автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Исследование и совершенствование функционального взаимодействия рабочих узлов пневмопрядильной машины методами имитационного моделирования

На правах рукописи

КОСТЕРИН Кирнлл Константинович

ИССЛЕЛОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАБОЧИХ УЗЛОВ ПНЕВМОПРЯДИЛЬНОН МАШИНЫ МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 2004

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановская государственная текстильная академия» (ИГТЛ)

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент

Власов Евгений Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Ушакова Надежда Леонидовна Панфилов Сергей Васильевич

кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация — ОАО «Ивчесмаш»

Защита диссертации состоится ■.< » НОирТОО 2004 г. В 40

часов на

заседании диссертационного совета Д 212.061.01-при Ивановской государственной текстильной академии по адресу: 153000. г. Иваново, пр. Ф.Энгельса, д. 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской государственной текстильной академии.

Автореферат разослан « 3 » ^рС^рОиД р 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Пневмопрядение в текстильной промышлен -ности России занимает ведущее место. Более половины пряжи в отечественной текстильной промышленности вырабатывается пневмомеханическим способом.

Несмотря на значительные преимущества по сравнению с кольцевым прядением пневмомеханическое прядение имеет ряд недостатков и большие перспективы для совершенствования. Необходима модернизация процессов пневмопрядения, автоматизация отдельных технологических операций, улучшение показателей качества пряжи, снижение уровня обрывности.

Полное или частичное решение этих задач приведет к увеличению производительности пневмомеханических машин, снижению себестоимости пряжи и к экономическому росту в текстильной промышленности в целом.

Цели и задачи исследования. Целью работы является создание новых методов проектирования и совершенствования пневмомеханической прядильной машины (ППМ), улучшение показателей качества пряжи, повышение производительности пневмопрядильных машин, снижение уровня обрывности, снижение себестоимости получаемой пряжи за счет частичной автоматизации процесса пневмопрядения. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Методами математической статистики провести анализ экспериментальных данных по обрывности пряжи на производстве и установить основные причины, приводящие к обрыву нити.

2. Разработать стохастическую математическую модель формирования пряжи пневмомеханического способа в переходных и установившихся режимах прядения.

3. На основе полученной математической модели создать единое математическое описание, имитирующее работу всей прядильной машины в целом.

4. На основе имитационной модели усовершенствовать конструкцию ППМ, разработать наиболее оптимальные алгоритмы управления прядильной машины и довести их до конструктивного исполнения.

5. Разработать стенд управления пневмопрядильной камерой, на базе которого провести испытания и подтвердить основные теоретические выводы экспериментальными данными.

Осповпые методы исследований. Методической и теоретической основой диссертации явились научные труды по технике и технологии пневмомеханического прядения, по теории механизмов и машин, по математической статистике, комбинаторике и теории вероятностей, по теории математического и компьютерного моделирования, численным методам и теории автоматического управления.

Обработка результатов экспериментальных данных проводилась методами статистического анализа.

Разработка стохастической модели работы пневмопрядильпом камеры и процесса формирования пряжи осуществлялась методами теории вероятностей и методами имитационного моделирования.

Разработка и исследование новых алгоритмов управления пневмомеханической прядильной машины осуществлялись на основе операционного исчисления, при этом использовались методы аналитического и численного решений линейных и нелинейных систем дифференциальных уравнений.

Работа выполнена на основе широкого использования методов имитационного моделирования сложных динамических объектов, а также проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ.

Достоверность теоретических положений подтверждается экспериментальными данными.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены закономерности обрывов нитей в зависимости от структурных параметров пневмопрядильной камеры и от параметров технологического процесса (качества исходных материалов, температурно-влажностного режима и др.). Установлен закон распределения обрывов нити и показаны причины отклонения от него.

2. Разработана стохастическая математическая модель формирования пряжи, установлен закон распределения линейной плотности пряжи на выходе из пневмопрядильной камеры.

3. Проведена оценка выравнивающего свойства прядильной камеры. Дано аналитическое описание аккумулирующего свойства зубчатой гарнитуры разделительного валика.

4. Разработана имитационная модель камеры пневмопрядильной машины.

5. Разработана модель оптимального присучивания пряжи в момент запрядки прядильной машины.

6. Разработан алгоритм управления пневмопрядильной машиной. В установившемся режиме работы алгоритм позволяет работать при максимальной производительности и минимуме обрывности.

7. Предложена усовершенствованная конструкция пневмопрядильной машины под управлением однокристальной микроЭВМ.

8. Создан стенд управления пневмопрядильной камерой. Испытания, проводившиеся на нем, подтвердили основные теоретические выводы. Стенд может быть использован как для научных исследований при проектировании рабочего места пневмопрядильной машины, так и в учебном процессе при выполнении лабораторных работ.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Теоретические исследования по статистическому анализу обрывов нитей в зависимости от параметров технологического процесса и прядильной камеры.

2. Математическая модель стохастического формирования пряжи в прядильной камере.

3 Имитационная модель пневмопрядильной машины.

4. Модернизированный алгоритм управления пневмопрядильной машиной в переходных и установившихся режимах работы

5. Усовершенствованная конструкция пневмопрядильной машины

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Предложены технологические операции оптимального управления ППМ из условия максимальной производительности и минимального уровня обрывности.

2. Усовершенствованы технологические операции пуска, массовой заггрядки, останова машины.

