автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.08, диссертация на тему:Научные основы прогнозирования и управления свойствами модифицированных термообработкой текстильных материалов

РОССИЙСКАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕЛИ1Я им. Г. В. ПЛЕХАНОВА

На правах рукописи

ВАСИЛЬКОВ Юрий Викторович

УДК 620.2 : 677.494

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ СВОЙСТВАМИ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТЕРМООБРАБОТКОЙ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.19.08 — Товароведение промышленных товаров и сырья легкой промышленности

05.19.03 — Технология текстильных материалов

Автореферат диссертацин на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва, 1992

Работа выполнена на кафедре технической кибернетики Ярославского политехнического института.

О ф ицнальные о п понепт ы:

доктор технических наук, проф. Стрельцов Б. Н.,

доктор химических паук Стековскии Л. П.,

доктор технических паук, проф. Коновалов В. И.

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский институт технических тканей (НПИТТ) г. Ярославль.

Защита состоится «1+-» 1Ъ 1992 года в час.

на заседании специализированного совета Д 063.62.07 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Российской Экономической Академии им. Г. В. Плеханова по адресу: 1 13054, Москва, Стремянный пер., 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РЭЛ.

Автореферат разослан «

Ь » /( 199Ъ I.

Ученый секретарь специализированного совета,

к. т. п., доцент И. И. Р я с и к

РОО^С-С - — I -

rOOyfí/U'C {г.-- • !

ьШ^ОТХЛ '....... "" '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ Актуальность проблема. Ь настоящее время eco Сольвэ

юсширяются сферы пркменакия в народном хозяЯстг ' разл" мпс ¡зделия, основу которых составляют текстильные нити или ткани из галимерных волокон или самостоятельного использования, или a i о ■аве композитов. Прячем это касается не только товаров народного гагребления (одежда, различные изделия битового хариктора), но и [ромшлвнного, a тякке другого назначения' ( например,спортивного, i музыкальных инструментах и т. д.). То»при проуьшлвнного кзензче-шя чацэ вс9г0 К0КПОЗИ51О.-2К, ВКЛЗГ9ЙТ в с05я тзкетальаув основу ;а¿ ездовой каркас: вины для легконих автомобилей, вривэдшэ «нтиляторше pG.sosi для автомобилей и'другой техники, различные гвкта, в том число к для палаток, фдльтрн и многое другой. Во ices этих случаях свойство и хочэстзо текстильного материала ю многом определяет качество конечного товара: его срок f*-уа;с5и, ютраЗительскке свойства. В сгягк о это: веж—ми а актуашшми таляются вопросы повышения качества тохстилшой основы ьжогях говоров, их влияния на качастьо кОЕЗчгпас товаров. В промиаязнности управление качеством текстильных мвтериалоз из • нашмершос волокон может Сыть осуществлено раэлячндеи процессами ЗазичвскоЯ кодифихагг.м, одним из наиболее бпкязд. являатся процессы се.чпзратурно-силоЕэЯ модификации. Эти процесса изменяют надмолекулярную структуру .Полимера, меамолэкулярнко связи, и некоторые другие- характеристики -полимеров, что в свои очередь приэо-дит к изменении ряда потребительских свойств изделия. Эта «э;ыфя-кация реализуется в технологических процессах термообработки-В настоящее время исследования в области управления качеством тэриообработвшшх материалов не имеют систематического цс-леяап- . равленного подхода, аракпгмеки решаются только отдельные технологические задачи,. конструирование оборудования для процессе, и в ряде других направлений, во единых систематических, многоплановых с учетом . всех аспектов (структуры полимера, технологии, процессов и аппаратов, материале- в товароведения и др.) нет.

Исследования в указанном направлении представляют новое научное направление в товароведении и технологии процеосоз термоой-

- г -

работки, имеющее ввхное практическое значение для ооадания новых процессеч и управления качеством как компонентов сложных товаров, гак и товаров в целом.

Ш®_3^в253и_яомеаованиЯл Цель - разработать качественное и ко. лгчвотвейное описание влияниякомплексных внешних воздействий на модификацию текстильных изделий о целью управления их качеотвом.

В соответствии с □оставленной целью задачами исследований являютоя:

- установление причинно-следственных овяаей в процаосе термообработки текстильных материалов, определяющих комплексное влияние технологического оборудования, технологических режимов, оиотем управления ва структурныеизменеяия з полимере;

- установление колзгчеогненных связей, определящих изменение характеристик непрерывно движущихся обрабатывавшие «атериалов под воздействием силового, температурного полей, поля скоро лей , теплоносителя, позволяющих учитывать распределенность воадейот вия;

- выявление особенностей взаимодействия шлей технологического аппарата о текстильным материалом;

- научное обоснование эффективности енотом управления качеством обработанных : сериалов;

- разработка путей повышения качества обработанных материалов.

Научная новизна. Предлагаемая работа является циклом систематических исследований!как процеоса термообработки текстильных материалов, так и проблем управления качеством термообработвн-еых материалов.

р д^ссертвции^получеш следуюпие назчные данные:

- разработана семантическая модель представления анаша о процесс; се термообработки в результате комплексных внешних, воздействий на материал, устанавливающая причинно-следственные связи, определяющие влияние технологического оборудования, технологии, : систем, управления на структурные изменения в полшере;

, - разработана математическая модель, описывающая изменение харак-*,, териотик непрерывно движущихся техотильных материалов при комплексном воздействии внешних физических полей; ; - разработаны методы анализа взаимодействия температурного поля я

поля скоростей теплоносителя о текстильными материале«!, нв основании которых решены задачи оптимального проектирования элементов технологического оборудования;

- разработаны методы комплексной оценки качества текстильных материалов, использующихся в производство легковых ввтумобилей (шинный корд, Енура для вентиляторных ремней) та некоторых других-которые использованы для оптимизации качества материалов;

- разработаны алгоритмы косвенного непрерывного контроля качества обработанного материала и управления ста' :льностыз его свойств.

Пра тическая значимость. Проведено исследование технологического оборудования и технолога.; термообработки промышленного оборудования на заводах стрени, дани рекомендации и проведены циклы соответствующих работ по повышению эффективности процессов, поведению качества обработанных текстильных материалов, состроены -номограммы.для оперативного управления свойствами обработанных материалов, разработаны новые системы автоматического управления • процессами и отдельные технические средства для их реализации, защищенные авторскими свидетельствами СССР.

Некоторые теоретические положения и экспериментальные результаты используются вкачестве учебного материала. в методических указаниях л пособиях, лекциях, курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения я результаты диссертация ' представлены: . . '

- на международном конгрессе У1ВН1СНВК'89 (ЧССР, Братислава,1989);

- не международной XVII конференции по химическим волокнам (ЧССР, Высокие Татры, 1988 г.);

- на всесоюзных конференциях: " Новые материалы и процеосы в резиновой промышленности" ( г. Днепропетровск, 1973 г.), " Механика деформируемого твердого тела" * г. Куйбышев, 1978 г.), "Современные проблемы в области синтеза резин" (г.Днепропетровск, 1980 ),

Современные методы синтеза машин-автоматов н их систем" (г. Тамбов, 1981 г.)Теория и практика формования химических волоков ( г. Мытищи, 1933 г.), " Повышение эффективности твплообменных и гидродинамических процессов а текстильной промышленности"

( г. Москве, 1985 г., 1989 г.), "Повышение качества продукции :

внедрении ресурсосберегающее, технологий в резиновой промышленное та" ( г. Ярославль, 1983 г.), " Автоматизация и роботизация в хи мтческой ггромнкленности" (г. Тамбов, '1Р38 г.), " Современное обо рудование з: процессы переработки полкмэрнше материалов" (г. Киев 1988 г.)г " Текстильные материала технического назначения я ош их прнчаяэния в народном хозяйстве" ( г. Москва, 1991 г.); ■

- кь роспубликанеко;! конференции "Процессы и аппарата произво/->т ва полимерных материалов" ( г. Тамбов, 1974 г.);

- из межвузовском семинаре " Теоретические основы механики сшгаа кых сред" ( г. Ярославль, 1987 г.);

- на регулярных научных конференциях ЯПй ь 1971... 1991 гг.

• Материалы диссертации нашли отражение ,в монографий учебном пособии, тематическом обзоре,. 29 статьях в курнллах союзного значения, 1 статье в зарубежном журнале (США), 19 стать ях в сборниках научэдх трудов, 19 статьях в материалах, всесоюзна к международных конференций, 6 авторских свидетельствах ССК 16 отчетах по ШР.

Обьем жссертещи. Работа изложена на 242 страгог зх машине

шеного текст", содержит ¿2 таблицу, 74 рисунка, состоит ис введения, 5 глав, выеодов, •'писка литературу 300 н оимэновашй (в который входят 75 работ автора) и приложения.

' _ СрДЕЖЩЕ,, .РАБОТЫ

1. ТЕРМООБРАБОТКА ТЖСТШДЬЖ МАТЕРИАЛОВ КЗ ПОЛЖЕРНЫХ ВОЛОКОН КАК ОДИН ИЗ ПУТЕЙ ПОВКШНШЯ КАЧЕСТВА РАЗЛИЧНЫХ ТОВАРОВ

В настоящее время многие товара народного потреблания являет оя композиционными, включаючими в себя разнообразные материал; и изделия. Качество товаров в целом зависит и от качества 5 свойств используемых в их производстве материалов. Поэтому одни из путей решения актуальной задачи повышения качества товара является изучение, влияния свойств составных частей не их качест во и управление этими свойствами о цель» улучшения качества то

варов.

Работа поовященв в основном исследованию свойств текстильных материалов, иополъзуицихся в кь^ствв силовых ормирущих каркасов в слохннх рвзино-текотилышх товарах. Таких как: покрышки для легковых автомобилей, приводные рекии для легковых автомобилей, различные тентовые изделия для бытовых и технических г-лэй и т. д. и т. п., а также используемых в неродном хозяйство автономно.

Применяемые в ре оматриввемсм К1 ссе товеров текстильные материалы из полимерных волокон существенно улучшили качество последних (резко увеличил, срок службы), но свои ресурсы потчшлеяия качества дочерпали далеко не полностью, что связано и о наличием ряда" недостатков. Для устранения этих недостатков текстильных материалов в промышленности применяются процессы их термообработки, ярибодяЕргв к изменению надмолекулярной структура полимэра и,, как следствие, к изменению потребительских свойстп материалов, в следовательно, и товаров, в которые они входят.

В таблице 1 п качестве иллюстрации приведены сравнительные характеристики приводных клиновых ремней, определяюциэ его качество, откуда наглядно видно значение процесса термообработки.

' ■-.'.'. Табл. 1

Эксплуаташгонные характеристики клиновых ремней.

; Текстильный , Ходимость, чао Удлинение решай,X

кврквс ' шш. макс. ср. мин. какс. ср.

Нетермообработшшыа кордашур 10.7/3/4 82 1233 497 1.6 3.1 2.8

Термообра ботаяюгй кордашур 10.7/2/4 270 2633 1493 1.6 2.0 1.9

Процессы термообработки проводятся как в периодических процессах, заключьщихоя в обработке большого числа паковск о материалом в аппарате, так я ь непрерывных, где непрерывно движущий-

- ла -

оя материал, отыковакный ^непрерывные бесконечные ленты последователь;" ч проходит рааяичные зоны обработки. Непрерывный опоооО хотя и обладает меньшей производительностью, но обеспечивает лучшее качество: более. стабильные по длине свойотва, легче управляем. Поетому в дальнейшем в работе рассматриваются только , непрерывные процессы термообработки.

Приведенный литературный обаор, анализ имекщихся лабораторных и стендошх испытаний позволил сформулировать ооновные задачи исследования, решение которых и рассмотрено в диссертационной ', работе. .

2. ПРОЦЕСС ТЕРМООБРАБОТКИ КАК МНОГОУРОВНЕВАЯ С1...1ЕМА

Рассматривая процесс термообработки текстильных материалов ■ ив полимерных волокон в соответствия о методологией системно .'о анвлиэа как сложную многоуровневую оиотему," выделим сесть

схеме ,К первому

иерархическому уровш отнесены явления, пр исходящие на атокарш кодекудярном уроша, ко второму г явления масштабе падаолэкудя] ных. образований пол: мэра, к третьему - я ления в элэмептврнс сплошном волокне,' св( ванные с его движение и изменением различи его состояний (махаш ческого, термическоп структурного, внери ткчгского), к ' чэтве] тому - явления, . прс являющиеся, вслэдствш наличия текотильно!

