Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Теоретические и технические основы повышения эффективности процесса трепания недоработанного льняного волокна

Бойко С.В.

Москва, 2008

Работа выполнена в государственном научном учреждении

Всероссийский научно-исследовательский институт по переработке лубяных культур

и государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Костромской государственный технологический университет

Научный консультант:

Пашин Евгений Львович, доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Мовшович Павел Михайлович, доктор технических наук, профессор

Павлов Ювеналий Васильевич, доктор технических наук, профессор

Проталинский Сергей Евгеньевич, доктор технических наук, профессор

Ведущая организация:

ОАО «Центральный НИИ комплексной автоматизации лёгкой промышленности»

Защита состоится «11» декабря 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.139.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина» по адресу: 119071, г. Москва, ул. Малая Калужская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина».

Автореферат разослан «____»______________ 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета: проф. Ю.С. Шустов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследовательской работы. Развитию льняного комплекса в Российской Федерации уделяется особое внимание. Это обусловлено необходимостью обеспечения качественным сырьем предприятий текстильной промышленности, которые должны производить широкий ассортимент конкурентоспособных изделий бытового и технического назначений.

Однако в последнее время в условиях рыночной экономики положительная динамика производства льноволокна на предприятиях первичной обработки снизилась. Причиной тому явилась совокупность объективных факторов. Среди них сокращение в сельском хозяйстве ручного труда, необходимого для соответствующей подготовки сырья, использование интенсивных механизированных технологий уборки льна с поля, повсеместное применение способа получения тресты путём расстила стеблей на льнище. Вследствие этого увеличилась неоднородность технологических свойств тресты, что привело к снижению эффективности её переработки и росту затрат при производстве волокна. Практически всё поступающее на льнозаводы сырьё сформировано в виде рулонов массой более 150 кг. Данное обстоятельство исключает проведение эффективных сортировок стеблей на льнозаводах по их технологическим свойствам. В итоге не обеспечиваются условия для выбора оптимальных режимов переработки льна с целью получения максимального выхода длинного, наиболее ценного волокна (при необходимой очистке его от костры).

В таких условиях процесс получения трёпаного льна сопровождается повышенным уровнем недоработанных (недотрёпанных) волокнистых прядей - «недоработки». На практике их доля в общей массе получаемого на мяльно-трепальном агрегате (МТА) волокна достигает 40-60%. Доведение недоработанных прядей до ликвидного состояния требует дополнительной обработки, как правило, повторным трепанием, что вызывает потерю длинноволокнистых комплексов, снижение их качества и рост производственных затрат.

Такое положение дел, наряду с другими проблемами льняного комплекса, связанными с конечным качеством и количеством трёпаного волокна, привело к тому, что в октябре 2006 года Председателем Правительства РФ дано поручение (распоряжение МФ-П9-5064 от 25.10.2006 г.) по разработке и реализации в течение 2006-2008 гг. комплекса мер по увеличению производства качественной льняной продукции.

В этой связи задача по разработке новых технологических и технических решений по повышению эффективности процесса получения длинного волокна из недоработанного льна является крайне актуальной, способствующей укреплению сырьевой базы отечественной текстильной промышленности.

Актуальность изучаемой темы подтверждается планами развития производства льна, предусмотренных Государственной программой развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 гг. (утверждена Правительством РФ, постановление № 446 от 14 июля 2007 г.), программой фундаментальных исследований Россельхозакадемии на период 2001-2006 гг., в которой подчёркивалась необходимость «разработать высокоэффективные машинные технологии и технические средства нового поколения для производства конкурентоспособной сельскохозяйственной продукции, энергетического обеспечения и технического сервиса сельского хозяйства», тематическим планом НИР ГНУ «Всероссийский НИИ по переработке лубяных культур» и планом научных исследований КГТУ.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является повышение выхода длинного льняного волокна на льнозаводах, повышение его качества на основе совершенствования процесса трепания льна и обоснование параметров более эффективных рабочих органов машин для его реализации.

В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи исследования, отражающие его логику:

- обосновать направления совершенствования процесса трепания льна. Разработать концепцию совершенствования процесса трепания недоработанного льняного волокна для приведения параметров его качества в соответствие с требованиями действующего стандарта;

- исследовать закономерности изменения параметров качества недоработанных прядей льна в процессе их обработки трепанием. Получить необходимые для моделирования этого процесса регрессионные зависимости указанных параметров от исходных свойств льна, времени обработки и места расположения участка пряди по её длине;

- развить теорию процесса трепания льна, создать более эффективные динамические модели и методы анализа, повысить качество алгоритмов расчёта силовых и кинематических параметров;

- с использованием новых теоретических положений и методов исследовать динамику и кинематику обрабатываемых прядей в поле трепания, а также условия, обеспечивающие уменьшение образования волокнистых потерь и интенсификацию выделения костры из участков пряди, находящихся вблизи их зажима;

- усовершенствовать систему критериев эффективности процесса и разработать алгоритмы их расчёта, а также силовых и кинематических параметров, с возможностью визуализации взаимодействия пряди и рабочих органов трепальных барабанов;

- исследовать и обосновать новые элементы конструкции трепальных машин, провести их экспериментальную проверку;

- разработать рекомендации по использованию результатов исследований, провести их проверку, оценить эффективность новых рабочих органов машин и технологических решений от их использования в производстве.

Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования явились труды известных отечественных и зарубежных авторов в области первичной переработки льняного волокна, прикладной механики нити, механики деформируемого твёрдого тела, теории кратковременного взаимодействия деформируемых тел, математического моделирования, методов вычислительной математики.

