Розвиток наукових основ стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

УДК 677.024.82

Розвиток наукових основ стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин

Спеціальність 05.19.03 - технологія текстильних матеріалів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Здоренко Валерій Георгійович

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну (КНУТД) Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться 24 травня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.02 в Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою: 01011, м. Київ, вул. Немировича-Данченка, 2

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою: 01011, м.Київ, вул. Немировича-Данченка, 2

Автореферат розісланий 23 квітня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Н.П. Бухонька

обладнання натяг пружний

АНОТАЦІЯ

Здоренко В.Г. Розвиток наукових основ стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.19.03 - технологія текстильних матеріалів. - Київський національний університет технологій та дизайну, Київ, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної науково-прикладної задачі для підприємств легкої промисловості - стабілізації та контролю натягу пружної системи заправки в'язальних машин та ткацьких верстатів.

Розроблено математичну модель, що дозволяє оцінити вплив конструктивних параметрів технологічного устаткування на стабілізацію натягу пружної системи заправки. Визначено умови, виконання яких дозволяє забезпечити стабілізацію натягу пружної системи заправки.

Запропоновані пристрої контролю натягу нитки й тканини (полотна). Проведені експериментальні дослідження, що показали можливість застосування розроблених пристроїв для технологічного контролю.

Визначені умови працездатності нитконатягувачів і компенсаторів натягу при взаємодії з неоднорідними за діаметром нитками. Запропоновано нові конструкції компенсаторів і нитконатягувачів, що забезпечують стабілізацію вихідного натягу неоднорідних ниток.

Показано, що основною причиною появи дефектів готового полотна є неузгодженість роботи пристроїв подачі основи й відводу полотна. Розроблені математичні моделі основов'язальної машини при пуску та зупинці. Визначено шляхи забезпечення узгодженості при неусталених режимах роботи.

Розроблені пристрої подачі нитки й відтяжки полотна основов'язальної машини, застосування яких дозволяє знизити дефекти полотна при неусталених режимах роботи.

Ключові слова: в'язальні машини, ткацькі верстати, технологічний контроль, натяг.

АННОТАЦИЯ

Здоренко В.Г. Развитие научных основ стабилизации натяжения упругой системы заправки текстильных машин. - Рукопись.

Диссертация на соскание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.19.03 - технология текстильных материалов. - Киевский национальный университет технологий и дизайна, Киев, 2007.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-прикладной задачи для предприятий легкой промышленности - стабилизации и контроля натяжения упругой системы заправки вязальных машин и ткацких станков.

Проведенный анализ технологических процессов производства ткани и трикотажного полотна показал, что повышение конкурентоспособности продукции и повышение производительности технологического оборудования невозможно без обеспечения стабилизации натяжения упругой системы заправки.

Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние конструктивных параметров технологического оборудования на стабилизацию натяжения упругой системы заправки. Определены условия, выполнение которых позволяет обеспечить стабилизацию натяжения.

Разработаны устройства контроля непосредственно натяжения нити и ткани (полотна), а также устройства контроля параметров, связанных с натяжением упругой системы заправки (поверхностной плотности, толщины ткани или полотна, текущего диаметра навоя). Проведены экспериментальные исследования, показавшие возможность применения разработанных устройств для технологического контроля данных параметров.

Определены условия работоспособности нитенатяжителей и компенсаторов натяжения при их взаимодействии с неоднородными по диаметру нитями. Предложены новые конструкции компенсаторов и нитенатяжителей, обеспечивающих стабилизацию выходного натяжения неоднородных нитей.

Развиты основы механики нити с неравномерной формой при ее взаимодействии с направляющими поверхностями. Получены выражения для определения основных компонент кривизны, натяжения, изгибающих и крутильных моментов, которые являются наиболее общими и позволяют описывать взаимодействие нитей и пряжи с направляющими поверхностями нитенатяжителей и компенсаторов натяжения.

Рассмотрено влияние грузовых тормозов и позитивных товарных регуляторов на стабилизацию натяжения упругой системы заправки станков типа АТ. Определена зависимость силы торможения навоя, при которой функция подачи нитки будет приближена к необходимому значению. Для станков типа СТБ и АТПР определено изменение натяжения упругой системы заправки при установившемся и неустановившемся режимах работы. Определены пути усовершенствования устройства скала, позволяющие повысить стабилизацию натяжения. Разработано устройство накопителя энергии ткацкого навоя, позволяющее устранить дефекты ткани при пуске и останове станка.

Проведен анализ причин возникновения поперечных полос полотна при пуске и останове основовязальной машины. Разработаны математические модели основовязальной машины при пуске и останове. Показано, что основной причиной появления дефектов готового полотна является несогласованность работы устройств подачи основы и отвода готовой ткани. Определены пути обеспечения согласованности работы устройств подачи основы и отвода готовой продукции при неустановившихся режимах работы. Проведено исследование метода варьирования приведенных моментов, и показано, что его использование позволяет значительно снизить несогласованность работы устройств подачи основы и отвода готового полотна.

Разработаны устройства подачи нити и оттяжки полотна основовязальной машины, применение которых позволяет снизить дефекты полотна при неустановившихся режимах работы.

Ключевые слова: вязальные машины, ткацкие станки, технологический контроль, натяжение.

SUMMARY

Zdorenko V.G. Development of scientific bases of stabilization of a tension of elastic system of refuelling of textile machines. - Manuscript.

The dissertation to be submitted for the scientific degree of the Doctor of the technical sciences by speciality 05.19.03 - technology of textile materials. - The Kyiv National University of Technologies and Design, Kiev, 2007.

The dissertation is devoted to the decision of an actual scientific - applied problemfor the enterprises of light industry - to stabilization and the control of a tension of elastic system of refuelling of knitting machines and weaving looms.