иерархических уровней, представлении* на

Г"-"------ I УРОВЕНЬ 1 ' МАКРОМОЛЕКУЛА,. '

.•■ Ь '

1 2 УРОВЕНЬ ! НАДМОЛЕКУЛНРН 1 СТРУКТУРА

1

1 3 УРОВЕНЬ 1 1 " ЭЛЕМЕНТАРНОЕ ВОЛОКНО

V

1 ...... 4 УРОВЕНЬ < ТЕКСТИЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ ,

1

Б УРОВЕНЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АШ1АРАТ

, 1

»1 6 УРОВЕНЬ • СИСГЧНА УПРАВЛЕНИЯ

структуры обрабатываемого материвла, к пятому,- явления я процеО-

сы, обеспечивающие, создание "иловых и тепловых полей ' а технологическом аппарате. Несколько особняком стоит шестой, : уровень, который по существующим техническим пзмоюгчтям взаимодействует одновременно о четвертым и пятым уровнями, обеспечивая е$фвктатаоэ управление процессом и свойствами материв; .

Для каждого уровня нохно построить свое математическое описание, иоалёдовать "элементарные" явления п процессы; через. ! краевые условия уровней соотыкоь^ть .'их в одну общую ■ математическую модель процесса обработки текстильных материалов из полимерных волокон я с ее помощью решать, научные и инженерные задачи по проектированию процеооа и оборудования для егд проведения, поиску оптимальных технологических рагамов, а так*1) •задачи по синтезу систем управления.

Рассмотрим более подробно основное явления и. процессы, отнесенные к разным иерархическим уровням.

Для изображения взаимосвязи явлений применены направленные : граф/, при этом узлы в диаграммах соответствуют явлениям л аффектам, а ооединяпциэ их дуги - предполагаемым причинно- оледот-

ввнным овявям. ,

Иерархический уровень I отражает специфику отроения полимера на молекулярном уровне . Именно на втом уровно оказывает свое влияние химическое строение мономера (ХСМ), влияю- . щее на гибкооть макромолекула - ГШ (например,. через подвижность химических связей, наличие отеричвских затрудненна вращения отдельных частей макромолекулы и т. п.), в природа и внер- . гаи внутри- к ме«молекулярных взаимодействий (ММВ) и т. д., мо- • ; лекулярно-маосовое распределение (ММР), характеризующее степень полимеризации. Вакше значение имеют наличие гидрофильных групп <ГФГ),-определяющих влияние юдн как шгаотификатора, и ориентация макромолекулы (ОШ) и ее отдельных сегментов (ОСШ) в волокне. Краевыми уоловиями для уровня I является энергия активации молекулярного движения, зависящая от температуры, приложенного усилия и наличия пластификатора. Эти факторы определяются ' верхними уровнями. В свою очередь на уровень " II ' существенное

влияние будет оказывать ориентация макромолекул и ее сегментов, енергия • чаяолокулярных связей, гибкость макромолекул.

Нп уровне II рассматриваем "типовую ячейку" надмолекулярной организации талихера, ьключаядую в соответствии о мккрофибркллярной теорией отроения волокон аморфный участок, кристаллический участок и окрукаюцую их аморфную прослойку. В процесса воздействия тепловых и силовых полей кристаллическая фазо (КО) может претерпевать ряд изменений. Следует, отметить такиэ процессы и явления, как плавление кристаллов - ПК'(полное или частичное), дополнительная кристаллизация (К), которая может приводить в зависимости от условий.к различным структурным кристаллическим образованиям (СКФ) и их ориентации (OK), образование дефектов (ДК) в кристаллах.

Внешние воздействия - скорость изменения температуры (grad Т) и содержание ■ пластификатора (П») - оказывают влияние на температуры основных фазоЕых переходов (ТП): стеклования и наибольшей скорости кристаллизации.

•На большинство указанных процессов и явлений оказывает влияние уровень I - характеристика макромолекул. Влияние, проявляется через мешолекулярное взаимодействие, гибкость макромолекул, их ориеш здю. Взаимное влияние рассматриваемых пр дессов и явлений, а такг.е влияние kl них внешкх воздействий, . задаваемых вертим иерархическим уровнем, отражено дугами. ,

На иерархическом уровне III рассматриваются элементарное ■ волокно, его свойства. Волокно как сплошная среда характеризуется энергетическим, механическим, термическим и структурным состояниям;, которые связаны между собой.В работе принят принциг детерминизма энергетического состояния, соглаоно которому внутреннее энергетическое состояние волокна в любой - момент времею вполне определено, если известны остальные основные ооотоянш

(термическое, структурное.механическое) в тот же момент времени,

Каждое из основных состояний волокна можно отнести к одной из двух разновидностей; активной и реактивной. -Активные состояния связаны с внешними воздействиями, аре активные - с внутренней реакцией волокна на эти воздействия.

Все состояния полностью характеризуются макромасштабявми меремя - параметрами состояния. Такими параметрами для механического , термического а структурного состояний соответственно нрля'втся: активные - напряжение, температура и обобщении дис-сипативные сипи; ревктявнне - деформация, ьнтропия и параметры

состояния структуры« Активные параметры в eojtokhg характерна. . ются соответственно полем температур (ПГ), полем сил (ПО), дисси-иативно-отруктуршаа с лат СЙСС), оп тщики во расоеянив энергии на преобразование структуры полимара; реактивные параметры характеризуются энтропией во экие (ЭВ), деформацией волокна (ДВ), структурными характеристиками (СХ), определяемыми нижними иерархическим! уровнями. В общей деформации выделен спе-цйфпеский вид деформации высокоориеятированных волокон - усадка волокна (УВ), в яри анализе поля температур учтены внутренние тепловыделения или теплопоглещения (ВТВ), обусловленные преобразованиями отруктуры и шпшющие на поле температур в волокне«

Экстранзитивиое состояние волокна характеризует аффект переноса аврядов термического и массового типов, в связи о чем получается диссипация ввергай. Процесс теплопередачи характеризуется переносом потока тепла и оавиаит от теплофизичесюис характеристик волокна (ТСХВ); процесс массопередачи, опрвделяаций поле влагосодержания (ЛВС) в волокне, харектер»зуется переносом массы и зависит о? оорбционных и диффузионных характеристик волокна (СДХВ), от концентрации 0 влаги в мекволоконном пространстве текстильного изделия и от наличия я параметров михрооор в волокне (МПВ). На силовое поле в волокне оказывают также сущео-твенное влияние кикродефекг волокна, которые могут существовать в волокне и образовываться вновь за счет взаимодействия о елементами конструкции аппарата для проведения технологического процесса.

В общем графе явлений уровня III учтены и параметры движения волокна <1ЦВ)> которые определяют положение той или иной

точки волокна в пространстве зовы обработки, влияют на шля темпера' ''ры, сил, влагосодврхания в волокне и вввиоят от скоро- , оти движения текстильного изделия (величины, направления) и от деформации волокна. Кроме того, они определяют время воздейот- . вия внешних сил на волокно, т. е. времл его обработки (ВОВ).'

При контакте волокна с соседними волокнами и особенно о влементами конструкции аппарата в волокне могут вовникать мик-родефахты (ВДВ), влияющие на поле сил в волокне.

Оообенноотью иерархического уровня III являетоя проявление . на макроуровне явлений , микроуровня. Из лричинно-оледотвенной обусловленности явлений следует, что воздействия на- волокно и его реакция нв них взаимосвязана и завися" от типа ь«едейотвия, природы и структуры полимэра. При анализе с учетом втого графа уровня III, становится ясно, что деформационное и термическое, . ооотояняя, которые достаточно легко мокно контролировать в . ае-, прерывных технологических процессах тепловой обработки волокон, , могут Сыть попользованы для косвенной оценки структурного, оос-'. тояния полимерных волокон. Другая словами, непрерывные технологические процесоы мокно веоти не только по внешним режимам, во и по реакции материала на них, проявляющейся в' характере развития дефс нации волокна. .

Краевые условия для провесов уровня III определяются сле-: дующим иерархическим уровнем - IV.На этом уровне происходит взв-

имодейотвиа обрабатываемого изделия (нити, кордшнура, ткани) о

'. тепловым, силовым и влвяноотныш полями, создаваемым в аппарате

(ГПА, СПА, £ПА), о элементами конструкций аппарата (ЭКА) (от

рис. I). Текотильное изделие не является оплошной средой,

поэтому метода механики сплошных сред к нему не применимы

Основное содержание уровня IV - приведение внешних воздействии

' . на изделие к воздействию ,на .элементарное, волокно. В связи с

■ этим на данном ypoLje учтены структура нитей текстильного изде-

- лия - СШИ (число волокон в крмплексной нити, параметры крутки

и т. п.), структура изделия (чиоло ошошшх нитей, их крутки.

ЕиоЛ* Схеш четвертого иерархического уогнл

Ра с.2. Схема пятого иерархического уровня

;вид. переплетения для тканей,числонитей во угку в га основе в т. д.). Эти два фактора, также как в свойства волокна (уровень 111, оказывав? наряду о полями сил, температура, влагосодержания текстильного изделия (соответственно ПСТИ ETTVi,ПВТИ). опре деляпце< влияние на его деформацию (ДТИ). Последняя оказывает влияв» на прогрев изделия (DTK), на особенности создания силовог поля в аппарате. Поскольку структура текстильного иаделия прак тичоокн не меняется в процессе термообработки , то путем контро ля деформации всего иаделия, выделив на я«9 отдельно деформации аа счет текстильной структур! в за счет .собственна волокне, можно, также как в на уровне III, вести технологические процеогч непрерывной тепловое.обработки со деформации всего текогильного изделия. Этот вцвод позволяет создавать новые оиотемы управ-;

ления рассматриваемыми технологическими процессами.

На уровне IV следует также учитывать взаимодействие текстильного изде"ия о элементами конструкции аппарате <ЗКА V которое может привести к обрыву -элементарных волокон. (фактически к ввивкешш числа алоканий, т. е. структуры нкти) и дефектам поверхности волокна, а также параметры движения текогильного изделия (ЦДТИ), зависящие от устройства, ооадаицего движение в аппарате (УСДА)- Этими параметрами определяется взаимодействие о.тепловыми, силовыми, влакностннми полями в аппарате, обцее время обработки изделия (СЙТИ), которое окааывавт влияние вз релаксационную перестройку структуры.

Краевыми условиями при исследовании явлений уровня IV являются параметра, аадаваемые иерархическим уровнем V. (см. рио 2) ' Для создания: теплового поля, воздействующего на обрабатываемые : материал, служит устройство подготовка теплоносителя - (УШН), в котором с испольвованием одного из видав ввергни ;<влактроввергия,; жидкое или газообразное топливо, пар в др.), выбираемого с учетом вкономических соображений, охраны труда в

.'.техники безопасности, охрана окружающей среды и т. д., создаог-, ся поток теплоносителя, чаще всего сухого или влажного воздуха (в некоторых случаях используются продукт» сгорания топлива). . В обцем случав это может бить также пар, инертный газообразный носитель, поток твердых чаотщ для создания псевдооиж»иного слоя и др. По каналам транспортировки теплоносителя (КТТН) пп-ледний поступает в зону обработки. Канал может иметь значительные размеры и бить оформленным в виде специального гйеоводз (воздуховода), а такт представлять ( /бой просто определенную Зину движения теплоносителя в обьомо аппарата без какого-та конструктивного оформле ия.

