Усовершенствование конструкций аэродинамических крутильных устройств текстильных машин с целью снижения энергоемкости готовой продукции

1 .ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В связи с резким падением производства в стране, в том числе и в текстильной промышленности, встал вопрос о возможностях и перспективах возрождения текстильных предприятий. Одним из возможных путей решения возникших проблем может быть создание новых и возрождение старых технологий для выработки конкурентно способной продукции с высокими потребительскими характеристиками. В частности, для текстильных предприятий Костромской области таким видом продукции могут стать тонкие чисто льняные ткани, например, льняной батист. При наличии сырья достаточно высокого качества такая продукция может выпускаться и, по данным маркетинговых исследований, пользоваться большем потребительским спросом как на внутреннем так и на внешнем рынках.

Однако кроме сырьевой проблемы здесь возникает проблема высокой себестоимости чисто льняной пряжи высоких весовых номеров, в частности, — высокой ее трудоемкости из — за низкой производительности существующего на данный момент прядильного оборудования.

Ограниченные перспективы значительного увеличения производительности традиционного кольцепрядильного оборудования связаны со сложностью дальнейшего повышения скорости бегунков, увеличения размеров паковок и т. п. Поэтому возникает необходимость в развитии так называемых новых способов прядения. Одним из них является аэродинамический, или пневмовьюрковый. Данный метод формирования волокнистого продукта уже используется в самокруточном прядении. Кроме того он может быть использован для выработки достаточно широкого спектра продукции, в том числе для получения чисто льняной пряжи высоких номеров. Полученная пряжа незначительно отличается по своим характеристикам от пряжи кольцевого способа прядения и при ткачестве может быть использована в качестве уточной нити.

В качестве крутильных органов в пневмовьюрковом способе прядения используются аэродинамические крутильные устройства (АКУ), что позволяет значительно повысить производительность оборудования за счет увеличения скорости выпуска как минимум в 5 — 10 раз в сравнении с традиционным кольцевым. Этот факт, а так же возможность наработки пряжи в бобины может дать значительное снижение трудоемкости готовой продукции. При переработке короткого волокна таким способом процесс прядения может осуществляться из ленты, тем самым устраняя ровничный переход.

Работы, проводимые в этом направлении в ЦНИИЛВ, а так же.

Костромским СКБТМ и КНИЛПом показали, что при решении ряда проблем данный метод может дать значительные результаты в направлении повышения производительности прядильного оборудования. Одной из основных проблем здесь является достаточно большая энергоемкость готовой продукции за счет использования дорогостоящего сжатого воздуха.

Отсутствие на настоящий момент достаточной теоретической базы усложняет дальнейшие проектно — конструкторские изыскания в этой области. Затруднено проектирование новых и усовершенствование существующих конструкций АКУ из-за невозможности прогнозирования основных технологических параметров процесса.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью настоящей работы является исследование и математическое описание процессов, происходящих в аэродинамическом крутильном устройстве при взаимодействии волокнистого продукта, находящегося в камере АКУ и создаваемого в ней воздушного вихря, а так же создание методики расчета основных технологических параметров работы АКУ и рекомендаций по выбору оптимальных конструктивных параметров и режимов работы.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

— проведен патентный поиск и анализ существующих технологических процессов прядения с использованием АКУ, разработана их классификация с точки зрения структуры вырабатываемого волокнистого продуктаразработана классификация существующих конструкций АКУ по ряду признаков;

— сделана оценка экономической целесообразности использования аэродинамических процессов прядения в современных условиях;

— произведен анализ существующих теоретических работ по математическому описанию процессов, происходящих в АКУ;

— сделано математическое описание аэродинамических процессов в камере АКУ, а именно: а) получены и проанализированы уравнения, описывающие поле скоростей и поле давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУб) получены и проанализированы уравнения для определения частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ, расхода воздуха через тангенциальные сопла АКУв) получено уравнение для определения величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в вихревой камере АКУ, с учетом реальных характеристик волокнистого продукта и характера его баллонирования;

— для проверки адекватности полученных теоретических зависимостей были проведены следующие экспериментальные исследования: а) исследовано и описано поведение нити в АКУб) исследовано влияние некоторых характеристик волокнистого продукта и ряда конструктивных параметров и режимов работы АКУ на его крутильную способность;

— разработана методика расчета основных технологических параметров работы АКУ и даны рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров, предложены пути усовершенствования существующих конструкций АКУ.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Работа содержит анализ отечественной и иностранной научно — технической и патентной литературы, теоретическиё и экспериментальные исследования.

