Совершенствование процессов разрыхления, очистки, транспортировки полуфабриката и формирования пневмомеханической пряжи с целью повышения ее качества

При создании новой техники первостепенное внимание ведущие машиностроительные фирмы уделяют расширению технологических возможностей прядильного оборудования, рациональному использованию сырья:

— сокращению технологических цепочек оборудования;

— обеспечению большей универсальности использования оборудования в связи с расширением физико-механических свойств сырья;

— повышению надежности оборудования и КПВ;

— простоте, удобству и безопасности обслуживания машин за счет внедрения средств роботизации и микропроцессорной техники;

— многоуровневому программному управлению как производству в целом, так и отдельными машинами.

Актуальность работы. XXI век поставил текстиль на одно из первых мест среди потребностей человека и общества в целом. В настоящее время имеющийся спрос на 80% удовлетворяется товарами, привозимыми из иностранных государств, в основном Турции, Китая, Юго-Восточной Азии, что приводит к снижению прибыли предприятий, налоговых платежей в бюджеты всех уровней и поступлений во внебюджетные фонды в сумме около 95 млрд. рублей за год.

Текстильная и легкая промышленность Российской Федерации интенсивно осваивает новые виды продукции и внедряет современные технологии. В настоящее время трудно найти такое предприятие, которое так или иначе не было бы связано с техническим переоснащением производства, развитием материальной базы. Активно приобретается не просто новое, а новейшее оборудование. Сложный процесс покупки и освоения машин, станков, линий сопровождается необходимостью решать множество различных вопросов, в том числе инвестиционных, коммерческих, технологических, технических.

В то же время отечественная текстильная промышленность располагает производственными мощностями для выпуска продукции в необходимых объемах потребления на внутреннем рынке. Имеющийся научно-производственный потенциал вполне способен обеспечить развитие текстильной промышленности.

К сожалению, до сих пор очень медленно осуществляется инвестирование проектов в текстильной промышленности. Только на трех предприятиях нашей области — текстильном крае — были внедрены по одной линии производства пряжи средней линейной плотности. Приобретение иностранной линии для выпуска пятисот тысяч тонн пряжи в месяц требуется в среднем восемьнадцать-двацать миллионов долларов. Не каждый владелец предприятия способен приобрести импортное оборудование без поддержки государства даже по лизинговым программам банка.

Согласно высказыванию губернатора Ивановской области М. А. Меня на международной выставке инвестиционных проектов «М1Р1М» во французских Каннах одни из переговоров — с мэром итальянского города Комо Стафано Бруни — закончились подписанием протокола о сотрудничестве. В частности, о сотрудничестве в области текстиля. С учетом того, что итальянский бизнес сейчас очень активно выводит свои капиталы из Китая, перспектива размещения текстильных производств «итальянского происхождения» в нашей области становится реальной.

Однако решение наболевшего вопроса о подъеме текстильной отрасли в Ивановской области подобным образом, т. е. делая упор на зарубежные текстильные предприятия, отодвинет на второй план развитие отечественной техники и технологии.

Сложившаяся тенденция развития текстильной промышленности заключается в том, что наиболее устаревшее оборудование частично заменяется новым зарубежным или относительно новым с закрывающихся производств, а сравнительно еще новое оборудование модернизируется. Поэтому новое и старое оборудование в тех или иных пропорциях всегда существовали, будут существовать и в дальнейшем. При ускорении технического прогресса новейшее оборудование будет появляться через более короткий промежуток времени, а поэтому моральный износ действующего оборудования тоже будет ускоряться. Однако заменить последнее на новое в производстве в кратчайший срок не представляется возможным. Это привело бы к чрезмерным потерям прошлого труда, поэтому для наиболее эффективного использования установленного на предприятиях оборудования необходима его модернизация. Хотя в стране имеется накопленный опыт и потенциал вообще для разработки нового текстильного оборудования и поднятия уровня текстильной отрасли в целом.

