Введение к работе
. Актуальность темы.Для обеспечения конкурентоспособности своей продукции и рентабельности производства предприятия льноперерабатывающей отрасли должны быть оснащены высокоэффективным промышленным оборудованием, обеспечивающим реализацию ресурсосберегающих технологий для качественной переработки льняного волокна, выработки пряки низкой линейной плотности, производства тонких льняных тканей с сохранением уникальных природных свойств .волокон. Основной задачей работников отрасли первичной обработки лубяных волокон является
разработка новых и совершенствование существующих технологических процессов и оборудования с целью повышения использования сырца и улучшения качества основного продукта - длинного волокна.
Длинное волокно в настоящее врамя получают путем механической обработки льняной тресты в мялыю-трепальном агрегате. От того, как построен процесс трепания, зависит в конечном итого количество и качество получаемого длинного волокна. Одними из основных рабочих органов мяльно-трепального агрегата являются трепальные барабаны, конструкция которых играет важную роль в правильной организации процесса трепания.
Исследованию и разработке конструкции рабочих органов трепальной машины для обработки льна посвящена данная работа. Тема настоящей работы актуальна, поскольку предусматривает совершенствование существувдей технологии и конструкции трепального барабана в направлении повышения использования сырья и улучшения качества готовой продукции.
Цель работы. Обоснование и разработка конструкции трепального барабана с переменным числом бил, обеспечивающей эффективную дифференциацию процесса трепания лубоволокнистого материала по мере его обработки.
Научная новизна. Предложены формальные критерии выбора рациональной конструкции трепального барабана, обеспечивающие эффективную дифференциацию процесса трепания. Разработаны математические модели и методы расчета по ним, позволяющие определять распределение силы натяжения слоя сырца по длине слоя и по длине барабана при обработке материала одним, двумя и тремя Зилами одновременно. Описаны общие положения теории подобия в иеханике волоюгистого слоя, получены критериальные уравнения
процесса трепания, установлены зависимости между различными критериями подобия. Теоретически исследована неравномерность вращения трепальных барабанов за счет ударного воздействия била на слой и ее влияние на перепад силы натяжения. Получены аналитические зависимости эффективности обработки слоя сырца от перепада силы натяжения в процессе трепания. .
Практическая ценность.Теоретические и экспериментальные исследования процесса трепания лубоволокнистого материала позволили разработать конструкцию трепального барабана с переменным числом бил. В рамках научно-технической программы "Русский лен" Костромской технологический институт совместно с Ивановским акционерным обществом "Завод ' им.Г.К.Королева" разрабатывает новую конструкцию барабана для мяльно-трепального агрегата УТА-2Л с целью дальнейшего изготовления в опытном варианте к производственных испытаний.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на республиканской научно-технической конференции "Пути совершенствования технологий и оборудования для переработки льняных, хлопковых и химических волокон в льняной отрасли промышленности (Лен-92)", Кострома, 1992: на международной научно-технической конференции "Современные тенденции развития технологии и техники текстильного производства (Прогрвсс-93)", Иваново, 1993: на заседаниях в Костромском филиале семинара по теории механизмов и машин Академии наук Российской Федерации; на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Костромского технологического института, Кострома, 1991, 1992, 1993.
Публикации. По теме диссертаций имеется 9 публикаций.
Объем и сруктура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 163 страницах машинописного текста, включая 30 рисунков и 16 таблиц, список литературы на 16 страница* (IG3 наименования), приложения на 13 страницах.
В первой глава прішедеп анализ современного состояния исследуемого вопроса на основе литеретурішх данных. Рассмотрены суцэствуЕОТЭ исследования конструктивных и технологических параметров трепальных мапин. Проана.пизированы способы натематичоского опасения движения волокна по шероховатой поверхности. Описаны технологические решения для обеспечения дпЭДерегапшщп процесса трепания. На основе анализа проведенных исследований п конструкторских разработок сформулированы задачи исследования.
Во второй главе содержатся результаты теоретических псследовгний по математическому моделированию взаимодействия рабочих органов льнотрепальных машин и слоя сырца.
