Совершенствование технологических операций формирования и наматывания пряжи на кольцевой прядильной машине

Актуальность темы

диссертации.

Важнейшей задачей, стоящей перед отечественными текстильщиках"!, является повышение производительности оборудования и вместе с тем создание качественных, конкурентно-способных тканей. Эта задача осложняется тем, что в условиях жесточайшей конкурентной борьбы за рынок сбыта готовой продукции, техническая политика, по существу, не предусматривает перспективу развития отрасли. В этой связи огромное, определяющее значение имеет качество выпускаемой продукции и её себестоимость, причём на каждом технологическом переходе текстильного производства. Это вызывает необходимость создания новой техники и технологии, а также модернизации работающего оборудования.

Известно, что в нашей стране, начиная с 70-х годов прошлого столетня, приоритет в производстве пряжи был отдан пневмомеханическому способу прядения взамен традиционному кольцепрядению. Однако в стремлении за ростом производительности прядильной машины и производительности труда не придавалось внимания тому, что пряжа пневмомеханического способа прядения имеет ограниченный ассортимент по линейной плотности и пониженную прочность, что приводит к узкому ассортименту выпускаемых тканей. Учитывая и то, что в течение последних полутора десятка лет парк пневмомеханических машин практически не обновлялся, а запасные части не поступали, то совершенно очевидно, что оборудование пришло к полному физическому износу. Не лучше обстоят дела и с кольцепрядштьными машинами, которые в нашей стране практически не выпускаются с начала 80-х годов прошлого столетия. Использование в прядильном производстве морально и физически устаревшего оборудования привело к резкому спаду производительности труда и росту затрат электроэнергии на производство единицы готовой продукции, повышение себестоимости ткани при её очевидном ухудшении качества. Всё это неизбежно привело к снижению спроса на ткань у потребителей, а вследствие этого к затовариванию готовой продукцией и закрытию производств или отдельных технологических цепочек.

Для решения сложнейшей проблемы связанной с производством пряжи и ткани, которые могли бы успешно конкурировать с продукцией зарубежного производства необходимо найти решение целого ряда задач. Важнейшими, из которых являются: снижение себестоимости пряжи и ткани при значительном улучшении их качества. Решение этих задач невозможно без научных исследований в области совершенствования технологии и оборудования.

Данная работа посвящена традиционному, кольцевому способу прядения. Предпочтение кольцевым прядильным машинам отдано потому, что они способны вырабатывать пряжу широчайшего ассортимента для различного вида тканей. Причём, параллельное расположение волокон в пряже увеличивает суммарную прочность одиночных волокон и эластичность пряжи. Анализ научных работ, посвященных различным способам прядения, показывает, что кольцевому прядению уделяется большое внимание. Кольцевая прядильная машина универсальна и применима для всего диапазона линейных плотностей пряжи, для разнообразнейших видов волокнистого материала различных длин и тонины и их смесей. Однако и она не лишена недостатков. Несовершенство рабочей пары кольцо-бегунок ограничивает скорость вращения веретён, что, в свою очередь, не позволяет повысить производительность оборудования.

Технологические операции формирования и наматывания пряжи на паковку выполняет на кольцевой прядильной машине крутильно-мотальное устройство. Рабочая пара кольцо-бегунок создаёт натяжение нити при наматывании её на паковку. Величина и характер натяжения влияют на уровень обрывности нити, структуру вырабатываемой пряжи и плотность получаемой паковки. Поэтому, натяжение нити является важнейшим технологическим параметром, определяющим в конечном итоге качество готовой продукции и производительность оборудования. Определение факторов, влияющих на натяжение нитей, а также самой величины натяжения, его регулирование и оптимизация имеют большое практическое значение.

Широко известна методика и устройства для экспериментального определения натяжения нити на кольцевых прядильных машинах в зоне выпускной цилиндр — нитепроводник, а также в верхней и нижней частях баллона Однако, вопрос определения натяжения нити в зоне бегунок-паковка, где натяжение в большей степени определяет плотность паковки, не достаточно изучен. Устройства, которые предлагаются для измерения натяжения нити в этой зоне, сложны и не позволяют определить его с достаточной степенью точности.