Проведенный анализ влияния различных факторов на повышение эффективности работы разрыхлительных и чесальных машин выявил, что одной из причин ухудшения качества полуфабрикатов и уменьшения производительности машин являются процессы движения волокнистых материалов по рабочим поверхностям разрыхлителей и чесальных машин, а также процесс аэросъема волокнистого материала с рабочих поверхностей пильчатых барабанов. Исследование движения клочков волокон по рабочей поверхности пильчатых барабанов имеет большое значение для определения режима наилучшей очистки полуфабриката при его разъединении, поскольку, оптимальный процесс разрыхления и очистки приводит к снижению потерь прядомых волокон в отходы, намотов на рабочие поверхности, к исключению повреждения волокон. А также правильная организация работы узла предварительного разрыхления приводит к удерживанию клочков волокон и сбрасыванию сорных примесей, уменьшению нагрузки на зону чесания между главным барабаном и шляпочным полотном. Кроме того, правильный подбор гарнитуры приводит к уменьшению количества непсов еще до главного барабана.

Совершенствование процессов разрыхления, очистки, транспортировки в процессе подготовки волокнистых материалов на разрыхлительно-очистительном агрегате, чесальных машинах, а также питания, дискретизации, формирования полуфабрикатов на пневмомеханических прядильных машинах имеет особое значение при пневмомеханическом способе прядения, так как наличие мельчайшей пыли и сорных примесей в воздушном потоке после дискретизации и транспортировки, а также условия формирования, как подтверждает практика, являются основной причиной обрывности на современных прядильных машинах.

Поэтому решение перечисленных научных проблем, направленное на совершенствование технологических процессов на разрыхлительных, чесальных и пневмопрядильных машинах, на сегодняшний день является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является совершенствование процессов разрыхления, очистки, транспортировки полуфабриката и формирования пряжи с целью повышения качества пневмомеханической пряжи.

Для достижения намеченной цели были поставлены и решены следующие задачи:

— обоснование нового подхода к вопросу механики клочков волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана на основе теоретического моделирования процессов движения, удержания и съема клочков волокон, а также определения геометрических параметров конструкции разрыхлителя, обеспечивающих оптимальные условия процессов разрыхления, транспортировки и съема клочков волокон;

— апробация и внедрение в производство разработанных разрыхлителей, обеспечивающих улучшение качества полуфабриката и пряжи;

— разработка теоретического исследования нового способа дискретизации и устройства для его осуществления, а также устройства для дискретизации и формирования волокнистых материалов для пневмомеханических прядильных машин;

— математическое моделирование процессов, происходящих в зоне формирования пряжи на пневмомеханических прядильных машинах, а также разработка и исследование устройства, обеспечивающего снижение потерь крутки в этой зоне;

— разработка программного комплекса, демонстрирующего полную картину процесса локальных потерь крутки, с выводом графической информации;

— апробация и внедрение в производство новых технических средств для дискретизации, очистки и формирования волокнистых материалов, обеспечивающих улучшение качества полуфабриката и пряжи.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использованы методы дифференциального и интегрального исчисления, векторного анализа, аналитической геометрии, теории дифференциальных уравнений в обыкновенных и частных производных, численные методы прикладной математики, методы теории механики гибкой нити и теории упругости. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном и действующем производственном оборудовании с использованием стандартных методик и современной измерительной аппаратуры. Обработка результатов эксперимента выполнена на ЭВМ с применением современных математических программных пакетов — MathCAD и MATLAB.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в совершенствовании теории механики клочков волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана на основе теоретического моделирования процессов движения, удержания и съема клочков волокон. В рамках развития данной теории впервые получены следующие научные результаты:

1) выполнено математическое моделирование процесса движения клочка волокон по рабочей поверхности зуба гарнитуры пильчатого барабана;

2) получена математическая модель для расчета удерживающих сил, действующих на клочок волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана в зоне открытой поверхности;

