автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.03, диссертация на тему:Компьютерное моделирование штампелирования жгута химических элементарных нитей методом разрыва

од

На правах рукс^исил;] 7 !Г }

УДК 677.021.16:519.8:62.50.72

Александров Константин Борисович

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ШТАПЕЛИРОВАНИЯ ЖГУТА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ НИТЕЙ МЕТОДОМ РАЗРЫВА

Специальность 05.19.03 - Технология: текстильных материалов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000

Работа выполнена в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Севостьянов П.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

Усенко В. А. Симонян В.О.

Ведущая организация - НТЦ "Шелк - Плюс".

Защита состоится

2000 г.

в час. на заседании совета К 053.25.02 в Московском государственном текстильном университете им. А.Н. Косыгина по адресу: 117918, Москва, М. Калужская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного текстильного университета им. А.Н. Косыгина.

Автореферат разослан 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Осьмин Н.А.

Г)Ц-А, ЛАЬ П

В работе изложены теоретические и алгоритмические методы исследования технологического процесса штапелирования разрывом жгута элементарных химических нитей с использованием статистической имитации процесса на компьютерных моделях. Выполнено ранжирование факторов, определяющих протекание процесса, установлены зависимости основных характеристик процесса штапелирования - распределения волокон по длине и неровноты получаемой ленты - от кинематических, конструктивных параметров и физико-механических свойств штапелируемого продукта.

На основе проведенных исследований нестационарного режима штапелирования предложен набор критериев оценки качества этого режима и рекомендован выбор параметров процесса, обеспечивающий наиболее устойчивое протекание переходного режима. Автор защищает:

1. Теоретические основы и алгоритмические методы исследования технологического процесса штапелирования методами статистической имитации.

2. Алгоритмы компьютерного моделирования процесса штапелирования для изучения распределения штапелированных волокон по длине, оценки неравномерности ленты и нестационарного переходного режима процесса.

3. Критерии оценки качества переходного режима процесса штапелирования.

4. Результаты компьютерного исследования степени влияния конструктивных особенностей, режимов работы штапелируюгцих приборов и свойств штапелируемого жгута на статистические характеристики равномерности выходящих потоков штапелированной ленты.

5. Результаты прогнозирования динамики штапелирования методом раз- / рыва с учетом вероятностной природы свойств волокон и особенностей разрыва.

6. Требования к конструктивным особенностям и режиму работы штапе-лирующих устройств.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Научно-технический прогресс в текстильной промышленности связан с созданием нового высокопроизводительного оборудования и совершенствованием технологических процессов. В прядильном производстве эта тенденция проявляется в создании автоматизированных поточных линий и агрегатов, сокращении числа переходов, разработки принципиально новых технологических систем.

Перспективными с этой точки зрения являются процессы штапелирования разрывом жгута химических нитей. Высокая производительность оборудования для получения жгута делает это производство высокорентабельным, а процесс штапелирования разрывом) позволяет получать ленту штапелированных волокон со штапельной диаграммой шерстоподобного вида. Это дает возможность перерабатывать ленту штапелированных волокон на оборудовании и по технологии натуральных волокон и в смеси с ними, что также повышает рентабельность производства.

Примером задач, возникающих при проектировании технологических систем и решенных в диссертации, являются задачи анализа процесса штапелирования жгута химических нитей разрывом и прогнозирования влияния конструктивных особенностей штапелирующих устройств и режимов работы на характеристики выходящих волокнистых потоков.

Анализ используемых в настоящее время аналитических методов математического моделирования и натурного, показал юс низкую эффективность для решения подобных задач, ввиду недостаточного объема получаемой научной информации, больших затрат времени и материальных средств на изготовление штапелирующих устройств новой конструкции и высокой трудоемкости исследований и потребовал разработки новых средств для прогнозирования характеристик процесса и получаемого продукта. Перспективными являются новые мощные методы анализа сложных систем, базирующиеся на применении современной вычислительной техники, в том числе, методов статистической имитации.

