Совершенствование методов расчета вытяжных механизмов для мокрого прядения льна

Актуальность темы

Повышение качества выпускаемой продукции и эффективности производства в текстильной промышленности связано с совершенствованием как технологических процессов, так и оборудования, с помощью которого эти процессы осуществляются.

Современные текстильные машины, будучи кинематически сложными агрегатами, представляют собой динамические системы с развитой структурой, где взаимовлияние отдельных механизмов достаточно велико. Однако в реальной практике проектирования это взаимовлияние обычно не учитывают, расчет каждого механизма ведут обособленно от остальных, а машину в целом создают на основе опыта эксплуатации базовой модели без существенного обновления структуры последней.

При проектировании принципиально новой машины до опытного образца на основе априорного анализа доводят, как правило, лишь один вариант структуры, отбрасывая при этом остальные. В случае успешного завершения испытаний опытного образца машина, со всеми ее достоинствами и недостатками, становится родоначальницей целой серии модификаций. Так происходит тиражирование неоптимальной структуры базовой модели в ее модификациях. Новый, более высокий уровень проектирования машин с применением САПР должен быть свободен от этой «болезни наследственности», присущей традиционному проектированию.

Современные методы проектирования, базирующиеся на применении ЭВМ, повышают качество и сокращают сроки получения принципиально новых решений, освобождают конструкторов от трудоемких и рутинных операций, позволяют решать задачи многокритериальной оптимизации и учитывать множество противоречивых требований. Системы автоматизированного проектирования должны стать инструментом в руках конструкторов, который никоим образом не диктовал бы им жесткую последовательность проектных процедур, а лишь в трудных ситуациях подсказывал направление поиска.

Необходимость автоматизации процесса проектирования выдвигает проблему разработки методов, машинных алгоритмов и программ решения соответствующих технических задач в текстильном машиностроении.

Рассматривая современные технологии проектирования прядильного оборудования, можно сказать, что в настоящее время отечественное текстильное машиностроение располагает недостаточным опытом для автоматизации процесса проектирования вытяжных механизмов прядильных машин для мокрого прядения льна. Поэтому задача совершенствования методов расчета вытяжных механизмов является сегодня актуальной.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является разработка новых моделей, методов, машинных алгоритмов и программ, направленных на совершенствование существующих методов инженерного расчета вытяжных механизмов для мокрого прядения льна, что позволило бы конструкторам более обоснованно подходить к выбору рациональных конструктивных параметров при проектировании подобного рода механизмов.

Для реализации указанной цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

1) разработаны дискретная модель силового взаимодействия элементов выпускной пары вытяжного механизма и методика определения величины нагрузки на нажимной валик с учетом напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика, процесса баллонирования пряжи и колебаний нагрузки;

2) разработаны модель и методика расчета напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика при кинематическом его взаимодействии с выпускным цилиндром в условиях упруго вязкого контакта;

3) усовершенствована методика расчета колебаний нагрузки на нажимной валик путем учета демпфирующих свойств системы нагружения;

4) разработана комплексная автоматизированная система расчета параметров вытяжного механизма для мокрого прядения льна.

Методы исследования. При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились с применением общих методов теории механизмов и машин, теории дифференциальных уравнений, теоретической механики, теории колебаний, прикладной математики, механики деформируемого твердого тела, теории упругости и пластичности. При разработке алгоритмов и прикладных программ использовались численные математические методы и язык программирования Си. Проверка работоспособности алгоритмов и адекватности моделей проводилась с помощью вычислительных экспериментов на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на стендах с использованием современной электронной измерительной аппаратуры для определения механических и конструктивных характеристик элементов вытяжного механизма с целью использования их в инженерных расчетах.