Показано, что описание процесса трепания является corмрпэиной динамической задачей взаимодействия разнородных механических
СПСТеМ, ОбЪеДИНЯЩей В Себе Элементы СЛеДуюїДИХ ДИСЦИПЛИН:
1)механика гибких тел с переменной массой: 2)физическая механика волокнистых материалов; 3)динамика трепальных машин. В своп очередь механика волокнистого слоя сочетает элементы теории упругости, механики твердого тела, механики сплошной среды.
В главе рассмотрены кинематика и динамика слоя при ею
движении по подбильной решетке, по рабочей крошсе и на распрямлешшх участках (мекду сечением закрепления и рабочей кромкой или между рабочими кромками). Разработаны соответствующие дифїоренциольнш уравнении и получены их решения. При взаимодействии слоя сырца с одним билом барабана сила натяжения в сечении зякрешешя слоя
Т = 0.5l«i?H2j(l/R - гвіпІНД^сов! - 3eln| +
. «-і/в - г)ьт <.ка - i)(|(i - гнвщ|>0о8г|
' А ~) * віпф). (I)
где т - сила натяжения в сечении закрепления слоя і ц - линейная плотность слояі в, и - радиус и частота вращения барабвна: і -длина слоя, находящегося в зоне трепания; к,, к - коэффициенты сопротивления движению слоя на подбильной решетке и на рабочее кромке, соответственно! в - коэффициент жесткости слоя! г - радиус закругления рабочей кромки; ф - угол поворота барабана, отсчитываемый с момента удара била по слою» ' <р=и«, t - время рзвимодействия слоя с билом барабана; а - угол обхвата, пьо,5(іс+(р). Формула (I) определяет силу натяжения в зависимости от угля поворота барабана. Распределение силы натяжения в сечении зячррпления слоя по длине трепального барабана
т -г o,5|Wn2{i/n(/iK, i/R - г)еш/г* (ек%/г- і)(г + 3Ва _). (2)
Изменение сили натякошія по (2) определяется известными ФУНКЦИЯМИ ЛИНОПНОЙ ПЛОТНОСТИ ц, жесткости слоя В, ІСОЗфїИЩІОНТОВ сопротивления с. . к по длипо барабана (глава 3).
При моделировании взаимодействия слоя сирца с двумя билами одновременно использовано допущение; межосовое расстояние барабанов а=н/г . Такое допущение согласуемся с конструктивним исполнением современных трепальных машин и позволяем существенно упростить теоретические викладки. В данном случае распре де-ион.л сили натяжения в сечении закроплония слоя по длине трепального барабана
Т = О.БЦЫ И 4в Ч Q(e '- 1) \ оовЛф f
Ч ooS*f (з1„-Л - соа*|)]вгаг+ Q(eKa2- 1 )]. (3)
а =» (i/R - гзіп-ІХак^ i/R - 2аіп^| - г)!
(Ш R г
a , cij - углы обхвата рабочих кромок: угол Д(р=іео/пв; пБ - число Сил барабана.
В главе описаны общие положения теории подобия в механике волоішистого слоя. Оироделини критерии подобия, приведена ИХ классификация (геометрическое, кинематическое, динамическое, силовое подобно) и физический смисл. Например, взаимодействие слоя сырца с одним билом барабана огшсывавтся с помощью поеми критериев подобия:
vTt в
Ч1 = ТГ' qa = ,..„г г- q3 К:
q4 = К1! q5 = ~2: q6 Е 5~2! (4)
q7 = 1/R; qQ =, r/R;
где l - длина барабана; vT - скорость перемещения материала в машине.- t - время обработки слоя по длине барабана j t - время взаимодействия слоя сырца с билом при одном воздействии. Остальные обозначения в (4) приведеш выше. Критерии Ньютона- q6, например, описывает соотношение сил натякання и инерционных сил. Критерии
q2. .q6 определяют ДИНЗШЧЄСКОі, ПОДОбИв; КрИТврИИ Ч3> яд - СШІОВОв ПОДОбИві q?, qQ - ГЄОМЄТрИЧЄСКОЄ ПОДОбИв; ІфИТврИИ ГОМОХрОННОСТИ
q,. q5 - кинематическое подобие.
