Содержание к диссертации
Введение
ОБЗОР ТЕОРИИ БУНКЕРНОГО ПИТАНИЯ ВОЛОКНОМ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАШИН
1.1. Основные понятия и терминология
1.2. Формирование слоя волокнистого материала при помощи вертикального бункерного питателя 14
1.3. Формирование слоя волокнистого материала с помощью бункерных
питателей разнообразной конструкции 17
1.3 Л. Бункерный питатель с самовесом и уплотнителем волокна Л 7
1.3.2. Бункерный питатель с вибростенкой и фотоэлементом 19
1.3.3. Бункер с повышенной выравнивающей способностью 20
1.3.4. Бункерный питатель с двумя емкостями наполнения волокна..21
1.3.5. Бункерный питатель с двойной бункерной шахтой и регуляторами толщины слоя, разделенными по ширине машины 22
1.3.6. Кардочесальная машина 6-АР фирмы «Linimpianti» 23
1.3.7. Автоматическое слоеформирующее устройство (АСФУ) 24
1.3.8. Устройство бункерного питателя со стабильной линейной плотностью 27
1.4. Краткий обзор теоретических работ описания процессов, протекающих в бункерном питателе 28
1.5. Обзор известных способов оценки деформационных свойств волокна в массе при сжатии 35
1.6. Обзор известных способов оценки механических характеристик волокна при растяжении 37
1.7. Цель и задачи исследования 40
1.8. Выводы 43
2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В БУНКЕРНЫХ
ПИТАТЕЛЯХ 45
2.1. Анализ механического состояния волокнистого материала на выходе из шахты бункерного питателя 47
2.2. Рабочая модель волокнистого материала в массе 50
2.2.1. Рабочая модель волокнистого материала в массе при сжатии..50
2.2.2. Рабочая модель волокнистого материала в массе при растяжении 51
2.2.3. Рабочая модель волокнистого материала в массе при сжатии с учетом релаксации 52
2.3. Аналитическое определение деформации порции волокнистого материала при сжатии 53
2.4. Расчет толщины слоя волокна под нажимным валиком численным методом 56
2.5. Выводы 62
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ
СВОЙСТВ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В МАССЕ 63
3.1. Растяжение волокнистых материалов в массе 64
3.1.1. Лабораторный стенд для определения деформационных характеристик волокнистого материала в массе при растяжении 66
3 1 .2. Методика подготовки волокнистого материала
к экспериментам 68
3.1.3. Определение деформации порции волокнистого материала при нагружении и растяжении 69
3.1.4. Диаграмма напряжений при нагружении и растяжении волокнистого материала в массе 72
3.1.5. Расчет линейной плотности слоя, выходящего из бункера .77
3.2. Взаимосвязь деформации и напряжения порции волокнистого материала при сжатии и снятии нагрузки 80
3.3. Исследование диаграмм напряжений волокнистого материала при
сжатии с учетом релаксационных процессов 83
3.4. Выводы 87
4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ БУНКЕРНОГО ПИТАНИЯ..89
4.1. Исследование влияния ширины нижней части бункерного питателя, трения о стенки и начальной объемной плотности на линейную плотность слоя волокнистого материала, выходящего из бункерного питателя 90
4.2. Модернизация технологического оборудования при помощи устройства бункерного питателя со стабильной линейной плотностью..93
4.3. Исследование устойчивости системы управления устройства со стабильной линейной плотностью 95
4.4. Автоматический слоеформирующий бункер 98
4.5. Исследование устойчивости системы управления автоматического слоеформирующего бункера 101
4.6. Построение переходной характеристики бункерного питателя с применением системы автоматического регулирования 104
4.7. Выводы 107
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 108
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО
ПРИЛОЖЕНИЯ 118
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 118
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 121
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 132
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 133
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 139
- Основные понятия и терминология
- Анализ механического состояния волокнистого материала на выходе из шахты бункерного питателя
- Растяжение волокнистых материалов в массе
- Исследование влияния ширины нижней части бункерного питателя, трения о стенки и начальной объемной плотности на линейную плотность слоя волокнистого материала, выходящего из бункерного питателя
Введение к работе
Актуальность проблемы бункерного питания волокнистым материалом текстильных машин для льняной промышленности заключается в том, что, несмотря на все имеющиеся достоинства системы бункерного питания, вопрос о стабильности линейной плотности формируемого слоя короткого льняного волокна и очеса остается до настоящего времени до конца не решенным. Используемые в настоящее время в отечественной льняной промышленности бункерные питатели обладают большим недостатком, заключающимся в том, что они не обеспечивают постоянства линейной плотности формируемого слоя на отрезках большой длины. До настоящего времени квадратическая неровнота рулонов ленты по массе, получаемой с поточных линий как с ПЛ-1-КЛ, так и с более совершенных — типа ПЛ-150-Ш, составляет 12...18%, а максимальные отклонения могут достигать до 20...25%.