Решение обозначенной проблемы, т. е., определение натяжения нити в зоне бегунок-паковка, его регулирование и оптимизация является начальным звеном большой научной работы по усовершенствованию кольцевой прядильной машины, модернизации её отдельных узлов, в частности крутильно-мотального механизма. Такая работа уже ведётся. В [112] и [113] представлены варианты крутильно-мотальных устройств, принципиально отличающихся от традиционного тем, что в отличие от рабочей пары кольцо-бегунок, где используется трение скольжения, авторы предложили замешггь механизмом, работа которого основана на действии сил трения качения. Основываясь на том, что при действии сил трения качения износ материала трущейся пары меньше, чем при трении скольжения, авторы предполагают, что это даст возможность в 2−3 раза увеличить частоту вращения веретён и тем самым повысить производительность кольцевых прядильных машин. Совершенствование классического и создание принципиально новых крутильно-мотальных устройств, являются наиболее перспективными направлениями развития кольцевого способа прядения, поэтому требуют глубоких аналитических и экспериментальных исследований.

На основании этого считаем, что тема настоящей диссертационной работы, посвященная совершенствованию технологических операций формирования и наматывания пряжи на кольцевой прядильной машине и, направленная на повышение её производительности и улучшение качества выпускаемой продукции, является весьма актуальной.

Цель и задачи исследования

.

Цель диссертационной работы состоит в повышении производительности кольцевой прядильной машины и улучшении качественных показателей выпускаемой пряжи.

В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие задачи:

1. исследованы технологические операции формирования и наматывания пряжи на кольцевой прядильной машине, определены важнейшие факторы, влияющие на качество пряжи, и причины, ограничивающие производительность оборудования;

2. применена уточнённая методика аналитического определения натяжения нити в зоне бегунок-паковка кольцевой прядильной машины, позволившая по-новому решить проблемы совершенствования технологических операций формирования и наматывания пряжи;

3. разработана и впервые применена методика экспериментального исследования технологических операций формирования и наматывания пряжи крутильно-мотальными устройствами прядильных машин;

4. разработаны и применены для экспериментальных исследований датчик натяжения нити в точке наматывания и приспособление для отбора образца пряжи с участка баллонирования на работающей кольцевой прядильной машине;

5. применена новая методика экспериментального определили крутки пряжи в баллоне кольцевой прядильной машины.

Научпая новнзпа работы.

В диссертационной работе впервые получены следующие научные результаты: разработана методика аналитического и экспериментального определения крутки пряжи в баллоне, определена степень влияния на её величину конструктивных параметров крутильно-мотальных устройствуточнена методика аналитического определения натяжения пряжи, создаваемого крутильно-мотальным устройством, учитывающая непрямолинейность участка пряжи между бегунком и паковкойэкспериментально определена зависимость натяжения нити в точке наматывания от высоты этой точки на паковке, частоты вращения веретён, массы бегунка, радиуса намотки, сочетаний различных типов колец и бегунков, что позволило установить и выполнить необходимые мероприятия для совершенствования технологических операций формирования и наматывания пряжи на кольцевой прядильной машинедля исследования технологической операции наматывания пряжи на паковку предложен метод экспериментального определения объёмной плотности намотки початковв результате аналитического и экспериментального исследований технологических операций формирования и наматывания пряжи, выполненных по предложенным методикам, определены конструктивные параметры крутильно-мотальных устройств и скоростной режим работы прядильной машины, позволяющие повысить производительность оборудования, снизить обрывность и улучшить качество продукции.

Методика исследований При выполнении работы были применены теоретические и экспериментальные методы исследований. В теоретических исследованиях использовались теория дифференциального и интегрального исчислений, теория приближённых вычислений, теория трения и износа, разделы текстильного материаловедения, методы оптимизации и математической статистики.

