Повышение эффективности джинирования по качественным показателям волокна путем отделочной обработки зубьев пил новым абразивным материалом

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты абразивоструйной обработки зубьев джинных пил, позволившего за счет высокой режущей способности новых абразивных частиц- купершлака обеспечить оптимальную переходную поверхность с радиусом округления, обеспечивающим сохранность природных свойств хлопкового волокна.

ABSTRACT

The article presents the results of abrasive blasting of teeth of genie saws, which, due to the high cutting ability of new abrasive particles - copper slag, provide an optimal transition surface with a rounding radius that ensures the preservation of the natural properties of cotton fiber.

Ключевые слова: абразивоструйная обработка, джинная пила, пескоструйный аппарат, давление, угол атаки, радиус округления, качество волокна.

Keywords: abrasive blasting, genie saw, sandblasting machine, pressure, angle of attack, rounding radius, fiber quality.

Джины, являясь основной технологической машиной поточной линии джинирования при первичной обработке хлопка, несут главную ответственность за формирование качественных показателей хлопкового волокна, которые определяются его природными свойствами и технологическими условиями джинирования. В спектр технологических требований при джинировании хлопка входят: полный съем волокна с семян при воздействии на него рабочего органа и при этом не должны образовываться пороки волокна и поврежденности семян; исключение попадания летучек хлопка в массу семян, выходящих из джина; высокий очистительной эффект джина по сорным примесям и улюку [6]. Засоренность волокна и пороки джинирования (кожица с волокном и пухом, рваные волокна, узелки, жгутики, битые семена) существенно снижают качество вырабатываемой пряжи и тем самым отрицательно влияют на процесс прядения, делая его трудоемким и некачественным.

Все технологические процессы и переходы при первичной обработке хлопка должны быть строго увязаны с задачей максимального сохранения природных свойств волокна, определяющих ценность его как текстильного сырья и характеризующихся многими параметрами  [3]: длина (верхняя средняя, штапельная, средняя), показатель микронейр (тонина и зрелость), трэш код, удельная разрывная нагрузка, удлинение при разрыве, степень желтизны и др. Качество вырабатываемой пряжи в большой степени зависит от свойств и вида сырья. При этом 60-90% себестоимости пряжи составляет стоимость сырья [5]. Важнейшими среди приведенных выше характеристик хлопкового волокна для производства пряжи являются верхняя средняя длина (UHML), мм; удельная разрывная нагрузка (Str), сН/текс; удлинение при разрыве (Elg), %. Эти характеристики непосредственно влияют на прядильную способность волокна, определяемую получением пряжи с минимально возможной линейной плотностью для данного волокна при нормальном состоянии прядильной машины.

Все джинные и линтерные пилы после снятия фасок подвергают отделочной операции – обработке в песочной ванне абразивным материалом в свободном состоянии. Данная обработка предназначена для удаления заусенцев и неровностей на рабочих поверхностях зубьев. В качестве абразивного материала применяют кварцевый речной (800…2600 мкм) или карьерный песок (1250…3500 мкм), а также измельченная стружка из чугуна [7,9]. К сожалению, применяющаяся на хлопкозаводах отделочная операция в виде обработки в песочной ванне пильных дисков в составе пильного цилиндра не дает удовлетворительных результатов в связи с возросшими требованиями к качеству волокна и низкими режущими свойствами кварцевого песка по сравнению с другими абразивными материалами. Некоторое улучшение микропрофиля зуба за счет увеличения радиуса скругления переходных поверхностей было достигнуто применением в качестве абразивного материала карбида кремния [9].

Нами предлагается другая книматическая схема отделочной обработки зубьев джинных пил. Так, вместо традиционного вращения пильного цилиндра в песочной ванне и контакта с неподвижной массой абразивных частиц (песок, карбид кремния) предложена схема обработки, когда на неподвиженый пильный диск будет направлен регулируемый поток абразивных частиц, т.е. осуществлена абразивоструйная обработка с помощью специальных абразивоструйных камер [2].