Каналы транспортировки теплоносителя определяют тмэ» схему циркуляции теплоносителя (замкнутая или разомкнутая), что су со о-

твенным образом влияет на впергозатрати для подготовки теплоноситоля. Пр:1 использовании в качестве источника оперши для пагрова материала анэргии излучения (например, ТВЧ, ИК-луч.1 а др^) каналы транспортировки теплоносителя, как правило, отсутствуют, но укапанная зависимость температуры теплоносителя от длшщ аппарата ц времени обработки существует, причем распределение по длине материала будэт определяться конструкцией излучателя. В этом с '-' чае излучатель мошю считать , одновременно шлюянявцнм функции

ЗШТН я КТТН. • ,

.Ванное значение для характера взаимодействия потока теплоноситоля о обрабатываемым материалом имеет конотрукция устройства подачи теплоносителя (КОТГН), которое при использовании в качестве теплоносителя воздуха или паровоздушной смеси определяет коэффициент теплоотдачи к материалу. В случав конвективного (самого ра<шоотранешю1'0) подвода тепла к параметрам теплового поля аппарата (ТПА) помимо температуры теплоносителя (ТТ), характера его движения (ХДТН) следует отнести и теплофизические свойства теплоносителя (ТОТН), такие как плотность и теплоемкость, которые определяют количество переносимого тепла.Послед-: пне в основном вавиоят от состава теплоносителя, особенно от

наличия влаг.1 в теплоносителе (т. е. от поля влагесодержания в теплоносителе - ПВА), которая в свою очередь может вноситься в. теплоноситель о помощью специальных устройств создания влаги в теплоносителе (УСВТК) или шдэляться (что кмээт место чаще) из материала при его термообработке.

Для создания силового поля аппврата (СПА) в двшаущэмся обрабатываемом тйкстильнои материале имеются натянные станции (НО), чача всего два и болае.перемвщащие материал с разной скоростью.

Создпкдие катяяоние устройства к некоторые другие элементы конструкции аппарата (ЭКА), касающиеся текстильного материала, могут создавать дефекты в текстильной структуре (обрыв отдельных волокон) и на поверхности Еолокиа. 7л следует учитывать и анализировать .

Помимо теплового, силового полей я поля влагосодержания 1а вффвкт термообработки, как указывалось выше, существенно влияот и время обработки, которое определяется скоростью двикения материала, формируемой натякными станциями и заправочной длиной установки, т. е. КРЗ (имеется внид, при неизменной охэмэ заправки). На схеме выделен, узел 3311 - энергозатраты на п^оцэсо и Показаны основные влияния на лого. Энергозатраты на глоцесс йокно учитывать как при проекпгровании оборудования, так п при эго сксплуатации. Всегда следует стремиться их минимизировать..

Связь рассматриваемого иерархического уровня V о прэдыдурда осуществляется черев параметры теплового поля аппарата (ТПА), сопдавдего определенный характер изменения температуры материала (причем тохэт быть существенным и обратное влияние текстильного издолия на ТПА), параметры силового поля СПА (распределение натя»ешю по длине бош), зависящие и от свойств текстильного изделия, параметры поля влагосодераания ПВА в теплоносителе,' оказывающего пдастифицнрундее действие на полимер и измэня-эдего твшюфизяческие свойства материала, а такае через устройство, обеспечивающее двиконие изделий.

Кратко рассмотрш' основные системы автоматического управления (САУ), составляющие в изучаемом процессе иерархический уровень VI. Эти системы являются частью современного техноло-

хшоокога процесса, orra долга/ рассматриваться в совокупности

с технологией и оборудованием, з учетом цалл процесса .1С ссэюлоыию,

d промышленных агрегатах СЛУ еще или отсутсвукт в необходимом

объеме, или недостаточно аффективны. •

Системы автоматического управления параметрами топлс-'зго поля долмш вшпочать САУ температурой теплоносителя {САУ Т), темперотурой в устрэйствэ подготовки теплоносителя (САУ ТУПТИ), СЛУ наличием влаги ь теплоносителе ,JAY ВТК), СЛУ температурой материала в отдельных (1-х) то<псах аспы обра'Зоткя (СЛУ ТЫ), САУ эффективным использо8ь»гаем энергии в ТУПТИ (САУ 3IÎ3)

Наличие стабильных параметров тепяоноситоля а зпапительноЯ мере определяет, но, к соаалению, оцо не обоспочявсот стабиль- > ности топленого поля по г,секу ойьому зоны термообработки и том более стабильной тсг.сторатурн сбрпбатапоомого ипторипла во времени. Это обусловлено как конструктами;:,я особашостгст .обору-допа:шя, так и условиями ого еисплуотации, о^слукявкгая,, п текла возмущениями, тетупсвдими о обрабатываемым материалом (ого начальная тампэратура, влагосодорг.акио ) и скружпкгпЯ среди. 3 связи с от».! предпочтительным является налтато СЛУ оклерату-poiî собственно материала, причем я одной ялл носяолыах заранее обусловленных точчах (СЛУ 1М). Управляющим воздействие!.* а такой системе монет быть характер двззакая топл» носителя (ХДТН), который хотя и не является достаточно оф5этстиз:гь-м параметром для атой цели, по удобэп для -управления. Повысить эффективность ото-го параметра мозмо, вводя ого в СЛУ кок распределенный упревля-юдай параметр, т. о. менять ого одновременно в нескольких точка:-: по специальному алгоритму для достижения задшшой температуры материала в какой-то одноЯ определенной точно оонн обра- . Сотки. Это несколько усложняет расчет и наладку САУ ТМ, В такой', системе необходимо попользовать датчики температуры двяяуцогроя, материала, которые долззш бить по возмокнооти бескситпктшш и ■ инвариантными к степени черноты или коэффициенту излучения., маг; териала, меняющимися в процессе обработки.

Помимо систем регулирс эвния и соботвешзо управления технологические аппараты должны снабжаться автоматическими системами

контроля (АСК) параметров теплового поля - АСК ТП (температуры и жолвтг чьно скорости движения теплоносителя) и температуры материала (АСК ТЫ) во многих точках вдоль зоны обработки.. Такие системы позволяют правда всего контролировать стабильность . работы оборудования и оц&яквать некоторые возмущения в процессе. Они могут являться еоставтми частями систем автоматического управления соответствующих параметров.

Параметры «елового поля должны управляться с помощью СЛУ устройствами создания натязшкия (СЛУ УСН) - тянульными станциями (в основном вто системы, обеспечивающие качественное управление электроприводом), САУ широшем тканей и юс центровкой (САУ ШЦ), САУ натяхением (САУ Н).

Для контроля склоЕого поля по длине вони обработки предпочтительно применение АСК нвтяжншя материала (АСК НМ) на разных участках, раздоленных различными группами неприводных валков. Наличие одной такой АСК такие способствует более надежному контролю за работой оборудования (в частности, наличие трения в опорах неприводных валков).

Системы управления центровкой и широнием применяются при обработке тканей без создания растягиввщего умишя по утку. Часто эта сис >мы имеют общио тохяическиэ элементы, поэ: му они н выделены в одну группу. &. ¡ош управления центровкой и шире-киэм предназначены для устранения поперечных перекосов материала и для обеспечения раввашгатности ткани по утку (особенно для материалов со слабыми" связями,как шинный корд).

Особое меото должны занимать САУ' свойствами текотильпого материала (САУ СТЫ), обеспечпващие управление теьи свойствами, которые нуяаы после технологического процесса и изменение которых собственно п является цель» процесса. Такие системы . позволяли бы ваотк процесс управления по замкнутому контуру о обратной связью. Однако п настоящее время практически не имеется технических средств прямого контроля необходимых свойств, пригодных, для автоматического управления. Необходимо разработать приборы "качества", о помощь» которых нокно оценить различные свойства текстильных материалов, определяющие их качество. Они могут: быть полезны и в ряде других технологических процессов.

В работе показано, что косвоиной оценкой состояния отрук-туры полимерного материала при ~ормсобработко может являться характер деформирования материала. Он чувствителен как :с ццут-реннему состоянию материала (структура), так и вне: чкм воздействиям.

Эффективное управление качеством обработанных маторняло. ■ возможно только о использованием специальных систем - САУ деформирования текстильног" изделия (САУ /™И). Автоматичесгаго сяоте-ш, ис пользупзие для управления информацию о характере развития деформации (а не только о полной, обцзй деформации всего обрабатываемого участка), являются наиб_лев перспективными- для косвенного управления даю гит.« свойствами текстильных изделий.

Для учета энергозатрат следуот предусматривать АСК энергозатрат на процесс (АСК Э2П).

В заключение краткого рассмотрения особенностей систем управления, входящих в состой иерархический уровень, о:".¿этим важность не только прямых связей предадут го, лятого, уровня с пестам, а и обратных связей, которые выраяаются в соответствующем проектировании аппарата или отдельных его узлов, которое бы облегчало управление и способствовало бы его более высокому качеству. Это касается провде всего обеспечения в аппарате равномерных по обьему силового, теплового, влакяоетного полей, а также приемлемых с точит зрения 'обеспечения высокого качества динамических характеристик обьекта управления.

3. ПОСТРОЖЕ ОБЩЕГО'мгттичижого СПИСАНИЯ ПРОЦЕССА.

- 3.1. Методические аспекты

'. ■ В соответствии с приня.-ым системным подходом в качества идеологии изучения процесса термообработки текстильных полимерных материалов разработка математической модели, являпааяся вторым этапом работ, может быть осуществлена различными способами: 1) формальными методами обработки информации о входных и выходных сигналах обьекта ( сюда относятся вкслериментальЕо-отатистя-ческне методы, метод» Дуловой алгебры и другие);

2) последовательным описанием отдельных уравнений обоснованным структурным упрощением обобщенного описания системы, получен-^ ного на первом этапе, при переходе к частной инженерной задаче ' 3) привлечением модальных представлений о различных явлениях,

3 силу сложности и большого разнооб£ззия процессов перестройки структуры в полимера при термообработке, формальный подход (особенно для производственно-технических задач) пока не уступает по полевнооти получаемых результатов второму и третьему подходам, хотя и имеет ряд недостатков.

Стратегия структурного упрощения обобщенного локального' описания сиотемы на разных уровнях предполагает оценку по порядку малости величин, входящих в обобщенное описание систег 7 и выявление минимального чиола наиболее значимых факторов, определяйте поведение системы, а такке соблюдет« требований простоты п.удобства в использовании математического описания при сохранении разумной ( с практической точки зрения ) степени его адекватности Результатом структурного упрощения является рациональное (в 'смысле точности, простоты и компактности).математическое описание системы, условия применимости которого строго определены.

В работе принят второй способ, при котором моделируется как дый уровень отдчльно о учогом краевых условий, при'втом вое част ные подсистемы нижнего уровня входят в модель соответствущег верхнего уровня. В табл. 2. представлена общая схема явлений и их взаимосвязи при разработке общей математической модели поведе ни я текстильных материалов гемпературнотсиловых полях.

Математическое, описание явлений первого уровня отроится ■ использованием достижений молекулярной и статистической физики второго уровня - физики и термодинамики полимеров, третьего уров 1 ня - механики сплошных сред и термодинамики. Описание явлени ... четвертого уровня может быть построено исходя из геометрического силового и теплового анализа текстильного изделия (ткани, кор,г ¡¡туров, нитей ), явления пятого уровня моделируются методами тег . лофжзики, аэродинамики, а также о учетом геометрических соотноие ний. При таком описв" та возникают определенные трудности в иде! 1 тификации модели и в проверке-ее адекватности, т.е. решение зад» третьего этапа стратегии системного подхода. Однако вти трудное!

Табл. 2

Структура построения математической модели поведения такстильнэго г ¡лимериоге материала в температурно-силоа«х полян

уГ"эень

Устройство подготовки тепланоси— тэля

Теплоеос поле

распределении температуры

распределение скорости движения тепло— ■ носители

Силовое пале

Поле ьд«го-содархания

Взаимодействие с текстильным материалом

Конструкция ®он Натяжнее обработки станции

Энергозатраты

4 Перенос в текстильном Распределениг усилии Текстильная Скорость. | Изиснение Деформа-

уровень изделии по элементам струк- структура даиксния сечете ция иа-

влаги ( тепла туры иэделия ИЗД6/ я | изделия делия

XIX

3

уровень

Перенос в волокне

Распределение Скорость дви- Деаормаиионниз . Эн^огетические Свойства

усилия жения еолокна сьсПства вслск- характеристики волокна

на волокна

Аморфная фаза ] Кристаллическая Фаза Межсисрй-

уровень плот- ааъем наличие ориен- темпе- проходные оаъеп спгсоа дефект- образо- ля.рная

ность упорядо- тация ратура макромо- укладки ность вание и прослойка

ченных об- т перехо- лекулы а крис- разруше-

разований дов _____ ___ таллиты ние

Химическое строение полимерной цепи

Энергия межмолекул яр них - сьязсй

Наличие

Г ИДрОфИЛЬ" НЫХ групп

СлогсД соединения ' моноиернын ц&пей

Гибкость микро-• молекул •

Ориентация макромолекул

в различной мэра преодолимы.

