Анализ процессов укладки ленты и разработка конструкции сферического планетарного лентоукладчика

Укладка волокнистого материала, сформированного в виде ленты, в текстильные тазы является одной из наиболее важных технологических операций в предпрядильном производстве.

К устройствам, осуществляющим укладку ленты в таз, предъявляются определённые требования. Во-первых, они должны производить укладку ленты в таз по определённому закону без сцепления и западания витков. Во-вторых, обеспечивать лёгкое извлечение продукта из ёмкости на последующих этапах производства. При этом следует выбирать такой закон укладки, чтобы как можно более полно использовался объём таза, т. е. чтобы достигались оптимальная равномерность и максимальная плотность укладки. Для этого необходимо создать универсальную методику определения плотности укладки ленты в таз, позволяющую подобрать оптимальные параметры укладки. Также необходимо обеспечивать лёгкую смену тазов, т. е. сосредоточить внимание на разработке унифицированных конструкций планетарных лентоукладчиков.

В настоящее время существует большое разнообразие конструкций устройств, укладывающих ленту в тазы различной формы по различным законам.

Основными направлениями в развитии конструкций лентоукладчиков чё-сальных, гребнечесальных и ленточных машин являются: во-первых, внедрение лентоукладчиков планетарного типа, позволяющих укладывать ленту в неподвижный таз, что обеспечивает более лёгкую смену тазовво-вторых, повышение скорости укладки ленты в тазв-третьих, увеличение диаметра и высоты тазав-четвёртых, автоматизация смены тазов в сочетании со счётно-измерительными устройствами, обеспечивающими укладку в таз ленты заданной длиныв-пятых, увеличение равномерности укладки ленты в тазы текстильных машин.

Конструкции современных лентоукладчиков имеют следующие общие особенности: для облегчения веса быстро вращающаяся верхняя тарелка изготовляется из лёгкого сплавадля правильной укладки ленты в таз в зависимости от её толщины и природы волокон в передачах предусматриваются сменные шестернис целью упрощения системы передачи применяются червячные передачи и планетарные редукторы для привода подтазовой тарелкицентрализованная подача смазочного материала к подшипникам и широкое применение шарикоподшипников полностью исключает ручную смазку деталей лентоукладчика. Кроме того, для устранения электризации при переработке химических волокон широко применяются специальные антистатические материалы.

Традиционными являются лентоукладчики с вращающимимся верхней и нижней тарелками, которые обычно вращаются в противоположных направлениях с различными скоростями вращения. Оси их вращения смещены на величину эксцентриситета.

В планетарных лентоукладчиках всё движение перенесено в головку лентоукладчика, и верхняя тарелка совершает сложное перемещение, обеспечивая укладку ленты витками в неподвижный таз.

При укладке ленты в тазы прямоугольного или овального сечений верхняя тарелка совершает вращательное, либо сложное перемещение, в то время как таз движется возвратно-поступательно, либо неподвижен.

Для правильного протекания процесса укладки ленты необходимо, чтобы длина ленты, выпускаемая плющильными валиками лентоукладчика, равнялась длине укладки. Для обеспечения этого условия необходимо правильно согласовать скорость выпуска ленты и скорости вращения верхней тарелки и подгазника.

Для частичной ликвидации неправильной укладки ленты тазы больших паковок оснащаются подпружиненным подвижным дном, выполненным в виде подпружиненного металлического диска, диаметр которого обычно на 20ч-25 мм меньше внутреннего диаметра таза. В таком тазу витки ленты с момента их укладки фиксируются диском, обеспечивая сохранение формы витка, и это облегчает извлечение из него ленты на последующих машинах. За счёт более правильной укладки удаётся вместить в таз большее количество ленты.

Улучшение качества укладки ленты в тазы текстильных машин за счёт увеличения равномерности распределения плотности укладки ленты является одной из наиболее важных задач в предпрядильном производстве.

С этой целью необходимо разработать методику расчёта плотности укладки ленты в таз, позволяющую определять параметры укладки, при которых достигалась бы максимальная плотность укладки ленты и наиболее эффективно использовался объём таза.

Применение планетарных лентоукладчиков значительно облегчает операцию смены тазов, особенно при работе с тазами больших паковок. Однако существенным недостатком планетарных лентоукладчиков, снижающим качество укладки, является проблема поддержания постоянного расстояния между точкой входа ленты в наклонный канал и плющильными валиками.