The mathematical model which allows estimating influence of design data of the process equipment on stabilization of a tension of elastic system of refuelling is developed. Conditions which performance allows providing stabilization of a tension of elastic system of refuelling are determined.

Elaborated devices of the control of a tension of a string and fabric (cloth). Experimental researches which have shown an opportunity of application of the developed devices for the technological control are lead.

Conditions of serviceability yarn tensioning devices and equalisers of a tension are determined at interaction with non-uniform strings on diameter. New designs of equalisers and yarn tensioning device which provide stabilization of a target tension of non-uniform strings are offered.

It is shown, that a principal cause of occurrence of defects of a ready cloth is inconsistency of work of devices of submission of a basis and tapof a cloth. Mathematical models warp knitting machines are developed at start-up and a stop. Ways of maintenance of a coordination are determined at the unsteady operating modes.

Devices of submission of a string and delay of a cloth warp knitting machines which application allows to lower defects of a cloth at the unsteady operating modes are developed.

Key words: knitting machines, weaving looms, the technological control, a tension.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією з найважливіших задач підприємств легкої промисловості України є створення конкурентноздатної продукції та підвищення продуктивності роботи технологічного обладнання. Підприємствами легкої промисловості виготовляється великий обсяг тканин та трикотажних полотен різного призначення, для виготовлення яких використовуються текстильні машини (ткацькі верстати та в'язальні машини). При цьому натяг пружної системи заправки текстильних машин є одним з основних технологічних параметрів. При значних коливаннях натягу пружної системи заправки як у межах циклу формування тканини або полотна, так і від циклу до циклу, збільшується обривність ниток, що призводить до простоїв, зниження продуктивності роботи технологічного обладнання та погіршення якості готової продукції. Крім того, при неусталених режимах роботи технологічного обладнання (при пуску та зупинці) також виникають значні коливання натягу пружної системи заправки.

Науковими школами професорів Васильченка В.М., Власова П.В, Гарбарука В.М., Гордеєва В.О., Далідовича А.С., Кудрявіна А.А., Мойсеєнка Ф.А., Окса Б.С., Параски Г.Б., Піпи Б.Ф., Хомяка О.М., Чугіна В.В., Шалова І.І., Щербаня В.Ю. та інших проведено багато досліджень з підвищення стабілізації натягу пружної системи заправки як ткацьких верстатів, так і в'язальних машин. Однак, комплексні дослідження з підвищення стабілізації натягу всієї пружної системи заправки (з урахуванням роботи пристроїв подачі напівфабрикату та відводу готової продукції) практично не проводились. Також на підприємствах відсутні засоби технологічного контролю як безпосередньо натягу пружної системи заправки текстильних машин, так і технологічних параметрів, які пов'язані з ним. Тому, розвиток наукових основ стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин є актуальною науково-прикладною проблемою, вирішення якої дозволяє підвищити конкурентноздатність готової продукції та продуктивність роботи технологічного обладнання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась згідно з науковими напрямками “Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” (держбюджетна тема “Розробка основ теорії акустичних, теплофізичних, реологічних властивостей волокон, плівок, ниток, тканин та різних відів комплексної пряжі” 6.19 ДБ № 0100U003055, 2000 - 2002 р.р. та 6.26 ДБ № 0103U000851, 2003 - 2005 р.р відповідно до плану НДР Міністерства освіти і науки України; “Обладнання, системи управління технологічними процесами та контролю якості виробів”, держбюджетна тема № Н/н 2 2003 - 2006 р.р. відповідно до плану НДДКР Київського національного університету технологій та дизайну.

Мета і завдання дослідження. Метою досліджень є розвиток наукових основ стабілізації та контролю натягу пружної системи заправки текстильних машин з урахуванням роботи пристроїв подачі напівфабрикату та відводу готової продукції. Робота спрямована на підвищення конкурентноздатності готової продукції та продуктивності роботи технологічного обладнання.

Для досягнення поставленої мети у роботі було визначено та вирішено такі задачі:

- проведено аналіз силових, кінематичних факторів та конструктивних параметрів технологічного обладнання, що впливають на стабілізацію натягу пружної системи заправки;

- визначено основні технологічні параметри, що пов'язані з натягом пружної системи заправки, та розроблено пристрої технологічного контролю цих параметрів;

- розроблено на основі аналізу фізичних та математичних моделей наукові основи проектування нитконатягувачів та компенсаторів натягу, що взаємодіють з неоднорідними по діаметру нитками;

- проведено експериментальні дослідження нитконатягувачів та компенсаторів натягу, визначено основні фактори, що впливають на вихідний натяг ниток;

- визначено шляхи стабілізації динамічної складової натягу пружної системи заправки ткацьких верстатів з негативним основним регулятором типів СТБ та АТПР;

- проведено дослідження зміни статичної складової натягу пружної системи заправки для ткацьких верстатів з вантажним гальмом типу АТ та визначено аналітичну залежність сили гальмування від радіуса навою, при якій забезпечується стабілізація натягу;

- отримано та проведено дослідження математичних моделей, що описують роботу пристроїв для переміщення та натягу пружної системи заправки основов'язальних машин при неусталених режимах роботи, та визначено шляхи усунення поперечної смугастості полотна при пуску та зупинці машини;

- проведено дослідження та розроблено методи технологічного контролю натягу одиночних ниток та готового полотна;

розроблено засоби оперативного технологічного контролю якості готової продукції.

Об'єкт дослідження - технологічний процес виготовлення тканини та трикотажного полотна.

Предмет дослідження - розвиток наукових основ стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теоретичної механіки, теорії коливань, теорії пружності, теорії акустики, теорії вірогідності та математичної статистики, диференціального та інтегрального обчислення, математичного моделювання та математичних методів планування експерименту, а також на основних положеннях технології трикотажного та ткацького виробництв. Експериментальні дослідження виконувались у лабораторних умовах та в умовах функціонування реальних виробництв.