Для ~эивпия практических инженерных задач использованы для комплексного описания нижних четырех иерархических уровней вкспе-риментальт-статиотические формальные методы. Такое математическое описание дополнено неформальным описанием процессов создания и состояния тепловых, влажностяых и силовых полей и, в ряде случаев, их взаимодействия о текстильным изделием. В противном случае очень трудно обеспечить правильное проектирование аппаратов, скотом управления ими, оптимальное о энергетической я,в конечном итоге, экономической точек зреюй проведения процесса.

3.2. Математическое описание третьего "врархнческого уровня.

При рассмотрении третьего иерархического уровня,на котором проявляется на макроуровне все структурные изменения на макроуровне , объект исследования (влемэнтарное волокно) иозщо рассматривать как сплошное тело, поэтому в качестве основного теоретического ашшрата попользованы в работе "беноввые талокеяия мехвш--ка сплопных сред. ..

Математическое описание локального термодинамического процео-се, протекайте о в влементарном элементе dx в темпера„ураом- и силовом полях, ыиззчазт в cec.i три группы уравнений.

1. Уравнение связи характеристик полного состояния сиотемн; •

2. Ураааеиие связи изменений характеристик во времони;

3. Уравнения,обесшчивавдие описание хода процесса в соответствии с-осковвкии ¡законами термодинамики.

Уравнения первой группы:

1.1. Условие сохранения массы:

pV - const - р V

1.2. Определяющие уравнения первой группы:

' U - <Ms &Tj,*,z,t>

•п - «

9. **

• Р - «¿(W1'*'1'?'.

1.3. Уравнение геометрии деформации:

Уравнения второй группы:

2.1. Урввнение сохранения масоы:

+ 017 (Р V) - о

2.2. Уравнение дагения:

РОТ---Ао + рз

- 2.3. Уравнение структуры волок а:

о - © (X, 1,0,6,11) в о

е. » Ф (х.^о.ё.й)

и а

2.4. Уравнение баланса анергии:

Р ЕГ- - ^ + " ^ 0

2.5. Уравнение теплопроводности: •

<3 - «7(о8,ХД,ВГйс1 Т)

2.6. Уравнение ыаосопвредачп:

с - <5 .{Т.хЛ.с.ега! о,Л,) о

2.Т. Уравнение вволвдш структурных параметров

х - ав(ов,2,*>

2.8. Уравнение геометрии деформации:

+ у1' )

3. Неравенство Клвуаиуо»»-Двгема:

РП - <И.у (О/Т) - гро/1 >0

. В общей структуре математического описания приняты следующая обозначения:

р - плотность, V - скорооть движения волокна, оа - напряжение в волокне (тензор), ев - деформация в волокне (тензор), х - про-

отрькственная координата, t - время, И т внутренняя удельная анергия , * - отруктурные параметры волокна, Т - температура, Р -натянекиз, р - диссотатиышэ силы, с - конценрация влаги, 17 - ен- . тропия волокна. - '

Основной проблемой использования ьаписанного в общем виде на-тематического описания является раскрытие функциональных вавиои-коотой .. Ф„ .В качестве уравнений теплопроводности (вт) в работе пршшто уравнение Фурье, а маосопередачи (Ф, ) - уравнение

Си:а. Остальные функциональные зависимости получены в данной работе. . -

Уравнение для удельной внутренней анергии вьи здано о учетом фибриллярной модели полимера, вкличввдей фибрдш и мея£ибрил-ляряые прослойки. Внутреннюю удельнуш енергии представим в вида.

Шфиот ДЗоморф Цмфа ,

и --+•-+-- • . ; .

Укриот Увиорф Vuфa . При раскрытии анергии кристаллической, аморфной и меяфибрил^ лярной областей принимались во вн имание наиболее важные для темпера турно-силовой модафикации полимеров составляйте: анергия &лектростатическкх взаимодействий водородной связи, деформации связей и валь-.лшх углов, гидрофобные взаимодействия, которые раскрыты в соответствии с фундаментальными физическими законами, . кокфоркациоаной статистикой макромолекул. В целом получены выражения для постоянной части внутренней удельной анаргш в для еэ . изменяемой в процессе темперагурно-снловой модификации части. Последняя в основном определяется анергией невалентных взаимодействий, водородных связей, деформации валентных углов. £

С учетом фибриллярного строения волокна получены также и вы- .' раления для объемов аморфной, кристаллической и межфябридлярнызс областей в объема большого периода. Учитывая, что внутренняя анергия есть однозначная и непрерывная функция структурных пара-, шгров'е , 1] я.х то в принципе можно получить и выражение а два

«Л Ш-'*.ЬМ ».у

Раскрытие уравнений структуры волокна первой и второй группы .

по сущэотву должно отроиться на основании явления первого я второго иараретческих уровней. Однгга учет ц описание всех явлений на уровне, макромолекулы и надмолекулярной организации ведет к необоснованному усложнению модели для рассматрива к>2 оо.-аоти ее использования. В связи о атим при построении полного математического описания выделены следующие основные параметры структуры вс' локнв, которые являются опрэделящими в температурно-силовой модификации и для которых в работе получены необходимые уравнения.

Это: 1) ориентация микромолекул ( фактор ориентации по Гер-

мансу - з^);

2) анэргия мелмолекулярного взаимодействия ( Е^ -

3) внутреннее напрякение ( ош»

4) плотность рвеположенения макромолекул в кристаллических и аморфных областях ( й - %);

5) размеры и расположение кристаллических образованна

(2-х«).

В работе получены следующие определяющие уравнения для .указанных отруктурных параметров:

1) ? ^ + ( 1 - га) - (- га )ехр(-о/ т0>

О

> гз - сю ^

где Т - 1 ехр [ ■°1й,--

г йал- АО

ки - к*оехр [- ], у - Р^Евда.

11 , г ДЕ \ , во ЕЕ

ОТ5'* [ехР[- "ИТ )«Р ЬЕГ)] Н-.5 -

БВДТ| - энергия ван-дер-ваальсовых взаимодействий,.

Са - концентрация активных групп, способных образовывать мехмолекулярнке связи;

" о»« " °t» КГ , h

3) ° " 7 Чш ' Г" L ( )• «вн." °

Параметрн 1, h , Р расчитываются по ооответотвуюцим формулам статистической конформационной теории полимеров;

К Ы

где . К - al dTUj - d нг) + & - •

. .• ■ К . • '

а,- ф етр (- s / И), ; V 1 4 а,( '!' .

-нгт-^а-гп-)' iV г-^aSV1 ' h>

fe = R - l

B3+ d,- Е*

-ж—

W Г» *

• .5) = 1 - е?" , Z - тс Н"\ р, / (Зй>.

о ¿ -

Полученное математическое описание в коиплексе первых. трех уровней при п^лштых допущениях позволяот проводить енилиз. рао-предоления вдоль зон обработал { или во времени) воздействий температурного, силового и влажностного колея на измэданиа отруктуры полимера,, его основных характеристик, проводящих к изменению качества волокон и конечной продукции. Большинство параметров, входящих в модель, имеет определенный ф'зячэский смысл и нонет бить взято из литературных источников. В целом идентификацию модели этого уровня провести крайне трудно, по в тому моделирование процесса на ЭВМ позволило-подтвердить лишь качественную, картину из-' меновая свойств обрабатываемых волокон.

Математическое описание следуадих иерархически уровней, в частности, четвертого, формирует граничила условия для рассматриваемого в-качастве основного третьего иерархического уровня ( в комплексе с 1 а 2 уровнями)".' ; ■■

3.3. Математическое описание четвертого иерархического уровня -! текстильного изделия

Основной задачей математического описания ''отворгтчэ иерархического уровня является приведение внешшх воздействий на текстильное изделие и воздействий яа одно волокно, математс: jc-кое описание которых получено в 3.2..

При разработке математического описания теплового и силового аспектов влияние внеь-лей среды приняв различные методологические подходы.

3.3.1 При рассмотрен.^! силового напряженного состояния текстильный материал рассматривается как неоплошная, неоднородная конструкция из переплетенных волокон, стренг, нитей о учетом геомотрии " переплетения. Литературный обзор математического описания отроения Еитай н тканей показал, что несмотря на сравнительно большое число подходов к описанию, все они используют д^едльяо грубые упроцаяцие допущения и, в ряде случав, емпирическне константы, особенно в описании крученых нитей.

В диссертации рассмотрен вывод математического описания крученой нити с более общих позиций, позволяющих при деформации растяжения (основной вид деформации в непрерывных процессах термообработки) приводить осевую нагрузку Р яа нить к нагрузке на единичное волокно Pt для нитей о однократной круткой.

Р

где Р --

где расстояние волокна до оси нити, йв- шаг крутки. Одним из важных побочных выводов является вывод о параболическом распределении усилий на волокна в зависимости от расстояния волокна до центра нити.

Нити и шнуры о двойной круткой рассматриваются в силовом аспекте в яра этапа. На первом этапе приводится усилие к отдельным стренгам, а на втором атасе усилив на отдельные стренги приводится к усилию на волокно. Такое описание также использует ряд упрощаицих допущений, но Солее узких, \>м в других моделях.

При рассмотрении математического описания отроения тканей рассмотрено преимущественно полотняное переплетение и, учтена специфика одного из объектов исследования - шинного корда, у которого нити утка очень тонкие и редкие и играют только технол.»- . гкческую роль, поэтому корд рассматривался как совокупность отдельных нитей. Математическое описание .взаимодействия уточных и основных нитей, использованное в общей матемагичес сой модели анализируемого процесса, взято из литературных источников.

3.3.2 Ври рассмотрении теплового состояния текстильное изделие рассматривается как условно сплошная среда о эквивалентными ' эп-лофизнчэокими характеристиками. Рассмотрение как недаородзой среды приводит к резкому усложнению математического описания и' необходимости рассмотрения различных видов теплопередачи внутри изделия, что при сравнительно невысокой точности определения топлофтаичэских характеристик приводит к очень больший ошибкам в расчетах. Эквивалентные.теплофизические характеристики (" элект-ро£изаческие - при нагреве ЛЧ) определяются экспериментально для различных нитей кордонуров и тканей. . Для тканей определение .

проводилось методом мгновенного источника тепла, а для кордшнуров

- методом "трубы" при стационарном тепловом потоке.

При разработка математического описания нагрева движущегося материала использовалось полное уравнение теплопроводности Фурье при граничных условиях третьего рода (конвективный теплообмен) о учетом внутреннего тепловыделения (при нагреве ТВЧ втот источник нагрева является определяющим).

ер(-Ц-V. } - егай Т) + СЬ

■ Здесь 3? - температура материала Г - Т(х,у,аД), о, р, Я соответственно теплоемкость,, плотность, теплопроводность материала (эквивалентные).

V» - скорость движения материала по оси X, <\ - внутренний источник тепл". Граничные условия: 1) q(t) - а{Т« - Т) ~ при конвективном теплообмг !э в в'Ю обработки, где

а и А. - теплоотдачи от теплоносителя к изделии; ^ -¿у" jy.0 - Я. -Щ- |'уо- при контактном теплообмене с

поверхностью;

3) q* - const - при нагр«ае Ш. - лучвми.

Аиалио нагрово о учетом сииоотрспнооти таплофиакчвских характеристик волокон, заключающийся в различии ковффицкентов теплопроводности вдоль и поперек оси ориентации волокон, показал, что явлением осевой теплопередачи за счет разности температуры сечений двшкущегося материала можно пренебречь с погрешность»

3 4 13 [ ¿toW 1* . ,5' % '

где г» - корень трансцеденткого уравнения -& . •

Io.« - функции Бессёля нулевого и первого рода; к - i 3 - отношение коэффициента температуропроводности вдоль я поперек оси волокна;

d - еквивалентный диаметр в свету нити. При математическом описании теплопроводности нитей и тканей они представлялись простейшая геометрическими формами: бесконечными цилиндром и пластиной.

3.3.3. Экспериментальные исследования температурного и силового поля в текстильных материалах.

Экспериментальные исследования проводились о целью проверки адекватности математического описания и косвенной оценки отдельных качественно описанных явлений при составлении математической модели псьвдеш1Я текстильных материалов в тэмпэратурно-силовых полях для конкретных материалов.

