CC BY
44
текстильной технологической оснастки актуальны различные свойства ремонтопригодности.
Библиографический список
1. Аристов А.Н., Волков Н.Н., Дубовицкий Л.Г. и др. Ремонтопригодность машин. - М.: Машиностроение 1975. - 368 с.
2. Ковальский П.Г. Организационно-техническое обеспечение эксплуатации и сервиса технологической оснастки текстильных машин: дис. ... канд. техн. наук. - Кострома, 2003.
3. Надёжность в технике. Термины и определения. ГОСТ 27.002-89
4. Система технического обслуживания и ремонта техники. Показатели для оценки ремонтопригодности. Термины и определения. Межгосударственный стандарт. ГОСТ 21623-76. - М.: Стандартинформ, 2006.
5. Травин Г.М. Научные основы технической эксплуатации текстильных машин: дис... докт. техн. наук: 05.12.13, 08.00.28. - Ленинград, 1987. -413 с.
УДК 677.02
Травин Георгий Михайлович
доктор технических наук, профессор Костромской государственный университет имени Н.А. Некрасова
kaf_tps@ksu.edu.ru
Привалов Александр Васильевич
Костромской государственный университет имени Н.А. Некрасова
kaf_tps@ksu.edu.ru
Романов Вадим Владимирович
кандидат технических наук Костромской государственный университет имени Н.А. Некрасова
kaf_tps@ksu.edu.ru
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ КРЕПЛЕНИЯ ИГЛ В ГРЕБЕННЫХ ПЛАНКАХ ДЛЯ ЧЕСАНИЯ ЛУБЯНЫХ ВОЛОКОН
Современные конструкции игольно-планочной гарнитуры для последних переходов чесания лубяных волокон представляют собой основание из прессованного (экструдированного) алюминиевого или стального гнутого (штампованного) профиля, с закрепленной в нем вклеиванием, заливкой полимером или механическим клиновым зажимом цельной или секционной полимерной игольной вставкой, несущей круглые или плоские иглы. Благодаря упругой заделке игл, амортизирующей способности полимерного материала, обеспечивается более надежное удержание иглы в соединении. При создании и изготовлении новых конструкций такого вида игольно-планочной гарнитуры необходима оценка и контроль прочности крепления игл в основании и устойчивости их положения при эксплуатации. Усилие удержания возникает после заливки иглы полимером, когда при его остывании на боковых поверхностях иглы создается радиальное давление вследствие неравномерной усадки полимера и теплового сжатия тела иглы. Выполнены теоретические расчеты удерживающей иглу силы трения.
Способность полимерного материала удерживать иглу косвенно можно оценить по усилию выпрессовки. Выполнены эксперименты по определению усилия выпрессовки на планках 3-х последних переходов с использованием специального стенда. Установлено минимальное усилие выпрессовки круглой иглы, а также наибольшее групповое и общее среднее. Доказано влияние отсутствующей или выпавшей иглы на напряженно-деформированное состояние соединения соседней со вставкой. Установлены нормативные значения усилия удержания иглы для средних и конечных переходов чесания. Испытания плоских игл на устойчивость в заделке следует производить, нагружая их статической изгибающей нагрузкой, после воздействия которой иглы должны возвращаться в исходное положение.
Ключевые слова: гребенная планка, игольная вставка, прочность соединения, усилие выпрессовки, усилие удержания, устойчивость в заделке.
При чесании длинных лубоволокнистых материалов основным рабочим органом выступает гребенное поле, главным элементом которого является игольная гарнитура в виде планок, конструктивно отличающихся в зависимости от группы номеров переходов. На первых переходах планки представляют собой основание из алюминиевого профиля, с запрессованными в него иглами, или другими расправляющими волокно элементами (скобами).
Планки последующих средних и конечных переходов являются сложными составными видами технологической оснастки, включающими в общем случае основание из алюминиевого или стального гнутого (штампованного) профиля; игольную по-
лимерную вставку с круглыми или плоскими иглами; зажимной, удерживающий вставку, элемент (возможно использование технологий вклеивания, заливки полимером, металлополимерной заделки вставки в пазу основания); крепежное соединение.
Для планок первых переходов, как показывают наблюдения при чесании длинного трепаного льна, характерными отказами являются: поломка основания в срединной части, расшатывание и выпадение игл в соединении их с основанием. Причины таких отказов обусловлены действием изгибающих сил на иглу при чесании, недостаточной величиной натяга при запрессовке игл, а также его уменьшение при смятии основания в зоне контакта с иглой под действием сил чесания.
