Разработка метода контроля прочности бумажных патронов для кольцевых прядильных и крутильных машин

Актуальность темы

.

В решениях ХХУ1 съезда КПСС указывается, что первостепенной задачей всех отраслей промышленности является увеличение производства и повышение качества товаровЙ. I]. Одной из предпосылок увеличения выпуска продукции текстильной промышленности является совершенствование технологической оснастки текстильного оборудования. При выработке пряжи из натуральных, искусственных и химических волокон широкое применение находят бумажные патроны для кольцевых прядильных и 1футильных машин, обладающие рядом преимуществ перед другими видами оснований текстильных паковок, дающих возможность [5.3]: I) увеличить массу початкаZ) сократить транспортные расходы;

3) уменьшить энергию, потребную на вращение веретён;

4) увеличить скорость последних.

В настоящее время не представляется возможным заменить бумажные патроны другими, например, патронами из пластмасс, широкое внедрение которых в промышленность сдерживается из-за их высокой стоимости, превосходящей стоимость бумажных патронов в десять раз [8.6], а также из-за изменения свойств материала вследствие влаго-поглощения и разогревания при высоких частотах вращения веретён. Поэтому пластмассовые патроны применяются в прядении и кручении шерсти, в мокром прядении хлопка и в мокром и сухом прядении льна при частотах вращения веретён кольцевых машин не более 7000 мин~^ [8.4]. В остальных видах производства при высоких скоростях веретён применяются бумажные патроны, изготовляющиеся в основном на двух предприятиях нашей страны — на Московской фабрике бумажно-технических изделий им. Ф. Э. Дзержинского и на Ивановской шпульнокатушечной фабрике. Годовой выпуск бумажных патронов составляет более 1000 млн* штук. В таблице 1 приведены данные по выпуску и сбыту бумажных патронов на 1983 год.

Таблица I.

ИсполТипоразВид Выпуск патронов Место нахождения нение мер патпряжи в год наиболее крупных патроронов Моск. Иванов. предприятийнов ф-ка ф-ка потребителей тонны.

РП-1 65−300 шерсть 162 1058 Кемерово.

РН-1 63−280 шерсть — 527 Кемерово, Тюмень, Свер

65−300 дловск.

РП-2 68−325 лавсан 1033 509 Кемерово, Тюмень.

РН-2 65−300 шерсть 1320 103 Пос. Фряново Моск. обл.

ГП-2 54−250 стекловол. 15 201 Гусь-Хрустальный.

ГН-2 54−250 стекловол. — 49 Минск, Бердянск, Астрахань, Полоцк.

РЛ-2 65−280(300) лавсан 140 — Иваново млн. штук.

РН-4 65−280(300) шерсть 20,6 РП-4 61−230(260), хлопок, 207 63−260(280), вискоза, 65−280(300), лавсан 68−325.

13,4 Кемерово, Монино 176 Кемерово, Иваново, Наро-фоминск, Кораблино, Де-довск, Чайковск, Чита, Чебоксары, Кострома, Омск, Красноярский край, Шахты, Ярославская обл.

В связи с увеличением скоростей вращения веретён, а также в связи с автоматизацией съёма початков с веретён повышаются требования к качеству патронов, В ближайшие годы завод «Таштекстильмаш» будет производить кольцевые прядильные машины с частотой вращения т веретён до 13 тыс. мин, работающие как без автосъёмника, так и с автосъёмником одновременного действия типа 391 фирмы «ЦЙНЗЕР» [4.16] Исследовательские работы по созданию бумажных патронов, обладающих повышенными эксплуатационными качествами, позволяющими работать с автосъёмниками початков, проводятся в ЦНИИМаш-детали и на Московской фабрике бумажно-технических изделий им" Ф. Э. Дзержинского. Дня успешного решения воцросов, связанных с проектированием патронов, созданием новых пропитывающих и проклеивающих составов, новой технологии отделки, необходимо иметь обоснованный метод оценки црочности или жёсткости патронов*.

Стандарт на патроны бумажные для кольцевых прядильных и круш тильных машин[8.3] включает в себя метод контроля прочности патронов путём испытания их на удар на малом вертикальном копре (рис.1), причём прочность патрона оценивается величиной коэффициента деформации у нижнего торца* Методика проведения испытаний изложена в пункте 4*15: «Патрон 1 должен быть укреплён в зажиме 2 так, чтобы исключалась возможность смещения патрона при ударе. Боёк 3 диаметром 15 мм, помещённый в нижней части груза 4 массой I кг должен ударять по патрону на рсстоянии 5 мм от нижнего торца при свободном падении груза на поверхность патрона с высоты: 100 мм — для непропитанных патронов и 150 мм — для пропитанных патронов* После удара патрон освобождается из зажима, затем штангенциркулем по ГОСТ 166–73 производится замер минимального и максимального размеров деформодованного нижнего торца* Отношение минимального размера 6 к максимальному, а принимается за коэффициент деформации патрона* Коэффициент деформации патронов исполнений 3 и 4 определяется перед армировкой». Согласно пункту 2*18, «коэффициент деформации патронов у нижнего торца не должен быть менее 0,7 для 4-слойных, 0,8 — для 5-слойных и 0,9 для 6-слойных патронов» .