Рисунок 1. Абразивоструйный аппарат для поверхностной обработки металлических изделий

Для абразивоструйной обработки деталей применяют не только камеры промышленного производства но и камеры заводского изготовления подобного напорного типа (рис. 1). Следует отметить, что на технологию абразивоструйной обработки оказывает влияние вид абразивного материала, его форма и размеры, а также его физико- механические свойства (твердость, динамическая прочность, абразивная способность). Интенсивность абразивоструйной обработки и качество обрабатываемой поверхности сильно зависят от давления сжатого воздуха р (атм), угла атаки абразивных частиц α  (град) и времени обработки t (мин).

Обработка боковых граней зубьев джинных пил направленным потоком абразивных частиц совпадает со схемой дробеструйной обработки [8], когда можно регулировать в широком диапазоне кинетическую энергию ударяющихся частиц. Данное регулирование состоит в изменении кинетической энергии ∆W  абразивных частиц за счет изменения массы m (размера) и скорости частиц V:

где m₀, V₀, W₀ – соответственно первоначальная масса, скорость и кинетическая энергия абразивной частицы;

m, V, W – соответственно измененная масса, скорость и кинетическая энергия абразивной частицы.

Варьирование скорости потока абразивных частиц осуществляется изменением давления сжатого воздуха р. Широкие возможности регулирования процессом абразивоструйной обработки определяются также изменением угла атаки α частиц. Так, даже при постоянном значении массы m и скорости V  частиц в зависимости от угла атаки α происходит изменение соотношения между начальной (полной) кинетической энергией и энергией, действующей на контактный поверхностный слой и вызывающей упругопластическую деформацию металла, доводя его до разрушения в виде микрорезания. Кроме возможности эффективного регулирования процессом абразивоструйной обработки с позиции формирования требуемого состояния рабочих поверхностей деталей, другим важным технологическим преимуществом является то, что имеется возможность обработки труднодоступных участков деталей, отличающихся к тому же малой жесткостью и сложной конфигурацией. Именно таким участком является впадина зубьев пильных дисков и линтеров.

Экспериментальные исследования по абразивоструйной обработке зубьев джинных пил для создания рационального профиля их переходных поверхностей, обеспечивающих максимальное сохранение природных свойств хлопковых волокон, были проведены на пескоструйном аппарате (рис. 1), установленным и эксплуатирующимся в механическом цехе Ташкентского механического завода (бывшее ТАПОиЧ). Данное оборудование по принципу действия не отличается от промышленных установок и определяется аналогичными техническими характеристиками: габариты рабочей зоны; рабочее давление р=2…4 атм (0,2…0,4 МПа); расход сжатого воздуха – 0,6…1,5 м³/мин; производительность – 5…20 м²/час.

В качестве абразивного материала был использован новый искусственный материал – купершлак, состоящий из следующих компонентов: FeO – 40…50%; SiO₂ – 25…35%; MgO –не менее 5%; CuO -6…10%. Его физико – механические свойства: насыпная масса – 1,7 г/см³; основной размер гранул (0,8…2,5 мм) – 83,5%; твердость по шкале Mooca – не менее 6,0; абразивная способность – 0,44. Абразивная способность характеризуется отношением массы снятого (диспергированного) материала к массе абразивного (шлифовального) при заданных условиях их взаимодействия. Абразивная способность у самого твердого материала в природе – природных и синтетических алмазов принята за единицу. Следует отметить некоторую условность оценок абразивной способности различных абразивов, так как в действительности режущие способности абразивных инструментов в большой степени определяются физико – механическими свойствами обрабатываемых материалов и составом инструмента.

Сравнивая абразивную способность купершлака с распространенными абразивными материалами [1], можно заключить, что у данного материала абразивная способность в несколько раз выше, чем у природных (корунд, наждак, грант, кремень) и искусственных абразивных материалов (электрокорунд). Абразивная способность купершлака мало отличается от таковой для карбида кремния (зеленый – 0,45; черный – 0,40). Таким образом, сравнительно высокая твердость и абразивная способность купершлака являются основой для процесса микрорезания при абразивоструйной обработке рабочих поверхностей деталей машин.

