Характеристика работы механизма ложного кручения

Общая характеристика ложного кручения.

 

   Текстурирование нитей способом кручения – один из основных и наиболее распространенных способов текстурирования. Этим способом вырабатывают как высокорастяжимые, так и мало рястяжимые нити малой и средней линейной плотности (от 1,66 до 28 текс). Высокорстяжимые нити обычно вырабатывают путем скручивания до крутки 2500-5000 кр./м (первое кручение), тепловой обработки скрученной нити с последующим охлаждением для фиксации извитков и раскручивания термостабилизированной нити (второе кручение). Для получения малорастяжимой нити высокорастяжимую нить подвергают дополнительной тепловой обработке.

    Сущность текстурирования способом кручения заключается в следующем. Крутящий момент при первом кручении заставляет элементарные нтит располагаться по винтовым линиям под некоторым углом к продольно йоси комплексной нити. При этом в элементарных нитях возникают внутренние напряжения, под действием которых комплексная нить стремиться раскрутиться. Для снятия внутренних напряжений нити подвергают тепловой обработке. При нагревании нитям сообщается тепловая энергия, которая превращается в кинетическую энергию движения атомов и молекул.     В результате ослабления межмалекулярных сил  сцепления происходит переориентация молекул, которые занимают новое положение, соответствующее спиралеобразной форме элементарных нитей. Внутреннее напряжение, вызванное кручением, при этом снимаются. При охлаждении нити приобретают равновесную структуру. При раскручивании в нитях вновь возникают внутренние напряжения, под действием которых каждая элементарная нить стремиться сохранить положение, зафиксированное тепловой обработкой после первого кручения. В результате элементарные нити изгибаются, а комплексная нить приобретает большую упругую растяжимость, пушистость и повышенную объемность.

   Наличие внутренних напряжений после раскручивания приводит к тому, что одиночные высокорастяжимые нити становятся  недостаточно равновесными. Поэтому две одиночные нити с различным направлением крутки соединяют и сообщают им небольшую крутку (50-100 кр./м). Получается высокорастяжимая нить с  равновесной структурой, но при этом появляется дополнительный переход – тростиль – крутильная машина.

   На однопроцессорных машинах совмещены три основные операции (кручение, термическая обработка и раскручивание). Для кручение и раскручивания нитей после тепловой обработки применяются различные механизмы ложного кручения, которые позволяют раскручивать нить, зажатую с двух концов. В результате по обе стороны закручивающего механизма ложного кручения нить получает равномерное число витков противоположного направления. Величины крутки при кручении и раскручивании не зависят друг от друга и могут быть различными. При раскручивании сообщают большую крутку, так как это способствует повышению качества высокорастяжимых нитей.

 

 

Машины для  текстурирования с МЛК.

 

   На машинах этого типа их гладких полиамидных, полиэфирных и ацетатных комплексных нитей линейной плотностью 1,66-28 текс вырабатывают текстурированные нити высокой растяжимости (100-400%) и повышенной растяжимости (35-100%).

 Для получения высокоскорастяжимых  нитей при этом методе необходимо  осуществить следующие операции:

1. скручивание комплексной нити до крутки 2500-5000 кр.м.
2. стабилизацию крутки (для полиэфирных нитей при температуре 190-220С, полиамидных 19-196С )
3. охлаждение нити ( до температуры 20-24С)
4. раскручивание.

   Для получения нитей повышенной растяжимости высокорастяжимую нить подвергают повторной тепловой обработке в свободном состоянии ( при минимальном натяжении).

   При совмещении вытягивания и текстурирования методом ложного кручения на машинах устанавливают вытяжные устройства. Механизмы ложного кручения в этом случае должны работать со скоростью прохождения нити до 13-20 м/с, в связи с чем можно использовать только фрикционные устройства (главным образом многодисковые).