Целью работы является решение важной прикладной научно-техниче ской задачи создания теоретических и алгоритмических основ прогнозирования характеристик технологического процесса штапелирования разрывом жгута химических нитей методами статистической имитации, включающее следующие основные подзадачи:

- обоснование эффективности и перспективности использования методов статистической имитации и компьютерного моделирования для решения задач исследования процесса штапелирования;

- создание имитационных алгоритмов и моделей для штапелирующих систем, реализующих процесс штапелирования разрывом и его видов: контролируемого и неконтролируемого разрыва с учетом динамики йроцесса;

- выполнение компьютерных экспериментов с разработанными моделями с целью получения прогнозов функционирования штапелирующих устройств и реализация рекомендаций, вытекающих из результатов прогнозирования.

Предмет исследования. Объектом исследования является процесс шта-N. пелирования способом контролируемого и неконтролируемого разрыва, динамика этого процесса, переходный режим процесса штапелирования разрывом.

Методы исследования. При построении и проведении экспериментов использованы методы статистического моделирования, теория вероятностей и математическая статистика, методы одно- и многофакторного планирования экспериментов, метод безразмерных переменных на основе теории подобия и размерностей.

Научная новизна работы. В результате решения поставленной научно-технической задачи в работе впервые:

1. Разработаны структура и методика построения имитационных компьютерных моделей процесса штапелирования разрывом с учетом динамики этого процесса.

2. Построены имитационные статистические компьютерные модели процесса штапелирования жгута способами контролируемого и неконтролируемой:

разрыва, пригодные, например, для анализа процесса на машинах типа П-85-И/2.

3. Решены задачи анализа зависимостей распределения штапелированных волокон по длине и неравномерности ленты по числу волокон в сечении от кинематических, конструктивных особенностей разрывного устройства, в том числе от степени контроля за процессом разрыва, и от разрывных характеристик элементарных нитей.

4. Обоснован выбор критериев для оценки качества переходных и динамических режимов процесса штапелирования и предложена методика их расчета.

5. Построены функциональные зависимости показателей эффективности процесса штапелирования от разводки, вытяжки, величины давления на нажимные валики, разрывного удлинения и неравномерности элементарных нитей по разрывному удлинению.

6. Выполнено сравнение динамики процесса штапелирования для контролируемого и неконтролируемого разрыва при прочих идентичных условиях.

7. Для обобщения полученных выводов использован метод безразмерных переменных на основе теории подобия и размерностей.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Применение разработанных теоретических основ и алгоритмических методов исследования процесса штапелирования позволило существенно повысить эффективность исследования этого процесса: значительно - в 8-10 раз - сократить сроки исследований при снижении трудовых затрат. Получен значительный объем научной информации о функционировании исследуемой системы по сравнению с информацией, получаемой известными методами прогнозирования. Это позволяет дать научное обоснование рекомендациям и решениям.

Обоснованы требования к точности и стабильности процесса штапелирования в динамическом режиме на основе результатов исследования этого режима при различных исходных условиях и способах штапелирования.

Применение методов статистической имитации позволило исследовать процесс штапелирования разрывом в условиях, которые не поддаются исследованию другими методами.

Практическое значение имеют алгоритмы имитации, предложенные в работе для исследования распределения штапелированных волокон по длине и динамического режима работы разрывных устройств, реализованные в виде диалоговой процедуры для ЭВМ.

Разработки, выполненные в диссертации, использованы в ЗАО "Компания "Чайковский текстиль" и в учебном процессе текстильных ВУЗов при изучении курсов "Моделирование технологических процессов" и "Математические методы обработки данных".

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на научно-технических семинарах кафедры ИТ и ВТ МГТУ им. А.Н. Косыгина, на Всероссийской научно-технической конференции (Текстиль - 99).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 61 наименования и приложений. Основное содержание изложено на 156 страницах, содержит 63 рисунка, 45 таблиц. В приложениях приведены гистограммы и графики зависимостей длины штапелированного волокна от различных факторов, таблицы ординат графиков переходных режимов, коды программ для расчетов на ЭВМ и акты внедрения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено состояние производства химических волокон в мире и основные способы штапелирования, обоснована актуальность темы, отмечены нерешенные задачи в области исследования технологического процесса штапелирования, сформулированы цели и задачи работы.

Первая глава посвящена анализу оборудования, применяемого при шта-пелировании разрывом, изучению требований к жгутам из химических элементарных нитей, а также изучению моделей и методов исследования процесса штапелирования.

