Исследование аэродинамических характеристик воздушного потока в питающем канале модернизированной пневмомеханической прядильной машины

На кафедре ПНХВ разработан технологический процесс получения комбинированных нитей на модернизированной пневмомеханической прядильной машине. Данная технология позволяет получать комбинированные нити различного сырьевого состава и назначения.

Одним из видов нитей, получаемых по данному способу, являются комбинированные хлопкополиэфирные нити. Эти нити наиболее целесообразно использовать в тканях, предназначенных для изготовления военной формы с повышенными прочностными характеристиками.

Для обеспечения работы модернизированной пневмомеханической прядильной машины необходимо, чтобы комплексная нить заправлялась при любых параметрах технологического процесса.

На рисунке 1 представлен разрез корпуса модернизированного прядильного устройства для получения комбинированных пневмомеханических нитей. В прядильной камере 10 формируется комбинированная пневмомеханическая нить 2, состоящая из комплексной полиэфирной нити 13 и обкручивающей ее выпрядаемой мычки 6.

Питающая трубка 8 для подачи комплексной нити 13, входит в прядильную камеру через полый канал 9, выполненный по оси ротора 11 (рисунок 1). В результате возникает воздушный поток, направленный по трубке из атмосферы в зону формирования пряжи. Этот поток позволяет осуществить подачу комплексной нити в зону формирования, т.е. необходим для заправки машины. Для формирования качественной нити на машине должны соблюдаться аэродинамические условия внутри прядильной камеры. Прядильная камера пневмомеханической машины ППМ-120 АМ является формирующее-крутильным органом типа «активный вентилятор», в которой необходимое разрежение создается самой прядильной камерой. Аэродинамическое состояние в такой камере характеризуется наличием и взаимодействием двух воздушных потоков. Первый поток, необходимый для транспортировки волокон, создается вращающимся с большой скоростью дискретизирующим барабанчиком. Второй поток образуется вращением в прядильной камере воздушно-волокнистой массы и носит спиралевидный характер с максимальными скоростями возле желоба камеры и минимальными в центре. [1].

Третий поток, попадающий в камеру через питающий канал в трубке для подачи комплексной нити, может нарушить стабильность аэродинамических условий в прядильной камере. Значительное нарушение баланса воздушных потоков приводит к ухудшению сложения дискретных потоков волокон и транспортному вытягиванию при переходе дискретного потока волокон из конфузора в камеру. Процесс сложения происходит менее эффективно, выравнивание волокнистой ленточки ухудшается. Кроме того, нарушение воздушных потоков изменяет вращательное движение пряжи, что снижает крутку и ведет к понижению прочности волокнистой структуры. Поэтому при разработке конструкции прядильного устройства необходимо минимизировать этот отрицательный фактор.

Воздушный поток, протекающий через питающий канал, характеризуется следующими величинами – расходом воздуха, скоростью, разностью давлений на входе и выходе. Данные величины напрямую зависят от диаметра питающей трубки. Необходимо определить характер и основные параметры аэродинамического потока в питающей трубке, и их зависимость от конструктивных и технологических параметров. На основании этих сведений станет возможным определить минимальный диаметр питающего канала, позволяющий производить заправку прядильного устройства при минимальной скорости и расходе воздуха, проходящего через данный канал.

При заправке на подаваемую нить начинают действовать аэродинамическая сила, направленная по оси трубки в сторону движения воздушного потока, и сила трения нити о стенки канала, направленная в противоположную сторону. Очевидно, что при достижении потоком определенной скорости u cуммарная аэродинамическая сила F a начинает сдвигать нить, и равновесие покоя нарушится при условии F а > F тр .

Рисунок 1 – Разрез корпуса модернизированного прядильного устройства пневмомеханической прядильной машины ППМ -120 –АМ: 1 – пряжевыводная трубка; 2 – комплексная нить; 3 – сепаратор; 4- воронка; 5 – транспортирующий канал; 6 – хлопковая мычка; 7 – вентиляторные каналы; 8 – питающая трубка; 9 – питающий канал; 10 – прядильная камера; 11 – вал ротора; 12 – опора; 13 – комплексная нить; 14 – питающая трубка

Сила трения пропорциональна длине нити, находящейся в питающей трубке, и определяется по формуле:

F_mp = kP = kTl /10 5 ,                  (1)

где F тр – сила трения, действующая на нить, Н;

к – коэффициент трения нити о стенки;

P – вес нити, Н;

l – длина участка нити, подаваемого в трубку при заправке, м;

T – линейная плотность нити, г/м3.

Поскольку комплексная нить не имеет ворсистости и имеет относительно равномерный диаметр, возможно с достаточно большой точностью определить аэродинамическую силу F a , действующую на нее.

Согласно исследованиям профессора Павлова Г.Г., формула сопротивления пряжи в трубке воздействию аэродинамического потока имеет вид [1]:

Fa = Cfd п lpU2/2,                  (2)

где F a – аэродинамическая сила, действующая на нить;

C f – коэффициент аэродинамического сопротивления, зависящий от структуры поверхности пряжи;

• d, l – соответственно диаметр и длина участка пряжи в трубке, м;

• ρ – плотность воздуха, г/м³;

• u – скорость воздушного потока, м/с.

Согласно исследованиям профессора Павлова [2]

C f d_n = AT 10 - 3 / u^0.51                             (3)

Коэффициент А зависит от вида и структуры нити, ее ворсистости, и определяется экспериментально.

Подставляя уравнение (3) в уравнение (2), получим:

ATl p u '9 2 - 10 ³

Скорость u т , при которой аэродинамическая сила будет равна силе трения F а = F тр , будет являться скоростью, при которой нить начнет движение по трубке. Эта скорость называется скоростью трогания нити.

