CC BY
2
Varepo Larisa Grigorievna, doctor of technical sciences, professor, larisavarepo@yandex. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Martemyanov Denis Borisovich, docent, dbmartemyanov@omgtu. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Nagornova Irina Viktorovna, candidate of technical science, the head of the Institute, i.v. nagornova@mospolytech. ru, Russia, Moscow, Printing art institute of the Moscow polytechnic university,
Bezzateeva Evelina Gaykovna, candidate of pedagogical sciences, docent, evelinabez@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow Polytechnic University
УДК 67.05
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-5-577-578
МЕТОДИКА ВЫБОРА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ РЕЗАЛЬНОЙ МАШИНЫ БАРАБАННОГО ТИПА
Д.А. Зайцев, Д.Ю. Запорожан, А.В. Канатов, С.Ю. Киселев, А.А. Челомов
В статье представлена методика выбора основных параметров резальной машины барабанного типа. В зависимости от длины нарезаемых волокон, числа ножей, толщины намотанного жгута и его поперечного сечения определены оптимальные параметры резального устройства, а именно диаметр ножевого барабана и его ширина. Также определены наилучшие условия резания при наличии трёх жгутов, намотанных на барабан, для непрерывного процесса резания. Осуществлен выбор параметров шероховатого лезвия.
Ключевые слова: резальная машина, ножевой барабан, жгут, кромка ножа, условие резания, скользящее
резание.
Несмотря на разнообразие видов нитей, перерабатываемых на резальных машинах, их свойств, развеса и технологических условий эксплуатации, расчёт и проектирование рабочих органов может быть сведён к единой методике.
Для выполнения этой задачи необходимо разработать такую последовательность расчёта, которая позволила бы найти оптимальные параметры резального устройства в предлагаемых условиях эксплуатации, заданных показателями качества при высокой производительности и минимальной энергоёмкости процесса.
В настоящее время промышленность несёт огромные потери из-за недостаточной надёжности выпускаемых машин. Расчет рабочих органов на стадии проектирования по максимальным ожидаемым нагрузкам имеет цель повысить их надежность и долговечность.
Кроме того, машина должна быть простой по конструкции и несложной в изготовлении, удобной в обслуживании и наладке, а также обеспечивать возможность перехода на другую длину перерезаемых нитей.
Исходными данными при выборе основных параметров резальной машины являются: длина нарезаемого волокна, развес жгута и его физико-механические свойства, а также натяжение жгута, поступающего на барабан резальной машины.
При вращении ножевого барабана (рис. 1) на режущих кромках ножей 3 образуется несколько слоев жгута 4, подаваемого на машину через жгутонаправляющее устройство. Прижимной ролик находится в рабочем положении (на рис. 1 условно не показан). При этом вращении втулки 2 и 7 с ножевыми оправками 9 и ножами 3, обкатывая кулачки 1 и 8, совершают возвратно-поступательное движение.
Таким образом, нормальное усилие резания создаётся за счёт предварительного натяжения жгута, давления наматываемых слоев жгута на кромках ножей от этого натяжения и усилия прижима ролика. А возвратно-поступательное продольное перемещение ножей, обеспечивающее непрерывное разрезание жгута, создаёт условия для скользящего резания [1].
Нож 3 неподвижно закреплен в ножевой оправке 9 так, что только определённая расчётным путём часть режущей кромки лезвия ножа выступает из неё. Это необходимо для того, чтобы при перерезании жгута нити не попадали во впадины неровностей режущей кромки.
Ножевая оправка со скошенными боковыми гранями позволяет нарезанным волокнам беспрепятственно проходить между двумя соседними ножевыми оправками.
На барабанной резальной машине должны быть созданы такие условия, чтобы за один оборот ножевого барабана перерезался только один, нижний слой жгута.
Определение оптимальных параметров резального устройства;
Определение диаметра D ножевого барабана и его ширины Н.
Для каждого типа и длины нарезанного волокна существуют отдельные конструктивные размеры барабана, так как длина нарезаемого волокна соответствует расстоянию между ножами, а геометрия ножа и его установка в ножевую оправку - от физико-механических свойств нитей жгута.
