Kompenzace osnovních sil svůrkou

Transkript

1 Teorie tkaní Kompenzace osnovních sil svůrkou M. Bílek 2016

2 Osnovní svůrka Osnovní svůrka plní obecně na tkacím stroji tyto funkce: vedení osnovy do tkací roviny, snímání tahové síly v osnově, kompenzace změn tahových sil v osnově při tvorbě prošlupu a reakce na proces přírazu.

3 Osnovní svůrka Vedení osnovy do tkací roviny Tuto funkci je schopna zajistit nejjednodušší osnovní svůrka, kterou tvoří přiváděcí válec s rotační vazbou na rámu stroje. Poloha přiváděcího válce je zpravidla nastavitelná. V určitých mezích lze nastavit jeho horizontální i vertikální polohu. Horizontální poloha ovlivňuje délku prošlupu, a tím protažení osnovních nití při jeho otevírání. Vertikálním nastavením lze vytvořit mírně zešikmenou tkací rovinu, a tím do určité míry kompenzovat protažení osnovních nití, které při přírazu zůstávají v horní větvi prošlupu na úkor nití jež jsou při přírazu ve tkací rovině. Osnovní svůrka ve formě přiváděcího válce není schopna zajistit snímání tahové síly v osnově, kompenzovat změny tahových sil vyvolané tvorbou prošlupu ani reagovat na proces přírazu.

4 Osnovní svůrka Snímání tahové síly v osnově Pro snímání tahové síly v osnově je používána tzv. volná osnovní svůrka s direkční pružinou. To znamená, že přiváděcí válec osnovní svůrky není upevněn na rámu stroje, ale na jednom z ramen dvojramenné páky. Na druhém rameni páky (R 2 ) je upevněna direkční pružina, která vytváří konstantní silový moment M D. Na prvním rameni (R 1 ) je vytvořen silový moment M Q, jež závisí na hodnotě tahové síly v osnově Q. V případě, že je porušena silová rovnováha na dvojramenné páce (například v důsledku zvýšení tahové síly v osnově), dojde ke změně polohy dvojramenné páky a deformaci tenzometru, jenž je upevněn na jednom z jejích ramen. Výstupní signál z tenzometru U je tedy úměrný tahové síle v osnově. Tento signál je potom využit v rámci zpětnovazebního obvodu osnovního regulátoru

5 Osnovní svůrka Snímání tahové síly v osnově V průběhu vyprazdňování osnovního válu dochází ke změně úhlu δ, a tím i výsledné síly V. Průmět této síly F Q, který určuje příslušný silový moment, je závislý na poloměru návinu osnovy r V a dochází k jeho změnám při vyprazdňování osnovního válu. Tyto změny je nutné vhodným způsobem kompenzovat tak, aby v průběhu vyprazdňování osnovního válu nedocházelo ke změnám tahové síly Q. Tento problém odstraňuje dvouválečková osnovní svůrka.

6 V průběhu tkacího cyklu generují pracovní členy mechanismů stroje svým pohybem v nitích síly, potřebné pro formování tkaniny. Pro vytvoření těchto sil však uplatní jen část své zdvihové funkce (typický příklad je přírazný pulz, jehož amplituda je menší než 5% z celkového zdvihu bidlenu). Zdvihové funkce přírazového a prošlupního mechanismu jsou projektovány tak, aby zabezpečily prostor pro zanášení útku. V průběhu vytváření prošlupu se tedy v osnovních nitích budí síly, které nejsou pro formování tkaniny bezprostředně využity. Při použití většího počtu tkacích listů jsou osnovní nitě, navedené v listech s největším zdvihem, namáhány tak, že hrozí nebezpečí poškození i destrukce nitě. Navíc diference ve zdvihu tkacích listů způsobují rozdíly v protažení a síle působící v osnovních nitích. Tato skutečnost má negativní vliv na kvalitu vazných bodů a tkaniny. Dalším zdrojem nežádoucích sil v osnovních nitích je dvojzdvižný prošlupní systém. Pokud určitý list zůstává při přírazu ve své úvrati, je síla v příslušných nitích zvětšena jak v důsledku jejich protažení vlivem polohy listu tak i přírazného pulzu. Tyto síly je nutné v průběhu tkacího cyklu udržet na úrovni, která zajistí nízké opotřebení a přetrhovost osnovních nití. Prostředkem pro eliminaci nežádoucích sil jsou obvykle pohyblivé kompenzační členy, z nichž nejznámější je osnovní svůrka.