Наукова новизна одержаних результатів:

- визначено основні силові та кінематичні фактори, які впливають на зміни натягу пружної системи заправки як одиночних, так і систем ниток текстильних машин;

- вперше розроблена математична модель, на основі аналізу якої визначені основні конструкційні та технологічні параметри, відповідним вибором яких забезпечується стабілізація натягу пружної системи заправки;

- вперше розроблено нові безконтактні методи технологічного контролю товщини шару ниток на навої і товщини полотна;

- розвинуто основи механіки нитки, нерівномірної по діаметру, отримані аналітичні вирази, що дозволяють уточнити натяг нитки при її взаємодії з нитконатягувачами та компенсаторами натягу.

- проведено аналіз роботи пристроїв подачі ниток і відводу готової продукції для різних типів текстильних машин при неусталених режимах роботи (при пуску й зупинці) та отримані математичні моделі, аналіз яких дозволив визначити шляхи забезпечення стабілізації натягу;

- обгрунтовано застосування згинних ультразвукових коливань для контролю натягу нитки та проведено експериментальні дослідження, які показали доцільність застосування фазового методу для контролю малих змін натягу;

- розроблено амплітудний безконтактний метод контролю натягу тканини з використанням ультразвукових симетричних хвиль Лемба нульового порядку.

Практичне значення одержаних результатів:

- на основі теоретичних узагальнень та експериментальних досліджень запропоновано нові методи стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин;

- на основі використання методів математичного моделювання визначено оптимальні значення конструктивних та технологічних параметрів, що впливають на натяг пружної системи заправки текстильних машин;

- розроблено нові конструкції нитконатягувачів, що дозволяють підвищити стабілізацію натягу ниток, нерівномірних за діаметром;

- запропоновано нові конструкції пристрою для подачі нитки основов'язальної машини та механізму відтяжки полотна основов'язальної машини, застосування яких дозволяє практично повністю усунути появу поперечної смугастості полотна при неусталених режимах роботи машини;

- практична цінність отриманих результатів підтверджується 9 патентами України на винаходи;

- на основі теоретичних узагальнень, результатів математичного моделювання та експериментальних досліджень запропоновано нові методи стабілізації натягу пружної системи заправки ткацьких верстатів, які впроваджені на прядильно-ткацькій фабриці № 2 ВАТ “Херсонський бавовняний комбінат” з очікуваним річним економічним ефектом 33693,63 грн.;

- розроблені в дисертації рекомендації з усунення поперечної смугастості полотна при пуску та зупинці основов'язальних машин, а також конструкції нитконатягувачів одиночних ниток, впроваджені на ЗАТ “Трикотажна фабрика РОЗА” з очікуваним річним економічним ефектом 43156,87 грн.;

- результати дисертації впроваджено у навчальний процес кафедри автоматизації та комп'ютерних систем Київського національного університету технологій та дизайну.

Особистий внесок здобувача полягає у постановці теми та задач дисертації, у вирішенні основних теоретичних та експериментальних завдань. Автором здійснено вибір предмета дослідження, розвинуті наукові основи стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин, розроблено математичні методи аналізу нерівномірності натягу пружної системи заправки текстильних машин та визначення шляхів її стабілізації, розроблено нові методи контролю технологічних параметрів, що пов'язані з натягом пружної системи заправки. Автором самостійно проведені теоретичні та експериментальні дослідження. Авторові належать ідеї опублікованих наукових праць, більшість з яких виконано автором одноосібно. Авторові також належать основні ідеї отриманих патентів на винаходи.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались та отримали позитивну оцінку на: наукових конференціях професорсько-викладацького складу КНУТД (1993 - 2006 р.р.); 6-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Харків, 1999 р.); 7-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Вінниця, 2000 р.); 8-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Чернігів, 2000 р.); 1-й Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми легкої та текстильної промисловості” (м. Херсон, 2001 р.); 9-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Чернівці, 2001 р.); 10-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Слов'яногірськ, 2001 р.); II Міжнародній науково-практичній конференції “Якість, стандартизація, контроль: теорія та практика” (м. Ялта, 2002 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Механіка машин та механізмів” (м. Хмельницький, 2002 р.); IX Міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2002 р.); 11-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Киів, 2002 р.); 12-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Миргород, 2002 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми математичного моделювання сучасних технологій” (м. Хмельницький, 2002 р.); I Українсько - польській науковій конференції (смт. Сатанів, 2003 р. ); 13-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини” (м. Дніпропетровськ, 2003 р.); III Міжнародній науково-практичній конференції “Якість, стандартизація, контроль: теорія та практика” (м. Ялта, 2003 р.); VI Всеукраїнський науково-практичній конференції “Проблеми легкої та текстильної промисловості України” (м. Херсон, 2006 р.); VI Міжнародній науково-практичній конференції “Якість, стандартизація, контроль: теорія та практика” (м. Ялта, 2006 р.).

Дисертація доповідалась повністю та одержала позитивну оцінку на науковому семінарі кафедри автоматизації та комп'ютерних систем КНУТД (м. Київ, 2006 р.) та міжкафедральному науковому семінарі КНУТД (м. Київ, 2006 р.).

Публікації. Основний зміст і результати дисертації опубліковані у 54 наукових роботах, в тому числі у 25 статтях у фахових наукових виданнях, 9 патентах України та 20 тезах доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, шести розділів з висновками, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Основна частина дисертації подана на 397 сторінках друкованого тексту, з них 74 сторінки ілюстрацій, 17 сторінок таблиць, список використаних джерел з 225 найменувань на 22 сторінках. Повний обсяг дисертації складає 427 сторінок, включаючи 6 додатків на 30 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету та основні задачі досліджень, показано наукову новизну і практичне значення роботи, особистий внесок здобувача.

У першому розділі розглянуто сучасний стан проблеми стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин.