В барабанной резальной машине диаметр (по кромкам ножей) зависит от длины нарезаемых волокон, числа ножей и толщины намотанного жгута [2]:
D = ~1П-2НЖ, (1)
sin— 2 z
где D - диаметр барабана по кромкам ножей, мм; l - длина нарезаемых волокон, мм; Нж - толщина слоя нитей, намотанных на барабан, мм; z - число ножей, установленных в барабане.
Отклонения нарезаемых волокон от заданной длины не должно превышать 8% [3, 4], поэтому для определения минимально возможного диаметра ножевого барабана должно выполняться равенство:
l1 = 1,08 х 10, (2)
где lo - расстояние между кромками ножей на удалении от центра барабана на величину его радиуса Rs, мм; li - расстояние между кромками ножей на удалении от центра барабана на величину (Rs + Нж), мм.
С учетом (1) выражение (2) примет вид:
í \ п п
(D + 2Н Jsm— = 1,08D sin— ;
D = 2Нж, (3)
0,08
где D - минимальное значение диаметра, мм [2].
С другой стороны, имеет место зависимость диаметра барабана от скорости подачи жгута на резание и числа оборотов приводного вала ножевого барабана:
D = ^, (4)
mi
где V - скорость подачи жгута на резание, мм/мин; n - частота вращения барабана, об/мин.
Для повышения производительности резальных машин необходимо увеличивать частоту вращения барабана [5]. Однако, это увеличение, как видно из выражения (4), приводит к уменьшению диаметра D барабана при заданной скорости подачи жгута на резание.
Но так как диаметр барабана не может быть меньше найденного его минимального значения (3), то его следует выбирать исходя из заданной длины нарезаемых волокон с соответствующим количеством ножей [2].
Ширину барабана резальной машины следует выбирать исходя из размеров жгута (поперечного сечения) так, чтобы исключить возможность наматывания нескольких слоёв рядом. Каждый последующий жгут должен наматываться на предыдущий, что обеспечивает перерезание только нижнего слоя наматываемого жгута.
Необходимо, чтобы ширина барабана В была больше ширины жгута Вж с тем, чтобы жгут полностью перерезался:
Вж = 0,95В ,
где Вж - ширина жгута, мм; В - ширина барабана, мм.
Ширина жгута Вж развесом 200 г/м равна 37.. .40 мм, а ширина барабана принимается равной 42 мм [2].
Принудительное вращение прижимного ролика, поверхность которого выполнена рифлёной с шагом (рис. 3), равным шагу расположения ножей, отсутствие изгибающего усилия на ножи ведет к значительному уменьшению силы резания, снижению расходуемой мощности за счёт уменьшения затрат полезной энергии, увеличению срока службы ножей, а следовательно, к повышению надежности резального устройства. При этом окружная скорость ролика должна быть равной скорости наматывания жгута на барабан [6].
Диаметр рифленого ролика определяется по формуле [2]:
dр ~, (5) Sin — Zi
где dр - диаметр рифленого ролика, мм; l - длина нарезаемого волокна, мм; Zi - количество зубьев ролика.
Величина zi меняется в зависимости от длины нарезаемого волокна.
В условиях тангенциального движения ножей процесс резания жгута, поступающего на барабан, происходит по всей окружности барабана (фрез=2п) и заканчивается в месте его поступления. Для того, чтобы процесс резания не нарушался при затуплении ножей, прижимной ролик необходимо устанавливать в месте поступления жгута.
Наилучшими условиями резания будет при наличии трех жгутов, намотанных на барабан, для сохранения заправки жгута и не нарушения непрерывного процесса резания. Такое условие не будет сказываться на увеличении силы резания [2].
Va
Рш. 2. Взаимодействие шероховатого лезвия ножа со жгутом при скользящем резании
3
2
Рис 3. Схема расположения прижимного ролика и ножевого барабана при скользящем резании жгута: 1 - барабан резальной машины; 2 - ножи; 3 - жгут; 4 - прижимной ролик
Часть площади поперечного сечения жгута, перерезаемого выступом шероховатого лезвия при перемещении последнего на один шаг t (рис. 2):
<$. = а = tAD sin а, (6)
где X - глубина погружения кромки в жгут (или высота режущей кромки лезвия ножа, выступающая из ножевой оправки), мм; t - шаг выступов, мм.
