Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ. В настоящее время возрождение и успешное развитие отечественной текстильной и легкой промышленности возможно лишь при широком использовании научных разработок по созданию прогрессивных процессов на предприятиях текстильной отрасли. Приоритетными являются те направления исследований, которые позволяют перейти от фундаментальных исследований к технологиям получения волокнистых материалов улучшенного качества.
Для производства текстильной продукции, способной конкурировать с изделиями ведущих зарубежных фирм, на первый план выходят задачи повышения качества пряжи, равно как и качества производящих ее машин и технологий в прядильном производстве. Теоретические исследования реализуемых в производстве процессов являются одним из главных источников и резервов совершенствования этих процессов, повышения качества создаваемой продукции, разработки новых более прогрессивных машин отрасли и модернизации существующих.
Анализ опубликованных научно-исследовательских работ, посвященных проблеме повышения качества волокнистых полуфабрикатов и готовой пряжи, показывает, что эффективным средством решения этой проблемы является дополнительное упрочнение полуфабрикатов прядения за счет целенаправленного
изменения их структуры. Установлена целесообразность использования ложной крутки, возникающей при взаимодействии длинномерного волокнистого материала и неподвижного крутильного органа (НКО). Отдельные сведения, полученные нами при анализе результатов различных исследований и тесном взаимодействии с производством, явились важнейшей предпосылкой для создания нового прогрессивного класса неподвижных крутильных органов в форме геликоидов (винтовых поверхностей), которые лишены недостатков известных устройств. Широко используемые в технике поверхности вращения являются частным случаем винтовой поверхности. Поэтому для создания общих основ классификации и проектирования всех неподвижных крутильных органов, а также всех уплотнительных и направляющих устройств текстильных машин в работе заложена математическая модель винтовой поверхности.
Отмеченные выше обстоятельства обуславливают актуальность решаемой в диссертационной работе проблемы разработки механики длинномерных волокнистых материалов, включающей теории кручения, уплотнения и натяжения продуктов прядения с применением устройств в форме винтовых поверхностей и их частных случаев. Можно обоснованно предполагать, что разработанные на базе этой теории технико-технологические инновации позволят повысить эффективность процессов в прядильном производстве и обеспечат производство пряжи и тканей, конкурентоспособных на рынках сбыта продукции.
Настоящая диссертационная работа выполнена по гранту Министерства образования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области технических наук на 1998 г. и в рамках научно-технической программы Министерства образования Российской Федерации «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" на 2003 -2004 гг.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей диссертационной работы является разработка крупной научной проблемы, имеющей важное теоретическое и хозяйственное значение и состоящей в создании теоретических основ для расчета и проектирования неподвижных крутильных устройств типа геликоидов (винтовых поверхностей), в дальнейшем развитии научных основ механики нити (длинномерных волокнистых материалов) применительно к исследованию, совершенствованию и созданию прогрессивных технологических процессов и оборудования в прядильном производстве, обеспечивающих выпуск пряжи улучшенного качества.
Для достижения поставленной в диссертации цели решены следующие основные задачи:
1) разработана концепция проектирования неподвижных крутильных ор
ганов (НКО) в форме косых геликоидов, основанная на кинематическом спосо
бе задания поверхностей (рабочих профилей);
2) проведено глубокое теоретическое исследование эффекта ложного
кручения длинномерного волокнистого материала неподвижными крутильны
ми органами в форме геликоидов и получено аналитическое описание процес-
сов взаимодействия продуктов прядения с рабочими поверхностями НКО в форме закрытых и открытых (с каналом) геликоидов;
-
разработаны математические методы профилирования геликоидньгх устройств для различных волокнистых продуктов и изучено влияние конструктивных параметров геликоида на параметры скрученности и натяжения продуктов прядения;
-
созданы адекватные математические модели, отражающие параметры процессов взаимодействия уплотняющих и формирующих устройств в форме поверхностей вращения с текстильным материалом и обеспечивающие научно обоснованный выбор конструктивно-технологических характеристик элементов взаимодействия на этапах проектирования заданных технологических качеств оборудования;
-
выполнены теоретические исследования натяжения нити (длинномерного волокнистого материала) при стационарном и нестационарном движениях по направляющим поверхностям произвольной формы, имеющие большое прикладное значение;
-
предложены новые конструктивные решения технических средств для реализации процессов формирования продуктов прядения и показана целесообразность их использования при создании прогрессивных технологий в прядильном производстве;
-
проведено комплексное исследование разработанных методов расчета механических параметров текстильных материалов на чесальных, ленточных, гребнечесальных, ровничных и прядильных машинах.