7 Prvoplánovou funkcí svůrky je kompenzace sil v osnovních nitích, vyvolaných prošlupními změnami v intervalu tkacího cyklu. Další funkcí svůrky je ovlivnění velikosti přírazného pulzu. Svou polohou může zajistit potřebné navýšení síly v niti v intervalu přírazného pulzu. S výhodou (ale ne precizně) plní svůrka roli snímače osnovních sil a je členem regulované soustavy tkanina osnova. Tuto roli plní v rámci tkacího procesu, nikoli cyklu. Na obrázku je znázorněn typický tvar pulzů a průběh sil v osnovních nitích. Poměr amplitud přírazného a prošlupního pulzu může být odlišný. Amplituda přírazného pulzu závisí na tkacím odporu, amplituda prošlupního na zdvihu tkacího listu a tuhosti nitě. Modrou linií je vyznačen průběh sil bez kompenzace prošlupních změn, černou linií příklad kompenzace volnou svůrkou.

8 V rámci tkacího cyklu se uplatní budící signál pohybu přírazného a prošlupního mechanismu, ve tkacím procesu signál pohybu systému osnova tkanina, který je ale předmětem regulačního procesu. Všechny budící signály jsou proměnné v čase, mají tedy dynamický charakter. Abychom mohli lépe pochopit působení těchto signálů a sledovat odezvu v nitích, je užitečné nahradit tyto signály standardním tvarem s náhradní kruhovou frekvencí. Standardní tvar přírazného pulzu můžeme nahradit polovinou sinusovky s amplitudou Y: kde ω P je náhradní kruhová frekvence, která je určena vztahem: Symbol T P v rovnici představuje časový interval přírazu, T C je interval tkacího cyklu a ψ je poměr těchto časových intervalů: ψ = T P / T C.

9 Uvážíme-li, že poměr šířky přírazného pulzu a tkacího cyklu je cca 0,125 až 0,167, bude náhradní kruhová frekvence signálu přírazu šestkrát až osmkrát vyšší, než pracovní frekvence stroje. Z těchto úvah vyplývá, že je žádoucí využít co možná největší amplitudy přírazného pulzu k překonání tkacího odporu a nekompenzovat ji pohybem svůrky. Povšimněme si, že náhradní frekvence přírazného pulzu je mnohem vyšší než stroje a vlastní frekvence svůrky naopak mnohem nižší. Z hlediska velkých hmot svůrky a velkých hodnot zrychlení je každý pokus o řízenou korekci amplitudy přírazného pulzu, ať pohybem pružně uložené svůrky, nebo svůrky s nuceným pohonem, málo reálný. Svůrka by v intervalu přírazného pulzu měla zůstat v zadní poloze a nesnižovat amplitudu přírazného pulzu. Symbol T P v rovnici představuje časový interval přírazu, T C je interval tkacího cyklu a ψ je poměr těchto časových intervalů: ψ = T P / T C.

10 Standardní tvar prošlupního signálu je možné vyjádřit rovněž polovinou sinusovky s amplitudou Z: kde ω P je náhradní kruhová frekvence, která je v případě plátnové vazby určena vztahem: Amplitudu tohoto pulzu můžeme vypočítat z geometrických rozměrů prošlupu a tuhosti nití. Náhradní kruhová frekvence bude poloviční, než frekvence stroje. Zvýšení sil, ke kterému dochází v rozevřeném prošlupu, nelze pro formování tkaniny využít, neboť útek je teprve prohazován a jeho příraz probíhá až při zavřeném prošlupu. V úvratích, zejména u listů s velkým zdvihem, je proto vhodné nadbytečné hodnoty sil kompenzovat pohybem svůrky. Z hlediska frekvence stroje i vlastní frekvence svůrky je kompenzace prošlupních změn úloha mnohem reálnější, než u přírazu. Svůrka by měla s minimálním fázovým zpožděním zaujmout při maximálně otevřeném prošlupu přední polohu a snižovat prodloužení a sílu v nitích.

