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

Введение.

Глава 1. Анализ оборудования, технологий и исследований в области штапелирования жгута из химических элементарных нитей.

1.1. Особенности оборудования для штапелирования разрывом.

1.2. Требования к жгутам из элементарных нитей и технологические особенности химических волокон при штапелировании разрывом.

1.3. Теоретические исследования и математические модели процесса штапелирования разрывом.

1.3.1. Условия протекания процесса штапелирования и неровнота штапелированной ленты.

1.3.2. Влияние положения точек разрыва на процесс штапелирования.

1.3.3. Модели и методы исследования процесса штапелирования . .32 Выводы по главе 1.

Глава 2. Компьютерное моделирование процесса штапелирования разрывом.

2.1. Основные задачи компьютерного моделирования при исследовании процесса штапелирования разрывом.

2.2. Математическая модель длины волокон, полученных штапелированием разрывом.

2.3. Моделирование распределения длины волокон после штапелирования жгута разрывом.

2.4. Пример компьютерного эксперимента со статистической моделью длины штапелированных волокон.

2.5. Моделирование динамики штапелирования и неровноты штапелированной ленты по числу волокон в сечении.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Компьютерные эксперименты с моделями процесса штапелирования разрывом.

3.1. Многофакторные эксперименты с статистической моделью длины штапелированных волокон.

3.1.1. Влияние разводки на регрессионные зависимости параметров и вид распределения длины волокон.

3.1.2. Влияние скоростей питания и выпуска на регрессионные зависимости параметров и вид распределения длины волокон.

3.1.3. Влияние формы распределения точек разрыва (равномерное распределение) и вытяжки на регрессионные зависимости параметров и вид распределения длины волокон.

3.1.4. Влияние формы распределения точек разрыва (показательное распределение) и вытяжки на регрессионные зависимости параметров и вид распределения длины волокон.

3.2. Однофакторные эксперименты с компьютерной моделью штапелирования жгутов методом разрыва.

3.2.1. Влияние вытяжки в зоне разрыва на длину штапелированных волокон.

3.2.2. Влияние разводки в зоне разрыва на длину штапелированных волокон.

3.2.3. Влияние доли упругой составляющей деформации нити в момент разрыва на длину штапелированных волокон.

3.2.4. Влияние величины разрывного удлинения нити на длину штапелированных волокон.

3.2.5. Влияние среднего квадратического отклонения разрывного удлинения нити на длину штапелированных волокон.

3.2.6. Влияние положения мест разрыва в разрывном устройстве на длину штапелированных волокон.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Имитационная модель процесса штапелирования жгута разрывом.

4.1. Распределение штапелированной ленты по числу волокон в сечении.

4.1.1. Зависимость характеристик переходного процесса от вытяжки.

4.1.2. Зависимость характеристик переходного процесса от разводки.

4.1.3. Зависимость характеристик переходного процесса от доли упругой деформации и среднего квадратического отклонения доли упругой деформации.

4.1.4. Зависимость характеристик переходного процесса от величины разрывного удлинения элементарных нитей жгута и среднего квадратического отклонения разрывного удлинения.

4.1.5. Зависимость характеристик переходного процесса от положения точек разрыва в разрывном устройстве.

4.2. Исследование изменения положения точки зажима волокон в выпускной паре.

4.2.1 Влияние положения точки зажима волокон в выпускной паре на характеристики переходного процесса.

4.2.2. Влияние положения точки зажима волокон в выпускной паре на длину штапелированных волокон.

Выводы по главе 4.

Штапелирование является важнейшим технологическим процессом производства химических волокон. Технология этого производства основана на получении жгута (ленты), состоящего из большого числа (несколько сотен или сотен тысяч) элементарных нитей. Эти нити имеют толщину того же порядка, что и натуральные волокна, но их длина во много раз превышает длину любых натуральных волокон (хлопок, шерсть), даже таких длинных, как лен или шелк.

Экономически и технически выгодным путем, по которому идут во всех странах - производителях и переработчиках химических волокон, является получение из элементарных нитей волокон заданной длины, которые по своим физико-механическим свойствам близки к натуральным волокнам. Это позволяет использовать в производстве пряжи традиционные широко распространенные и хорошо технически оснащенные технологии переработки натуральных волокон. Кроме того, это открывает возможность создания пряжи из смесей натуральных и химических волокон по технологиям переработки натуральных волокон [1, 2, 3, 4].