В экспериментальных исследованиях применён тензометр ический способ измерения натяжения нити, метод фотосъёмки, метод планирования эксперимента. Использовались вновь разработанные способы определения натяжения нити в точке наматывания на паковку и определения крутки пряжи в баллоне на работающей прядильной машине. Технические и качественные характеристики пряжи определялись при помощи современных лабораторных приборов.

Научный результат, полученный лично автором.

— на основании применённых методик аналитического и экспериментального исследования крутильно-мотальных устройств удалось совершенствовать технологические операции формирования и наматывания пряжи на паковку, выполняемые классическим крутильно-мотальным устройством, в результате чего повышена производительность прядильной машины и снижен уровень обрывности пряжи;

— применение вновь разработанной методики определения натяжения нити в зоне бегунок-паковка кольцевой прядильной машины позволило экспериментальным путём определить натяжение нити в точке наматывания и получить зависимость величины натяжения нити от частоты вращения веретён, диаметра намотки, высоты баллона и массы бегунка, сочетания различных типов бегунков и колец;

— разработанное приспособление и технология отбора проб нити с участка её баллонирования позволили получать образцы для исследования, без разрушения структуры и с сохранением параметров вырабатываемой пряжи, что дало возможность точно определить её физико-механические свойства;

— использование разработанной методики определения крутки пряжи в баллоне позволило экспериментально получить зависимость крутки пряжи от различных технологических факторов и конструктивных параметров крутильно-мотальных устройств.

Практическая новнзна и реализация результатов работы.

— разработанная методика экспериментального определения натяжения нити в зоне бегунок-паковка кольцевой прядильной машины, позволяющая установить рациональные условия наматывания нити, рекомендована для использования при модернизации традиционного и конструировании новых крутильно-мотальных устройств;

— разработанная методика определения крутки пряжи в баллоне, позволяющая определить величину крутки, а также влияния на её величину различных факторов, рекомендована для использования при проектировании оборудованияпрактическая значимость методики и устройства для определения натяжения нити в точке наматывания на вращающуюся паковку и баллонирующей вокруг неё нити подтверждена Патентом РФ № 2 202 662.

— разработанная методика позволила экспериментально исследовать технологические процессы формирования и наматывания пряжи на кольцевой прядильной машине с традиционно-мотальной парой кольцо-бегунок и может быть использована при исследовании крутильно-мотальных устройств других конструкций.

В результате аналитического и экспериментального исследования проведено совершенствование технологических операций формирования и наматывания пряжи на кольцевой прядильной машине с крутильно-мотальной парой кольцо-бегунок. Это позволило добиться повышения производительности прядильной машины на 12% и снижения уровня обрывности пряжи в прядении на 8,1%.

Практическая значимость диссертационной работы подтверждена наличием свидетельства РФ на изобретение и свидетельства РФ на полезную модель, актов о внедрении научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на: — научном семинаре ИГТА по проблемам повышения эффективности технологических процессов текстильной и лёгкой промышленности;

— заседании кафедры прядения ИГТА;

— межвузовской научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые учёные — развитию текстильной и лёгкой промышленности» (Поиск-2000), Иваново, 2002 г;

— межвузовской научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности» (Прогресс-2002), Иваново, 2002 г.

1 Международной научно-технической конференции «Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и лёгкой промышленности» (Пиктел-2003), Иваново, 2003 г.

Международной научно-технической конференции «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и лёгкой промышленности» (Прогресс-2004), Иваново, 2004 г.

АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ В ЗОНЕ ФОРМИРОВАНИЯ И НАМАТЫВАНИЯ ПРЯЖИ НА КОЛЬЦЕВОЙ.

ПРЯДИЛЬНОЙ МАШИНЕ.

Одним из основных органов кольцевой прядильной машины, от которого зависит её производительность, и качество выпускаемой продукции является крутильно-мотальное устройство. Именно оно определяет условия скручивания, баллонирования и наматывания пряжи на паковку. Производительность кольцевой прядильной машины во многом ограничена скоростной возможностью крутильного устройства. Поэтому данная глава посвящена анализу технологических операций, выполняемых крутильно-мотальным устройством кольцевой прядильной машины.