Научная новизна. В результате теоретических и экспериментальных исследований впервые: разработаны методы, алгоритмы и программы: 1) определения величины нагрузки на нажимной валик с учетом ее колебаний, напряженно-деформированного состояния эластичного покрытия валика и натяжения пряжи в баллоне- 2) численного моделирования напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика при кинематическом его взаимодействии с выпускным цилиндром в условиях упруго вязкого контакта- 3) расчета колебаний нагрузки на валик с учетом демпфирующих свойств системы нагруженияна основе разработанных методов получена комплексная автоматизированного система расчета параметров вытяжного механизма для мокрого прядения льнапредложена методика экспериментального определения диссипативных свойств эластичного покрытия валика.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанные методы и пакеты прикладных программ дают возможность аналитически исследовать влияние различных факторов на процесс вытягивания в вытяжном механизме, позволяют обоснованно подходить к выбору рациональных конструктивных параметров подобного рода механизмов и направлены на повышение качества проектирования.

Метод расчета величины нагрузки на нажимной валик с учетом напряженно-деформированного состояния его эластичного покрытия, усовершенствованная методика расчета колебаний нагрузки на валик и комплексная автоматизированная система расчета параметров вытяжного механизма для мокрого прядения льна использованы конструкторским отделом АО «Костроматекстильмаш» при проектировании прядильной машины ПМ-88-Л10.

Метод расчета напряженно-деформированного состояния эластичного покрытия валика при его взаимодействии с жестким цилиндрическим штампом в условиях упруго вязкого контакта и соответствующая компьютерная программа использованы лабораторией РТИ ЦНИИМашдеталь при разработке новых эластичных покрытий нажимных валиков прядильных машин.

Отдельные положения работы в настоящее время используются в учебном процессе на кафедре теории механизмов и машин и проектирования текстильных машин Костромского государственного технологического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку: на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий (Лен — 96)» (г. Кострома, 1996 г.), на семинаре по теории механизмов и машин Костромского филиала Российской академии наук (г. Кострома, декабрь 1996 г.), на республиканской научно-технической конференции «Комплексное использование волокнистого сырья при производстве товаров широкого потребления» (г. Ташкент, 1997 г.), на международной научно-технической конференции «Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве (Прогресс — 97)» (г. Иваново, 1997 г.), на всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии текстильной промышленности» (г. Москва, 1997 г.), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Лен — 98) (г. Кострома, 1998 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на 196 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков и 4 таблицы и состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из 73 наименований и приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ работ, посвященных вытяжным механизмам, показал, что их расчет и проектирование ведется без полного учета сил, действующих в зажиме выпускной пары, и без учета скоростных показателей работы механизма.

2. Получена дискретная модель силового взаимодействия элементов выпускной пары вытяжного механизма и разработана методика определения величины нагрузки на нажимной валик с учетом напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика, процесса баллонирования пряжи и колебаний нагрузки.

3. Компьютерный анализ силового взаимодействия элементов выпускной пары показал, что основной причиной ее нестабильной работы являются колебания нагрузки на нажимной валик.

4. Определение формы баллона и натяжения пряжи в нем целесообразно проводить численным методом с итерационным продолжением решения по выбранному параметру.

5. Получена математическая модель и разработана методика расчета напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика при его взаимодействии с выпускным цилиндром в условиях упруго вязкого контакта.

6. Анализ напряженно-деформированного состояния поверхности эластичного покрытия валика показал, что вязкая составляющая деформации определяет влияние скорости выпуска на условия зажима продукта в выпускной паре.

7. Предложены методики идентификации упругих характеристик и диссипативных свойств эластичного покрытия путем силового возмущения колебательной системы с включенным в нее валиком.

8. Получена обобщенная динамическая модель системы нагружения нажимного валика с учетом ее упругодемпфирующих свойств и разработана методика расчета величины колебаний нагрузки на валик.