При проведении теоретических исследований были использованы методы теоретической механики, сопротивления материалов, дифференциального и интегральных исчислений, линейной алгебры, векторного анализа. При создании математических моделей процесса применялись численные методы решения уравнений математической физики. Программная реализация моделей выполнена в среде программирования MICROSOFT VISUAL STUDIO. Исследование и анализ частных моделей проводились с использованием компьютерных математических систем MathCad, Delphi, MatLab.

При проведении экспериментальных исследований применяли методы планирования эксперимента, стробоскопии и тензометрии. Обработку результатов экспериментов проводили методами математической статистики с применением регрессионного, факторного и дисперсионного анализов с использованием пакета прикладной программы statistica.

Достоверность результатов исследований, выводов и рекомендаций подтверждена правильной методической основой и корректным применением принятых допущений, результатами оценки доброкачественности новых динамических моделей на основе сравнительного сопоставления с общеизвестными данными, возможностью визуальной оценки моделированных положений прядей льна в процессе трепания, а также результатами производственных и лабораторных испытаний.

Научная новизна работы заключается в развитии и совершенствовании на основе положений механики деформируемых тел, испытывающих воздействие интенсивных кратковременных нагрузок, теории процесса трепания льна путем создания имитационной модели системы «прядь - рабочие органы», методов моделирования и анализа процесса и параметров машин при его реализации, особенность которых определяется результатами синтеза теорий механики нити и удара с учётом волновых явлений при силовом нагружении обрабатываемого материала.

В диссертационной работе впервые:

- создана система динамических моделей процесса трепания, обеспечивающих учёт волновой природы распространения возмущений в обрабатываемой гибкой, упруго-вязкой, неоднородной по длине нити - льняной пряди. Это позволило: исследовать поведение пряди в поле трепания в целом на последовательно протекающих этапах; исследовать процессы нагружений участков льна во времени; смоделировать скольжение пряди по билу; исключить ранее принимаемые допущения о прямолинейности свободных участков пряди и об их абсолютной твёрдости; идентифицировать и исследовать кратковременные (до 0,001 с) локальные пиковые нагружения участков обрабатываемой пряди; адаптировать модели взаимодействия пряди к реальным особенностям движения била (по окружности) и его формам;

- предложен расчётный метод определения основных динамических и кинематических параметров процесса трепания льняных прядей. Проведена апробация алгоритма расчёта силового нагружения льняных прядей при их взаимодействии с рабочими органами трепальной машины;

- дано объяснение ряду явлений, имеющих важное практическое значение, а именно, обсечке волокна, удлинению льняных прядей в процессе трепания, зависимости характера перемещения свободного участка в поле трепания от длины прядей, наличию кратковременных пиковых нагрузок на волокно, варьированию сил натяжения свободного участка пряди при сходе с била, в том числе из-за отсутствия её постоянного контакта с кромкой била;

- получена система моделей формирования основных качественных параметров недоработанного льняного волокна, распределённых по длине прядей, в зависимости от времени обработки и свойств тресты и исходных прядей;

- установлена необходимость учёта, в качестве критерия эффективности технологического процесса, энергетической характеристики - кинетической энергии. Обоснована структура интегрированного критерия эффективности обескостривания прядей вблизи зоны зажима;

- предложена концепция совершенствования процесса трепания недоработанного льняного волокна и конструкции рабочих органов для его реализации;

- получено математическое описание процесса взаимодействия обрабатываемого материала с пассивными и активными элементами тыльных частей бил трепального барабана.

Практическая ценность работы и реализация полученных результатов. Усовершенствованная система критериев оценки эффективности процесса трепания льна с учётом использования энергетических характеристик и созданный по результатам исследований программный комплекс для их расчёта внедрены в научную деятельность ГНУ ВНИИЛК, в проектно-конструкторский отдел ООО «Промтекс» и учебный процесс Костромского государственного технологического университета при подготовке инженеров и аспирантов по специальности «Технология и оборудование производства натуральных волокон». Особенностью комплекса является имитация процесса трепания и его визуализация при различных исходных режимно-конструктивных параметрах и свойствах обрабатываемого материала.

Предложенные рекомендации по совершенствованию процесса трепания недоработанного льняного волокна приняты для использования ГНУ ВНИИЛК при создании новых машинных технологий получения льняного волокна на основе сквозного трепания.

Предложенные новые технические решения по совершенствованию рабочих органов машин для трепания и процессов получения льноволокна рекомендованы для использования и внедрены на практике, а именно:

- создана и внедрена для серийного производства в условиях ООО «Промтекс» новая малогабаритная однопроцессная машина для получения трепаного льна и обработки недоработанных прядей. Её использование позволяет увеличить выход длинного волокна на 3-4% (абс.) при обеспечении массовой доли в нём костры не более стандартных норм;

- испытаны новые модернизированные барабаны для обработки льняной тресты и обработки недоработанного волокна в условиях трех льнозаводов Костромской области. С их применением установлена возможность увеличения выхода длинного волокна до 1-2% (абс.), а также снижения доли недоработанного льна на 3-4% (абс.). В настоящее время модернизированные трепальные барабаны эксплуатируются на Шолоховском льнозаводе. Ожидаемый экономический эффект от использования барабанов может составить 200-600 рублей в расчёте на одну тонну тресты, что обеспечит повышение рентабельности производства до 5%;

- приняты к использованию ГНУ ВНИИЛК и Шолоховским льнозаводом рекомендации по модернизации машины ТНВ-170. Основным направлением её совершенствования является установка специальных криволинейных направляющих вблизи линии зажима волокна и подвижных тыльных планок бил;

- рекомендована для практического использования новая технологическая схема обработки льна в условиях фермерских хозяйств. Её использование позволит обеспечить получение годового экономического эффекта в размере от 100 до 1000 рублей в расчёте на одну тонну тресты в зависимости от урожайности и её качества.