Показано, що задача підвищення конкурентноздатності тканини та трикотажного полотна, що виготовляються на текстильних машинах, нерозривно зв'язана з додержанням вимог технологічних регламентів, в першу чергу, стабілізацією натягу пружної системи заправки.

Аналіз літературних джерел показав, що на теперішній час не вирішені задачі по стабілізації натягу з урахуванням роботи пристроїв подачі напівфабрикату та відводу готової продукції для пружної системи заправки, що складається з системи ниток, особливо при неусталених режимах роботи; недосконалість нитконатягувачів та компенсаторів натягу не дозволяє отримати стабільне значення натягу при переробці одиничних ниток, що мають локальні неоднорідності по діаметру; відсутні пристрої технологічного контролю як безпосередньо натягу ниток та готової продукції, так і параметрів, що пов'язані з натягом пружної системи заправки текстильних машин. Доведено, що основною причиною зниження випуску та якості тканин і трикотажних полотен є простої обладнання, зумовлені обривом ниток, які складають 40 - 80 % від загальної кількості простоїв. До обривності ниток при їх переробці на технологічному обладнанні призводить недотримання технологічних параметрів, у першу чергу, натягу. Недосконалість пристроїв подачі напівфабрикату та відводу готової продукції особливо проявляється при неусталених режимах роботи сучасних швидкохідних технологічних машин. Навіть у стаціонарному режимі роботи технологічного обладнання спостерігаються коливання кутової швидкості за рахунок нерівномірності ходу, який змінюється у межах від 0,2 до 0,4. Тому стабілізація натягу пружної системи заправки дозволить отримати продукцію високої якості та підвищити продуктивність роботи технологічного обладнання.

Аналіз літературних джерел також довів відсутність досліджень систем, які містять пристрої подачі основи та відводу тканини, зв'язуючою ланкою для яких є пружна система заправки. Дослідження проф. Гордєєва В.О. та його учнів обмежені усталеним рухом, в них не розглянуті перехідні процеси при пуску та зупинці, при яких і виникають поперечні смуги, поява яких викликана непогодженістю роботи пристроїв подачі напівфабрикату та відводу готової продукції. Розгляд роботи пружної системи заправки без урахування роботи цих пристроїв не дозволяє розробити науково обгрунтовані рекомендації з підвищення стабілізації натягу пружної системи заправки при неусталених режимах роботи текстильних машин.

Проведений аналіз показав, що більшість приладів контролю натягу як одиночних ниток, так і готового полотна або тканини та пов'язаних з ним параметрів, складні в обслуговуванні, мають недостатню чутливість та потребують особливих умов експлуатації. Тому задача розробки пристроїв технологічного контролю натягу та пов'язаних з ним параметрів, які задовольняють вимогам сучасного виробництва, є також актуальною.

Існуючі нитконатягувачі та компенсатори натягу для одиничних ниток не дозволяють забезпечити стабілізацію вихідного натягу при переробці ниток, що мають дефекти форми (нерівномірність по діаметру, наявність шишок, стовщень та ін.). Проблема розвитку наукових засад проектування нитконатяжних пристроїв, що взаємодіють з нитками, неоднорідними по діаметру, полягає у відсутності теоретичних основ механіки нитки, яка взаємодіє з напрямними поверхнями з урахуванням зім'ятості та жорсткості на згин. При отриманні основних рівнянь необхідно задавати величину розрахункового діаметра нитки як функцію дугової координати.

За викладеними в розділі результатами аналізу сучасного стану проблеми стабілізації натягу визначені задачі дослідження, вирішення яких у подальшому забезпечило розвиток наукових основ стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин.

Другий розділ присвячено аналізу умов забезпечення стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин.

Пружна система заправки текстильних машин за своєю побудовою є неоднорідною: одну її частину складає система основних ниток, а другу - нароблена тканина або трикотаж. У якості основного критерію оптимізації роботи пристроїв, що впливають на пружну систему заправки, можливо вважати забезпечення постійного мінімально необхідного натягу, який не змінюється з часом. Це дасть можливість максимально зменшити кількість обривів ниток та час простою технологічного обладнання, а також підвищити продуктивність його роботи. На рис. 1а подано динамічну модель ткацького верстата, а на рис. 1 б - основов'язальної машини. Як видно з рисунків, пружна система заправки є складовим елементом даних моделей. Коефіцієнти жорсткості пружної системи заправки для рис. 1 а та рис. 1 б відповідно:

, , (1)

де - коефіцієнт жорсткості систем основних ниток; , - коефіцієнт жорсткості полотна або тканини у заправці; - коефіцієнт жорсткості голок у гольниці основов'язальної машини. Тоді

(2)

де - довжина основи, що подається; - довжина тканини або полотна, що відводиться; - заправний натяг, який у загальному випадку залежить від радіуса навою ; - натяг пружної системи заправки перед точкою сходу нитки з навою; - натяг полотна або тканини перед відтяжним валом (вальяном);, - кути поворотів тіл 2 та 3 відповідно; - радіус відтяжного вала (вальяна); - поточний радіус намотки основи на навої.