11 Standardní tvar pulzu regulačního procesu je ovlivněn jak malou amplitudou budícího pohybu (posuv o jednu rozteč útku během tkacího cyklu), tak nároky na náhradní frekvenci respektive rychlost regulačních zásahů, ovlivněnou vysokými hmotami a momenty setrvačnosti osnovních a zbožových válů. Tento budící signál proto není nutné v rámci tkacího cyklu kompenzovat a s funkcí svůrky je spojen jen v rámci regulované soustavy.

12 Textilně technologické vlastnosti svůrky Kompenzace sil vybuzených v osnovních nitích na tkacích strojích, vybavených dvojzdvižným prošlupem a jedinou řízenou svůrkou, je vyhovující pouze pro plátnovou vazbu. Žádná svůrka nemůže zaujmout polohu, v níž by snížila sílu v nitích setrvávajících v daném tkacím cyklu v úvrati a zároveň zvýšila sílu v nitích provazujících ve tkací rovině. Svůrka tedy zaujímá kompromisní polohu. Buď má přednost zajištění přírazné síly a dochází k přepínání osnovních nití v úvratích se všemi negativními důsledky na kvalitu tkaniny, nebo naopak. Tkalcovská praxe se s tímto kompromisem spokojuje, je vyrovnáván dvojnásobnou rychlostí dvojzdvižných systémů a zaplacen vyšší produkcí. Svou roli určitě hraje skutečnost, že tkaniny s nejvyšším tkacím odporem, resp. příraznou silou mají obvykle plátnovou vazbu a pro tyto tkaniny kompenzace vyhovuje. Tkaniny s menším počtem vazných bodů a s nižším tkacím odporem se spokojí s méně dokonalou kompenzací. Rovněž otáčky stroje bývají nižší a snižují nároky na vlastní frekvenci svůrky. Další příznivou skutečností je minimalizace rozměrů zanašečů a snížení úhlu rozevření prošlupu a neustálé zvyšování kvality nití (pevnosti a odolnosti v oděru).

13 Mechanické vlastnosti svůrky K textilně-technologickým omezením kompenzačních schopností svůrky je nutno připojit i mechanické (statické a dynamické) vlastnosti svůrky, které též nepříznivě ovlivňují její funkci. Na mnohých tkacích strojích s relativně vysokou pracovní frekvencí se stále používají volné svůrky, tzn. výkyvně uložené na rameni a pružinou spojené s rámem. Jejich pohyb, vybuzený změnami sil v osnovních nitích při vytváření prošlupu a příraznou silou při tvorbě vazných bodů a tím i kompenzační schopnosti, jsou funkcí tuhosti osnovy, tuhosti direkční pružiny a hmotnosti svůrky. Parametry tuhosti se uplatní při hodnocení svůrky statickým modelem. V dynamickém modelu se respektuje i hmotnost svůrky.

14 Statický model volné svůrky Pro posouzení statických vlastností volné svůrky a odhad její kompenzační schopnosti můžeme využít náhradní schéma vytvořené s následujícími předpoklady: Svůrka je uložena na velmi dlouhém rameni a rotačně výkyvný pohyb je nahrazen pohybem přímočarým. Tuhost tkaniny je mnohem větší než tuhost osnovy a proto je možné zanedbat změny sil ve tkanině. Vertikální budící pohyb tkacího listu u = u(t) je nahrazen transformovaným horizontálním pohybem x = x(t) bodu A. Amplituda náhradního pohybu je stejná, jako maximální absolutní prodloužení nitě v úvrati zdvihu listu.