Отдельные результаты исследований, связанные с изучением свойств недоработанного волокна, особенностями силового нагружения льна при трепании, а также с новыми конструкциями машин и их рабочих органов, внедрены в учебный процесс КГТУ при подготовке инженеров по специальности «Технология и оборудование производства натуральных волокон».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на: IX Всемирном конгрессе по ТММ (Италия, 1995 г.); всероссийской научно-технической конференции «Текстиль» (г. Москва: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2004 г.); всероссийской студенческой конференции «Текстиль» (г. Москва: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2007 г.); международных научно-технических конференциях «Лен» (г. Кострома: КГТУ, 1994, 1996, 2004, 2006, 2008 гг.); международных научно-технических конференциях «Прогресс» (г. Иваново: ИГТА, 2004-2008 гг.); международной научно-практической конференции «Интенсификация машинных технологий производства и переработки льнопродукции» (г. Тверь: ГНУ ВНИПТИМЛ Россельхозакадемии, 2004 г.); международной научно-практической конференции «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» (г. Вологда: ОАО ЦНИИЛКА, 2007 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы развития отрасли льноводства и коноплеводства» (Украина, г. Глухов: Институт лубяных культур УААН, 2007 г.); межрегиональной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития льноводства в Сибири» (г. Томск, Сибирский НИИ сельского хозяйства и торфа, 2007 г.); международной научно-практической конференции «Наука, сельское хозяйство и промышленность - пути развития и ожидаемые результаты» (г. Вологда: ОАО ЦНИИЛКА, 2008 г.); заседаниях кафедры теоретической механики и сопротивления материалов КГТУ (г. Кострома: КГТУ, 2004-2008 гг.); всероссийском семинаре по научным проблемам агропромышленной переработки лубоволокнистых материалов (г. Кострома: КГТУ, 2005 г.); всероссийском научном семинаре по технологии текстильных материалов (г. Кострома: КГТУ, 2006, 2008 г.г.); всероссийском семинаре по текстильному машиноведению (г. Кострома: Костромской филиал по ТМ РАН; КГТУ, 2007 г.); заседании кафедры прядения ИГТА (г. Иваново: ИГТА, 2008 г.); расширенном заседании кафедры технологии переработки льняного волокна КГТУ (г. Кострома: КГТУ, 2008 г.); заседаниях учёного совета Всероссийского НИИ по переработке лубяных культур (г. Кострома: ВНИИЛК, 2004-2008 гг.), расширенном заседании кафедры прядения шерсти МГТУ им. А.Н. Косыгина (г. Москва: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2008 г.), заседании проблемного совета факультета технологии и производственного менеджмента МГТУ им. А.Н. Косыгина (г. Москва: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2008 г.)

Публикации. Основные результаты исследований, выполненных в рамках данной диссертационной работы, опубликованы в 60 печатных работах, в том числе в одной монографии, одном учебном пособии, 15 статьях в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», 32 иных журналах, научных трудах и материалах конференций, в трёх депонированных статьях, пяти патентах РФ на изобретения (получены положительные решения на выдачу ещё трёх патентов на изобретения).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из шести глав, изложенных на 324 страницах машинописного текста, содержит 159 рисунков, 12 таблиц, список литературных источников из 298 наименований, а также имеет выводы и приложения.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы её цель и задачи, представлена общая характеристика работы, включающая описание использованных теоретических и экспериментальных методов исследований, формулировку научных результатов, их научной новизны, практической значимости и достоверности, а также обоснование выводов и рекомендаций, полученных в работе.

В первой главе изложено состояние вопроса и проведён анализ результатов исследований процесса трепания при получении льняного волокна. Отмечено, что вследствие интенсификации технологических процессов в льноводстве, сокращения требуемых сортировок льна на льнозаводы поступает треста с повышенным уровнем неоднородности по основным технологическим свойствам. Льнозаводы при её переработке получают волокно с повышенной долей недоработанного льна (до 40-60%). Образование такого количества полуфабриката требует его дополнительной обработки и поэтому ведет к росту издержек производства, снижению выхода длинноволокнистых фракций, ухудшению их качества и конкурентоспособности отечественных льняных изделий.

Обобщение и анализ опубликованных источников по проблеме переработки недоработанного длинного волокна льна позволили заключить, что основой для её изучения служат закономерности, присущие процессу трепания. Основным отличием является объект обработки - недоработанное волокно. Его свойства и их изменения при трепании мало изучены. Констатированы основные направления совершенствования процесса: снижение волокнистых потерь волокна при повторной обработке трепанием и интенсификация условий для удаления прежде всего присушистой костры.

Изучение результатов работ, связанных с обескостриванием льна, позволило установить эффективные направления его совершенствования путем повышения вероятности перевода присушистой костры в разряд насыпной за счёт использования двойного протрёпа, уменьшения толщины слоя, его разрыхления и снижения объёмной плотности в зоне зажима волокна, увеличения количества воздействий на прядь, роста сил натяжения и градиента скоростей участков пряди в этой зоне, уменьшения радиуса закругления кромки била, а также увеличения смещения волокнистых слоёв друг относительно друга. С учётом этого в диссертационной работе указана целесообразность использования интегрального параметра эффективности обескостривания.