Причиной значительной неравномерности слоя по линейной плотности является большая неравномерность физико-механических свойств перерабатываемых волокон.
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к совершенствованию систем бункерного питания, особенно в хлопковой и шерстяной промышленности — появляются изобретения, публикации в научной литературе посвященные исследованиям и опыту эксплуатации бункерных питателей; ведущие машиностроительные фирмы мира демонстрируют образцы нового оборудования на выставках.
Ввиду особой специфики короткого льняного волокна и льняного очеса, состоящей в значительной связанности комплексов волокон и их большими размерами по сравнению с хлопковыми и шерстяными, новейшие технические решения, использованные при разработках современных систем бункерного питания для шерстяных и хлопковых волокон, не приемлемы для разрешения проблемы неравномерности слоя льняного короткого волокна и очеса по линейной плотности.
Практически все предлагаемые технические решения несут в себе специфичный подход в решении задачи стабилизации линейной плотности формируемого слоя, авторы изобретений предлагают различные способы и устройства, но до настоящего времени невозможно оценить функционирование предлагаемых конструкций до их изготовления на стадии проектирования. Выходом из такого noj ложения является моделирование процессов происходящих в бункерных питателях и их функционирования в целом. Причина, по которой сейчас этого сделать невозможно, заключается в отсутствии достаточной информации как о свойствах волокнистых материалов в массе, так и об их взаимодействиях с рабочими органами перерабатывающих машин.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является снижение неравномерности по линейной плотности слоя волокнистого материала, сформированного бункерным питателем (БП), путем разработки новых кон-
струкций БП на основе изучения механических свойств волокнистого материала в массе.
Для достижения поставленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
получение аналитического решения задачи о деформации порции волокнистого материала при сжатии с фиксированной нагрузкой;
определение расчетным путем величины деформации слоя волокнистого материала при его взаимодействии с рабочим органом — нажимным валиком;
разработка методики проведения испытаний на растяжение порции волокнистого материала в массе;
изучение деформационных свойств волокнистого материала в массе:
при растяжении,
при увеличении и уменьшении силы сжатия,
при сжатии с учетом релаксации;
определение математического описания зависимости напряжения от относительной деформации при растяжении порции волокнистого материала в массе;
разработка методики решения по определению расчетным путем величины объемной плотности слоя волокна, выходящего из бункерного питателя с учетом его растяжения под нажимным валиком;
определение математического описания зависимости напряжения от относительной деформации при уменьшении силы сжатия порции волокнистого материала в массе;
определение влияния релаксации на зависимость напряжения от относительной деформации при сжатии волокнистого материала в массе;
построение математической модели БП, учитывающей влияние ширины бункерного питателя в нижнем сечении, начальной объемной плотности волокнистого материала и трения о стенки бункера на величину линейной плотности формируемого слоя;
разработка конструкции бункерного питателя, обеспечивающей высокую точность формирования заданной величины линейной плотности сформированного слоя волокнистого материала, особенно на длинных отрезках;
разработка схемы модернизации поточной линии для переработки короткого льняного волокна и очеса ПЛ-150-П1 путем оснащения штатного бункерного питателя системой автоматического регулирования линейной плотности;
определение частотных характеристик автоматического бункерного питателя как системы автоматического регулирования;
- исследование на устойчивость системы автоматического регулирования
слоеформирующего бункера путем расчета его передаточной функции и опреде
ление параметров, необходимые для проектирования на реальном оборудовании.
