автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.03, диссертация на тему:Проектирование свойств хлопчатобумажной пряжи кольцевого и пневмомеханического способов прядения

На правах рукописи

Р Г Б ОД

Бакустина Римма Семеновна

Проектирование свойств хлопчатобумажной пряжи кольцевого и пневмомеханического способов прядения

Специальность 05.19.03 - Технология текстильных

материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.С.Михайлов Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и

техники России, доктор техн. наук, проф. А.Г.Сеоостьянон, доктор технических наук, профессор Я.И.Шгут

Ведущее предприятие: А/0 НИН "Петрсжить"

Защита состоится 21 ноября 1995 г. » 10 часов на заседании специализированного Совета К 063.67.03 ь Санкт-Петербургском государственном университете технологии и дизайна в аудитории 241.

Адрес; 191065, С.-Петербург, ул. Большая Морская, 18. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

А

университета.

Автореферат разослан J3 октября 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доцент Я.й.Дергачей.i

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. Мировая техника и технология производства пряжи из хлопка находятся в настоящее время на высоком уровне развития. Современные машины снабжены электронным компьютерным управлением, контролем качества, регуляторами неровноты, приспособлениями для дополнительного обеспыливания и для автоматической ликвидации обрывов, автосъемщиками готовой продукции, и многими другими техническими усовершенствованиями, которые требуют от людей, обслуживающих такие машины, все меньше физических усилий и все больше общих технических знаний и знаний конкретной технологии. И лишь одна область в прядении.все еще зависит в основном от опыта специалистов - это правильный, в зависимости от качества и стоимости, выбор сырья для производства пряжи. Однако такое положение дел и здесь будет в ближайшее время изменено, поскольку актуальной является проблема рационального использования сырья. Предпосылки к успешному решению этой задачи - появление современных измерительных систем ("Зр1пп1аЬ", "НУ1И), которые позволяют быстро и точно проверить все свойства волокон из каждой кипы; и широкая доступность быстродействующих персональных компьютеров. Поэтому, основная цоль данной работы - разработка и создание математических моделей и программ, которые позволяли бы, во-первых, по известным характеристикам волокнистой смеси прогнозировать свойства хлопчатобумажной пряжи кольцевого и пневмомеханического способов прядения и, во-

ьторых, оптимизировать состав перерабатываемой смеси для этих видов пряжи.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи;

- разработка математических моделей для проектирования свойств пряжи кольцевого и пневмомеханического способов прядения;

- разработка нелинейных математических моделей оптимизации состава смеси;

- теоретическое исследование неровноты гипотетического продукта (ленты, ровницы, пряжи) с учетом содержания в нем пороков и сорных примесей;

- реализация предложенных формул и моделей в компьютерных программах.

Мето^ды исследования. Методологической основой работы явились научные труды отечественных и зарубежных ученых по исследованию влияния свойств волокон на свойства получаемой пряжи и по разработке методов оптимизации смесей. В теоретических исследованиях использовались методы математического моделирования свойств волокнистых материалов, аппарат теории вероят-

я

ностей..

При экспериментальных исследованиях использованы методы математической статистики, регрессионного и корреляционного анализа.

Обработка результатов эксперимента велась на современном персональном компьютере с помош>>?> стандартных интегрированных программных пакетов и систем:

"Эврика", "Microsoft Excel", "Statgraf" и с помощью специальных программ составленных автором.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- предложены формулы для проектирования свойств пряжи (удельной разрывной нагрузки, разрывного удлинения, неровноты по разрывной нагрузке, по Устеру, по линейной плотности) кольцевого способа прядения (КСП) с учетом влияния содержания пороков и сорных примесей и количества гребенных очесов;

- предложены формулы для проектирования указанных выше свойств пряжи пневмомеханического способа прядения (ПМСП) ;

- предложена математическая модель неровноты гипотетического продукта (ленты, ровницы, пряжи) с учетом содержания пороков и сора;

- разработана и реализована в программах нелинейная модель оптимизации смеси для получения пряжи кольцевого и пневмомеханического способов прядения.