С учетом (4) соотношение (2), например, преобразуется, в критериальное уравнение
qJJt/г q,1t/2
q6 - 47<4q4 Ч7 -Z)e +(e J - 1)(2 + q2). (Б)
представляющее собой обобщенную зависимость, справедливую для целого класса подобных между собой процессов трепания. Такие классы определяются условиями проведенных экспериментов (глава 3).
в третьей главе приведены результаты експериментальних исследований процесса ірепания слоя сырца барабанами с переменным числом бил.
С точки зрения проектирования, изготовления и эксплуатецин приведено о6п<:імі!шшо набора исследуемых конструкций трепальных
- II -
барабанов. Этот набор включает в себя семь"конструктивных схем, из них четыре барабана с постоянным числом бил - двухбилышй (обозначим К2), трехбилышй (КЗ), четырехбилышй (К4) и шестибильный (Кб). Барабаны с переменным числом бил имеют два равных по длине участка и содержат два и шесть (обозначим конструкцию К26), три и шесть (К36), два и -четыре (К24) бил на каждом участке.
Приведено описа.іие экспериментального трепального стенда, его основные параметры: l=I.O м: r=0,4 м: b=r/ 2 =0,565 м; vT=37,5 м/мин.Применялась подбильная решетка с расположенными веерообразно планками круглого сечения, вылет рабочей кромки за плоскость подбильной реиьтки равнялся нулю. Исследования проводились на пяти режимах обработки, при частотах врашения барабанов п=80; 120: 160: 200: 240 об/мин. Во всех экспериментах использовался один тип льнотресты.' Ее характеристика по ГОСТ 2975-73: номер льнотресты Д 2,00: горстезая длина 0,81 М:диаметр стеблей 1,4 мм; пригодность 0,97: средняя прочность 252 Н; отделяемость 4,2: содержание волокна 34 %: цвет волокна - третья группа по эталону: влажность 14 %г нормальная Еылежка. Длина слоя сырца, находящегося в зоне трепания, составляла г-0,4 м. Линейная плотность слоя на входе в машину ц=0,054 кг/м. Пг'т указанных выше параметрах слой волокна на двух- и трехмильных участках барабанов обрабатывался одним билом (формулы (I), (2) для расчета), а на четырех- и шестибильных участках - двумя билами (формула (3)) однспременно.
Согласно ГОСТ 10330-76 определялась эффективность обраиотки слоя барабанами с переменным числом бил: л і код длинного волокна, содержание костры, недоработка. Исследования показа га, что аффективность обработки слоя сырца пропорциональна количеству
воздействий. С помощью метода электротензомвтрии проводились динамические исследования процесса трепания, в которых измерялась сила натяжения в сечении закрепления сдоя. Показано удовлетворительное соответствие теоретических и экспериментальных результатов.
В главе описано изменение физических свойств слоя сырца в процессе трепания: приведены эмпирические зависимости жесткости и линейной плотности слоя, коэффициентов сопротивления движению слоя на подбильной решетке и на рабочей кромке. Эти эмпирические сависимости используются в качестве исходных данных при расчетах силы натяжения по формулам (1)-(3).
В четвертой главе изучено влияние силы натяжения на эффективность обработки слоя.
Получены аналитические зависимости выхода волокна т) от перепада силы натяжения по длине барабана
Т) « вхр(-в,ЛТ) (6)
и зависимости выхода волокна от разницы критериев подобия Ньютона Aq6 по длине барабана
У] - exp(-a2Aq6). (7)
где л,, »г - эмпирические коэффициенты, характеризующие свойстве материала и конструктивные особенности трепальной машины. Соотношение (7) описывает взаимосвязь безразмерных параметров процессе трепания - т), Aqfi. «2. Поэтому область» применимости (7) является класс подобных между собой явлений, описанных о помощью
- ІЗ -
критериев подобия (4) при условиях проведенных экспериментов (глава 3).