Описанный способ контроля прочности имеет следующие недостатки:

РисЛ. Испытания патрона на малом вертикальном копре.

— не отражает реального вида нагружения, которому подвергаются патроны в процессе эксплуатации;

— нагрузка при испытаниях прикладывается к очень малому участку поверхности патрона (боек имеет диаметр 15 мм), поэтому по результатам испытаний нельзя судить о прочности патрона в целом;

— при измерении осей эллипса штангенциркулем вносится значительная погрешность в определение показателя;

— при испытаниях в 15−20% случаев имеет место хрупкое разрушение, что исключает для этих патронов определение показателя;

— испытания на удар вообще не отражают прочности объекта при статическом нагружении, так как, чем больше жёсткость системы, тем больше динамический коэффициент.

Кроме того, неясно, каким образом сопротивление удару у нижнего торца связано с эксплуатационными свойствами патрона.

Краткий обзор источников информации по вопросам производства и эксплуатации бумажных патронов*.

Наиболее полно вопросы, связанные с конструкцией бумажных патронов, технологией их изготовления и эксплуатацией освещены в работах К. Е. Мальмберга [ЗЛ6-ЗЛ7]. В книге [3.16] рассматриваются в частности различные виды посадок патрона на веретено и делается вывод о том, что «наилучшей посадкой основания паковки на веретено является его закрепление на определённой высоте вверху веретена». Сравнивая особенности нефиксвдованной и фиксированной посадок патронов на веретёнах, автор отмечает, что «фиксвдо-ванная посадка патронов при наличии положительных моментов имеет ряд отрицательных». Приводится расчёт усилий посадки. При нефиксированной посадке сила надевания патрона на веретено составляет в среднем 4 кгс, а при фиксированной посадке — от 0,34 до 2,34 кгс. Глава У книги посвящена вопросам армирования патронов. Обращается внимание на необходимость совершенствования технологии армировки, так как «армировка является положительным усовершенст-. вованием конструкции патрона только при условия, когда кольцо хорошо закреплено и закатано как внутри, так и снаружи патрона* При несоблюдении этих условий армвдовочные кольца быстро соскакивают с патронов и преждевременно выводят патроны из строя, а иногда вызывают травмирование рук прядильщиц и съёмщиц» .

В брошюре [3*8] освещены вопросы разработки и внедрения систем автоматического съёма на прядильных машинах. Отмечается, что качество технологической оснастки оказывает существенное влияние на работу съёмников. Большие отклонения геометрической формы, веса патронов и початков, усилий посадки уменьшают надёжность работы механизмов* «Механизм снятия початков при обработке каждого веретена преодолевает усилие посадки початка, его вес и инерцию» По данным ЦНИИХБИ, усилие посадки значительно превосходит все остальные сопротивления." Указывается, что фиксированная посадка создаёт более благоприятные условия для работы механизма снятия початков, чем нефиксированная, так как веретёна с фиксаторами обеспечивают меньшее по величине усилие посадки и более равномерную посадку початков по высоте, что особенно важно для механизмов с верхним съёмом.

В работе [5.3] автор наряду с исследованиями геометрического строения витых бумажных патронов и процесса их формирования уде-4 ляет внимание требованиям, которые должны быть предъявлены к фи-зикомеханическим свойствам бумаги, влияющим на прочность патрона. В связи с этим даются рекомендации по выбору ориентации волокон бумаги относительно формы патрона. Отмечается, что основными усилиями, действующими на патроны в процессе эксплуатации, являются «во-первых, давление, вызванное натяжением пряжи, во-вторых, изгибающие усилия в случае укладки в ящиках пустых патронов друг на друга» • Приводятся результаты испытаний шпульной бумаги, проведённые с целью определения её прочности на разрыв, и делается вывод о том, что точность патрона возрастает при расположении волокон бумаги в патроне преимущественно по параллели его конической поверхности. В работе приводятся основные положения докладов на «Второй Международной конференции по производству текстильных патронов и витого картонажа», проходившей в ЧССР в 1965 году [2Л]. Отмечается существенное влияние на качество патрона физикомеханических свойств бумаги. Указывается, что основными требованиями, предъявляемыми к бумажным патронам, являются прочность, водостойкость и долговечность.