Практическая акачьзюсть работы заключается в том,

что :

- предложенные математические модели и программы могут быть использованы для прогнозирования свойств пряжи КСП и ПМСП и для оптимизации а производственных условиях одной или нескольких сортировок;

- разработанные программы внедрены на прядильно-ткацкой фабрике им.В.П.Ногина, и могут быть применены на других прядильных производствах.

- математические модели и программы используются в учебной процессе в курсах "САПР пряжи", "Прядение хлопка".

Апробация работы. Основные материалы работы были доложены и получили положительную оценку на расширенном заседании кафедры прядения натуральных и химических волокон СПбГУТД (Санкт-Петербург, 1995 год), на расширенном техническом совете АО НИИ "Петронить" (Санкт-Петербург, 1995 год)

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано пять печатных работ.

Структура и объем раОоы. Диссертация состоит из введения,'пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Работа выполнена на № страницах, имеет рисунков и ¿>() таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, их научная новизна и практическая значимость.

В первой глава анализируются'существующие модели проектирования качественных показателей пряжи, влияние засоренности волокнистой смеси и полуфабрикатов прядильного производства на качество пряжи, методы оптимизации состава смесей..

Большой вклад в проведение фундаментальных исследований, ставших основой для формирования комплексных подходов в технологии прядения, проектировании и оцен-

ке свойств выпускаемом продукции, внесли отечественные ученые В.Е.Зотиков, А.Г.Севостьянов, А.Н.Соловьев, К.И.Корицкий, А.Н.Ванников, зарубежные ученые К.Жегофф, П.Гросберг, Я.Кашпарек и другие.

Все исследования в области проектирования свойств пряжи можно разделить на три группы: теоретическое, эмпирическое, расчетно-эмпирическое решение. Наибольшее распространение получили расчетно-эмпирические формулы. Проделанный нами анализ показал, что для кардной системы прядения наименьшее отклонение расчетных данных от фактических дает формула К.И.Корицкого по определению удельной разрывной нагрузки пряжи (Р) в зависимости от свойств волокон; им же предложен наиболее обобщенный комплект формул по проектированию не-ровноты пряжи по разрывной нагрузке (Ср), по линейной плотности (Ст), по Устеру (Су), удлинения пряжи при разрыве(Е), разрывной нагрузке пасмы (Рп). Для пряжи гребенного способа прядения и пряжи ПМСП отсутствуют удовлетворительные модели, учитывающие особенности технологического процесса и строения пряжи. Кроме того, из экспериментальных данных, приведенных в различ-. ных литературных, источниках, вытекает необходимость введения в формулы для проектирования свойств пряжи кольцевого и пневмомеханического способов прядения показателя засоренности волокнистой смеси.

Разработку теоретико-эмпирических зависимостей разрывной нагрузки и неровноты пряжи от свойств волокон, засоренности смеси, с учетом особенностей технологического процесса и строения пряжи можно считать

началом работ по оптимизации состава смески. В разработку методов оптимизации большой вклад внесли работы отечественных ученых - Н.Я.Краснера, М.М.Варковецкогс, Ф.Ф.Бездудного и других. Практическое применение нашли линейные модели, разработанные Ивановским ГИВЦЛегпро-мом, нелинейные модели, предложенные в ЛенНИИТП.

Однако линейные модели являются приближенными при описании свойств пряжи, а существующие нелинейные модели не позволяют охватить комплекс технологических требований, предъявляемых к смескам в условиях совре-меного производства.

Учитывая важное значение рационального подбора сырья, в данной главе намечены пути совершенствования математических моделей длн проектирования свойств пряжи и для оптимизации составов хлопковых смесей.

Вторая глава посвящена проектированию физико-механических свойств пряжи (Р,Е) гребенного способа прядения. Г/ролеланный теоретический анализ показал, что удельная разрывная нагрузка пряжи линейно уменьшается при увеличении засоренности волокнистой смеси, неровнота по разрывной нагрузке возрастает. С учетом этого, а также, принимая во внимание, экспериментально установленную А.Н.Ванчиковым взаимосвязь свойств гребенной и кардной пряжи, получили следующие выражения для расчета удельной разрывной нагрузки и разрывного удлинения пряжи гребенного способа прядения:

• гр

РкаРП,0 3 + 0,005?у) Ко + |Ь1Т|з - в) . И )

-3/0

где Ркар - удельная разрывная нагрузка кардной пряжи, определяемая по формуле К.И.Корицкого; Ргр(3,у) - определяется по формуле (1) с учетом засоренности волокна Э и процента гребенных очесов у.

