Совершенствование процессов разрыхления, очистки и смешивания для производства хлопкольняной пряжи

Актуальность работы.

В настоящее время одним из наиболее распространенных видов волокнистого сырья, выращиваемого на территории Российской Федерации, является лен. Современные технологии промышленного производства позволяют вырабатывать из него котонин, который используется при производстве смесовой хлопкольняной пряжи. Добавление котонина к хлопку заметно снижает стоимость пряжи и, кроме того, улучшает ее гигиенические свойства. Немаловажно и то, что при этом используются традиционные технологии хлопкопрядения.

Современный подход к качеству выпускаемой хлопкольняной пряжи требует постоянного улучшения процессов подготовки полуфабрикатов прядильного производства. С учетом неоднородности котонизированных волокон это особенно актуально на таких основных этапах обработки волокон, как разрыхление, очистка и смешивание.

В процессе разрыхления и очистки котонизированные волокна проходят через технологические зоны, ряд которых в настоящее время не имеет обоснованных математических моделей для описания протекающих в них процессов. В частности, к таким процессам относится волокнопереход между пильчатыми гарнитурами вращающихся барабанов с учетом принудительного разделения исходного потока, состоящего из котонизированных волокон, на две составляющие, одна из которых содержит мягкие волокна, а другаяжесткие, процесс их аэродинамического съема, а также процесс движения волокнистых компонентов в вертикальных камерах смешивающих машин, сопровождающийся обеспыливанием.

Отличающийся закостренностью и содержанием жестких волокон котонизированный лен проявляет специфические особенности в процессе сжатия в вертикальных камерах дозаторов-смесителей. Поэтому актуальным является решение проблемы математического моделирования движения котонизированных волокон и их обеспыливания в смешивающих машинах в соответствии с законами механики и аэродинамики. В связи с закостренностью котонизированных волокон возникает необходимость производить при подготовке очистку до предельно допустимых значений параметров костринок в них, чтобы снизить обрывность в процессе формирования пряжи. Существующий уровень теоретических исследований механики обрыва пневмомеханической пряжи не позволяет заранее прогнозировать эти параметры. Вместе с тем хлопкольняной полуфабрикат нуждается в дополнительной очистке от костры и жестких волокон в процессе дискретизации. Однако современные пневмомеханические прядильные машины, предназначенные для хлопкопрядения, в значительной степени не приспособлены для очистки котонизированных волокон, что вызывает необходимость создания принципиально новых теоретически обоснованных конструкций узлов дискретизации.

Целью диссертационной работы является совершенствование процессов разрыхления, очистки и смешивания при производстве хлопкольняной пряжи.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

— разработка теории процесса одностороннего волокноперехода между пильчатыми гарнитурами двух вращающихся барабанов;

— вывод математической модели для расчета угловых значений дуги аэросъема в зависимости от параметров гарнитуры, радиуса, частоты вращения барабана и скорости снимающего воздушного потока;

— разработка эффективного устройства для разрыхления, очистки и перераспределения котонизированных волокон с двумя узлами аэросъема;

— вывод уравнения, моделирующего процесс движения котонизированных волокон и их обеспыливания в вертикальной камере дозатора-смесителя;

— вывод зависимости для расчета линейной плотности настила на выходе из вертикальной камеры дозатора-смесителя с учетом геометрических параметров камеры, механических характеристик котонизированных волокон, аэродинамических условий в незаполненной части вертикальной камеры дозатора-смесителя и разряжения, создаваемого обеспыливающей системой;

— вывод теоретической зависимости, характеризующей выравнивающую способность модуля дозатора-смесителя;

— разработка алгоритма и программы для расчета оптимальных параметров дозатора-смесителя;

— разработка математической модели для расчета крутки пряжи на входе на фрикционную поверхность воронки в момент появления костринки в баллонирующем участке;

— вывод зависимости предельно допустимой массы и размеров костринки в полуфабрикате от радиуса прядильного ротора, частоты его вращения и линейной плотности хлопкольняной пряжи;

— разработка экспериментального устройства для определения крутки пряжи в камере ротора пневмомеханической прядильной машины;

— разработка дискретизирующего устройства пневмомеханической прядильной машины с контролируемыми воздушными потоками для выработки хлопкольняной пряжи.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, векторного анализа, аналитической геометрии, теории обыкновенных дифференциальных уравнений, численные методы прикладной математики, методы теории механики гибкой нити. Экспериментальные исследования проводились на лабораторном и действующем производственном оборудовании с использованием стандартных методик и современной измерительной аппаратуры. Расчеты осуществлялись на ЭВМ с применением современного математического программного пакета МаШсаё.

Достоверность и обоснованность. Математические модели технологических объектов разрабатывались на основе законов механики. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна.