1.1. Осповы теории баллопнрованин нити на кольцевой прядильной машине.

В процессе наматывания нити на патрон, она, проходя через бегунок, испытывает натяжение, так как ей приходится преодолевать силы сопротивления на пути от зажима передней пары вытяжного прибора до бегунка, силу трения о нитепроводник, силу трения о бегунок, силу трения бегунка о кольцо и силу воздушного сопротивления. Проходя от шггепроводника до бегунка, нить одновременно вращается вокруг веретена и поэтому находится под действием центробежных сил и принимает вид выпуклой кривой, образовывая тем самым так называемый баллон. Натяжение нити на прядильной машине обуславливает обрывность еб в слабых местах и поэтому определение факторов, влияющих на натяжение, имеет существенное значение. Исследование данного вопроса имеет давнюю историю. Над решением задачи о равновесии гибкой нити, закрепленной двумя концами и находящейся только под действием центробежных сил, работали многие учёные: А. Н. Васильев [26], Л. В. Ворошилов [28], [29], Г. Линднер [25], А. П. Минаков [27] ,[34], ПФ. Ерченко [24], П. Ф. Гришин [1] и другие.

В 1929 году вопрос о форме баллона, был решен в самом общем виде, профессором Минаковым А. П. Им были составлены дифференциальные уравнения кривой баллона, не только с учётом сил сопротивления воздуха и Кориолисовых сил инерции, но и с учётом их взаимной связи при действии на одну и туже проекцию кривой. Свои уравнения он интегрирует рядами Фурье, а полученные гармоники разлагает в ряды Маклорена. Таким образом, им даны уравнения проекции баллона на три плоскости, как в виде тригонометрических, так и в виде алгебраических уравнении. Что же касается натяжения нити, то этот вопрос им был оставлен открытым.

В 1934 году на основании работ профессора А. П. Минакова учёными ЦНИХБИ была предпринята попытка при некоторых упрощениях получить практические формулы для определения формы кривой баллона и натяжения нити [1]. В данной работе профессор П. Ф. Гришин, рассматривая равновесие гибкой нити, расположил координатную систему так, чтобы ось X совпадала с осью вращения, а ось У с плоскостью баллона (рис. 1.1), получил форму кривой баллона.

Рис. 1.1. Форма кривой баллона, полученная профессором П. Ф. Гришиным.

Уравнение кривой баллона:

1.1) бш а1г где Я — максимальный радиус баллона, м;

Ь — высота участка баллоннирования, м.

1.2) где тмасса едшшцьи длины нити, м;

6) — угловая скорость вращения нити в баллоне, с" 1;

Тх — натяжение нити, Н.

Из уравнения (1.1) видно, что кривую баллона вращающегося в безвоздушном пространстве можно приблизительно считать за синусоиду.

Рассматривая уравнение Линднера относительно натяжения делаем вывод, что величина натяжения нити прямопропорциональна квадрату высоты баллона, квадрату угловой скорости вращения веретён и первой степени веса единицы длины нити.

Современное представление о баллонировании нити на кольцевой прядильной машине приведено в работе [117], в которой рассматривается форма и натяжение баллонирующей нити с учётом влияния массы бегунка и величины силы его трения по кольцу. В выполненных расчётах допускается возможность пренебрежения силой сопротивления воздуха, силой веса нити и.

Т = х та)1 к1 агс Бт/г/Ут) 2.

1.3) силой Кореолиса в виду их малости. Тогда уравнение кривой баллона имеет вид: у = Ь • 1п.

Г 2 2 Л • (о • х 1 + ч.

2-Т у.

1.4) где В — максимальный радиус баллона, мт0 — масса единицы длины нити, кг/м;

СО — угловая скорость вращения баллона, с-1;

Т — натяжение нити, Н. Уравнение (1.4) описывает форму баллона от точки, А до точки К рис. 1.2, где координаты точек кривой будут равны: X [а- -а], У[0- Ь].