 Одной из таких  машин является машина ТВ-1 предназначеная для вытягивания и текстурирования синтетических нитей из расплавов со скоростью до 13 мс. Машина оснащена скоростными многодисковыми механизмами ложного кручения оригинальной конструкции, ремешковыми питающими, вытяжными и выпускными устройствами, увеличенной наклонной термокамерой, охлаждающим и замасливающим устройствами, устройством автоматического прерывания питания нити в случае обрыва нити. Кинематическая схема машины приведена на рисунке 1.

   На машине вытягивание и кручение нити происходит одновременно в одной зоне. Наличие второй термокамеры позволяет получить нити повышенной растяжимости. Использование ремешковых питающих и вытяжных устройств облегчает заправку нити, исключает необходимость установки транспортирующих свободно вращающихся роликов, нагрузка на нить уменьшается за счет двухстороннего контакта (с ремешком и фрикционным цилиндром). Наличие контакта нити с разнородными материалами позволяет подобрать такую комбинацию материалов ремешков и фрикционного цилиндра, при которой суммарный заряд от статической электризации нити окажется несущественным и не будет способствовать образованию подмотов нити на цилиндры. Охлаждающая пластина необходима для интенсификации остывания нити на выходе из первой термокамеры, без чего работа на высоких скоростях оказалась навозможной. Увеличение длины термокамеры до 2-2,5м значительно увеличило габаритные размеры машины по высоте. В связи с этим их располагают в верхней части машины с большим углом наклона ,а для заправки нити на большей высоте используют специальное устройство – манипулятор.

 Большая масса паковок  и наматывание нити с высокой скоростью потребовали оснастить бобинодержатели демпферами колебаний и тормозными устройствами. Последние позволяют сократить время перезаправки намоточных устройств. Заправка машины осуществляется на малой скорости выпуска нити (до 5 м/мин). Это облегчает обслуживание и сокращает отходы нити в брак.

 

Механизм ложного  кручения.

 

 Механизмы ложного  кручения предназначены для сообщения  нити остаточных крутильных (сдвиговых)  деформаций методом интенсивного  закручивания в одном направлении  с последующим раскручиванием  в обратном направлении. Угол  закручивания нити, равный 2л, соответствует одному кручению. При высокой крутке число кручений К на один метр длины нити достигает 7000 и даже более.  
Для уменьшения скручивающего момента и снятия, возникающих при кручении сдвиговых напряжений, нить перед входом разогревают почти до пластичного состояния. В результате раскручивания ранее сформированных филаменты нити под действием упругих сил принимают равновесную спирально-петлистую форму.  
В зависимости от способа передачи нити крутящего момента МНЛК делят на два типа: фрикционные и роторные. В первых механизмах крутящий момент возникает в зоне контакта натянутой нити с фрикционной поверхностью движущегося звена. В устройствах роторного типа крутящий момент от ротора к нити передается с помощью зажимов, крючков и поперечных осей.

 Отечественный МНЛК фрикционного  тип состоит из корпуса 1, шпинделя 2, двух фрикционных колец З  и б , приводного ремня 8,  
ограждения 4 и 9, втулки 7 и двух шарикоподшипников 5. Втулка 7  
напрессована на левый конец пустотелого шпинделя 2 и  
предназначена для крепления фрикционных колец З и б и передачи  
вращения шпинделю 2 от бесконечного ремня. Внутри шпинделя З проходит обрабатываемая нить, постоянно контактирующая с кольцами 3 и 6.

 

Рис… МЛКН фрикционного типа

 

Теоретическое число кручений на 1м длины нити

К=   , где

n_ф – частота вращения фрикционного кольца, d_ф – эффективный диаметр отверстия фрикционного кольца 3, η – коэффициент, учитывающий проскальзывание нити при перекатывании ее по фрикционным кольцам, ν – скорость продольного движения, d₁ – теоретический диаметр нити.