По данным японской Ассоциации химических волокон к 1998 году, производство текстильных волокон в мире составило 45,3 млн. т. По сравнению с 1997 годом производство химических волокон (за исключением полиолефино-вых и стеклянных волокон) увеличилось на 1 % (25,1 млн. т), хлопка на 6 % (18,7 млн. т), шерсти на 2 % (1,4 млн. т), объем натурального шелка сохранился на прежнем уровне (88 тыс. т). В секторе химических волокон прирост производства синтетических волокон составил 4 % (22,9 млн. т), а по целлюлозным, наоборот, произошел спад по сравнению с 1997 г. на 3 % - до 2,2 млн. т. Сократился выпуск полиамидных волокон (-1 %), полиакрилонитрильных (-2 %), целлюлозных (-3 %), тогда как производство полиэфирных волокон увеличилось на 3 %, а полипропиленовых волокон на 6 %.

По темпам роста производства, начиная с 1991 г. и по прогнозам до 2001 г., полиолефиновые и полипропиленовые (ПП) волокна и нити занимают первое место среди всех видов химических волокон и нитей, опережая по этому показателю полиэфирные и ПАН волокна соответственно в 2 и 3 раза. В 1998 г. выпуск ПП волокон и нитей, которые имеют широкий спектр потребления (канаты, ткани для мебели и одежды, ковры, медицинские изделия), составил около 5 млн. т, в том числе в Западной Европе - 1,6 млн. т, в США - 1,2 млн. т (из них примерно 1 млн. т нитей). Прирост производства ПП волокон в Западной Европе за период с 1997 по 1998 годы составил, для ковровой пряжи - 9 %, спанбонда - 5 %, штапельного волокна и мононити - 4 %. Ожидается, что к 2000 году выпуск ПП волокон и нитей увеличится до 6 млн. т, и в мировом рейтинге полиэфирные и ПП волокна будут занимать соответственно 1-е и 2-е место. В 1998 г. в мире произведено чуть более 16 млн. т полиэфирных волокон и нитей, в том числе 8865 тыс. т нитей, включая технические, текстильные и мононити, и 7193 тыс. т волокон, включая резаное и жгут. К концу 2000 г. ожидается дальнейший рост мощностей до 21,2 млн. т в год, в том числе по производству нитей - до 12 млн. т и волокон - до 9,2 млн. т [5].

Основной метод получения волокон из элементарных химических нитей состоит в применении процесса штапелирования, т.е. разделения длинных элементарных нитей на волокна заданной длины. Известны и нашли применение в производстве четыре способа штапелирования: разрезание элементарных нитей на резально-штапелирующих машинах с использованием специальных фрез, дифференцированное разрезание, неконтролируемый и контролируемый разрыв нитей жгута на разрывных штапелирующих машинах [3].

Все способы имеют преимущества и недостатки, что и обуславливает их применение. В числе преимуществ способа разрезания жгута элементарных нитей являются высокая производительность и поддержание постоянной длины получаемых штапелированных волокон. Недостатком его является эффект склеивания концов одновременно разрезаемых нитей, что резко увеличивает неравномерность штапелированной ленты и сильно затрудняет ее дальнейшую обработку. Для повышения качества разрезания необходимо, чтобы режущая кромка фрезы была максимально остра, а давление ножей фрезы на элементарные нити возможно больше. Эти требования противоречивы, т.к. при большом давлении кромка ножей быстро затупляется, что заставляет часто останавливать машину и менять фрезу. Кроме того, при большом давлении увеличивается вероятность склеивания концов штапелированных волокон. При малом давлении возможно неполное разрезание (не всех элементарных нитей в жгуте), что является браком в работе машины.

Преимуществами способа разрыва являются более простая конструкция машины (последовательность пар "цилиндр - нажимной валик" многозонного вытяжно-разрывного прибора или однозонного), непрерывность процесса шта-пелирования, получение штапелированной ленты с распределением волокон, близким к их распределению в так называемой "пуассоновской ленте" [6], отсутствие периодической составляющей в неровноте штапелированной ленты по линейной плотности. В то же время у этого способа известен и ряд недостатков. Среди них большая, чем при методе штапелирования разрезанием, дисперсия длины получаемых штапелированных волокон, возможна высокая и нестационарная случайная неровнота штапелированной ленты по линейной плотности вследствие нестабильности условий разрыва элементарных нитей, повышенная степень усадки получаемой из ленты пряжи вследствие того, что элементарные нити в процессе разрыва подвергаются растяжению, и накапливаемая при этом эластическая составляющая деформации проявляется в физико-механических свойствах пряжи.

Важная роль, которую играют штапелированные волокна в производстве пряжи из химических волокнистых материалов и их смесей с натуральными волокнами, определила большое число теоретических и экспериментальных научных исследований, изобретений и патентов, нацеленных на решение укав занной проблемы. Однако, несмотря на эти исследования, в проблеме изучения технологии штапелирования до сих пор существуют нерешенные задачи.