Рис. 1.2. Форма кривой баллона, описываемой формулой 1.4. (видимая и предполагаемая).

Из уравнения (1.4) видим, что форма баллона нити на кольцевой машине зависит от пяти постоянных параметров: натяжения Т = Тх, создаваемого бегунком, а также от ш0, ю и геометрии самого крутильного механизма, т. е. от величин ЯиН. Таким образом, основными параметрами баллона являются: а — высота полубаллона и Ь — максимальный радиус баллона. С учётом этих параметров уравнение кривой баллона, имеет вид: у = Ып V.

1.5) У.

Автором работы [117] определено натяжение нити, необходимое для существования баллона:

1.6).

Тх > 727-Ю-4 т^Н^, где Нп^ - максимально возможное расстояние от нитепроводника до плоскости кольца.

Из рис. 1.2 видно, что при Тх — 727 • 10″ 4 т0<�"2Я^ах баллон будет иметь бесконечно большой максимальный радиус Ь — со. Однако для работы кольцевой машины необходимо, чтобы величина максимального радиуса баллона (Ь^) за все время наработки паковки была бы равна расстоянию от оси веретена до нитеразделителыюй пластины.

На основании этого получено условие приемлемости формы баллона:

Тх =.

— 2.

1.7).

Таким образом, формула (1.7) позволяет ответить на вопрос — каково должно быть натяжение нити в баллоне для обеспечения условия приемлемой формы баллонирующей нити. Причем, превышение величины натяжения нити приведет к тому, что баллон будет существовать, но иметь более «острую» форму, а снижение натяжения исключает возможность существования самого баллона как жесткого инерционного тела.

Из рис. 1.2 также очевидно, что, если, а > Н, то баллон будет иметь видимую «острую» форму, для этого необходимо, чтобы выполнялось условие:

7>291−10*"0®-2Я£". (1−8).

Следует также заметить, что, зная проекцию натяжения ТХ=Т, создаваемого бегунком, можно определить натяжение нити в любой точке баллона: Т.

Q= х eos а.

1.9) где, а — угол наклона нити в исследуемой точке баллона к оси ОХ Угол, а определим из условия — —, тогда Q cosarctg.

2{е-)-Ь-х а2 + {е-)-х2.

1.10).

Полученная формула позволяет определять натяжение в любой точке баллона, которое, как показывает анализ формулы (1.10), не постоянно по высоте баллона и зависит от его геометрии (более резкое изменение натяжения при выпуклой форме баллона). Однако, как известно, нить не прикреплена к бегунку и геометрия баллона зависит от натяжения, создаваемого бегунком, поэтому, чтобы определить натяжение в любой точке баллона необходимо знать либо форму баллона, либо натяжение Тх.

Таким образом, предложенная в работе [117] аналитическая формула баллонирующей нити на кольцевой прядильной и крутильной машине, имеет существенные отличия и преимущества перед другими: во-первых, формула (1.5) позволяет рассчитывать полную форму баллона (видимую и невидимую части). Это позволяет анализировать положение точки К рис. 1.2 и, следовательно, возможность существования самого баллона. Только условие существования баллона (необходимое натяжение нити в баллоне), совместно с решением динамики бегунка, позволяет рассчитать необходимую массу бегунка и, следовательно, условие его износаво-вторых, полученная формула кривой нити в баллоне, отличается от предыдущих решений (например, от решения П. Ф. Гришина [1]), своей универсальностью, ее можно использовать, как для одиночного (свободного) баллона, так и в случае с баллоноограничительными кольцами (ни одна из известных формул не решает такую задачу), когда баллон делится на две и более зависимые части.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В ходе выполнения работы была достигнута цель диссертации: на основе всестороннего исследования и совершенствования технологических операций формирования и наматывания пряжи выросла производительность кольцевой прядильной машины и улучшены физико-механические свойства вырабатываемой пряжи.

