Совершенствование центрифугальных прядильных устройств и методов их проектирования

Значение промышленности лубяных волокон определяется диапазоном использования ее изделий, как в качестве товаров потребления, так и в качестве средств производства в различных отраслях народного хозяйства. Льняные ткани бытового назначения имеют такие свойства, которые не могут иметь ткани из других волокон. Они гигроскопичны и быстро отдают влагу, прекрасно кипятятся и стираются. Из общего количества льняных тканей бытового назначения большой объем идет на изготовление постельного белья, покрывал, обивочных тканей и т. д. Основная часть продукции отрасли используется в качестве средств производства и предметов домашнего обихода [7].

Первостепенной задачей, стоящей перед текстильным машиностроением, является дальнейшее повышение качества и производительности изготавливаемых машин, а также повышение качества производимого на них продукта.

Увеличение объема производства льняной пряжи имеет большое значение для дальнейшего развития отраслей народного хозяйства и наиболее полного удовлетворения растущих потребностей населения. А это может быть достигнуто либо благодаря строительству новых производственных площадей и ростом парка оборудования, либо за счет внедрения новых технологий получения льняной пряжи.

Для решения этой задачи требуется повышение точности изготовления рабочих органов и механизмов текстильных машин, повышение их надёжности и долговечности, выпуска всех текстильных машин на современном техническом уровне, а также усовершенствование технологических процессов, протекающих на этих машинах. Для выпуска высококачественной продукции и расширения ассортимента специалисты льняной промышленности ведут работу по созданию высокопроизводительных машин и реконструкции существующих.

Наиболее важными и прогрессивными направлениями в конструировании современного высокопроизводительного текстильного оборудования следует считать дальнейшее совершенствование бесчелночных ткацких станков, исследование и создание высокопроизводительных чесальных машин для хлопка, шерсти и льна, разработку новых методов крашения и отделки тканей, создание высокоскоростных крутильно-мотальных механизмов, автоматического оборудования, машин для без веретенного прядения хлопка, а также центрифугальных прядильных машин для прядения лубяных волокон. Вновь создаваемые машины позволяют увеличить производительность труда и существенно снизить затраты на производство пряжи.

Для производства льняной пряжи используются два метода прядения: сухое и мокрое. Пряжа, полученная сухим способом прядения, имеет меньше внешних мелких пороков, по сравнению с пряжей мокрого способа прядения, но она более ворсистая. Пряжа мокрого способа прядения более гладкая, но имеет мелкие шишки. Сухим способом вырабатывается достаточно толстая пряжа (300−80 текс), а мокрым — более тонкая (120−16 текс). Ткани бытового назначения вырабатываются, в основном, из пряжи мокрого способа прядения, на долю которого приходится более 70% общей мощности льняной отрасли промышленности.

В настоящее время в производстве льняной пряжи наибольшее распространение получили кольцевые прядильные машины с совмещенными процессами кручения и наматывания. Льняную пряжу мокрого способа прядения получают на кольцепрядильных машинах ПМ-88-Л5 (-Л8, -Л10), ПМ-114-ЛЗ (-Л6), имеющих скорость выпуска не более 15 м/мин и вырабатывающих пряжу линейной плотностью 68−32 текс.

Однако для удовлетворения возрастающего спроса оказалось недостаточным использование кольцевого способа прядения. В современной мировой практике текстильного машиностроения стремление увеличить производительность труда прядильного оборудования привело к появлению и развитию большого числа новых способов прядения, позволяющих значительно увеличить скорость выпуска пряжи.

Основными направлениями увеличения эффективности кольцепрядильных машин являются увеличение размеров прядильной паковки и скорости вращения веретена. Препятствием, сдерживающим увеличение размеров паковок, является ограничение скорости вращения бегунка. Увеличение его скорости вращения приводит к нагреванию и быстрому износу бегунка, а также к снижению срока работы колец принятых форм. Для увеличения размеров паковок необходимо увеличивать диаметр колец, что требует повышения скорости вращения веретен, которая, в свою очередь, ограничивается достаточно невысокой предельной скоростью бегунка.

Добиться некоторого увеличения скорости выпуска кольцевых прядильных машин можно, используя специальные конструкции колец, а также применяя особые, более прочные материалы для изготовления колец и бегунков. Однако при увеличении скорости веретен свыше 12 000 об/мин возрастает их вибрация, увеличивается обрывность, ухудшается и качество пряжи.