Теоретическая часть диссертации выполнена с использованием методов дифференциального и интегрального исчисления, теории дифференциальных уравнений в частных производных, которые направлены на рассмотрение аэродинамических процессов, происходящих в камере АКУ, а так же на описание динамики кручения волокнистого продукта в камере АКУ под действием воздушного вихря. Решение и анализ уравнений осуществлялось аналитическим путем и численными методами с использованием ЭВМ (системы МАТНСАЭ). Так же разработан алгоритм расчета основных технологических параметров работы АКУ, который может быть реализован в виде программного продукта.

Достоверность всех основных результатов выполненных теоретических исследований проверена экспериментально на специально разработанном стенде в лабораторных условиях. При испытаниях использовалась видео съемка.

Были изготовлены и испытаны около 20 типоразмеров аэродинамических вьюрков, из которых были составлены конструктивные ряды. Испытания проводились на образцах волокнистого продукта различного качества и линейной плотности.

Для определения характеристик продукта использовался метод световых проекций, определение жесткости на кручение осуществлялось по стандартной методике с использованием крутильного маятника И. С. Павлова.

Так же использовались экспериментальные данные ранее проводимых работ. Использовались методы планирования и анализа эксперимента. НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ:

— разработаны классификации аэродинамических процессов прядения и применяемых в них АКУ;

— описан характер поведения волокнистого продукта в вихревой камере АКУ;

— получены и проанализированы уравнения, описывающие поле скоростей и поле давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУ;

— получены уравнения для определения частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ, расхода воздуха через тангенциальные сопла, а так же величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ с учетом его реальных характеристик;

— установлено влияние баллонирования нити в камере АКУ на величину крутящего момента;

ПРАКТИЧЕСКАЯ ПОЛЕЗНОСТЬ:

— разработан экспериментальный стенд и методика косвенного определения величины крутящего момента через замеряемые крутки насыщения в первой или второй зонах кручения АКУ;

— разработана научно — обоснованная инженерная методика расчета и проектирования АКУ, позволяющая дать рекомендации по выбору оптимальных конструкций АКУ и режимов его работы при заданных характеристиках готового продукта, обеспечивающих снижение расхода сжатого воздуха;

— предложены пути усовершенствования существующих конструкций аэродинамических вьюрков, не требующие значительных капиталовложений и позволяющие достичь экономии сжатого воздуха до 20%.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Методика расчета и проектирования АКУ принята к использованию в конструкторских разработках КБ Костромского завода Текмаш. Разработанные в соответствии с данной работой методические указания рекомендованы для использования в ходе процесса обучения по дисциплине «Тепломассообменные процессы» для специальности 17.07 в Костромском государственном технологическом университете.

ПУБЛИКАЦИИ. В результате выполненной работы имеется 11 публикации, в том числе 4 статьи и 6 тезисов докладов на всероссийских и международных научнотехнических конференциях.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Современное развитие техники характеризуется все более широким использованием достижений различных областей науки. В текстильной промышленности результатом такого развития могут служить, существующие в настоящее время наряду с традиционным кольцевым, альтернативные безверетенные способы прядения, где используются как механические процессы, так и все большее значение приобретает использование аэродинамических сил, электрических полей и пр.

Сам принцип безверетенного прядения возник сравнительно давно. По данным статьи [ 16 ], первый патент основанный на использовании воздушных потоков, был известен еще в 1904 г. Однако, отсутствие достаточно глубоких теоретических исследований в области механической технологии волокнистых материалов и аэродинамики не позволило определить большие потенциальные возможности этого способа для повышения производительности труда и оборудования в прядении и осуществить его. Кроме того появление новых способов прядения совпало с периодом развития кольцепрядильных машин, пришедших на смену машин периодического действия.

В 70 — е годы, когда дальнейшее развитие конструкций кольцепрядильных машин стало ограничено и возникли трудно разрешимые проблемы: дальнейшее повышение скорости бегунков, размеров паковок, КПВ машины, снижение затрат труда на съем готовой пряжи, — научные исследования были направлены на поиски и развитие принципиально новых способов получения пряжи.

Значительное внимание и средства, которые выделяются во многих странах на разработку безверетенных способов прядения, объясняются большими потенциальными возможностями в повышении производительности труда и оборудования и возможностями автоматизации процесса прядения, что имеет важное значение при создании поточных линий и организации производства.