 Коэффициент η колеблется  в пределах 0…0,95 и зависит от  коэффициентов трения скольжения  и качения нити по фрикционным  кольцам, схемы заправки нити  в МЛКН и многих других факторов. В электрических МЛКН роль шпинделя выполняет полый вал ротора. При кручении движущаяся нить всегда контактирует с поверхностью вращающегося или поступательно движущегося фрикционного звена. На линии контакта нити с фрикционом возникает сила трения-сцепления, состоящая из продольной и тангенциальной составляющей. Продольная составляющая, направленная из оси нити, создает сопротивление, движению нити, увеличивая ее натяжение, а тангенциальная составляющая закручивает нить. Соотношение этих составляющих от характера расположения нити на фрикционом диске. Если в качестве фрикционного звена используется со скоростью ν_ф бесконечный ремень со сферическим рабочим профилем, то нить на дуге обхвата АВ при симметричной схеме заправки располагается по цилиндрической линии

Z= , где

Z – ордината рассматриваемой точки М цепной линии; r- радиус сферической поверхности ремня; f- коэффициент трения между нитью и фрикционным ремнем;

cosβ=        - косинус угла между касательной к цепной линии в точке М и плоскостью поперечного сечения ремня; β_о- угол в вершине 0 цепной линии.

 

 

 

Рис….. Схема взаимодействия нити с ремнем

 

 Если начало координат выбрано  в вершине цепной линии, а  ось Z направлена вдоль ремня, то угол β_о =0, а

Z= ,

Где φ – угловое  расстояние до точки М; е- основание  натурального логарифма; сhfφ=   - логарифмический косинус.

 В некоторых МЛКН  в качестве фрикционных элементов  применяют два полиуретановых кольца 1 и 2 , закрепленных на кольцах полого ротора. Минимальный диаметр фрикционного кольца равен 20..25 мм, а радиус рабочей сферической поверхности 5…7 мм.

 Широкое распространение  получили трехшпиндельные МЛКН  фрикционного типа. Устройство имеет три шпинделя 1..3, девять фрикционных дисков 4…12, корпус 13, приводной шкиф 14, бесконечный ремень 15, поворотный кронштейн 16, обеспечивающий заправку нити, и гибкую передачу Z₁…Z₄ с зубчатыми ремнями. В механизмах ложного кручения роторного типа с прямым приводом приводится в движение непосредственно от бесконечного ремня 1. При такой схеме привода частота вращения ротора ограничена работоспособностью подшипниковых опор и не превышает (8-12) 10⁴мин^-1 . Поэтому они используются лишь в случае необходимости получения очень равномерной крутки, а производительность устройства в этом случае не превышает 0,2-0,3 мс.

 

 

 

 

 

Рис…. Роторные МЛКН с прямым приводом.

 

а- с заправкой нити на крючки; б  – с заправкой нити на штифты;

1-ремень; 2-полный ротор; 3-шариковые опоры ротора; 4-насадка; 5-заправочные крючки; 6-корпус; 7-штифты; 8-ремень привода ротора; 9-крышки; 10-распорная фтулка.

 В верхней насадки  ротора для заправки нити могут быть установлены крючки, а также один или несколько штифтов. Применение воздушных опор частота вращения ротора может быть увеличена да (16-18) 104мин-1. До настоящего момента ввиду сложности исполнения подобные конструкции не нашли применения промышленного.

 Для прямого привода  ротора может использоваться  индивидуальный электропривод.

 Наиболее широкое  распространение в наше время  получили механизмы ложного кручения  с косвенным приводом.

 

 

 

 

Рис…. МЛКН с косвенным  приводом.

а-двухдисковый; б- однодисковый

1,3 – диски; 2 – ротор; 4 – магнит; 5 – ремень привода; 6 – вал ; 7 – корпус подшипников.

  В этих механизмах ротор опирается на поверхность вращающихся фрикционных дисков, которые одновременно фиксируют положение его оси и приводят ротор во вращение. Давление на контакте ротора с фрикционными дисками создается постоянным магнитом.