9. Компьютерный анализ влияния скорости выпуска пряжи, эксцентриситетов валика и цилиндра, упругодемпфирующих свойств эластичного покрытия на величину колебаний нагрузки показал: 1) при скорости выпуска до 50 м/мин величины колебаний нагрузки для разных эксцентриситетов левой и правой тумбочек валика практически одинаковые, далее наблюдается их расхождение, поэтому необходимо, чтобы при увеличении скорости выпуска эксцентриситеты левой и правой тумбочек имели близкие значения- 2) при увеличении скорости выпуска свыше 100 м/мин необходимо, чтобы допуск на радиальное биение нажимного валика был не более 0.04 мм, а рифленого цилиндра — не более 0.06 мм- 3) при повышении скорости выпуска свыше 100 м/мин необходимо, чтобы жесткость эластичного покрытия была не более 5ТО5 Н/м, что соответствует твердости — 70 относительных единиц по Шору- 4) увеличение коэффициента демпфирования эластичного покрытия валика снижает величину колебаний нагрузки, причем интенсивность этого снижения растет с повышением скорости выпуска пряжи. Ю. Комплексная автоматизированная система расчета вытяжного механизма обеспечивает нахождение рациональных значений его параметров при широком диапазоне факторов варьирования. 11. Разработанные в диссертации методы и программы расчета использованы АО «Костроматекстильмаш» при проектировании прядильной машины ПМ-88-Л10 и применяются в исследованиях лабораторией РТИ ЦНИИМашдеталь при разработке новых эластичных покрытий нажимных валиков прядильных машин.

1. Адыров ИВ. Исследование полей сил трения в вытяжных приборах. Дис. канд. техн. наук. — М., 1961.

2. Александров С. А., Кленов В. Б., Курилко В. Н. Стенд для изучения процесса баллонирования нити. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 1970, № 6.

3. Артоболевский И. И. Теория механизмов: Учебник. — М.: Наука, 1967.

4. Белов М. Ф. Трение хлопковых волокон в зажиме вытяжной пары и исследование задней зоны с изогнутым полем вытяжного прибора прядильной машины. Дис.. канд. техн. наук. — М., 1964.

5. Белов М. Ф. Совершенствование процесса формирования пряжи за счет снижения крутильных колебаний цилиндров ровничных и прядильных машин. Дис. докт. техн. наук. — Кострома, 1982.

6. Бенерджи 77., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках: Перев. с англ. — М.: Мир, 1984.

7. Болдинский Г. И. Исследование инерционности нагружающих устройств вытяжных приборов прядильных и ровничных машин. Сб. «Исследования по аналитической механике». — Ташкент, 1965.

8. Борисова H.H. Исследование собственных частот, автоколебаний и крутильных колебаний вытяжных цилиндров прядильных машин П-76-ИГ-1М и П-83−5М. Дис. канд. техн. наук. — М., 1972.

9. Будаков К. Д., Мартиросов A.A., Попов Э. А., Туваева A.A. Основы теории, конструкция и расчет текстильных машин: Учебник. — М.: Машиностроение, 1975.

10. Вирин E.JI. Повышение долговечности и работоспособности эластичных покрытий нажимных валиков прядильных машин. Дис.. канд. техн. наук. — Кострома, 1974.

И. Водяник В. И. Эластичные мембраны. — М.: Машиностроение, 1974.

12. Гаврилова А. Б. Исследование влияния конструктивных характеристик вытяжного прибора на неровноту бескруточной пряжи, полученной вьюрковым способом. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1979, № 5.

13. Гавршова А. Б. Исследования влияния параметров вытяжного прибора на качество бескруточной пряжи. Дис.. канд. техн. наук. — Кострома, 1981.

14. Геркет М. М., Ратобылъский В. Ф. Определение моментов инерции. — М.: Машиностроение, 1969.

15. Герц Е. В. Пневматические приводы. — М.: Машиностроение, 1969.

16. Гинзбург Л. Н., Комаров В. Г. и др. Прядение лубяных и химических волокон и производство крученых изделий: Учебник. — М.: Легкая индустрия, 1971.

17. Голъдшмидт В. Г Исследование влияния применения упругих колебаний, генерируемых в жидкой среде в корыте прядильной машины, на качество льняной пряжи и силы, действующие в вытяжном поле. Дис. канд. техн. наук. —-Кострома, 1967.

18. Григорьева К. А. Исследование кольцевой прядильной машины хлопкопрядильного производства с целью повышения ее производительности. Дис. канд. техн. наук. — М., 1976.