Система диференціальних рівнянь руху основов'язальної машини та ткацького верстата має вигляд:

(3)

де - приведений момент інерції головного вала ротора електродвигуна і приєднаних мас механізмів гольниці, замикачів, ушковин, гребінок (для ткацького верстата це приведений момент інерції головного вала ротора електродвигуна і приєднаних мас батана, бойового механізму, механізму зівоутворення); - приведений момент інерції навою (навоїв) і механізму подачі основи; - приведений момент інерції механізму відтяжки тканини та полотна; - приведений коефіцієнт жорсткості передачі між навоєм і головним валом машини; - приведений коефіцієнт жорсткості передачі між головним валом машини та відтяжним валом; - рушійний момент (вважаємо його постійним); - приведений момент сил опору, що діють на механізми гольниць, замикачів, ушковин і платин (для ткацького верстата - приведений момент сил опору, що діють на механізми батана, зівоутворення, бою); , - приведені моменти сил опору механізмів подачі основи, відтяжки та накатки полотна; , - додаткові натяги від взаємодії ниток з напрямними поверхнями. За результатами розрахунків отримано рівняння

(4)

рішення якого дозволило визначити значення вільних частот коливань системи:

,

,

,

,

, , ,

При значеннях ; ; ; ; ; ; ; були отримані графічні залежності для різних значень коефіцієнта (при цьому величина коефіцієнта дорівнювала 1, величина коефіцієнта змінювалась в діапазоні від 10 до 28, а величина коефіцієнта змінювалась в діапазоні від до 26), на яких геометричними просторовими образами апроксимовані точки, що відповідають числу позитивних частот коливань розгалуженої динамічної моделі.

Графічні залежності величини від коефіцієнтів та (при значеннях коефіцієнта та ) подані на рис. 2.

Рішення системи диференційних рівнянь (3) виконувалось шляхом розкладання рішення по нормальних формам коливань, яке може бути подано у вигляді системи рівнянь:

, (5)

де - відповідні амплітуди коливань; - відповідні частоти коливань; - відповідні фази коливань.

При цьому функціонал , що забезпечує стабілізацію натягу пружної системи заправки:

. (6)

В результаті проведеного аналізу з ортогональності нормальних форм коливань було отримано наступну систему рівнянь, виконання якої дозволяє забезпечити стабілізацію натягу пружної системи заправки:

Система (7) визначає співвідношення між собою відповідних амплітуд для кожної форми коливання. Коефіцієнт цілком залежить від поточного значення радіуса навою і, отже, із часом (при зміні радіуса ) величини амплітуд , , які залежать від конструктивних параметрів технологічного обладнання повинні змінюватись для забезпечення стабілізації натягу пружної системи заправки текстильних машин.

Третій розділ присвячено розробці технічних засобів для контролю натягу пружної системи заправки текстильних машин.

Проведений аналіз показав, що параметрами тканини або трикотажу, за якими можливо визначити стан пружної системи заправки, можуть бути товщина та поверхнева щільність. Дослідження зміни цих параметрів від натягу дозволило отримати теоретичну основу для розробки та практичного застосування нових пристроїв, що відповідають потребам сучасного виробництва. Проведено дослідження впливу натягу на товщину тканини або трикотажу. Отримано залежність товщини від початкової товщини , натягу , площі поперечного перерізу та фізико-механічних параметрів матеріалу:

Було проведено чисельний експеримент по визначенню впливу натягу на величину товщини тканини при її розтягу для бавовняної тканини полотняного переплетіння (при ). Розрахунковий діаметр ниток основи та утоку дорівнював . Значення натягу змінювалось у межах від до . Значення модуля пружності для тканини на розтяг приймалось , площа поперечного перерізу , початкова товщина дорівнювала . Для різних значень коефіцієнта Пуассона (, , ) були отримані залежності товщини від натягу тканини (рис. 3). Аналіз отриманих залежностей показує, що з ростом натягу відбувається нелінійне зменшення поточного значення товщини тканини . Таким чином, за значеннями товщини можливо однозначно визначити натяг .

Для контролю товщини текстильних матеріалів безпосередньо у ході технологічного процесу їх виготовлення автором розроблено безконтактний амплітудно-фазовий резонансний товщиномір, функціональна схема якого приведена на рис. 4. При цьому застосовується однобічний доступ, що спрощує здійснення контролю товщини безпосередньо у ході технологічного процесу. Проведений аналіз роботи товщиноміра показав, що результат контролю товщини не залежить від швидкості поширення ультразвукових коливань у тканині або трикотажі, а отже і від варіації фізико-механічних властивостей і температури контрольованих матеріалів.

Поверхнева щільність тканини або полотна (маса 1 м2) є одним з основних технологічних параметрів, що визначає матеріаломісткість полотен та їх споживчі властивості. Для контролю поверхневої щільності текстильних матеріалів у теперішній час використовується ваговий метод згідно

ГОСТ 3811- 72 (ИСО 3932 - 76, ИСО 3933 - 76, ИСО 3801 - 77) “Материалы текстильные. Ткани, нетканые полотна и штучные изделия. Методы определения линейных размеров, линейной и поверхностной плотности”. Проведений аналіз взаємодії ультразвукової хвилі з полотном дозволив визначити, що відношення амплітуди ультразвукової хвилі, що пройшла крізь матеріал, та амплітуди ультразвукової хвилі, що пройшла крізь матеріал і відбита від його поверхні, обернено пропорційно поверхневій щільності: , де - електрична напруга; - коефіцієнт пропорційності; - довжина ультразвукової хвилі в матеріалі; - коефіцієнт затухання.