Штапелирование способом разрыва дает возможность получать ленту в которой отсутствуют пучки волокон, образующиеся при разрезании • жгута и перерабатывать более тонкие волокна. Применение разрывных машин позволяет получать высокоусадочный компонент для выработки высокообъемной пряжи, производству которой посвящено большое количество работ проф. В.А. Усенко.

Физическая сущность процесса штапелирования и технология переработки жгутовых химических нитей подробно описана в работах проф. В.Е. Слыва-кова.

Определенный интерес представляет применение штапелирования в од-нопереходном прядении, когда пряжу получают из жгута малой линейной плотности, эта технология детально и глубоко исследована в диссертационной работе В.О. Симоняна. Переработка жгута непосредственно в пряжу за один переход осуществляется при разрыве элементарных нитей жгута на однопро-цессных прядильных машинах, вытяжной прибор которых заменен штап.ели-рующим аппаратом. Штапелирующие аппараты однопроцессных прядильных машин могут работать по принципу контролируемого и неконтролируемого разрыва. Отличие в штапелировании на ленточно-разрывных машинах и в шта-пелирующих аппаратах прядильных машин состоит в развесе перерабатываемого жгута.

Процесс штапелирования разрывом исследовался теоретическими и экспериментальными методами многими отечественными и зарубежными исследователями, одними из первых исследований в этой области были выполнены известными японскими учеными К. Фудзино и А. Хорикава. Изучению процесса штапелирования способом неконтролируемого разрыва посвящены работы П.К. Кориковского, И.А. Черемской.

Кроме промышленного оборудования, выпускаемого серийно, было разработано, и в частности, в России, большое число опытных образцов штапели-рующих машин, позволивших повысить качество процесса штапелирования как

методом разрыва, так и методом разрезания. К сожалению, разработки не дошли до серийных промышленных машин, однако в изучение процесса штапели-рования эти работы, безусловно, внесли фундаментальный вклад.

Наиболее глубокие и всесторонние исследования в области процесса штапелирования жгута элементарных химических нитей методом разрыва принадлежат российскому ученому, проф. Б.С. Михайлову. Для исследования процесса штапелирования им использованы аналитические методы и методы статистического моделирования.

Используемые в настоящее время аналитические методы статистической динамики (аппарат передаточных функций, модели случайных потоков и др.) базируются на ряде сильных предположений о стационарности условий штапелирования. Однако эти методы недостаточны при нестационарных условиях процессов. Методы компьютерного статистического моделирования позволяют преодолеть эти трудности.

Во второй главе на базе уже существующих математических моделей и кинематико - динамических схем движения волокон в зоне разрыва описаны разработанные компьютерные модели, позволяющие получить распределение штапелированных волокон по длине и исследовать динамику переходного процесса штапелирования.

Для математического описания процесса разрыва использованы следующие условные обозначения: Я - разводка, У\ - скорость питающей пары, У2-скорость выпускной пары, Е - вытяжка, /, - часть длины волокна, выступающая за линию зажима выпускной пары, 1г - часть длины волокна, выступающая в зону разрыва, ¿=(/,+/2) - длина волокна, 1} - длина нити, выступающей в зону разрыва из зажима питающей пары, 14 - величина расхождения концов элементарной нити после ее разрыва, £"„ - величина предварительной деформации нити, ар - доля упругой деформации, £? - среднее разрывное удлинение, Су - коэффициент вариации 8р, Тр - время разрыва, (I -координата точки разрыва в

сечении вытяжного поля, N - число элементарных нитей в жгуте.

При моделировании распределения длины волокон, получаемых при штапелировании разрывом использованы формулы, полученные в работах проф. Б.С. Михайлова, в результате анализа кинематической схемы движения волокон в зоне разрыва элементарных нитей.

Д [(1 +£■„)£-+

Т„ =—1п-—

' У2 Е(1 + е0)-£р-1

Т„ =

Ьп

/4=Л-/2-/3, где а = ! + <£■„

Поскольку в модели распределения волокон по длине в качестве функцг отклика используется длина волокна, то в многофакторном эксперименте вар] ируемыми независимыми факторами выбраны безразмерные комплексы:

= х3 - £, х4 = СУ .