Установлено, что при изучении процесса трепания в части снижения волокнистых потерь теория механики нити и слоя должна являться основополагающей для его исследования и моделирования.

Вопросы кинематики и динамики слоя льноволокна при его взаимодействии с билами трепальной машины были рассмотрены в работах А.Б. Кузьминского, Н.А. Неронова, Н.Н. Суслова, В.И. Савиновского, Г.к. Кузнецова, А.М. Ипатова, И.Н. Левитского, В.В. Коновалова, Д.А. Янушевского, Е.Л. Пашина, А.Б. Лапшина, В.А. Дьячкова, С.Н. Разина и др. По результатам анализа полученных результатов следует, что существующие алгоритмы и модели оценки силового нагружения льняной пряди построены на основе использования недостаточно обоснованных субъективных допущений, что приводит к значительным ошибкам при расчётах.

Анализ работ А.П. Минакова, В.С. Щедрова, В.А. Светлицкого, Ю.В. Якубовского, Д.П. Меркина, В.К. Качурина, Я.И. Коритысского, Н.И. Алексеева, Г.Н. Кукина, А.Н. Соловьева, И.И. Мигушова, В.М. Каган, В.П. Щербакова, В.Г. Тиранова, К.Е. Перепелкина и др., посвященных исследованиям в области механики нити, выявил отсутствие методов расчета параметров динамики и кинематики нити конечной длины, когда один конец ее закреплен, а другой свободен и взаимодействует с движущимся (поступательно и вращательно) твёрдым телом сложной конструктивной формы. Именно эти условия соответствуют реальному процессу трепания льняного волокна.

Обобщение теоретических положений, изложенных в работах С.Е. Проталинского, Х.А. Рахматуллина и М. Эргашова, выявило целесообразность использования для изучения данного процесса дискретных моделей. Обозначены направления развития этого направления.

В заключительной части главы проведено обобщение результатов анализа опубликованных сведений, связанных с темой диссертационного исследования. Оно позволило установить, что основными направлениями достижения поставленной при изучении цели должны быть: поиск и создание принципиально иных подходов, методов и алгоритмов для моделирования взаимодействия била и пряди волокна при трепании, учитывающих свойства обрабатываемого материала и особенности его поведения при обработке; изучение закономерностей изменения свойств недоработанного льна в процессе обработки; совершенствование системы оценки эффективности исследуемого процесса; обоснование и проверка новых технических и технологических решений, обеспечивающих снижение волокнистых потерь и содержание костры в получаемом волокне.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию свойств недоработанного льняного волокна и закономерностей их изменения. Установлено, что формирование волокнистых потерь ПВ при обработке недоработанного льна происходит при обработке концевых участков волокна (рис.1). На величину потерь значимо влияет количество воздействий, степень вылежки тресты, из которой получено волокно, а также его длина. Степень удаления костры УК существенно меняется по длине волокнистых прядей (рис. 2).

Рис.1 Волокнистые потери Рис. 2. Степень удаления костры

(КВ - количество воздействий при трепании; УП - участок горсти пряди по её длине)

Наихудшая очистка наблюдается в средней части прядей. По мере обработки содержание остаточной костры уменьшается. Количество остаточной костры в волокне и характер её изменения зависит от степени вылежки тресты, из которой получена недоработка. В главе представлены также сведения об изменении линейной плотности пряди и волокна, а также степени его очистки от неволокнистых примесей.

Указано, что при разработке технических и технологических решений, направленных на повышение эффективности обработки недоработанного льняного волокна, необходимо стремиться к снижению интенсивности воздействий при обработке концевых участков волокна и, наоборот, - интенсифицировать обработку его срединной части. Изыскания предполагаемых решений должны проводиться с учётом изменения длины волокна и степени делимости его волокнистых комплексов, характеризующейся вылежкой тресты, из которой получено недоработанное волокно.

Полученные закономерности изменения свойств волокна предложено использовать при моделировании процесса его обработки. В этой связи получены регрессионные уравнения, определяющие изменение основных качественных параметров недоработанного волокна. Установлено, что в наибольшей степени на исследуемые параметры качества: ПВ - потери волокна, %; УК - степень удаления костры, % ; ЛПГ - линейная плотность участков горсти, ктекс; ЛПВ - линейная плотность волокна, текс; ОC - осветление волокна, отн. ед. влияет фактор участка пряди по её длине и фактор первоначальной длины пряди недоработанного волокна (рис. 3). Поэтому при проведении дальнейших исследований необходим учёт длины обрабатываемого льна и изучение результатов обработки применительно к различным по длине участкам горсти.

Нить представляет собой цепную систему с сосредоточенными параметрами: абсолютно твёрдых тел («грузов»), связанных между собой упругими связями («пружинами»). При моделировании движения нити учитывается сопротивление воздуха. Рабочие органы трепальных барабанов моделируются системой абсолютно твёрдых тел. Взаимодействие массовой точки модели нити с рабочими органами трепальных барабанов моделируется как классический удар двух тел малой и очень большой массы с учётом шероховатости их поверхности.



Рис. 3. Влияние исследуемых факторов обработки недоработанного волокна на параметры его качества

В третьей главе на основе положений механики деформируемых тел, испытывающих воздействие интенсивных кратковременных нагрузок, разработана принципиально новая модель процесса трепания.