15 Statický model volné svůrky Poloha bodu M, simulujícího svůrkový válec, je dána rovnicí statické rovnováhy. Při zanedbatelné rychlosti budícího pohybu platí, že síla ΔF v libovolném myšleném řezu soustavy je stejná a celková deformace v bodě A je součtem deformací pružin simulujících direkční pružinu a osnovu.

16 Statický model volné svůrky Pokud pro poměr tuhostí zavedeme označení λ, tj. C d = λ. C o, je změna síly ΔF vyjádřena tímto vztahem: Maximální nárůst síly pro případ, že tuhost direkční pružiny roste nad všechny meze, je určen rovností: ΔF = ΔL. C o. Svůrka je v tomto případě spojena pevně s rámem stroje a nekoná žádný kompenzační pohyb. Výsledek ideální kompenzace je interpretován nulovou hodnotou nárůstu sil (ΔF = 0). Tuto úlohu je možno splnit pouze triviálně volbou tuhosti direkční pružiny blížící se k nule. V takovém případě však přírazný mechanismus nemůže v osnovních nitích vybudit sílu potřebnou pro zatkání útku.

17 Statický model volné svůrky Pokud pro poměr tuhostí zavedeme označení λ, tj. C d = λ. C o, je změna síly ΔF vyjádřena tímto vztahem: Úlohou statické kompenzace je nalezení poměru tuhostí λ pro dané ΔL, tak aby odpovídající změna síly ΔF byla kompromisem mezi kompenzační a příraznou funkcí svůrky. Závislost změny síly na poměru tuhostí je znázorněna na obrázku

18 Dynamický model volné svůrky Kmitání soustavy dle schématu na obrázku lze popsat pohybovou diferenciální rovnicí druhého řádu: kde X 0 je amplituda budícího pohybu.

19 Dynamický model volné svůrky Pro :

20 Dynamický model volné svůrky Při předpokladu rovnosti obou tuhostí (C 0 = C d ) svůrka kompenzuje polovinu amplitudy buzení, pokud je ovšem pracovní frekvence dostatečně vzdálena rezonančnímu pásmu. Z řešení homogenní rovnice volného kmitání svůrky dostaneme vztah pro vlastní frekvenci:

21 Dynamický model volné svůrky V rezonanční oblasti (ω = Ω) bude růst amplituda pohybu svůrky a fázový posun, v důsledku toho budou nebezpečně narůstat i síly v osnovních nitích. Naladění svůrky tj. nastavení hodnoty její vlastní frekvence mimo rozsah pracovních frekvencí stroje, je velmi obtížné. Parametr C 0 (tuhost osnovy) je daný zpracovávaným materiálem a měnit ho tedy nelze, s výjimkou změny délky osnovy od přírazného bodu ke svůrce respektive změnou rozměrů tkacího stroje, což lze realizovat jen v omezené míře. Tuhost direkčních pružin vyplývá již ze statické analýzy a je kompromisem mezi schopností kompenzovat prošlupní změny a zajištěním polohy v přírazu. Hmotnost svůrky je definována pevnostními výpočty nosníku o dvou podporách zatíženého spojitým obtížením osnovními nitěmi.

22 Dynamický model volné svůrky Řešením pohybové rovnice je: a) závislost poměru dynamické a statické amplitudy pohybu svůrky na frekvenci budícího pohybu stroje a vlastní frekvenci, b) síla v osnovní niti při kinematickém buzení svůrky jako funkce frekvence budícího pohybu. Na obrázku je znázorněna kompenzační schopnost svůrky jako poměr dynamického a statického nárůstu síly osnovní nitě buzené prošlupem v závislosti na pracovní frekvenci tkacího stroje. V okolí rezonanční oblasti je kompenzace negativně ovlivněna rezonančním efektem. Dynamická výchylka svůrky roste v případě nulového tlumení nade všechny meze. V případě reálného tlumení dosahuje hodnot mnohem větších, než jsou pro kompenzaci potřeba. V nadrezonanční oblasti sice dynamická výchylka klesá na přijatelné hodnoty, dochází však k fázovému posunu o úhel π. Svůrka v tomto případě kmitá v protifázi k prošlupním změnám a působí kontraproduktivně.

