На правах рукописи

ГРИШИН

Александр Геннадьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ устройства для модификации льняного волокна

Специальности 05.02.13 Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Кострома - 2009

Работа выполнена в Костромском государственном технологическом университете

Научный руководитель: доктор технический наук, доцент

Разин Сергей Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Титов Сергей Николаевич,

Костромской государственный

технологический университет,

кандидат технических наук

Вихарев Сергей Николаевич,

ОАО Красная Маёвка,

г. Кострома.

Ведущая организация: Костромской НИИ льняной

промышленности

(ОАО КНИИЛП), г. Кострома.

Защита состоится 25 декабря 2009 года в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.093.01 в Костромском государственном технологическом университете по адресу: г. Кострома, ул. Дзержинского, 17, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета.

Автореферат разослан 25 ноября 2009 года.

Учёный секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор П. Н. Рудовский.

общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации обусловлена тем, что создание методик расчета рабочих органов устройства для модификации льняного волокна в ленте и их совершенствование позволит повысить производительность и надёжность работы устройства.

Проблема обеспечения сырьевой базы отечественной текстильной промышленности, в основном хлопком, после распада СССР приобрела особую актуальность. Даже в географически южных районах России не удается добиться существенного повышения производства хлопка. Попытки смягчить Усырьевой голодФ из-за высокой стоимости импортного сырья заставляют обращать внимание на лён, как на традиционный российский продукт.

Использование льна для расширения сырьевой базы при производстве пряжи в текстильной промышленности возможно только за счёт применения технологий его углубленной переработки. Существующая технология переработки льна позволяет получать только 6-8% длинного чёсаного волокна от общей массы перерабатываемого сырья (льнотресты).

Короткое волокно, которого в 3-4 раза больше, используется крайне не эффективно (для производства мешковины, верёвочных изделий, пакли). Поэтому, наряду с традиционным использованием короткого волокна, в последнее время всё больший интерес проявляется к альтернативным способам получения такого короткого льняного волокна (даже из тресты масленичных культур), которое может быть использовано, как один из компонентов при выработке высококачественной пряжи, ваты, нетканых материалов.

В последнее время в Костромском государственном технологическом университете появилось несколько диссертационных работ, направленных на создание новых устройств и технологий для углублённой переработки короткого льняного волокна. Это работы Т.Ю. Смирновой, А.Р. Корабельникова, С.Н. Разина.

Цель этих работ, придать получаемому короткому волокну параметры хлопко- или шерстоподобного волокнистого продукта, который в конечном итоге называют модифицированным (штапелированным) льняным волокном (МЛВ), а иногда - котонином. Это позволяет использовать МЛВ в прядении в смеси с хлопком или шерстью, получать из короткого волокна качественную пряжу и ткани.

В связи с этим работа, направленная на совершенствование рабочих органов данных устройств является актуальной.

Цель и задачи исследований.

Целью работы является увеличение производительности и эксплутационной надёжности работы устройства для модификации льняного волокна на основе совершенствования его рабочих органов.

Поставленная цель исследования обусловила необходимость постановки и решения следующих задач:

1. Проанализировать состояние дел в области теории и практики высокоскоростного трепания.

2. Провести анализ достоверности значения силы натяжения в обрабатываемой ленте при её взаимодействии с бильной планкой в традиционной модели

- разработать альтернативную традиционной модель ленты, учитывающую её гибкость и растяжимость

- разработать модель взаимодействия ленты (гибкой нити) с бильной планкой

- осуществить проверку достоверности созданной модели

- исследовать силовые нагрузки, возникающие в ленте при её взаимодействии с билами

- сравнить полученные силы натяжения с силами, рассчитанными по традиционной модели.

3. Исследовать поведение рабочих органов при эксплуатации, на основе которых дать рекомендации по увеличению производительности и надежности работы устройства.

а) исследовать поведения бильных планок при эксплуатации.