Наибольшее распространение среди безверетенных способов прядения получили те, в которых для скручивания или уплотнения волокнистого продукта в качестве рабочего органа используется воздушный, реже жидкостный, вихрь. Главным преимуществом таких методов прядения является разделение процессов кручения и наматывания, что открывает возможности значительного повышения производительности оборудования за счет увеличения скорости выпуска.

В общем случае процесс безверетенного прядения представляет собой постепенное утонение, а затем скручивание волокнистого продукта. Возможны два варианта процесса скручивания:

— первый, когда скручиваемый волокнистый продукт остается непрерывным от питающей до наматываемой (приемной) паковки. Общая схема кручения изображена на рис. 1. В этом случае крутящий момент, передаваемый крутильным органом пряже, распространяется по обе стороны от места его приложения, как в первую так и во вторую зоны кручения, причем направление крутки в этих зонах различное. При движении продукта из первой зоны во вторую он целиком теряет крутку и выходит из устройства раскрученным. Это типичная схема так называемого ложного кручения;

1. Питающая паковка.

2. Крутильный орган.

3. Приемная паковка.

Рис. 1. Общая схема безверетенного прядения.

— вторая схема скручивания волокнистого продукта позволяет получить пряжу действительного кручения. Для этого необходимо избежать крутящего момента одновременно в обе зоны кручения. При кольцевом прядении это достигается путем вращения приемной паковки (веретена) одновременно с крутильным органом. В безверетенных способах прядения применяется принципиально другой способ: для избежания распространения крутящего момента в первую зону питающий продукт утоняется и разъединяется до такой степени, что между питающей паковкой и крутильным органом создается дискретный поток волокон, который не может передавать крутящий момент. Благодаря этому во второй зоне кручения пряжа получает действительную крутку. Такой способ формирования волокнистого продукта получил название прядения «со свободным концом» .

Наиболее ярким примером безверетенного способа прядения «со свободным концом», где в качестве рабочего органа используется воздушный вихрь, является пневмомеханическое камерное и роторное прядение. Эти методы достаточно широко применяются и на настоящий момент с полным правом могут считаться традиционными.

Другим, не менее интересным примером безверетенного прядения с использованием воздушного вихря является аэродинамическое вьюрковое прядение. В отличие от пневмомеханического прядения, где камера или ротор вращаются с большими скоростями, здесь аэродинамическое крутильное устройство (АКУ) является неподвижным, а процесс кручения осуществляется за счет создаваемого в нем воздушного вихря. Этот метод позволяет осуществить обе выше описанные схемы кручения. Далее в работе, за исключением патентного обзора, АКУ так же будет именоваться как аэродинамический вьюрок.

Первые работы в области аэродинамического прядения проводились сотрудниками ВНИИЛ Текмаш в период конца 60-х, начала 70-х годов. В результате этих работ была опубликована статья [16], в которой описывался принцип «аэромеханического» формирования пряжи «со свободным концом» в неподвижных аэродинамических камерах под действием воздушного вихря. Принципиальная схема такого крутильного устройства изображена на рис. 2. По тангенциальным соплам (1) в вихревую камеру (2) подается сжатый воздух. В результате в камере создается воздушный вихрь, под действием которого волокнистый продукт (3) получает определенную крутку.

Так же в работе [16] были приведены сравнительные характеристики готовой продукции (пряжи и ткани с этой пряжей в утке), полученной традиционным кольцевым и рис 2 Принципиальная схема АКУ. аэромеханическими способами. Отмечалось, что пряжа, полученная с помощью воздушного вихря, как правило, имеет пониженную прочность, но более эластичная и равномерная по сравнению с обычной пряжей.

Исследования разрывных характеристик тканей с уточной пряжей аэродинамического способа прядения показали, что в процессе ворсования ткани потери ее прочности по утку значительно меньше, чем у ткани из пряжи с кольцепрядильной машины. Поэтому здесь возникли новые перспективы в связи с повышенными потребительскими свойствами такой продукции.

В этой же работе отмечено, что для успешного внедрения аэродинамического способа прядения необходимо решить ряд проблем и в первую очередь описать процесс, найти взаимосвязь между отдельными параметрами процесса и качеством пряжи, а так же отработать надежную конструкцию устройства, обеспечивающую стабильность протекания процесса в течении длительного времени.

