Валковые механизмы являются неотъемлемой частью многих машин. Особенно широко они распространены в текстильных машинах . Они встречаются в машинах для первичной обработки волокнистых материалов – хлопка, шерсти, лубяных волокон, в машинах предпрядильного и прядильного циклов, мотальных и сновальных машинах, машинах отделочного производства. Валковые механизмы выполняют функции питающих, т.е. подающих волокнистый материал в обработку на чесальных, щипальных прядильных машинах, выводят волокно из бункеров. Пары валков являются основной частью вытяжных приборов ленточных, ровничных и прядильных машин для всех видов волокон.

Валки могут приниматься как жесткие, т.е. сохраняющие свою геометрическую форму при их технологическом использовании. У нежестких валков может искривляться их ось, а также иметь место деформации цилиндрической поверхности вследствие применения эластичных покрытий. Различна может быть также кинематическая связь между валками одной пары. Однако все разновидности валковых механизмов, как текстильных машин, так и любого другого оборудования, связаны одним общим свойством. Взаимное движение тел в этих механизмах может рассматриваться как качение (со скольжением или без такового). При отсутствии между валками прокатываемого материала или при возможности по каким-либо соображениям не учитывать его наличие в зеве валковой пары, можно рассматривать качение цилиндра по цилиндру. При достаточной толщине и жесткости прокатываемого материала вал следует представить как тело, катящееся по поверхности этого материала.

Основы теории качения. Аналогии прокатки и качения

При качении одного тела по другому возникают сопротивления, которые учитываются введением момента трения качения, имеющего напряжение, противоположное направлению угловой скорости. В машинах текстильной и легкой промышленности может встретиться случай. Когда оба валка одновременно приводятся в движение, но с разными скоростями (разность скоростей валков называют фрикцией). В этом случае силовой режим валка, движущегося с меньшей скоростью, несмотря на жесткую связь с приводом, может быть не только нейтральным, но и тормозным.

Распределение напряжений по поверхности контакта валка с прокатываемым материалом

При прокатке текстильных материалов в паре валков рабочая нагрузка характеризуется ее интенсивностью, которая равна полной нагрузке, отнесенной к рабочей длине валка: q=Q/B, где q-интенсивность нагрузки (сила на единицу длины) Q-полная нагрузка в паре валков B-рабочая длина валка Взаимодействие валка с прокатываемым материалом осуществляется по поверхности их контакта. Силы взаимодействия являются равнодействующими возникающих контактных напряжений – нормальных и касательных. При абсолютно жестком валке и равномерном распределении массы прокатываемого материала в направлении осевой линии валков напряженное состояние будет идентичным по всей его длине, и интенсивность нагрузки будет постоянной: q=const. Практически, такое явление возможно только при очень коротких валках и при прокатке равномерного по толщине слоя. В действительности валки всегда прогибаются, что ведет к неравномерному распределению интенсивности нагрузки вдоль оси валка даже при прокатке абсолютно равномерного по толщине материала (например, тонкая ткань в расправленном состоянии). Если же слой обрабатываемого материала неравномерен по толщине, то интенсивность нагрузки будет распределяться вдоль образующей валка по закону, копирующему распределение массы материала в слое: q≠const.

Силовой анализ валковых механизмов

Основной задачей силового анализа механизмов является определение тех сил, которые действуют на звенья механизма при его работе. Знание действующих сил имеет большое значение для определения размеров деталей, расчета их на прочность и жесткость, определения потерь на трение и мощности, потребной для работы механизма, для расчета на износ элементов кинематических пар и т.д. Обычно силовой анализ проводится методом кинетостатики, т.е. с учетом сил инерции, приложенных к звеньям механизма. Однако ввиду стационарности работы валковых механизмов и достаточно хорошей уравновешенности их звеньев в большинстве случаев целесообразно для этой цели использовать только статические методы.

Условия захвата материала парой валков

Определение условий, при которых обрабатываемый материал может быть захвачен валками, имеет важное значение для начального момента прокатки полосы любых свойств геометрической формы. Если же материал дискретен в прядильном направлении, то стадия захвата повторяется постоянно при начале обработки каждого элемента слоя. Кроме того, явления, подобные захвату, могут воспроизводиться при стационарном движении материала. Если его толщина резко изменяется, эти явления могут нарушить установившийся ход процесса обработки и поэтому должны учитываться при конструировании валкового узла. При деформации покрытий валков их цилиндрическая форма вне оны деформации в действительности не сохраняет. Это влияет на действительный угол контакта и, соответственно, на условия захвата. В зависимости от толщины полосы они могут изменяться в лучшую или худшую стороны.

Тяговая способность пары валков

Тяговая способность пары валков при транспортировании текстильных материалов возникает за счет трения на поверхностях контакта валков с материалом. Величина сил трения определяется нормальным давлением на поверхности контакта, которое распределяется по закону n(γ), зависящему от свойств прокатываемого материала и покрытия валков. При одном приводном валке в паре, если считать момент трения в цапфах второго валка отсутствующим, тяговая способность уменьшается в два раза. На тяговую способность может влиять неравномерность толщины обрабатываемого материала, изменяющая действие сил взаимодействия в паре.

Влияние динамически факторов на работу валков

Напряженное состояние на поверхностях контакта в валковом механизме при его работе не остается неизменным. Одной из причин этого являются динамические факторы, возникающие вследствие неточностей в изготовлении механизма и его отдельных деталей, дефектов сборки, а также благодаря неравномерности толщины обрабатываемого материала, при захвате материала, пуске и остановке машины. Причиной возникновения колебательного процесса в валковом механизме могут служить неточности в изготовлении машины. Пусть, например, геометрическая ось валка не совпадает с его осью вращения. Тогда возникает кинематическое возбуждение гармонического характера, могущее привести к вибрациям и резонансу в системе. Вибрациям в валковом механизме передаются на остов машины и требуют серьезного отношения к определению инерционных и упругих характеристик элементов машины.