Проверка динамики нагрева шинного корда осществлялась экспериментально путем вплетения в нить малоинерционных термопар и регистрации температуры во время обработки;

Проведены экспериментальные исследования с нитями различных структур, позволившие подтвердить существенное и при том различное влияние интенсивности нагрева, характеризуемой критерием В-, промежуточного мекзонного охлавдеяия в те дологических линиях, времени выдеркки при высокой температуре на овойотва изделий из полиамидных и поливтиленторефтвланых волокон. "Для анализа причин &того явления использовалась сравнительная.обработка тех ко изделий в поле ТВЧ, не дашея практически перепада температур по сечении. При анализе изменения структуры волокон я свойотв мате- ' риалов использовались физико-мехагвеские испытания, рентгено-структурный анализ и дифференциально-термический ана^тиз. Полученное результаты позволили обосновать необходимость введения в рассмотрение ь качестве одного из основных технологическ-х реки-мов характера и скорости даглания теплоносителя, обуславливающих реаим нагрева изделия, а такие расширили возможности управления качеством текстильных материалов.

Экспериментальные исследования силового поля в текстильных материалах заключались в изучении для различных нитей, шнуров, тканей деформационных характеристик в широком диапазоне температур. При этом в качестве реологичеокой модели была выбрана модель линейного стандартного тела о одним или несколькими временами релаксации.

Для обработки результатов екстарямантв разработаны оригинальные методики, учитывавшие наличие инерционных масс в системе нвгрукения и позволяющие определять сдвиговые характеристики для тканей при Их растяжении в направлении под углом 45°к нитям основы.

учитывалась при математическом списании процесса деформирования.

Наличие внутреннего межволоконного, мехстренгаюго трпотя ь нитях он' лизировалооь путем исследования влкят.: кп^гки уда .сложений на коэффициенты реологических моделей.

3.4 Мс :ематическое описание пятого иерархического уровня - технологического аппарата.

На уровне технологического аппарата формируются внешгше ? л -Пературное, силовое, влажностное поля, которые возд-эЯотвуют на обрабатываемый материал. От параметров этих полей существенно зависят шля собогвенно в материале и, в конечном счете, качество материала и изделия из него.

3.4.1 При математическом описании теплового по. я а соответствия о семантической моделью в аппарате внделено два наиболее векка: участка:

О сопловой аппарат - система щелевидшх сопел, из которых истекает поток • тлоносителя для взаимодействия с обрабатываемым материалом и гдэ определяется интенсивность подвода тепла;

2) система подготовки и движения теплоносителя о учетом его внутренней рециркуляции о частичным обменом с окруханцей средой.

При разработке описания взаимоде. .отеия плоской отруи, вытекающей из целовидного сопла и взаимодействующей о воздухопроницаемой тканью в соответствии о характером двикоаяя теплоносителя И обусловленного им теплообмена, рассмотрено три хврвхтерши области течения: область < аободной затопленной струи, область гра-. диентного течения в зоне удара и разворота струн на ткань, область пристенной отруи за счет натеканип струи на воздухопроницаемый материал. Часть теплоносителя фильтруется чорез ткань в области существования градииг п давления, другая часть участвует в продольном обтекании поверхности.

На этом учаотке можно использовать зависимости, характерные для свободной струи. В двух остальных зонах образуются соответственно струйный и пристенный погр*-лчные слои. В пристенном пограничном слое на поверхности ткани, где собственно прожи-дат пере-ноо тепла от теплоносителя к поверхности преграды, выделено три участка: ускоренного течения, совпадающего с областью градиент-

- зи -

ного течения во второй области, переходный участок и участок автомодельного течения, для каждого из которых полученыь выражения для Коэффициентов теплоотдачи. Безразмерный локальный коэффициент теплообмена а* о учетом турбулентно ти на переходном участке определяется из выражения (без учета фильтрационного потока):

Кыо - .:-- 1 " ТГ )

[ 1 - (е-И))0'™

где Яио - ау Ь0/А. - критерий Нуссельта,

- ио Ъ^/и - критерий Рейнольдов,

__Рг - критерий Прантля,

е- - относительная интенсивность турбулентности (и«-0.12)

— ( Ь »04

- (-к2! ~ безразмерная скорость,

т. г Ь„-.о.»

х» - - 1,7 - безразмерное расстояние до гра

-О . ^ '

ници области,

х* -х/х- - относительная текущая абциоса,

11 - расстояние от среза сопла д

материала,

х- - расстояние до границы об зсти, равное длине участи

области ускоренного движения.

Автомодельная область пристенной струи характеризуется тем

что изменения скорости на внешней границе пограничного слоя н

связано о градиентом давления вдоль потоке и определяется закона

ми свободной струи,

:.эзраадарнкй локальный коэффициент теплоотдачи Ни может быт

определен из соотношения ___ ___

О.С 63 йе^'Р^-"

Ни--5--' ■

где Рг4 - V /п - турбулентный критерий Прантля, Ыио - Ъо /к - критерий Нуссельта.

На участке продольного обтекания поверхности коэффициент теп

юотдачи о учетом фильтраци^няго потока может быть оценен по гч-висимостям для автомодельного течения о учеоточ расхода теплоно-зителя на фильтрацию в градиентное области.

О учетом ф&„,1ьтроционнго потока безрвзмерннй локальный : овффи-• диенг теплоотдачи в автомодельной области можно определить из эоотношен.»я

КЦф - мца( 1 - оф/ С )—,

где Нив определяется для олучая "непроницаемой ткани;

С - значение маосового расхода геплоносиля в сечении, где расположена ткань.

В области ускоренного течения расчет коэффициента теплоотдачи значительно слохнее. При допущениях о пренебрекимо мелом влиянии градиента давления яв теплообмен, постоянстве ло длине скорости движения теплоносителя через ткань и некоторых других, практичес-ш всегда справедливых в рассматриваемых процессах, коэффициент теплоотдачи на проницаемой ткани можно определить из выражения:

' < 1 ♦ V ЬКРГ'__р с I' 0,33 и^

• * " С( .1 . + V Ь^)'"*- Ьт1— Рх<*" V х»

'де Ьт определяется из уравнения

ьт.- 1 - у|ь,г"+ь*Г,и'

к Ь^ и соответственно

V" 1,82 Г1 + о.5оу т,- п + о.ггсг / ? - п',

-О.» »1/1

- 7 ( и Б^!); - 0,332 Неи. Рг

температура поверхнооти, Тг- температура теплоносит ля.

Для упрощенных расчетов в отучае малой длины ячейки теплооб-юна с одной парой нагнетательного и всасывающего сопел можно юпользовать среднее значение коэффициента теплоотдачи'

- з;г -

При значительных 'длинах ячейки теплообмена' возникают сложности в £ .счетах теплообмена ев счет наличия встречного и спутно-г движений теплоносителя и нагреваемого матери?та. В диссертации разработана оригинальная методика расчета теплообмена о иополъво-, вашем многостадийного предотавлания процесса теплообмена вдоль ячейки о применением динамического програ'' -ирсващ:я Беллмвна. Дня практического использования построены расчетные номограммы.

Разработанная методика позволяет проводить расчеуы "^мпера-турного поля в материале и ггг-" малых расходах теплоносителя, когда в результате теплообмене за счет отдачи тепла заметно понижается темпер -\тура теплоносителя.

Система щелевидаых сопел г-ределяет характер взаимодействия теплоносителя о материалом.

Второй важной составляющей частью технологического аппарата, определяющей температурное поле, поле влагосодаркания теплоносителя являетг-я система подготовки и трансгортировки теплоносителя.

В ; зсертации.рассмотрены особенности подготовки теплоносителя а системах п рециркуляцией и частичным обменом о окр утопией орэдэй. В ряде процессов влажной термообработки существенную роль играет и влагосоде^ание теплоносителя.

Разработанное математическое отдание получено на основе ма-тар'/г-г^.кж в энергетических балансов с учетом кинетики маосабыена о материалом. В модели учтены уноо тепла материалом, затраты на нагрев и испарение влаги, подсос свежего воздуха, частичный выб-роо отработанного теплоносителя. Особенностью разработанной модели является трансцендентность уравнений кинетики изменения влаго-содер^ания текотнльного материала и подсистемы уравнений для определения температура мокрого термометра. Для решения такого математического описания о целью определения параметров теплоносителя перед ьходом в сопловый аппарат разработан специальный аффективный алгоритм, использующий рекурсивный итерационный вычислительный процесо.

На основании етой модели была, в частности, решена задача выбора режимов процесса с целью минимизации энергозатрат, приведенная в приложении.

3.4.2. При рассмотрении силового поля следует учесть, ч-1 оно не существует в аппарате, как температурное а создается элементами конструкции в материала, ¿аким образом, математическое опасение должно позволять расчитывать создаваемое в сбраба.^Ея-э-мом материале натяжение в зависимости от конструктивных пе^зкот-ров воны обработки.

В диссертащш рассматриваются математическое описание ново--,дэния текстильных материалов на многовалковых натяжных станциях я в системе транспортировки текстильных материалов в зонах обработки при наличии неприводных роликов, служащих для изменения нап-. равления-движения материала чаще всего о целью сокращения та баритов установок.

Проведенный анализ матопясения показал пряцзшиальпо' наличке проскальзывания тканой по повархнос л валков, что подтверждено экспериментально в промышленных условиях, и возникновение гармонических колебаний натяжения материала из-за наличия пеприводннх роликов, .которые следует учитывать а процессе.-

4. ПОСТРОЕК® ЫШМОДЕЛЕИ ПРОЦЕССА ТЕРМООБРАБОТКИ , ' ' И СТАТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА

Рассмотренная детально в предыдущих главах диссертации многоуровневая мятамэтичесхая модель позволяет качественно и количественно исследовать•поведение текстильных изделий при комплексных внешних воздействиях в процессе модификации их свойств. Окв отражает изменение характеристик структуры полимера, температуры материала, натяжения волокон, нитей, ткан", характера их движения в переменных полях температуры, натяжения, скорости движения теплоносителя.

Существующее состояние физи,.^- химии полиморов, текстильного ?.19Т9риаловэдопия л других направлений н^уки пе позволяет падеяю вычислять потребительские свойства текстильных издолий из поли-?,тэрных волокон по характеристикам структуры. В связи с этим для оценки влияния внешних воздействий на конкретные потребительские свойства текстильных изделий, играющих определенную роль, в качес-' твэ конечных товаров, были построены метамодели процесса терло об-

работки, т.е. ¡.одели, оотсыващие формально явления всех уровней в комплексе.

Ме.амодели, как правило, отроятся отвтическими в виде ¿.эгреооионных полиномиальных уравнений, а работа рассматриваются регрессионные модели для различных типов нитей, кордшнуров, тке: ней, в основном из полиамидных и полиэфирных волокон, поотроенные на лабораторных и промышленных установка:.

Особенностью любой регреосиошой модели'является то, что она адекватна иоследуемому процессу только на том оборудовс дш, не котором построена. Однако, г смотря на это, регрессионные модели, построенные на лабораторных установках, имеют очень важное значение. Это с .яаано о тем, что в лабораторных условиях осуществлялся тщательный контроль за веек (даже не верьируемыми в данных исследованиях) факторами, измерительные приборы имели сравнительно высокий класс точности, устанавливаемые режимы обработки строго поддерживались на заданном уровне еффективными автоматическими системами, отсутствовали или были резко снижены случайные возмущения с стороны окружающей среда и т. п., т. е. лабораторные установки значительно лучше управляемы и наблюдаемы. Поатому полученные на них результаты експериментальных исследований, хотя они и не могут быть перенесены в реальные промышленные условия без строгого соблюдения подобия темпере.урных, скоростных, силовых полей, имеют более важную научную ценность, чем регрессионные модели, полученные на промышленных установках. Последние хотя я могут быть использованы для оптимизации процесса на конкретном аппарате, но о научной точки зрения они малоинформативны, так как коэффициенты модели "вобрали в себя" и влияние исследуемых факторов, и случайные разнообразные возмущения неконтролируемых факторов.

Адекватные регрессионные модели отроились во всех случаях для всех из рассматриваемых свойств. При исследовании были выбраны свойства, играющие определяющую роль в качестве конечного товарного продукте (шины, приводные ремни для легковых автомобилей и т. ,) в результате анализа рабогоопосоъности изделия, причин преждевременного выхода их из строя о учет«! оущеотвущей практики контроля за качеством.

