Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор. Задачи исследования.
1.1. Основные типовые конструкции очистителя волокна. Их недостатки. 8
1.1.1 Типовые очистители, основанные на механическом способе очистки
1.1.2 Чесальные машины 14
1.1.3. Очистители основанные на аэромеханическом способе очистки волокна
1.2. Некоторые технологические линии по производству короткоштапельного льняного волокна .
1.3. Исследования, посвященные вопросам очистки короткоштапельного волокна
2. Разработка технологической и конструктивной схемы нового очистителя-котонизатора . 25
2.1. Новая технологическая и конструктивная схема очистителя- котонизатора. 26
2.1.1. Новый способ очистки и котонизации льняного волокна. 26
2.1.2. Новая конструктивная схема очистителя-котонизатора, реализующая новый способ очистки. 30
2.2. Теоретические предпосылки создания нового способа очистки и котонизации . 32
3. Обоснование параметров гарнитуры рабочего барабана очистителя-котонизатора 38
3.1. Особенности взаимодействия бородки волокон с рабочими органами гарнитуры (иглами) 38
3.2. Обеспечение надежного захвата волокон элементами гарнитуры 40
3.3. Обеспечение надежного удержания пучков волокон при протрепывании их по колосниковой решетке 43
3.4. Особенности структурного состава сорных примесей в короткоштапельном волокне 47
3.5. Особенности выбора частоты воздействия рабочих органов на волокно при очистке 48
3.6. Исследование влияния особенностей закрепления игольчатой гарнитуры на процесс взаимодействия с волокном 54
3.6.1. Особенности нагружения волокна жестко закрепленной гарнитурой 54
3.6.2. Особенности нагружения волокна податливой гарнитурой 55
3.7.1. Особенности взаимодействия лезвия игл с волокном и выбор рациональных параметров гарнитуры 60
3.7.2. Особенности взаимодействия боковых поверхностей игл с волокном и разработка мероприятий по повышению эффективности процесса котонизации 64
4. Экспериментальные исследования предлагаемых методов котонизации льняного волокна . 69
4.1 Описание экспериментального стенда для обработки волокна в гладких вальцах. 69
4.2. Описание экспериментального стенда . 69
4.3.Экспериментальные исследования процесса прокатки в гладких вальцах, искусственно сформированных пучков волокон. 71
4.4 Обработка ленты короткого волокна в гладких вальцах перед штапелированием. 77
4.4.1. Исследования прочности ленты короткого волокна после обработки в вальцах. 78
4.4.2 Определение зависимости прочности 100 мм отрезков ленты от усилия прижима валов, отношения скоростей валов и других факторов. 85
4.5. О формировании технологических линий для котонизации льняного волокна 87
Общие выводы 96
Библиографический список 98
- Некоторые технологические линии по производству короткоштапельного льняного волокна
- Теоретические предпосылки создания нового способа очистки и котонизации
- Обеспечение надежного захвата волокон элементами гарнитуры
- Описание экспериментального стенда
Введение к работе
Актуальность темы
Сегодня на передний план выносятся проблемы совершенствования технологических процессов и создания нового высокопроизводительного оборудования способного производить конкурентно способную продукцию. Одним из путей решения этих проблем, может быть разработка новых технологий и оборудования, позволяющих осуществлять глубокую переработку отечественного текстильного сырья. Применение такого оборудования и технологий позволит значительно расширить ассортимент выпускаемой текстильными предприятиями продукции. Использование волокнистых отходов трепания и некондиционного льна в стеблях, для получения короткошта-пельного льняного волокна, позволит получить отечественный источник сырья, для изготовления нового ассортимента пряж из смесей льна с хлопком, с шерстью и с химическим волокном. Для того чтобы, можно было использовать лен для прядения в смеси с другими волокнами, необходимо сделать эту смесь однородной по геометрическим и физико-механическим свойствам, а в первую очередь по длине волокна, его тонине и по степени очистки волокна от сорных примесей. Для этого необходима разработка нового оборудования, которое позволило бы изменять штапельную длину льняного волокна, его тонину и проводить очистку волокна от сорных примесей.
Оборудование для производства короткоштапельного льняного волокна на мировом рынке представлено несколькими западными фирмами («Ла-рош», «Темафа», «Ритер») и несколькими опытными образцами, разработанными отечественными предприятиями. Все предлагаемое оборудование характеризует целый ряд недостатков: высокая энергоемкость, большие габариты, высокая стоимость и различные конструктивные недостатки, которые снижают качество получаемого волокна и увеличивают себестоимость его производства. Поэтому разработка новых технологий и создание более совершенного оборудования для производства короткоштапельного льняного волокна является актуальной задачей.
