THE INFLUENCE OF THE STRUCTURAL FORM OF THE BOTTOM ON DEFLECTION OF THE CARDING MACHINE MAIN CYLINDER

Transkrypt

1 d inż. PIOTR DANIELCZYK, pof. d hab. inż. JACEK STADNICKI, jstadnicki@ath.bielsko.pl AKADEMIA TECHNICZNO-HUMANISTYCZNA W BIELSKU - BIAŁEJ WPŁYW POSTACI KONSTRUKCYJNEJ DENNICY NA UGIĘCIE BĘBNA ROBOCZEGO ZGRZEBLARKI WAŁKOWEJ Steszczenie: W pacy pzedstawiono ozwiązanie zadania poszukiwania najlepszego kształtu postaci konstukcyjnej dennicy bębna głównego zgzeblaki wałkowej z uwagi na kyteium minimalnej amplitudy ugięcia. Do analiz wykozystano metodę elementów skończonych (pakiet ANSYS). W wyniku pzepowadzonych obliczeń uzyskano zmniejszenie watości maksymalnego ugięcia o około 71%, co umożliwi ealizację nowej technologii włókienniczej zgzeblenia mikowłókien oaz popawę jakości w tadycyjnej technologii zgzeblenia włókien wełnianych i wełnopodobnych. THE INFLUENCE OF THE STRUCTURAL FORM OF THE BOTTOM ON DEFLECTION OF THE CARDING MACHINE MAIN CYLINDER Abstact: The following pape pesents the solution to the poblem of seaching the best shape stuctual fom of the bottom of the main cylinde of the cading machine with consideation to the citeion of minimal deflection amplitude. The ANSYS package of the Finite Element Method has been used fo the analysis. As a esult of the pefomed calculations, eduction of maimum deflection value at appoimately 70% has been obtained. It will enable application of a new tetile technology micofibe cading and impovement in the quality of taditional cading technology of woolen and wool-like fibes. 1. WPROWADZENIE. OBIEKT ANALIZY Zgzeblenie jeden z ważniejszych włókienniczych pocesów technologicznych ma za zadanie wymieszanie luźnych włókien, usunięcie z nich zanieczyszczeń i włókien kótkich oaz ozpostowanie i ównoległe ułożenie pozostałych włókien a następnie ufomowanie z nich półpoduktu w postaci cienkiej wastwy włókien o szeokości maszyny (unka) lub taśmy, któą fomuje się pzez zagęszczenie unka. Włókna wełniane i chemiczne o podobnych cechach (wełnopodobne) pzeabia się na zgzeblakach wałkowych, któej schemat technologiczny pzedstawia ysunek 1. Bębny (główny i zbieacz) i wałki obocze (zgzebniki i zwotniki) mają na swoich powiezchniach zęby tzw. dutu piłowego (ys.3) lub igły obicia zgzeblącego, któe nawija się zwój obok zwoju z odpowiednim naciągiem. Podawane pzez wałki zasilające i szapak (piewsza zgzeblaka) lub bęben pzenoszący (kolejne zgzeblaki) włókna są pzejmowane pzez zęby bębna głównego i niesione do kolejnych pa wałków oboczozwotnych (zgzebnik/zwotnik). Dzięki dużej óżnicy pędkości obwodowych bębna v b i zgzebnika v zg ( vb vzg pzeczesują i postują niesione włókna. ) i bliskiej odległości między nimi, ich zęby ozdzielają, 1