Задачей абразивоструйной обработки боковых граней зубьев джинных пил было удаление микрорезанием вершины заусенцев, образовавшихся после снятия фасок шлифованием и формирование переходных поверхностей на границе передней поверхности зуба с двумя боковыми гранями с радиусом скругления в пределах 0,1…0,15 мм.

Рисунок 2. Схема контактного взаимодействия при ударе абразивной частицы и разложение силы удара Р_уд. А – зона упругопластических деформаций; В – зона микрорезания (“пропахивания”).

На рис. 2 показана схема контактного взаимодействия и система сил, возникающих при ударе абразивной частицы по поверхности металла. Необходимым условием для внедрения абразива в металлическую поверхность на глубину h является превышение твердости и прочности частицы над обрабатываемым металлом, а достаточным условием – необходимый уровень режимных параметров обработки (скорость частиц, давление сжатого воздуха, угол атаки). Первый этап контактного взаимодействия характеризуется внедрением абразива на глубину h  тонкого поверхностного слоя металла под действием радиальной составляющей Р_у  силы удара Р_уд и сопровождается формированием упругопластической зоны А вокруг пластического отпечатка. На следующим этапе абразивная частиц, внедрившись на определенную глубину h, совершает поступательное движение под действием тангенциальной составляющей P_z  силы удара Р_уд. При этом образуется поверхность изнашивания (царапания), являющаяся результатом проявления комплекса взаимосвязанных процессов: упругое оттеснение, пластическое деформирование, микрорезание. Таким образом, общим в процессах внедрения и царапания (микрорезания) абразивного зерна по отношению к пластичному металлу является вызываемая этими процессами пластическая деформация металла.

Так как отделка зубьев джинных пил в потоке абразивных частиц из купершлака предусматривает равномерное удаление острой вершины заусенцев по всей длине передней и задней поверхностям, включая и труднодоступные места во впадине зуба, то необходимо обеспечить режимом обработки достаточную глубину внедрения индентори h  за счет давления сжатого воздуха р и угла атаки α. Как показали эксперименты, давление воздуха в пределах 3…4 атм создает необходимый уровень кинетической энергии абразивных частиц для осуществления микрорезания (царапания). Угол атаки принят равным 45⁰, при котором достигается максимальный съем металла в виде микростружки, что соответствует данным экспериментальных исследований [4] по изнашиванию нормализованной углеродистой инструментальной стали У7 в воздушно-абразивном потоке.

В результате абразивоструйной обработки боковых граней зубьев джинных пил получены рациональные формы их переходных поверхностей с радиусом скругления r=0,14…0,20 мм,  измеренным на специальных микрошлифах с показом поперечного сечения зуба. Радиус переходной поверхности на локальном участке зуба по высоте фиксировали с помощью отсчетного микроскопа МПБ-2 со специальной насадкой (радиусной головкой), где четко видны радиусы – шаблоны и к которым подводится измеряемая переходная поверхность. За результат измерения берется визуальная оценка при максимальном совпадении двух профилей.

Для проверки эффективности абразивоструйной обработки зубьев пильных дисков новым абразивным материалом – купершлаком по качественным показателям волокна были проведены производственные испытания в условиях хлопкоочистительного завода “Узбекистан” Ташкентской области. Экспериментальные и заводские пилы были установлены на 90-пильных джинах 7ДП, работавщих в одинаковых условях при переработке хлопка-сырца урожая 2019 года, селекции “Султон”, первого сорта ручного сбора, засоренностью 2,6% и влажностью 9,1%.

В таблице 1. представлены результаты исследований качественных показателей волокна, проведенных в лаборатории АО “Пахтасаноат илмий маркази” с помощью измерительной системы испытаний хлопкового волокна высокой производительности HVI (High Volume Instrument). Пробы волокна отбирались одновременно с двух джинов. Первый джин был укомплектован пильными дисками, зубья которых были подвергнуты традиционной обработке в песочной ванне (заводская технология). На втором джине были установлены 45 пильных дисков с обработанными зубьями в потоке абразивных частиц размером 0,8…1,1мм под давлением 3…4 атм, остальные 45 пил кроме обработки в потоке абразивных частиц прошли обработку в песочной ванне.