В КГТУ разрабатывается технология для получения котонина. Предлагаемая нами линия содержит ряд специализированных устройств, которые последовательно или параллельно укорачивают, утоняют и очищают комплексы льняного волокна. Введение в линию разработанного нами очистителя-котонизатора, позволило уменьшить линейную плотность получаемого волокна, однако дальнейшее его использование требует дополнительных исследований, введения дополнительных устройств, изучение влияние вида гарнитуры протрепывающего рабочего органа на качество получаемого котонина.
Получение короткоштапельного льняного волокна относится к направлениям, которые включены в перечень важнейших критических технологий утвержденный Правительством РФ.
В силу всего вышесказанного, работа, посвященная совершенствованию оборудования и технологии получения короткоштапельного льняного волокна, является актуальной, ее результаты могут быть использованы для проектирования нового оборудования и технологических линий для получения короткоштапельного льняного волокна.
Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является повышение качества короткоштапельного льняного волокна путем совершенствования оборудования и методов его получения и очистки,
Для достижения указанной цели в диссертации решены следующие задачи и получены новые результаты:
-
проведен анализ существующих методов получения короткоштапельного льняного волокна и оборудования для их осуществления, определенны их недостатки;
-
разработан новый способ получения короткоштапельного волокна путем введения в технологическую цепочку гладких вальцов, вращающихся с различной скоростью и очистителя-котонизатора. Дано теоретическое и экспериментальное обоснование применения нового способа для утонения и очистки короткоштапельного льняного волокна;
-
предложены теоретические модели, позволяющие изучить процесс взаимодействия волокна с гарнитурой рабочего органа очистителя котонизатора, установить зависимости между скоростью вращения рабочего органа, количеством рядов элементов гарнитуры и силой взаимодействия элемента гарнитуры с волокнистой прядкой;
-
получены теоретические зависимости, позволяющие определить угол установки элементов гарнитуры, количество рядов игольных планок, параметры заточки игл, обоснована необходимость применения в очистителе-котонизаторе игл имеющих грани на боковых поверхностях.
-
теоретически обоснована необходимость применения податливой гарнитуры на заключительных этапах утонения короткоштапельного льняного волокна;
-
разработан экспериментальный стенд и проведены исследования подтвердившие преимущества метода подготовки к утонению и очистке волокна в гладких вальцах, и позволившие определить зависимость прочности ленты короткого волокна после обработки в вальцах от усилия прижима и отношения скоростей, проведены исследования процесса получения волокна при различной конфигурации технологических цепочек, подтвердившие необходимость применения нового способа очистки и утонения волокна, предложена конструкция прототипа промышленной установки для утонения и очистки волокна.
Методы исследования
При выполнении диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования.
Теоретические исследования проводились с применением общих методов теоретической механики, методов динамики машин, дифференциального исчисления, теории упругости.
Решение и анализ уравнений проводился аналитическим путем и численными методами с использованием ЭВМ.
Применялись современные методы планирования и автоматизации экспериментальных исследований.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
разработана модель взаимодействия зажатой прядки волокна с элементами гарнитуры очистителя-котонизатора учитывающая скорость взаимодействия, упругие и демпфирующие свойства волокна;
предложена модель, обосновывающая необходимость применения податливой гарнитуры на заключительных этапах обработки льняного волокна в котонизаторе;
предложены научно-обоснованные методики определения параметров гарнитуры очистителя-котонизатора, угла установки игл, параметров заточки иглы, числа игольчатых планок;
созданы модели позволяющие определить взаимосвязь между прочностью ленты обработанной в гладких вальцах и ее линейной плотностью, соотношением скоростей вращения валов, усилием прижатия валов.
Практическая значимость
В результате выполненных исследований:
предложен новый способ очистки волокна и утонения короткоштапельно-го льняного волокна, включающий в себя обработку волокна в гладких вальцах вращающихся с различной скоростью, и протрепывание зажатой бородки волокна;
определены основные параметры обработки ленты короткого волокна в гладких вальцах перед штапелированием;
разработан экспериментальный стенд для исследования процесса подготовки волокна к очистке и утонению, позволяющий варьировать соотношение частоты вращения валов и усилие их прижатия;
предложен прототип промышленной установки для получения коротко-штапельного льняного волокна.
Апробация результатов работы Материалы диссертации были доложены и получили положительную оценку:
на международных научно-технических конференциях: «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лен 2008) г. Кострома, «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс 2007) г. Иваново, «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль 2008,7) г. Москва, «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» г. Вологда 2007,2008 гг.;
на всероссийском семинаре по теории машин и механизмов Российской академии наук (Костромской филиал) 2008г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в журнале, включенном в перечень ВАК, 5 статей в научных сборниках, 5 тезисов докладов в материалах научно-технических конференций. Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературных источников, приложе-
ний. Диссертационная работа изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 15 таблиц.