3. Разработаны технологическая операция и конструктивное исполнение механизма массовой запрядки и системы автоматической ликвидации обрыва.

4. Разработана цифровая система управления пневмопрядильной машиной.

5. Разработан лабораторный стенд управления пневмопрядильной камерой.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку:

- на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов, магистрантов и студентов ИГТА (2001-2003 гг.);

- на расширенных заседаниях кафедры А и РЭ ИГТА (2002 - 2003 гг.);

- на расширенных заседаниях кафедры физики ИГТА (2002 - 2003 гг.);

- на международной научно-технической конференции в ИГТА (2003 г.);

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах: 2 статьи в журнале «Известия вузов Технология текстильной промышленности», 2 патента РФ на полезные модели, статья в сборнике, международного научно-практического семинара «Физика волокнистых материалов», 3 статьи в сборнике материалов «Поиск - 2003» и 2 публикации тезисов докладов межвузовских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 66 наименований и приложений. Основная.часть содержит 125 страниц машинописного текста и 55 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ проблем в современном пневмопряде-нии, проведен обзор классификаций причин обрывности, рассмотрено влияние на уровень обрывности нити таких технологических параметров, как образование тонкого конца пряжи, качество исходных материалов, температурно-влажностный режим, уровень состояния оборудования.

Обрыв нити на ППМ — редкое явление, причем поток обрывов можно считать простейшим. Теоретически показано, что если прядильная машина состоит из большого числа прядильных камер, обрыв нити на каждой из них происходит достаточно редко и обрыв на одном прядильном месте никак не влияет на обрывность в других местах, то функция плотности распределения обрывов принимает вид:

где а>г(т)- вероятность наблюдения т обрывов за некоторый фиксированный интервал времени, если наиболее вероятное число обрывов а число прядильных камер весьма велико, так что число камер, на которых произошел обрыв, составляет малую долю числа всех камер. Закон, выражаемый вышеприведенной формулой, называется распределением Пуассона.'

Однако на практике наблюдается некоторое отклонение уровня обрывности, полученного экспериментальным путем, от теоретически обоснованного закона Пуассона, причем эти отклонения носят систематический характер. Нить рвется чаще в первые минуты работы и после некоторой продолжительной работы. Объяснение этому следующее. В момент пуска и разгона машины возникают повышенные натяжения нити, что, несомненно, увеличивает обрывность. После же продолжительной работы сборная поверхность прядильной камеры засоряется, а посторонние примеси существенно повышают обрывность.

Установлено, что значительная доля технологических отказов на ППМ возникает из-за обрывности нитей при пуске, ее необходимо снижать, осуществляя управляемый плавный пуск машины.

Во второй главе процесс формирования пряжи рассматривается как стохастический.

Для определения свойств пряжи, получаемой в пневмопрядильной камере, проведено следующее исследование. Пусть на сборную поверхность камеры, длина окружности которой Ь, бросают случайным образом волокна длиной I„ . Вероятность того, что волокно попадет в фиксированную точку на окружности, будет р Л. Каждый бросок волокна приводит к одному из двух возможных исходов: волокно попадает в точку (событие наступает) или не попадает (событие не наступает). Вероятность наступления события не меняется от броска к броску. Определим вероятность, с которой при п испытаниях событие наступает точно х раз. В условиях поставленной задачи случайной величиной является число успешных исходов, которое может принимать значения от 0 до п.

Событие в п испытаниях может появиться точно х раз (0<д:<л), причем С* различными одинаково возможными способами. Так как испытания независимы, то каждому такому способу соответствует вероятность На основании теоремы о сумме вероятностей получаем распределение рассматриваемой случайной величины:

где р - отношение длины волокна к длине окружности сборной поверхности камеры;

п - среднее число волокон в поперечном сечении пряжи.

Это выражение представляет собой функцию плотности биномиального распределения.

При достаточно больших хил можно получить приближенное значение функции плотности биномиального распределения при помощи формулы

( \ Н [1 ттттттгя •

/?' 1 -»'

—--/>*0-/>)*"•—т=е 2,

х^п-ху ау]2я

где а - ^пр(\ - р), х=Ш

с

Эта формула является функцией плотности нормального распределения (распределение Гаусса). Таким образом, при достаточно большом среднем числе волокон в сечении для простоты расчетов можно считать, что линейная плотность пряжи подчиняется закону нормального распределения.

Однако в том случае, если число волокон в поперечном сечении пряжи невелико (например, в момент присучивания), такое упрощение делать нельзя. Биномиальный закон распределения линейной плотности пряжи в отличие от нормального закона объясняет систематический характер тех обрывов, причина которых до настоящего времени была неизвестна.

В третьей главе разрабатывается имитационная модель ППМ. На основе проведенных экспериментов установлено, что поступление волокон в камеру продолжается после извлечения конца пряжи со сборной поверхности камеры, вследствие чего на последней формируется волокнистая ленточка.

Зубчатая гарнит>ра разделительных валиков обладает аккумулирующим свойством. Это означает, что она способна накапливать на своей поверхности волокна, причем очевидно, что скорость «накопления» волокон уменьшается при увеличении уже накопленных волокон. Для простоты б>дем считать, что искомая зависимость имеет вид прямой пропорциональное!и

Ох 1 , — = -(.1-.г). <// /

где х - текущее число волокон на зубчатой гарнитуре.