3) проведено математическое моделирование процесса аэродинамического съема клочков волокон с зуба гарнитуры пильчатого барабана;

4) разработана методика определения геометрических размеров окна сброса клочков волокон в зависимости от параметров гарнитуры пильчатого барабана и его различных скоростных режимов;

5) разработаны алгоритмы и программы для расчета движения клочков волокон на основе аналитических зависимостей, описывающих механику клочков волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана, а также разработана методика определения оптимальных параметров конструкции разрыхлителя, обеспечивающих лучшие условия протекания процессов разрыхления, транспортировки и съема волокон.

Разработаны и исследованы новый способ дискретизации и устройство для его осуществления, а также устройство для формирования и дискретизации волокнистых материалов для пневмомеханических прядильных машин.

В рамках теоретического исследования разработанного нового способа дискретизации и устройства для его осуществления впервые получены следующие научные результаты:

1) теоретически изучены особенности процесса движения технологического воздушного потока с мелкодисперсной пылью в сороотводящем канале узла дискретизации волокон;

2) проведено математическое моделирование процесса очистки воздушных потоков от мелкодисперсной пыли в спиральных каналах и выполнена оценка влияния формы спиралевидного канала на центробежные силы, действующие на мелкодисперсные пылевые частицы;

3) разработан математический метод описания профиля внутренней и наружной стенки и площади поперечного сечения сороотводящего канала неподвижного цилиндра дискретизирующего барабанчика;

В рамках теоретического исследования в зоне формирования пряжи на пневмомеханических прядильных машинах впервые получены следующие научные результаты:

1) разработана методика расчета геометрического положения пряжи при сходе с фрикционной поверхности пряжевыводной воронки;

2) получено нелинейное уравнение для расчета величины угла охвата пряжей фрикционной поверхности воронки пряжевыводной трубки пневмомеханического прядильного устройства в течение периода вращения ротора;

3) разработаны номограммы для расчета угла охвата пряжей фрикционной поверхности воронки в зависимости от параметров конструкции ротора, на основе чего построена компьютерная трехмерная модель расположения пряжи в узле формирования пряжи;

4) выполнены теоретические исследования определения локальных потерь крутки на фрикционной поверхности воронки пряжевыводной трубки;

5) разработан программный комплекс, демонстрирующий полную картину процесса локальных потерь крутки, с возможностью вывода графической информации.

6) сконструировано и исследовано устройство, обеспечивающее снижение потерь крутки в зоне формирования пряжи для пневмомеханических прядильных машин.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Промышленная реализация результатов работы выполнена в условиях ОАО «БДМ», ОАО «ЮПТФ», ОАО «Мануфактура Балина», ООО «Вичуга-Контракт» (Ивановская обл.), ООО «Прядильно-ткацкая фабрика «Ткачество», ОАО «Камешковский текстиль» (Владимирская обл.).

В работе использовались технологии трехмерного моделирования отдельных технологических процессов на рабочих органах машин, а также комплекса технологических процессов на отдельно взятом оборудовании технологической цепочки прядильного производства. Моделирование производилось с помощью анимационного пакета 3D studio МАХ, а также была создана собственная среда трехмерного описания технологических процессов и кинематики машин в режиме реального времени.

Результаты работы могут быть использованы в проектных организациях при разработке нового оборудования, а также в вузах при изучении студентами специальных дисциплин, в курсовом и дипломном проектировании и научно-исследовательской работе студентов.

Техническая новизна разработанного способа, устройств и узлов подтверждена патентами на изобретение (№ 2 128 737, 2 220 236, 2 220 237, 15 996).

