Создание и разработка методов расчета высокоскоростных бобинодержателей машин для производства синтетических волокон

Производство химических волокон — одна из наиболее перспективных и быстроразвивающихся отраслей промышленности полимерных материалов.

В настоящее время химические волокна, превосходящие по ряду показателей природные, являются важнейшим видом сырья, обеспечивающим получение высококачественных товаров народного потребления и изделий технического назначения для автомобильной, авиационной, электротехнической и других отраслей промышленности.

С каждым годом потребности народного хозяйства в химических волокнах возрастают. В директивах 26 съезда КПСС по пятилетнему плану развития народного хозяйства СССР на I98I-I985 г. г. указывается на необходимость более полно удовлетворять потребности народного хозяйства в синтетических волокнах, максимально заменять натуральные волокна химическими, особенно для технических целей. Валовый объем производства химических волокон и нитей намечено довести в СССР к 1985 году до 1,6 млн. тонн /I/.

Решение этой задачи неизменно связано с дальнейшим совершенствованием технологических процессов и ростом производительности машин для производства химических волокон.

Повышение производительности оборудования в настоящее время достигается несколькими способами. Основными из них являются: повышение единичной мощности формовочных машин за счет увеличения числа нитей, вырабатываемых на одном рабочем месте (до двух — для технических и до восьми — для текстильных), увеличение массы нарабатываемых паковок, повышение рабочих скоростей приемно-намоточных механизмов.

Одним из наиболее эффективных способов повышения производительности машин для производства химических волокон являются совмещение процессов формования, вытягивания, текстурирования и намотки волокна в одном агрегате при сохранении его качественных показателей. Реализация такого способа возможна после придания формуемым полимерам улучшенных свойств, а также при условии создания высокоскоростных приемно-намоточных механизмов. В настоящее время в ряде зарубежных стран и в СССР ведутся работы в этих направлениях.

Необходимо отметить, что успехи, достигнутые отечественными машиностроителями в плане создания высокоскоростных приемно-намоточных механизмов довольно скромные по сравнению с результатами работ, проведенными ведущими в этой области зарубежными фирмами. Так на последних международных выставках «Инлегмаш-82» и «Химия-82», проводившихся в Москве в 1982 году такие западные фирмы как «Barmag «(ФРГ), «Saiпо «(Италия), «Alucolor» (ФРГ) продемонстрировали приемно-намоточные механизмы, позволяющие нарабатывать паковку массой до 24 кг со скоростями приема нити, достигающими 60−100 м/с. Фирма «Textimd, «(ГДР) представила приемно-намоточный механизм со скоростью наматывания нити на бобину, равной 67 м/с. Лучшим отечественным экспонированным образцом механизма подобного типа была автоматическая намоточная машина, разработанная во ВНИШСВе. Машина позволяет нарабатывать на одном рабочем месте паковку массой 6−12 кг со скоростью намотки до 41,7 м/с.

Сравнительный анализ приведенных технических характеристик механизмов свидетельствует о том, что создание в ближайшем будущем отечественных формовочных машин с высокоскоростными приемно-намоточными механизмами, обеспечивающими прием нити со скоростями 60−100 м/с является актуальной задачей.

Одной из наиболее сложных проблем, возникающих припроектировании приемно-намоточных механизмов высокой производительности, является создание высокоскоростных бобинодержателей. Специфика бобинодержателя как роторной системы заключается в том, что он работает в широком диапазоне скоростей вращения при переменных инерционных параметрах. Неизбежное наличие неуравновешенности узла приводит к его интенсивной вибрации на высоких скоростях, особенно в резонансных зонах. Проблема борьбы с виброактивностью бобинодержателей при переходе на высокие скорости приема нити стала настолько острой, что без ее решения практически невозможно выполнить стоящие перед машиностроителями задачи.

До последнего времени создание высокоскоростных роторных систем сводилось к натурному моделированию этих систем с целью выбора оптимального конструктивного решения, что приводит к увеличению сроков проектирования, удорожанию разработок, снижению качества проектов. Это объясняется тем, что конструкторские разработки недостаточно оснащены научно-обоснованными методическими материалами, позволяющими еще на стадии проектирования и доводки моделировать на ЭЦВМ динамику разрабатываемых роторных систем с целью снижения их виброактивности путем оптимального выбора параметров.