Рассматривались физико-механические показатели, определят,. а •разнашичаемость" изделий при многократных цик гчэских нагрузках I поведение в процессе последующих тепловых технологических про-, ;есоах изготовления продукции, нару-атагас конструктивное отроение аш, ремней. Это - удлинения при различных нагрузках, гчличая . тзрывное, прочность, начальный модуль, тепловая усадка .В отдель-их случаях проводился Солее широкий комплекс испытаний, включая ¡опнтания конечного изделия.

При построении регрессионных моделей широко применялись еко-гериментально-отагистические методы плакирования пкеперимэнта: ютод случайного баланоа (для выделения значимых факторов в олож-ых многофакторных процеосах и получения модели), методы КСЭ.ДЗЭ, ЯДИ, планы Хартли, многоуровневые несимметричны* планы.

Регреосионше модели в виде лиьЛЬзнх, неполных или полных го-иномсв вида:

V V ¿V + Е £ви*Л .

. где - 1-тое свойство, г — 1,1с (к - чиоло рассматриваемых войств), х1 - учитываемые факторы, ■

спользоваяись для анализа относительной важности влияния того ли иного фактора, оценки необходимой точности его поддержания на аданном уровне.

Они также использовались для построения номограмм о целью на-вяднооти и практическою оперативного использования на практике, экоторые из номйграмм представлены на рип. 3.

При анализе метамоделей для кордануров различных отруктур из злиэфирных волокон (лавсан) было выявлено малое влияние времени адержки в зоне обработки после лагрева на свойства, что поаволя-г повышать производительность существующих установок путем уважения скорости движения шнуров. Для кордануров из полиамидных мокон ( анид) это влияние существенно, что вызывает необходи-зсть более отрого подходить к выоору режимов процесса,т.е. необ-здимо искать компромисо между свойствами шнуров и производи-зльиостью установок. Значительное влияние ва свойства всех видов

ч|о >>4

S «( о »s»

u? 4Î С? Л

tf о,

U о

S

. а

ID 2 S

a.

G

О р: ib

шнуров оказывают и режимы в зонах охлаждения, особенно для ма. — риалов рз лавсана, чему ранее в исследованиях -е уделялось доля-наго внимания.

■ При анализе метамоделей процессч торлообработки шгашоги корда: выявлено существенное влияние режимов второй стадии прон'сса. зоны нормализации, которой также ранее.не уделялось должного внимания.

При анализе метамоделей процесса термообработки тканей при одноосном негруш яки выявлено существенное улучгание рассматриваемых показателей вдоль основы и закзтноэ ухудшение вдоль утка, . что объясняется отсутствием растягивающих усилий в направлении утка. В связи о этим ткани, обработанные при одноосном нагрутони?', имеют ограниченную область использования при сохраь высокого качества

При анализе. метамоделей процесса термообработки ткйняй в плосконапряханном состоянии (при действии независимых растягиЕа- -ксдх усялия в направлении основы я утка) выявлено существенное взаимное влияя. „• натяжений Ро и Ру (что находитоя в полном соответствии с моделью текстильного материала четвертого иерархического уровня), а также' возмоаяость получения тормообрвботашшх тканей с неизменной геометрической структурой, что особенно актуально для равнопрочных тканей, исиальзущихся для специальных целей.

Основным назначением метамоделей процесса термообработки является их использование для оптимизации процесса с целью обеспечения наилучшего качества материалов и, как следствие, конечных' товаров.

; Особенностью оптимизации свойств рассматриваемых материалов является их миогокритериальиость, т. е. оценка качества по нескольким конкурирующим показателям (критериям). В диссертации преимущественно рассматривался репенне такой задачи путем формирования единого обобщенного критерия качества материала о учетом его конкретного применения, в меньшей мере иопользовалоя и путь, овязашшй о выбором одного кз частных критериев в качеотва основного а единственного, а остальные переводились в разряд ограничений. . .

-за-

при формировании единого обобщенного критерия качества текстильных материалов в работе шбрая путь анализа и обобщения опыта и интуиц/ л специалистов проектировщиков, эксплуатационников и др. Тзкой путь позволяет собрать и обобщить рассышг'ный по крупицай опыт специалистов разных направлений: исследователей, конструкто, роа, Бксплуатационшшов, отразить годами накопленные знания, под' чоо даже неформального характера. Для уст-знания или существенного снижения.элементов субъективизма при , обработке специально проведенного зкопертного опроса, который может, вообще говоря, несколько исказить результат" формирования обобщенного критерия, были приняты специальные меры: удаление выбросов мнений отдельных вкспартов, проварка совладения мнений в пределах одной организации, между организациями по кр териям конкордации, высказывания мнения относительно предпочтения при парном сравнении материалов о различным комплексом свойств и некоторые другие.

Для обработки результатов вкопртного опроса на ЭВМ были раз-работан1- опециалыше алгоритмы. В результате получены оценки ве-оомостей отдэлыих свойств корда, частные функции желательности I! сформированы трч обобщенных критерия качества корда:

" ГЛ. - Иопт •»"

п V« 1 ^ " Нопт

V г «ч

V

г. I

V"«

Здесь: Ик, йл, Ни (и) - соответственно кгадратичный, линейный

сбоченные к^лтетии и обобщенная функция желательности Хврртагго-на;. '

Н1, .Боцт4, IВ-чг^ - честные .критерии оптималь-

поста (отдельные свойства текстильных материалов), их оптимальное , (по мнению вкспертов), максимально и минимально -эоткхшае значения з пределах адекватности матемэта. 1вского описания;

<\, - весовие ковф&цночты ( Е а. - 1, 2 ¡1. - 1 >.

Для частных функций желательности ^ испольвоввлись фунте, .га о

односторонним и двухсторонним ограничениями.

3 целом все обобщенные критерии дают согласованные результаты,

хотя и обладают разной вычислительной трудностью, равным объемом

экспертной'и априорной информации, розной чувствительностью.

Наиболее низкую чувствительность имеет квадратичный критерий ,

Пл- : .дифференцируемый, что снижает возможность пегользовь-лтя

штодов оптимизации. В дальнейшей работе преимущественно в качестве обобщенного критерия использовалась обобщенная функция жолателькости Нк (О), как наиболее чувствительный, хотя, как било

выявлено в работе, она мо»ет иметь шюгойкстрамальный .характер,

что зависит от параметров чаотннх функций желательности и параметров регресиошшх моделей для отдельных свойств текстильных материалов.

Для проведения расчетов по решению задач оптимизации по обобщенному критерию оптимальности комплекса свойств текстильтшх материалов использовались, в связи с указанной особенностью функции Харрингтона,специальные уэтоды глобального поиска. В таблице 3 приведены некоторые полученные результаты оптимизации для шинного

корда при введения в качество дополнительнее управляющих факторов шгтеясивностей подвода тепла, что было обосновано в предыдущих главах диссертации. Управление скоростями движения теплоносителя позволило существенно улучлить качество шинного корда. Б. АВТОМАТИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ

ГЕШООБРАБОТАННЫХ ТЕ. ЛШЪШХ. МАТЕРИАЛОВ Современные технологические процессы невозможны без -средств ' автоматического управления. Высокое качество продукции мояно

Таблица 3

Оптимальные рекимы процесса термообработки шинного корда

Режимы обрпбетки Существуйте в промышлег эсти Полученные в риботе

Темшоатура Гв/Тн, С Натяэ:е1т& ?в/Рн, кН/нить Время гв /тн , с .......1мл«г................. 5,5/1,4 -20/20 160/180 " 5,0/1,6 20/20

Сьойстев корда: удлинение при Р - 2 даК, % удлинение при Р - 4 даН, % разрывное удлиненно, % прочность каН 2,4 5,3 , 21 ,8 23,8 ",55 о,6 21,7 23,0

Ойоб^эннь.. функция гелательности 0,89 0,92.....

обеспечит* лиаь при использовании эффективных средств контроля реюгмов процесса и показателей качества обработанных матер!алов, а тага» при применении надекных, построенных с учетом особенностей технологии, оборудования, материале^ систем регулирования. Поетому а диссертационной работе значительное внимание уделено средствам и сяс амач автоматического управления процессом с цель» получения стабильного качества продукции.

В данной главе рассматривается разработанные технические оредотва, системы управления, выполненные в основном на уровне изобретения, а также алгоритмы контроля к управления основными параметрами процесса и тормообработанннх материалов. Все существующие технологические процессы проводятся при постоянной заданной температуре теплоносителя, которая измеряется контактными датчиками. Как показали проведенные исследования по разработанной математической модели взаимодействия теплоносителя с обрабатываемым материалом, темпер -тура воздуха не является величиной постоянной в зоне контакта, она зависит от координат точки контроля. В таблице К2 4,6 приведены значения относительной -емпературы и Т»«« теплоносителя с учетом аэродкнакикк его движения в з'чо контакта для сопла промышленной установки в зависимости от координат ж, у, в.

Табл. 4

Участок стелящейся струи

начвлышй основной

X, мм О 27 50 100 150 200 250 300 350

5, Ш 0 23 73 123 173 223 273 323

У, мм. - -

ор 0,77 0,77 0,74 0,69 0,6-1 0,59 0,66 0,52 0,48

шах 1,00 0,77 0,77 0,77 0,77 С,77 0,65 0,63

Табл. 5

Распределение среднекнтвграл? -ой теыпврат;, л • .по сечению струи

У- • 0 10,0 20. 30 4-0 50 57,7

1 1,00 1,00 0,В2 0,60 0,38 0,17 0,00

Из приведенных дазшнх видно влияниэ точки контроля тостера-турн но показания приборов. В раооте чаны конкретные рекомендации по размещению датчика температуры и значения измеряемой температуры для конкретных промшленних установок. Проведена также расчеты погрешностей измерения температуры для реальных условий.

'Температура теплоносителя является важным технологическим показателем, но структурные преобразования в полимере текстильного материала определяются температурой оа го материала. 3 промышленности в настоящее время кет надежных датчиков температуры движущихся материалов. В диссертационной работе на урзпно изобретений разработаны два бесконтактных прибора для измерения температуры по ИК- излучения, которые отлина; гея высокой чувствительность» (шкала прибора монет быть "разогнана" до интервала 50 "С .) И стабильностью» показаний от темп "¡атурн окружаидей среди. Эти приборы использованы в разработанной на основе.полной мртематиче-ркой модели и приведенных в главах 2 и 3 результатов исследований ровой системы автоматического управления ( на уровне а.с.), где

наряду с трад .циотшмц управляхщяии параметрами: температурой теплоносителя,' натяжением, врвмонем обработки, вводится . дополнительный интенсивность нагрева, задаваемая скоростью движения -ешганоситеяя. Интенсивность нагрева ко зенно контролируется по разности температур теплоносителя и обрабатываемого материала ч середине зоны обработки. Такое построение систем расширяет возможности управления, позволяет обеспечит', постоянным не только оОЕ'.ае время обработки, но и независимо две ого составляющие: время прогрева (до Тм-0,95 Тт ) и время выдержки прч этой температуре, что приводит к повышению стабильности . свойств обработанного материала.

Втор™ важным параметром, который поддеркшаатоя технологи-ческими регламента?« в промыал'чшкх установках, является натяжение материала. Как видно из общего математического описания процесса, на натяжение оказывают существенное влияния неприводние обводные ролики, которые за счет своего момента инерции в переходных рехшох делают, неодинаковым 'натя-енив на различных участках, ог-бенно в переходных динамических режимах. Моделирование многозоншх устчковок (с непригодными роликами) показало, что скорость вращения втих роликов быстрее откликается на изменение натяжения, чем са j натяжение.' Поэтому помимо проведенного анализа влияния инерционных масс ка натяа ние ткачей к нитей, была Предложена система автоматического управления натяжением с вводом информации о скоростях врацепия неприводных роликов, что позволило существенно сократить время переходных процессов регулирования и уменьшить динамические ошибки. Для реализации систем были разработаны (на уровне а.с.) прецезионные импульсные измерители ¿корост : неприводных валков, позволяйте довести погрешность измере-■ния до 0,2 % .

