Разработка и обоснование новой конструкции крутильного механизма прядильной машины с использованием принципа качения бегунка по кольцу

Многочисленные археологические находки, проводимые на территории современной Европы, Средней Азии, Африки, Южной и Северной Америк показывают (рис. 1,2), что одним из древнейших орудий производства является прядильное веретено /3,17,34/. Это не удивительно, так как во все времена одной из жизненных необходимостей человека была и остается одежда, которая предохраняет его от переохлаждения или перегрева, а также служит предметом различных социальных и других атрибутов, выражающих личность человека, его принадлежность к той или иной расе или религии. Именно веретено позволяет из отдельных волокон получить достаточно прочную нить /3,17/.

Первые механические прялки (рис.3) появились практически одновременно в различных частях Европы, в том числе в России /17/, в середине 16 века, и представляли собой рогульчатое веретено (рис.4), вращающееся с помощью ножного привода. Над усовершенствованием прялки (рис.5) в XV веке работал и великий ученый и изобретатель Леонардо да Винчи /3/, что говорит о важности и сложности проблем прядения.

Остатки Гм' глниявого мреммое ««ретем uummro «не «•""• кк|, mtuHiwe юго ее», i Tei ритораа мйдевное на.

CCCf территории Ulacluapa* рис. 1.

Схема ручного прадемия рис. 2 Руссы* иколрадк* рис. 3.

Рогульчатое веретено самопрялки рис. 4.

Ii 13 U I?. C"Of. ыка Леонардо да Винчи рис. 5.

Первая прядильная машина «Дженни» была создана в Англии усилиями Д. Гарриссона и Р. Аркрайта в 1767 году, и затем, в 1775 году была усовершенствована С. Кромптоном, который объединил первый вытяжной аппарат с подвижной кареткой с веретенами машины Дженни /3/ и получил первую прядильную машину непрерывного действия.

Дальнейшее развитие и совершенствование прядильной машины привело к трансформации рогульки в колпак и созданию:

— рогулъчатой прядильной машины с вытяжным аппаратом и колпачными веретенами со свободно надетыми на них фланцевыми катушками (рис.6);

— сельфакторной. машины с разделенными процессами кручения и наматывания пряжи (рис.7);

— кольцепрядильной машины с вытяжным аппаратом и веретенами (рис.8);

— комбинированной колпачной прядильной машины с подвесной рогулькой в виде колпака и веретеном от кольцепрядильной машины (рис.9), разработанной в СССР в 1930;1935 годах советским инженером Зворыкиным.

17/, я иг • рис. 6 рис.7.

Подмена! ро-Пиым системы.

И. Л Заорышш рис. 8 рис.9.

Рогульчатые и колпачные прядильные машины .и сельфакторы успешно использовались во всем мире более 200 лет, при этом пряжа из хлопка, шерсти и льна низких и средних номеров вырабатывалась в основном на рогульчатых и колпачных прядильных машинах, а пряжа средних и высоких номеров, — на сельфакторах.

Сельфакторы и колпачные прядильные машины были вытеснены кольцепрядильными машинами в конце- 19 и средине 20 веков, так как благодаря малому весу бегунка обеспечивали более высокую скорость (производительность) веретен и более широкий ассортимент вырабатываемой пряжи из длинных (лен, шерсть) и коротких (хлопок) волокон.

Сегодня кольцевые прядильные машины составляют около 80 процентов мирового парка прядильных машин /6,10,50/, а остальные 20% парка, составляют пневмопрядильные машины, разработанные в 1955;1960 годах в СССР, совместно со специалистами из Чехословакии.

Кольцевой способ прядения был создан в 1828 году американским инженером Торпсом /3/, а первая кольцевая прядильная машина была продемонстрирована на Всемирной выставке в Париже в 1878 году, то есть через пятьдесят лет, что говорит о сложности решаемой задачи.