2 Rys.1 Schemat technologiczny zgzeblaki wałkowej Zwotnik, któego pędkość obwodowa vzw jest większa niż zgzebnika ( v zw > v zg ), zawaca część włókien do powtónego pzeobu. Poces powtaza się między bębnem a kolejnymi paami wałków oboczo-zwotnych, pzy czym odległość między bębnem głównym a kolejnymi zgzebnikami zmniejsza się. Na koniec, szybko obacający się wałek latawiec ( v l > v b ) z długimi zgiętymi igłami, podnosi włókna ponad zęby bębna, któy niesie je dalej i zagęszcza na zębach wolno obacającego się zbieacza ( v zb ), ponieważ v b v zb. Jeśli zgzeblaka jest ostatnią maszyną w ciągu, dgająca listwa (gzebień) sczesuje i zagęszcza włókna po zgzebleniu, fomując z nich unko. Jakość zgzeblenia w dużej mieze zależy od wysokości i kształtu szczeliny między bębnem głównym a zgzebnikami oaz między bębnem głównym a zbieaczem. Pzy pzeobie cienkich włókien wysokość szczeliny wynosi od 0,3 do 0,15 mm, a z uwagi na pożądaną ównomieność unka jej kształt powinien być zbliżony do postokąta. Pzy czym z uwagi na twałość zębów dutu piłowego (twadość zęba maleje od wiezchołka do podstawy), nie należy szlifować bębna po nawinięciu dutu. Wato dodać, że we włókiennictwie coaz szezej wykozystuje się włókna supe cienkie (miko włókna), któych zgzeblenie wymaga jeszcze mniejszych niż podano wyżej odległości między wałkami oboczymi a bębnem i między bębnem a zbieaczem. Bęben powinien być tak zapojektowany, aby po nawinięciu nań dutu piłowego z naciągiem, ugięcie jego powłoki nie pzekaczało kilku setnych części milimeta. Zważywszy na jego wymiay (śednica długość: bęben główny 1500mm 2500mm, 2

3 zbieacz 1270mm 2500mm ) oaz gubość ścianki zwykle od 10 do 14mm, są to badzo wysokie wymagania dotyczące sztywności konstukcji. Bębny współczesnych zgzeblaek wałkowych to niemal wyłącznie konstukcje spawane (ys.2). Składają się z powłoki zwijanej z akusza blachy zespawanego wzdłuż kawędzi, dennic usztywnionych żebami, wału oaz pieścieni wzmacniających. Tego typu konstukcje stosują wiodący poducenci zgzeblaek, a poszczególne ozwiązania óżnią się konstukcją dennic i pieścieni wzmacniających. Rys.2 Schemat konstukcji bębna 2. OBCIĄŻENIA DZIAŁAJĄCE NA BĘBEN GŁÓWNY ZGRZEBLARKI Siły działające na bęben wynikają z: - oddziaływania włókien na zęby obicia podczas zgzeblenia; siły te są niewielkie [2] i pzy obliczaniu ugięcia powłoki bębna są pomijane, - ciężau własnego konstukcji i siły odśodkowej; ich wpływ na ugięcie bębna także można zaniedbać z uwagi na małe pędkości obotowe bębna (ok ob/min) [4]. - nawinięcia z naciągiem dutu piłowego obicia. Nawinięcie z naciągiem S i podziałką nawinięcia t dutu piłowego na bęben o pomieniu R (ys.3) wywołuje nacisk na powłokę bębna skieowany pomieniowo do wewnątz o watości: S (1) p = tr 3