 Соотношение диаметров  фрикционных дисков и ротора  на современных механизмах равно  9-25. За счет этого при умеренной  частоте вращения дисков частота  вращения ротора достигает (60-80) 104мин-1 и выше. В механизмах этого типа один диск является ведущим, второй – опорным. Механизмы могут быть одноместными с одним ротором и двухместные, в которых устанавливаются по два ротора. Роторные механизмы полые и для заправки нити имеют поперечный штифт. Внутренний диаметр роторов 0,65-2 мм в зависимости от линейной плотности перерабатываемой нити. Так при Т=1, 67…5,6 текс этот диаметр равен 1мм, для Т=16,7…22 текс внутренний диаметр рекомендуется принимать 1,3 мм. Наружный диаметр ротора в месте контакта с фрикционными дисками равен 2-4мм.роторы изготавливают из стали.

 Для повышения износостойкости  их рабочие поверхности хромируют  или напыляют слоем оксидов,  карбидов или нитридов металлов. Штифты роторов делают из сапфира  или корунда. Для придания хороших фрикционных и износостойких свойств диски выполняют из полиуретана или уретанового каучука.

 Применение ложного  кручения роторного типа с  косвенным приводом позволяет  текстурировать нить со скоростью  2,5-3 мс. Дальнейшее повышение этой  скорости ограниченно скоростными возможностями привода ротора и чрезмерным увеличением натяжения нити вследствие трения о штифт.

 Увеличение скорости  текстурирования до 13-15 мс стало  возможным благодаря созданию  механизмов ложного кручения  фрикционного типа.

 Преимуществом крутильного  механизма в виде бесконечного  ремня является его простота. Недостатки – малый угол обхвата  нитью ремнем, наличие неподвижных  нитенаправителей, увеличивающих натяжение  нити, проскальзывание нити относительно  ремня. 

 

Проектирование многодискового МЛКН фрикционного типа.

 

  На многоместных  текстурирующих машинах  габарит  МЛКН ограничен шагом А рабочих  мест, поэтому максимальный диаметр  фрикционного диска

d_max=(А-∆)÷2,

где ∆=25…50мм – зазор, необходимый для установки и  обслуживания механизма.

 ∆ выбираем равное 25 мм, тогда

d_max=( А-∆)÷2=(125-25)÷2=50мм

 На существующих  текстурирующих машинах d_max=50мм. Толщина h диска с твердым покрытием равна 4…6 мм, а с полиуретановым покрытием – 0,75…0,85 мм.

 В работе толщина  диска с твердым покрытием – 6 мм, а зазор

∆₁=∆₂=0,6мм

 Максимальное число  рабочих фрикционных дисков составляет 6…7, а с учетом направляющих  дисков с твердым покрытием  – 8…9.

 В проекте максимальное  число рабочих фрикционных дисков  равно 8.

 Частота вращения  фрикционных дисков

где ν – продольная скорость нити га входе в МЛКН;

- при кручении нити линейной  плотности до 12 текс;

ν_ф – средняя скорость фрикционной поверхности диска.

- это входит в заданные  пределы от 2,4 до 2,5

  Приняв коэффициент f трения скольжения скручиваемой нити на всех дисках в продольном и поперечном направлениях одинаковым, получим необходимый технологический угол обхвата нитью всех дисков.

, где

К – число кручений на 1 м длины скрученной нити, находится  в пределах от 2500 до 5000 кр.м, принимаем  К=3000 кр.м

G – модуль сдвига максимально закрученной нити, принимаем

G=16,6*10⁷ кг/м³

- полярный момент инерции поперечного сечения скручиваемой нити;

- приведенный радиус текстурируемой  нити;

Т – линейная плотность  нити, находится в пределах от 2,2 до 10 текс, принимаем Т=10 текс

ρ-плотность нити;

нить из полиамида, ее плотность равна ρ=1150 кг/м³

Q₁ – натяжение  нити на входе МЛКН, Q₁ =50 гр

 Диаметр нити находим  по формуле 

, тогда

 Направляющие диски  изготавливают из износостойкой стали, а фрикционные – из износостойкой керамики без покрытия и из легких сплавов с алмазно-никелевым или полиуретановым покрытием.