Тп - линейная плотность пряжи, текс; Ко - коэффициент, учитывающий состояние оборудования;

Ьрр - эмпирический коэффициент, определяемый по статистическим данным для гребенного прядения в зависимости от засоренности волокна; Э - средняя засоренность сырья на предприятии. По предложенным формулам были проведены расчеты по статистическим данным за два года работы фабрик "Советская Звезда", "Комбинат имени*С.М.Кирова(С.Петербург) . Относительное отклонение расчетных значений удельной разрывной нагрузки пряжи от фактических б среднем не превышает - 4,2%, удлинения - 4,3%.

В третьей главе предложены формулы для определения иеровноты гребенной пряжи по разрывной нагрузке (Ср), по Устеру (Су), по линейной плотности (Ст), а также неровноты гипотетической пряжи (Сг) .

С учетом проделанного во второй главе теоретического анализа по определении влияния засоренности волокна и особенностей процесса гребенного прядения на

разрывную нагрузку и неровногу гребенной пряжи и с учетом результатов исследований проф. К.И.Корицкого по определению неровноты пряжи в зависимости от ее линейной плотиости и комплексного показателя геометрических свойств волокон, получили следующие выражения для определения Ср, Су:

. <60 • (2,3 - К/0^ _ (3) р„ с;, у) • </¿1

^ . Й? 6, У) ■ Л

Неронноту по линейной плотности Ст можно определить, как показал К.И.Корицкий, с помощью величин Ср и Сг: фу •= 0,5^Ср — Сг (5) . Поэтому нужно знать величину Сг; кроме того, исследование неровноты гипотетического продукта представляет и самостоятельный интерес. Далее в этой главе подробно рассматривается не-ровнота гипотетического продукта. Существующие модели неровноты гипотетического продукта 1.6.Маг*::1пс1а1е, G.M.Bornet и другие рассматривают продукт, состоящий из случайно расположенных волокон или групп волокон, не учитывая наличие в нем сорных примесей. С учетом засоренности продукта, условно разделив продукт на два слоя, приняли, что в одном из них содержатся только прядомые волокна, а в другом - сорные примеси и пороки. В результате сложения этих слоев, получили выраже-

ния для неровноты гипотетического продукта, содержащего сор, волокна в котором располагаются в соответствии с теорией I.G.Martindale (6) и G.M.Bornet (7): __

Сг - 100f37^ , (6),

b.ps^p + t.f. С7,

где П - среднее число волокон в сечении продукта; Сс - неровнота по массе слоя сорных примесей, Сс>0.

Анализ формул (6,7) покаэываег, что при S-0 формула (6) переходит в формулу I.G.Martindale, а формула (7) - в формулу G.M.Bornet; неровнота гипотетического продукта Сг возрастает с увеличением засоренности продукта - S и неровноты по массе слоя сорных примесей - Сс.

Сс ~ новый показатель для оценки качества продук- . та. В данной главе рассматриваются различные способы его определения и связь с другими показателями. Если известно среднее число соринок (пороков) к в сечении продукта, то приближенно величину Q; можно определить 100

как: Сс = Принимая, что соринки длиной 1 огсто-

V к

ят друг от друга на расстояние Ь, и воспользовавшись

формулами теории вероятностей, получим еще один вариант определения С^: ^ _ ЮО^Е'

Модели (6,7) могут быть применены для продуктов прядения любого перехода: ленты, ровницы, пряжи. Из формул для определения Сс следует, что даже без удаления сорных примесей неровнота продукта при переходе с 1-го на (1+1)-й переход будет возрастать при его вытягивании:

100 - - /? Ссц-1 = ИГ = ^

или:

I

«Зет = 100^31 = Сс1^Ё ,

где Е - вытяжка.

При удалении на Ц+1)-м переходе части сорных примесей, содержащихся в продукте после 1.-го перехода, в приведенных формулах уменьшается к и увеличивается Ь, поэтому также возрастает С<.. Таким образом, действие обоих факторов совместно приводит к возрастанию Сс в продукте от перехода к переходу.