- исследовать возможность применения подвижных бильных планок при модификации льняного волокна.

- исследовать колебания бильных планок в плоскости вращения.

- исследовать колебания бильных планок в поперечном направлении.

- дать рекомендации по выбору геометрических размеров бильных планок.

б) исследовать крутильные колебания вала совместно с бильным барабаном и дать рекомендации по выбору оптимального размера бильного барабана и вала.

Методы исследования. Выполнение диссертационной работы опиралось на труды ведущих учёных в области текстильного машиностроения, первичной обработки лубяных волокон, прикладной механики нити.

Методы теоретической механики, сопротивления материалов, дифференциального и интегрального исчисления, векторного анализа, численные математические методы, теории вероятностей и математической статистики, а также прикладной механики нити, были использованы при проведении теоретических исследований. Численное исследование математических моделей проводилось в среде Delphi7 и MathCad-2000, и электронных таблиц Excel.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

• создана и обоснована математическая модель гибкой нити (ленты), учитывающая её продольные деформации,
• разработана математическая модель взаимодействия (удара) ленты с билом, позволяющая определять как силы натяжения, возникающие в ленте, так и геометрию движения самой ленты,
• для созданных моделей получены явные разностные схемы пригодные для программирования на ЭВМ, численно получено условие устойчивости явных разностных схем, которое совпало с условием Куранта для волновых уравнений.
• создана и обоснована математическая модель взаимодействия нити с подвижным билом, совершающим как поступательное, так и вращательное движение,
• в рамках модели взаимодействия нити с билом, совершающим вращательное движение, определены условия закрепления бильных планок, при которых возможно возникновение резонансных явлений.

Практическая ценность работы и реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в рамках отраслевой научно-технической программы по развитию техники и технологии переработки лубяных культур на 2001Е2010 г.г., тематических планов НИР Всероссийского НИИ по переработке лубяных культур и КГТУ, а также региональной программы Развитие льняного комплекса Костромской области.

На основе проведённых исследований были даны рекомендации по усовершенствованию рабочих органов модификатора.

• обоснован выбор толщины бильных планок;
• обоснована возможность уменьшения размеров рабочего вала модификатора и бильного барабана;
• обоснована возможность применения подвижных бил при модификации.

Эти рекомендации были использованы при создании новой улучшенной модели модифицирующего устройства. Новая машина - модификатор ММЛ-3 была создана в условиях ООО ПРОМТЕКС.

Основные положения работы используются в учебном процессе студентами КГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены и получили одобрение: на международной научно-технической и практической конференции Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях, г. Кострома, КГТУ, 2004 г.г.; на научно-практической конференции Прогресс. Актуальные проблемы переработки льна, г. Иваново, ИвГТА, 2004 г.г.; на международных научно-практических конференциях Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе, г. Кострома, КГСХА, 2007, 2008 г.; на заседаниях учёного Совета Всероссийского НИИ по переработке лубяных культур (г. Кострома, 2002 г.); на Всероссийском научном семинаре Научные проблемы агропромышленной переработки лубоволокнистых материалов, г. Кострома, КГТУ, 2009 г.; на семинаре по ТММ кафедры ТММ и ПТМ, г. Кострома, КГТУ, 2009 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 публикаций в журналах входящих в перечень ВАК, 5 печатных работ опубликованы в сборниках материалов (трудов) и тезисов докладов на международных, всероссийских конференциях и других изданиях.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 125 страницах и содержит 34 иллюстрации, 4 таблицы. Список литературы включает 92 источника.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований, указана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обзор литературных источников, рассмотрена история вопроса, проанализировано текущее состояние проблемы.

В начале главы даны краткие сведения об устройстве для модификации льняного волокна в ленте (модификаторе), его конструкции, назначении, и месте устройства в технологической цепочке переработки льна. Сделан вывод о том, что работ посвящённых модификатору, и процессу модификации с помощью высокоскоростного трепания крайне мало.