На рис. 5 приведено результати експериментальних досліджень на зразках тканин виробництва прядильно-ткацької фабрики № 2 ВАТ “Херсонський бавовняний комбінат”, аналіз яких показав, що максимальні значення відносної похибки мають місце для тканин з максимальним та мінімальним значеннями поверхневої щільності. Так, для тканини бязь (арт.131) з номінальною поверхневою щільністю 144 г/м2 вона не перевищувала 4,3%, а для тканини “Каштан” (арт. 0154) з номінальною поверхневою щільністю 404 г/м2 - не перевищувала 4,9 %. При цьому ці похибки мають місце при контролі усього асортименту тканин без переналагоджування приладу під контроль поверхневої щільності конкретної тканини. При виконанні цієї операції похибка не перевищує 2,5 %, що підтверджено актом проведення виробничих випробувань. Застосування ультразвукового пристрою контролю поверхневої щільності дозволяє нормалізувати процес ткацтва. На рис. 6 наведені експериментальні залежності поверхневої щільності тканини бязь (арт. 131) полотняного переплетіння при її виготовленні на ткацькому верстаті СТБ-1-180 від часу при зниженому натягу основи - 21 сН/нитку та номінальному натягу основи - 26 сН/нитку. При пониженому натягу основи відбувається збільшення її уработки по основі (з 7,3 до 8,9 %), збільшується середнє значення поверхневої щільності, відбуваються перевитрати сировини та виникають значні коливання поверхневої щільності полотна. Таким чином, застосування пристрою технологічного контролю поверхневої щільності тканини дозволяє контролювати процес виготовлення тканини та при необхідності коригувати його. При цьому зменшуються витрати сировини (тканина може виготовлятись в мінусовому полі допусків по поверхневій щільності). Для безпосереднього контролю натягу ниток розроблено ультразвуковий фазовий метод. Проведені дослідження показали, що між швидкістю розповсюдження (або амплітудою) ультразвукових коливань подовжніх хвиль у волокнах та нитках та величиною натягу існує досить слабка залежність. Тому було використано ультразвукову згинну хвилю, швидкість розповсюдження якої складає , де колова частота коливань, об'ємна щільність матеріалу нитки. Оскільки швидкість подовжніх ультразвукових хвиль дорівнює , то швидкість згинної ультразвукової хвилі при постійному значенні частоти , в основному, залежить від діаметру нитки. Оскільки зміни швидкості розповсюдження ультразвукової хвилі призводять до зміни фазового зсуву між ультразвуковою хвилею, що випромінюється, та ультразвуковою хвилею, що приймається після проходження відрізку нитки заданої довжини , то в експерименті визначалось значення фазового зсуву . При цьому зменшення діаметру нитки (при збільшенні натягу) призводить до зменшення швидкості розповсюдження згинної хвилі , що, у свою чергу, призводить до збільшення фазового зсуву .

Для проведення експериментальних досліджень було створено установку, функціональна схема якої приведена на рис. 7. У якості випромінювача та приймача ультразвукових коливань використовувались перетворювачі з хвилеводами та точковим контактом. Значення акустичної бази визначалось експериментально з умови забезпечення режиму бігучої хвилі. Результати експериментальних досліджень приведено на рис 8. За результатами експериментальних досліджень було отримано регресійні залежності фазового зсуву від натягу у вигляді , де - коефіцієнти, що мають розмірність [рад/сН2], [рад/сН] та [рад] відповідно:

При цьому досягнута досить висока чутливість (приблизно рад/сН). Враховуючи, що основна похибка фазометра Ф2-34 не перевищує рад, то такий метод доцільно застосовувати для контролю малих змін натягу ниток. Для безконтактного контролю натягу полотна запропоновано використання симетричної нульової хвилі Лемба , яка розповсюджується без частотної дисперсії, що виключає можливість появи спотворень ультразвукового імпульсного сигналу при його розповсюдженні в контрольованому матеріалі. При цьому кут між нормаллю до площини матеріалу та хвильовим вектором ультразвукової хвилі, що випромінюється, визначається з умови співпадіння фазової швидкості у повітряному середовищі () зі швидкістю хвилі (): . Прийом ультразвукового сигналу здійснюється безконтактно у зоні згину, що дозволяє значно зменшити шуми, які збуджуються при використанні контактних перетворювачів. При цьому використовується явище підсиленого перевипромінювання ультразвукових хвиль у зоні згину контрольованого матеріалу. Для проведення досліджень було створено експериментальну установку, функціональна схема якої приведена на рис. 9. У якості випромінювача та приймача ультразвукових коливань було використано ультразвукові стрижневі перетворювачі з пластинчатим резонатором та рупорним пристроєм. Для проведення експериментів було використано зразки тканин виробництва прядильно-ткацької фабрики № 2 ОАО “Херсонський бавовняний комбінат”: “Платан - 2” (арт. 5222), поверхнева щільність 262 г/м2; “Дельта” (арт. 5018), поверхнева щільність 395 г/м2 та “Дружба” (арт. 4994), поверхнева щільність 493 г/м2. Всі тканини мають великовізерункове переплетіння. Ширина зразків дорівнювала 0,10 м, діаметр ролика дорівнював 0,12 м. Величина кута визначалась експериментально по максимуму амплітуди прийнятого ультразвукового сигналу. Вісь ультразвукового приймача 5 розташовувалась перпендикулярно площині контрольованого матеріалу 8. Відстань дорівнювала 0,24 м і вибиралась за умови відсутності прямого проходження ультразвукового імпульсу між ультразвуковим випромінювачем 4 та ультразвуковим приймачем 5. Результати експериментальних досліджень приведено на рис. 10. Як видно з отриманих залежностей, при збільшенні натягу тканини збільшується амплітуда прийнятого ультразвукового сигналу . При цьому збільшення поверхневої щільності зразків призводить до збільшення амплітуди (при одному й тому ж значенні натягу ). За результатами експериментальних досліджень було отримано регресійні залежності амплітуди ультразвукового сигналу від натягу у вигляді , де - коефіцієнти, що мають розмірність [В/Н2], [В/Н] та [В] відповідно.

При цьому відносна похибка не перевищує 3 %, чутливість складає В/Н. Таким чином, ультразвуковий амплітудний метод доцільно використовувати для безперервного технологічного контролю натягу текстильних матеріалів. При одночасному безконтактному технологічному контролі натягу та поверхневої щільності можливо визначити поверхневу щільність полотна у вільному стані (без натягу).

На рис. 11 приведено результати експериментальних досліджень залежності поверхневої щільності від натягу для зразків тканин “Платан - 2” (арт. 5222), “Дельта” (арт. 5018) та “Дружба” (арт. 4994), а на рис. 12 - номограма для визначення необхідних значень поверхневої щільності та амплітуди ультразвукового сигналу для отримання необхідного номінального значення поверхневої щільності готової продукції.

