Совершенствование методики расчета параметров строения ткани и условий ее выработки на бесчелночных ткацких станках

Актуальность работы. В условиях рыночных отношений необходимо стремиться к расширению ассортимента, снижению себестоимости и повышению качества вырабатываемой продукции. В структуре ткани проявляются свойства сырья, параметры строения и технологический процесс ее формирования.

Несмотря на большое количество работ, посвященных проектированию ткани и прогнозированию ее строения, имеются вопросы, требующие дальнейшего изучения. Например, отсутствуют формулы для определения расстояний между соседними нитями в пересечках и в настиледо настоящего времени нет зависимостей, устанавливающих взаимосвязь между уработками нитей основы в ткани и в ткачествене до конца выявлены условия совместной выработки с одного ткацкого навоя ткани с продольными полосами из разных переплетенийдля расчета порядка фазы строения ткани часто используют формулы, имеющие громоздкий вид.

Положительное влияние на процесс формирования ткани оказывает стабилизация параметров заправки ткацкого станка и режима натяжения нитей основы. Однако существующие устройства отпуска и натяжения основы на бесчелночных ткацких станках не обеспечивают работу упругой системы заправки (УСЗ) с минимально возможным изменением натяжения за время срабатывания ткацкого навоя.

Таким образом, тема данной работы, посвященной совершенствованию методики расчета параметров строения ткани и условий ее выработки на бесчелночных ткацких станках является актуальной.

Целью настоящего исследования является обоснование и получение математических моделей и соотношений для расчета и прогнозирования параметров строения однослойной ткани и совершенствование условий выработки ткани на бесчелночных ткацких станках.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные научные и технические задачи:

1. Усовершенствован существующий геометрический метод определения параметров строения однослойной ткани, позволивший:

— получить простые формулы для расчета высот волн изгиба нитей в ткани и порядка фазы строения ткани;

— определить расстояния между нитями одной системы в местах пересечения их нитями другой системы и в настилах;

2. Установлена аналитическая зависимость между уработками нитей основы и утка в ткани, на основании которой предложены расчетные формулы для определения уработок с использованием поверхностной плотности ткани.

3. Определены и проанализированы режимы натяжения нитей основы в двух вариантах: при выработке на одном и том же ткацком станке отдельно ткани полотняного и саржевого (1/3) переплетений, и когда эти переплетения вырабатываются одновременно с одного ткацкого навоя в смежнных продольных полосах ткани.

4. Получена взаимосвязь между уработками нитей основы в ткани и в ткачестве. Выявлены условия совместимости выработки в ткани с одного ткацкого навоя продольных полос из разных переплетений.

5. Разработана усовершенствованная конструкция основного регулятора бесчелночных ткацких станков, повышающая эффективность процесса ткачества за счет возможности регулирования необходимого натяжения основных нитей в статических и динамических условиях.

6. Выведено дифференциальное уравнение динамики УСЗ ткацкого станка, с помощью которого проанализированы разные режимы регулирования относительной деформации нитей основы на ткацком станке с применением усовершенствованной конструкции основного регулятора. Проведена производственная проверка предложенной конструкции, полученной путем модернизации существующего механизма.

Методы исследований. Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования, в которых использовались:

— ткацкие станки с кулачковым и кареточным зевообразовательными механизмами;

— хлопчатобумажная ткань действующего ассортимента;

— ткань с продольными полосами из разных переплетений (полотняное и саржевое 1/3).

В теоретических исследованиях применялись методы аналитической геометрии, составление и решение дифференциальных уравнений, законы теоретической механики, элементы теории механизмов и деталей машин.

Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и производственных условиях. При экспериментальном исследовании параметров строения тканей применялся метод получения и анализа микросрезов наработанных образцов тканей, а измерения натяжения нитей на ткацком станке производились с использованием методов тензометрии. Данные эксперимента обрабатывались на компьютере с применением теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— предложен новый способ расчета порядка фазы строения ткани;

— получены формулы для расчета расстояний между нитями одной системы в местах пересечения их нитями другой системы и в настилах;

— получены новые аналитические соотношения между уработками нитей основы и утка в ткани;

— предложены новые расчетные формулы для определения уработок нитей основы и утка в ткани, исходя из поверхностной плотности ткани;

— впервые установлена взаимосвязь между уработками нитей основы в ткани и в ткачестве;

— научно обосновано, что при выработке ткани с продольными полосами из разных переплетений с одного ткацкого навоя сумма расчетной уработки основных нитей в ткани и относительной деформации их на ткацком станке есть величина постоянная для каждой полосы. Отсюда в общем виде получено условие совместимости выработки таких полос;

— получено дифференциальное уравнение динамики УСЗ ткацкого станка, которое дает возможность установить взаимосвязь изменения во времени относительной деформации нитей основы на ткацком станке с величиной отпуска основы с ткацкого навоя;

— разработана усовершенствованная конструкция основного регулятора бесчелночных ткацких станков типа АТТТР, СТБ и других, защищенная Патентом РФ на полезную модель № 58 544. Она обеспечивает выработку ткани с минимально возможным и постоянным уровнем натяжения нитей основы.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Предложенная конструкция основного регулятора бесчелночных ткацких станков обеспечивает подналадку натяжения нитей основы при выработке ткани, что повышает эффективность процесса ткачества. Испытания модернизированного основного регулятора в производственных условиях на станке АТПР — 100 — 4 при выработке сатина арт.540 показали повышение качества вырабатываемой ткани и увеличение ее выпуска за счет снижения обрывности основных нитей в процессе ткачества. Результаты работы переданы для внедрения на ООО «Лежневец» с ожидаемым экономическим эффектом 84 295 руб. в расчете на 100 ткацких станков в год.

Практически все, полученные автором теоретические зависимости для расчета и прогнозирования параметров строения однослойных тканей, опубликованы в научных статьях и в материалах научно-технических конференций, которые используются НИИ, вузами, научными работниками и студентами в соответствующих научных исследованиях и инженерных расчетах.

Предложенные технические и технологические решения для нормализации процесса ткачества могут быть взяты конструкторами за основу при создании нового поколения основных регуляторов ткацких станков.

Результаты исследований автора вошли в учебное пособие «Основы проектирования ткацких производств» и используются в учебном процессе.

ИГТА при подготовке бакалавров и магистров по направлению 551 200, в курсовом проектировании и при выполнении выпускных квалификационных работ.

Апробация работы. Материалы по теме диссертации докладывались и получили одобрение:

— на международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Иваново, ПРОГРЕСС 2005, 2006, 2007);

— на научно-методическом семинаре кафедры ткачества ИГТА (Иваново, 2006);

— на расширенном заседании кафедры ткачества ИГТА (Иваново, 2009).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований представлены статьями в журнале «Изв. вузов. Технология текстильной промышленности», материалами научно-технических конференций, Патентом РФ № 58 544 на полезную модель «Основный регулятор ткацкого станка» от 26.06.2006.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 131 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 разделов с выводами после каждого, основных результатов и общих выводов.

Список литературы

содержит 119 наименований. Работа включает 23 рисунка, 30 таблиц и 9 приложений. Общий объем работы составляет 172 страницы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Впервые получены формулы для определения разности между длиной нити одной системы в пересечке ее с нитью другой системы и длиной ткани на этом участке в направлении пересечки. С использованием этих зависимостей предложен новый способ расчета порядка фазы строения однослойной ткани, учитывающий фактическую плотность ткани по основе и утку, уработку нитей и параметры переплетения нитей в ткани.

2. Предложены формулы для расчета расстояния между нитями одной системы в местах пересечения их нитями другой системы и в настилах без использования коэффициентов наполнения ткани для соответствующих систем нитей.

3. Получено новое соотношение уработок нитей основы и утка, на основании которого предложена методика расчета уработки нитей основы и утка в однослойной суровой ткани по ее поверхностной плотности. Рассмотрен пример применения данной методики при проектировании ткани.