В целях ускорения работ по данному вопросу был издан приказ по Минлегпищемашу 1Г2265 от 30.05.78 г. и опубликован «Сводный план НИР и ОКР в области виброзащиты и снижения шума машин и оборудования на 1979;1985 г. г.», утверззденный Первым заместителем Министра 09.10.78 г. В этом директивном документе предусматривается, в частности, проведение глубоких научно-исследовательских равот, направленных на изучение динамики роторных систем (бобинодержателей, фрикционных и транспортирующих цилиндров), разработку методов их расчета, исследование влияния различных конструктивных параметров на основные динамические характеристики, выбор их оптимальных величин с целью обеспечения надежности и долговечности проектируемых узлов и механизмов.

В настоящее время имеется большое количество разнообразных конструкций бобинодержателей, но, к сожалению, ни одна из известных конструкций не отвечает современным требованиям по надежности, долговечности, виброшумовым и скоростным характеристикам. Необходимость же создания высокоскоростных бобинодержа-телей очевидна.

Проведенный анализ существующих конструкций и изучение патентной литературы показали, что процесс создания высокоскоростных бобинодержателей идет по двум направлениям. Первое направление заключается в разработке конструкций бобинодержателей, представляющих собой жесткие системы. Такие бобинодержатели работают на скоростях ниже первой критической. Сущность второго направления в проектировании высокоскоростных бобинодержателей заключается в создании конструкций, представляющих собой упругие системы. Реализация упругой системы достигается, как правило, за счет собственной податливости ротора либо за счет податливости его опор. Последнее наиболее приемлемо при разработке высокоскоростный бобинодержателей. В дальнейшем разговор будет идти об упругоопорных бобинодержателях.

Как показывают предыдущие исследования /5, 10, 20, 23, 49, 58, 59/, упругие роторные системы при работе за критическими скоростями могут самоцентрироваться. Использование эффекта самоцентрирования особенно важно при проектировании таких роторов как бобинодержатели, у которых неизбежно присутствует неуравновешенность. На основании сказанного, нетрудно заключить, что создание упругоопорных бобинодержателей весьма перспективно, а исследование конкретных типов бобинодержателей с учетом их конструктивных особенностей имеет большое значение.

Настоящая работа посвящена разработке методов расчета и исследованиям высокоскоростных упругоопорных бобинодержателей консольного типа. Работа ставит своей задачей снижение виброактивности бобинодержателей еще на стадии их проектирования и доводки путем моделирования на ЭЦВМ их динамики и наилучшего выбора параметров.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОД! ПО РАБОТЕ.

1. Анализ патентной литературы и обзор существующих конструкций бобинодержателей показал, что в настоящее время возможны два направления создания высокоскоростных бобинодержателей: разработка «жесткоопорных» бобинодержателей и разработка «упругоопорных» конструкций бобинодержателей. Второе направление наиболее перспективно на данном этапе развития текстильного машиностроения. Сложность динамики высокоскоростных упругоопор-ных бобинодержателей обуславливает необходимость разработки более совершенных методов расчета с учетом конструктивных особенностей проектируемых узлов.

2. Разработанная динамическая и математическая модели консольного бобинодержателя с гибкой осью позволяет рассчитывать его динамические параметры с учетом податливости и распределения массы оси, жесткостных и диссипативных свойств подшипниковых опор, наличия динамической неуравновешенности вращающихся масс.

3. На основании предложенной в работе математической модели проведено исследование динамики бобинодержателя с гибкой осью. В результате было определено, что бобинодержатель в диапазоне скоростей от 0 до 3000 рад/с имеет три критические скорости, выявлен характер влияния инерционных, жесткостныхи конструктивных параметров системы на критические скорости, амплитуды колебаний и реакции в опорах. Проведенный анализ критических скоростей показал, что изменением параметров бобинодержателя возможно обеспечить отсутствие резонансных зон в рабочем диапазоне скоростей вращения. При этом рекомендуется располагать рабочий диапазон скоростей вращения бобинодержателя в зоне между второй и третьей критическими скоростями.

4. Исследования показали, что для бобинодержателя машины НВ-З-КШЭ может быть использован в качестве рабочего, диапазон скоростей вращения от 300 рад/с до 1500 рад/с. Рекомендуется эксплуатировать этот бобинодержатель для приема нити на скоростях не выше 48 м/с при диаметре гибкой сои не более 20 мм. При этом величина остаточной неуравновешенности в плоскостях коррекции не должна превышать значения Ъ = 2−10″ ^(кг м).