Другой причиной, сдерживающей увеличение размера паковок пряжи при данном размере кольца, является диаметр патрона, от которого зависит угол, образуемый пряжей с осью шпули или патрона. Если этот угол достаточно мал, то возрастает натяжение нити, и, следовательно, ее обрывностьесли же угол большой, то может возникнуть необходимость уменьшения ёмкости шпули или патрона.

Исключение баллона нити при формировании пряжи позволяет значительно повысить скорость выпуска прядильных машин и добиться получения паковок больших размеров.

С целью повышения производительности труда и оборудования разрабатываются новые способы прядения, которые можно разделить на две группы:

— прядение мычки на основе классической системы непрерывного прядения, но с использованием новых средств кручения, позволяющих в 2−3 раза повысить скорость выпуска пряжи. К данной группе можно отнести производство бескруточной, самокруточной пряжи, центрифугальное, безбалон-ное, термохимическое, термопластическое прядение и др.

— прерывистое прядение, или прядение с разделением мычки на отдельные волокна, так называемое «прядение с открытым концом».

Прерывистое прядение льна осуществляется на машинах ППМ-240-JI.

Пряжа вырабатывается сухим способом, поэтому линейная плотность ее достаточно высока, порядка 200 текс. Для получения более тонкой пряжи к льняному добавляют химическое волокно, благодаря чему можно вырабатывать пряжу линейной плотностью 76 текс. Однако при этом теряются гигиенические свойства, характерные для чистого льняного волокна. По сравнению с кольцевыми машинами производительность увеличена в 2−2,5 раза, отходы снижены в 3 раза, масса прядильной паковки увеличена до трёх килограмм. Скорость выпуска машин данной группы до 39 м/мин.

Прядильно-крутильные машины ПКС-132-ЛП и ПКМ-114-JI соответственно сухого и мокрого способов прядения также позволяют повысить производительность оборудования по сравнению с кольцевым. На этих машинах осуществляется одновременно прядение одной нити по сухому или мокрому способу и прикрутка готовой льняной, синтетической или хлопчатобумажной нити. Процесс кручения отделен от наматывания, что позволяет увеличить скорость выпуска до 38 м/мин. Линейная плотность вырабатываемой пряжи сухим способом 200−100 текс, мокрым — 200−40 текс.

Скорость выпуска оборудования, производящего самокруточную пряжу, достигает 140−220 м/мин. Линейная плотность вырабатываемой на машине ПС-100-Л01 льняной пряжи составляет порядка 200 текс. Однако, в мокром прядении льна эти способы не нашли применения.

С этой точки зрения большой интерес представляет центрифугалыюе прядение [10]. Центрифугальный способ прядения получил наибольшее применение, как правило, в производстве искусственных волокон. Использование центрифугального крутильно-мотального механизма взамен кольцевого открывает новые перспективы для дальнейшего развития техники прядения льна: позволяет значительно повысить производительность веретена, снизить обрывность, увеличить прядильную паковку и значительно повысить производительность труда.

Увеличение размеров прядильных паковок в 3−4 раза, снижение в два раза числа обрывов в процессе прядения, приходящихся на каждый километр пряжи, существенно повысили качество пряжи и позволили улучшить ход процессов в мотальном и ткацких цехах.

Такой метод прядения даёт возможность механизировать и автоматизировать почти все операции, связанные с обслуживанием машины, включая съём продукции и даже заправку оборвавшихся нитей.

Отсутствие ведомого нитью органа (катушки, бегунка) снижает колебания натяжения, а отсутствие открытого баллона и трения нити о рогульку или бегунок резко уменьшает пылевыделение. При применении метода центрифугального прядения можно полностью герметизировать основные рабочие органы и таким образом значительно улучшить условия труда.

К сожалению, новые конструктивные идеи и, самое главное, новые современные методы расчета центрифугальных крутильно-мотальных механизмов в настоящее время отсутствуют.

В связи с этим, тема настоящей диссертационной работы, посвященная совершенствованию конструкции и методов расчета центрифугальных крутильно-мотальных механизмов, является весьма актуальной*.

Цель и задачи исследования

.