С учетом вычисленной ранее длины рабочей части AD выступа режущей кромки выражение (6) примет
вид:
Si = t(t sin у - rtga sin а),
где у - угол наклона скорости резания к плоскости режущей кромки, град; r - радиус скругления режущей кромки ножа, мм; а - угол наклона боковых сторон шероховатого лезвия, град.
Если В/t - число зубьев, одновременно задействованных в резании, тогда часть площади поперечного сечения жгута, перерезанная всей кромкой лезвия при перемещении на величину шага t, будет:
B
S, = tAD sin а — = BAD sin a 1 t
(7)
где В - длина рабочей части лезвия, мм.
Задаваясь величиной тангенциального перемещения St ножа, определяемое профилем кулачков, число резаний каждым зубом лезвия будет:
Sr
Пт=-
Г
Площадь жгута, перерезаемого лезвием за один ход на величину St, будет:
Sr bad St sin a
S ж1 = BAD sma^ =-^-
ж1 t t
Необходимое число ходов ножа для полного перерезания жгута толщиной Нж.
V V
(8) (9)
BAD ST sin a BAD ST sin a ' t
где p = Нж x Bж - площадь поперечного сечения перерезаемого жгута, мм2; Вж - определяется шириной барабана (рис. 1), мм.
При перемещении ножа на один шаг t, режется слой:
SjB /1 = S±
B t 579
Время полного перерезания Тц (время цикла):
= ^-V-=-<£--(10)
ц yT BAD S Tsina VTBAD sina Усилие, приходящееся на единицу длины режущей кромки ножа со стороны наматываемого жгута с натяжением То:
n_ Tо
P" = —
r
где г - радиус скругления режущей кромки ножа, мм. При постоянном натяжении То жгута:
Р" >> Р"
Для создания критического значения р" следует при известном г увеличить натяжение до величина::
Траб. = Р\раб. гкзап. ' (11)
где кзап - коэффициент запаса, £зап > 1 (£зап = 7); г - максимальное значение радиуса скругления режущей кромки ножа при его затуплении, мм.
Скорость резания Vрез жгута на барабане определяется:
тг = Н ж = Н ж
' рез ~ гр ~ гр ' Т рез Т ц
где Н ж - толщина жгута, мм.
Учитывая зависимость (11), скорость резания:
VfíAD sina
V рез = VtTB--(12)
ж
Соотношения скоростей Vn и Vт должно находиться в пределах величины угла у (рис. 2), обусловленных геометрией режущей кромки ножа с тем, чтобы осуществлялся процесс скользящего резания:
Y ^ a , ' max
где а - угол наклона боковых сторон шероховатого лезвия, град.
Выбор параметров шероховатого лезвия. Случай, когда диаметр нити во много раз превосходит величину шага t выступов шероховатого лезвия (рис. 4, а).
Нить, взаимодействующая с режущей кромкой под натяжением To, катится по кромке. Перерезания не происходит.
а б
Рис. 4. Схема взаимодействия шероховатого лезвия с нитями жгута при скользящем резании:
а - d > t; б - d << t
Резание возможно лишь в том случае, если натяжение To жгута и реакции R н лежат на одной прямой. Из рис. 4 (а) следует, что:
t = 2r„cosa = d cosa, 'И ^ н
где rн - радиус перерезаемых нитей, мм; dн - диаметр перерезаемых нитей, мм.
Зная диаметр перерезаемых нитей, можно получить минимальное значение шага t выступов для заданного условия Ymax = a при котором резание будет происходить:
t min = d н cos Y (13)
Для случая, когда диаметр нити меньше шага t выступов шероховатого лезвия (рис. 4, б), имеем:
2 Г н <<t
580
Число нитей, уложенных на одном выступе режущей кромки одного выступа:
AD t sin y- rtga sin a .... n = ~-=-—- (14)
2 r н dн sin a
Для определения глубины внедрения X лезвия ножа с шагом t зубцов в жгут с диаметров dн перерезаемых нитей при прочих равных условиях, воспользуемся формулой (13) и рис. 4 (б):
1= ttgY (15)
1 + ctgatgy
и
d sin y
x=_Oh-1_ (16)
1 + ctgatgY
Чтобы исключить попадание нитей жгута во впадины шероховатой режущей кромки, необходимо выдвигать лезвия ножа из ножевой оправки (рис. 1) на величину X.