ьр

Для моделирования распределения длины штапелированных волоко предложен следующий алгоритм:

1. Задаем значения параметров разрывного прибора: скорости питан* и выпуска, разводку; параметры элементарной нити: начальное удлинени среднее разрывное удлинение, долю упругой деформации; условия разрыв; закон распределения точек разрыва в пределах разрывной зоны, в том числе ег параметры, например, для усеченного нормального распределения это средне значение, коэффициент вариации, минимальное и максимальное значения.

2. Генерируем с помощью генератора случайных чисел значение кс ординаты точки разрыва и разрывное удлинение элементарной нити.

3. Рассчитываем по приведенным выше формулам значение длин образовавшегося шгапелированного волокна.

4. Сохраняем это значение в массиве или файле.

Повторяем перечисленные выше пункты 2, 3, 4 до получения достаточн большого объема выборки, обеспечивающего получение надежных оценок.

Выполняем статистическую обработку накопленного массива значени длин волокон: строятся гистограмма в качестве оценки закона распределение вычисляются оценки классических числовых характеристик: математическог ожидания, среднего квадратического отклонения и коэффициента вариацш минимального и максимального выборочных значений. Этот алгоритм являете базовым для проведения исследований на модели влияния различных факторо: действующих в процессе штапелирования на закон распределения длин воле кон.

Приведенный алгоритм позволяет учесть в модели влияние элементо контроля за процессом разрыва. Это можно сделать путем задания определе} ной формы закона распределения точек разрыва.

Сущность метода моделирования динамики процесса штапелирования толщины, получаемой при этом ленты из штапелированных волокон, состоит имитации движения элементарных нитей в вытяжном приборе, их разрыва определенном сечении вытяжного поля и движения получаемых волокон за Л1 шло зажима выпускной пары II.

В главе 2 для моделирования распределения штапелированной ленты и числу волокон в сечении и исследования переходного процесса предлагаете следующий алгоритм: _

1. Ввод исходных данных У1, Уг, К, Бй, £р, а, ар, АГ, А( - интервал времени, ч<

рез который производится подсчет количества волокон в определенном с< чении.

2. Вычисляется координата X = У2&(, в которой фиксируется количество вс локон, с учетом скорости выпускной пары II.

3. Для каждой из N элементарных нитей производится циклическое повторение п.п. 4-6.

4. вычисляем координату точки разрыва d, величину разрывного удлинения и доли упругой деформации, путем, генерации случайных величин по заданным законам распределения и их параметрам;

5. вычисляем величины /,,/,,/,,;

6. формируем массивы, в которых, накапливаем следующую информацию: Р - массив координат передних концов волокон, образовавшихся в результате разрыва элементарных нитей, PZ- массив координат задних концов волокон, Z - массив координат передних концов нитей в зоне разрыва вытяжного прибора;

7. Для образовавшихся после разрыва волокон имитируем движение каждого из полученных волокон из выпускной пары И, для чего вычисляем Pt = Р, *At, Zy = Zj ■+V)*At, PZj = PZj - K2 * At ;'-

8. Проверяем, находится ли волокно в сечении X. Если выполняются следующие условия: PZj > ~(V2&t) и Pj > К Ai, то увеличиваем счетчик числа

волокон К. Если просчитаны все N элементарных нитей, переходим к п. 11, иначе переходим к п.7;

9. Если выполняется условие PZ] < ~(V2At), считаем, что волокно покинуло

зону вытяжки и не находится в сечении X.

10. Если передний конец элементарной нити достиг зажима выпускной пары, т.е. Zj >R, то вычисляем координату точки разрыва d, величину разрывного удлинения и доли упругой деформации, путем генерации случайных величин по заданным законам распределения и их параметрам, вычисляем величины /,,/2,/3,/4, формируем массивы: Р, PZ, Z, переходим к п.7.

И. Запоминаем в массиве NKt количество волокон в сечении X и обнуляем счетчик К. Если в массиве NK, накоплено заданное количество значений, то по этим значениям строим кривую изменения толщины ленты во времени при заданных параметрах разрывного устройства, иначе переходим к п.9.