В их числе:

1. недостаточно исследовано влияние вероятностных характеристик отдельных факторов, влияющих на процесс штапелирования и свойства получаемой штапелированной ленты и волокон, например, влияние дисперсии и формы распределения точек разрыва элементарных нитей на форму распределения длины волокон и его характеристики; влияние распределения точек перехода на скорость выпуска на характеристики неровноты получаемой штапелированной ленты;

2. недостаточно исследовано влияние нестабильности указанных характеристик на неровноту ленты и распределение волокон по длине; особенности нестационарных режимов протекания процесса штапелирования.

Все эти задачи не удавалось решать вследствие отсутствия до настоящего времени достаточно эффективного инструментария и методики. Поэтому задачей диссертационной работы является анализ существующих методов и средств для исследования технологических систем такого класса как штапели-рующие машины и разработка методики и средств для решения перечисленных выше задач статистического анализа процесса штапелирования разрывом в статическом (стационарном) и динамическом (нестационарном) режимах.

Общие выводы по работе:

1. Решена важная научно-техническая задача создания методологических и алгоритмических основ системного исследования технологического процесса 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,

156 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.

1. Гусев В.Е., Кориковский П.К. Штапельное волокно в шерстопрядении. М.: Гизлегпром, 1954. - 197 с.

2. Усенко В.А., Дамянов Г.Б., Адыров П.В. Производство текстурированных нитей и высокообъемной пряжи. М.: Легкая индустрия, 1980. - 255 с.

3. Усенко В.А., Родионов В.А., Усенко Б.В. и др. Прядение химических волокон. М.: Международная программа образования, 1999. - 471 с.

4. Ефименко В.И., Иванов Л.Н. Техника и технология штапелирования жгутовых химических волокон в шерстяной промышленности. М.: ВЗМИ, 1983. -231с.

5. Айзенштейн Э.М. Химические волокна важный фактор экономического подъема // Текстильная промышленность. - 1999. - № 2 — 3.

6. Л.Н. Гинзбург, В.П. Хавкин, Ю.М. Винтер, A.M. Молчанов Динамика основных процессов прядения. М.: Легкая индустрия: 4.1, 1970. - 304 е., 4.2, 1972,-308 е., 4.3, 1976.-224 с.

7. Михайлов Б.С., Севостьянов А.Г. Теория и практика штапелирования жгутов методом разрыва. М.: Легкая индустрия, 1971. - 200 с.

8. Михайлов Б.С. Штапелирование жгута способом разрыва. М.: Легпром-бытиздат, 1993. - 128 с.

9. Белопольский A.M. Основные направления в создании ленточно-разрывных и ленточно-штапелирующих машин // Обзор. М.: ЦНИИТЭИЛегпищемаш, 1976.-44 с.

10. Усенко В.А. О классификации, стандартизации химических волокнистых материалов // Химические волокна. 1997. - № 4. - с.54-58.

11. Литвинов М.С. Исследование процессов формирования штапелированной ленты на резально-штапелирующих машинах для пневмомеханического способа прядения. Дис. . канд. техн. наук. М., 1974. - 159 с.

12. Цыганов И.Б. Исследование процесса штапелирования разрывом жгутовых химических нитей при сверхвысокой вытяжке в однопереходном пневмомеханическом прядении. Дис. . канд. техн. наук. -М., 1974. 163 с.

13. Симонян В.О. Разработка и исследование технологии однопроцессного пневмомеханического прядения из малоразвесного жгута. Дис. . канд. техн. наук. М., 1975. - 158 с.

14. Маргвелашвили Д. С. Разработка и исследование однопроцессного пневмомеханического прядения с разрезанием малоразвесного жгута. Дис. . канд. техн. наук. М., 1973. - 147 с.

15. Севостьянов А.Г., Севостьянов П.А., Маргвелашвили Д.С. Влияние расправки вискозного жгута на неровноту штапелированного продукта. Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 1974, №2, с. 40-44.

16. Севостьянов А.Г., Севостьянов П.А., Симонян В.О. О динамике штапелирования разрывом. Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 1974, №5, с. 29-33.

17. Иголкина Л.М. Разработка технологий получения штапелированной ленты, нетканых материалов и нитей из жгута: Автореф. дис. . канд. техн. наук. -СПб., 1993.-24 с.

18. Слываков В.Е. Рациональные методы переработки химических волокон. -М.: Легпромбытиздат, 1990. 144 с.

19. Харебов А.А. Исследование некоторых специфических особенностей шта-пелированной ленты. Автореф. дис. . канд. техн. наук. -М.: ,1972. 19 с.

20. Слываков В.Е. Штапелирование химических волокон в жгуте. М.: Легкая индустрия, 1968. - 214 с.

21. Севостьянов А.Г., Хавкин В.П. Влияние распрямленности волокон на неров-ноту ленты. Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 1966, №10. с. 63-69.

22. Севостьянов А.Г. Методы и средства исследования механико-технологических процессов текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. - 392 с.