В этот же период параллельно учеными США (П.Стренг заявка 294 438 ШБА? 1960 г.) и сотрудниками ВНИИЛ Текмаш (Н.А.Закс, Л. Г. Гаврилов авт. Св. 244 160 811, 1967 г.) был разработан и предложен гидравлический способ формирования волокнистого продукта «со свободным концом» в вихревых камерах. Подробное описание этого способа прядения было предложено в работах [17] и [18]. Он был назван воздушно — водо — вихревым, так как для формирования мычки здесь используется энергия воздушного вихря, а для скручивания мычки в пряжу — энергия водяного вихря.

Так же в результате обработки данных многочисленных опытов в работе [17] был сделан вывод, что крутка на единицу длины пряжи и разрывная длина пряжи с увеличением давления (от давления зависит интенсивность вихря) возрастает линейно.

Как видно из описанных выше работ, еще на начальных этапах развития аэродинамического прядения были ясно видны основные преимущества этого способа: 1. Разделение процессов наматывания и кручения.

2. Отсутствие быстро движущихся узлов и деталей, таких как веретена, бегунки, прядильные камера и т. д.

Эти две характеристики позволяют значительно повысить производительность оборудования за счет увеличения скорости выпуска как минимум в 5 — 10 раз, а так же снизить затраты на ремонт за счет значительно меньшего физического износа деталей узла кручения.

3. Относительно небольшие размеры АКУ в сравнении с традиционными крутильными органами, что делает оборудование довольно компактным.

4. Простая конструкция АКУ, за счет чего значительно снижается цена оборудования.

5. Возможность наработки больших паковок, а следовательно снижение трудоемкости продукции.

6. Применение аэродинамических вьюрков одних конструктивных размеров дает возможность получить пряжу определенного диапазона весовых номеров за счет легкости варьирования давления рабочей аэросмеси (воздуха или воды).

На настоящий момент в нашей стране и за рубежом существует достаточно большой ряд работ, проводимых в области аэродинамического прядения. (Их более подробный обзор приводится в I главе.) Однако, основные проблемы, сформулированные в работе [16] остались не до конца решенными, и не смотря на все преимущества такого способа формирования волокнистого продукта, он не нашел себе достаточного применения. Установить причины этому, а так же постараться решить часть возникающих здесь проблем — вот основная цель данной работы.

Как указывалось выше, основной проблемой, возникающей при создании аэродинамического вьюркового способа прядения является малая степень исследования процессов, происходящих в АКУ, а следовательно невозможность прогнозирования качественных характеристик готового продукта на стадии проектирования. Так же из — за отсутствия математической модели АКУ, конструкторские разработки ведутся «вслепую» либо на основании экспериментальных данных.

При применении такого способа прядения так же возникают проблемы, связанные с ограниченной областью использования пневмовьюрковой пряжи (в трикотажной промышленности или в ткачестве в качестве утка).

Наряду с выше перечисленными, в настоящее время, в связи с повышением цен на энергию, встала еще одна существенная проблема. Оптимистические прогнозы, которые ставились в период 70х — 80х гг. относительно большого будущего аэродинамического прядения не сбылись. Промышленность стала отказываться от использования пневмовьюрковых машин из — за не всегда оправданно большого расхода сжатого воздуха, что приводит к завышению себестоимости пряжи за счет ее энергоемкости. Так, например самокруточная пневмовьюрковая прядильная машина ПСК-225-ШГ прядения шерсти (на 4 выпуска), по данным испытаний Костромского СКБТМ, расходует в час 22 м сжатого воздуха (избыточное давление в сети 0,4 Мпа) при максимальной скорости выпуска 200 м/мин. При стоимости сжатого воздуха в условиях производства около 18 коп/м3 несложно подсчитать, что энергоемкость одного килограмма пряжи линейной плотности 15×2 текс без учета двигательной энергии составляет около 2,75 руб./кг. Такие затраты в некоторых случаях компенсируются за счет экономии по другим статьям, но не всегда.

Поэтому основной задачей на стадии проектирования является создание таких конструкций АКУ, где при неизменном качестве готовой продукции обеспечивается снижение расхода рабочей аэросмеси. Для этого необходима научно — обоснованная методика расчета основных параметров работы АКУ, которые можно разделить на две группы: конструктивные и технологические.

К конструктивным параметрам аэродинамического крутильного устройства можно отнести следующие:

— длины первой и второй зон кручения (этот параметр целесообразно определять при формировании продукта с ложной круткой);

— диаметр и длина активной части вихревой камеры;

— количество и диаметр тангенциальных сопл, их угол наклона к оси вихревой камеры и т. п.