Апробация работы. Материалы по теме диссертационной работы доложены:

— на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс, г. Иваново, 2000, 2002, 2004.2007 гг.);

— на межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск, г. Иваново, 2000, 2001, 2004.2007 гг.);

— на всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века» (МГТУ, Москва, 2002 г.);

— на 54-й межвузовской научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ» (Кострома, 2002 г.);

— на I научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности» (ПИКТЕЛ, Иваново, 2003 г.);

— на научнометодической конференции «Новые технологии в организации и контроле учебного процесса» (ИГХТУ, Иваново, 2005 г.);

— на межвузовской научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» (РосЗИТЛП, Москва, 2006 г.);

— на всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (СПГУТД, Санкт-Петербург, 2006 г.) — и отмечены дипломами, грамотами, премиями:

— в 2001 г. получен диплом и премия за 1 место в конкурсе «Образование 2001: с компьютером — на «ты», ИГТА;

— в 2002 г. — диплом на Всероссийской научной студенческой конференции «Текстиль XXI века», МГТУ;

— в 2002 г. — грамота за активное участие в научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ — производству»;

— в 2002 г. — диплом министерства образования Российской Федерации за участие в конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным и техническим наукам в вузах РФ по разделу текстильная промышленность;

— в 2003 г. — диплом министерства образования Российской Федерации за участие в олимпиаде по «Технологии и оборудованию производства натуральных волокон»;

— в 2004 г. — три диплома по материалам Выставки научных достижений Ивановской области «Инновации-2004»;

— в 2007 г. — две грамоты за активное участие в межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК — 2007).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований представлены 42 печатными работами, из которых 10 статей в журналах и межвузовских сборниках научных трудов, четыре патента на изобретения, 5 информационных листков Ивановского ЦНТИ, 21 тезис докладов на международных, всесоюзных и республиканских конференциях и др.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Имеющиеся на данный момент научные разработки в области исследования механики условий движения клочков волокон по рабочей поверхности зуба гарнитуры пильчатого барабана основаны на значительных приближениях и не отражают реальный процесс удержания клочков волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана. Экспериментальные и производственные исследования показывают, что силы, принимаемые во внимание в известных теоретических исследованиях не достаточны для удержания клочков волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана и, как следствие, теоретические результаты не совпадают с экспериментальными.

2. Анализ научных работ показал, что очень незначительное их количество посвящено проблеме процесса аэродинамического съема клочков волокон с зуба гарнитуры пильчатого барабана. Кроме того, в данных работах нет математического описания процесса аэродинамического съема клочков волокон с зуба гарнитуры пильчатого барабана.

3. Усовершенствована теория механики клочков волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана. В рамках развития данной теории впервые клочок волокон рассматривается как протяженное тело, имеющее центр массы, а также учитывается влияние на него упругих сил со стороны соседних волокон и волокнистых клочков. Кроме того определена взаимосвязь между геометрическими и кинематическими параметрами рабочих органов, обеспечивающими процессы удержания на пильчатой поверхности клочков волокон и их аэросъема.

4. Проведены теоретические исследования процесса движения клочков волокон по рабочей поверхности зуба гарнитуры пильчатого барабана, анализ результатов которых, выполненных с помощью математического пакета MathCAD, показывает, что основное влияние на клочок волокон на зубе гарнитуры в зоне открытой поверхности оказывают удерживающая сила и центробежная сила. Заметно меньшее влияние имеют сила нормального давления и сила трения. Численное значение аэродинамической силы довольно мало, по сравнению с остальными действующими силами. Результатом теоретических исследований является математическая модель для расчета удерживающих сил, действующих на клочок волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана в зоне открытой поверхности.

5. Выполнено математическое моделирование процесса аэродинамического съема клочков волокон с зуба гарнитуры пильчатого барабана. Разработана методика определения геометрических размеров окна сброса клочков волокон в зависимости от параметров гарнитуры пильчатого барабана и его различных скоростных режимов. Определена оптимальная зависимость между угловым размером зоны аэросъема (дугой аэросъема) и скоростью воздушного потока в зоне аэросъема.