Поэтому важным является вопрос разработки конструкции планетарного лентоукладчика без указанного недостатка. При этом желательно подобрать такую форму подвижного дна таза, чтобы при укладке по кривым типа гипоциклоида вблизи центрального отверстия паковки не возникало выпуклого участка,.

В данной работе проведены патентный анализ, теоретические и аналитические исследования. Теоретические исследования произведены на основе современных методов теоретической механики, вычислительной математики, теории проектирования машин предпрядильного производства. Проведено компьютерное моделирование процесса укладки ленты в тазы текстильных машин с целью выявления наилучших параметров укладки и кинематических и конструктивных параметров механизмов укладки.

Первая глава диссертационной работы содержит обзор литературных источников и патентов существующих механизмов для укладки ленты в тазы ленточных, гребнечесальных и чесальных машин для переработки хлопка, химических волокон и их смесей. Здесь подробно рассматриваются некоторые конструкции лентоукладчиков обычного и планетарного типов, а также нетрадиционные лентоукладчики. На основе изучения литературы и патентов произведена классификация устройств для укладки ленты в тазы, в которой за основной признак принималось сочетание движений верхней и нижней тарелок. В заключении первой главы сформулированы направления и задачи исследования.

Во второй главе диссертационной работы проведено кинематическое исследование процесса укладки ленты в таз при использовании лентоукладчиков с вращающимися верхней тарелкой и тазом. При этом в алгоритме с целью определения параметров, при которых достигается наилучшая равномерность укладки, рассматриваются встречное и попутное вращение верхней и нижней тарелок, за-центровый и доцентровый способы укладки, различное смещение витков укладываемой ленты. Разработана и реализована на ЭВМ методика определения плотности укладки ленты в таз. Произведён анализ плотности укладки ленты для различных сочетаний параметров укладки.

В третьей главе рассмотрена конструктивная схема планетарного лентоук-ладчика. Определён закон движения точки укладки ленты в таз. Произведён анализ скорости и ускорения укладки ленты при различных сочетаниях параметров укладки. Разработана методика учёта движения ленты в лентоводе при расчёте плотности укладки и реализована в виде программы на ЭВМ.

Четвёртая глава посвящена разработке конструкции планетарного лентоук-ладчика со сферической верхней тарелкой для укладки ленты в таз с подвижным сферическим дном. Главным достоинством данного лентоукладчика является то, что при работе устройства сохраняется постоянное расстояние между плющильными валиками и входным отверстием лентовода. Рассчитаны конструктивные и кинематические параметры лентоукладчика, выведен закон движения точки укладки, составлен алгоритм определения плотности укладки ленты в таз, реализованный на ЭВМ. Произведён уточнённый расчёт с учётом собственной силы тяжести пружины параметров винтовой пружины для таза с подвижным сферическим дном.

Научная новизна разработок заключается в следующем:

1) произведена классификация устройств для укладки ленты в тазы текстильных машин;

2) разработаны методика, алгоритмическое и программное обеспечение для расчёта кинематических и конструктивных параметров леетоукладчиков обычного и планетарного типов и для определения плотности укладки волокнистой ленты в таз;

3) разработана методика учёта движения ленты в лентоводе при расчёте плотности укладки;

4) разработана конструкция планетарного лентоукладчика со сферической рабочей поверхностью для укладки ленты в таз с подвижным сферическим дном, произведён расчёт кинематических и конструктивных параметров механизма;

5) составлено алгоритмическое и программное обеспечение для кинематического расчёта сферического планетарного лентоукладчика и анализа плотности укладки ленты в таз;

Методика определения плотности укладки волокнистого продукта в тазы текстильных машин и разработанное на её базе программное обеспечение позволяет выбирать оптимальные параметры укладки, при которых достигается наилучшая равномерность укладки. Результаты исследований можно использовать при проектировании усовершенствованных конструкций лентоукладчиков.

Применение планетарного лентоукладчика со сферической верхней тарелкой обеспечивает более качественную укладку ленты в таз, поскольку отпадает необходимость в дополнительных приспособлениях для перемещения плющильных валиков за входным отверстием наклонного канала.