Программная реализация модели выполнена в среде программирования MICROSOFT VISUAL STUDIO.

Модель создана при следующих допущениях. Обрабатываемая прядь моделируется гибкой упруговязкой нитью с изменяющейся по длине массой и площадью поперечного сечения.

При получение модели показано, что система дифференциальных уравнений движения гибкой растяжимой нити (1) при замене производной по лагранжевой координате s0 её конечно-разностным аналогом сводится к системе обыкновенных дифференциальных уравнений (2), которая представляет собой систему уравнений движения материальных точек нити при её представлении цепной дискретной моделью.



,

.

В формулах: 0 - линейная плотность нити, Si - площадь её поперечного сечения, Е - модуль упругости, xi и yi - координаты i-го элемента, Тi - растягивающее усилие, Qx=qxsо и Qy =qysо - проекции внешних сил, действующих на элемент нити, fi- коэффициент растяжимости нити, t - время, mi - масса дискретного элемента, l0 и li-1,I - длина недеформированной и деформированной связи соответственно.

Установлено, что с увеличением числа элементов свойства дискретной модели нити неограниченно приближаются к свойствам нити с распределёнными параметрами.

В результате замены в системе редуцированных уравнений движения нити (2) производной по времени её конечно-разностным аналогом получено векторное уравнение (3), определяющая положение точки Mi дискретной модели нити её радиусом-вектором в неподвижной прямоугольной системе координат в момент времени t+1:

,

где - вектор скорости точки Mi в момент времени t; - равнодействующая всех сил, действующих на точку, включая силы внутреннего трения и сопротивления движению; - нормальная составляющая ударного импульса силы взаимодействия с билом; - вектор ударного импульса сил трения. Произведение есть приращение радиуса-вектора точки Mi за время :

=.

Для выполнения условия устойчивости разностной схемы введено ограничение на величину шага по времени: , где с - скорость распространения деформации. Физический смысл этого условия состоит в следующем: для соблюдения принципа волнового распространения деформаций шаг по времени разностной схемы не должен превышать времени распространения деформации между соседними точками дискретной модели, расстояние между которыми l. Относительное удлинение льняного волокна = 0,01-0,02. В связи с этим скорость распространения продольных волн на порядок больше скорости распространения поперечных волн. Поэтому шаг по времени не должен превышать . Эта гипотеза была подтверждена численными экспериментами (рис.4).

С учётом того, что било при моделировании не должно «пролетать сквозь прядь», необходимо принимать значения меньше, чем величина диаметра рабочей кромки била d =2-5 мм. В связи с этим величина временного шага при расчётах принимает значение порядка 10-7-10-6 с.



Рис. 4. Изменение относительного усилия в упругой связи при различных значениях шага по времени (слева - условие устойчивости выполнено, справа - не выполнено)

На рис. 5 представлен алгоритм компьютерного метода имитационного моделирования системы «прядь - рабочие органы трепальных барабанов». С его использованием впервые появилась возможность с высоким уровнем детализации и достоверности учесть особенности взаимодействия пряди с билом, которые ранее существенным образом упрощались.

Проведена проверка доброкачественности вновь созданного метода моделирования. Установлена хорошая сходимость расчётных результатов с опубликованными данными других исследователей: Х.А. Рахматуллина, Н.Н. Суслова, А.Б. Кузьминского, В.И. Савиновского, Д.А. Янушевского, А.Б. Лапшина и др., а так же с результатами решения тестовых задач аналитическими методами (см. рис. 6). Кроме этого, в результате скоростной киносъёмки процесса трепания были получены кадры, идентичные кадрам имитационного моделирования взаимодействия пряди и бил трепальных барабанов компьютерным методом, что также подтверждает адекватность принятой модели.

Проведённые расчёты обеспечили объяснение ряда явлений, имеющих значительное практическое значение и обусловливающих формирование важнейших технологических эффектов, а именно:

- величина удельного давления на прядь со стороны кромки бильной планки при ударе определяется совместным влиянием радиуса кромки била, скорости его движения и толщины обрабатываемого слоя (см. рис. 7);

Рис. 5. Схема алгоритма моделирования трепания пряди

- обработка свободных концевых участков существенно отличается от условий взаимодействия бил трепального барабана с волокном других зон по высоте поля трепания. Установлено, что наибольшие значения скорости и её градиента имеют место у концевого участка пряди. Эти факты объясняют, почему наибольшие волокнистые потери наблюдаются на концевом участке пряди. Поэтому для нормального распределение эффектов воздействия била вдоль пряди необходимо дифференцировать воздействия на прядь по высоте поля трепания (см. рис. 8);

Рис. 6. Графики изменения давления на кромку била при различной частоте вращения трёхбильных барабанов

(1 - 350; 2 - 300; 3 - 250; 4 - 200 мин-1) по результатам:

слева - численного моделирования; справа - экспериментальных исследований Суслова Н.Н.

Рис.7. Зависимость давления от скорости била, радиуса закругления его кромки и толщины слоя

- на эффективность обработки свободных участков пряди существенным образом влияет её длина, поэтому при изучении процесса трепания льна необходимо учитывать длину прядей и их варьирование по данному параметру (см. рис. 9).