Технологические параметры работы АКУ в свою очередь состоят из режимов «его работы и характеристик формируемого волокнистого продукта. К режимам работы можно отнести давление, подаваемое к тангенциальным соплам, нагон и т. п., а к характеристикам формируемого в АКУ волокнистого продукта — его линейная плотность, крутка и т. п.

На сегодняшний день, теоретическая база, которая могла бы стать основой для создания достоверной математической модели АКУ, достаточно скудна и разрозненна.

В дальнейшем следует разделить аэродинамические процессы формирования пряжи действительного кручения (со свободным концом) и ложного кручения в две отдельные группы. Метод формирования пряжи из дискретного потока волокон в камерах с вращающимся воздушным потоком достаточно подробно рассматривается в работах [19] и [20], где, на основе теоретических и экспериментальных исследований, получен ряд зависимостей, описывающих процесс формирования пряжи из дискретного волокнистого потока в вихревой прядильно — формирующей камере (ПФК).

Далее, в данной работе, будут более подробно рассматриваться процессы формирования пряжи бескруточного (ложного кручения) и самокруточного (СК) прядения, то есть те процессы, где крутящий момент распространяется по обе стороны от крутильного органа. Кручение продукта при СК — прядении с использованием АКУ представляет собой прерывный процесс с реверсом воздушного вихря для предания продукту знакопеременной крутки.

Процесс формирования СК — продукта достаточно подробно рассмотрен П. М. Мовшовичем в работе [1], а продукта ложного кручения (льняной бескруточной пряжи мокрым способом прядения) — в работе [2] Н. Л. Гинзбург. Эти работы явились отправной точкой для написания данной диссертации.

Основой для расчета параметров работы АКУ является определение аэродинамического крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в вихревой камере. Согласно [1] величина этого момента, в первом приближении, есть линейная функция проскальзывания нити относительно, так называемой «синхронной» скорости вращения:

М (п0 — п) = С (п0 — п), (1) где по — синхронная скорость вращения нити, когда ее крутка равна нулю и, следовательно, крутящий момент сопротивления отсутствует;

С — постоянный коэффициент, зависящий от конструкции АКУ, расхода воздуха, линейной плотности продукта и состояния его поверхности.

Эта зависимость получена в результате многочисленных экспериментальных наблюдений.

Описанный в [1] прибор для косвенного определения крутильной способности АКУ позволяет получить величину аэродинамического крутящего момента (Мк) через замеряемую величину укрутки нити (А1). Однако недостатком данного метода является то, что зависимость Мк (Д1) возможно получить путем решения системы 12-и уравнений с 12-ю неизвестными при ряде допущений, которые не учитывают реальную структуру волокнистого продукта и его вязко — упругие характеристики. Поэтому получаемая таким методом величина крутящего момента имеет определенную погрешность.

Так же в данной работе обоснованно и подтверждено экспериментально, что:

— получаемая продуктом крутка мало зависит от частоты вращения баллона и за один оборот баллона получает несколько кручений;

— продукт получает крутку того же направления, что и скорость движения воздуха за счет разности линейной скорости потока в поперечном сечении камеры АКУ на периферии нити, где скорость больше, и на ее стороне, обращенной к оси камеры;

— получены зависимости, описывающие процесс набора крутки в первой и второй зонах кручения двухзонного АКУ (К²(ф, которые будут приведены далее (11.27) для теоретического описания процесса кручения.

За последние годы было сделано несколько попыток аналитического определения величины крутящего момента аэродинамического вьюрка. В посвященной этому работе М. В. Карева (ИГТА) [14] предложен вывод аналитической зависимости для определения величины крутящего момента, развиваемого «пневмоструйным» вьюрком. Вывод основан на решении системы уравнений Навье — Стокса при условии ламинарного режима течения и рассмотрении волокнистого продукта как бесконечного длинного цилиндра, ось которого совпадает с осью АКУ. Величина крутящего момента относительно оси пряжи определяется как сумма момента сил трения, возникающих при поперечном обтекании, и момента циркуляционной составляющей. В результате, полученная в работе [14], зависимость имеет достаточно сложный вид и, как отмечает сам автор, требует эмпирических поправок, которые вводятся только экспериментальным путем. Другим недостатком данной работы является то, что здесь не учитываются реальные характеристики поверхности и формы сечения волокнистого продукта, а так же недостаточно точно оценивается зона контакта тангенциальной струи и поверхности волокнистого продукта. Таким образом предложенная в статье [14] зависимость не может быть применена к непосредственным расчетам.