Объектом исследования в данной работе является система бункерного питания текстильных машин волокнистым материалом.
Методической основой диссертации явились труды ведущих ученых в области исследования механических характеристик льняных волокон. В работе ис-
5 пользованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Применены приемы дифференциального и интегрального исчисления, численные математические методы, а также методы математического моделирования. При проведении испытаний использовалась как стандартная, так и оригинальная аппаратура. Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами многомерного, регрессионного, дисперсионного и корреляционного анализов при 95% доверительной вероятности. Вычисляемые процедуры реализовывали с применением ПЭВМ, используя программы MathCAD, EXELL, Delphi. Научная новизна заключается в следующем:
разработан и теоретически обоснован способ расчета деформации волокнистого материала в массе по известной величине усилия сжатия;
впервые поставлена и решена задача по определению параметров слоя волокнистого материала на выходе из бункерного питателя с учетом деформации сжатия и растяжения;
исследована и математически описана диаграмма напряжений при сжатии и снятии нагрузки порции льняного волокнистого материала в массе;
впервые поставлена и решена задача по определению деформации слоя волокнистого материала при его взаимодействии с рабочим органом типа «валик» с учетом нелинейной зависимости напряжения от относительной деформации при сжатии;
получена и исследована зависимость напряжения от относительной деформации при растяжении порции волокнистого материала в массе;
Практическая значимость работы. Практическая значимость заключается в том, что решение задачи по определению деформации слоя волокнистого материала при взаимодействии с рабочим органом — нажимным валиком и полученные зависимости параметров растяжения и сжатия и снятия нагрузки волокнистых материалов, могут быть использованы при проектировании новых систем бункерных питателей льняных машин, а также при модернизации существующих. Материалы исследований могут быть также использованы в учебном процессе, как в курсе технологических дисциплин, так и при изучении механики текстильных материалов. Предложены направления совершенствования системы бункерного питания волокном в области льняной промышленности путем добавления системы автоматического регулирования линейной плотности слоя к классическому вертикальному бункеру. Разработанное устройство «Автоматический слоеформирующий бункер» для формирования равномерного по линейной плотности слоя волокнистого материала признано изобретением и защищено патентом РФ №2253708.
Реализация результатов работы. Выполненные разработки приняты в качестве модернизации поточной линии ПЛ-150-П1 на предприятии ОАО «БКЛМ-Актив», г. Кострома. Разработано «Техническое задание на проектирование автоматического слоеформирующего бункера». Разработан и изготовлен лабораторный стенд для исследований порции волокнистого материала «на растяже-
ниє»» использующийся в учебном процессе. Разработана имитационно-статистическая модель автоматического слоеформирующего бункера.
Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы были доложены и получили положительную оценку: на заседаниях кафедры прядения КГТУ (2002-2006гт.), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях», Кострома 2002 г.; всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности», Москва 2002 г.; международном студенческом форуме «Образование, наука, производство» 2002 г.; международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» Кострома 2004 г.; межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству», Кострома 2004 г.; международной научно-технической конференции «Лен-2004» Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях. Кострома 2004 г.; научно-технической конференции «Прогресс 2005» / Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности/ Иваново 2005 г; научно-технической конференции «Прогресс 2006» / Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности / Иваново 2006 г; научно-технической конференции «Дни науки 2006» / Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности / Санкт-Петербург 2006 г; научно-технической конференции «Вступление России в ВТО и повышение эффективности льнопроизводственного комплекса» / Вологда 2006 г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 16 печатных работ, из которых 8 статей (1 статья входит в «Перечень...» ВАК) и 7 материалов научно-технических конференций, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы (75 наименований) и приложений. Работа содержит 5 таблиц и 43 рисунка.
Основные понятия и терминология
Бункерное питание представляет собой систему технических средств, обеспечивающую непрерывным слоем перерабатываемого волокнистого материала текстильные машины. В качестве основного элемента используется вертикальный бункер (рис.1) - устройство в виде шахты прямоугольного сечения, имеющее постоянно некоторый резерв волокнистого материала.