Некоторые технологические линии по производству короткоштапельного льняного волокна
Вопросы технологии и оборудования производства котонина (короткоштапельного льняного волокна) подробно изложены в работах [1-10]. Приведем здесь некоторые из этих линий для того, чтобы показать какие виды рабочих органов обеспечивают основные процессы в котонизации -очистку и утонение льняных комплексов.
На схеме 1.11 показана технологическая схема линии фирмы «Ларош» (Франция). европейской комплектации на входе имеет резальную машину, далее волокно поступает в питатель с бункером; уловителем металлических частиц, первый котонизатор, рыхлительно трепальный агрегат, состоящий из наклонного очистителя (аналог ОН-6) и многобарабанного очистителя. После предварительной очистки волокно поступает на еще два котонизатора, а затем - в смесовую камеру с прессом. Процесс утонения и очистки происходит за счет протрепывания зажатой бородки волокна барабаном с пильчатой или игольчатой гарнитурой. Котонизаторы состоят из сетчатого барабана - конденсора 1 для формирования слоя из потока волокон, подающихся пневмотранспортом, питающего механизма, состоящего из столика 3 и прижатого к нему валика 2 и барабана, обтянутого цельнометаллической пильчатой лентой 4. Для переработки короткого льняного волокна фирма предлагает оснастить эту линию упрощенной кардочесальной машиной, назначение которой - ориентация волокна перед резкой. Кроме того, в этом случае рекомендуется резать волокно на отрезки 70 - 80 мм и ввести в состав цепочки дополнительный котонизатор с грубой гарнитурой. Такие линии установлены на предприятиях «Кашин-котон» г. Кашин и на Несвижском льнозаводе (Белоруссия).
К недостаткам этой линии стоит отнести повышенную энергоемкость процесса получения короткоштапельного льняного волокна, большие габариты линии.
Линия АО «Легмашдеталь» (рис. 1.12) состоит из серийных хлопкоочистительных машин: двухбарабанных щипальных, питателя, наклонного очистителя (ОН-6), трех очистителей, по действию аналогичных котонизаторам, накопительного транспортера (трясилки) и пресса.
Установлена на Лихославском льнозаводе (Тверская область). Недостатком такой линии является высокая потребляемая мощность и невысокое качество льняного волокна.
Линия «Кардотекс» Ивановского завода чесальных машин (рис. 1.13) включает в себя питатель МРЛ-1, отделитель твердых частиц (ОТЧ), затем параллельно четыре двухбарабанные чесальные машины (ЧМД-РВЛ-Л), смеситель (СН-4У) и еще четыре двухбарабанные чесальные машины и, наконец, конденсор и пресс. Здесь основную нагрузку по утонению и укорочению волокон берет на себя двукратное чесание. В чесальных машинах имеются узлы, работающие по тому же принципу, что и котонизаторы, действие которых дополняется обработкой на втором барабане и прочесыванием волокна шляпками. Эта линия, как показали сравнительные испытания, позволяет получать довольно тонкое волокно, но это волокно содержит большое количество волокон пуховой группы. Линия установлена на АО «Красинец» в г. Вичуга Ивановской области.
Анализируя устройства приведенных линий для котонизации видно, что практически все они содержат очистительные секции, работающие по принципу взаимодействия рабочих органов с клочками волокон предназначенные для разрыхления и очистки и очистители-котонизаторы, работающие по принципу взаимодействия зубьев цельнометаллической пильчатой ленты или другой гарнитуры с холстиком волокон, зажатым между питающими валиком и столиком.
Теоретические предпосылки создания нового способа очистки и котонизации
В процессе переработки льняного волокна при получении котонина большое внимание следует уделять очистке волокна от сорных примесей: костры, пыли, нецелюлозных примесей. Эти материалы являются основной причиной появления пороков в пряже. Мелкие частицы костры, имеющие прочные связи с волокном, не отделившиеся при трепании, частично удаляются в процессе подготовки волокна к прядению, а также при чесании на чесальной машине. Кроме того, очистка льна сопряжена с сопутствующим разрушением волокнистых комплексов.
Для повышения эффективности дробления волокнистых комплексов и очистки от сорных примесей, в первую очередь, удаления мелких частиц костры из льняного волокна нами разработан новый способ очистки волокна, при котором слои волокна, сжимают с одновременным сдвигом их относительно друг друга, а затем подвергают воздействию очистительного барабана в зажатом состоянии.