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Поставленные в работе задачи решались теоретически и экспериментально. В теоретических исследованиях использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, аналитической и начертательной геометрии, математического моделирования, теоретической механики, механики нити, теории упругости. Основные теоретические положения, полученные в диссертационной работе, подвергались экспериментальной проверке на лабораторном и действующем производственном оборудовании с использованием современной измерительной аппаратуры. Для измерения натяжения и крутящего момента использовались методы тензометрии и осциллографирования. Оценка неровноты по толщине волокнистого продукта осуществлена на приборах КЛА-2 и КЕТ-80 фирмы «Кайсокки» с получением графиков амплитудного спектра и градиента неровноты. Обработка экспериментальных данных выполнена с применением методов математической статистики на ЭВМ. Достоверность экспериментальных результатов исследований обеспечивалась корректным использованием методов оценки погрешности измерений. Достоверность результатов теоретического исследования подтверждена экспериментально.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационного исследования заключается в разработке теоретических основ для расчета и проектирования неподвижного крутильного устройства в форме винтовой поверхности, создании научных ос-
нов механики длинномерных волокнистых материалов при их взаимодействии с неподвижными крутильными, формирующими, направляющими органами текстильных машин и использовании полученных научных выводов для создания прогрессивных технологий в прядильном производстве. Впервые получены следующие научные результаты:
-
Проведен концептуальный анализ обобщенной модели неподвижного крутильного органа в форме винтовой поверхности (косого геликоида) и его профилирования, в результате которого предложены системы базовых элементарных понятий для математического описания объектов и процессов проектирования НКО.
-
Разработана теория кручения длинномерных волокнистых материалов при их скольжении по деталям в форме геликоидов (винтовых поверхностей), одновременно реализующая два основных источника образования ложной крутки и предусматривающая создание максимально возможного эффекта ложного кручения продуктов прядения.
-
Составлено математическое описание процессов кручения волокнистых продуктов рабочими поверхностями НКО в форме закрытых и открытых (с каналом внутри) геликоидов. Математические модели позволили получить аналитические зависимости для определения величин крутки и крутящего момента, создаваемых в продуктах прядения косыми и прямыми геликоидами. Определены винтовые и геодезические линии на поверхности геликоида, при которых параметры скрученности максимальны.
-
Проведено аналитическое исследование оптимизации геометрических параметров НКО геликоидной формы для формирования продуктов прядения разной линейной плотности и различного волокнистого состава. Получены теоретические и экспериментальные зависимости крутки ленты и ровницы от геометрических характеристик устройств.
-
Разработаны математические методы проектирования уплотняющих и формирующих устройств, профиль которых описывается уравнением поверхности вращения. Установлены теоретические взаимосвязи сил натяжения и сжатия волокнистого материала при протаскивании и конструктивных параметров уплотнителей. Адекватность математических моделей подтверждена экспериментально.
-
Получены новые закономерности для определения формы, длины, натяжения, кривизны и кручения волокнистого продукта, скользящего на поверхности вращения по пространственной кривой, необходимые при определении конструкции крутильного устройства и его профилировании.
-
Получены формулы для определения натяжения длинномерных волокнистых продуктов (нити) при стационарном и нестационарном движениях по произвольной направляющей поверхности, учитывающие профиль кривой (кривизну) и длину нити на ее поверхности. Установлены закономерности для расчета натяжения продуктов прядения на конкретных примерах применяемых
рабочих устройств (уплотнительные и пряжевыводные воронки, направляющие планки, нитепроводники, неподвижные крутильные органы).
-
Установлена возможность варьирования удельного давления волокнистого продукта на направляющую поверхность за счет использования кривых с переменным радиусом кривизны. Разработана модель поверхности с образующей в форме логарифмической спирали, для которой сила нормального давления на единицу длины контакта сохраняется постоянной.