100
Вестник КГУ им. H.A. Некрасова № 7, 2014
© Травин Г.М., Привалов А.В., Романов В.В., 2014
N2
где у - коэффициент натяга; Е - модуль упругости полимера, Е = (1,36 -1,96) • 103 МПа; ^ - коэффициент Пуассона полимера, ц = (0,37 - 0,41); п - коэффициент отношения линейных размеров вставки (Б) и иглы (й).
П =
в2 +1 в2 -1
ф2 + 1 й
Б 2 .
(Б -1
Рисунок 1. Силы, действующие на элементы игольной планки.
1 - основание; 2 - игла; 3 - вставка полимерная; 4 - зажим клиновой
Что касается планок средних и конечных переходов чесания, то большинство видов отказов связано с иглой: поломка у основания и в вершинной части, загибы и подсечки. Имеют место также и отказы в соединении иглы с полимерной вставкой: разрушение соединения и отклонение положения иглы (нарушение ее устойчивости) [5]. Разрушение соединения иглы с полимерной вставкой связано с циклическим действием как осевых игл при прокалывании волокна, так и сил чесания, изгибающих иглу. Кроме того при заливке игл полимерным материалом в соединении, благодаря упругой заделке и амортизирующей способности материала возникает сложное напряженно-деформированное состояние, которое усиливается дополнительно действием сил зажима в клиновом соединении, как это видно на рисунке 1. Разрушение соединения возможно также и в результате потери местной устойчивости передней полки основания из-за ее недостаточной жесткости. Все вышеизложенное касается как круглых, так и плоских игл с хвостовым замком.
Таким образом, становятся необходимыми при создании и изготовлении новых конструкций игольно-планочной гарнитуры оценка и контроль прочности крепления игл в основании и устойчивости их положения при эксплуатации. Последнее в большей степени касается плоской иглы, поскольку она имеет неравные моменты сопротивления по осям сечения.
Усилие удержания иглы возникает после заливки ее полимером, когда при остывании на боковых поверхностях иглы создаются радиальные давления
(р) вследствие неравномерной усадки полимера и теплового сжатия тела иглы [3; 4]. Удерживающая
сила трения Г = р • S • /, где £ - площадь боковой поверхности иглы в контакте (м2); f - коэффициент трения иглы с полимером, / = 0,15 - 0,25.
у - Е
В свою очередь р =-,
ц + П
у = 5 + а-Д£,
где 8 - коэффициент усадки полимера, 8 = (0,7 -1,2)%; а - коэффициент линейного расширения материала иглы, а = (100 -130) • 10-7 на 1оС.
(8 +а-ДО • Е Тогда F = -----п • й • I • /.
Ц + П
Колигественную оценку силы удержания иглы выполним для секционных игольных вставок планок средних переходов чесания типа 12 (диаметр иглы 1,7 мм, шаг 3,1 мм), а также планок конечных переходов типа 18 (диаметр иглы 0,8 мм, шаг 1,4 мм). Для этих вставок при Б равном шагу игл п = 1,75. Принимая: Е = 1,76МПа; 8 = 0,011; а = 1,2• 10-7; Д* = 195; Ц = 0,37; I = 0,0075; / = 0,2, имеем:
- для планок с иглами 0 1.7 мм Г = 90 Н,
- для планок с иглами 0 0,8 мм Г = 42Н.
Что касается планок начальных переходов с иглами 0 2-3 мм, то усилие их удержания в заделке определяется давлением, возникающим на поверхности контакта при запрессовке игл в отверстия основания (стального гнутого, или алюминиевого профилированного) и полимерной вставки.
В общем виде давление на поверхности контакта определяется формулой Ляме:
Д
Р =
С с
й • С + С2;
Е1 Е 2
где А - натяг в соединении; С1 ,С 2 - коэффициенты жесткости иглы и вставки (основания планки); Е1 , Е2 - модули упругости материала иглы и вставки (основания).
Коэффициенты жесткости С1 = 1 - ц1; С2 = п + Ц2, где ц1 ,ц2 - коэффициенты Пуассона материалов иглы и вставки (основания).
Рассчитаем усилие удержания иглы 0 3 мм (силу трения) для сопряжения игла-вставка.