Определение длины ножа. Поскольку перерезаемый материал - упругий, то возможно вытягивание нитей жгута выступами шероховатого лезвия, а не его перерезания, поэтому длина ножа:
L = Bж+ST+e ST+ldon, (17)
где L - длина ножа, мм; s - относительное сжатие жгута; lдоп = 8 ... 10 мм - для закрепления ножа в ножевой оправке.
Выводы:
1. Получены зависимости для определения основных параметров ножевого барабана, прижимного ролика, шероховатого лезвия при скользящем резании химических жгутовых нитей.
2. Разработана методика выбора основных параметров резальной машины, осуществляющей скользящий способ резания.
Список литературы
1. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов. М.: Машиностроение, 1975.
314 с.
2. Игнатьева М.Е. Исследование и разработка резальных машин барабанного типа для химических волокон и нитей. Дис. канд. техн. наук. М., 1984. 227 с.
3. ГОСТ 10435-83. Волокно и жгут (полиэфирное). Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1984. 8 с.
4. ГОСТ 10546-80. Волокно и жгут (вискозное). Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1984. 12 с.
5. Рейклетис Г., Рейвиндоан А., Рэгодел К. Оптимизация в технике. Книга 1. М.: Мир, 1986. 349 с.
6. Львов Д.Л., Попов A.M., Рензяев О.П. Зависимость режущей способности пластинчатых ножей от основных характеристик микрогеометрии лезвий при скользящем резании./ Львов Д.Л., Попов А.М., Рензяев О.П. // Совершенствование существующего и разработка нового оборудования для пищевой промышленности: сборник научных трудов. Выпуск 2. Кемерово, 2008. С. 43-46.
Зайцев Дмитрий Александрович, аспирант, zaytsevdima1996@yandex. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство),
Запорожан Дмитрий Юрьевич, аспирант, zaporochan.dima9@mail. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство),
Канатов Алексей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, kanatov-av@rguk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство),
Киселев Сергей Юрьевич, д-р. техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство),
Челомов Андрей Анатольевич, магистрант, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
THE METHOD OF SELECTING THE MAIN PARAMETERS OF A DRUM-TYPE CUTTING MACHINE
D.A. Zaytsev, D.Y. Zaporozhan, A. V. Kanatov, S.Yu. Kiselev, A.A. Chelomov
The article presents a method for selecting the main parameters of a drum-type cutting machine. Depending on the length of the cut fibers, the number of knives, the thickness of the wound bundle and its cross-section, the optimal parameters of the cutting device, namely the diameter of the knife drum and its width, are determined. The best cutting conditions have also been determined in the presence of three bundles wound on a drum for a continuous cutting process. The rough blade parameters have been selected.
Key words: cutting machine, knife drum, harness, knife edge, cutting condition, sliding cutting.
Zaitsev Dmitry Alexandrovich, postgraduate, zaytsevdima1996@yandex. ru, Russia, Moscow, The Kosygin State University of Russia (Technologies. Design. Art),
Zaporozhan Dmitry Yurievich, postgraduate, zaporochan. dima9@mail. ru, Russia, Moscow, The Kosygin State University of Russia (Technologies. Design. Art),
Kanatov Alexey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, kanatov-av@rguk. ru, Russia, Moscow, The Kosygin State University of Russia (Technologies. Design. Art),
Kiselev Sergey Yurievich, doctor of technical sciences, professor, kiselev-sy@rguk. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia (Technologies. Design. Art),
Chelomov Andrey Anatolyevich, undergraduate, sadr031299@gmail. com, Russia, Moscow, National University of Science and Technology «MISIS»
УДК 541.64
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-5-582-583
АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛИМЕРНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Д.В. Стенько, А.Б. Капранова, Д.С. Долгин, Е.Р. Новиков, Н.Н. Маурин
В рамках анализа электрических свойств полимерных диэлектриков выявлена их условная классификация по ряду признаков, известные подходы к описанию связи между основными характеристиками состояния диэлектрика на макро- и микроуровнях, кратко выделены основные направления создания пластических материалов с заданными электрическими свойствами.