19. Дамаскин Б. И. Некоторые вопросы теории расчета и проектирования вытяжного прибора прядильной машины. Дис.. докт. техн. наук. — М., 1954.

20. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия: Перев. с англ. — М.: Мир, 1989.

21. Иванов Л. Н. О влиянии динамических характеристик вытяжного прибора на неровноту, возникающую в процессе вытягивания. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1975, № 2.

22. Ишлинский А. Ю. Трение качения. Прикладная математика и механика. Т.2, вып. 2. —М., 1938.

23. Ишлинский А. Ю. Прикладные задачи механики. Механика вязкопластических и не вполне упругих тел. Кн. 1. — М.: Наука, 1986.

24. Кайдаш М. Д., Мужевич Б. Н., Сухарев В. А. Оценка влияния массы бегунка на натяжение баллонирующей нити. /Черниг. фил. Киев, полит, ин-та — Чернигов, 1986. — 17 с. Деп. в УкрНИИНТИ, № 439-Ук.

25. Корякин Л. В., Живетин В. В. и др. Современная технология и оборудование для мокрого прядения льна. — М.: Легпромбытиздат, 1985.

26. Кодола С Д. Разработка методик расчетов конструктивных параметров вытяжных приборов для мокрого прядения льна. Дис.. канд. техн. наук. — М., 1982.

27. Колесов Е. В. Расчет крутильных колебаний систем приводов рабочих органов текстильных машин на основе уравнения состояния с использованием топологического описания структуры. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1992, № 5.

28. Коритысский Я. И. Колебания в текстильных машинах. — М.: Машиностроение, 1973.

29. Коритысский Я. И. Динамика упругих систем текстильных машин. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982.

30. Королев М. В. Динамические исследования высокоскоростных вытяжных приборов прядильных самокруточных машин. Дис.. канд. техн. наук. — Кострома, 1984.

31. Крауч С., Старфилд А. Методы граничных элементов в механике твердого тела: Перев. с англ. — М.: Мир, 1987.

32. Кузнецов Г. К. Напряженное состояние на поверхностях контакта валков с различными свойствами покрытий. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1972, № 3.

33. Кузнецов Г. К, Фомин Ю. Г. Механика валковых механизмов текстильных машин. Учебное пособие. — Иваново, 1989.

34. Мавроматис A.C. Об условиях расчета необходимой нагрузки на вытяжной паре ровничных и прядильных машин. Дис.. канд. техн. наук. — Ташкент, 1964.

35. Маркин В. Я., Добровольский П. П. Оптимизация характеристик динамической модели нажимного валика вытяжного прибора ленточных машин. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1975, № 3.

36. Мартиросов A.A., Смирнов A.C. Аналитическое исследование динамики вытяжной пары высокоскоростного вытяжного прибора самокруточной прядильной машины фирмы «Репко» (Австралия). //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1976, № 1.

37. Мартиросое A.A., Мараховский В. А., Смирнов A.C. Проектирование вытяжных приборов с применением ЭВМ. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1977, № 5.

38. Мельников Е. Б., Голъдин А. Д. Определение напряжений и деформаций зоны контакта двух валов с эластичными покрытиями. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1975, № 2.

39. Мигушов И. И. К решению задачи стационарного движения баллонирующей нити в сопротивляющейся среде. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 1972, № 4.

40. Мигушов И. И. Краевая задача стационарного и квазистационарного движения баллонирующей нити. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 1975, № 5.

41. Мигушов И. И. Расчетные формулы для бесконтактного способа определения натяжения баллонирующей нити. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 1978, № 2.

42. Мигушов И. И. Механика текстильной нити и ткани. — М.: Легкая индустрия, 1980.

43. Мигушов ИИ, Мей Шун Чи. Динамика баллона нити. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 1994, № 3.

44. Мужевич Б. Н., Сухарев В. А., Кайдаш М. Д., Риттер Э. В. Исследование натяжения нити в баллоне крутильно-вытяжной машины. /Черниг. фил. Киев, полит, ин-та — Чернигов, 1986. — 15 с. Деп. в УкрНИИНТИ, № 440-Ук.