Из отчётов Центрального Научно-исследовательского института технологической оснастки текстильного оборудования (ЦНИИМащдета-ли) [ 10Л- 10.2- 10.3] .содержащих данные об испытаниях автосъёмников, следует, что качество патронов играет существенную роль при работе с автосъёмниками. «Патроны лакированные не снимаются с веретён автосъёмником типа 391, так как усилие для их снятия с веретён в 2 раза больше, а усилие надевания в 2,5 раза больше, чем у импортных патронов». Среди причин, вызывающих это явление, отмечается недостаточная жёсткость стенок патронов и указывается на необходимость увеличения прочности патронов и их срока службы.

Вопросы конструирования и изготовления патронов освещены в патентной литературе, а также в проспектах некоторых зарубежных фирм [3.40−7.4−7.5−7.6].

Во всех работах, посвященных производству и эксплуатации бумажных патронов, обращается нв необходимость повышения их качества, так как «низкое качество шпуль является одной из основных причин увеличения обрывности пряжи, образования в ней пороков, снижения надёжности и производительности оборудования, а, следовательно, и производительности труда». [3.37]. Однако ни в одной из работ не рассматриваются вопросы, связанные с методами оценки прочности патронов и влиянием показателя прочности на срок их службы.

Цель и задачи исследования

.

Целью данного исследования является разработка метода механических испытаний патронов, позволяющего оценить их служебные качества до ввода в эксплуатацию, и включение допустимых величин прочности или жёсткости в стандарт на патроны бумажные для кольцевых прядильных и крутильных машин. Интерес представляет также установление связи между показателем прочности иди жёсткости патрона и его сроком службы. Поставленная цель достигается после предварительного анализа основных эксплуатационных воздействий, влияющих на прочность оснований паковок, выявления причин выбраковки и видов повреждений патронов, установления критерия оценки прочности или жёсткости патронов. В ходе дальнейшего исследования были решены следующие задачи: разработана методика проведения испытаний патронов на радиальное сжатиесоздано устройство, позволяющее осуществлять испытанияполучена расчётная формула показателя прочности патроноврасчитаны рабочие нагрузки на патроны в различных видах цроизводстваизмерены давления на патроны при наматывании различных видов пряжирасчитаны допускаемые значения показателя прочности для всех типоразмеров патронов и видов производствапроведены испытания случайных выборок патронов различной отделки и на основании статистического анализа результатов испытаний разработаны карты для контроля прочности патронов на производстверазработана методика, позволяющая оценить долговечность патронов в зависимости от величины показателя прочности.

Методы исследований.

При решении аналитических задач применялись методы теории упругости и пластичности. Использованы безмоментная теория ободочек вращения, теория устойчивости тонких цилиндрических оболочек, принцип виртуальной работы" Численные решения получены с помощью ЭЦВМ. Яри проведении экспериментальных исследований применялись методы тензометрии, рентгеноскопии. Обработка экспериментальных данных выполнялась методами математической статистики с использованием стандартных программ.

Основные научные результаты.

В ходе работы: проведён анализ причин выбраковки патронов, классификация поврежденийразработана методика испытаний патронов на радиальное сжатие и контрольные карты для осуществления статистического контроля прочности патроновполучена расчётная формула для допускаемого значения показателя прочности патроновсоздано устройство, позволяющее осуществлять испытания патронов на радиальное сжатие, подана заявка на авторское свидетельство 9 3 718 757/38 от 26.6.84- выполнен расчёт осевого сжимащего усилия, действующего на патроно при его армировке, вычислены напряжения в стенке патрона и на основании проведённого исследования сформулированы требования, которые должны учитываться при совершенствовании технологии армщэования патроноввпервые получено решение задачи об устойчивости замкнутого кругового кольца под действием натяжения гибкой лентысоздан прибор для измерения межслойных давлений в телах намотки (А. С. № 1 078 262) — проведено экспериментальное исследование плотности прядильных початков путём просвечивания рентгеновским излучениемна основании экспериментальных данных получена зависимость между плотностью слоя намотки и его радиальным модулем упругости.

Основные практические результаты*.

В результате исследования разработан метод механических испытаний бумажных патронов для кольцевых прядильных и крутильных машин, позволяющий оценить радиальную прочность патронов до ввода в эксплуатацию. Статистический контроль прочности с помощью контрольных карт позволит стабилизировать процесс изготовления патронов и проводить их С0рт1ф0вку для использования в различных видах производства. Новый метод контроля позволит оценивать прочность патронов не только на производстве предприятиями-изготовителями, но и при проведении научных исследований, связанных с применением новой технологии изготовления патронов.

Реализация результатов работы.