Рис. 8. Изменение скоростей точек обрабатываемой пряди: 1 - у зажима,

2 - посередине, 3 - у свободного конца (по результатам расчета)

Рис. 9. Распределение удельного давления по длине свободного сходящего участка пряди:

а - для пряди длиной 0,45 м, б - для пряди длиной 0,6 м (по результатам расчета)

Итоговым результатом исследований, представленных в главе, явилась рекомендация использования нового метода расчёта параметров процесса трепания и его моделирования при обосновании новых решений для повышения эффективности трепальных воздействий.

В четвёртой главе на основе анализа результатов, полученных при использовании нового метода моделирования, предложена концепция совершенствования процесса трепания недоработанного льняного волокна. Согласно ей важнейшими направлениями совершенствования процесса являются: льняной волокно трепальный машина

а) обеспечение дифференциации интенсивности воздействий по высоте поля трепания, с тем чтобы участки пряди у зажима подвергались более интенсивным воздействиям, а свободные - минимальным;

б) интенсификация процесса обескостривания обрабатываемой пряди вблизи её зажима за счёт усиления эффектов скользящего изгиба, смещения прядей друг относительно друга, варьирования их натяжения и уменьшения объёмной плотности слоя. При этом следует создать условия, при которых удар билом не будет происходить по одному и тому же месту пряди;

в) повышение эффективности одновременной обработки льняных прядей, имеющих разную длину, и обеспечение условий для снижения вероятности возникновения локальных разрушений волокна в поперечном и продольном направлениях прядей.

Установлено, что характер нагружения прядей в зависимости от их длины в поле трепания при прочих равных условиях может существенным образом отличаться. В определённых случаях могут формироваться значительные градиенты скоростей точек на концах пряди. На рис. 10 представлены графические зависимости изменения сил натяжения у точки зажима от угла поворота трепального барабана горстей волокна разной длины: 40, 50 и 60 см.

Из анализа графических зависимостей следует, что при обработке прядей разной длины очевидны различия в изменении силы натяжения горсти. Таким образом, на эффективность обработки свободных участков пряди существенным образом влияет её длина. Поэтому при анализе процесса трепания и при синтезе новых конструкций трепальных машин необходимо учитывать этот параметр.

Впервые осуществлена идентификация причин и условий возникновения локальных кратковременных нагружений прядей, обусловленных ростом давления на них со стороны бил. Их количество и величина зависят от длины пряди и конструкции бил барабанов. Распределение этих кратковременных нагрузок по длине пряди неравномерно (рис. 11 и 12).

Рис. 10. Изменение сил натяжения у точки зажима горстей разной длины (по результатам расчета)

Наиболее характерные нагружения образуются в результате захлёстывания конца пряди за планки подбильной решётки - I, захлёстывания пряди на тыльную сторону бильной планки - II, при сходе с кромки била - III, а также при ударе билом по пряди - IV. Величины удельных давлений на волокно при ударе и при взаимодействии с планками подбильной решётки и при сходе с бильной планки имеют близкие друг к другу значения (рис. 13).



Рис. 11. Натяжение в зажиме (1) и набегающей ветви пряди у нижней кромки (2)

Рис. 12. Изменение удельного давления слоя на рабочую кромку по длине обрабатываемой пряди (по результатам расчета)

Рис. 13. Положение пряди при трепании в моменты возникновения характерных локальных пиковых нагрузок (по результатам моделирования)

Установлено, что наиболее вероятным механизмом повреждения закострённого льняного волокна в процессе трепания является его износ в процессе соприкосновения с рабочими кромками бил трепальных барабанов, обусловленный, прежде всего, силами давления этих бил на волокно. Росту величины износа способствует повышенная закострённость волокна, увеличение сил его натяжения и толщины слоя обрабатываемых прядей, а также уменьшение радиуса закругления рабочих кромок бильных планок. Вблизи зажима прядей возникающие при износе повреждения части волокон могут приводить к смещению (стаскиванию) оборванных волокон вдоль обрабатываемых прядей и, как следствие, увеличению волокнистых отходов. В ряде случаев такое смещение в результате трепания будет приводить к увеличению длины прядей трёпаного волокна.

Установлена необходимость учёта в качестве одного из критериев эффективности технологических взаимодействий волокна с рабочими органами трепальных барабанов энергетической характеристики, в частности распределения кинетической энергии элементов пряди по её длине. Наряду с силовыми параметрами (натяжением и давлением) её использование позволит повысить информативность системы критериев в части эффективности воздействий на прядь в процессе трепания (рис.14). Использование усовершенствованной системы критериев эффективности процесса трепания льна позволило установить целесообразность сохранения должного уровня натяжения и удельного давления на волокно за счёт увеличения угла обхвата прядью кромок бил в поле трепания без увеличения (или с минимальном увеличением) кинетической энергии свободного участка пряди. Это возможно при условии сокращения числа перелётов «с била на било» свободного участка пряди, а также снижения числа случаев захлёстывания свободного участка пряди за планки подбильной решётки и основную планку била.

Рис. 14. Распределение нормированных оценок вновь предложенных критериев по длине пряди: а - кинетической энергии, б - среднего натяжения

Пятая глава посвящена обоснованию новых технических решений, обеспечивающих повышение эффективности трепальных воздействий при обработке недоработанного волокна. В основе решений - стремление, прежде всего, к достижению минимальной интенсивности воздействий на ослабленную вследствие предварительной обработки волокна концевую часть пряди.

По совокупности результатов обоснования новых технических решений, направленных на повышение эффективности процесса трепания, для реализации на практике предложено следующее.

Применительно к размерам существующих трепальных машин целесообразно использовать трёх- или четырёхбильные барабаны.