Далее отмечено, что процесс высокоскоростного трепания, реализованный в модификаторе, во многом схож с явлениями, происходящими при трепании сырца льнотресты на МТА при традиционном получении длинного волокна, что позволяет использовать результаты работ, полученными такими известными учёными как: Кузьминский А.Б., Неронов Н.А., Суслов Н.Н., Савиновский В.И., Кузнецов Г.К., Ипатов А.М., Пашин Е.Л., Лапшин А.Б., Дьячков В.А., Левитский И.Н., Коновалов В.В., Янушевский Д.А., Корабельников Р.В., Корабельников А.Р., и многими другими работавшими в этой области.

Далее кратко изложена история механики идеальной гибкой нити. Сделаны выводы о том, что имеющиеся немногочисленные, точные, аналитические решения неприменимы для описания процесса трепания, так как они рассматривают только стационарные движения нити. Метод Рахматуллина-Эргашова применим только для расчета ударных нагрузок, то есть первых мгновений после нанесения удара, а разностные методы для счёта на ЭВМ, непрерывной нити в литературе за последние пол века не встречаются.

В конце главы проанализированы существующие модели нити, а также модели ее взаимодействия с рабочими органами. Выделено два принципиально различных подхода к построению моделей нити, дискретный (рис.1 б) и в)) и традиционный континуальный (рис. 1 а)).

рис. 1. Модели нити. а) традиционная - континуальная, б) дискретная, в) дискретная Ляпунова, г) дискретная предлагаемая

Отмечено что континуальный подход позволяет найти силу натяжения нити, после решения уравнения захлёстывания.

Недостатком этого уравнения является то, что при его выводе использовано спорное допущение о прямолинейности участков нити, что вызывает сомнение в получаемых значениях сил натяжения. Поэтому необходима независимая проверка этих результатов.

В дискретных моделях расчёт на компьютере обычно проводится для малого количества элементов (не более пяти), что не позволяет достаточно точно моделировать гибкую непрерывную нить. Сделан вывод о том, что это связано с нерастяжимостью нити и предложено ввести растяжимость в модель Ляпунова (рис. 1 г)).

Во второй главе для предложенной дискретной модели (рис. 1 г) получена математическая модель движения.

(i=1..N).

где: Е - модуль упругости на растяжение, S - площадь поперечного сечения нити, l0 - длина недеформированного упругого элемента, m - масса одной точки, lk,j - длина упругого элемента между точками с номерами k и j.

Показано, что полученная дискретная система в пределе переходит в общие уравнения движения динамики гибкой растяжимой нити.

Отмечено, что однотипность уравнений полученной дискретной системы, позволяет получить явную разностную схему удобную для программирования. Приведён вывод разностной схемы, и её код на языке Pascal.

Показано, что полученную разностную схему можно вывести как из предлагаемой дискретной системы, так и из общих уравнений движения гибкой растяжимой нити, что, и доказывает достоверность полученных дифференциальных уравнений.

Для моделирования удара предложена модель (рис. 2), идея которой заключается в том, что в момент времени t > 0 кромка полуплоскости УрастянетФ упругий элемент между точками А и С. Поэтому величина силы, действующая на эти точки со стороны УрастянутогоФ упругого элемента изменится. Для предложенной модели получены уравнения движения. Для примера, приведём уравнения движения точки А, расположенной выше била:

Проведён анализ вопроса о существовании и единственности полученной дифференциальной задачи, а также её корректности по Адамару. Доказано, что при трепании данная задача всегда некорректна по Адамару.

Показано, что частными случаями полученной математической модели являются волновые уравнения, для явных разностных схем которых, критерием устойчивости является условие Куранта. Поэтому полученная разностная схема обязана как минимум удовлетворять этому условию.

При численных экспериментах было установлено, что полученная разностная схема удовлетворяет условию Куранта строго.

В третьей главе представлены результаты тестирования программы и проведено сравнение результатов численных расчетов по традиционной модели и предлагаемой.