I - максимальное xbckj волокон, которое может накопить зубчатая гарнитура.

7- коэффициент пропорциональности

Решением этого уравнения будет функция вида

дг(0 = Л(1-ехр(-'/)),

орциональности Ч ]

<

в которой коэффициент пропорциональности Ч приобретает смысл постоянной времени переходного процесса.

Таким образом, передаточную функцию разделительных валиков можно представить в виде типового апериодического звена первого порядка.

Процесс схода циркулирующих волокон с зубчатой гарнитуры аналогичен процессу накопления волокон, причем есть все основания считать, что постоянные времени Т этих переходных процессов будут одинаковыми.

Зная среднее значение массы волокнистой ленточки, которая образуется на сборной поверхности камеры после ее останова, можно определить коэффициент усиления А и постоянную времени Ч.

Исследование процесса формирования пряжи во время присучивания позволяет выявить влияние фактора утонения и укорочения бородки питающей ленты, степень опережения подачи питания и других факторов на неровноту пряжи в местах присучивания и уровень запрядаемости, что представляет практический интерес для решения вопроса массовой запрядки и при проектировании многомуфтового привода и системы автоматического управления последним. Линейная плотность

Рис I Присучивание пряжи из трех участков пина сборной поверхности прядильной камеры

В месте присучивания пряжи ее линейная плотность складывается из трех характерных составляющих (рис. 1):

- верхний график - составляющая от заправочного конца пряжи;

- средний график - составляющая от волокнистой ленточки, формируемой на сборной поверхности камеры на этапе останова машины;

- нижний график - волокнистый клин, образующийся после возобновления подачи питания.

Задача по оптимальному управлению пневмопрядильной машиной состоит в том, чтобы разработать такой алгоритм, при котором линейная плотность пряжи в месте присучивания была бы наиболее равномерной, т.е. неровнота пряжи как функция ее линейной плотности представляет собой некоторый функционал от нескольких переменных. В самом простом случае регулируемыми параметрами могут являться время реверса заправочного конца пряжи и время включения прямого хода (рис. 2).

I

11 ь

Рис 2. Изменение скорости выпускных валов в момент присучивания

На рис. 2 обозначено:

- номинальная скорость вывода пряжи в установившемся режиме прядения;

I/ — включение вытяжных валиков; -время разгона вытяжных валиков до номинальной скорости.

При разработке имитационной модели ППМ мы делаем следующие допущения:

- длина волокна является постоянной величиной;

- на работу ППМ не влияют такие параметры технологического процесса, как температурно-влажностные условия и текущее состояние оборудования;

- при оценке качества пряжи не оценивается величина ее крутки.

Выходным параметром является линейная плотность получаемой пряжи на выходе из прядильной камеры

Имитационная модель рабочею места пневмонрядильной машины приведена на рис. 3.

Принцип работы имитационной модели заключается в следующем Блоки I, 2 реализуют подачу ленты в питающий валик Блоки 14. 15 имитируют работу питающего валика, управляемого от централиюванного привода Звенья 16. 17. 18 имитируют работу электромагнитной муфты питающего валика Блок 19

- редуктор питающею валика Ом обладает инерционностью, по ному реалзо»-

Рис. 3. Имитационная модель рабочего места пневмопрядильной машины

ван в виде апериодического звена. Блоки 20, 21, 22, 23 имитируют работу привода расчесывающего барабанчика. Назначение блоков аналогично соответствующим блокам у питающего валика. Звено 4 имитирует транспортное запаздывание ленты между питающим валиком и расчесывающим барабанчиком Блоки 24, 25, 26, 27 - привод ротора камеры. Привод ротора камеры обладает наибольшей инерционностью, поэтому постоянная времени в звене 27 самая большая во всей системе управления ППМ. Блоки 24, 25, 26 подают управляющее напряжение на двигатель при работе на пониженной скорости и затем на полной скорости. Блок 8 имитирует работу пневмопрядильной камеры. На вход этого звена подаются уже дискретизированные блоком 6 волокна со средней плотностью 20 текс. В блоке 8 происходит сначала очень высокое разряжение волокон, а затем их сгущение (сложение). В результате блок 8 обладает выравнивающим действием, он позволяет получить весьма ровную пряжу. Звенья 10, 11, 12, 13 имитируют остаточное накопление волокон в камере. При этом процесс прядения за счет остаточного накопления волокон начинается сразу же с момента запуска привода ротора камеры и убывает до нуля по апериодическому закону. Постоянная времени в звене 11 численно равна постоянной времени камеры. Блоки 28, 29, 30, 31, 32, 33 реализуют работу мотальных валиков. При-этом в момент реверса (который реализуется блоками 30, 31) происходит скрутка пряжи в блоке сложения. Выходным сигналом (блок 9) является линейная плотность пряжи.

На основе имитационной модели (рис. 3) мы получили зависимость линейной плотности пряжи от времени в момент пуска пневмопрядильной машины. На рис. 4 приведены графики линейной плотности пряжи в местах прису-чек. Расчет проводился в двух режимах: без управляемого разгона выпускных и мотальных валов (кривая 1) и с их управляемым разгоном (кривая 2).

Линейная плотность

пряжи, текс

зо1-

20

1

Г

10

ДЛМН4 \ **■! СТК«1 1фНА1 адм

С

50 100 150 200 250 300 350 400

1'ис 4 I рафики линейной п.ютности пряжи в момент ирисччикамия

Для подтверждения достоверности полученной модели точками на графике показаны экспериментальные данные изменения линейной плотности пряжи в месте присучивания без управляемого разгона.