Для более эффективного обескостривания срединной части горстей, обеспечения лучших условий подвода свободного участка пряди к подбильной решётке, уменьшения количества случаев перелёта конца пряди с била одного барабана на било другого, а также для обработки прядей повышенной длины предлагается применять асимметрично расположенные по отношению к стойке била бильные планки с увеличенной шириной. Тыльная кромка этой более широкой планки может быть исполнена в виде бруса круглого или иного сечения, который обеспечит удержание свободного участка пряди после её схода с рабочей кромки бильной планки.

С целью уменьшения величины пиковых нагружений пряди при её взаимодействии с планками подбильной решётки форму последней следует выбирать исходя из условия недопущения захлёстывания конца пряди за планки решётки. Примером такого исполнения является решётка-жалюзи.

Установлено, что при сходе пряди с подбильной решётки нецелесообразно создавать условия для захлёстывния пряди за основную планку била. В этой связи в момент схода пряди с подбильной решётки необходимо максимально уменьшить вылет кромки била и расстояние между кромкой била и ближайшей к ней планкой решётки.

Для снижения интенсивности нагружения концов обрабатываемых прядей (снижения эффекта «обсечки» волокна) предлагается обеспечить дифференциацию интенсивности воздействий по высоте поля трепания. Для этого впервые рекомендованы для использования активные рабочие органы, обеспечивающие отклонение тыльной части планки при повышенном давлении на свободный участок пряди. Это будет способствовать снижению интенсивности воздействия на эту зону обрабатываемого льна. Для решения задачи выбора конструктивных параметров подвижной (вращающейся) дополнительной тыльной планки создана расчётная модель, схема которой представлена на рисунке 15. В вертикальной плоскости движется математический маятник: безынерционный стержень длиной l1 с точечной массой m1 . Точка подвеса рычага находится в подвижной точке О. Последняя совершает в той же плоскости заданное движение по окружности радиуса R била трепального барабана, определяемое законом = t, где - скорость вращения барабана. Исходя из положений механики относительного движения получили уравнение движения маятника в инерциальной системе отсчёта, связанной с вращающимся билом: . В случае действия на дополнительную тыльную планку силы давления N со стороны пряди в правую часть уравнения добавляется момент этой силы относительно оси подвеса маятника: N. В конструкции подвижной тыльной планки предусмотрено её перемещение только в ограниченном угловом секторе. Численная оценка времени возврата тыльной части планки в исходное состояние после её отклонения показала, что к моменту следующего взаимодействия с прядью она из отклонённого положения гарантировано возвращается в исходное состояние. Численным методом также были определены необходимые конструктивные параметры и масса шарнирно закреплённой дополнительной опоры.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 15. Модель подвижной дополнительной тыльной планки и имитация её взаимодействия с прядью

Для улучшения условий по выделению костры из прядей вблизи их зажима предложены, наряду с использованием условия «двойного протрёпа», решения по цикличному изменению объёмной плотности слоя, интенсификации смещения прядей друг относительно друга и варьирования расстояния от точки

Рис.16. Значения коэффициентов эффективности обескостривания при предлагаемой (1)

и типовой конструкции узла зажима (2):р1 - варьирование сил давления; р2 - варьирование сил натяжения; р3 - смещение прядей; р4 - разрыхление слоя; р5 - натяжение прядей;

зажима до места удара билом по пряди. Для этого предложено использовать пассивную криволинейную направляющую, установленную вблизи зажима слоя льна. С учетом этого предложения был рассчитан интегральный показатель эффективности обескостривания. Значения его составляющих оказались более высокими в сравнении с аналогичными параметрами типовой конструкции (рис. 16).

С учётом изменения (уменьшения) линейной плотности обрабатываемой горсти необходимо дифференцировать воздействия на прядь по длине трепальной секции. При этом необходимо обеспечить условия стабилизации сил натяжения пряди вблизи её зажима и условия, необходимые для отклонения подвижной тыльной планки в нижней части поля трепания. Поэтому предлагается использовать бильную планку с увеличивающейся шириной её тыльной части по длине трепального барабана.

По результатам сравнительного исследования с использованием компьютерного моделирования типовой и предлагаемой новой конструкции трепального барабана установлено, что характер нагружения обрабатываемой пряди обеспечивает более выгодные технологические условия для обескостривания льна (рис.17). При сохранении стабильного усреднённого натяжения пряди вблизи зажима обеспечиваются условия для более интенсивного удаления костры в средней зоне длины свисающей пряди. Нагружение свободных участков оказывается более щадящим.

Рис. 17. Распределение величины давления на прядь и кинетической энергии по её длине

В шестой главе представлены материалы по экспериментальному подтверждению основных теоретических выводов, результаты лабораторных и производственных проверок основных разработок и расчёты их экономической эффективности.

Представлена информация о новом программном комплексе, основанном на использовании созданного метода моделирования процесса трепания, и расчёт его основных силовых и кинематических параметров (рис.18). Особенностью комплекса является возможность определения значений силы натяжения элементов (рис.19), силы давления, кинетической энергии, скорости и ускорения в любом сечении по длине пряди (по углу поворота била) и длине трепальной секции.

Рис. 18. Окна компьютерной программы для ввода данных и визуализации процесса трепания

Рис. 19. Расчётные значения натяжения участков пряди

Особо ценным является возможная визуализация процесса взаимодействия пряди с билом барабана. Комплекс принят к внедрению конструкторским бюро ООО «Промтекс», ГНУ ВНИИЛК и используется в учебном процессе КГТУ при подготовке инженеров по специальности «Технология и оборудование производства натуральных волокон».