23. J. Waggett. The Relation between the Orientation of Filaments in a Rayon Tow and some Characteristics of Tops made from Tow, Journal of the Textile Institute, Transactions, vol. 45, № 2, p. 81-91, 1954.

24. Pittman R.A., Tallant J.D. Random-fiber breakage models. Textile Research Journal, 1969. V. 39. N8. P. 787-789.

25. Слываков В.Е. Исследование процесса штапелирования жгутовых химических волокон и его усовершенствование. Дис. . д-ра техн. наук. - М., 1970.-339 с.

26. Белопольский A.M., Хавкин В.П. Исследование процесса штапелирования на ленточно-разрывной машине. Научно-исследовательские труды. М.: ВНИ-ИЛТекмаш, 1976, т. 25, с. 37-43.

27. Михайлов Б.С. Динамика процесса вытягивания при локальном разрыве волокон. -Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 1979, №6. с. 49-52.

28. Михайлов Б.С. Передаточные функции вытяжного прибора при нелокальном разрыве волокон. Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 1981, №3. с. 28-32.

29. Михайлов Б.С. Штапелирование жгутов способом разрыва. Дис. . д-ра техн. наук. - Л., 1983. - 379 с.

30. Черемская И.А. Исследование процесса штапелирования жгутовых химических волокон методом неконтролируемого разрыва на ленточно-разрывных машинах. Автореф. дис. . канд. техн. наук. Л., 1977. - 23 с.

31. Павлов Ю.В., Минофьев A.A., Михайлов Б.С. и др. Теория процессов, технология и оборудование для приготовления крученой, фасонной пряжи и ниток. Иваново.: Ивановская Государственная текстильная академия, 1999. -460 с.

32. Михайлов Б.С. Длина волокон при неконтролируемом способе разрыва жгута. Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 1986, №3, с. 30-32.

33. Севостьянов А.Г. Методы исследования неровноты продуктов прядения. -М.: Ростехиздат, 1962. 368 с.

34. Севостьянов А.Г. Современные методы исследования неровноты продуктов хлопкопрядения М.: Легкая индустрия, 1966. - 88 с.

35. Бусленко Н.П. Метод статистического моделирования. М.: Статистика, 1970.-112 с.

36. Ермаков С.В., Михайлов Г.А. Курс статистического моделирования. М.: Наука, 1976.-319 с.

37. Советов В.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1999. -244 с.

38. Севостьянов П.А., Грачев A.B. Исследование процесса штапелирования в разрывном приборе с валиком трения методом статистического моделирования. Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 1976, №1, с.51-54.

39. Севостьянов А.Г., Севостьянов П.А. Моделирование технологических процессов. М.: Легкая и пищевая пром-ть, 1984. — 344 с.

40. Грачев A.B. Имитационное моделирование разрыва волокон в прядении. Учебное пособие/ Московский текстильный интститут им. А.Н. Косыгина. -М.: ,1987.-27 с.

41. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании / Пер. с англ. Ю.П. Адлера; под ред. Ю.П. Адлера и В.Н. Варыгина. М.: Статистика, 1978, т. 1 - 222 е., т. 2 - 335 с.

42. Александров К.Б., Грачев А.В, Севостьянов П.А. Компьютерное моделирование процесса штапелирования разрывом. Изв. ВУЗов: Технология текстильной промышленности, 1998, №1, с. 24-27.

43. 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.

44. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высшая школа, 1999. - 479 с.

45. Шеннон Р. Ю. Имитационное моделирование искусство и наука / Пер. с англ.; под ред. Е.К. Масловского. -М.: Мир, 1978. - 418 с.162

46. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронных вычислительных машинах. М., 1971. - 386 с.

47. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1981. — 447 с.

48. 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.

49. Холлендер М., Вульф Д. Непараметрические методы статистики / Пер. с англ. Д.С. Шмерлинга; под ред. Ю.П. Адлера и Ю.Н. Тюрина. М.: Финансы и статистика, 1983. - 518 с.

50. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. М.: Энергоиз-дат, 1981.-303 с.

51. Севостьянов П.А. Прогнозирование характеристик и повышение эффективности исследований технологических систем прядильного производства. Дис. . д-ра техн. наук. М., 1985. - 382 с.4(Жу 042000 г.- --проф. А.Н. Черников1. АКТ

52. О внедрении результатов научных исследований в учебный процесс.

53. Зав. кафедрой ИТ и ВТ МГТУ им. А.Н.д.т.н., проф.

54. Ученый секретарь кафедры ИТ и ВТ к.ф-м.н, доц.1. П.А. Севостьянов((ЙсполнШ^зьный директор -ря^А^^ЬШанй^^айковский текстиль"1. Н.И.Кокорин

55. Компьютерная имитационная статистическая модель процесса

56. Директор службы по исследованиям и разработкам2812.1999г.1. Н.В.Буторина