, межцентровое расстояние двух соседних нитей, величины радиуса кривизны осевой линии и длины переходного участка нити. Показано значительное влияние вытяжки нитей в процессе ткачества на величину их истинной уработки. В расчетах истинной уработки нитей рекомендуется использовать величину их вытяжки на ткацких станках, определяемую по предлагаемой методике.
Е.А.Широва [60...62] также проводила исследование взаимосвязи напряжений и деформаций нитей на станках различных конструкций. Ею разработан метод автоматизированного расчета деформации и натяжения основы и утка в различные периоды тканеформирования. Показано, что деформация основы, рассчитанная по упругой модели, значительно меньше рассчитанной по вязкоупругой.
Квазистатический анализ процесса деформации металлонитей утка
Известно [2...4, 23, 24, 26, 34], что в общем случае ось уточины представляется состоящей из трех участков: прямолинейного, переходного и участка постоянной кривизны. В частных случаях первый и третий участки могут отсутствовать. При решении задачи о деформации металлической мононити утка будем считать заданными: - параметры сетки ( фазы строения, диаметры основы и утка, ширину ячейки в свету); - зависимость между нормальным напряжением и относительной продольной деформацией материала нити.
Теория изгиба стержней, используемая и в механике жестких нитей, опирается на три основных допущения.
1. При выводе уравнений равновесия считается, что поперечные норма льные сечения металлонити, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации (гипотеза Бернулли), то есть сдвиги не учитываются.
2. Продольные волокна (если нить представить состоящей из большого числа плотно примыкающих и не связанных между собой волокон) не испытывают поперечного сжатия или растяжения (принцип Сен — Венана).
3. Деформации волокон не зависят от их положения по ширине сечения, следовательно, и нормальные напряжения, изменяясь по высоте сечения, остаются одинаковыми по ширине [78].
Кроме этих допущений будем считать, что мононити работают в условиях плоского изгиба без скручивания.
Форма деформированной уточины определяет силы, которые необходимо приложить к ней со стороны нитей основы (под термином «нить» здесь и далее понимается проволока основы, утка). В свою очередь, эти же силы определяют форму нитей основы, их натяжение и силу сопротивления, действующую со стороны подводящейся уточины на бердо, то есть информация о состоянии утка позволяет решить ряд других задач.
Рассмотрим равновесие элемента уточины металлосетки полотняного переплетения, расположенного между соседними нитями основы и выделенного вертикальными плоскостями, проходящими через их геометрические оси (рис. 3.15).
Остановимся первоначально на простейшей постановке задачи: будем полагать, что перерабатываемая проволока - абсолютно гибкая. В дальнейшем это даёт возможность оценить необходимость перехода к более сложным моделям.
Принятое допущение означает, что геометрическая ось выделенного элемента уточины будет прямолинейна между зонами контакта с соседними «нитями» основы и имееть постоянную кривизну в зонах контакта, если смятие контактируемых нитей отсутствует.
Из геометрических отношений имеем h = o]a = olb = o2d = о2с = ra + гу ; о]02 = ylL2+o2f2 = ylL2+(2h-H)2; be = ор] - (2hf = Vl2 + Я2 - 4Hh; sin a, = ;cosa, = ; 0,0-, 0,0-. be 2h OJOJ \l smcr2 = ;cosa2 -- - -, /7 = --0:,-0 005/7 = 5111(0 +0 ) , т.е. 2(2/) - H)h±LylL2+H2-4Hk L2 + (2h-II)2 /7 = arc cos — , (З.І0) где r0,ry- радиусы основы и утка металлосетки ; #- высота волны изгиба уточных проволок ; L- геометрическая плотность по основе, мм ; fi- угловая длина зоны контакта утка с основой ; Как показано в работах [2, 4], контрольные сетки имеют строение, близкое к пятой фазе, для которой имеется отношение H=h = ra + ry , тогда формулу (3.16) можно записать в виде В процессе формирования тканой металлосетки уточная нить испытывает пластическую деформацию. Окончательную форму, как показано в исследованиях ряда авторов, уточина принимает после подвода в зону формирования одной или нескольких последующих нитей утка.