 Коэффициент трения f между нитью и полиуретаном равен 0,65 и полиуретановым алмазным покрытием – 0,35…0,39 , и полиуретаном, насыщенным порошком оксида хрома, - 0,35…0,40, металлическими или керамическими дисками f=0,2…0,46

 

Расчет МЛК  на вибрацию.

 

 МЛК состоит из трех шпиндельных узлов. Для расчета на вибрацию рассмотрим шпиндель с приводным шливом.

 Расчетная схема  выбранного шпиндельного узла представлена на рисунке…

 Вал 2 установлен  в опорах 3 и 4. Участок вала  до опоры 4 и выше имеет разные  диаметры.

    Рис….   Расчетная  схема шпиндельного узла.

1 – приводной блочек, 2 – вал, 3,4 – опоры, 5 – диски, 6 - втулки

 На нижней консольной части шпинделя закреплен приводной блочек 1. Жесткость блочка в несколько раз больше жесткости шпинделя, поэтому его будем считать твердым ….. телом.

 На верхнею консоль  вала 2 насажены диски 5, расстояние между парами задается при …. Распорных втулок 6. Упругие свойства дисков не имеют значение, учитывается только их масса и моменты … масс.

 Упростим … схему.  Будем считать, что изгибные колебания не передаются за опоры шпинделя, тогда будет иметь 3 расчетные схемы рисунок .. а, б, в. Шпиндель будем считать жестко защелкнутым в опорах 3 и 4.

 

 

 Исходные данные:

Масса приводного блочка – mб = 0,173 кг

Длина приводного блочка – L = 45 мм

Радиус приводного блочка – r = 12,5 мм

Масса диска – m_д = 40 г

Расстояние между опорами  – а =32 мм

Модуль упругости материала  шпинделя – Е = 2*10¹¹Па

Плотность материала  шпинделя ρ = 7800

Диаметр шпинделя до опоры 4 – d₁= 8 мм

Диаметр шпинделя после  опоры – d₂=12 мм

Расстояние от опоры 4 в₁= 27 мм

                                        В₂= 46 мм

                                        В₃= 65 мм

 Для первой расчетной  схемы рисунок….. а  частота системных изгибных колебаний определяем по следующей зависимости:

f₁=

 

где  У₁ – момент ……   сечения вала;

Е – модуль упругости  I рода материала вала

m=m_б+m_пр1 ,

m_пр1 – приведенная масса шпинделя

m_пр1=33/140 m_ш (масса шпинделя от центра тяжести блочка до опоры 3)

m_ш = (πd₁² / 4)*в*ρ=(3,14*0,008²/4)*0,037*7800=0,015

m_пр1=0,0034 кг

У₁ = (πd₁⁴ / 64)=3,14*0,008⁴ / 64=2*10^-10 м⁴

f₁= 584,2 с^-1

ω₁=3668 с^-1

 Для второй расчетной  схемы частота собственных колебаний.

f₂=

m_пр2- приведенная масса шпинделя

m_пр2=128m₂/315 ;

m₂- масса участка шпинделя ….. опорами

m₂=(πd₁² / 4)*а*ρ=(3,14*0,008²/4)*0,032*7800=0,0125 кг

m_пр2=128*0,0125/315=0,005 кг

f₂= 555195 с^-1

ω₂=f₂*2π=346624 с^-1

Для третей расчетной  схемы 

В этом случае для определения  частоты собственных колебаний  воспользуемся методом Донкерли. Отбрасываем все сосредоточенные массы кроме одной и определяем частоту собственных колебаний с одной сосредоточенной массой (рисунок….). В результате получаем 3 частоты колебаний. Основную частоту находим из уравнений.

  , где

f₁₃=

f₂₃=

f₃₃=

У’ – момент …. сечения шпинделя

f₁=после опоры 4

У’=(πd₂⁴ / 64)=3,14*0,012⁴ / 64=0,01*10^-8 м⁴

m₁₃=масса первого диска

m₁₃=0,04 кг

f₁₃= 4395,8 с^-1

f₂₃= 1976,7 с^-1

f₃₃= 1176,8 с^-1

 

=0,5*10^-7+0,26*10^-6+0,72*10^-6=10,3*10^-7

f₃= =985,3 с^-1

Сравним рабочую скорость дисков с найденной частотой собственных колебаний.