Построенный алгоритм моделирования был реализован в виде программы на языке TURBO PASCAL 6.0 и явился основой для компьютерной модели динамики процесса штапелирования. В отличие от первой модели, которая является статистической компьютерной моделью и не позволяет исследовать динамику процесса, в данной модели процесс штапелирования рассматривается в его эволюции во времени. Тексты программ приведены в приложении к диссертации.

Верификация моделей путем сравнения результатов моделирования с результатами математических моделей и натурных экспериментов показала, что в большинстве случаев наблюдается хорошее соответствие между этими результатами. Разработанные компьютерные модели могут быть использованы при проектировании новых типов штапелирующих систем и разрывных штапели-рующих устройств, основанных на способе штапелирования разрывом.

В третьей главе рассмотрены результаты экспериментов с компьютерными моделями процесса штапелирования разрывом, описанными в главе 2.

Целями этих экспериментов являлось изучение возможностей применения компьютерных моделей для исследования свойств и особенностей конкретного технологического процесса и получение новой информации о процессе. Для анализа процесса штапелирования в проведенных экспериментах исследовалось влияние вытяжки, разводки, разрывного удлинения, среднего квадрати-ческого отклонения разрывного удлинения и положения мест разрыва на длину штапелированного волокна. Кроме того, исследовано влияние формы закона распределения точек разрыва на распределение штапелированных волокон по длине, при этом использованы равномерный, нормальный и показательный законы распределения точек разрыва с различными параметрами.

Часть экспериментов проводилась по планам многофакторных экспериментов, что позволило исследовать не только степень влияния каждого из варьируемых факторов на зависимые переменные (функцию отклика), но и оценить величину взаимосвязи этих факторов в их влиянии на зависимые переменные. Эксперименты проводились по планам 1-го порядка. Этих планов оказалось достаточно, чтобы решить указанные задачи. При этом не было необходимости использовать дробные планы, которые, снижают информативность эксперимента вследствие явления смешения оценок коэффициентов регрессии.

Другие эксперименты планировались и проводились как однофакторные многоуровневые эксперименты, поскольку в них ставилась цель получить более точную полиномиальную аппроксимацию зависимости функции отклика от варьируемых факторов.

С целью определения влияния скоростей питания и выпуска на регресси-оиные зависимости и распределение волокон по длине в главе 3 проведен ПФЭ 24, при этом использован нормальный закон распределения точек разрыва ~ Ы( 60; 6 ). Уровни варьирования факторов: X] = 2 - 4; х2 = 8,47 - 16,94; х3 = 0,06 -0,12; Х4 = 0,12 - 0,25. Для облегчения анализа полученных регрессионных уравнений незначимые коэффициенты в уравнениях исключены, а для упрощения записи уравнений регрессии использованы обозначения парных взаимодействий факторов:

= Хд — Х2*Х4, Х|о = Х$*Х4

Для упрощения анализа полученных регрессионных уравнений в работе использована методика ранжирования эффектов, входящих в эти уравнения I соответствии с абсолютной величиной их коэффициентов, приписывая старшие ранги эффектам с большими значениями коэффициентов.

Г /Т°: р/ р

XI > X} > х2 > х6 > х5 > х8 > х4 Х4>Х\> Хт> ХЪ> Хг> ХЮ> Хь> Хъ> х%

I: Х2>Х] >хз >*б >Х&>Х} > Х4> Х7> Хд> ХЮ

М01: х2 > х\ > хз > Х(, > х5 > лк > хю > x^ > х9 > х4 Мех2 > X] > хз > х^ > х$ > х$ > х4 > х7 ~ х10 > х?

Из результатов проведенного эксперимента установлено, что вытяжка жазывает основное влияние на время разрыва. Факторы х2, х3, и парные »заимодейтсвня .г5 и д-6, оказывают почти равное влияние на время разрыва. Основными факторами, влияющими на коэффициент вариации волокон по шине являются среднее квадратическое отклонение разрывного удлинения и ¡ытяжка. Следующим по степени влияния на коэффициент вариации волокон то длине является фактор х7, т.е. парное взаимодействие вытяжки и неравномерности по разрывному удлинению. Наиболее сильно влияющими факторами ш характеристики длины волокна являются разводка, вытяжка, среднее значе-ще разрывного удлинения и их парные взаимодействия х6. Остальные факторы ;лабо влияют на параметры модели.