Целью одновременного сжатия и сдвига слоев волокон является создание в слоях напряженного состояния, при котором напряжения и, в первую очередь, касательные превосходят прочность связей между частицами костры и волокном, между волокнами в комплексе и склеивающей их матрицей. Нарушение этих связей создает благоприятные условия для утонения волокнистых комплексов и удаления из волокна сорных примесей при последующем протрепывании бородки волокна в зажатом состоянии гарнитурой очистительного барабана. Конечно, влияние параметров слоя, исходной засоренности параметров нагружения на эффективность очистки и интенсивность утонения волокнистых комплексов, задача чисто экспериментальная, которая будет решена позже. Однако, изучение особенностей напряженного состояния слоев волокон перед его очисткой по новой схеме представляет несомненный интерес и явится основой для обоснования таких параметров новой технологии, как создание необходимого нормального и тангенциального нагружения слоев волокон и др.
Волокно при подготовке к очистке может подаваться в виде сформированного холста определенной толщины и ширины или в виде ленты.
Рассмотрим вариант обработки ленты льняного волокна на цилиндрических плющильных валках. Плющильные валки имеют привод, устройство для их нагружения и вращаются с разными скоростями.
Предположим, что лента сжимается между валками таким образом, что масса волокна может считаться однородным телом, обладающим определенными упругими свойствами. На рис.2.6 показана схема взаимодействия валков с волокном.
Выделим участок в зоне контакта верхнего валка с волокном и будем считать его условно прямолинейным. Условно также заменим действие верхнего валка на слой волокон сосредоточенной силой Р, приложенной к границе слоя волокна (рис. 2.7а). При этом распределение нагрузки по оси OZ (перпендикулярную чертежу) будем считать равномерным и постоянным и рассуждения будем проводить для слоя шириной равной единицы длины. Тогда, с учетом сделанных допущений, согласно[79] и можно записать выражение для определения напряжений в любой точке полупространства (за исключением точки приложения силы)
(Для случая перемещения сжатой ленты валками, вращающимися с различными скоростями, что обеспечивает отличительные признаки новой технологии, на слой волокон кроме сосредоточенной силы Р будет действовать сосредоточенная касательная сила Т (для случая Vi V2 ), приложенная в начале координат (центр границы контакта верхнего вальца со слоем волокна) рис. 2.76.
В этом случае составляющие напряжений в любой точке рассматриваемого полупространства будут
При рассмотрении вышеизложенного взаимодействия использован принцип суперпозиции.
В реальном процессе, реализуемом в новой технологии, силы Р и Т действуют одновременно, поэтому для нахождения полных напряжений, например, в какой-то плоскости действия касательных напряжений тху их величины следует сложить.
Учитывая, что касательную силу можно представить как силу трения со стороны ведущего валика, то можно записать где и - коэффициент трения (сцепления) валка с волокном.
Обеспечение надежного захвата волокон элементами гарнитуры
В основу определения лучших усилий захвата и удерживания волокон гарнитурой положена методика, изложенная в работах [54] [40], с необходимыми изменениями и дополнениями. сопротивления (в данном случае воздуха); Рц - центробежная сила инерции; F - сила трения волокна по игле; N— нормальная составляющая силы трения волокна по игле; i - коэффициент трения волокна по игле; т — масса частицы волокна; V— окружная скорость игольчатого барабана; R — радиус игольчатого барабана. Следует отметить, что сила сопротивления может рассматриваться в зависимости от этапа взаимодействия. Так при взаимодействии с зажатой бородкой при расчесывании волокна, как это показано на рис. 3.1.в, эта сила будет определятся величиной сопротивления движения иглы. Эта величина может быть определена экспериментально. В том случае, когда игла будет нести на себе частицу волокна эта сила может быть определена, как сила сопротивления среды [97], что сделано нами выше. Учитывая, что сила сопротивления воздуха равна где с — коэффициент сопротивления воздуха, тогда угол наклона передней грани иглы к радиусу игольчатого барабана у, обеспечивающий захват и удержания волокна, определится Анализируя (3.4) можно видеть, что чем больше масса частицы волокна, тем острее должен быть угол установки игл. Для случая взаимодействия с зажатым волокном, когда сила сопротивления не является функцией квадрата скорости (сопротивления воздуха) будем иметь Откуда следует, что в какой-то момент составляющая силы сопротив ления может быть определяющей в «насаживании» частицы на иглу. Это бу дет тем эффективнее, чем больше будет угол у. Величину силы сопротивления Рс в случае прочесывания зажатой бородки может быть определена экспериментально и для расчетов может быть использована в виде следующей функции Ре=аК (3.6) где а, п - коэффициенты подлежащие определению опытным путем в зависимости от сырья, толщина слоя и др. Надежный захват частицы волокна будет осуществляется, если длина соприкосновения лезвия иглы с волокном составит какую-то величину. Для определения соотношения скорости игольчатого барабана и числа игольчатых планок (шага установки игл hi по окружности) рассмотрим следующее. Пусть по окружности барабана имеем z игольчатых планок, тогда время между подходом игл к подаваемому волокну будет
Описание экспериментального стенда
Нами был разработан экспериментальный стенд, для обработки волокна в гладких вальцах [122, 126].