6. Разработаны алгоритмы и программы для расчета движения клочков волокон на основе аналитических зависимостей, описывающих механику клочков волокон на зубе гарнитуры пильчатого барабана, а также разработана методика определения оптимальных параметров конструкции разрыхлителя, обеспечивающих лучшие условия протекания процессов разрыхления, транспортировки и съема волокон.

7. Изготовлены и исследованы новые модели разрыхлителей-очистителей Р-О-1, Р-О-2, Р-О-3, обеспечивающие процессы разрыхления, очистки, транспортировки волокнистых материалов. Результаты производственных исследований доказали технологическую и экономическую эффективность использования разрыхлителей-очистителей. Эффективность очистки смеси на разрыхлителе очистителе Р-О-2 составила 10,30%. Эффективность очистки смеси на РОА с включением в технологическую цепочку разрыхлителя-очистителя Р-О-3 возросла на 28,1%.

8. Выполнено математическое моделирование процесса очистки технологического воздушного потока от мелкодисперсной пыли в спиральных каналах применительно к разработанному способу дискретизации волокнистых материалов и устройству для его осуществления. Проведена оценка влияния формы спиралевидного канала на центробежные силы, действующие на мелкодисперсные пылевые частицы в канале устройства. Разработан математический метод описания профиля внутренней и наружной стенки и площади поперечного сечения сороотводящего канала неподвижного цилиндра дискретизирующего барабанчика;

9. Разработаны и исследованы в производственных условиях новые устройства для дискретизации волокнистых материалов, в том числе устройство, обеспечивающее новый способ дискретизации, основанный на очистке в спиралевидном канале технологического воздуха, содержащего мельчайшую пыль, до попадания его в ротор, а также дополнительной подаче в спиралевидный канал воздушного потока, способствующего съему волокон с дискретизирующего барабанчика и транспортировке волокон в ротор пневмомеханической прядильной машины (Патент № 2 128 737 РФ, Патент № 2 220 237 РФ, Свидетельство на Полезную модель № 15 996). Производственные исследования разработанного способа дискретизации и устройства для его осуществления подтверждают преимущество над существующими способами и устройствами, о чем свидетельствует снижение обрывности пряжи на 29−37%.

10. Получена аналитическая зависимость для определения угла охвата пряжей фрикционной поверхности воронки пряжевыводной трубки, обеспечивающая необходимую математическую базу для построения компьютерной трехмерной модели описывающую траекторию движения пряжи в этом узле. Разработана математическая модель для расчета потерь крутки пряжи на фрикционной поверхности пряжевыводной воронки пневмомеханических прядильных машин в течение периода вращения прядильного ротора. Создан программный продукт, демонстрирующий полную картину процесса локальных потерь крутки, с возможностью вывода графической информации.

11. Изготовлено и исследовано новое устройство (Патент № 2 220 236 РФ), обеспечивающее интенсификацию распространения крутки в зоне формирования пряжи в роторе пневмомеханической прядильной машины. Результаты производственных исследований показывают, что при установке интенсификата за счет проникновения действительной крутки в зону формирования пряжи происходит увеличение прочности пряжи (на 5−13%) и количества волокон в ее поперечном сечении, снижается коэффициент вариации по разрывной нагрузке (на 12−15%) и обрывность (на 18−21%).

12. Получена аналитическая зависимость для оценки аэродинамической силы, действующей на участок пряжи в полости модернизированной пряжевыводной трубки с интенсификатором. Показано, что с установкой интенси-фикатора аэродинамическая сила, действующая на участок пряжи в полости пряжевыводной трубки, увеличивается, что обеспечивает более стабильную запрядку.

13. Разработаны трехмерные модели отдельных технологических процессов на рабочих органах машин, а также комплекса технологических процессов на отдельно взятом оборудовании технологической цепочки прядильного производства. Для моделирования была разработана среда трехмерного описания технологических процессов и кинематики машин в режиме реального времени.