Для анализа влияния формы распределения на коэффициенты регрессий рассмотрено равномерное распределение точек разрыва при сохранении уров-гей варьирования факторов.

Ранжирование факторов показывает, что при равномерном распределе-зии точек разрыва главным фактором, влияющим на время разрыва волокон, остается вытяжка, затем разводка и их разрывное удлинение. Коэффициент ва-эиации волокон по длине сильно зависит от величины вытяжки и среднего разрывного удлинения, а также факторов и д-4. Факторы х2, х\ и оказывают эсновное влияние на длину образующихся волокон.

Установлено, что форма закона распределения волокон по длине зависит эт закона распределения точек разрыва и не зависит от факторов, варьировавшихся в многофакторных экспериментах: разводки, скорости питания и выпуска, в отличие от основных числовых характеристик длины волокна - среднего и дисперсии.

Так как целью штапелирования является получение штапелированных волокон из практически бесконечной элементарной нити, то в качестве основной характеристики процесса штапелирования была выбрана длина штапелированных волокон. Эта величина является случайной, поскольку зависит не только от детерминированных факторов, например, вытяжки, разводки, но и от случайных факторов, например разрывного удлинения нити на участке разрыва и положения точки разрыва в разрывной зоне.

Компьютерное моделирование позволяет в отличие от других методов исследования, использовать в качестве наблюдаемой величины, совокупность функциональных и числовых характеристик длины штапелированных волокон. В качестве таких характеристик в однофакторных экспериментах выбраны: выборочное среднее от длины волокна /, как оценка средней длины волокна; оценка коэффициента вариации длины волокна СУ Iоценка минимальной и максимальной длины волокна 1тЫ,1тах', а также гистограмма распределения волокон по длине.

При статистической обработке полученные экспериментальные данные подвергались так называемому "цензурированию". Цель "цензурирования" состоит в том, чтобы отсеять небольшое число выскакивающих, т.е. сильно отличающихся от остальной выборки значений. Присутствие этих значений в ис-

ходной выборке может существенно исказить оценки, в особенности, если полученные выборочные распределения имеют "тяжелые хвосты", как, например равномерное или показательное распределения.

В главе 3 при изучении влияния величины разводки между питающей I выпускной парой в зоне разрыва на длину штапелированного волокна величин; вытяжки была зафиксирована на среднем из рассмотренных уровней (Е=2). Величина разводки варьировалась на четырех уровнях: 70, 100, 150 и 200 мм. Результаты эксперимента с указанием числа волокон в каждом классе показаны 5 таблице ("цензурированная" выборка).

1 ,мм СГ^/о 1 2 3 4 5 6

54,80 32,98 16,55 88,16 32 60 75 88 73 52

73,42 38,80 19,84 126,39 42 82 75 63 65 53

113,37 36,71 32,48 188,89 50 63 58 80 78 51

147,39 39,17 42,31 | 257,84 57 74 62 79 61 47

Из результатов проведенного эксперимента следует, что / линейно возрастает с ростом разводки, СУ[. слабо зависит от разводки. Для повышен«} достоверности этого вывода была построена регрессионная однофакторная мо дель зависимости / от Я: / =3,65 + 0,72К.

Изменение величины среднего квадратического отклонения разрывногс удлинения вырьировалось на шести уровнях: 0, 4, 8, 12, 16 и 20 %. Из анализе полученных результатов можно сделать вывод, что длина получаемого штапелированного волокна возрастает при увеличении среднего квадратического отклонения разрывного удлинения. Регрессионная модель зависимости /от <уа

имеет вид: I = 127,37 +- 0,57

В результате проведенных экспериментов установлено, что наиболее сильно влияющими факторами на контролируемые переменные величины яв ляются разводка и вытяжка, причем с увеличением вытяжки средняя длина во локон уменьшается. Например, при увеличении вытяжки в 3 раза (с 1,5 до 5' длина волокон сокращается на 28%, а коэффициент вариации волокон по длин« увеличивается на 20%. Между величиной разводки и средней длиной волокш наблюдается линейная зависимость.