Результаты работы внедрены в учебный процесс в виде лабораторных работ по курсу «Проектирование машин текстильной промышленности», курсового и дипломного проектирования для студентов специальности 170 700 «Машины и аппараты текстильной и лёгкой промышленности» и направления 551 800 «Технологические машины и оборудование» в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна и Пензенском технологическом институте.

Разработанные методики исследования, математические модели, алгоритмы и программы расчётов, инженерные рекомендации переданы для внедрения на Димитровградскую льнопрядильную мануфактуру.

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях по машинам и аппаратам текстильной и лёгкой промышленности 1999 и 2000 г. г. в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна, на заседаниях кафедры проектирования машин текстильной и лёгкой промышленности СПГУТД.

По теме диссертационной работы опубликовано: 2 статьи, тезисы докладов (3 шт.). Получены приоритетные справки на авторское свидетельство на изобретение «Устройство для укладки ленты в тазы текстильных машин» и на два авторских свидетельства о регистрации программ на языке Си.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения. Содержание изложено на 170 страницах машинописного текста, включающего 41 рисунок, 3 схемы, 17 таблиц, список использованных источников, и 5 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Задачи, рассмотренные в диссертации, охватывают рад наиболее важных и недостаточно исследованных проблем проектирования обычных и планетарных лентоукладчиков и создания методики определима плотности укладки ленты в тазы текстильных машин. Разработанные алгоритмы расчётов и их программная реализация позволяют оценивать и выбирать рациональные конструктивные и кинематические параметры укладки, определяющими факторами которых являются плотность и равномерность укладки. В настоящей работе уделено значительное внимание созданию новой конструкции сферического планетарного лентоукладчика, в котором постоянство расстояния между плющильными валиками и лентоводом достигается без каких-либо дополнительных устройств.

На основании проведенных исследований могут быть сделаны следующие выводы:

1. Определены законы укладки ленты в таз для лентоукладчиков обычного и планетарного типов с учётом конструктивных и кинематических параметров механизма укладки. Разработана методика определения аналога плотности укладки волокнистой ленты в тазы текстильных машин. Рассмотрены зацентровой и доцентровой способы укладки ленты в таз, встречное и попутное вращение тарелок лентоукладчика. В рамках математической модели произведён расчёт кинематических и конструктивных параметров механизмов укладки, входящих в уравнения траектории точки укладки ленты в таз.

2. Установлено, что значения аналога плотности укладки при доцен-тровом и зацентровом способах укладки практически не отличаются. При доцентровом способе укладки и попутном вращении верхней и нижней тарелок обычного лентоукладчика плотность укладки вблизи центрального отверстия выше, а на периферии таза ниже, чем при встречном вращении тарелок. При зацентровом способе укладки во всех точках встречное вращение тарелок даёт большую плотность укладки, чем попутное. Наилучшая равномерность укладки получается при доцентровом и зацентровом способах укладки и встречном вращении верхней и нижней тарелок.

Коэффициент смещения витков не оказывает на плотность укладки практически никакого влияния.

3. Произведён анализ влияния различных сочетаний факторов укладки на скорость укладки. Выявлено, что средняя скорость укладки при попутной зацентровой укладке несколько ниже, чем при доцентровой. При встречной укладке наблюдается обратная картина. Доцентровой способ даёт большие колебания скорости укладки. При встречном направлении средняя скорость укладки выше скорости выпуска, а при попутном направлении — ниже.

Наименьшие отклонения средней скорости укладки от скорости выпуска наблюдаются при доцентровом способе укладки.

4. Анализ ускорений точки укладки показал, что при зацентровом способе укладки среднее ускорение точки укладки в 1,35 -г 1,9 раз меньше, чем при доцентровом способе укладки, что объясняется меньшей угловой скоростью вращения приводной шестерни из-за увеличения радиуса витка укладываемой ленты. При зацентровом и доцентровом способах и встречном направлении среднее ускорение точки укладки больше, чем при попутном направлении.

5. Разработана методика учёта движения ленты в лентоводе при расчёте плотности укладки ленты в таз, корректирующая традиционный расчёт плотности укладки, в котором не учитывается роль лентовода, выполняющего функции вытяжного прибора, либо накопителя в зависимости от периодического изменения скорости укладки.

Выявлено, что при одних и тех же входных параметрах расхождения между графиками плотности укладки при учёте влияния лентовода на укладку ленты и без учёта этого влияния очень незначительны.