Таким образом, была спрогнозирована работа камеры пневмопрядильной машины на основе концептуального программирования с применением специализированных программных средств.

В четвертой главе предложена модернизированная конструкция пневмопрядильной машины (патент РФ №33951 на полезную модель), функциональная схема которой приведена на рис. 5.

Рис 5 Функциональная схема усовершенствованной конструкции ППМ

Условные обозначения: ПК - прядильная камера; ПВ - питающий валик: РБ - расчесывающий барабанчик: ДО - датчик обрыва. ВВ - выпускные валы: МВ - мотальные валы:

М1. М2 -двигагели привода роторов прядильных камер. МЗ. М4 -двигатели привода расчесывающих барабанчиков. У1 - приводная муфта питающего вала: У3 - тормозная муфта питающего вала. У4 - тормозная муфта выпускною нала. У5 - тормозная муфта мотального вала.

индивидуальное прядильное место

НПМО

Рис. 6. Функциональная схема МП системы управления ППМ

- У6 - муфта обратного хода;

- У7 - муфта прямого хода.

- У208 - У407 - поводки чувствительных элементов.

В отличие от типовой конструкции ППМ в предлагаемую внесены следующие принципиальные изменения:

- микропроцессорная система управления;

- регулирование скорости вращения роторов ПК;

- индивидуальный привод выпускных и мотальных валов.

Для управления работой ППМ разработана микропроцессорная (МП) система на базе однокристальной микроЭВМ (рис. 6) (патент РФ №34168 на полезную модель). В отличие от известных аналогов и прототипов МП система управления отвечает следующим требованиям:

- простота всей системы в целом, которая неизбежно приведет к уменьшению стоимости, повышению надежности и уменьшению сроков наладки и настройки;

- возможность модернизации; это означает, что при минимуме аппаратных средств основная нагрузка по выполнению поставленных задач ложится на программное обеспечение;

- использование типовых БИС, которые не требуют от наладчиков системы специальных (углубленных) знании в области микропроцессорной техники.

МП система управления выполняет следующие функции:

- осуществляет пуск, массовую запрядку, останов всей прядильной машины в соответствии с временной циклограммой;

- осуществляет оптимальный подбор параметров скоростного режима в момент присучивания пряжи;

- в случае обрыва нити производит его ликвидацию; а в случае невозможности автоматического устранения обрыва прерывает процесс прядения на данной прядильной камере;

- управляет параметрами процесса прядения из условия максимальной производительности машины при допустимом уровне обрывности.

В пятой главе рассматриваются результаты экспериментальных исследований пневмопрядилыюй камеры на базе построешюго стенда (рис. 7).

Лабораторный стенд состоит из следующих элементов:

1 -двигатель привода расчесывающего барабанчика (1500 об/мин):

2 - вал двигателя привода расчесывающего барабанчика;

3 - шкив двигателя привода расчесывающего барабанчика (<1=1 12 мм):

4 - ротор прядильной камеры (1=10 мм):

5 - двигатель привода ротора прядильной камеры (3000 об/мин).

6 - шкив на валу двигателя привода ротора прядильной камеры (1=100 мм).

7 - шкив и реверсивный двигатель привода могальною вала (120 об/мин:

ё-80 мм).

8 - ла1чик обрыва.

9 - сборная поверхность прядильной камеры (30000 об/мни. <1~50 мм):

10 - расчесывающий барабанчик (7000 об/мин. <1-=64 мм).

11 - питающий валик (8,76 об/мин; d=20 мм);

12 - электромагнитная муфта привода питающем о валика:

13 - питающая лента;

14 - шкив вала питающего валика ^=35 мм);

15 -двигатель привода питающего валика (15 об/мин).

Рис. 7. Кинематическая схема лабораторного стенда

Лабораторные испытания, проводившиеся на стенде, подтвердили некоторые из теоретических выводов предыдущих глав, а именно:

1. Экспериментально показано преимущество модернизированного алгоритма управления скоростью мотальных валов в момент запрядки.

2. С увеличением линейной плотности пряжи среднеквадратичное отклонение увеличивается, а неравномерность (коэффициент вариации) уменьшается.

3. При постоянстве линейной плотности пряжи чем больше скорость вращения ротора ПК, тем выше уровень обрывности.

4. Линейная плотность волокна в большей мере влияет на свойства пряжи, чем длина волокна.

5. Чем выше частота вращения ротора прядильной камеры, тем меньше должен быть его диаметр.

6. Чем меньше среднее число волокон в сечении пряжи, тем меньше может быть его диаметр.

7. Следующие экспериментальные выводы относятся к проблеме высокой частоты вращения ротора:

- прядильная способность волокна понижается с увеличением частоты вращения ротора;

- при высоких частотах вращения ротора рекомендуется использовать волокно с низким коэффициентом вариации по длине;

- чем выше частота вращения ротора, тем большее число волокон должно быть в поперечном сечении пряжи.

Расчет ожидаемого экономического эффекта показывает, что усовершенствованная конструкция ППМ с системой управления па базе однокристальной микроЭВМ повысит производительность труда прядильщицы на 15%, а общая производительность оборудования увеличится на 27%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Установлены закономерности обрывов нитей в зависимости от структурных параметров пневмопрядилыюй камеры и от параметров технологического процесса. Установлен закон распределения обрывов нити и показаны причины отклонения от него.