4 Rys.3 Oddziaływanie sił naciągu dutu piłowego na bęben Jak wykazano w pacy [5], uwzględnienie w obliczeniach ugięcia powłoki bębna tylko nacisku pomieniowego p nie daje wystaczającej zgodności wyników obliczeń z pomiaami ekspeymentalnymi. Podczas nawijania dutu piłowego z naciągiem S zwoje dociskane są do siebie siłą F działającą w kieunku osi bębna i do tzw. dutu skajnego będącego pieścieniem opoowym. Po nawinięciu wszystkich zwojów ostatni zwój opiea się o dut skajny po pzeciwnej stonie bębna. Można powiedzieć, że powłoka bębna zostaje owinięta folią z dutu piłowego, któa jest wstępnie spężona i działa na bęben w kieunku pomieniowym naciskiem p oaz w kieunku osiowym siłą powiezchniową p będącą skutkiem esztkowych sił tacia między dutem piłowym a powłoką bębna. Watość siły powiezchniowej p wyaża wzó: (2) p = µ p, gdzie: µ - współczynnik tacia spoczynkowego miedzy stopką dutu piłowego a powiezchnią bębna. Autozy pacy [6] wykazali, że uwzględnienie w obliczeniach ugięcia powłoki bębna zaówno nacisku p jak i siły powiezchniowej p daje wystaczającą zgodność wyników obliczeń z pomiaami ekspeymentalnymi. 3. REKONSTRUKCJA DENNICY BĘBNA Analiza linii ugięcia powłoki bębna z dennicami postymi (po.ys.2) o optymalnej gubości z pieścieniami wzmacniającymi o optymalnych wymiaach [3] powadzi do wniosku, iż zmniejszanie amplitudy ugięcia wymaga zastosowania specjalnej konstukcji dennic spawanych z blach (ys.4), któe byłyby podatne w kieunku pomieniowym i osiowym, a pzy tym zapewniałyby wymaganą sztywność całego bębna zaówno podczas pacy jak i podczas jego wykonywania (szlifowanie powiezchni pzed nawinięciem dutu piłowego ścienicą taczową). 4

5 Rys.4 Zmieniona konstukcja dennicy z pieścieniem stożkowym 4. MODEL DYSKRETNY BĘBNA Dla wyznaczenia najlepszej postaci konstukcyjnej bębna opacowano modele MES dla konstukcji z dennicą płaską i dennicą z pieścieniem stożkowym oaz sfomułowano i ozwiązano odpowiednie zadanie analizy statycznej. Dysketny model obliczeniowy bębna (ys.5a), z dennicą płaską (po. ys.2), wykonano w pakiecie ANSYS [1], wykozystując elementy Shell 63 (powłoka i dennica ze wzmocnieniami) oaz Beam 188 (pieścienie i wał). Element Shell 63 jest czteowęzłowym elementem powłokowym posiadającym w każdym węźle sześć stopni swobody tzy tanslacje i tzy otacje, któy uwzględnia stan błonowy z zgięciowy powłoki. Beam 188 to dwuwęzłowy element belkowy, któy spełnia założenia teoii belek Timoshenki. Podczas dysketyzacji wału zadbano o to, aby węzły wypadały w miejscach, w któych znajdują się wahliwe łożyska toczne wspieające bęben. W tych węzłach zastosowano podpoę pzegubową niepzesuwną po stonie pawej (stona, po któej umieszczona jest pzekładnia pasowa napędzająca bęben) oaz podpoę pzegubową pzesuwną po stonie lewej. Ponieważ w zeczywistej konstukcji obwód dennicy jest w twały sposób połączony z powłoką, węzły powłoki leżące w płaszczyźnie dennicy oaz sąsiednie po lewej i pawej stonie powiązano ze sobą za pomocą ównań więzów (coupling) zapewniając im zgodność watości węzłowych (pzemieszczeń i otacji). Do powłoki bębna pzyłożono osiowosymetyczny, pomieniowy nacisk powiezchniowy p oaz nacisk p działający w kieunku osi bębna (ys.5b). Watości nacisków pzyjęto na podstawie [6] ówne p = 220kPa oaz p = 33kPa. Całość analiz wykonano wykozystując pliki wsadowe do pogamu ANSYS. Używając języka poleceń pakietu (Ansys Paametic Design Language) zapisano paametyczny model MES analizowanej konstukcji waz ze sfomułowaniem zadania optymalizacji. Wato podkeślić, że tak pzygotowany plik wsadowy pozwala na szybka analizę konstukcji bębnów dla óżnych szeokości oboczych i óżnych postaci konstukcyjnych (np. z dowolną liczbą pieścieni wzmacniających). 5