Другой, представляющей интерес работой, направленной на определение величины крутящего момента аэродинамического вьюрка, является статья [10] А. К. Наумова, Г. Н. Шутова, Е. В. Морякова (КГТУ). Вывод предложенной аналитической зависимости так же основан на решении уравнений Навье — Стокса в цилиндрических координатах. Крутящий момент определяется через касательную компоненту тензора напряжений, действующую на волокнистый продукт в сторону его закручивания по длине активной части вихревой камеры. Полученная зависимость, вывод которой приводится во II главе (11.7 — 11.9), не противоречит уравнению (1) и подтверждает, что крутящий момент пропорционален проскальзыванию волокнистого продукта относительно его синхронной скорости вращения и зависит от конструкции АКУ и характеристик волокнистого продукта, но не от расхода воздуха. Предлагаемая зависимость, так же как и предложенная в работе [14], не учитывает смещения волокнистого продукта от оси АКУ в результате баллонирования и требует экспериментального определения коэффициента трения волокнистого материала о воздушный поток.

В предлагаемой диссертации использовались данные, приведенные в работе [2] Н. Л. Гинзбург, которая была направлена на исследование процесса формирования чисто льняной пряжи ложного кручения, вырабатываемой мокрым способом (пряжи БПМ). Приводимые в данной работе сравнительные характеристики пневмовьюрковой пряжи и пряжи кольцевого способа прядения дали возможность оценить перспективы бескруточного прядения льна мокрым способом. Полученные Н. Л. Гинзбург для. определения оптимальных конструктивных параметров вьюрка, экспериментальные зависимости использовались в предлагаемой диссертации наряду с собственными экспериментальными исследованиями. Так же проводились испытания, разработанного в работе [2], аэродинамического вьюрка БПМ.

Кроме этого Н. Л. Гинзбург были описаны варианты кручения волокнистого продукта в вихревой камере и отмечено, что в отдельные моменты времени, в ходе технологического процесса, из-за нестабильности процесса кручения и неравномерных по длине характеристик продукта, пряжа может получать крутку противоположнонаправленную воздушному вихрю в результате перекатывания ее по стенкам камеры. Поэтому пряжа БПМ реально имеет знакопеременную пологую крутку со случайным периодом.

Таким образом на основании всех выше описанных работ можно сделать следующие выводы:

— разработки в области аэродинамического прядения ведутся уже достаточно давно, ряд из них нашел себе применение в процессах прядения;

— накоплена обширная экспериментальная база для определения зависимости между параметрами процесса, качеством продукции и конструктивными параметрами АКУ с целью оптимизации процесса аэродинамического прядения;

— проводился ряд теоретических работ, направленных описание процесса кручения волокнистого продукта воздушным вихрем в АКУ, однако все они трудно применимы в инженерных расчетах на стадии проектирования;

— на настоящий момент не существует методики расчета и проектирования аэродинамических крутильных устройств текстильных машин, поэтому практически все работы по оптимизации процессов аэродинамического прядения основываются на экспериментальных данных.

Целью предлагаемой диссертационной работы является усовершенствование аэродинамических крутильных устройств текстильных машин, направленное на снижение расхода сжатого воздуха, так как, как отмечалось выше, процессы пневмовьюркового прядения являются достаточно энергоемкими.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

— установить целесообразность применения процессов аэродинамического прядения в современных условиях производства;

— разработать математическое описание процесса кручения волокнистого продукта воздушным вихрем в АКУ;

— разработать экспериментально подтвержденную методику расчета основных параметров АКУ;

— разработать усовершенствованные конструкции АКУ, обеспечивающие снижение расхода сжатого воздуха при неизменных характеристиках готового продукта.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Исследования, проведенные на основе анализа патентной литературы, позволили разработать классификацию технологических процессов прядения с использованием АКУ с учетом их достоинств и недостатков, а так же оценить экономическую целесообразность их использования в условиях производства. Составлена классификация аэродинамических крутильных устройств текстильных машин по ряду признаков.

2. На основе анализа теоретических исследований, проводимых в области аэродинамического прядения по описанию процессов, происходящих в АКУ, сделан вывод о недостаточности теоретической базы для создания научнообоснованной инженерной методики проектирования аэродинамических крутильных устройств текстильных машин.