В четвертой главе описаны компьютерные эксперименты с статистиче ской имитационной моделью, проведенные с целью изучения зависимости ос новных динамических характеристик процесса от следующих параметров шта пелирующей системы: вытяжки Е, разводки Я, доли упругой деформации ар

среднего квадратического отклонения доли упругой деформации (Уар, разрыв

ного удлинения £р, среднего квадратического отклонения разрывного удлине

ния <Т£р, изменения положения точек разрыва с1.

Построенная в работе компьютерная модель динамики штапелировани: позволяет изучить переходные процессы на штапелирующих машинах, которьи

юзникают при включении или выключении машины. Из теории динамических :истем известно, что, зная особенности переходных процессов, можно полу-шть более глубокое представление о работе системы и о ее свойствах.

Имитация неконтролируемого и контролируемого способов разрыва фоводилась путем выбора равномерного и нормального законов )аспределения точек разрыва.

Для изучения переходного процесса необходимо имитировать подачу на иод системы ступенчатого воздействия. Применительно к процессу штапели-ювания это означает запуск в зону разрыва переднего конца штапелируемого кгута. Изучение переходного процесса позволяет проследить, каким образом трастает в системе хаотичность точек разрыва и устанавливается распределе-ше толщины ленты, а также выявить влияние ряда факторов на основные ха->актеристики переходного процесса.

В качестве основных характеристик переходного процесса в работе ис-юльзованы: длительность переходного процесса и степень колеблемости. Для IX оценки использовались общепринятые методы, предложенные в теории ди-шмических систем. Величина колеблемости определялась по отношению ам-шитуд первых трех последовательных полуволн переходного процесса:

где Ао, А¡, Л? - амплитуды первых трех последовательных полуволн, (чисто волокон в сечении ленты).

При проведении экспериментов факторы изменялись в диапазонах: Е = .,8-20, й = 70-200мм, ¿?р = 2 - 55 %, СГер = 0-20%, ар= 0- 100%, <Тар = 5

-10 %, число элементарных нитей в жгуте принято равным 500.

Изучение влияния вытяжки на вид переходного процесса показало, что тепень колеблемости убывает при увеличении вытяжки. При этом время пере-юдного процесса увеличивается пропорционально увеличению вытяжки в зоне >азрыва.

Для имитации случая неконтролируемого разрыва все эксперименты бы-ш проведены при тех же значениях постоянных параметров и при том же плане жсперимента, но с использованием равномерного закона распределения точек >азрыва в пределах от 0 до Л, вместо нормального закона распределения. Сравнивая полученные при этом данные, можно сделать следующие выводы. Зид переходного процесса заметно меняется в зависимости от распределения точек разрыва. При неконтролируемом разрыве переходный процесс имеет вид, 5лизкий к апериодическому, уменьшаются амплитуды колебаний.

Оценка влияния величины среднего квадратического отклонения доли упругой деформации на вид и длительность переходного процесса показала, 1то величина среднего квадратического отклонения доли упругой деформации жазывает более значительное влияние на характеристики переходного процесса, чем доля упругой деформации. Чем больше величина среднего квадратиче-;кого отклонения, т.е. разброс значений доли упругой деформации, тем более «стабильна толщина штапелированной ленты по числу волокон в поперечном

сечении. Сильно увеличивается степень колеблемости переходного процесса, также его длительность.

Исследование зависимости характеристик переходного процесса от га ложения точек разрыва в разрывном устройстве показало, что минимальн; степень колеблемости устанавливается в случае когда закон распределения т< чек разрыва волокон между питающей и выпускной парами разрывного устро) ства имеет вид ~ N(1^2,511/20) и ~ ип(ОД). Длительность переходного процем при распределении точек разрыва по закону ~ N(11/2,51^20) почти такая же, кг и в случае равновероятного распределения точек разрыва. В случае слабо! контроля за зоной разрыва и равновероятного распределения точек разрыва у| танавливается наименьшее время переходного процесса и небольшая, по сра! нению с другими законами распределения, степень колеблемости. Если разрь: всех волокон происходит очень локально N(1-^/2,1^20), то степень колеблемое! высока (см. рисунок), если разрыв всех волокон происходит в одной точ* N(1^2,0], то время переходного процесса бесконечно.

В результате проведенных экспериментов установлено, что наиболее с; щественное влияние на основные характеристики переходного режима: ег длительность и колеблемость, - оказывают величина вытяжки, распределена точек разрыва (т.е. вид разрыва - контролируемый или неконтролируемый степень зажима и контроля волокон в выпускной паре.