-
Разработаны методики проектирования новых технических устройств для реализации процессов формирования волокнистых полуфабрикатов на чесальных, ленточных, гребнечесальных, ровничных и прядильных машинах.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Работа доведена до практической реализации. Разработанные теория и приложения механики длинномерных волокнистых материалов при их взаимодействии с неподвижными крутильными, уплотняющими и направляющими органами текстильных машин и предложенные методики проектирования названных устройств использовались при создании оригинальных технических средств и прогрессивных технологий формирования волокнистых продуктов, позволивших повысить эффективность процессов прядильного производства и улучшить качество вырабатываемых текстильных изделий.
Основная часть разработанных теоретических положений опубликована автором в виде монографии "Приложение методов геометрии и теории механики нити к решению инженерных задач в технологии текстильных материалов", научных статей в журнале "Известия вузов. Технология текстильной промышленности" и других изданий, которые используются научно-исследовательскими институтами, вузами, научными работниками в соответствующих прикладных исследованиях и инженерных расчетах, аспирантами при выполнении диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук.
Полученные в диссертации зависимости позволяют значительно расширить класс кривых, которые могут рассматриваться в качестве направляющих при движении нити через крутильные, формирующие и направляющие устройства, а разработанные методы проектирования могут служить основой для конструкторов при создании нового оборудования прядильного, ткацкого, трикотажного, отделочного и швейного производств.
Промышленная реализация результатов научной работы осуществлена в условиях ОАО "Пучежский льнокомбинат" (г. Пучеж Ивановской обл.), ОАО "Яковлевская мануфактура" (г. Приволжск Ивановской обл.), АОЗТ "Красная Талка" (г. Иваново), ОАО "Серпуховское текстильно-швейное объединение "Пролетарий" (г. Серпухов Московской обл.), ОАО "Глуховский текстиль" (г. Ногинск Московской обл.), АООТ "Ивановский камвольный комбинат" (г. Иваново), ОАО "Белфа" (г. Жлобин, Республика Беларусь).
Отдельные работы внедрены в учебный процесс ИГТА и используются при изучении дисциплин «Механическая технология текстильных материалов»,
«Прядение натуральных и химических волокон», «Проектирование текстильных машин», «Расчет и конструирование текстильных машин», в процессе подготовки специалистов по направлениям 656000 — Технология и проектирование текстильных изделий и 651600 — Технологические машины и оборудование.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы по теме диссертации докладывались и получили одобрение:
- на международных научно-технических конференциях "Теория и прак
тика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в тек
стильном производстве" (г. Иваново, 1996 г., 1997 г.);
на международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях" (г. Кострома, 1996 г., 1998 г.);
на международных научно-технических конференциях "Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности" (г. Иваново, 1998 ... 2004 гг.);
на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (г. Москва, 2001
г.);
на международной научно-технической конференции "Перспективы использования компьютерных технологий в текстильной и легкой промышленности" (г. Иваново, 2003 г.);
на Всероссийской научной конференции «Молодые женщины в науке» (г. Иваново, 2004 г.);
на расширенном заседании кафедры начертательной геометрии и черчения Ивановской государственной текстильной академии (г. Иваново, 2004 г.).
ЛИЧНОЕ УЧАСТИЕ АВТОРА В ПОЛУЧЕНИИ ИЗЛОЖЕННЫХ В ДИССЕРТАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ. Постановка цели, выбор методов и направления исследований, обсуждение и обобщение полученных результатов, теоретические положения и сформулированные в работе выводы и рекомендации принадлежат автору. В выполнении экспериментальных исследований вместе с автором принимали участие аспиранты кафедры НГ и Ч ИГТА.
ПУБЛИКАЦИИ. По результатам выполненных исследований опубликовано 84 печатные работы, в том числе одна монография, 13 статей в журнале "Известия вузов. Технология текстильной промышленности", 3 статьи в журналах "Известия Ивановского отделения Петровской академии наук и искусств" и "Вестник ИГТА", 20 тезисов докладов научно-технических конференций, заде-понировано 22 статьи, получены 1 патент РФ, 3 свидетельства на полезные модели, 21 информационный лист.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из 4 глав, изложенных на 399 страницах машинописного текста, включая 128 рисунков и 35 таблиц, приложений, а также списка использованных литературных источников из 249 наименований.