Процесс формирования сетки сопровождается увеличением его длины в зоне вырабатываемого полотна. В основном это увеличение идёт за счёт деформации растяжения, так как выборка концов утка из зоны вне полотна ограничена рядом факторов. В связи с этим при решении некоторых задач будет приемлемым допущение о том, что при формировании элемента сетки скольжения утка в его осевом направлении относительно нитей основы не происходит.
Квазистатический анализ процесса деформации основы при прибое утка. V
1. В результате обработки результатов тензометрических испытаний получены условные и действительные характеристики сг(е) для ряда мета ллических мононитей, используемых в производстве тканых металлосеток. Полученные характеристики представлены в аналитической форме.
2. Характеристика металлонити из одного и того же материала не однозначна, а зависит от её диаметра.
3. Разработаны методики квазистатического анализа деформации мета-ллонити утка для моделей: абсолютно гибкои нелинейноупругорастяжимой нити; жесткой нити с прямолинейной осью между соседними нитями основы; жесткой нити с изменяющейся до нуля в точке перегиба кривизной оси между соседними нитями основы.
4. Получены зависимости поперечной силы в концевых сечениях элемента утка между соседними нитями основы от высоты волны геометри ческой оси утка для рассматриваемых моделей нити. Показано влияние на поперечную силу материала утка (характеристики т(є)), его диаметра и шага сетки по основе.
5. Определены соотношения между силовыми характеристиками в поперечных сечениях утка в зоне его контакта с основой при допущении о синусоидальном законе распределения силы взаимодействия между основой и утком.
В главе ставится задача определения формы геометрической оси основной проволоки и сил, действующих в ее поперечных сечениях по окончании процесса прибоя. Тем самым определяются требуемое натяжение основы и сила сопротивления прибою со стороны опушки. Эти величины дают исходные данные для проектирования механизмов металлоткацких станков и для наладки их в процессе эксплуатации.
При решении поставленной задачи используется методика, аналогичная изложенной в главе 3, а также полученные в этой главе результаты — характеристики проволоки и зависимости поперечных сил, действующих в зоне контакта основы с утком, от высоты волны геометрической оси уточины.
Формирование сетки сопровождается скольжением утка в направлении оси основы, что требует при решении поставленной задачи, кроме прочего, учета сил трения в паре основа — уток. В связи с этим первоначально необходимо решить задачу определения коэффициента трения скольжения в паре перекрещивающихся металлических мононитей.
На коэффициент трения влияют многие факторы, например, природа материала и наличие пленок на поверхности трения ( смазка, окисел, загрязнение); скорость скольжения; температурный режим; давление; шероховатость поверхности и др.
До последнего времени наибольшее внимание исследователей было сосредоточено на выявлении зависимости коэффициента трения от нагрузки [81,82]. Данная постановка применима для решаемой далее задач.
Установлено, что удельная сила трения т, т.е. сила трения, отнесенная к фактической площади касания, следующим образом зависит от фактического удельного давления ф:
Второй член этого выражения является постоянным, тогда как первый зависит от отношения 5"фIN. Это отношение~обусловлено геомерической формой контактирующих тел, их шероховатостью и механическими свойствами.
Исследование ряда авторов показали, что в некоторых частных случаях, например для небольших нагрузок и мягких материалов, коэффициентом р можно пренебречь. Для твердых и прочных материалов коэффициент р в 10 — 20 раз больше, поэтому для больших нагрузок можно пренебречь первым членом формулы (4.2).
Пока нет достаточных данных по коэффициентам аир, позволяющим вычислять коэффициент трения. Фактическая площадь контакта, входящая в формулу (4.2), может быть выражена для пластического контакта следующим образом