При выполнении работы были сделаны следующие выводы и решены задачи:

1. Для организации рациональной работы крутильно-мотального устройства кольцевой прядильной машины предложена уточнённая методика аналитического и экспериментального исследований технологических операций формирования и наматывания пряжи, которая позволила определить:

— минимально необходимую массу бегунка для осуществления процесса баллонирования при выработке пряжи различной линейной плотности;

— натяжение нити в точке касания нити с бегунком;

— натяжение нити в точке наматывания;

— вертикальную составляющую натяжения нити в баллоне;

— оптимальное сочетание различных типов колец и бегунков при выработке хлопчатобумажной пряжи линейных плотностей 15,25,50 текс при частоте вращения веретён 10 500 и 12 500 об/мин.

2. Разработаны устройство и методика экспериментального определения натяжения нити на участке бегунок-паковка, позволяющие исследовать работу крутильно-мотального устройства с целью совершенствования технологических операций формирования и наматывания пряжи.

3. Впервые экспериментально доказано и подтверждено фотосъёмкой, что участок нити между бегунком и паковкой непрямолинеен, на основании этого уточнена методика аналитического определения натяжения нити в зоне бегунок-паковка. Установлено, что натяжение нити в разных точках участка между бегунком и паковкой не одинаково.

4. Впервые применённые аналитический и экспериментальный методы исследования крутилыю-мотальных устройств подтвердили результаты теоретических исследований профессора Павлова Н. Т. и его выводы о том, что натяжение нити в зоне бегунок-паковка не зависит от высоты расположения точки наматывания, а зависит от радиуса намотки. Максимальное натяжение нить испытывает в начале намотки на пустую паковку. При достижении максимального радиуса намотки величина натяжения минимальна. Амплитуда колебания натяжения нити в точке наматывания в процессе увеличения диаметра намотки зависит от конструктивных особенностей крутильно-мотального устройства и частоты вращения веретён. Экспериментально доказано: крутильно-мотальное устройство кольцевой прядильной машины обладает функцией частичного сглаживания величины натяжения нити в процессе увеличения диаметра намотки.

5. Аналитическое и экспериментальное исследования работы крутильно-мотальной пары кольцо-бегунок позволили оптимизировать технологический процесс формирования и наматывания пряжи на кольцевой прядильной машине, более точно определить параметры кольца и бегунка, наиболее благоприятное сочетание типов колец и бегунков, правильно установить скоростной режим работы машины.

6. На основании предложенной методики экспериментального определения объёмной плотности намотки пряжи установлено, что мероприятия по совершенствованию технологических операций формирования и наматывания пряжи на кольцевой прядильной машине привели к улучшению структуры намотки паковки. Плотность намотки увеличилась на 15%, что увеличило массу пряжи на початке при тех же самых геометрических размерах до 130 граммов.

7. Разработаны методика экспериментального определения крутки пряжи в баллоне и устройство для отбора образца пряжи (для его исследования) с любого участка баллотирования с сохранением этим образцом свойств пряжи в баллоне. Это позволило экспериментально определить величину крутки пряжи в баллоне на работающей кольцевой прядильной машине с крутилыю-мотальной парой кольцо-бегунок. Доказано, что величина крутки пряжи в баллоне равна величине технологической крутки пряжи, установленной планом прядения.

8. Производственные испытания доказали, что применение устройства и методики определения натяжения нити в точке наматывания при выработке пряжи на кольцевой прядильной машине позволяет исследовать и совершенствовать технологические операции формирования и наматывания пряжи. Создание условий для более рациональной работы крутильно-мотального устройства позволило повысить производительность кольцевой прядильной машины на 12%, снизить уровень обрывности на 8,1%.

9. Лабораторные испытания показали, что пряжа, выработанная при условии совершенствования технологического процесса, имеет более высокую прочность (на 1%) и выносливость (на 3,6%).

10. Годовой экономический эффект, достигнутый в результате совершенствования технологических операций формирования и наматывания пряжи и обеспечения более рациональной работы крутилыго-мотального устройства, составил 369 тысяч рублей на одну кольцевую прядильную машину.