Рис. Переходный процесс в случае распределения точек разрыва по закону N(1*72,11/20)

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Решена важная научно-техническая задача создания методологических алгоритмических основ системного исследования технологического прс

цесса штапелирования разрывом на базе компьютерного моделирования этого процесса.

2. Разработаны методологические основы компьютерного моделирования технологического процесса штапелирования разрывом.

3. Обоснована высокая научно-техническая эффективность использования имитационных и статистических компьютерных моделей в предпроект-ных и научных исследованиях процесса штапелирования.

4. Разработаны структура и алгоритмы моделирования процесса штапелирования разрывом.

5. Предложена методология компьютерных экспериментов с построенными моделями процесса штапелирования.

6. Впервые построены компьютерные статистические и имитационные динамические модели процесса штапелирования, реализованные в виде программ для ЭВМ.

7. Выполнена верификация моделей и проверка их адекватности путем исследования их работы на специально подобранных исходных данных и сравнения результатов компьютерного моделирования с результатами математического моделирования и натурных экспериментов, показавшие работоспособность моделей и их эффективность при исследовании процесса штапелирования.

8. Выполнены компьютерные одно- и многофакторные эксперименты с компьютерными моделями, позволившие установить зависимости между распределением штапелированных волокон по длине и его числовыми характеристиками, с одной стороны, и конструктивными параметрами разрывного прибора: разводкой, степенью зажима волокон в разрывной паре, наличием контроля зоны разрыва; кинематическими характеристиками: скоростями питания и выпуска; свойствами перерабатываемого жгута: разрывным удлинением и его разбросом , долей упругой деформации нитей, - с другой стороны.

9. В работе использованы безразмерные факторы и зависимые переменные, построенные на основе теории подобия и размерностей, что позволило получить существенно более общие зависимости между исследуемыми факторами и зависимыми переменными.

10. Впервые в многофакторных экспериментах наряду с регрессионными зависимостями использованы функциональные характеристики (гистограммы распределения) зависимых переменных благодаря применению методов статистической компьютерной имитации процесса штапелирования.

11. Впервые выполнено детальное исследование динамики переходных режимов процесса штапелирования благодаря применению разработанной в диссертационной работе компьютерной имитационной динамической модели процесса и методики проведения с ней динамических экспериментов.

12. Установлено, что наиболее существенными факторами, влияющими на особенности распределения штапелированных волокон по длине являются: разводка, вытяжка, разрывное удлинение и их парное взаимодействие.

13. Установлено, что форма закона распределения волокон по длине в отличие от его основных числовых характеристик - среднего и дисперсии, практически не зависит от факторов, варьировавшихся в многофакторных экспериментах: разводки, скорости питания и выпуска. Однако форма распределения существенно зависит от закона распределения точек разрыва.

14. Установлено, что чем больше контролируется зона и режим разрыва нитей, тем более длительным и колебательным будет переходный режим штапелирования и выше неровнота получаемой ленты. В работе получены количественные соотношения для этих зависимостей.

15. Разработанные в диссертации модели и методы их применения могут найти использование при проектировании новых более совершенных штапелирующих разрывных устройств и для выбора рациональных режимов работы существующих штапелирующих машин для прогнозирования ожидаемых особенностей их работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Александров К.Б., Грачев А.В, Севостьянов П.А. Компьютерное моделирование процесса штапелирования разрывом. - Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 199S, № 1, с. 24 - 27.

2. Александров К.Б., Севостьянов П.А. Исследование распределения длин волокон при контролируемом и неконтролируемом разрыве. Справка о депонировании научной работы за № 3908 - лп от 05.04.2000.

3. Александров К.Б., Севостьянов П.А. Моделирование переходных режимов процесса штапелирования методом разрыва. Справка о депонировании научной работы за № 3909 - лп от 05.04.2000.

ЛР №020753 от 23.04.98

Подписано в печать 07.04.2000 Сдано в производство 07.04.2000 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Уч.-йзд.л. 0,75 Заказ 183 Тираж 80

Электронный набор МГТУ, 117918, ул. Малая Калужская, 1