Число оборотов МЛК  на машине

N_млк=12750 мин^-1

ω_раб=  πn_млк / 30 = 1331 с^-1

ω₁=  f₁*2π = 6,28 * 584,2 = 3668 с^-1

ω₂=  f₂*2π = 3,5 *10⁵ с^-1

ω₃=  f₃*2π = 6,28 * 985,3 = 6187,6

то есть

ω_р <ω₁

ω_р <ω₂

ω_р< ω₃

ω_1пр ≤ ω_раб ≤ (0,6 … 0,7) ω_1кр

ω_{раб < (2200 … 2567)} с^-1

_{1331 < (2200 … 2567)} с^-1

Таким образом механизм ложного кручения работает в первой рабочей зоне

 

ω_кр = ω₁ = 3668 с^-1

ω_{раб =1308} с^-1 _{< 0,6} ω_кр = 2200,8 с^-1

1,4 ω_{кр <} ω_{раб < 0,6} ω_кр

 

 

 

Формат

Зона

Поз

Обозначение

Наименование

Кол

Примечание

Документация

ВКР.00.000.СБ

Детали

1.

ВКР.00.001.СБ

Опора

1

2.

ВКР.00.002.СБ

Шпиндель

2

3.

ВКР.00.003.СБ

Шпиндель

1

4.

ВКР.00.004.СБ

Нитенаправитель

1

5.

ВКР.00.005.СБ

Пластина

1

6.

ВКР.00.006.СБ

Пластина

1

11.

ВКР.00.011.СБ

Блочек

1

12.

ВКР.00.012.СБ

Диск

2

13.

ВКР.00.013.СБ

Диск

1

14.

ВКР.00.014.СБ

Втулка

1

15.

ВКР.00.015.СБ

Болт

1

16.

ВКР.00.016.СБ

Зубчатое колесо

1

17.

ВКР.00.017.СБ

Рулетка

1

18.

ВКР.00.018.СБ

Упор

1

19.

ВКР.00.019.СБ

Винт

1

20.

ВКР.00.020.СБ

Пластина

1

21.

ВКР.00.021.СБ

Шпилька

1

22.

ВКР.00.022.СБ

Кольцо

1

23.

ВКР.00.023.СБ

Втулка

1

ВКР.00.000 СБ.

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб

Бобинодержатель

Лит.

Лист

Листов

Пров.

МГТУ им. А.Н.Косыгина

Н.контр

Кафедра

Утв.

Группа 53з-03

 

 

 

Формат

Зона

Поз

Обозначение

Наименование

Кол

Примечание

Стандартные изделия

24.

ВКР.00.024.СБ

Винт М5х1,5.58 ГОСТ 1491-72

2

25.

ВКР.00.025.СБ

Винт 2М5х16.109.40 ГОСТ 17475-72

1

26.

ВКР.00.026.СБ

Винт 2М5х40.58 ГОСТ 1491-72

1

27.

ВКР.00.027.СБ

Винт 2М6х100.58 ГОСТ 1491-72

1

29.

ВКР.00.029.СБ

Гайка М6х1,5.6,05 ГОСТ 11871-73

1

31.

ВКР.00.031.СБ

Шайба 6.01.05 ГОСТ 18123-72

2

32.

ВКР.00.032.СБ

Шайба 6.65 ГОСТ 6402-70

1

ВКР.00.000 СБ.

Изм

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб

Бобинодержатель

Лит.

Лист

Листов

Пров.

МГТУ им. А.Н.Косыгина

Н.контр

Кафедра

Утв.

Группа 53з-03

 

 Выводы:

1. Спроектирован дисковый механизм ложного кручения и текстурированной машины ТВ-1.
2. Проведен расчет на вибрацию, позволивший установить зону рабочих скоростей МЛК.