Длительное. время пару «кольцо-бегунок» специалисты считали неработоспособной парой из-за огромных нагрузок, возникающих в месте контакта бегунка с кольцом /28/, однако уже в начале 20 века кольцевые прядильные машины практически полностью вытеснили рогульчатые колпачные) машины и сельфакторы, так как могли вырабатывать пряжу в самом широком ассортименте при скорости веретен до 15 ООО об/мин.

Современные кольцепрядильные машины работают со скоростью вращения веретена до 25 ООО об/мин., и уже более 150 лет, кольцевой способ прядения различных волокон не имеет альтернативы. Это объясняется тем, что и сегодня только кольцевой способ прядения обеспечивает одновременно и наивысшее качество, и самый широкий ассортимент вырабатываемой пряжи с максимальной (до 25 ООО об/мин) скоростью веретен.

Однако, по единодушному мнению ведущих специалистов в области прядения из различных стран мира, потенциал кольцевых прядильных машин практически исчерпан, в значительной степени из-за большой силы трения бегунка о кольцо, что ограничивает скорость вращения бегунка по кольцу (пределом скорости бегунка считается скорость в 45−50 м/сек), и приводит к быстрому износу бегунка. Для стального бегунка ресурс работы равен 200 250 часов, для полиамидного, — 8−32 часа /28,41,42/.

За последние 100 лет производительность кольцепрядильных машин увеличилась незначительно /9/, и в основном за счет механизации вспомогательных операций (использования автоматического съема паковок и замены ровницы), а также за счет уменьшения диаметра кольца и агрегирования прядильной машины с мотальным автоматом. Кроме того, себестоимость кольцевой пряжи остается сравнительно высокой, из-за большой доли ручного труда при устранении обрыва нити.

Кольцепрядильная машина (рис. 10 и 10а)' содержит три основных узла, вытяжной прибор, веретено и пару «кольцо-бегунок», определяющих ее основные технические характеристики /36,37/. При этом веретена и вытяжной прибор имеют и сегодня значительный потенциал, и только пара «кольцо-бегунок» сдерживает рост производительности кольцепрядильной машины. Именно поэтому специалисты и ученые различных стран мира постоянно ищут пути совершенствования пары «кольцо-бегунок» /9/. Сущность процесса кольцевого прядения состоит в том, чтобы:

— путем вытягивания в вытяжном приборе, и скручивания (прядения) отдельных волокон с помощью вращения веретена и бегунка получить пряжу определенной тонины и с заданными физико-механическими свойствами;

— за счет разницы скоростей вращения бегунка и веретена намотать полученную пряжу на паковку с определенной плотностью и весом. рис. 10 рис. 10а.

Бегунок активно участвует и в процессе кручения и в процессе наматывания пряжи на паковку, что делает его, несмотря на малые размеры и чрезвычайно малый вес (сотые доли грамма) одним из важнейших элементов крутильного механизма машины, при этом именно бегунок сдерживает рост производительности и ассортиментные возможности машины /6,16,50/, из-за больших сил трения, возникающих в месте контакта бегунка с кольцом и/или с пряжей.

Целью данной работы является разработка новой концепции пары «кольцо-бегунок», в которой принцип скольжения бегунка по кольцу заменен на принцип его качения /13,14,27/, что автоматически обеспечивает кардинальное и комплексное решение указанных выше проблем кольцевого прядения, так как коэффициент трения качения на два порядка меньше коэффициента трения скольжения.

В данной работе предполагается:

• разработать и обосновать новую конструкцию крутильного устройства в виде пары «кольцо-бегунок», в которой принцип скольжения бегунка по кольцу заменен на более прогрессивный принцип его качения;

• определить силы, возникающие в новой паре «кольцо-бегунок» и степень их влияния на силу натяжение и уровень обрывности нити, а также на срок службы бегунка;

• определить зависимости геометрических параметров круглого бегунка и нового кольца, обеспечивающие движение бегунка с минимальным износом и без заклинивания, а также движение нити с минимальным натяжением и без защемления.