4. По микросрезам вдоль основы, полученным для тканей полотняного, саржевого 1/3 переплетений, а также для этих же переплетений в продольных полосах, определены высоты волн изгиба нитей, толщина тканей, диаметр утка и расстояния между соседними уточными нитями в пересечках и в настилах. По этим данным рассчитаны порядок фазы строения тканей, коэффициенты заполнения тканей волокнистым материалом, коэффициенты смятия нитей и уработка нитей в ткани. Сравнительный анализ показывает, что различие между соответствующими расчетными и экспериментальными данными статистически незначимо.

5. Показано, что для определения уработки кусочно-линейная аппроксимация ломаной линией изогнутой длины нити основы в пересечении ее с утком с приемлемой погрешностью может быть заменена в срезах ткани одной прямой линией, соединяющей начало и конец изогнутого участка. Во всех исследуемых видах переплетений значения уработок нитей основы в ткани, полученных в том и в другом случае аппроксимации, практически совпадают.

6. Установлено, что уработка нитей основы в ткачестве складывается из уработки нитей основы в ткани (снятой с ткацкого станка) и относительной деформации их на ткацком станке. При выработке ткани с продольными полосами из разных переплетений с одного ткацкого навоя эта сумма остается неизменной для каждой продольной полосы.

7. Чем больше расчетная уработка нитей основы в продольной полосе ткани, тем меньшей деформации будут подвергаться нити в данной полосе и, следовательно, эти нити будут находиться на станке под меньшим средним натяжением. Сказанное подтверждается экспериментальными осциллограммами, где среднее натяжение нитей основы в полосе саржи 1/3 больше, чем в полосе полотняного переплетения.

8. Экспериментально установлено, что при выработке в равных условиях заправки станка тканей полотняного и саржевого 1/3 переплетений (без полос) среднее натяжение нитей основы в первом случае больше, чем во втором, что объясняется большей уработкой нитей в ткани полотняного переплетения.

9. В общем виде получено условие совместимости выработки в ткани с одного ткацкого навоя продольных полос из разных переплетений.

10. С целью повышения эффективности процесса ткачества предложена усовершенствованная конструкция основного регулятора бесчелночных ткацких станков, защищенная патентом РФ на полезную модель № 58 544. Она позволяет осуществлять регулирование необходимого натяжения основных нитей на бесчелночных ткацких станках СТБ и АТПР в статических и динамических условиях.

11. Получено дифференциальное уравнение динамики УСЗ ткацкого станка и дано его общее решение, позволяющее анализировать разные режимы регулирования относительной деформации (а, следовательно, и натяжения) нитей на ткацком станке с применением усовершенствованной конструкции основного регулятора. Найденные теоретические зависимости хорошо согласуются с экспериментальной осциллограммой натяжения нитей основы.

12. Испытания предложенной конструкции основного регулятора в условиях ООО «Лежневец» на ткацком станке АТПР — 100 — 4 при выработке ткани типа сатин арт. 540 показали повышение качества ткани и увеличение ее выпуска за счет снижения обрывности основных нитей в процессе ткачества. Ожидаемый экономический эффект составил 84 295 руб. в рачете на 100 ткацких станков в год.

В заключение анализа литературных источников можно сделать следующие выводы:

1. Исследованиям в области строения и проектирования тканей уделяется пристальное внимание ученых и специалистов — текстильщиков. В научных работах в основном применяются три метода: геометрический метод проф. Н. Г. Новикова, исследования ткани, когда она находится на ткацком станке под действием растягивающих и ударных нагрузок, и изучение «свободной» ткани, снятой с ткацкого станка. Известны теоретические зависимости взаимосвязи параметров строения ткани с заправочными параметрами на ткацком станке.

2. Предложено большое количество соотношений для определения высот волн изгиба нитей в ткани и расчета порядка фазы ее строения. Однако многие из них являются приближенными, полученными при определенных допущениях, а иногда (например, с применением формулы (1.30)) имеют громоздкий вид.