Четвертий розділ присвячено розвитку наукових основ стабілізації натягу одиночних ниток кругло- та плосков'язальних машин.

Вивчення побудови одиночних ниток показало, що абсолютна більшість їх має неоднорідну структуру за геометричними показниками. Так, коефіцієнт варіації бавовняних ниток по товщині (діаметру) при довжині відрізка 10 см складає 10 - 12 %, а синтетичних (капрон, лавсан) - 4 - 5 %, що пояснюється специфікою їх виробництва. Так, останні мають більш упорядковану структуру при незначних коливаннях по товщині (діаметру) окремих філаментів. Проведені дослідження показали, що відхилення від середнього значення товщини (діаметру) для великих відрізків ниток з натуральної сировини можуть досягати 90 - 120 %. Це обумовлено низькою якістю сировини, наявністю на нитках шишок, стовщень. Для пластинчатих та тарілчатих нитконатягувачів (для яких вихідний натяг , де - коефіцієнт тертя нитки о поверхню тарілок або пластин; - коефіцієнт жорсткості нитки при стисненні; - величина деформації поперечного перерізу нитки у зоні контакту з тарілками або пластинами; - швидкість руху нитки) умова стабілізації натягу нитки, нерівномірної за діаметром поперечного

Для компенсаторів натягу з пружною ланкою, кільцем та гребінчастого, для яких , де - сумарний кут обхвату ниткою рухомого елемента компенсатора, необхідні умови для стабілізації натягу мають вигляд:

Для визначення умов забезпечення мінімального необхідного натягу нитки перед зоною в'язання необхідно знайти мінімум функції від змінних , які зв'язані співвідношеннями

Ці співвідношень (11) відносно змінних було виражено через незалежних змінних . При підстановці цих виразів у функцію натягу можливо отримати функцію від незалежних змінних. При вирішенні задачі знаходження абсолютних мінімумів з використанням способу множників Лагранжа для компенсатора натягу з кільцем було визначено цільовий функціонал:

У якості змінних було обрано натяг веденої гілки нитки та кут обхвату ниткою поверхні кільця. Відповідні часткові похідні:

При було отримано мінімальне значення натягу сН для кута рад.

При обмеженнях змінних у вигляді нерівностей класичні методи варіаційного дослідження оптимальних рішень є малоефективними. Для оцінки ефективності роботи компенсатора з кільцем при зміні вхідного натягу було використано принцип максимуму Понтрягіна Л.С., суть якого полягає в тому, що якщо вектор рівнодійної сили оптимальний (забезпечує мінімум функції Понтрягіна), то енергетична функція Гамільтона має максимум по відношенню до вектора рівнодійної сили у вказаному інтервалі рівняння. Задача досліджень полягала у пошуку оптимального по швидкодії керування, при якому кільце переміститься з початкового положення в кінцеве за мінімальний час. Швидкість у початковому та кінцевому положенні Виходячи з принципу оптимального керування необхідно, щоб при зміні вхідного натягу кільце змінювало своє положення таким чином, щоб забезпечити постійність величини вихідного натягу (із збільшенням вхідного натягу повинен зменшуватись кут обхвату , і навпаки, із зменшенням повинно відбуватись збільшення значення кута ). В результаті проведеного аналізу було отримано максимальне значення рухаючої сили . При цьому встановлено, що збільшення маси кільця, з одного боку, призводить до зниження амплітуди коливань натягу, а з іншого - викликає збільшення статичної складової натягу, що дозволяє визначити оптимальне значення маси кільця компенсатора з урахуванням обмежень на значення амплітуди коливань та статичну складову натягу.

Проведено експериментальні дослідження з визначення впливу виду ниток та пряжі на величину вихідного натягу та його коливання після нитконатяжного пристрою. Для досліджень використовувались чотири види нитконатяжних пристроїв: тарілчасті нитконатягувачі з вагою та пружиною; компенсатор натягу з кільцем та гребінчастий компенсатор з демпфером; а також чотири види ниток та пряжі: капронова комплексна нитка 15,6 х 2 текс середньої крутки; бавовняна пряжа 15,4 х 2 текс; віскозна комплексна нитка 29 текс та вовняна пряжа гребінного прядіння 31 текс. Апріорне ранжування факторів дозволило визначити два основні значущі фактори: натяг веденої гілки нитки та швидкість руху нитки . Проведені експериментальні дослідження дозволили отримати аналітичні залежності вихідного натягу нитки після нитконатягувача або компенсатора від цих факторів та враховувати їх при застосуванні нитконатяжних пристроїв.

Розглянуто вплив форми притискної пластини або шайби нитконатягувача на величину вихідного натягу при взаємодії з локальними неоднорідностями ниток по діаметру. Проведений аналіз дозволив визначити, що найбільш доцільний режим переробки ниток спостерігається у випадку, коли форма притискної пластини або шайби нитконатягувача наближується по формі до параболи.

Розвинуто основи механіки нитки з нерівномірною формою, що взаємодіє з напрямною поверхнею. Отримані вирази для визначення основних компонентів кривизни, натягу, згинаючих та крутильних моментів є найбільш загальними та дозволяють описувати взаємодію ниток та пряжі з напрямними поверхнями нитконатягувачів та компенсаторів натягу.