В материалах главы представлены результаты исследований с использованием тензометрии, подтверждающие, что применение активных рабочих органов бил барабанов снижает силу втягивания волокна в момент его захлёстывания.

Установлено, что это обеспечивается смещением подвижной тыльной планки в нижней части поля трепания, которая к началу следующего цикла занимает исходное положение. Подтверждена эффективность совокупного применения новых решений по совершенствованию конструкции барабана (подбильная решётка типа «жалюзи», подвижные планки (тыльная и последняя подбильной решётки). В сравнении с типовой конструкцией наблюдается повышение выхода длинного волокна на 1,5-3%. Основным преимуществом новой конструкции била является возможность получения трёпаного волокна с допустимой нормой содержания костры при меньшей частоте вращения барабанов. Представлены результаты лабораторной проверки технологической эффективности новой однопроцессной машины для получения льняного волокна (рис. 20), отличительной особенностью которой явились трепальные барабаны с билами предложенной конструкции. Доказано, что их применение обеспечивает увеличение выхода длинного волокна до 4% при условии не превышения массовой доли костры более стандартных норм (рис. 21).

Установлено, что при использовании новой машины при обработке недоработанного льна волокнистые потери снижаются до 3%. Даны предложения по использованию новой машины, в том числе и при организации производства с применением 12 новых машин в льносеющем хозяйстве. Указано, что в этом случае прибыль может достигать 130-1450 тыс. рублей в зависимости от урожайности и качества льна. Окупаемость затрат соответственно будет равна 9 и 0,8 лет.

Рис.20. Однопроцессная машина для получения трёпаного льна

Рис. 21. Выход длинного волокна при использовании барабанов разных конструкций

Значительное внимание уделено производственной проверке модернизированных трепальных барабанов с использованием неподвижных тыльных планок. Испытания проведены на трёх льнозаводах Костромской области. На Судиславском и Галичском заводах использовали планки с брусом круглого сечения, а на Шолоховском - в виде пластин. Установлено, что при переработке льна на первых двух заводах в среднем увеличение выхода длинного волокна произошло с 9,65 до 11,05%. Процент выхода недоработанных прядей при новых барабанах снизился с 28,02 до 25,8%. Качество длинного волокна в сравниваемых вариантах не изменилось. При испытании на Шолоховском льнозаводе (в течение трёх месяцев эксплуатации) оказалось, что модернизированные барабаны в сравнении с типовыми обеспечивают увеличение выхода длинного волокна на 0,3%. Оценку изменения уровня недоработанного волокна на Шолоховском льнозаводе из-за особенностей организации переработки льна осуществить не удалось. В настоящее время модернизированные барабаны по просьбе представителей заводов продолжают эксплуатироваться на Шолоховском льнозаводе. Ожидаемый экономический эффект от использования новых разработок при модернизации существующих трепальных машин может составить в расчёте на одну тонну тресты 200-600 рублей.

Общие выводы И рекомендации

1. Основной причиной роста доли недоработанного льна - «недоработки» или «недотрёпа» - на льнозаводах является повышенный уровень варьирования основных технологических свойств льняной тресты, что является следствием её неэффективной подготовки и отсутствия сортировки в условиях аграрного производства.

2. По результатам обобщения результатов известных исследовательских работ и анализа применимости их выводов к процессу получения недоработанного льна установлена необходимость учёта длины волокна, изучения закономерностей изменения его свойств при обработке, причин образования волокнистых отходов, условий обескостривания, а также обоснования эффективных конструкций рабочих органов машин, применяемых для реализации изучаемого процесса.

3. Изучение закономерностей изменения свойств недоработанного волокна в процессе его трепания выявило, что выделение волокнистых отходов в основном происходит из концевых участков волокнистых прядей. На величину потерь значимо влияет длина волокна, количество воздействий и степень вылежки исходной тресты. Наихудшая очистка наблюдается в средней части прядей. В процессе обработки характер уменьшения костры в волокне в основном определяется степенью вылежки тресты, из которой получена недоработка.

Получены регрессионные модели формирования основных параметров недоработанного льняного волокна в зависимости от свойств исходной тресты и технологических параметров изучаемого процесса. На их основе предложены рекомендации по повышению его эффективности: требуется снижение интенсивности воздействий при обработке концевых участков волокна и, наоборот, - интенсификация воздействий при обескостривании его срединной части.

4. Используя дискретные методы механики нити, развита теория процесса трепания льна путем создания новых динамических моделей и методов анализа процесса, в том числе отдельных исполнительных механизмов машин при его реализации. Отличительной особенностью новых элементов теории и методов от известных положений является синтез теории механики нити и теории удара с учётом волновых явлений в процессе силового нагружения обрабатываемого материала.

5. При моделировании необходимо обеспечит условие, при котором било не будет «пролетать сквозь прядь», что ограничивает выбор шага дискретизации модели по координате: величина расстояния между элементами дискретной модели должна быть меньше, чем величина диаметра рабочей кромки била d=2-5 мм. Теоретически обосновано условие устойчивости разностной схемы решения дифференциальных уравнений динамики нити применительно к процессу взаимодействия пряди и рабочих органов трепальных барабанов. Доказано, что для этого величина временного шага при расчётах должна быть не более 10-7-10-6 с.

6. Новые теоретические положения применительно к процессу трепания льна впервые позволили:

...