5. Составленные динамическая и математическая модели бобинодержателя с упругой втулкой позволили провести исследование динамики бобинодержателя. В результате бало определено, что бобинодержатель в диапазоне скоростей вращения от 0 до 2000 рад/с имеет две критические скорости, выявлен характер влияния инерционных, жесткостных, диссипативных и конструктивных параметров системы на критические скорости, амплитуды колебаний и реакции в опорах. Анализ результатов исследования показал целесообразность расположения рабочей зоны скоростей вращения за второй критической скоростью, где происходит самоцентрирование вращающихся масс бобинодержателя.

6. Исследование жесткости упругих втулок показали, что использование продольных или спиралеобразных прорезей и целенаправленное изменение их геометрических размеров позволяют получать любую требуемую жесткость упругой опоры. При этом рекомендуется преимущественно применять продольные прорези, так как упругая опора в таком исполнении обладает изотропной жесткостью, что значительно улучшает динамику бобинодержателя, исключая на критических скоростях относительное смещение резонансных зон в разных плоскостях.

7. Проведенные исследования свидетельствуют о возможности применения бобинодержателя с упругой втулкой для высокоскоростного приема синтетических нитей.

8. В результате сравнительного анализа динамики бобинодержателя с гибкой осью и бобинодержателя с упругой втулкой следует отметить, что при необходимости значительного увеличения скорости приема нити целесообразно применять бобинодержатель с упругой втулкой, у которого третья критическая скорость, связанная с изгибными колебаниями вала, располагается значительно вше, чем у бобинодержателя с гибкой осью.

9. При переходе на высокоскоростной прием нити целесообразно применять патроны с внутренним диаметром 75−95 мм, так как в противном случае трудно осуществить упругое крепление опор бобинодержателя и обеспечить надежную фиксацию патрона.

10. Разработанные математические модели консольных бобинодержателя с гибкой соью и с упругой втулкой позволяют рассчитывать их динамические характеристики при фрикционной намотке с учетом жесткостных и диссипативных параметров паковок. Проведенные исследования показали, что жесткостные характеристики паковки существенно влияют на динамику бобинодержателей. Увеличение жесткости паковки приводит к снижению амплитуд колебаний бобинодержателя, сдвигу критических скоростей в плоскости действия фрикционного цилиндра в область высших частот. Рекомендуется при разработке высокоскоростных бобинодержателей для фрикционных намоточных механизмов с кареткой учитывать жесткостные характеристики паковок.

11. Проведена экспериментальная проверка результатов теоретических исследований. На стендах были проведены исследования виброактивности бобинодержателей с фрикционным приводом и без него. Экспериментальные данные подтвердили правильность и достаточную для практических целей точность теоретических исследований. Использованные при этом методы измерения виброактивности бобинодержателей с применением индуктивных и инерционных измерительных преобразователей, отличающиеся простотой получения и обработки результатов, хорошей их точностью, могут быть использованы в промышленности для технической диагностики разработанных высокоскоростных роторных узлов.

12. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение позволяют проводить исследование и инженерные расчеты по определению критических скоростей, амплитуд колебаний и нагрузок в опорах бобинодержателей с гибкой осью или с упругой втулкой в заданном диапазоне скоростей вращения с фрикционным приводом и без него. Алгоритмы и программы вошли в качестве основных частей в арзработанную и внедренную в СКТБ МХВ JM0 им. К.Маркса «Методику автоматизированного расчета высокоскоростных роторных систем машин для производства химических волокон», ориентированную на широкое применение ЭЦВМ в инженерных расчетах. Экономический эффект от применения методики в условиях СКТБ МХВ составляет более 18 тыс. рублей в год.

13. Результаты проведенных исследований, изложенные в работе внедрены в Ленинградском машиностроительном объединении им. К.Маркса и использовались при усовершенствовании серийных приемно-намоточных механизмов, а также в перспективных разработках СКТБ МХВ. Они могут быть использованы на других предприятиях отрасли с целью снижения виброактивности высокоскоростных роторных систем, повышения их надежности и долговечности. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет более 47 тыс. рублей в год.

— 227.