2. Построена математическая модель формирования пряжи в пневчопрядиль-ной камере, которая рассматривает процесс прядения как стохастический. Показано, что линейная плотность пряжи подчиняется биномиальному закону распределения, а в случае, когда число волокон в поперечном сечении пряжи велико, нормальному распределению.

3. Дана количественная оценка выравнивающему свойству прядильной камеры, которое может использоваться при проектировании и совершенствовании прядильных камер.

4. Дана количественная оценка аккумулирующему свойству зубчатой гарнитуры разделительных валиков, и на основе фактических экспериментальных данных разработана имитационная модель присучивания пряжи.

5. Разработан алгоритм управления скоростью выпускных и мотальных валов, который позволяет автоматизировать процесс присучивания пряжи в момент массовой запрядки и создать автоматизированную (без участия прядильщицы) систему ликвидации обрыва.

6. Разработана имитационная модель рабочего места пневмопрядильной машины, на основе которой предложена усовершенствованная конструкция машины.

7. Разработана система управления пневмопрядильной машиной на базе однокристальной микроЭВМ, которая выполняет следующие функции:

- осуществляет пуск, массовую запрядку, останов всей прядильной машины в соответствии с временной циклограммой;

- осуществляет оптимальный подбор параметров скоростного режима в момент присучивания пряжи;

- в случае обрыва нити производит его ликвидацию, а в случае невозможности автоматического устранения обрыва прерывает процесс прядения на данной прядильной камере;

- управляет параметрами процесса прядения из условия максимальной производительности машины при допустимом уровне обрывности

8. Создан лабораторный стенд. Испытания, проведенные на нем, согласуются с теоретическими выводами.

9. Проведенный расчет ожидаемого экономического эффекта показывает, что усовершенствованная конструкция ППМ с системой управления на базе однокристальной микроЭВМ повысит производительность труда прядильщицы на 15%. а общая производительность оборудования увеличится на 27%

Публикации, отражающие основное содержание диссертации

1. Власов Е.И., Костерил К.К. Алгоритм формирования пряжи в пневмопря-дильной камере // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности -2003.-№1,-С. 128-130.

2. Власов Е.И., Костерил К.К. Совершенствование алгоритма системы массовой запрядки пневмопрядильной машины // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2003.- №2. - С. 117-119.

3. Костерин К.К. Особенности строения пряжи пневмомеханического способа прядения // Сборник материалов VI международного научно-практического семинара Физика волокнистых материалов. - Иваново: ИГТА, 2003.- С. 102104.

4. Костерин К.К., Власов Е.И. Алгоритм присучивания пряжи при массовой за-прядке пневмопрядильных машин // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск - 2003»): Сборник материалов. - Иваново: ИГТА, 2002. - С.222.

5. Костерин К.К., Власов Е.И. Функция распределения линейной плотности пряжи // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск - 2003»): Сборник материалов. - Иваново: ИГТА, 2002. - С.217.

6. Костерин К.К., Власов Е.И. Оценка аккумулирующего свойства зубчатой гарнитуры разделительных валиков // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск - 2003»): Сборник материалов. -Иваново: ИГТА, 2002. - С.218.

7. Костерин К.К., Власов Е.И. К вопросу о тенденциях совершенствования устройств для пневмомеханического прядения // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск - 2001»): Тез. докл. межвузовской научно-технической конф. - Иваново: ИГТА, 2001. - С. 7.

8. Костерин К.К., Власов Е.И. Имитационная модель системы формирования и намотки пряжи // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск - 2002»): Тез. докл. межвузовской научно-технической конф. - Иваново: ИГТА, 2002. - С.31.

9. Пат. 34168 РФ на полезную модель. Устройство для опроса датчиков обрыва нити. / К К. Костерин. - Заявл. 05.05.2003. Опубл. 27.11.2003.

10.Пат. 33951 РФ на полез»гук> модель. Прядильное место пневмомеханической прядильной машины. / К.К. Костерин. - Заявл. 05.05.2003. Опубл. 20.11.2003.

Лицензия ИД №06309 от 19.11.2001. Подписано в печать 29.01.2004. Формат 1/16 60x84. Бумага писчая. Плоская печать. Усл. печ. л. 1.1. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 эю. Закат № 3413

Редакционно-издательский отдел Ивановской госуларст венной текстильной академии Участок оперативной полиграфии ИГТА 15ЭОСЮ г. Иваново, пр. Ф Энгельса. 21

€" 2 9 9 9

Общая характеристика работы.

Глава 1. Исследование причин обрывности нитей на пневмомеханических прядильных машинах.

1.1. Введение.

1.2. Классификация причин обрывности нитей на ППМ.

1.3. Образование тонкого конца пряжи.

1.4. Влияние качества исходных материалов на уровень обрывности нитей.

1.5. Влияние температурно-влажностного режима в производственных помещениях на уровень обрывности.

1.6. Влияние состояния оборудования на обрывность нитей.

1.7. Закон распределения обрывов нитей на пневмомеханических прядильных машинах.

1.8. Причины отклонения от закона Пуассона.

1.9. Закон распределения наработки между технологическими отказами.