К достоинствам бункерного питания можно отнести простоту конструкции, обеспечение непрерывности выводимого потока волокнистого материала и определенная степень выравнивания в отношении подачи волокна, но не в отношении свойств волокнистых материалов. Бункерное питание благоприятно сказывается на технологическом процессе, что подтверждается его многократным использованием в технологическом оборудовании всего мира.
Обозначения приняты, в основном, в соответствии с используемыми в работе [15, 19]. На рис.1 представлена схема бункерного формирования слоя волокнистого материала.
В работе используется термин "волокнистый материал в массе" для обо t значения вида материала, который подается в бункерный питатель. Этот тер мин означает совокупность текстильных волокон, не ориентированных в пространстве. В тексте работы может также встречаться термин "волокно", означающий вид волокна вообще, например; «льняное волокно, короткое льняное волокно, хлопковое волокно и т.п.» общепринятое в технической литературе по текстильной технологии. Если же речь пойдет о волокне как об одиночном волокне - единичном элементе или их некотором количестве, то для этого будет сделано соответствующее пояснение.
class2 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ В БУНКЕРНЫХ
ПИТАТЕЛЯХ class2
Анализ механического состояния волокнистого материала на выходе из шахты бункерного питателя
Рассмотрим работу вертикального бункерного питателя: проследим за некоторой элементарной порцией волокнистого материала, назовем ее элементарной порцией, которая попадает в шахту бункерного питателя в процессе нормальной работы и продвигается к его выпускному - нижнему сечению до выхода в формируемый слой. Для кошфетности при рассмотрении в качестве волокнистого материала будем иметь в виду короткое льняное волокно или льняной очес как материалы, обладающие большим набором специфичных свойств, определяющих внутренние свойства и влияющих на процессы взаимодействия волокнистой массы с рабочими органами бункерного питателя. Условимся, что элементарная порция волокнистого материала получила предварительное рыхление па соответствующей предыдущей технологической машине, и в течение некоторого времени поступала плавно, т.е. без удара, внутрь шахты вертикального бункерного питателя, заполнив при этом равномерно всю верхнюю поверхность волокнистого материала, попавшего в бункер ранее.
Можно выделить четыре фазы состояния элементарной порции волокнистого материала, проходящей через бункерный питатель [19].
В первой фазе элементарная порция волокнистого материала после разрыхлительного устройства подается транспортирующим механизмом в верхнюю часть бункерного питателя. Данное состояние характеризуется как свободное состояние волокнистого материала. Его объемная плотность р в таком состоянии определяется всей совокупностью предыдущих воздейст 48 вий. Форма н геометрические размеры порции являются случайными. Особенностью льняного волокна является то, что при продвижении именно льняной волокнистой массы на этом этапе в виде отдельных волокон и их комплексов при взаимодействии с подающими транспортерами могут возникать новообразования в виде комплексов волокон достаточно большой величины.
Во второй фазе волокно занимает положение верхнего слоя волокнистого материала, заполняющего шахту бункерного питателя. Элементарная порция, находясь в шахте бункерного питателя, оказывается под действием только силы собственной тяжести. При своем движении волокнистый материал, миновав на своем ггути воздействие направлягощих приспособлений в виде воронок, направляющих и т.п., приобретает форму внутреннего пространства верхней части шахты бункерного питателя.
При работе бункерного питателя элементарная порция волокнистого материала перемещается от верхнего уровня к нижнему и находится в третьей фазе состояния. Это состояние характеризуется тем, что порция волокнистого материала испытывает на себе сжатие в продольном направлении. По состоянию волокна в этой фазе построена имитационно-статистическая модель [J9], см. прил.4
В нижней части вертикального бункера может существовать особая зона, где волокнистый материал, кроме факторов, воздействующих на волокно в состоянии третьей фазы, дополнительно испытывает на себе влияние вы водного устройства — выводных валиков, транспортеров и т.п. При этом волокнистый материал может сжиматься, разжиматься и даже подвергаться растяжению. Это состояние волокнистой массы рассматривается как четвертая фаза состояния волокнистого материала в шахте бункерного питателя.