Наряду с натяжаниом часто технологический процесс ведут и но деформации обрабатываемого материала в зоне обработки, которая определяется внешними воздействиями и свойстве«;: материала. В ps-JoTe разработано (на уровне а.с.) устройство для прецеаионкого изг^рения да^рмации движущегося материала по разности скоростей' его движения в двух точках и методика его проектирования. Общая погрешность измерения может быть доведена до 2* Ю-* измеряемой

относительной Деформации."

Одной из особэгоюотей промишлешшх проце зов-, томпэратурнс^ силовой модцфикяцш (термовытяжки, термофинюации) полимерных материалов с точки зрения управления w является отоутотвие методой; непрерывного контроля потребительских свойств изделий, спе; :!фичв-ских для ьаждой кошсретной области их примэнзггия. Поатому существующие системы автоматического управления рзосматризавмыми процесса!^ сводятся к совокупности самостоятельных или роке связанных систем стабилизации основных техно "отческих режимов в отдоль пых точках значительных по объему аппаратов, а контроль результата процесса обработки - к периодичесютм лабораторным испытаниям. .

В кочеотве косвенного параметра состояния обрабатываемого материала в работе предложена и обоснована возможность ..спользо-рашщ характера распределения деформации непрерывно движущегося вдоль зоны обработки полимерного материала, который зависит как от сеойств материала, так п от внешних условий обрвботки о учетом их распределенности. Характер развития деформации пришгишзлыга нетрудно измерять через характер распределения скорооти движения материала в зоне обрабопси в ряде дискретных точек а паследуксрш восстановленном в случае необходимости непрерывной функции распределения скорости.

В работе дотально анализируется возможность косвенной оценки дефордацяонпых свойств в автоматических сиотемах контроля, по па-) роме тру.?, входящего в апроксимирующее математическое описание движения материала в зоне обработзсл '

цУ(х) _ , У(х) - Уо ах . * х

'где V(r) - скорость, движения материала в .очке о координатой х , Уо - то яе в начальной точке, г - параметр, характеризующий деформационные свойства материа.- в, 0 < у < 1 .

Показана однозначней связь ? о раологичэсними параметрами текстильных материалов из полимерных волокон при постоянных Внесших воздействиях, разработаны различнае алгоритмы идентификации в реальных промышленных проць.оах с учетом помех, погрешностей Измерения и алгоритмы вычисления реологических характеристик материалов по вычисленному значении ? .

В реальных процесоах, как уже. указывалось, вследотше изме-

нония температ:ты реологические ковфЗ^сциенгы непостоянны по длине процесса. Поэтому для цели автоматического непрорывного контроля стзбилыг ^тк свойств материала целесообразно не. усложнять меру оцапки свойств, а получить некоторое эквивалентное значение ?6 для конкретного процесса, которое и можно принять за косвенную меру деформационных свойств материала ( а следовательно, стабильность ?э за керу стабильности свойств материала).

Для оценки численного значения <г0 по измеренным 7(хь>. ¡*Т7ТГ; в соотвэтсеш! с уравнением были проанализированны различные алгоритмы о точки ирония трудозатрат и чувствительности к дискам в экспарпмэш'вльном опредэлеш.. отделышх величии как аналитически, так и путем имитационного моделирования на ЭВМ.

анальо чувствительности бкбиволэптного значения к изменению внсоаи условий процесса \.мпературно-силовой модификации и к свойствам текстильных полимерных материалов технического назначения проводился путан обработки результатов моделирования процесса.

Сравнительный анализ результатов моделирования показывает значительно более'высокое влияние свойств материала на (д , че? рехиков процесс-. Это подтверждает возможность косвенной оценки саойотв материалор по величине ?8(в частности: при стабильности ?а ккжно говорить о стабильности свойств).

Для повышения точности оценки ?а необходимо ввести коррекция па нестабильность внешних воздействий. Для этого разработал алгоритм пересчета < путем приведения к "базовому" рокаму, т.е. к заданному ношнвльному, при небольших отклонениях от него реальных

« сР го ) С(У^)

' ~ -Г чглу-тгф

Скорректированное аначаш'е и является косвенной мерой стабильности свойотв обработанного материала.

При комплексной оценке стабильности свойотв материала по профилю распределения скорости его. движения вдоль зоны обработки можно управлять процэссом путем влияния на поле скоростей движет. материала, т.е. применяя наряду о распределенным контролем распределенное управление, что существенно повышает эффективность

управления и позволяет выявленные отклонения в начале зоны скои-пенсирот 1тъ в конце зоны. Суцвствущее промышл иное оборудование позволяет без существенных изменений конструкции оппвратов осущэ-отвлять дискретное распределенное у-равлен е о помощью теплоносителя. В уптановке для термообработки шинного корда в с лловом : аппарате подвода теплоносителя можно управлять каждым соплом отдельно, (они располагаются с шагом 0,6 м при общей длине зоны об-, работка 35 м), подаввя через него горячий или холодный воздух; Особенность конструкции позволила разрбогать оптимальную систему; дискретного управления профиюм распределения окороста движения, воздействуя на него включением или отключением сопла. В чвотном ' случае система позволяет даже организовать для каждого погонного не' ра корда свой технологический режим обработку, реализуя режим "бегущего" воздействия теплоносителем.

Система управления предусматривает измерение скоростей движения материала в отдельных точках, вдаптивную подстройку параметров линеаризованной -одели движения материала по итогам управления, выработку управляющих воздействий на натяжные станции и на привода заслонок, которые переключают воздушные потоки в соплах - подачи теплоносителя.'При этом температура теплоносителя поддерживается на задвнном уровне локальной •истемой регулирования.

Приложение •

/ В приложении приведены решения некоторых прикладных задач, ш-. ».лученные с использованием основных результатов диссертационной рапорты и направленные на .минимизацию внергозатрат на процесо, что связано о общим высоким уровнем енергопотвбления процесса.

' . Ш. Оптимальное распределение скорости движения теплоносителя в зоне обработки. . С учетом влияния скорости теплообмена (которая зависит от скорости движения теплоносителя) на свойотва обрабаты-. веемого материала и на тепловые потери ч окружающую, среду постав-лева и решена задача распределения скорости движения теплоносителя вдоль зоны обработки с целью минимизации расходатепла на процесо. Задача решена с использованием достаточных условий оптимальности Кротова. Результат решения задачи - двухступенчатое распределение: в начале процесса - предельное верхнее значение скорости тепло носителя, далее - предельное нижнее, обусловленное компенсацией

•Ьплопотерь. ,

. П2. Определение оптимального расхода теплоносителя в аппарате о рецирул даей. . При рециркуляции теплоносителя в.аппарата с,оущв-о^веным влагосодаржаниом осуществляется гчстичный обмен теплоноаи-теля С выброо влажного и введение сухого о низкой: температурой), от которого существенно зависят энергозатраты на процесс.В работа поставлена и решена вадвча определения оптимального расхода тепло-нооитйля и кратности его частичного обмена в зависимости от режима процесса о целью минимизации энергозатрат на процесс.

Далее в приложении приведены некоторые, технические описания отдельных систем управления свойствами материалов и образующих их сре'-чв, а также основные документы об использовании в проиышлвннооти результатов работы.

. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ... ■ '

. Проведен Цикл систематических исследований процеосов непре-' \ рыизой т"чпаратурно-силовой модификации текстильных материалов и показана необходимость комплексного учета особенностей технологии; оборудования и сиотеи управления для получения высокого качества обработанных матер, злов и товаров, изготовленных на их основе.

В диссертации получены следу щиг основные научные и технические результаты^

1. Разработана семантическая модель представления знаний о

. процессе-термообработки текстильных изделий из полимерных волокон, устенавлаващая причинно-следственные связи, определяющие влияние технологического оборудования, систем управления, технологических реких з на структурные изменения а полимере; модель базируется яа системном подходе в рассматривает исследуемый процесс как многоуровневую иерархическую оьстему.

2. Разработана общая математическая модель, описывапцая изменение характеристик непрерывно движущихся текстильных изделий

полимерных волокон под воздействием температурных, силовых, вла'-гостних Полей, поля скорооти движения теплоносителя в процео-ое темдаратурно-силовой модификации; модель позволяет учитывать распределенность внешних полей при прогнозировании качества изде-

- гг / -

I лий, синтезировать воздейстшя йа процесс.ттр11 управлении им Рпр V , г екгироввть отдельные элементы конструкции впла^чтов.

, 3. '.Теоретически обосновано; ^кпериментально исследовано и ' подтверждено вл.1ящш. интенсивности подвода топла в ¡процесс«, обра-! ботки на качественные .показатели продукции, что позволило пвости ■дополнительный фактор, расширяющий ресурсы .¡управления, качеством. ' 4. Разработаны, методы анализа:, тепло них полей; промышленных .! аппаратов и.их.взаимодейотвия с обрабатываемым! текстильными., на»-' делинии; на их, основе.предложены методики, раететатемггоратуря'ыа-.дариала в процессе обработки,' Мвтодаки. оптимального, лртаятирова-'''ншг. элементов'конструкций и систем контроля о целью улучшения ка-А _ чества изделий. •■/.'■ ■ •

5. Разработали методики оптимального проектирование, тешюЕнх., режимов однозонных; и многоаонных. процессов обрыюткк ' о.'• позиции

| . снижения энергозатрат на проведение.процеоов;. на базе методик ре. шен ряд конкретных задач.

6. Зкспаркментал^но и теоретически: прранализ^рованнн особен-нооти деформирования текстильных материалов при комплекном воздействии силового и температурного поля, которые учреш при фор. мированш требований к элементам конструкции и системам управления технологического процесса. "

",7. Построены математические номели метауровня'процеооа обработки с использованием акспериментально-отатиотинеских методов ^ дня пвдюкого класса текотильннх изделий (нити, шнуры, ткани. раз-г , личных структур и из различных.полимерных.волокон), .построены но-/, мограммы для оперативно.-о управления квчесташ обработанных кете-риалов.

8. Разработаны комплексные критерии ; качаотва . обработанных ;■ ., материалов и на их^основе методики нного1фиуериально£. оптимизации, овойотв текстильных материалов. .....

■ 9. РазраСзтены.. алгоритм косвенного контроля качества обработанных материалов-, базируицийоя на измерений профиля распределения скороотей его движения вдоль «зоны обработки (алгоритм предусматривает выделение;, ыжяния .внешних воздейотвий и • «астабильности свойств исходного (материале) и алгоритм распределенного управле- ' ния стабильностью ^войотв обработанного ..материала, позволяющий

вносить упрежд ицеэ управляющее воздействие о учетом движения материала вдоль зоны обработки. ' ' . ,

10, Разработаны оригинальные (на уровне авторских свидетельств) системы автоматического управл-':ия и образующие их технические средства для повышения качества обработанных материалов.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Васильков D.B. и • Термическая обработка кордных материалов из.синтетических волокон, и оптимизация параметров .

процесса ^ применением методов планирования експеримента. . Издательство ЦЯШЭнефтехим, N.. *"73.

2. Васильков Ю.В.', Романов A.B. Термообработка текстильных изделий технического назначения. Легпромбитиздат, М., 1990. "

3. Васильков Ю.В. Оптимизация прцвсоов о использованием аксперимэнтально-стегисгических моделей ЯШ, Ярославль, 1991.

4. 'занов Л.А,, Васильков Ю.В., Василькова H.H. Влияние режима нагревания кордных нитей но их физико-механические свойства. Е."Хим. волокне", * 4, 1973. ,

5. Иванов Л.Д., Васильков Ю.В., Босторииа H.H. Об оценке смещения каркаса клиновых ремней в процессе, вулканизации.

Ж. "Каучук и резина", * 8, 1973.

6. Иванов Л.А., Васильков Ю.В. и др. Изучение процесса тер- .. мофжоащот полимерных кордшнуров на промышленной установке.

НГС " Производство шин, РГИ и АТИ", Л 12, 1973.

7. Иванов'Л.А., Васильков Ю.В., Василькова H.H. Изучение проц. соа термофиксации полимерных кордянуров на двухзоннсй экс- ■ перимеатальноЯ установке. HIC ." Производство пин, РТИ и АТИ*,

X 1, 1974. . '..■••..'

3. Иванов Л.А., Васильков Ю.В. Влияние реазога нагревания кордных нитей на их физико-механические свойства. Я. " Химическою Еолокна", * Б, 197Б. .