1.10. Расчет вероятности одновременности обрывов.

1.11. Выводы.

Глава 2. Математическая модель формирования пряжи.

2.1. Функция распределения линейной плотности пряжи.

2.2. Натяжение пряжи в прядильном устройстве.

2.3. Выравнивающее свойство пневмопрядильной камеры.

2.4. Особенности формирования пряжи в переходных режимах прядения.

2.5. Зависимость производительности и уровня брака прядильной машины от скорости выпуска пряжи.

2.6. Выводы.

Глава 3. Имитационная модель пневмомеханической прядильной машины.

3.1. Общее устройство ППМ.

3.2. Алгоритм управления ППМ, существующий в настоящее время.

3.3. Имитационная модель присучивания пряжи.

3.4. Разработка имитационной модели пневмопрядильной машины.

3.5. Выводы.

Глава 4. Совершенствование конструкции и работы пневмопрядильной машины.

4.1. Особенности проектирования микропроцессорных систем управления.

4.2. Функциональная схема усовершенствованной ППМ.

4.3. Бесконтактная муфта скольжения.

4.4. Управление двигателями М1, М2 привода роторов прядильных камер.

4.5. Управление отдельным прядильным местом.

4.6. Привод выпускных и мотальных валов.

4.7. Система опроса датчиков обрыва.

4.8. Пуск и запрядка.

4.9. Останов.

4.10. Ликвидация обрыва.

4.11. Работа из условия максимальной производительности.

4.12. Микропроцессорная система управления ППМ.

4.13. Выводы.

Глава 5. Лабораторные исследования и теоретические выводы.

5.1. Разработка лабораторного стенда.

5.2. Методика лабораторных исследований.

5.3. Лабораторные исследования и их теоретические обоснова

5.4. Теоретические выводы.

5.5. Ожидаемый экономический эффект.

5.6. Выводы.

Актуальность проблемы. Пневмопрядение в текстильной промышленности России занимает ведущее место. Более половины пряжи в отечественной текстильной промышленности вырабатывается пневмомеханическим способом.

Несмотря на значительные преимущества по сравнению с кольцевым прядением пневмомеханическое прядение имеет ряд недостатков и большие перспективы для совершенствования. Необходима модернизация процессов пневмопрядения, автоматизация отдельных технологических операций, улучшение показателей качества пряжи, снижение уровня обрывности.

Полное или частичное решение этих задач приведет к увеличению производительности пневмомеханических машин, снижению себестоимости пряжи и к экономическому росту в текстильной промышленности в целом.

Цели и задачи исследования. Целью работы является создание новых методов проектирования и совершенствования пневмомеханической прядильной машины (ППМ), улучшение показателей качества пряжи, повышение производительности пневмопрядильных машин, снижение уровня обрывности, снижение себестоимости получаемой пряжи за счет частичной автоматизации процесса пневмопрядения. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Методами математической статистики провести анализ экспериментальных данных по обрывности пряжи на производстве и установить основные причины, приводящие к обрыву нити.

2. Разработать стохастическую математическую модель формирования пряжи пневмомеханического способа в переходных и установившихся режимах прядения.

3. На основе полученной математической модели создать единое математическое описание, имитирующее работу всей прядильной машины в целом.

4. На основе имитационной модели усовершенствовать конструкцию ППМ, разработать наиболее оптимальные алгоритмы управления прядильной машины и довести их до конструктивного исполнения.

5. Разработать стенд управления пневмопрядильной камерой, на базе которого провести испытания и подтвердить основные теоретические выводы экспериментальными данными.

Основные методы исследований. Методической и теоретической основой диссертации явились научные труды по технике и технологии пневмомеханического прядения, по теории механизмов и машин, по математической статистике, комбинаторике и теории вероятностей, по теории математического и компьютерного моделирования, численным методам и теории автоматического управления.

Обработка результатов экспериментальных данных проводилась методами статистического анализа.

Разработка стохастической модели работы пневмопрядильной камеры и процесса формирования пряжи осуществлялась методами теории вероятностей и методами имитационного моделирования.

Разработка и исследование новых алгоритмов управления пневмомеханической прядильной машины осуществлялись на основе операционного исчисления, при этом использовались методы аналитического и численного решений линейных и нелинейных систем дифференциальных уравнений.

Работа выполнена на основе широкого использования методов имитационного моделирования сложных динамических объектов, а также проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ.

Достоверность теоретических положений подтверждается экспериментальными данными.

Научная новизиа работы заключается в следующем: 1. Установлены закономерности обрывов нитей в зависимости от структурных параметров пневмопрядильной камеры и от параметров технологического процесса (качества исходных материалов, температурно-влажностного режима и др.). Установлен закон распределения обрывов нити и показаны причины отклонения от него.

2. Разработана стохастическая математическая модель формирования пряжи, установлен закон распределения линейной плотности пряжи на выходе га пневмопрядильной камеры.

3. Проведена оценка выравнивающего свойства прядильной камеры. Дано аналитическое описание аккумулирующего свойства зубчатой гарнитуры разделительного валика.

4. Разработана имитационная модель камеры пневмопрядильной машины.

5. Разработана модель оптимального присучивания пряжи в момент запрядки прядильной машины.

6. Разработан алгоритм управления пневмопрядильной машиной. В установившемся режиме работы алгоритм позволяет работать при максимальной производительности и минимуме обрывности.