3. В литературе отсутствуют формулы для расчета расстояний между нитями одной системы в местах пересечения их нитями другой системы и в настилах. В следствие этого уработка нитей в ткани рассчитывается с применением коэффициентов наполнения ткани волокнистым материалом по весьма приближенным формулам типа (1.24), (1.25). Существует ряд других формул по определению уработки, но они в основном имеют приближенный или эмпирический характер.

4. Согласно исследованиям Э. А. Оникова, П. Т. Букаева и некоторых других авторов, необходимо различать уработку нитей основы и утка в ткани и в ткачестве, определяя их в первом случае по образцу ткани, снятой с ткацкого станка, а во втором — непосредственно на ткацком станке. Однако такое разделение уработок во многих исследованиях четко не прослеживается, отсутствуют и соотношения между указанными уработками.

5. Уработку нитей основы в разных продольных полосах ткани, снятой со станка, многие авторы считают различной, не упоминая при этом о соотношении в полосах уработок основных нитей в ткачестве (на ткацком станке). В литературе в общем виде не указаны условия совместимости выработки в ткани с одного ткацкого навоя продольных полос из разных переплетений.

6. Существует большое количество экспериментальных методов исследования строения ткани: прямые и косвенные, разрушающие и неразрушающие, со специальной и без специальной подготовки ткани. Наибольшее распространение в настоящее время получил метод исследования с помощью микросрезов образцов ткани вдоль основы и утка в сочетании с компьютерной обработкой.

7. Многочисленные исследования показывают, что на процесс формирования ткани и ее качество существенное влияние оказывает режим натяжения нитей основы, среднее значение которого во многом определяется заправочным натяжением. Поэтому нестабильность натяжения, возникающая из-за неудовлетворительной работы механизмов отпуска и натяжения основы, приводит к повышенной обрывности основных нитей и отражается на изменении их уработки, плотности ткани по утку и других параметров.

Исходя из вышеизложенного, сформулированы указанные во Введении и задачи исследования.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОВЫХ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ДЛЯ.

РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СТРОЕНИЯ ТКАНИ 2.1. Новый способ расчета порядка фазы строения однослойной ткани.

Рассмотрим новую методику [97],[98] аналитического определения порядка фазы строения ткани с учетом плотности ткани по основе и утку (Р0,Ру), уработки нитей основы и утка (а0,С1у), а также характеристик переплетения нитей в ткани. Считаем ткань снятой с ткацкого станка.

В разрезе раппорта ткани вдоль основы (рис. 2.1) изогнутую линию нити основы заменим приближенно ломаной линией АВСИ. При этом уработка нити основы в раппорте [9,57]:

АВСО-Ьъ, Ь, ао.

АВСО ЛВСО где длина раппорта ткани по утку.

Отсюда.

АВСО 1.

•100 = (1—,%, (2.1).

2.2).

ЬКу 1−0,01яо Учитывая, что АВ = СО, из рис. 2.1 имеем:

АВСО=АВ10 +{1Яу -1у⁰)=[АБ-1уф) 10 +1Ку, (2.3) где Iуф — фактическая геометрическая плотность ткани в месте пересечения нитей утка основой, t0 — число таких пересечений в раппорте ткани по утку. Подставив последнее выражение в (2.2), получим:

АВ-1 ф) г0 +ЬКу [АВ—1ф] г0 х.

-=-+ 1 =-. (2.4) ч 1−0,04.

Или.

АВ — 1уф) /0 ^ 0,01ао ЬКу «1−0,01.

В свою очередь, длина раппорта по утку.

Ь^=ШКу/Ру9 (2.6) где Рувыражена в нитях/дм, а Ьцу — в мм.

С учетом (2.6) из (2.5) находим.

АВ -1уф = {А0Ку)/[Ру10), (2.7) где.

А0 = /(1−0,01 О. (2.8).

Правая часть выражения (2.7) имеет размерность длины. Поэтому положим.

А011у)/{РуГ0)= /0. (2.9).