В рамках развития теоретического обоснования процессов разрыхления, очистки и смешивания волокнистых материалов в производстве хлопкольняной пряжи впервые получены следующие научные результаты:

— разработана теория процесса одностороннего перехода котонизированных волокон между пильчатыми гарнитурами двух вращающихся барабанов, в ходе которого со второго барабана узлом аэросъема удаляется остаточный слой волокон;

— выведена математическая модель для расчета угловых значений дуги аэросъема волокон в зависимости от параметров гарнитуры, радиуса, частоты вращения барабана и скорости снимающего воздушного потока;

— проведено математическое моделирование процесса перераспределения котонизированных волокон между узлами аэросъема разработанного разрыхлителя-очистителя;

— на основе законов механики и аэродинамики выведено уравнение, моделирующее процесс движения котонизированных волокон и их обеспыливания в вертикальной камере дозатора-смесителя;

— получена зависимость для расчета линейной плотности настила на выходе из вертикальной камеры дозатора-смесителя с учетом геометрических параметров камеры, механических характеристик котонизированных волокон, аэродинамических условий в незаполненных частях вертикальных камер дозатора-смесителя и разряжения, создаваемого обеспыливающей системой;

— теоретически доказано, что линейная плотность настила, производимого одним модулем дозатора-смесителя, возрастает пропорционально разности между давлением над волокнистым столбом в вертикальной камере и давлением во всасывающих отверстиях в боковых стенках дозатора-смесителя;

— теоретически выведена зависимость, характеризующая выравнивающую способность дозатора-смесителя, и разработан алгоритм для оптимизации его параметров;

— разработана математическая модель для расчета крутки пряжи на входе на фрикционную поверхность пряжевыводной воронки при наличии костринки, включенной в баллонирующий участок пряжи;

— доказано, что наличие включенной в пряжу костринки приводит к снижению крутки пряжи на входе на фрикционную поверхность пряжевыводной воронки и, следовательно, к снижению уровня крутки на баллони-рующем участке;

— выведена зависимость предельно допустимой массы протяженной костринки, включенной в пряжу, от радиуса прядильного ротора, частоты его вращения и линейной плотности хлопкольняной пряжи;

— разработаны метод расчета, алгоритм и компьютерная модель для расчета траекторий движения сорных частиц при дискретизации волокон в пневмомеханическом прядильном устройстве.

Новизна разработанных технических решений защищена свидетельствами на полезную модель № 111 141 РФ (опубл. 10.12.2011) и № 119 344 РФ (опубл. 20.08.2012). В Федеральный институт промышленной собственности поданы заявка на изобретение (№ 2 011 131 281/12 от 02.08.2011) и заявка на полезную модель (№ 2 012 132 803/12 от 31.07.2012) и получены положительные решения о выдаче патентов РФ.

Новизна разработанного программного обеспечения защищена свидетельством о государственной регистрации № 2 011 616 800 (опубл. 1.09.2011).

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Практическая реализация работы осуществлялась на ОАО «Прядильное ткацкая фабрика № 1» (г. Фурманов, Ивановская обл.), ООО «Южа-текстиль» г. Южа, Ивановская обл.), ООО СП «RUSО'ZBEKTEKS» (г. Рештан, Республика Узбекистан). Разработанные программные продукты применялись для оптимизации процессов смешивания и дискретизации волокон.

Результаты работы могут быть использованы при модернизации действующего оборудования, в научных и экспериментальных исследованиях в области разрыхления, смешивания и очистки волокнистых материалов, в учебном процессе.

Апробация работы. Материалы по теме диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку:

— на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс, г. Иваново, 2008, 2010 гг.);

— межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученыеразвитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск, г. Иваново, 2008. 2012 гг.);

— международной научно-технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности». — РосЗИТЛП, Москва,.

2008 г.;

— межвузовской научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ — производству». — КГТУ, Кострома, 2009, 2011 г.;

— всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности».- Санкт-Петербург, 2008, 2010 г.;

— всероссийской научной студенческой конференции «Современные технологии текстильной промышленности (Текстиль XXI века)».- Москва,.

2009 г.;

— международной научно-технической конференции «Интеллектуальный потенциал-источник возрождения текстильной промышленности». -ЮРГУЭС, Шахты, 2009 г.;

— международной научно-практической конференции «Инновационное развитие пищевой, легкой промышленности и индустрии гостеприимства». -Алматинский технологический университет, Республика Казахстан, Алматы, 2012 г.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований представлены 4 статьями в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций, 22 тезисами докладов научно-технических конференций, 2 патентами на полезную модель и свидетельством о государственной регистрации программы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 193 листах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка из 106 наименований, содержит 7 таблиц, 56 рисунков и 3 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Известные до сих пор математические модели процесса волокнопе-рехода с одного рабочего органа с пильчатой гарнитурой на другой основаны на значительных приближениях и не в полной мере отражают реальный процесс. Кроме того, в данных работах при описании процесса аэросъема волокон с пильчатой гарнитуры не учитываются некоторые факторы, в частности, зависимость коэффициента аэродинамического сопротивления волокна от скорости воздушного потока.