6. При реальном процессе укладки витки ленты в паковке, уплотняясь, сдвигаются в свободное пространство, образуемое центральным отверстием в центре таза и боковым зазором на его периферии.

Если несколько увеличить площади первого и последнего элементарных колец, на которые разделена поверхность укладки, что будет более соответствовать реальному процессу, то плотность укладки вблизи центрального отверстия паковки и на периферии таза снизится по сравнению с плотностью укладки, рассчитанной без увеличения первого и последнего колец.

7. Для выравнивания скорости выпуска ленты плющильными валиками и средней скорости укладки, необходимо угловую скорость вращения верхней тарелки подбирать с учётом поправочного коэффициента. При этом средняя скорость укладки будет равна скорости выпуска ленты, следовательно, общая вытяжка приравняется к нулю.

Ускорения укладки при уточнённом расчёте угловой скорости вращения верхней тарелки при встречной и попутной укладке практически равны и различаются только в зависимости от способа укладки ленты.

8. При прочих равных условиях предпочтение следует отдавать зацен-тровому способу укладки, так как при этом обеспечиваются меньшие значения угловых скоростей вращения верхней тарелки и ускорений точки раскладки, что положительно сказывается на качестве укладки ленты в таз. При зацентровом способе укладки колебания скорости укладки ленты имеют меньшую амплитуду, чем при доцентровом способе.

9. Параметры укладки желательно подбирать таким образом, чтобы за один оборот нижней тарелки на дно таза уложился один целый слой ленты, и точка раскладки ленты пришла бы в исходное положение. Для выполнения данного условия необходимо выбирать угловые скорости вращения верхней и нижней тарелок таким образом, чтобы передаточное число между ними было равно целому числу. В противном случае точка укладки ленты вернётся в исходное положение через число периодов вращения нижней тарелки, равное наименьшему целому кратному величин угловых скоростей ©-в и ©-н.

10. Предложена конструкция сферического планетарного лентоуклад-чика, достоинством которой является то, что при вращении верхней тарелки расстояние между точкой выхода ленты из плющильных валиков и точкой входа ленты в наклонный канал остаётся постоянным. Это снижает обрывность ленты и устраняет недостатки существующих планетарных лентоук-ладчиков.

11. Разработана методика определения аналога плотности укладки волокнистой ленты в таз с дном сферической формы. Рассмотрены зацентровой и доцентровой способы укладки ленты в таз, встречное и попутное вращение верхней тарелки и диска. В рамках математической модели произведён расчёт конструктивных и кинематических параметров сферического планетарного лентоукладчика. Определена пространственная траектория движения точки укладки ленты в таз.

12. Анализ плотности укладки ленты в таз показал, что при попутном вращении верхней тарелки и диска сферического планетарного лентоукладчика (встречном направлении укладки) плотность укладки возрастает. Наилучшая равномерность укладки получается при доцентровом и зацентровом способах укладки.

В пределах одного способа укладки при встречном направлении плотность укладки выше, чем при попутном. При встречной укладке и зацентровом способе получается большая плотность по сравнению с доцентровым способом.

13. Характер распределения плотности укладки ленты для сферического лентоукладчика практически совпадает с ранее полученными результатами для обычного и планетарного лентоукладчиков, что свидетельствует о работоспособности предлагаемой конструкции лентоукладчика с технологической точки зрения.

При прочих равных условиях значения аналога плотности при использовании обычного лентоукладчика выше, чем при использовании сферического планетарного лентоукладчика. Однако, сферический планетарный лентоукладчик позволяет получить лучшую равномерность укладки.

14. Произведён анализ скорости укладки ленты в таз. Выявлено, что средняя скорость укладки при встречной зацентровой укладке больше, чем при встречной доцентровой. При попутной укладке наблюдается обратная картина.

15. С помощью методики расчёта винтовых пружин для тазов ленточных машин, предложенной в работе [41], произведён уточнённый расчёт с учётом собственной силы тяжести пружины параметров винтовой пружины для таза с подвижным сферическим дном.

16. Все разработанные расчётные методики реализованы в виде СИ-программ, использование которых при проектировании и модернизации обеспечивает возможность проектирования лентоукладчиков с улучшенными конструктивными и кинематическими характеристиками.