В пятой главе приведены результаты расчетно-теоретических исследований основных закономерностей взаимодействия волокнистого слоя с билом барабана, предлогаїш формальше критерии выбора рациональной конструкции барабана, обоснована конструктивная схема трепального барабана с переменным числом бил для їдяльно-трепального агрегата МТЛ-2Л.
На рис.1 приведет зависимости критериев подобия q± (1=1,2.-3,4.5.6) от времени обработки t слоя для двухбилышх барабанов при частоте вращения п=20О об/юш, при атом t=0,04tK; tK=L/vT. Из рис.1 следует, что критерий Ньютона q6 практически не зависит от коэффициента сопротивления движению слоя по подбилыюй решетке q4 и от критерия кинематического подобия q3. Исключение,.. пз зависимостей- рис.1 времени обработки t слоя получаются зависимости критерия Ньютона qfi (рис.2)- от других критериев подобия-q,, q2. q3. Стрелкаш (рис.2) показано направление, соответствующее увеличению времени обработки -t слоя.
Точке а на рисунках I, 2 ' соответствует момент времени tQ, посла которого слой становится достаточно обрвбот:чннм. Показателен такой "обработанности" является небольшая скорость избиения критерия Ньютона 7'*)=dq6(t)/dt. Степенью изменения показателя 7<*> является отношение
Динамика изменения выхода волокна і| по (7) описывается
dT](Aq )
показателем pm-piAq5)=-373 )" Степенью изменения показателя
tK t,сек
>к 'о
Рис. І. Зависимости критериев подобия от времени трепания по длине барабана.
Рис. 2. Заьисимости критерия Ньютона от других критериев подобия.
p(t) является отношение
р - ^)- *-в- <9>
Из (8), (9) вытекает обобщенный критерий "обработанное" слоя
яр = г^. (10)
Соотношение (10) определяет длину двухбильного участка барабана (с учетом скорости перемещения vT материала вдоль машины), после которого слой сырца мало изменяет свои свойства в процессе обработки трепанием. Физический смысл критерия (10) следует из рис.2. Критерий Ньютона q2 по (4) (глава 2) характеризует' подобие внутренних сил, описывает соотношение жесткости слоя в и инерционных сил с учетом радиуса рабочей кромки п критерии qt описывает кинематическое подобие в сходственных точках. Из рисунков I, 2 следует, что при t
dq.(t) dq_(t)
17<*>М—fr-|<.5; |-Ії-|<о.6.
В существующих исследованиях процесса трепания разработка новых конструкций барабанов осуществляется при опобщении теоретических и експериментальних результатов. При атом отсутствуют формальные критерии выбора рациональных конструкций. Установленные же в настоящей работе закономерности (глава 2) и полученные эмпирические соотношения (глава 3) позволяют
сфэрмулировать именно формальные ісритеріш шбора рациональной конструкции барабана о переменит» числом бил. Такими критериями являются следующие параметри аффекта обработки і
Т, = O/Hj tg = G/(QH)t
^3 к '<«W» *А - С'<01Пта*>! (II>
где о - выход длинного волокна, о. - содержание костри в обработанном волокне, н - недоработка, т - максимальное значение силы натяжения в сечении закрепления слоя по длине барабана.
Наилучшая конструкция соответствует тахт1# 1«1.г.з.4. Покажем смысл такого критерия для параметра ъл. Оптимальная конструкция го критерию т&ххл означает, что при ней достигается максимальний выход волокна при минимальном содержании костры, шшшалыюм проценте недоработки и при минимальном значении тШМ{.
Показано, что при низкоскоростных режимах обработки оптимальными КОНСТРУКЦИЯМИ ПО КрИТерИЯМ maxT,. maxtg ЯВЛЯЮТСЯ К36,К6,а ДЛЯ
частот вращения плго об/мин - К36, К26. При низкоскоростных режимах обработки оптимальными конструкциями по критериям maxi3, roaii:4 являются К2, КЗ, а для частот вращения п^гоо об/мин -К26. Таким образом, по критериям тахт^ (1=1.г,3.4) конструкция К26 является предпочтительной по сравнению с другими рассштренными конструкциями трепальных барабанов - К2, КЗ, К4, Кб, К24, К36.