45. Ольшевская Г. Ш. К вопросу о неровноте продуктов прядения из вискозного штапельного волокна. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1966, № 3.

46. Павлов Ю. В. Оптимальная толщина эластичных покрытий. — Текстильная промышленность, 1968, № 7.

47. Петровский B.C., Кузнецов Г. К. Анализ характера взаимодействия валковых механизмов с обрабатываемым материалом. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1983, № 4.

48. Попов Э. А. Влияние неуравновешенности нажимного валика на динамику вытяжной пары. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1980, № 6.

49. Потураев В. Н., Дырда В. И. Резиновые детали машин. — М.: Машиностроение, 1977.

50. Проталинский С. Е., Смирнов C.JI. Устройство для измерения натяжения пряжи на кольцевой прядильной машине. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 1997, № 3.

51. Работное Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. — М.: Наука, 1979.

52. Румянцев A.A. Напряженно-деформированное состояние упругого кольцевого покрытия жесткого цилиндра, вызванное давлением штампа. Дис. канд. техн. наук. — Воронеж, 1970.

53. Румянцев A.A. Теория и метод построения численных квазистатических и квазиплоских моделей силовых взаимодействий в валковых механизмах текстильных машин. Дис.. докт. техн. наук. — М., 1987.

54. Севостъянов А. Г. Методы исследования неровноты продуктов прядения. —М.: Ростехиздат, 1962.

55. Севостъянов А. Г. Магнитные валики и силы, действующие в вытяжных приборах. — М.: Гизлегпром, 1963.

56. Севостъянов А. Г., Левин A.A., Голъдин А. Д. Исследование зажима хлопчатобумажной ленты в вытяжной пре. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1974, № 3.

57. Севостъянов А. Г., Севостъянов П. А. Моделирование технологических процессов (в текстильной промышленности). — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984.

58. Семенко Л. П. Экспериментальное определение натяжения нити между бегунком и патроном кольцепрядильной машины. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 1970, № 2.

59. Талепоровский Ю. Л. Экспериментальной исследование зоны контакта двух валов. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1970, № 6.

60. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. — М.: Наука, 1967.

61. Терюшнов A.B. Влияние состояния прядильных машин на обрывность и меры борьбы за их высокую производительность. — М.: Гизлешром, 1955.

62. Терюшнов A.B., Бадалов К. И., Кузин В. А. Исследование вытяжных приборов сверхвысокой вытяжки. — Текстильная промышленность, 1970, № 3.

63. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле. —М.: Наука, 1967.

64. Титов С. Н. Комплексный анализ и усовершенствование мотального механизма ПСК-225-ЛО. Дис. канд. техн. наук. — Кострома, 1994.

65. Турчин Г. И. Исследование колебаний звеньев механизма вытяжного прибора. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1979, № 5.

66. Фомин Ю. Г. Определение жесткости покрытия эластичных валов. Сб. «Повышение эффективности оборудования путем совершенствования конструкций текстильных машин». —Ярославль, 1987.

67. Фостер Г. А. Р. Основы процесса вытягивания и неровнота. Перев. с англ. —М.: Ростехиздат, 1962.

68. Чен В. Н. Исследование работоспособности отдельных элементов вытяжного прибора хлопкопрядильной машины. Дис.. канд. техн. наук. — Кострома, 1981.

69. Шукуров М. М. Исследование работы вытяжных пар ленточных машин для переработки хлопка. Дис. канд. техн. наук. —М., 1969.

70. Шуп Т. Е. Прикладные численные методы в физике и технике. — М.: Высшая школа, 1990.

71. Элъ-Миссири М. А. Исследование некоторых вопросов динамики вытяжных приборов хлопкопрядильных машин. Дис.. канд. техн. наук. —М., 1970.

72. Яблонъски В. Исследование разных способов нагрузки валиков в вытяжных приборах кольцепрядильных машин. //Изв. вузов. Технология текстильной промышленности, — 1964, № 4.

73. MathCAD 6.0 PLUS. Финансовые, инженерные и научные расчеты в среде Windows 95. Перев. с англ. — М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1996.