Одним з суттєвих недоліків існуючих компенсаторів натягу та нитконатягувачів є їх низька чутливість до зміни вхідного натягу. При зміні вхідного натягу не забезпечується його стабілізація на виході. Для підвищення стабілізації вихідного натягу при зміні вхідного запропонований компенсатор натягу, представлений на рис. 13. Конструкція компенсатора дозволяє також виключити і вплив нерівноти нитки по діаметру на зміну вихідного натягу. При збільшенні вхідного натягу нитки рухомий барабанчик 5 переміщується, що викликає поворот двоплечого важеля 9 проти годинникової стрілки. Це призводить до зменшення сили притиснення фрикційної шайби з накладкою 14 до другої торцевої поверхні другого ролика 3, що зумовлює зменшення величини гальмівного моменту і, таким чином, зменшення натягу, яке створює нитконатягувач. При зменшенні вхідного натягу нитки рухомий барабанчик 5 переміщується, що викликає поворот двоплечого важеля 9 за часовою стрілкою. Це призводить до збільшення сили притиснення фрикційної шайби з накладкою 14 до другої торцевої поверхні другого ролика 3, що обумовлює збільшення величини гальмівного моменту та збільшення натягу, яке створює нитконатягувач. В результаті застосування запропонованого нитконатягувача, як показали проведені попередні дослідження, коливання натягу нитки на виході нитконатягувача зменшуються на 18 - 26 % для реальних ниток, які мають локальні неоднорідності по товщині. При цьому зміна вхідного натягу нитки у межах 25 - 30 % викликає зміну вихідного натягу нитки не більш, ніж на 4 - 6 %.

П'ятий розділ присвячений розвитку наукових основ стабілізації натягу пружної системи заправки ткацьких верстатів.

Проведений для ткацького верстата АТ-175-5 аналіз впливу основного гальма на стабілізацію натягу пружної системи заправки показав, що при зменшенні радіуса навоя при використанні основи необхідно змінювати силу гальмування навоя. Було проведено дослідження натягу ниток основи по ширині зони заправки, визначено сумарний натяг основи та отримана аналітична залежність сили гальмування від радіуса навою, застосування якої дозволило стабілізувати натяг пружної системи заправки при зменшенні радіусу навоя. Для ткацького верстата СТБ-1-180 визначені умови взаємодії рухомого скала з пружною системою заправки та вплив скала на стабілізацію натягу. Отримано наступний вираз для коефіцієнта жорсткості пружин скала:

Аналіз виразу (14) дозволив визначити коефіцієнт жорсткості при якому натяг буде мінімально змінюватись в межах одного циклу тканиноутворення. Рівняння (14) є трансцендентним, бо . Аналіз меж зміни коефіцієнта жорсткості можна зробити при дослідженні функції . Використовуючи правило Лопиталя, в точці (можливо розглядати всі точки, які задовольняють умові ), були отримані значення функції . Проведений аналіз показав, що відношення частот та повинно бути цілим. В іншому випадку на заданому інтервалі зміни часу з'явиться хоча б одна точка, де функція . В результаті було визначено оптимальне значення коефіцієнта жорсткості . Коефіцієнт нестабільності натягу () при цьому зменшується з 6 % до 2,5 %. Максимальну стабілізацію натягу пружної системи заправки, як показали проведені дослідження, можливо отримати, якщо в межах циклу тканиноутворення впливати на скало силою, що забезпечить його додаткове переміщення , де - максимальна амплітуда переміщення (в результаті розрахунків отримано ); - частота збуджуючої сили (). При цьому коефіцієнт нестабільності натягу зменшується до 1 - 1,2 %.

Для комплексної оцінки нестабільності натягу пружної системи заправки було проведено дослідження динаміки роботи пристроїв подачі основи та відводу готової тканини при неусталеному режимі роботи (при пуску та зупинці). Було отримано відповідні математичні моделі та проведено їх аналіз. За умов неусталеного режиму (при пуску) натяг одиничної основної нитки при використанні звичайного скала досягає максимуму в 21,67 сН при . Збільшення натягу пояснюється тим, що під час першого оберту навій не встигає повернутись на потрібний кут, а вальян відводить 0,4 мм тканини з зони формування тканини для забезпечення необхідної щільності тканини по утоку. При цьому синхронізація роботи механізмів відпуску основи та відводу готової тканини відбувається після закінчення другого оберту головного валу верстата. При використанні пружин з визначеним значенням жорсткості максимальне значення натягу нитки зменшується на 1,2 сН на нитку, що дозволяє зменшити обривність та підвищити продуктивність роботи технологічного обладнання.

Проведені дослідження для пневморапірного ткацького верстата АТПР-100 показали, що використання підскальних пружин з оптимальним значенням жорсткості дозволяє зменшити максимальний натяг одиночної нитки на 0,8 - 1,0 сН, а використання примусового руху скала - на 1,5 - 2,0 сН.

У процесі одного циклу тканиноутворення нитки основи витримують циклічну деформацію, яка обумовлена процесами зівоутворення та прибою. Відомі конструкції механізму скала, призначеного для компенсації коливань натягу, які обумовлені зівоутворенням, не в достатній мірі забезпечують його стабілізацію в межах одного циклу. Враховуючи специфіку роботи скала в динамічних умовах та його конструктивні особливості було запропоновано новий пристрій приводу скала на основі трьохланкового кулісного механізму з зупинкою. Проведений аналіз його роботи показав, що застосування цього пристрою дозволяє здійснити стабілізацію натягу пружної системи заправки для різних типів ткацьких верстатів, для яких деформація та натяг ниток основи залежать від форми зіва, параметрів зівоутворювального механізму та ін.

Проблема стабілізації натягу пружної системи заправки при неусталеному режимі роботи ткацького верстата потребує удосконалення закону руху ткацького навою як об'єкта, що має найбільшу інерцію. При цьому при пуску ткацького верстата натяг пружної системи заправки буде збільшуватись, а при зупинці - зменшуватись. Для нормальної роботи ткацького верстата необхідно виконання наступних умов:

Для стабілізації натягу пружної системи заправки ткацьких верстатів розроблено пристрій, у якому в період зупинки ткацького верстата кінетична енергія навою, що обертається, та має надлишок кінетичної енергії, перетворюється у потенціальну енергію пружного елемента, а у період пуску ткацького верстата перетворюється у кінетичну енергію навою.