Испытания бумажных патронов на радиальное сжатие проведены на Московской фабрике бумажно-технических изделий им. Ф. Э. Дзержинского, на Ивановской шпульно-катушечной фабрике и в лаборатории ЦНШШащдетали. Разработанный метод механических испытаний и методика их проведения используются Московской фабрикой БТИ для статистического контроля прочности патронов, а также ЦНЮШашде-талью для оценки прочности опытных партий.

Метод обсуждён в ЦНИИМащцетали и на Московской фабрике БТИ им. Ф. Э. Дзержинского и рекомендован ими для включения в стандарт на патроны бумажные для кольцевых прядильных и крутильных машин.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и подучили положительную оценку на:

— Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Костромского ордена Трудового Красного Знамени технологического института, Кострома, 1984 ;

— секции текстильного машиностроения по теории машин и механизмов АН СССР (Костромской филиал), 1984;

— расширенном заседании кафедры сопротивления материалов, деталей машин и подъёмно-транспортных устройств Костромского ордена Трудового Красного Знамени технологического института, 1984;

— технических совещаниях Московской фабрики бумажно-технических изделий им. Ф. Э. Дзержинского и Ивановской шпульно-катушечной фабрики, 1984;

— заседании прядильной секции учёного Совета Центрального научно-исследовательского института технологической оснастки текстильного оборудования, Москва, 1984.

Публикации.

По материалам диссертационной работы имеются следующие публикации:

1. Степанов В. А., Гуревич Т. М. Экспериментальное определение радиальных давлений и перемещений в цилиндрических текстильных паковках.- Известия вузов. Технология текстильной промышленности, 1976, * б, с. 130−132.

2″ Гуревич Т. М. Расчёт осевого усилия, действующего на бумажный патрон при его армировке.- Кострома, 1982. 8 с" — Рукопись представлена Костр. технод. ин-том. Дев* в ВИНИТИ 9 июля 1982, № II.

3. Гуревич Т. М. Устойчивость замкнутого кругового кольца под действием натяжения гибкой ленты.- Кострома, 1984. 10 е.- Рукопись представлена Костр. техно л. ин-том. Деп. в ВИНИТИ 6 февраля 1984, «6.

4. А.с. 1 078 262 (СССР). Устройство для измерения давления./ В. А. Степанов, Т. М. Гуревич, М. П. Носков.- Опубл. в Б.И., 1984, № 9.

5. Носков М. П., Степанов В. А., Гуревич Т. М., Кузнецов Г. К.

Экспериментальное исследование распределения плотности намотки текстильных паковок.- Известия вузов, Технология текстильной промышленности, 1984, № 3, с. 109−110.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ. ,.

1. Существующий метод контроля прочности патронов по коэффициенту деформации торца при ударе не отражает прочности при статическом нагружении, которому подвергаются патроны при roc экс" плуатации.

2. Установлено, что в качестве основного критерия оценки прочности патронов следует принять их радиальную прочность, наиболее существенно влияющую на процесс эксплуатации.

3. Показатель прочности патронов рекомендуется определять путём испытаний на внешнее радиальное сжатие с применением спе-г циального устройства, обеспечивающего приложение давления по вс^зй испытуемой поверхности.

4. Расчёт критической нагрузки на образец следует вести по формулам, полученным в результате исследования устойчивости кру- ^ говой формы равновесия кольца под действием натяжения гибкой лен- * ты, причём пределы применимости расчётных формул зависят от механических характеристик материала образца.

5. При расчёте давлений на основания тел намотки величину радиального модуля упругости слоя намотки можно вычислять, используя зависимость модуля от плотности слоя, полученную в данной работе.

6. Величина радиального давления на основания прядильных початков с достаточной точностью определяется по уравнению, полученному Г. Н. Русановой и В. А. Степановым при исследовании напряжённого состояния тел намотки, причём следует учитывать податливость основания.

7. Допускаемая величина критической нагрузки на патрон зависит от вида пряжи и типоразмера патрона и вычисляется по формуле, полученной из условия равенства радиального перемещения стенки патрона и зазора между поверхностями патрона и веретена в опасном сечении.

8. Влияние прочности патронов на их долговечность может оцениваться по разработанной в настоящей работе методике, в основу которой положена кинетическая концепция прочности твёрдых тел академика С. Н. Журкова,.

9. Метод радиального сжатия позволяет получить сравнимые данные о прочности патроновметодика испытаний несложна, затраты времени, на проведение одного испытания составляют около I минутыпоказатель прочности фиксируется непосредственно измерительным прибором испытательной машины без дополнительной обработки результатов испытанийобъём проб — от 5 до 12 для патронов различной отделки.

10. Нанесение результатов испытаний отдельных проб на контрольные карты позволяет следить за технологическим процессом изготовления патронов, а сравнение этих результатов с величинами допускаемых нагрузок даёт возможность производить сортировку патронов для использования в различных видах прядильного производства.