Предполагаемая конструктивная схемы барабана для мяльно-трепального агрегата МТА-2Л приведена на рис.3. По длине трепальной секции барабан разделяется на пять участков о длинами, соответственно! I./6, ь/6. l/6. 4L/io, ь/ю. Входная часть барабана
X\
S
4-2-*
Рио. 3. Трепальный барабан для обработки лубяных волокон.
О 0,26 О.БО 0,76 1,00 Pin;. 4. Зависимость силы натяжения по длине трепального барабан.і.
имеет два била, продолжающихся затем по всей длине барабана. Участки I и 5 - входной и выходной "конусы". В первой трети барабанов осуществляется двустороннее трепание двухбильными участками. Участок 3 - "коническая" часть коротких бил. Участок 4 - цилиндрическая часть шестибильного барабана. Участок Б - общий выходной "конус".
На рис.4 представлены зависимости силы натяжения слоя по длине трепальной секции для двухбильного барабана (кривая I), для трехбильного (кривая 2), для шестибильного (кривая 3), для барабана рис.3 (к^.^вая 4). Представленные на рис.4 зависимости получены по соответствующим соотношениям второй главы данной работы. На оси абсцисс рис.4 отложена координата Lg/L. ъ - общая длина барабана, Lg - текущая координата слоя по длине барабана! по оси ординат отложено т/т , т - максимальное значение силы
* mm
натяжения слоя при его обработке шестибильными барабанами» т -текущее значение силы натяжения по длине барабана в сечении закрепления слоя.
диаметр барабана в рабочей части, расстояние между опорами подшипников, конструктивное исполнение противонемоточных устройств те же, что и для барабанов трепальной машины агрегата МТА-2Л. Эти предложения обеспечивают возможность оснащения существующих НТА-2Л новыми рабочими органами.
Совершенствование конструкции трепальных машин является направлением исследования, по крайней мере, двух дисциплин: 1)первичной обработки лубяных волокон; 2Теории механизмов и машин. При разработке и проектировашш современных трепальных машин необходимо использовать новые методы исследования обеих дисциплин, Настоящая работа выполнена г соответствия о
методологией курса теории механизмов и машин (ТММ).
Показано, что при описании взаимодействия била трепального барабана с волокнистым слоем в качестве аналога этому взаіагадействига сопоставляется кулисный механизм. Как известно, важнейшие задачи ТММ группируются по двуь; разделам: анализ механизмов и синтез мэханизмов. Кинематический анализ при моделировании процесса трепания в настоящей работе заключается в исследовании кинематики (скоростей и ускорений) слоя на подбилъной решетке, на рабочей кромке и на распрямленных участках, динамический анализ - в силовом расчете взаимодействия слоя с билом барабана, а также в разработке соответствующих дифференциальных уравнений движения и интегрировании этих уравнений. При этом использовались методы динамики механизмов с переменной массой звеньев. Исследования влияния і эравномераост.. вращения барабанов на силу натяжения слоя также являются частью динамического анализа.
Методология синтеза механизмов при моделировании процесса трепания в настоящей работе проявлялась в изучении влияния силы натякання на эффективность обработки слоя сырца (глава 4) ив установлении формальных критериев (II) выбора рацион: іьной конструкции барабана. Эти критерии являются основными условиями (целевыми функциями, критериями оптимизации) синтеза. Они позволяют выбрать наилучшую конструкцию барабана среди набора исследуемых конструкций. Кроме того, полученные в настоящей работе зависимости (1)-(3), (7) позволяют теоретически определять значения целевых» функций (II).
Несмотря на полученные в настоящей работе результаты, верешвнными в рамках кинематического и динамичоского синтеза
остались вопроси многофакторной оптимизации конструкций трепальных машин. Для решения проблем такого рода необходима классификация технологических задач, по крайней мере, по трем направлениям: I) конструктивные парамотри трепальных машин; 2) физико-мехаїшчос-кие свойства обрабатываемого материала; 3) режимы обработки слоя. Все это составляет предмет отдельного исследования. Однако для корректной формальной постановки и успешного решешія задач оптимизации необходимы зависимости и результаты, полученные в настоящей работе.