• подтвердить практически (путем производственных испытаний опытного образца нового крутильного устройства) работоспособность и эффективность замены принципа скольжения бегунка по кольцу, на принцип его качения, а также показать способы быстрого и удобного обслуживания машины с новой парой «кольцо-бегунок», так как без них любая идея не имеет перспектив на ее практическую реализацию.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

Основываясь на приведенных выше теоретических расчетах и результатах производственных испытаний опытных образцов двух вариантов принципиально новой пары «кольцо-бегунок» можно утверждать, что цели данной работы, которые заключались в определении возможности использования принципа качения бегунка по кольцу вместо принципа его скольжения и в выявлении основных закономерностей в работе и конструировании новой пары «кольцо-бегунок» выполнены полностью.

1 .Результаты лабораторных и производственных испытаний первого варианта новой пары «кольцо-бегунок» (бегунок в виде тора и кольцо с радиальными пермычками) прямо и косвенно подтвердили факт качения нового бегунка по кольцу, что в свою очередь позволяет:

— увеличить срок службы и стальных и пластмассовых бегунков в 10−100 раз, соответственно, за счет снижения сил трения между бегунком и кольцом;

— дополнительно увеличить срок службы пластмассового бегунка в 5−100 раз (в зависимости от абразивных свойств вырабатываемой пряжи) за счет нового контакта бегунка с нитью и отсутствия канавки на теле бегунка в месте его контакта с нитью;

— снизить уровень обрывности пряжи на 10−20 процентов, в зависимости от характеристики волокна и номера пряжи;

— без больших затрат модернизировать кольцепрядильную машину.

При этом необходимо указать, что из-за особенности конструкции первого варианта кольца пряжа имеет сложную траекторию и большой угол у огибания бегунка нитью, что ограничивает скоростные и ассортиментные возможности новой идеи.

Таким образом, первый вариант новой пары «кольцо-бегунок» целесообразно использовать при производстве пряжи низких и средних номеров (до Nm 40) или пряжи из высоко абразивных волокон (например, шерсти или стекловолокна), а также в случаях, когда используются полиамидные бегунки.

2. Второй вариант новой пары «кольцо-бегунок» имеет сложную систему крепления внутреннего кольца, что с одной стороны усложняет и удорожает конструкцию прядильной машины, но с другой, стороны, сложная конструкция новой пары «кольцо-бегунок» позволила создать принципиально новое взаимодействие бегунка с кольцом и бегунка с нитью. Например, впервые в мировой практике удалось нейтрализовать негативное влияние радиальной Рх и вертикальной Pz сил на работу бегунка и исключить рывки, перекосы и заклинивание бегунка на кольце. Эти усовершенствования, в сочетании с принципом качения бегунка по кольцу позволили полностью реализовать весь потенциал новой идеи, в том числе обеспечить оптимальные условия для движения бегунка по кольцу, а также оптимальную траекторию движения нити и минимальный угол огибания бегунка нитью.

Теоретические расчеты и предварительные результаты испытаний модели второго варианта новой пары «кольцо-бегунок» показали, что второй вариант новой пары «кольцо-бегунок» превосходит первый вариант по всем показателям, так как позволяет:

• увеличить скорость бегунка до 100 м/сек (в два раза);

• увеличить срок службы бегунка до 5000 часов (до года);

• снизить уровень обрывности пряжи на 30−40 процентов;

• резко расширить ассортимент вырабатываемой пряжи (от КГт 1 до Ыш 400).

При этом необходимо указать, что изготовление и эксплуатация второго варианта новой пары «кольцо-бегунок» требуют достаточно высокой точности изготовления и сборки и модернизации ряда узлов и деталей кольцепрядильной машины.

Второй вариант новой пары «кольцо-бегунок» универсален и потому его целесообразно использовать на новой кольцепрядильной машине для прядения средних и высоких номеров пряжи из различных натуральных и искусственных волокон, а также их смесей.

3. Установленные в работе математические зависимости геометрических параметров нового крутильного устройства для кольцевой прядильной машины бегунка позволяют проектировать крутильное устройство с максимально возможным сроком службы бегунка и кольца, а также с минимальным уровнем обрывности вырабатываемой пряжи.