В этой главе показана также.взаимосвязь неровноты по массе слоя сорных примесей Сс с неровногой по доле волокон и неровнотой по доле сорных примесей в сечении продукта.

Проверка формул (3)-(5) по статистическим данным показала, что среднее отклонение фактических данных от

расчетных для Ср не превышл-'Т - 9,8%, для Су - 5,5%, для Ст - 6,4%.

В чатвсртой глава предлагаются формулы по проектированию свойств пряжи (Р, Е, Ср, Су, Ст) пневмомеханического способа прядения. В формулах нами учитывалось, что пряжа ПМСП имеет стержневой слой, вокруг которого располагаются наружные обвивочные волокна. Исходя из известного соотношения:

Пет = Пвп (1 ~ Кз) '

где Пет - число волокон в стержневом слое пряжи; Пвл - число волокон в волокнистой ленточке; Кэ - коэффициент захвата, получаем формулу для определения удельной разрывной нагрузки пряжи:

Рпмсп = Ркар (1 - Кэ>Ко + |Ьцмсп(з ~ э) г О)

где Ко, Ьпмсп, Э, Б - определяются также как во второй главе, но для пряжи ПМСП.

Проверка данной зависимости при различных значениях

( Ъ Ь + 2о Ь + 3<х\

Кэ, известных из литературы -,—--, --- ,

12я с^ 2я Ок 2Я ц, ^

показала несоответствие расчетных и фактических значений Рпмсп (здесь Ь - штапельная длина волокна, <Т -среднее квадратическов отклонение волокон по длине, Ок - диаметр прядильной камеры) . В связи с этим воэ-

никла задача уточнения величины Кэ для уменьшения отклонения расчетных значений Рпысп от фактических. С

*

этой целью ввели поправочный коэффициент Кз» который зависит от свойств волокон. Уточненная формула для Кэ имеет следующий вид:

Кэ ~ ^гКз ' О). 2п Ок

где в результате обработки статистических данных получили следующее выражение:

Кз " 0,27 • Ь + 1,47 • Р - 10,68 • Т - 10,32 ,

Р - разрывная нагрузка волокна, сН; Т - линейная плотность волокна, текс. Для расчета разрывного удлинения пряжи ПМСП получена следующая формула:

/ "Ч"2/3

Еи:п " (IV + 0,097 Тп) • [^Г^т] ' <10>

где Рпмсп{3,Кз) - определяется по формуле (8) с учетом засоренности волокна Б и уточненного коэффициента захвата.

Проверка формул (8,9,10) по статистическим данным за два года работы фабрик "им. В.П.Ногина" и "Красный маяк" (С.-Петербург) показала, что отклонение резуль-

татов расчета от фактических данных в среднем не превышает для Рпмсп - 3,5%, для Епмсп - 6,1%.

Из литератрных источников известно также, что разрывная нагрузка и другие свойства пряжи пневмомеханического способа прядения ухудшаются со временем работы вследствие накопления в камере сорных примесей. Учесть это можно, умножив первое слагаемое формулы (8) на коэффициент Р^:

0,02 9

Кс " * ~ ^Т—' (")

где величина А вычисляется по формуле:

А -Ркар(1-Кэ)- <12>

Если пряжа ПМСП вырабатывается из ленты гребенного прядения, то в формулу (12) вместо Ркар надо подставлять Ргр{3,у), определяемую по формуле (1) главы 2.

Используя полученные выражения для Рпмсп, в соответствии с методикой, изложенной во второй главе, получена формула для неровноты пряжи ПМСП по разрывной нагрузке с учетом предложенных нами коэффициентов:

Ср - 30° ' °-9 аз,

Рпмсп • уТп

Отклонение результатов расчета по формуле (13) от фактических данных в среднем не прешлчает - п, 14. Ан.-.л-:-

гично были получены формулы для Су, Ст. Отклонение результатов расчета от фактических данных в среднем не превышает, для Су - 5,2%, для Ст - 4,8%.

В пятой глава, используя полученные во второй-четвертой главах модели для определения свойств пряжи КСП И ПМСП, разработан метод нелинейной оптимизации хлопковых смесей и осуществлена его реализация в компьютерной программе.