Г2 = Р2 - £2 - f2, где £2 - площадь контакта иглы с полимерной вставкой; f2 - коэффициент трения иглы со вставкой.
Р2 ="
Д
й • (
1, П + Ц 2 Е
- + -
)
Е1 Е2 Для материала иглы
ц1 = 0,24 - 0,28.
Б
Е1 = 2,1 • 105 МПа,
При в = -т = 3, П = 1,25 имеем р2 = 9,0МПа, й
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова № 7, 2014
101
ных видов игольных планок, например, с плотностью посадки 64 и 80 игл на 10 см, не превышает 0,06.
Опыт эксплуатации гарнитуры на средних и последних переходах чесания длинного трепаного льна свидетельствует о том, что допускается эксплуатация планок с частично отсутствующими, в определенном ограниченном количестве, иглами. При этом, очевидно, меняется напряженно-деформированное состояние соединения соседних с отсутствующими игл с полимерным основанием.
Отсюда следует, что целесообразно оценивать степень влияния отсутствия иглы на усилие вы-прессовки соседней. Результаты таких испытаний с планками того же вида представлены в таблице 2.
Минимальное значение усилия выпрессовки в этой серии экспериментов составляет всего 50Н, а вероятность силы удержания иглы не более 60Н -20%. Разброс групповых средних незначителен, как и разброс всех усилий выпрессовки, о чем свидетельствует значение среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации, не превышающего во всех случаях величины 0,15. Наибольшее усилие удержания иглы не превышает 80Н - минимального значения усилия при полном количестве игл в планке (таблица 1). Анализ экспериментальных данных свидетельствует о том, что при установлении норматива требуемого усилия удержания иглы следует обязательно учитывать влияние выпавшей иглы на напряженно-деформированное состояние соединения соседней с полимерным основанием. Как видно, результаты экспериментов хорошо согласуются с расчетными данными.
Тогда, исходя из результатов эксперимента с учетом теоретических расчетов, для круглых игл сред-
Таблица 1 Прочность посадки игл
№ опыта Усилие выпрессовки игл при плотности посадки (Н)
64 72 80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 90 86 100 90 80 90 90 85 85 90 150 120 100 180 180 80 185 80 160 120 100 90 95 90 100 96 96 96 94 98
о Среднее X =88,6 X 2 =135,5 Х3 =95,5
я о с с ^ а и Среднее квадратическое ^=52 а 2=41 а 3 =35
Коэффициент вариации V; =0,06 V 2=0,3 V 3 =0,04
Общее Среднее X 0 =106,5
Среднее квадратическое а 0 =31,2
Коэффициент вариации V 0 =0,29
а усилие удержания иглы в полимерной вставке при натяге А = 0,025мм и I = 9мм ^ = 153Н.
Таким образом, для удержания иглы в заделке при эксплуатации планок первых переходов достаточно ее запрессовки только в полимерную вставку, исключая основание, для которого указанный натяг может оказаться избыточным. Действительно, при запрессовке иглы с таким натягом основание из стали или алюминия (для алюминия Е = 0,69• 105МПа,ц = 0,32-0,34) давление в зоне контакта составит соответственно 725Н и 615Н. В этом случае игла при запрессовке работает как прошивка. Тогда для приемочного контроля допустимая нижняя граница усилия выпрессовки иглы должна быть равной 150Н.
Очевидно, что прочность крепления иглы, т.е. способность полимерного материала удерживать иглу, косвенно можно оценить по усилию ее вы-прессовки. Нами были выполнены экспериментальные исследования по определению необходимого усилия для выпрессовки игл с плотностью (частотой) посадки 64, 72, 80 игл на 10 см длины планки диаметрами, соответственно 0,7; 0,8; 0,9 мм с использованием специально разработанного стенда. Результаты испытаний отражены в таблице 1.
Как следует из таблицы 1, минимальное усилие выпрессовки составляет 80 Н, а вероятность появления усилия менее 90Н около 17%. Наибольшее среднее групповое усилие удержания иглы 135,5Н, а общее среднее 106,5Н.