Цель диссертационной работы состоит в совершенствовании методов расчета и конструирования центрифугальных крутильно-мотальных механизмов прядильных машин для мокрого прядения льна. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать новые конструктивные схемы центрифугального крутильно-мотального механизма.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования состояния и натяжения пряжи на различных участках ее формирования и определить влияние различных параметров на появление дефектов формирования паковки.

3. Дать теоретические обоснования конструктивных параметров кружки центрифуги.

4. Провести теоретические исследования динамической модели разработанного прядильного устройства.

5. разработать исходные требования к конструкции центрифугального прядильного устройства для мокрого прядения льна.

Методы исследования.

Поставленные задачи решались с помощью экспериментальных и теоретических методов. Теоретические исследования проводились с применением методов системного анализа, общих методов теории механизмов и машин, сопротивления материалов, теоретической механики, теории колебаний, теории дифференциального и интегрального исчислений.

Теоретические расчеты и анализ экспериментальных данных при выполнении работы осуществлялись на ПЭВМ IBM PC с использованием математической системы MathCad 2000 Professional, стандартных и специально разработанных программ.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных стендах с использованием современной электронной измерительной аппаратуры, как с целью использования их результатов в теоретических расчетах, так и для определения адекватности разработанных моделей. j.

Научная новизна.

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

• разработана классификация крутильно-мотальных механизмов центрифугальных прядильных машин с учетом новых направлений их развития;

• проведены теоретические исследования движения пряжи в системе ее раскладки на кулич;

• разработана новая математическая модель процесса формирования пряжи при центрифугальном прядении льна;

• разработана методика расчета системы фиксации кружки и динамическая модель системы привода, позволяющая определять критические частоты вращения крутильно-мотальной системы в зависимости от ее конструкции.

Практическая значимость работы.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработаны новые конструкции центрифугального крутильно-мотального механизма, на которых проведены исследования теоретических положений, изложенных в диссертационной работе. Предложенная конструкция центрифугального прядильного устройства защищена патентом РФ на полезную модель и принята к исполнению в ОАО «ТМЗ».

Апробация работы.

Основные положения работы доложены и получили положительную оценку:

• на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лен-2002), (Кострома, 2002);

• на международной научно-технической конференции «Молодые ученыеразвитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2003) (Иваново, 2003);

• на Всероссийском семинаре по теории машин и механизмов РАН (Кострома, 2004);

• на расширенном заседании кафедры ТММ и ПТМ (Кострома, 2006).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 1 статья, 8 материалов и тезисов докладов на всероссийских и международных научно-технических конференциях, 1 патент на полезную модель.

Объём работы. Диссертационная работа изложена на 133 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников из 94 наименований и 3 приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В результате анализа литературных источников выявлено, что недостаточно исследованы некоторые вопросы, крайне необходимые при создании центрифугальных прядильных устройств. Это вопросы формы и натяжения пряжи при движении ее через нитепроводящие органывопросы выбора рациональных параметров центрифугальных веретен для конкретных режимов работы механизмавопросы оценки прочностных параметров элементов центрифуг.

2. Разработанная классификация центрифугальных крутильно-мотальных механизмов учитывает новое направление в развитии центрифугального прядения и новые конструкторско-технологические схемы.

3. Разработана усовершенствованная методика теоретического определения натяжения, позволяющая определить натяжение пряжи на всем пути ее движения от выпускного прибора до стенки кружки центрифуги. Экспериментальные исследования подтвердили результаты теоретического исследования.

4. Разработана новая конструкция кружки центрифуги, позволяющая сохранить напряженное состояние внешнего слоя кулича при его усадке за счет упругих деформаций кружки.

5. Разработана модель, раскрывающая взаимосвязь влияния конструктивных параметров кружки центрифуги вместе с нарабатываемым куличом на напряженно-деформированное состояние кружки.

6. Результаты оценки усилия гарантированного фиксирования кружки центрифуги позволили определить конструктивные параметры механизма фиксации и разработать рекомендации по сборке механизма в целом.

7. Разработанная динамическая и математическая модели центрифугального прядильного устройства позволяют определить критические частоты вращения кружки центрифуги.

8. Результаты диссертационной работы приняты для исполнения и реализации в ОАО «ТМЗ».