Следовательно, скорость трогания будет равна:

u т

< 2F тр

0,67

( AT p l J

0,67

^ 2 kTl 10³

v ATpl10 v

2 K

0,67

I A p 10" J

Как видно из формулы, скорость трогания не зависит от линейной плотности нити, а только от ее вида и структуры поверхности.

Однако, как указывается в работе профессора Павлова А.Г., практически применяют значительно более высокие транспортные скорости воздуха, поскольку в зоне критических скоростей работа системы ненадежна. Рекомендуется принимать транспортную скорость равной u тр = 4u т . [2]

Коэффициент А определялся   экспериментально.   Для комплексных полиэфирных нитей, которые имеют очень гладкую поверхность, А = 0.8*10-3.

Таким образом, окончательно транспортная скорость, при которой будет происходить заправка машины, равна:

и тр

224,5 K P

Транспортная скорость для полиэфирной нити, рассчитанная по данной формуле, равна 16,6 м/с.

Разряжение в прядильной камере 10 (рис. 1) создается вращающимся прядильным ротором 1, который имеет 8 радиальных каналов, выполненных по окружности.

Разрежение по оси камеры, согласно профессору Павлову Г.Г., равно: [2]

p = p Q ² ( R 22 - R 1 ) ,                                (7)

где ρ – плотность воздуха (1,2 кг/м3);

• Ω – частота вращения камеры, мин^-1;

• R 1 , R 2 – расстояния от оси камеры до нижней и верхней границы каналов соответственно;

• μ c – поправочный коэффициент на неучтенные потери давления (μ c = 0.86).

Поскольку питающий канал сообщается с атмосферой, давление на выходе будет равно атмосферному. Давление на входе в прядильную камеру будет равно:

вх

= ^Рвых ^- P 0

Благодаря разнице давлений, по трубке будет перемещаться воздушный поток. В зависимости от числа Рейнольдса, данный поток может быть ламинарным или турбулентным. Для цилиндрического канала число Рейнольдса определяется по известной из газодинамики формуле [3]:

R e = ud / у ,

где d – диаметр питающего канала;

γ – динамическая вязкость воздуха (γ = 14,5*10-6 Па/с).

Если бы канал не имел потерь давления, при создаваемом прядильной камерой разряжении, по нему мог бы протекать воздушный поток с теоретической скоростью:

2 p ₀

P

Действительная скорость будут меньше теоретической из-за потерь напора в сопротивлениях. Эти потери складываются из-за потерь по длине ΔP л , местных сопротивлений на повороты питающей трубки ΔP пов , потерь в наружном входе в питающую трубку ΔP вх . Таким образом, суммарные потери будут равны:

A P = A P + A P + A P

л пов вх

Предположим, что поток в трубке ламинарный. Используя известную методику нахождения потерь в трубопроводах цилиндрического сечения [3], находим:

APл = X P^ + Z8O0 Py + Z Oo PT + Pu 2/2,(12)

d 2180    290

где λ – коэффициент гидравлического трения λ (при ламинарном течении λ = 64/Re);

• ς α – коэффициент местного сопротивления при плавном повороте на угол α.

Za =    + Zkb ,(13)

Re где Aα – коэффициент, при угле поворота 1800 Аα = 350, при 900 Аα = 130;

• ς кв – значение коэффициента местного сопротивления в квадратичной области, при угле поворота 180⁰ кв =0,4, при 90⁰ кв =0,2.

Таким образом, задача заключается в определении такой скорости u 0 движения воздуха в питающем канале, при которой разрежение p 0 в прядильной камере будет равно потерям давления Δp. Эта скорость и будет являтся скоростью потока в питающей трубке. На рисунках 2 и 3 представлены зависимости скорости и значения числа Рейнольдса аэродинамического потока в питающем канале, полученные по приведенной методике, в зависимости от частоты вращения прядильных камер и диаметра питающей трубки. Штриховой линией показаны кривые, полученные экспериментально.

Как видно из рисунка 2, поток в трубке при диаметрах канала от 1 до 1,4 мм практически во всем диапазоне частот вращения роторов будет ламинарным. Равномерный ламинарный поток способствует беспрепятственной заправке машины. При дальнейшем увеличении диаметра канала число Рейнольдса так же будет увеличиваться, и поток станет турбулентным.

Минимальный диаметр канала, обеспечивающий протекание воздушного потока с заданной транспортной скоростью u тр , можно определить из формул (10-19), учитывая, что ΔP = ΔP л + ΔP пов +ΔP вх = P 0 :

d мин

3,69 A_9Oo y

3,69 A„ X ) + 4 U mp ( 3,69A_gl 0 y ) (-P - 3Z,, 90 0 -¹

u

² Ump ("J" — ³Ze 90 0 — 1) u тр

Рабочий диапазон частот вращения для данного вида нитей составляет 3000040000 мин-1, поэтому для обеспечения заправки машины в данном диапазоне диаметр питающего канала должен быть больше 1 мм. Таким образом, при данном диаметре, будет обеспечиваться надежная заправка машины при минимальном отрицательном влиянии дополнительного воздушного потока, попадающего в камеру через питающий канал.

Рисунок 2 – Зависимость скорости воздушного потока в питающем канале от частоты вращения прядильных камер и диаметра канала

о

30000              35000              40000

Частота вращения камер, мин-1

Рисунок 3 – Зависимость значения числа Рейнольдса воздушного потока в питающем канале от частоты вращения прядильных камер и диаметра канала

ВЫВОДЫ

Определен характер и параметры воздушного потока в питающем канале модернизированной пневмомеханичекой прядильной машины ППМ-120-АМ. Определен минимальный диаметр питающего канала для обеспечения стабильной работы машины.