2. Усовершенствованная теория процесса волокноперехода между пильчатыми поверхностями вращающихся барабанов базируется на законе сохранения массы и методах теории подобия. В рамках развития данной теории впервые проведены теоретические исследования процесса одностороннего волокноперехода между пильчатыми гарнитурами двух вращаю.

4 щихся барабанов. Выведена математическая модель для расчета угловых значений дуги аэросъема волокон в зависимости от параметров гарнитуры, радиуса, частоты вращения пильчатого барабана и скорости снимающего воздушного потока.

3. Разработаны и исследованы новые разрыхлители-очистители, обеспечивающие процессы разрыхления, очистки, съема, транспортировки и перераспределения волокнистых материалов (положительные решения на заявки № 2 011 131 281/12 и № 2 012 132 803/12). В результате исследования получены математические зависимости, позволяющие проектировать выход массы волокнистого материала в единицу времени из узлов аэросъема в зависимости от радиусов и частот вращения рабочих органов, разводок между ними и высоты расположения кончиков волокон над зубьями барабанов. Производственные испытания показали преимущество разработанного разрыхлителя-очистителя перед существующими, заключающееся в том, что выход мягкой фракции котонизированных льняных волокон с разработанного трехбарабанного разрыхлителя-очистителя в 1,8 раза выше, чем с двухбара-банного.

4. В результате исследований дозатора-смесителя, проведенных в производственных условиях, на основе законов механики и аэродинамики выведено уравнение, моделирующее процессы движения волокон и их обеспыливания в вертикальных камерах дозатора-смесителя. Получена зависимость для расчета линейной плотности настила на выходе из дозатора-смесителя с учетом геометрических параметров камер, механических характеристик волокнистой смеси, аэродинамических условий в незаполненной части камер дозатора-смесителя и создаваемого обеспыливающей системой разряжения.

5. Теоретически доказано, что линейная плотность настила, производимого одним модулем дозатора-смесителя, возрастает пропорционально перепаду давлений между незаполненной частью вертикальной камеры и патрубком обеспыливающей системы. Выведена аналитическая зависимость для расчета выравнивающей способности модуля дозатора-смесителя. Разработаны алгоритм и программа для расчета оптимальных параметров дозатора-смесителя (свидетельство о государственной регистрации № 2 011 616 800).

6. Теоретически обосновано влияние костринки, включенной в пряжу, на протекание технологического процесса при пневмомеханическом способе прядения. В рамках этих исследований разработан метод расчета крутки пряжи на входе на фрикционную поверхность пряжевыводной воронки при наличии костринки, включенной в баллонирующий участок пряжи, доказывающий, что это приводит к снижению уровня крутки на баллонирующем участке, и, следовательно, является одной из причин обрывности. Разработано экспериментальное устройство для определения крутки пряжи в камере ротора пневмомеханической прядильной машины (патент на полезную модель № 111 141 РФ).

7. Выведена зависимость предельно допустимой массы и размеров протяженной костринки, включенной в баллонирующий участок пряжи, от радиуса прядильного ротора и частоты его вращения. Полученная зависимость позволяет рассчитывать предельно допустимые параметры протяженных костринок в полуфабрикате.

8. Проведено компьютерное моделирование траекторий движения сорных частиц и жестких котонизированных льняных волокон с разными аэродинамическими характеристиками в сороотводящем канале. На основе результатов расчетов доказано, что снижение расхода воздуха в транзитном потоке в сороотводящем канале способствует интенсификации выделения сорных частиц и жестких волокон в отходы.

9. Разработано дискретизирующее устройство, обеспечивающее повышение эффективности выделения в отходы сора и жестких волокон с одновременным уменьшением потерь прядомых волокон при выработке хлоп-кольняной пряжи на пневмомеханических прядильных машинах (патент на полезную модель № 119 344 РФ). Производственные испытания разработанного дискретизирующего устройства при получении хлопкольняной пряжи подтверждают его преимущество перед существующими, о чем свидетельствует увеличение разрывной нагрузки на 9,1%, уменьшение коэффициента вариации по разрывной нагрузке на 13,8%.

10. Результаты производственных испытаний разработанного разрыхлителя-очистителя, встроенного в технологическую цепочку для получения хлопкольняной пневмомеханической пряжи, показали, что удельная разрывная нагрузка полученной пряжи возросла на 15,3%, а коэффициент вариации по разрывной нагрузке снизился на 14,1%.