23 Dynamický model volné svůrky Frekvenční vlastnosti svůrky lze ovlivnit velmi omezenými prostředky. Tuhost osnovy je definována parametry nití, tuhost direkční pružiny je dána kompromisem mezi požadavky kompenzace prošlupu a přírazného pulsu. Hmotnost svůrky rezultuje z pevnostních výpočtů průhybu svůrky, nosníku o dvou podporách, zatíženým spojitým obtížením silami osnovních nití.

24 Kompenzace sil svůrkou s nuceným pohybem Předpokládáme znalost zdvihové závislosti listů u = u(t). Cílem je navrhnout zdvihovou funkci svůrky v = v(t) tak, aby pro každé u(t) platilo:.

25 Kompenzace sil svůrkou s nuceným pohybem Jedno z často používaných řešení zdvihové závislosti v = v(t) respektive v = v(φ) (φ je úhel pootočení hlavní hřídele stroje) zanedbává rozdíl úhlů β a γ. Toto zanedbání je korektní pro b >> u (v praxi je u cca 0,05 m a b cca 1 m). Potom platí: Protažení nití v předním prošlupu ΔL1 a zadním prošlupu ΔL2 je určeno vztahy: a zdvihovou závislost svůrky v je možné vyjádřit rovností kde L = a + b.

26 Kompenzace sil svůrkou s nuceným pohybem Jedno z často používaných řešení zdvihové závislosti v = v(t) respektive v = v(φ) (φ je úhel pootočení hlavní hřídele stroje) zanedbává rozdíl úhlů β a γ. Toto zanedbání je korektní pro b >> u (v praxi je u cca 0,05 m a b cca 1 m). Potom platí: Protažení nití v předním prošlupu ΔL1 a zadním prošlupu ΔL2 je určeno vztahy: a zdvihovou závislost svůrky v je možné vyjádřit rovností kde L = a + b.

27 Kompenzace sil svůrkou s nuceným pohybem Kompenzaci změn tahových sil při tvorbě prošlupu umožňuje za určitých podmínek osnovní svůrka s nuceným pohonem. Osnovní svůrka je poháněna od hlavního hřídele pomocí kliky nebo excentru. Přiváděcí válec vykonává periodický pohyb s frekvencí, která je shodná s tkací frekvencí a amplitudou, určenou protažením osnovních nití při plně otevřeném prošlupu. Kompenzační pohyb je předepsán vypočítanou zdvihovou závislostí, která zajišťuje polohu svůrky v rámci celého procesu a zbavuje ji statické i dynamické závislosti na tuhosti uložení a frekvenčních vlastnostech.

28 Zvýšení vlastní frekvence volné svůrky Zvýšení vlastní frekvence volné svůrky snížením její hmotnosti a zvýšením tuhosti direkční pružiny. Některá řešení umožňují flexibilní změny tuhosti v rámci tkacího cyklu (při přírazu se tuhost zvyšuje

29 Shrnutí Kompenzační schopnosti svůrky jsou omezeny textilně-technologickými parametry tvorby prošlupu a statickými a dynamickými vlastnostmi svůrky. Žádný ze známých návrhů, které se zabývají zlepšením mechanických vlastností svůrky však nenabízí řešení základního technologického konfliktu, tj. dokonalou kompenzaci osnovních sil u jiných vazeb, než je vazba plátnová. Zlepšení kompenzace sil v osnově lze zřejmě očekávat až v souvislosti se zavedením systémů individuálního ovládání osnovních nití elektronickým řízením.

30 Literatura Zpracováno využitím publikací a zdrojů: Dvořák, J., Bílek, M., Tumajer, P.: Mechanické modely tkaní Tumajer, P., Bílek, M., Dvořák, J.: Základy tkaní a tkací stroje