3. Описан принцип действия АКУ и механизм формирования пряжи в закрученной воздушной струе.

4. На основании экспериментальных наблюдений (при испытании прозрачного вьюрка и с использованием видеосъемки) описано поведение нити в вихревой камере АКУ, в частности возможные варианты движения, и процесс баллонирования.

5. Разработан стационарный экспериментальный испытательный стенд и методика косвенного определения величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ, по замеряемой величине крутки насыщения.

6. Экспериментальные исследования позволили установить влияние на крутильную способность АКУ ряда конструктивных и технологических параметров, а именно:

— крутильная способность АКУ увеличивается с увеличением длины активной части вихревой камеры при условии отсутствия затирания баллонирующего продукта о стенки АКУ, а так же с увеличением числа тангенциальных сопл;

— с увеличением угла наклона тангенциальных сопл к оси вихревой камеры эжекционная способность АКУ уменьшается, а крутильная — увеличивается;

— крутка, сообщаемая продукту в АКУ зависит от формы и площади его сечения, ворсистости поверхности и максимальна, когда диаметр вихревой камеры приблизительно равен двум наибольшим диаметрам волокнистого продукта;

— при изменении соотношения длин зон кручения число кручений в них остается равным и максимально, когда длинны зон равны. При достаточно большой разнице длин зон кручения наблюдается проскальзывание витков через вихревую камеру АКУ из меньшей зоны в большую.

— крутильная способность АКУ увеличивается с увеличением давления сжатого воздуха, подаваемого к тангенциальным соплам АКУ, при превышении определенной критической величины давления крутильная способность остается неизменной.

7. Анализ решения уравнения Навье — Стокса в цилиндрических координатах при условии стационарности и осесимметричности системы, вязкости и несжимаемости воздушного потока (задача Куэтта), позволил получить и проанализировать поле скоростей и поле давления в поперечном сечении вихревой камеры АКУ.

8. На основании теории аэродинамических моментов получено уравнение для определения величины крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ в начальный момент закручивания, при учете его реальных характеристик и характера баллонирования. В уравнение введены полученные экспериментально коэффициенты, учитывающие снижение крутки от затирания баллонирующего продукта о стенки АКУ и от затухания вихря по длине активной части вихревой камеры, что непосредственно позволяет использовать данную формулу в расчетах АКУ.

9. На основании уравнения Сен — -Венана получены аналитические зависимости для определения частоты вращения воздушного вихря в камере АКУ и расхода воздуха через тангенциальные сопла АКУ.

10. Разработана методика расчета основных технологических параметров работы АКУ, реализованная в виде алгоритма.

11. Даны рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров АКУ и предложены пути его усовершенствования с целью повышения крутильной способности.

12. Разработаны усовершенствованные конструкции аэродинамических вьюрков, применение которых, по предварительным подсчетам, позволило бы достичь экономии сжатого воздуха до 20% при неизменных характеристиках готового продукта.

13. Предложены дальнейшие направления теоретических исследований, направленных на создание более совершенной научнообоснованной инженерной методики проектирования АКУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Исследования, проведенные в данной диссертационной работе утверждают, что безверетенное прядение, в том числе и пневмовьюрковое открывает широкие возможности по повышению производительности оборудования за счет увеличения скорости прядения, что достигается при разделении процессов наматывания и кручения. Аэродинамическое вьюрковое прядение, кроме этого, имеет еще ряд неоспоримых преимуществ, таких как простота конструкции АКУ, его низкая материалоемкость, малая степень физического износа в ходе технологического процесса и др.

Использование аэродинамических вьюрков в качестве крутильных органов в процессах прядения дает возможность вырабатывать пряжу различной структуры (самокру-точную, армированную и текстурированную, пряжу ложного кручения) из искусственных, синтетических, натуральных и смешанных волокон. Возможна переработка как длинного так и короткого волокна.

Разработано и введено в производство оборудование для переработки короткого волокна (хлопкового и смешанного) для выработки армированной пряжи ложного кручения (Япония), а так же оборудование для получения самокруточной пряжи аэродинамическим способом прядения из химических, шерстяных волокон и льняного очеса.

На настоящий момент вызывает особый интерес использование АКУ в технологических процессах переработки длинного волокна в пряжу ложного кручения, в частности чисто льняную мокрого прядения. Такие работы велись как за рубежом (Франция, Голландия) так и в нашей стране.