7. Предложена усовершенствованная конструкция пневмопрядильной машины под управлением однокристальной микроЭВМ.

8. Создан стенд управления пневмопрядильной камерой. Испытания, проводившиеся на нем, подтвердили основные теоретические выводы. Стенд может быть использован как для научных исследований при проектировании рабочего места пневмопрядильной машины, так и в учебном процессе при выполнении лабораторных работ.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. Теоретические исследования по статистическому анализу обрывов нитей в зависимости от параметров технологического процесса и прядильной камеры.

2. Математическая модель стохастического формирования пряжи в прядильной камере.

3. Имитационная модель пневмопрядильной машины.

4. Модернизированный алгоритм управления пневмопрядильной машиной в переходных и установившихся режимах работы.

5. Усовершенствованная конструкция пневмопрядильной машины.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Предложены технологические операции оптимального управления ППМ га условия максимальной производительности и минимального уровня обрывности.

2. Усовершенствованы технологические операции пуска, массовой запрядки, останова машины.

3. Разработаны технологическая операция и конструктивное исполнение механизма массовой запрядки и системы автоматической ликвидации обрыва.

4. Разработана цифровая система управления пневмопрядильной машиной.

5. Разработан лабораторный стенд управления пневмопрядильной камерой.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку:

- на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов, магистрантов и студентов ИГТА (2001-2003 гг.);

- на расширенных заседаниях кафедры А и РЭ ИГТА (2002 - 2003 гг.);

- на расширенных заседаниях кафедры физики ИГТА (2002 - 2003 гг.);

- на международной научно-технической конференции в ИГТА (2003 г.);

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах: 2 статьи в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», 2 патента РФ на полезные модели, статья в сборнике международного научно-практического семинара «Физика волокнистых материалов», 3 статьи в сборнике материалов «Поиск - 2003» и 2 публикации тезисов докладов межвузовских научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 66 наименований и приложений. Основная часть содержит 128 страниц машинописного текста и 55 рисунков.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В ходе работы над диссертацией сделано следующее:

1. Установлены закономерности обрывов нитей в зависимости от структурных параметров пневмопрядильной камеры и от параметров технологического процесса (качества исходных материалов, температурно-влажностного режима и др.). Установлен закон распределения обрывов нити и показаны причины отклонения от него.

2. Разработана стохастическая математическая модель формирования пряжи, установлен закон распределения линейной плотности пряжи на выходе из пневмопрядильной камеры.

3. Проведена оценка выравнивающего свойства прядильной камеры. Дано аналитическое описание аккумулирующего свойства зубчатой гарнитуры разделительного валика.

4. Разработана имитационная модель пневмопрядильной машины.

5. Разработана модель оптимального присучивания пряжи в момент запрядки прядильной машины.

6. Разработан алгоритм управления пневмопрядильной машиной. В установившемся режиме работы алгоритм позволяет работать при максимальной производительности и минимуме обрывности.

7. Предложена усовершенствованная конструкция пневмопрядильной машины под управлением на базе однокристальной микроЭВМ.

8. Создан лабораторный стенд управления пневмопрядильной камерой. Испытания, проведенные на нем, подтвердили основные теоретические выводы. Стенд может быть использован как для научных исследований при проектировании рабочего места ППМ, так и в учебном процессе при выполнении лабораторных работ.

Наиболее значимые выводы из диссертации:

1. Установлено, что для описания распределения обрывности нитей необходимо использовать закон Пуассона. Применение других законов распределения не обосновано. Отклонение от теоретического закона распределения может быть случайным и систематическим. Для уменьшения случайных ошибок необходимо увеличить число экспериментов, а причины систематических отклонений необходимо искать в самом производственном процессе.

2. Установлено, что повышенная частота отказов наблюдается в первый час работы. Это можно объяснить высокой обрывностью нитей во время пуска прядильных машин.

3. Теоретически показано, что вероятность получить одновременные обрывы в течении нескольких часов работы ППМ ничтожно мала. Поэтому нет необходимости в оснащении каждого прядильного места собственной микропроцессорной системой.

4. Построена математическая модель формирования пряжи в пневмопрядиль-ной камере, которая рассматривает процесс прядения как стохастический. Показано, что линейная плотность пряжи подчиняется биномиальному закону распределения, а в случае, когда число волокон в поперечном сечении пряжи велико, нормальному распределению.

5. Дана количественная оценка выравнивающему свойству прядильной камеры, которое может использоваться при проектировании и совершенствовании прядильных камер.

6. Дана количественная оценка аккумулирующему свойству зубчатой гарнитуры разделительных валиков и на основе фактических экспериментальных данных разработана имитационная модель присучивания пряжи.

7. Разработан алгоритм управления скоростью выпускных и мотальных валов, который позволяет автоматизировать процесс присучивания пряжи в момент массовой запрядки и создать автоматизированную (без участия прядильщицы) систему ликвидации обрыва.

8. Разработана система управления пневмопрядилыюй машиной на базе однокристальной микроЭВМ, которая выполняет следующие функции:

- осуществляет пуск, массовую запрядку, останов всей прядильной машины в соответствии с временной циклограммой;

- осуществляет оптимальный подбор параметров скоростного режима в момент присучив алия пряжи;

- в случае обрыва нити производит его ликвидацию, а в случае невозможности автоматического устранения обрыва прерывает процесс прядения на данной прядильной камере;

- управляет параметрами процесса прядения из условия максимальной производительности машины при допустимом уровне обрывности.