Рассеяние усилия выпрессовки во всех случаях свидетельствует о довольно стабильном значении усилия удержания иглы - коэффициент вариации усилия выпрессовки не превышает 0,3, а для отдель-
102
Вестник КГУ им. Н.А. Некрасова № 7, 2014
Таблица 2
Прочность посадки игл соседних с удаленной
№ ответа Усилие выпрессовки игл при плотности посадки (Н)
64 72 80
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 80 62 70 65 74 68 68 70 64 66 о о о о о о о о о о г-г-г-юг-г-г-юг-г- 68 68 50 76 55 60 50 75 66 60
Групповое Среднее X =68,7 X 2 =68 x3 =62,8
Среднее квадратическое CTj=5,3 CT 2 =4,2 CT 3 =9,4
Коэффициент вариации Vj =0,08 V 2=0,06 V 3 =0,15
Общее Среднее X 0 =66,5
Среднее квадратическое CT 0=7
Коэффициент вариации V 0=0,11
них переходов чесания диаметрами 1,3-1,7 мм целесообразно устанавливать с учетом коэффициента запаса допустимое усилие выпрессовки - 120Н, последних переходов диаметрами 0,7-1 мм - 60Н. При использовании плоских игл на последних переходах наличие хвостового замка изменяет конфигурацию боковой поверхности заделки иглы, площадь которой для игл сечением 1,6*0,72 мм и 1,32*0,64 мм составит соответственно 3,3*10-5 м2 и 2,8*10-5 м2. Отсюда расчетные усилия удержания иглы будут 63Н и 54Н. Тогда допустимое минимальное усилие вы-прессовки следует принять равным 80 Н.
Анализ работы игольной гарнитуры при чесании льна, выполненный в [1; 6], показывает, что наибольшее усилие на иглу приходится на 2/3 высоты ее рабочей части, считая от места заделки. При этом наименее нагруженными являются крайние иглы планки. В связи с этим испытания плоских игл на устойчивость в заделке следует производить, нагружая иглы на длине 10 мм от края игольного ряда на 2/3 ее рабочей высоты статической изгибающей нагрузкой, после воздействия которой иглы должны возвращаться в исходное положение. В зависимости от плотности посадки иглы и, соответственно, их шага в зону статической нагрузки попадает до 8 игл. Величину нагрузки следует устанавливать исходя из усилия чесания, значение которого экспериментально определено в [1; 2]. Согласно этим исследованиям в среднем максимальное значение усилия чесания на последних переходах составляет 35-40Н. Однако при чесании комлевой части горсти льна возрастает, практически, до 60Н. В [6] показано, что усилие чесания по длине планки распределяется неравномерно. В срединной ее части
(приблизительно 1/4 рабочей длины) усилие составляет 40% от суммарной нагрузки на планку.
Введя коэффициент запаса устойчивости иглы в упругой заделке равным 3, получим значение статической изгибающей нагрузки при контрольных испытаниях 70Н.
Библиографический список
1. Балобина А.А. Исследование и совершенствование технологии чесания трепаного льна на машине Ч-302-Л: дис. ... канд. техн. наук. - Кострома: КТИ, 1977. - 208 с.
2. Ильин Л.С. Совершенствование гарнитуры для чесания трепанного льна / Л.С. Ильин, В.В. Васильев, В.Л. Биб // Сб. трудов ВНИИЛП. - М.: НИИТЭИлегпром, 1990. - С. 34-37.
3. Мирзоев Р.Г., Кугушев И.Д., Брагинский В.А. Основы конструирования и расчета деталей из пластмасс и технологической оснастки для их изготовления и др. Учебное пособие для студентов вузов. - Л.: Машиностороение, 1972.- 416 с.
4. Мэллой Р.А. Конструирование пластмассовых изделий для литья под давлением / пер. с англ. яз. под ред. В.А. Брагинского, Е.С. Цобкалло, Г.В. Комарова. - СПб.: Профессия, 2006. - 512 с.
5. Травин Г.М., Кулемкин Ю.В., Привалов А.В. Прогнозирование и моделирование надежности игольно-планочной гарнитуры для чесания волокон технической конопли // Вестник Костромского государственного университета имени Н.А. Некрасова. - 2014. - № 6. - С. 55-59.
6. Разработка конструкции и технологии изготовления сборно-разборных гребенных планок с повышенной плотностью игл для льночесальных машин: Отчет о НИР ЦНИИМашдеталь, рег. № 01870011487, научный руководитель Н.И. Пота-пенков. - М.:, 1988.- 198 с.
Вестник КГУ им. H.A. Некрасова № 7, 2014
103