Предлагаются два варианта модели оптимизации. Первый - включает в себя следующую целевую функцию 'Ь(Х):

ИХ) = £ ^ • Хх т!п ,

1=1

где - стоимость 1-го компонента;

XI - доля 1-го компонента в смеси. Ограничениями в этой модели являются общепринятые при оптимизации смесей линейные ограничения на свойства волокон смеси, на засоренность смеси, на выход пряжи из смеси и на доли вложения отдельных компонентов.

Отличия данной модели состоят в следующем: вводятся ограничения на свойства пряжи:

Р * Рэад. ' СР * СР

зад'

где Рэад, Срзад - заданные значения Р, Ср; Р, Ср -удельная разрывная нагрузка и коэффициент вариации пряжи, которые рассчитываются по формулам полученным

нами в предыдущих главах, причем формулы являются нелинейными, поэтому при оптимизации смеси используется метод нелинейного программирования.

Коэффициент крутки пряжи может быть либо задан потребителем, либо нет; в последнем случае в программе имеется возможность выбора наименьшего коэффициента крутки, обеспечивающего заданную разрывную нагрузку пряжи. Для оптимизации смесей в реальных производственных условиях предусмотрен расчет числа ставок С} с учетом наличия ограничений на наличие сырья на складе, необходимого для выработки заданного количества пряжи.

Второй вариант оптимизации отличается от первого тем, что целевая функция является комплексной, в нее включены свойства пряжи, стоимость смеси, а также условие длительности переработки смески:

щ) « « — + р + у - + 5 ЧМси щах ,

Рэая сР 2^X1 Меюг

1=1

где 1Го - ограничение на стоимость смеси;

Мсм и Мскл - количество сырья в смеси и на складе; аг р, У, 8 - коэффициенты значимости, которые могут изменяться от 0 до 1, и их величины выбираются в зависимости ст требований производства. Предлагаемые модели оптимизации состава хлопковых смесей могут применяться при иыборе состава смесей в производственных условиях.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведенный анализ существующих моделей проектирования качественных показателей пряжи и моделей оптимизации смеси показал необходимость их дальнейшего совершенствования.

2. Разработаны математические модели проектирования свойств (Р,Е,Ср,Су,Ст) пряжи гребенного способа прядения с учетом засоренности волокна и особенностей процесса гребнечесания.

3. Разработаны теоретические модели неровноты гипотетического продукта с учетом содержащихся в нем сорных примесей и пороков.

4 Предложен новый показатель для оценки качества продукта - неровнота по массе слоя сорных примесей и пороков; рассматриваются различные способы его определения и связь с другими показателями.

5. Разработаны математические модели проектирования свойств (Р,Е,Ср,Су,Ст) пряжи пневмомеханического способа прядения с учетом засоренности волокна и особенностей структуры пряжи.

6. Разработан метод нелинейной оптимизации хлопковых смесей.

7. Указанный метод реализован в компьютерных программах, которые могут быть применены для прогнозирования свойств вырабатываемой пряжи и оптимизации состава смесей на производстве.

ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения диссертации опубликованы в следующих paöoTaxs

1. Клибанова P.C. Применение ЭВМ для расчета характеристик смеси / Текстильная промышленность - 1992, № 8, С.21.

2. Михайлов B.C., Бакустина P.C. Формулы для не-ровноты гипотетического продукта при наличии в нем сорных примесей и пороков. / Витебск, 1995 г., Сборник научных трудов ВПГУ. - С.34-41.

3. Михайлов B.C., Бакустина P.C. Исследование свойст хлопчатобумажной пряжи кольцевого способа прядения / М., 1995 - 20с. - Деп. в ЦНИИТЭИлегпром 18.09.95, № 3616-ЛП. ^

4. Михайлов B.C., Бакустина P.C. Проектирование свойств хлопчатобумажной пряжи пневмомеханического способа прядения / М., 1995 - 8с. - Деп. в ЦНИИТЭИлегпром 13.09.95, № 3617-ЛП.

5. Ашнич Н.М., Михайлов Б.С., Бакустина P.C. Оптимизация составов хлопковых смесей / Тезисы докл. ыежп. научн. конференции, Иваново, 1995 г. - С. 76.