9. Создан лабораторный стенд. Испытания, проведенные на нем, согласуются с теоретическими выводами.

Ю.Проведешгый расчет ожидаемого экономического эффекта показывает, что усовершенствованная конструкция ППМ с системой управления на базе однокристальной микроЭВМ повысит производительность труда прядильщицы на 15%, а общая производительность оборудования увеличится на 27%.

1. BrunkN. Textiltechnik26 (1976), 749.

2. Dyson, Behzadan. Fibre configurations during opening in open-end-spinning // The Textile Institute. May 1976, conference.

3. Hunter L. The production and Properties of Staple-fibre Yarns made by Recently Developed Techniques Textile Progress. 1978. - Vol. 10, №1/2.

4. Krause H.W. Soliman Н.Л. Melliand Textilberichte 52 (1971), 497-501.

5. Stalder H. Melliand Textilberichte 58 (1977), 968-975.

6. Авроров В.А. Автоматизация в пневмопрядении пути развития // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 1989. - №8. - С.25.

7. Автоматизация производственных процессов текстильной промышленности: Учеб. для вузов в 5-ти книгах: Кн. 1. Основы автоматики и технические средства автоматизации текстильной промышленности. Под. ред. Петелина Д.П. -М.: Легпромбытиздат, 1992. -240 с.

8. Автоматизация производственных процессов текстильной промышленности: Учеб. для вузов в 5-ти книгах: Кн. 2. Автоматизация механико-технологических процессов текстильного производства. Под. ред. Петелина Д.П. М.: Легпромбытиздат, 1993. - 160 с.

9. Альянах И.Н. Моделирование вычислительных систем. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1988 - 223 с.

10. Артцт П., Эгберс Г. Технология пневмомеханического прядения: Пер. с нем. -М.: Легпромбытиздат, 1986. 184 с.

11. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1964.-608 с.

12. Васильев Л.М. и др. Элементы автоматизации и схемы управления технологического оборудования хлопкопрядильных производств: Справочник. -М.: Легпромбытиздат, 1989.-256 с.

13. Вершинин О.Е. Применение микропроцессоров для автоматизации технологических процессов. -М.: Легпромбытиздат, 1986.

14. Власов Е.И., Костерин К.К. Алгоритм формирования пряжи в пневмопрядилыюй камере // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности 2003.- №1. - С. 128-130.

15. Власов Е.И., Костерин К.К. Совершенствование алгоритма системы массовой запрядки пневмопрядильной машины // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. — 2003.- №2. С. 117-119.

16. Власов Е.И. Анализ и синтез САУ ТП текстильного производства методами концептуального программирования: Учебное пособие. Иваново, ИвТИ, 1990.-100 с.

17. Власов Е.И. Система автоматизации прядильной машины на базе микроЭВМ // Основные направления в развитии оборудования для хлопкопрядения: Тез. докл. всесоюзной конф. Пеша: Дом научно-техн. пропаганды - 1984. - С.26-27.

18. Власов Е.И., Павлычев С.Ю., Власов А.Е. Практикум по математическим моделям и методам их расчета на ЭВМ: Учебное пособие Иваново, ИвТИ, 1993.- 100 с.

19. Власов Е.И. Пазухин В.В. Моделирование электромеханического датчика контроля нити // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1983.-№1.-С.70-73.

20. Власов Е.И. Исследование электромагнитного преобразователя с распределенными параметрами па ЭВМ // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности 1986. - №6. - С.79-82.

21. Волков Е.А. Численные методы: Учебное пособие для вузов. 2-е изд., испр. -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1987.-248 с.

22. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MathCAD 7.0 в математике, физике и в Internet. М.: Нолидж, 1999. - 352 с.

23. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. М.: Высш. школа, 1982.-496 с.

24. Зельдович Я.Б. Мышкис А.Д. Элементы прикладной матемитики. 2-е изд., испр. и допол. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1967. -647 с.

25. Зимин С.П., Башкова Г.В. Моделирование и оптимизация технологических процессов прядильного производства: Учебное пособие. Иваново изд. ИХТИ, 1990. - 88 с.

26. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и шгженеров. Пер. с англ. М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. литературы, 1984. - 832 с.

27. Костерин К.К., Власов Е.И. Имитационная модель системы формирования и намотки пряжи // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск 2002»): Тез. докл. межвузовской научно-технической конф. - Иваново: ИГТЛ, 2002. -С.31.

28. Костерин К.К., Власов Е.И. Алгоритм присучивания пряжи при массовой запрядке пневмопрядильных машин // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск 2003»): Сборник материалов. - Иваново: ИГТА, 2002. -С.222.

29. Костерин К.К., Власов Е.И. Функция распределения линейной плотности пряжи // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск 2003»): Сборник материалов. - Иваново: ИГТА, 2002. -С.217.

30. Костерин К.К., Власов Е.И. Оценка аккумулирующего свойства зубчатой гарнитуры разделительных валиков // Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности («Поиск 2003»): Сборник материалов. - Иваново: ИГТА, 2002. -С.218.

31. Костерин К.К. Особенности строения пряжи пневмомеханического способа прядения // Сборник материалов VI международного научно-практического семинара Физика волокнистых материалов. — Иваново: ИГТА, 2003.-С. 102-104.33