Ключевые слова: полимерный диэлектрик, электрические свойства, диэлектрическая проницаемость среды, поляризуемость.
Исследование поляризации полимеров представляет особый интерес при разработке моделей процессов химических технологий, предназначенных для проектирования соответствующего оборудования по переработке пластмасс. Выявление физических свойств указанных веществ, оказывающих наиболее значимое влияние на тот или иной процесс химических технологий, относится к актуальным задачам их моделирования. Сложная природа данного явления отражается в признаках классификации диэлектриков, подлежащей дальнейшему развитию при своем условном характере.
Целью настоящей работы является анализ особенностей электрических свойств полимерных диэлектриков, в рамках которого решаются следующие задачи:
1) выявить основные характеристики состояния диэлектрика на двух уровнях: микро- и макро-;
2) проанализировать существующие подходы к описанию связи между указанными характеристиками;
3) выявить перспективные направления создания пластических материалов с заданными электрическими свойствами.
Обратимся к условной классификации диэлектриков, предложенной на основе известных данных [1-5], в
частности:
1) по типам диэлектрических материалов в зависимости от вида/типа:
- атомных частиц, ответственных за механизм поляризации (полярные/неполярные, кристаллические);
- связи между напряженностью электрического поля Е и относительной диэлектрической проницаемостью 8 (линейные/нелинейные);
- структурной однородности (изотропные или анизотропные, например, как гетерогенные системы, как композиты, со слоями и др.);
2) по видам поляризации в отношении:
- механизма действия (электронная, электронно-релаксационная, дипольная, ионная, ионно-релаксационная, миграционная, структурная, спонтанная, электретная, резонансная, пьезоэлектрическая);
- времени протекания и эффекта диссипации под влиянием электрического поля: а) мгновенные без диссипации - упругие: дипольно-упругая, электронно-упругая, ионно-упругая, ядерно-упругая; б) не мгновенные с диссипацией - неупругие (релаксационные): при наличии собственного электрического момента: дипольная, дипольно-релаксационная, дипольно-радикальная; при наличии специального состава химических веществ или структуры: электронно-релаксационная, ионно-релаксационная, миграционная, спонтанная.
Статическая электризация полимеров выражается в неустойчивой способности данных материалов сохранять или снижать величину приобретенного свободного электрического заряда на поверхности/в объеме данного материала. Равновесность диэлектрика соответствует его незаряженному состоянию, релаксация - возвращению из заряженного состояния к незаряженному. При этом основными характеристиками состояния диэлектрика на макроуровне считаются следующие величины [4, 6]:
1) сопротивление: поверхностное рв (Ом) или удельное объемное ру (Омм или Ом- см);
рв = Нвк*/ ав =1/Гц, Ру = / На =1/Уу , (1)
где приняты обозначения: расстояние ¿в (см) между прямоугольными электродами и их высота Нв (см); поверхностное Rs и объемное Rv, сопротивление изоляции (Ом); толщина На (см) и Ба (см2) площадь для плоского поперечного сечения материала; поверхностная Т (Ом-1) и удельная объемная Ту (Ом"1см-1) проводимость;
2) диэлектрическая проницаемость среды: относительная 8 (или 8Г для зарубежных источников) и абсолютная 88о (Ф/м) или 8а (Ф/м) для зарубежных источников), как характеристики ослабевания электрического поля после поляризации диэлектрического материала при смещении связанных зарядов (примеры содержатся в Таблице 1 [4, 6, 7])
е = са/со = ег , еео =е-е0 = еа , (2)
где емкости конденсаторов (Ф): Са - с диэлектриком между обкладками; С0 - с вакуумом между обкладками; диэлектрическая проницаемость вакуума 80 = 8.854-10-12 Ф/м;