Стенд представляет собой два валика диаметром 80 мм, валики установлены при помощи подшипниковых опор на раме. Опоры верхнего прижимного валика могут перемещаться по направляющим. На опоры верхнего вала опираются пружины, которые и прижимают верхний вал к нижнему, сила прижатия пружин может регулироваться. Валы соединены между собой зубчатой передачей, передаточное отношение которой может меняться. Нижний вал принудительно вращается с помощью электродвигателя или вручную.
Для того, что бы иметь возможность регулировать нагрузку, приходящуюся на валы, нами была проведена тарировка. То есть определена упругая характеристика прижимной пружины, (таблица 4.1., рис. 4.1).
Проводились экспериментальные исследования по обработке искусственно созданных пучков из технических комплексов волокон. Целью этих исследований было, определить как влияет обработка в гладких вальцах на отдельные комплексы льняного волокна и на их разреженные слои.
Экспериментальные исследования проводились следующим образом: из массы волокна формировались образцы, содержащие 20 волокнистых комплексов, длиной 100 мм.
Образцы проходили обработку в вальцах. После обработки образцов выделившееся волокно и волокнистые отходы собирались и взвешивались. Проводился штапельный анализ образцов, по результатам которого были построены штапельные диаграммы.
Обработка образцов в вальцах проводилась в два этапа: 1) при постоянном передаточном отношении между вальцами: варьировалось усилие прижатия вальцов друг к другу; 2) при постоянном усилии прижатия вальцов: варьировалось передаточное отношение между вальцами. Полученные результаты сведены в таблицы, построены соответствующие диаграммы (рис.4.3.-6.1);
Анализ полученных результатов показал, что при обработке отдельных комплексов льняного волокна в гладких вальцах, наблюдается значительное разрушение комплексов, с интенсивным образованием коротких волокон (длиной менее 15 мм), доля которых иногда превышает 50 %. Влияние разницы в скоростях вращения валов заметно лишь при малом давлении в их жале, в этом случае наиболее интенсивное дробление комплексов наблюдается при максимальной разнице в скоростях вращения. Причем интенсивность дробления комплексов льняного волокна при обработке в гладких вальцах в которых верхний вал вращается в 2 раза быстрее нижнего, и усилии прижатия 25 кгс такая же, как и при обработке волокна в одинаково вращающихся валах, но имеющих усилие прижатия 52 кгс.
В результате можно сказать, что метод предварительной прокатки волокна в гладких вальцах будет способствовать более интенсивному утонению и укорочению волокна при обработке слоев высокой плотности. Целью обработки волокна в гладких вальцах является подготовка волокна к штапелированию, утонению и очистке, которая заключается в том, что в волокнистых комплексах создается напряженное состояние, при котором связи связывающие элементарные волокна в комплексе и связи между волокном и сорными примесями, ослабляются. При этом недопустимо разрушение самих волокон. При обработке отдельных пучков наблюдается интенсивное разрушение элементарных волокон, тоже самое наблюдается и при обработке разреженных, тонких волокнистых слоев.
Это можно объяснить тем, что при обработке волокна в жестких, гладких валах напряженные участки локализуются по линии контакта. Чем тоньше слой волокна, тем сильнее неравномерность напряжения по линии контакта, связанная с неравномерностью слоя волокна. Проведенные исследования показали, что обработка сильно разреженных слоев волокна в гладких вальцах недопустима, так как приводит к разрушению элементарных волокон и образованию значительного количества волокон пуховой группы в конечном продукте. Для обработки таких слоев материала, необходимо применение валов оснащенных эластичным покрытием, которое позволит распределить усилие по пятну контакта, и тем самым уменьшить локализацию напряженного состояния. Поэтому, применение жестких, гладких вальцов возможно для обработки ленты короткого волокна и слоев материала после штапелирующей установки или после первых этапов очистки и утонения, в этом случае, применение предлагаемых нами вальцов позволит резко повысить качество волокна и снизить энергоемкость процесса его получения.