6 a) b) Rys.5 Model dysketny bębna: a) model MES-fagment, b) schemat obciążeń Modele dysketne dla bębnów z dennicami z pieścieniem stożkowym opacowano w podobny sposób. 5. WYNIKI OBLICZEŃ W wyniku analizy modelu dysketnego bębna z dennicami płaskimi otzymano wykes linii ugięcia pzedstawiony na ysunku 6. Watość amplitudy ugięcia wynosi 36µ m. [µm] Rys.6 Schemat bębna i linia ugięcia powłoki bębna z dennica płaską Dla zbadania wpływu postaci konstukcyjnej dennicy na watość amplitudy ugięcia wykonano szeeg testów numeycznych dla óżnych konfiguacji konstukcji bębna. Dwie, najbadziej inteesujące z punktu widzenia celów niniejszej pacy, pzedstawiono poniżej. 6

7 W pzypadku konfiguacji I (ys.7) można było pzypuszczać, że dennice, uginając się pod działaniem nacisku p, spowodują ozpostowanie powłoki i znacząca popawę istniejącego stanu zeczy. Rzeczywiście, amplituda ugięcia zmalała do 25µ m. Rys.7 Schemat bębna i linia ugięcia powłoki bębna dla konfiguacji I Analizując wykes linii ugięcia z ys.7 można dostzec, że po pawej stonie amplituda ugięcia zmniejszyła się znacząco. Bazując na tej obsewacji zmodyfikowano dysketny model obliczeniowy tak, aby odpowiadał konfiguacji II z ys.8. Wtedy amplituda ugięcia powłoki wynosi 8µ m. Rys.8 Schemat bębna i linia ugięcia powłoki bębna dla konfiguacji II 7

8 6. PODSUMOWANIE W atykule opisano pace ozwojowe zmiezające do popawienia sztywności konstukcji osiowosymetycznej, cienkościennej powłoki walcowej z dennicami i pieścieniami wewnętznymi pod działaniem osiowosymetycznego nacisku pomieniowego oaz nacisku działającego wzdłuż osi powłoki. Tego typu konstukcje znajdują zastosowanie między innymi w maszynach włókienniczych zgzeblakach. Celem pac było zmniejszenie ugięcia powłoki bębna bez istotnego zwiększania masy a szczególnie masowego momentu bezwładności względem osi obotu. Wszelkie symulacje numeyczne wykonano na modelach dysketnych opacowanych z wykozystaniem metody elementów skończonych. Analizując wyniki dotychczasowych pac zapoponowano ulepszoną konstukcję dennic z pieścieniem stożkowym (ys.4), dla któych wyznaczono najlepsze ułożenie w bębnie (ys.8) uzyskując zmniejszenie amplitudy ugięcia powłoki bębna z 36 µm (ys.6) do 8 µm (ys.8), czyli o ok. 71%. Dla takiej postaci konstukcyjnej bębna można paktycznie wyeliminować wpływ nacisku osiowego p na ugięcie jego powłoki (znika efekt paczenia powłoki). Zważywszy na cel powadzonych pac, można stwiedzić, że zapoponowana postać konstukcyjna bębna o optymalnych z uwagi na kyteium minimalnej amplitudy ugięcia, wymiaach, zapewnia sztywność bębna odpowiednią dla zgzeblenia włókien badzo cienkich, w tym mikowłókien. Liteatua: [1] Ansys Help SYSTEM, 2008, [2] Jackowski T., Chylewska B., Pzędzalnictwo, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej 1999, [3] Danielczyk P., Optymalizacja wymiaów konstukcji powłokowej z wykozystaniem MES, Mechanik 2011, n 7, [4] Stadnicki J., Optimal Design of the Cylindical Shell of a Cad Machine, Tetile Reseach Jounal 1997, vol.67, no.1, [5] Stadnicki J., Wóbel I., Pactical Engineeing Calculation fo Woking Cylindes of Cading Machines, Tetile Reseach Jounal 2003, vol. 73 no. 6, [6] Wóbel I.: Wpływ wybanych czynników konstukcyjno-technologicznych na ugięcie powłoki bębna oboczego zgzeblaki: paca doktoska, ATH Bielsko-Biała,