Процесс разработки пневмовьюркового прядильного оборудования затруднен из-за ряда проблем. К их числу можно отнести отсутствие достаточной теоретической базы по описанию аэродинамических процессов формирования волокнистого продукта в закрученной воздушной струе, что затрудняет процесс разработки и усовершенствования конструкций АКУ на стадии проектирования. В данной диссертационной работе сделана попытка решить эту проблему. Математическое описание процесса формирования воздушного вихря и его взаимодействия с волокнистым продуктом в камере АКУ позволило разработать методику расчета и проектирования АКУ, применение которой позволяет прогнозировать ряд параметров работы АКУ на стадии его проектирования.

Разработанные на основании данных в этой методике рекомендаций, конструкции АКУ, по предварительным расчетам, позволяют достичь экономии сжатого воздуха до 20%. Это позволяет решить еще одну из немаловажных проблем, связанных с разработкой и внедрением пневмовьюркового способа прядения — проблему высокой энергоемкости готовой продукции из-за большого расхода используемого здесь сжатого воздуха.

Следует отметить, что данная диссертационная работа является лишь небольшим шагом в исследованиях, направленных на создание полноценной инженерной методики расчета и проектирования АКУ текстильных машин. Для создания такой методики необходимо продолжать как теоретические так и экспериментальные исследования.

Как отмечалось выше, предлагаемое в данной работе математическое описание аэродинамических процессов в вихревой камере вьюрка, в результате принятых допущений, не учитывает ряд факторов, имеющих немаловажное значение при разработке более достоверной математической модели кручения волокнистого продукта в АКУ. Поэтому при проведении дальнейших теоретических исследований в этой области необходимо принимать во внимание ряд неучтенных здесь моментов.

1. В данной диссертационной работе структура волокнистого продукта рассматривалась как однородная с одинаковыми характеристиками по всему объему, что вносило большую погрешность при расчете отдельных параметров работы АКУ, например — величины нагона. Реальный волокнистый продукт имеет слоистую структуру, и при скручивании работает не только на кручение, так же имеет место смещение его отдельных компонентов относительно друг-друга, растяжение внешних и гафрирование внутренних слоев. Учет слоистой структуры волокнистого продукта, а так же его вязко — упругих характеристик дает возможность реально оценить длительность установления крутки насыщения (постоянная времени закручивания т) для определения максимально возможной скорости прядения.

2. При использовании полученной в данной работе зависимости для определения величины аэродинамического крутящего момента, действующего на волокнистый продукт в камере АКУ, необходимо знать параметры баллона (амплитуду и длину волны). Поэтому возникает необходимость в аналитическом их определении.

3. В данной работе не рассматривалось и не было проанализировано поле скоростей и давления в продольном сечении камеры АКУ. Учет аксиальной составляющей скорости позволяет оценить эжектирующую способность аэродинамического вьюрка, которая играет немаловажную роль в ходе технологического процесса. Так же необходимо устанот. вить зависимость величины эжекции от конструктивных характеристик АКУ, таких как размеры и форма тангенциальных сопл и вихревой камеры.

Для использования предложенной в данной диссертации методики расчета и проектирования АКУ необходимо так же создание обширных баз экспериментальных данных, которые должны включать следующие характеристики волокнистых материалов разного качества и линейной плотности:

— наибольший радиус сечения волокнистого продукта (эту характеристику для различных волокнистых материалов возможно определить методом световой проекции);

— жесткость на кручение волокнистого продукта (определяется на основании стандартной методики с помощью крутильного маятника И.С.Павлова);

— коэффициент аэродинамического лобового сопротивления волокнистого продукта, точнее параметр Сф ё (определяется экспериментально методом, описанным в [6]).

Кроме этого необходимо установить следующие экспериментальные зависимости:

— зависимость степени затухания вихревого потока (0) от длины активной части вьюрка при разных геометрических характеристиках волокнистого продукта и вихревой камеры;

— зависимость степени затирания волокнистого продукта о стенки камеры АКУ (К3) от диаметра и формы активной части вихревой камеры, от характера баллонирования волокнистого продукта, состояния его поверхности и диаметра сечения.

При решении этих и ряда других задач возможно создание наиболее точной модели кручения волокнистого продукта в воздушном вихре и разработка полноценной научно-обоснованной инженерной методики расчета и проектирования АКУ, что позволит создавать конструкции АКУ высокой крутильной способности. Частью работы в этом направлении является данная диссертация.