9. Васильков Ю.В., Асеев Д.И., Иванов Л.А. Применение обобщенного критерия при оптимизации процесса термообработки винного корда. ИГС " Производство шин, РТИ и АТИ", * 7, 1978. "

- 4SI -

10. Васильков Ю.В. и др. Анализ тепловых режимов термобаг-'е каландровой линии. НТО " Производи, э шин, РТИ и АТИ" Л 2, 1979.

11. Иванов 4.Л., Васильков ^.В., Гпвнов Л.А. Методика определения реологических коэффициентов при наличии инерцпнных' каоо в системе нагрукения. Известия ВУЗов " Технология текстильной промышленности", * 1, 1979.

12. Васильков D.B., Аниськина H.H. Определение периода опрооа первичных преобразователей температуры в АСУТП "каландровой лилии. НТО " Автоматизация и КШ в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности", * 10, 1979.

13. Асеев Д.И., Васильков Ю.В., Иванов JI.A., Минц CD.H. Авали' неоднородности свойств сурового корда как источника эзмуще-ний при разработке АСУТП кордной лиши. НТО " Производство шин, РТИ и АТИ", X 2, 1980.

14. Асеев Д.И., Васильков Ю.В. Исследование процесса охлаждения кордного полотина валках промежуточной натяжной станции участка термической обработки. НТРС " Производство шин, РТИ и

' АТИ", ЦНИИТЭнефтехим, Л 1, 1931.

15. Асеев Д.И., Васильков Ю.В. и др. Выбор места установки датчика температуры для контроля технологического рекима в КВТК каландровой линии. НТРС " Автоматизьция и КШ в нефтеперерабаты-йавдей и нефтехимической промышленности", ЦНИИТЭнефтехим, Я 1,

' 1982.

16. Асеев Д.И., Васильков Ю.В., Трофимов Е.Ф.', Былинкин Б.О. Анализ нагрева шшного „орда при его термообработке. Ж. " Каучук и резинв", JS 12,' 1983.

, 17. Василькова H.H., Васильков Ю.В, Малышева H.H. Повышение ' экономичности большой сушильной квмера кордной линии. НТРС "Про' изводство CKi пин,. РТИ, АТИ", Ä 4, 1984.

18. Трофимов Е.Ф;, Васильков Ю.Я., Асеев Д.И. Аналиа' эффективности работы регулятора соотношения прямого действия.НТРС ч Производство CK, шин, РТИ, АТИ", № 2, 1984.

19. Васильков Ю.В. и др.. Некоторые аспекты оптимизации термообработки влакных материалов. ШЖ, » 3, 1984.

20. Асеев Д.И., Васильков D.B., Трофимов Е.Ф., Былинкин Б;С,

:. влияние режим нагрева корда в КТВК на его свойства. Ж. ч Каучук и резина", * 6, 1984. •■. .

21Васильков Г.В. и др. Автоматическая сиотема регулиро- ; вания температуры в процессе термообргчотки корда. НГРС. Производство СК, шин, РТИ, АТИ * '4, 1986.

22. Aseev D.I., /Troflmov E.F., Vaailkov Y.V., Byllnkln B.S.", '■'Heating - up о Г tyre cord during heat tr^ament. International PoLir.ar Science and Tecnology, 1985, vol 12, Num. 5, p.T/30-T/33

Z3. Василькова H.H., Васильков D.B., Касьянова,М.Ф. Динами-чеокив свойотва обьектов в системах регулирования натяжения полимерных материалов. В сб. Автоматизация и комплексная механизация ХТП". Депонированная рукопись Я 812 хп-Д81 Библ. указатель ВИНИТИ * I, 1982 , 4.136, НШТЭИ, Черкассы. - '

24. Васильков Ю.В., Асеев Д.И., Трофимов Е.Ф. Система цент, рализованного управления натяжением винного'корда на кордной лигам. Депонированная рукопись Я 78пх-Д83 ЦНИИТЭнефтехим БУ ВИНИТИ "Деп. научн. работы",* 9,1983.

25. Васильков Ю.В.,Асеев Д.И. Формирование единого критерия оптимальности свбйств корда с использованием функции желательности. Депонированная рукопись * 122нх-Д38, ЦНШТЗнефгсехим БУ ВИНИТИ, "Депонирг-анные научные работы", Я 12, 1983.

,26. Васильков D.В. .Асеев Д.И. Ф-омирование единого критерия оптимальности свойств корда при разработке АСУТП кордной линии. Депонированная рукопиоь * 77нх-Д83 ЦНИИТЭнефтехим БУ ВИНИТИ, : X 9, 1983. ,

27. Васильков D.B.,Асеев Д.И. Формирование единого квадратичного критерия оптимальности свойотв корда.' Депонированная рукопись J6 1ББКХ-Д83, БУ ВИНИТИ, Деп. рук. Ji 2, 1934.

28. Васильков В.В.,Асеев Д.И., Трофимов Е.Ф. Выбор критерия статической оптимизации . подсистеме управления качеством шинного корда в АСУТП кордной линии. Депонированная рукопиоь Я 154НХ-Д83, БУ ВИНИТИ, Деп. рук. * 2, 1984.

• 29. Васильков Ю.В..Асеев Д.И. Минимизация тепловых потерь в конвективныг. аппаратах для термообработки текстильных изделий из полимерных волокон. В сб. "Вопросы создания автоматизированных ■ .систем управления технологическими процессами". Библ. указатель

ВИНИТИ , "Депонированная научная рабою" Л'2, 1968.

30. "рофимов Е.Ф., Васильков Ю.В. Применен;. , принципа. енер-Ьетичэского детерминизма в общем математическом описании напряженного состояния полимерного воло'-m. В г'. "Вопроса создания; автоматизированных систем управления технологическими ' npct осп-Itoi". Библ. указатель ВИНИТИ,"Депонированная научная работа" * 2<

: 1988. • .■.'■ ■

31. Vaflilkov Y.V., Trollmov E.F. Kafarov V.V,, Perov V.L.

.,' Hatematiceokje opisanle i upravlenie rrocessaul 'TSM pollrcer- • nych volokon i lzdelia lz nioh. Zbornlk XVII KonierenolJ, VySoVe-'' Tatry, 1988.

32. Vaallkov Y.V., Troíln»? E.P. Povyeiiehia stabilnoati evcjatv ladellj tetalcheakogo naznanheniya lz го' tmernyh /olotorb г пергеryvTiyh proceasali TSM. Zbonulc prednaaok PIBRICHEM 89, Bratislava, 1969.

33. Vaellkov.r.V. Postroenle obobechennogo kpiterlq lcachestva pollmemyh teJcstllnyli lEieliJ tehnloiieakogo naznáoheniq. Zbornlq prednasolc.FIBRIulEM 89, Bratislava, 1969. : i

^ 34. Иванов^А.А. , Васильков Ю.В. Определение реологических и харакгериотик полимерных материалов по прорыщи;,! методом. " Мехэ-; ; шка.деформируемого твердого тела", тозпсы докладовВсеоокзяоЯ конаренции молодых ученых,' Куйбышев, ,1978. i 35. Трофимов Е.Ф., Васильков Ю.В., 'Пэров В.П. Применение методов системного анализа к моделировании процессов термообработки полимерных волокон и изделий из них. Тезисы Всесоюзной на- '. : учно-технической конференции " Теория и практика формирования , химических волокон", Мытищи^ 1983. .'■■;'<

36. Асеев Васильков В.В., Былинкин B.C. Анализ' эффективности теплообмена при сопловом обдуве текстильных изделий о Целью интенсификации процеоса и«. термообработки. В кн."Повышение Эффективности тепломаосообмешшх и пцг-одинамичеоких процессов ' . i текотильной промышленности", Материалы 2-й Всесоюзной конференции М., 1985. ' ' •

37. Васильков Ю.В., Асеев Д.И. Повышение вффвктирчосги кон-, вективных аппаратов для термообработки текстильных изделий и? полимерных волокон. В кн." Повышение вффективнооти тепломао-

сообменкых и идродинамических процессов в текстильной промыш- / ленности".Материалы.2-й Всесоюзной конференции М., 1986. • -

38. Васильков P.E., Трофимов Е.Ф., Асеев Д.И. Оптимальные расурсосберегаадие р*5:имы термообработщ текстильных армирующих материалов, В кн. "Повышение качества продукции и внедрение ресурсосберегающей технологии в резиновой промышленности" , Тезисл докладов Всесоюзной конференции, Яросламь, 1986.

39. Васильков D.B. Оптимальное проектирование сопловых ТО аппаратов. В кн. "Создают« и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для текстильных промышленности и производства хикич.-^ких волокон". Труда III Всесоюзной

конферен'-м.ЦНИИТЭИлегпром, М.. 1989.

40. Васильков Ю.В., Троф'~"ов Е.Ф. Повышение • стабильности овойотв изделий технического назначения из полимерных волокон в непрерывных процессах ТСМ. В кн. "Создание и внедрение современ-, них аппаратов с активными гидродинамическими режимами для текстильных промышленности, и производства "кмических волокон". Труда III Г-есоюзной конференции,ЩШТЭИлегпром, М., 1989.

41. Васильков Ю.В. Построение обобщенного критерия качества полимерных текстильных изделий технического назначения. В кн. "Создание и внедрение современных аппаратов с активными гидродинамическими режимами для текстилгздх промытлэн ности, и производства химических волокон". Труда III Всесоюзной конференции, ЦНШГЭИлогпром,М., 1989. /■ '

424 Васильков Ю.В., Трофимов Е.Ф., Асеев Л.И. Системный подход в исследовании ТСЫ текстильных материалов технического нзз- ; начения и некоторые, результаты его применения в народном " хо-зяГ -тве. В кн. " Материалы, всесоюзной научно-технической конфе-. ренции " Текстильные материалы технического назначения и опыт их применения в народном хизяйотве", Ы., 1991.

43. Васильков й:в., Асеев Д.К. Применение экспертного опроса' при оценке качесва материалов в шинной промышленности. Материалы Всесоюзной конференции "Современные проблемы в области синтеза р-эин", Дн«,.¿ропетровск, 1960.

44. Васильков Ю.В. и др. Применение средств вычислительной техники при управлении кордной линией. Материалы Всесоюзной кон-

ференции "Современные проблемы в облаоти синтеза, резин", Днеп ропетрор-к, 1980.

45.Иванов Л.*., Каталов А.И., Васильков Q.B., Босторина Н.Н. I Планирование эксперимента при выбор« оптим^пьных уоловий процео-са термофикоации кордашуров из полимерных материалов. ССчриик ! научннх трудов ЯТИ, т. XXXI, Ярославль, 1970. ; 46. Иванов Л.А., Ваоильков Ю.В. И др. Исследование влияния процесса термовытяжки на физико-механические и музыкальные свойства полимерных струн. Сборник научных трудов ЯПИ "Автоматизация и комплексная механизация химико-технологичеоких процессов", Ярославль, 1973.

47. Васильков Ю.В. Математическое модел1фоваше процессов тег 'овоП обработки полимерных волокон и изделий "3 них. В кн. Модели и системы управления ХТП, 1С.,, Калинин, 1s*84.' "

48. Васильков Ю.В., Трофимов Е.Ф. Некоторые проблемы механики твердых тел в процессах температурно-силовой модификации' полимерных волокон и из-елий из юге. 3 кн. "Теоретические основы механики сплошных ерэд", Тезисы докладов межвузовского научного семинвра, Ярославль, 1987.

49. Васильков Ю.В." Измеритель скорости. Авторское свидетельство Я 892303, опубликованное 23.12.81, Бюллетень 47.

50.- Васильков Ю.В. Измеритель соотношения скоростей. Анторс-' кое свидетельство № 901905, опубликованное 30.01,82, Бюллетень 4

51. Васильков Ю.В., Асеев Д.П., Трофимов Е.Ф. Устройство для управления термической обработкой ленты, в термобаине. Авторское

' сеидетелтьство }Ь 9.31789,'опубликованное 15.12.82.Билл. 4S.

52. Васильков Ю.В., Дзюба О.В., Асеер Д.И., Трофимов Е.Ф. Устройство для бесконтактного измерения температуры. Авторское свидетельство й 1176182, опубликованное 30.08.85, Бюллетень £32. ,

53. Васильков Ю.В., Трофимов. Е.Ф., Асеев Д.И. Установка для термической обработки из полимерного мемориала.. Авторское свиде- ^ тельство А 1174709, опубликованное 23.08.85, Бюллетень Я 31.