Данная работа посвящена изучению свойств волокнистых материалов в массе в этой фазе. Это стало возможным после обработки результатов экспериментов: ? на растяжение волокнистого материала в массе, оценив при этом относительную деформацию и напряжения, возникающие при растяжении - такая задача поставлена и решена впервые;
? на сжатие порции волокнистого материала в массе и снятие нагрузки;
? на сжатие порции волокнистого материала при разных интервалах времени.
Представленное описание состояний волокнистого материала по фазам при прохождении им тахты вертикального бункерного питателя определяет ту информацию, которую необходимо иметь, чтобы получить возможность математически описывать процессы, происходящие в бункерном питателе. Поскольку в данном технологическом процессе участвуют объекты взаимодействия; с одной стороны волокнистый материал, в массе, а с другой - физические тела, образующие рабочие органы бункерных питателей, то требуется информация, как о каждом объекте, так и об их взаимодействии друг с другом.
class3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ
СВОЙСТВ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ В МАССЕ class3
Растяжение волокнистых материалов в массе
Существующие мстодБі экспериментального исследования деформационных свойств текстильных волокон на растяжение не предназначены для волокнистых материалов в массе.
Разработана методика экспериментального исследования растяжения волокнистого материала в массе и выполнен стенд, па котором проведен ряд опытов.
Волокнистый материал в массе представляет собой набор бесконечного количества не ориентированных в пространстве текстильных волокон. Различные виды волокон в массе обладают собственной спецификой поведения в процессе деформации. Это объясняется их физико-техническими характеристиками: длиной, размерами и формой поперечного сечения, линейной плотностью, жесткостью на сжатие, растяжение, изгиб, извитостью, влажностью, конфигурацией и т.д.
В нашем случае, в плане рассмотрения порции волокнистого материала в различных фазах состояния внутри шахты бункерного питателя, особый интерес представляет изучение процесса растяжения волокнистой массы в одном направлении и выяснение связи со временем деформации.
Эксперимент «растяжение порции волокнистого материала» проводится с целью определения таких деформационных характеристик волокнистого материала как; абсолютная деформация, относительная деформация.
Объектом исследования в данном случае является порция волокнистого материала, выполненная в форме вертикального цилиндра.
Растяжение волокна происходит одновременно с уменьшением поперечного размера порции, - образуется так называемая «шейка» (рис.22,а). Это происходит вследствие уменьшения количества волокон в сечении. Принимается допущение неизменного диаметра (рис.22,б), так как не существует методики.
Исследование влияния ширины нижней части бункерного питателя, трения о стенки и начальной объемной плотности на линейную плотность слоя волокнистого материала, выходящего из бункерного питателя
Исследование можно проводить при помощи машинного эксперимента. Машинный эксперимент - моделирование технологического процесса на ЭВМ с помощью программы-иммитатора (прил. 3) для решения определенной задачи [48]. В нашем случае задачей является исследование влияния ширины нижней части бункерного питателя, трения о стенки и начальной объемной плотности на линейную и объемную плотности слоя волокна, выходящего из бункерного питателя. То есть требуется провести трехфакторныи эксперимент и но его результатам построить уравнение регрессии, по которому можно сделать выводы о влиянии факторов на параметры слоя волокна, выходящего из бункерного питателя.
На основе известной информации о процессе установлены основные уровни факторов: ширина выходного сечения бункера Х=0.17 м; объемная плотность в верхнем сечении бункера Х2=Ю кг/м ; коэффициент трения х3=0.22.
По результатам построено уравнение регрессии, по которому можно сделать выводы о влиянии факторов на линейную плотность слоя волокна, выходящего из бункерного питателя.
Получена следующая адекватная линейная регрессионная многофакторная модель бункерного питателя; YK = 6.1 + 1.21х, +1.66х -0.226л:з (61).
По значениям коэффициентов регрессии из выражения (61) можно сделать следующие выводы:
1) основное влияние на линейную плотность слоя волокнистого материала оказывают начальная объемная плотность {к2=-1.66) поступаемого волокна в шахту бункера и ширина выходного сечения бункерного питателя (к,=1.21);
2) влияние трения на линейную плотность формируемого слоя не существенно (к3 -0,266).