Таблица 1

Сравнительные данные по некоторым стандартным параметрам качества хлопкового волокна после джинирования

Как следует из таблице 1 основные параметры качества волокна (верхняя средняя длина; удельная разрывная нагрузка; удлинение при разрыве), определяющие прядильные свойства и качество вырабатываемой пряжи, полученные после джинирования пильными дисками с зубьями, обработанными потоком абразивных частиц, превосходят таковых после джинирования заводскими пилами. Так, верхняя средняя длина волокна больше на 1,1 мм, удельная разрывная нагрузка – на 0,55 сН/текс, а удлинение при разрыве – на 5,3%. Некоторое превосходство имеется и по другим качественным показателям: средняя длина, индекс коротких волокон.

Экспериментальными исследованиями установлено, что волокна, полученные после джинирования заводскими пилами имеют часто встречающиеся механические повреждения в виде характерных надрезов волокна (рис. 3).

Рисунок 3. Характерные надрезы волокон при джинировании пильными дисками, обработанными в песочной ванне, х100

Данный дефект волокна снижает прочность на разрыв и инициирует разрушение волокна, что приводит как к увеличению доли коротких волокон, так и уменьшению верхней средней длины волокна. Качество волокон, полученных джинированием пильными дисками с абразивоструйной обработкой зубьев, значительно выше (рис. 4) и надрезы волокон практически отсутствуют.

Рисунок 4. Волокна, полученные при джинировании пильными дисками, обработанными потоком абразивных частиц из купершлака, х100.

Таким образом, в результате абразивоструйной обработки частицами из нового абразивного материала – купершлака зубьев пильных дисков для джинов значительно улучшилось состояние хлопковых волокон с максимальным сохранением их природных свойств. Среди последних наиболее важным является прочность волокон, так как она непосредственно влияет на процесс прядения, происходящая при определенных силовых нагрузках и скоростных режимах. Уменьшение прочности волокон происходит из-за механических повреждений в виде надрезов, резко уменьшающих площадь сечения и сопротивление действию растягивающих напряжений, а потому увеличивающих обрывность нитей при получении пряжи и количество коротких волокон, не пригодных для прядения. Обработка зубьев пил потоком абразивных частиц с высоким режущим свойством создает благоприятный микропрофиль переходных поверхностей.

Список литературы:

1. Абразивная и алмазная обработка материалов. / Под ред. А.Н. Резникова. – М. : Машиностроение, 1977. – 391 с.
2. Абразивоструйная камера Contracor CAB-110S/CAB-1335 http://pm-komplekt.ru /catalog/ abrozivostruynye – kamery / abrazivost – ruynaga – kamera – contractor – cab 110S-cab-135S/.
3. Волокно хлопковое.  O‘z Dst 604:2016. - Введ. 2016-23-08.- Ташкент: Узстандарт, 2016.- 19 с.
4. Кащеев, В.Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов. –М.: Машиностроение, 1978. – 213 с.
5. Механическая технология текстильных материалов –М.: Легпромбытиздат, 1989.-512 с.
6. Мирошниченко Г.И. Основы проектирования машин первичной обработки хлопка. –М.: Машиностроение, 1972. -486 с.
7. Первичная переработка хлопка. / Под общ. ред. Э.З. Зикриёева. – Ташкент: Мехнат, 1999. – 398 с.
8. Шин И.Г. Технологические методы обеспечения качества и прогнозирования долговечности деталей машин первичной обработки хлопка.: Автореф. дис…докт.техн.наук. – Ташкент: ТИТЛП, 2014.-90с.
9. Ширяев В.В. Исследование микрогеометрии зубьев джинных пил // Реф.сб. Хлопковая промышленность. – Ташкент, 1982.- №6. – С.13-14.