Следовательно, выражение (2.7) будет:

АВ — 1уф = /о ¦ (2.10).

Величина /0 представляет собой разность между длиной АВ нити основы в пересечке (рис. 2.1) и длиной 1уф ткани в ней. уток основа.

Рис. 2.1. Разрез ткани вдоль нити основы Из рис. 2.1 с учетом (2.10) имеем: к = ^АВ*-Пуф = ^АВ-1уф)(АВ+1уф) = ^/0(АВ + 1уф) = ^/оУуф+/о+1уф)=^/о (21уф+/о)=]/о1уф (.2-+у2-).

V уф.

Полагая f0 Иуф «2, с небольшой погрешностью.

2−11).

Ьа = уф.

2.12).

Фактическая геометрическая плотность ткани в месте пересечения нитей утка основой.

1уф=Ш!Руф, (2.13) где Руф— плотность ткани в пересечке нитей утка основой, нити/дм- 1уф — выражена в мм.

После подстановки (2.13) и (2.9) в (2.12), найдем: к = 7(200А0Яу)/{РуРуф^). (2.14) 2.

Приближенно можно положить РуРуф ~ Ру. Тогда из (2.14) к0"^-^2А0КуИ0. (2.15) У.

Аналогичное выражение можно записать и по другой системе нитей ку-ул12АуКо^у, (2.16) где согласно (2.8).

Ау =ау/ (1−0,01 ау). (2.17).

Чтобы равенства (2.15) и (2.16) были точными, умножим каждое из них на некоторый коэффициент к, зависящий от параметров строения ткани. Тогда го =к~Гл12АоЯу'*о, = Цу. (2.18).

V о.

Коэффициент к найдем, используя равенство Н. Г. Новикова.

К+Ну= 2<*р > (2Л9) где (Лр — {??0 +с1у}/ 2 — расчетный диаметр нитейс10, с1 у — диаметр нитей основы и утка, мм.

После подстановки (2.18) в (2.19) получаем: к = —-^-. (2.20).

Р~42АоКУ, го +У^2АУКо Ну у.

С учетом этого выражения формулы (2.18) можно записать в виде:

К = 2 с1рР0 ¡-{Р0 +ВаРу)¦ ку = 2с1рРу г р +—Р.

У в °.

Во) где.

Из (2.21) находим коэффициенты высоты волны изгиба нитей:

7 — >

2.21).

2.22).

Кк=2Р0/(Р0+В0Ру), К}=2Ру.

Р&bdquo- + 1 ч В о.

2.23) о.

Рассчитав по формулам (2.23) коэффициент К^ или Ки, по одной из формул [8,9].

Ф = 1 + 4К к0 '.

Ф=9−4Кь.

2.24) можно определить порядок Ф фазы строения ткани.

Рассмотрим геометрический смысл полученных зависимостей (2.21). Нетрудно убедиться в том, что формулы (2.21) являются решением системы уравнений:

К+ьу = 2ар, н0 /иу = р0 Друв0). (2.25).

Для геометрической интерпретации соотношений (2.25) с некоторым приближением принимаем Ру — Руф и Ро ~ Роф • Тогда из второго уравнения этой системы находим: Следовательно,.

В0К/1уф = Ьу/1оф. (2.27).

Из разрезов вдоль основы (рис. 2.2-а) и вдоль утка (рис. 2.2-б) в месте пересечения нитей в раппорте, последнее равенство означает, что.

В о ' = • (2.28) где К/1 уф ' = ку /1оф •.

Рис. 2.2.Разрезы ткани вдоль основы и утка.

Таким образом, формулы (2.21) показывают, что углы наклона нитей в месте пересечения их с нитями противоположной системы выражаются. равенством (2.28).

Для того, чтобы определить погрешность равенства (2.28) в табл. 2.1 приведены расчеты по формулам (2.8), (2.17), (2.22) и (2.28) с применением анализа срезов наработанных в УПМ ИГТА образцов тканей, взятых из работы [99].