Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы и постановка задач исследований 10
1.1. Анализ работ по комплексному исследованию условий эксплуатации, технологии изготовления, параметров строения и структуры, механических свойств сушильных сукон,.. 10
1.2. Анализ работ по проектированию шерстяной и полушерстяной пряжи и исследованию технологических процессов прядильного производства сушильных сукон 10
1.2.1. Анализ методов проектирования шерстяной и полушерстяной пряжи 10
1.2.2. Анализ методов оптимизации свойств и технологии получения шерстяной и полушерстяной пряжи 17
1.23. Анализ методов проектирования, оптимизации свойств и технологии получения шерстяной и полушерстяной пряжи статистическими методами 20
1.2.4. Анализ работ по исследованию технологических процессов прядильного производства сушильных сукон 22
1.3. Анализ работ по исследованию технологических процессов ткацкого производства, параметров строения и структуры, механических свойств суровых тканей... 25
1.3.1. Анализ работ по исследованию параметров структуры и процесса формирования мотальных паковок 25
1.3.2. Анализ работ по исследованию процесса формирования ткани на ткацком станке 26
1,3 J, Анализ работ по исследованию параметров строения и структуры, механических свойств суровых тканей 35
1.4. Анализ работ по исследованию технологических процессов отделочного производства сушильных сукон 38
1.5. Выводы по главе. Постановка задач исследований 41
2. Проектирование и выработка пряжи для сушильных сукон с оптимальными характеристиками ,43
2.1 Состав базовых смесей и технология изготовления аппаратной пряжи на ОАО «Невская мануфактура» 43
2.1 1.Состав базовых смесей 43
2.1 2 Технология изготовления аппаратной пряжи 45
2-2. Проектирование и оптимизация пряжи статистическими методами 50
2.2-1. Апробация статистических методов проектирования пряжи на основе мериноса 64
2.2.2. Проектирование пряжи на основе кроссбреда для производства сушильных сукон 56
2.3. Выбор критерия оптимизации при оценке качества пряжи для производства сушильных сукон 57
2.4. Выводы по главе - 65
3. Исследование технологических процессов ткацкого производства с целью повышения качества сурового товара - 66
3-1- Технология изготовления сурового товара на ОАО «Невская мануфактура» 66
3.2. Исследование влияния параметров строения бобины и технологических
параметров перематывания пряжи на плотность намотки бобин 72
3.3, Исследование влияния натяжения основных нитей на плотность сурового товара по утку 77
3.4, Влияние параметров строения сурового товара на толщину сушильыых сукон 81
3-5, Выводы по главе , 88
4- Исследование характера изменения свойств сушильных сукон в процессе сушки и термостабилизации 89
4.1. Технология отделки сурового товара на ОАО «Невская мануфактура» 89
4.2. Влияние температуры нагрева на усадку сушильных сукон и изменение их прочностных свойств 92
4-3. Деформация сушильных сукон в процессе сушки и термостабилизации 101
4.4. Выводы по главе 108
5. Анализ эксплуатационных свойств и комплексная оценка качества сушильных сукон НО
5.1, Анализ эксплуатационных свойств сушильных сукон 110
5.2- Выбор показателей качества сушильных сукон и оценка их значимости 113
5.3-Комплексная оценка качества сушильных сукон 115
5 А Сравнительная оценка качества сушильных сукон 118
5.5. Выводы по главе 122
Общие выводы и рекомендации 125
Список использованных источников
- Анализ методов оптимизации свойств и технологии получения шерстяной и полушерстяной пряжи
- Проектирование и оптимизация пряжи статистическими методами
- Исследование влияния натяжения основных нитей на плотность сурового товара по утку
- Влияние температуры нагрева на усадку сушильных сукон и изменение их прочностных свойств
Введение к работе
Сушильные сукна применяются в сушильных частях бумагоделательных н картоно-делэтельных машин. С помощью сукон влажное бумажное полотно прижимается к горячей поверхности вращающихся цилиндров и высушивается. Сушильные сукна способствуют улучшению теплопередачи от поверхности цилиндров к бумажному полотну, предотвращают его коробление и морщение.
Сушильные сукна должны обладать следующими основными свойствами: достаточной прочностью к различным эксплуатационным воздействиям; упругостью в широком диапазоне деформаций; устойчивостью размеров; хорошей пористостью и необходимой паро-проницаемостью; ровной и гладкой поверхностью; способностью противостоять накапливающейся серной кислоте и окислам железа; термостойкостью; стойкостью к гидролизу; стойкостью к бактериологическому воздействию; возможностью очищения от различного рода загрязнений.
Шерстяные сушильные сукна применяются в основном при выработке высокосортных видов бумаги и картона. Суровый товар для производства шерстяных сушильных сукон вырабатывается из шерстяной и полушерстяной пряжи. Пряжа производится из смеси шерстяных волокон или из смеси шерстяных волокон с добавлением 5- 25 % синтетических волокон для повышения ее качества. Суровый товар ткется на сверхтяжелых станках, позволяющих преодолеть большие усилия в процессе его формирования. Товар после снятия его с ткацкого станка проходит операции штопки, сращивания, отметку кромок и поступает в отделочное производство, где подвергается дальнейшей обработке, которая позволяет в конечном итоге, получить сукно с заданными параметрами строения и структуры и другими, необходимыми для данного вида сукна, свойствами. При выборе оборудования для обработки сурового товара в отделочном производстве необходимо исходить из характерных особенностей вырабатываемой продукции. Такими особенностями являются строение и структура сушильных сукон: ширина - от І до 8 м, длина - от 8 до 40 м, толщина - от 7 до 11 мм, поверхностная плотность - от 1500 до 4500 г/иг. Готовые сукна должны иметь сильно увалянную структуру с хорошим фильцем на поверхности, что помимо подбора сырья и выбора переплетения основных и уточных нитей, достигается в процессе валки на сукновальных машинах,
В настоящее время для технологических процессов производства различных видов и сортов бумажной продукции выпускаются пять марок сушильных сукон: СШ-2М, СШ-ЗМ, СШГК-М, СШК-М, СпрШ-М, где С - сушильное, Ш - шерсть, ПС - для производства гофрированного картона, К - для производства конденсаторной бумага, пр - приемное, М моди филированное. Сушильные сукна марок СШ-2М н СШ-ЗМ предназначены для производства типографской, писчей, офсетной и других подобных видов бумаги- Различие между ними состоит в том, что сукна марки СШ-ЗМ рекомендуется для производства бумаги особого качества так называемой «гоезеаковской». Работа сушильных сукон в различных условиях предопределяет организацию технологических процессов их производства и необходимость применения для отделки сукон специального технологического оборудования.
Основным потребителем сушильных сукон является целлюлозно-бумажная промышленность-Общая характеристика работы
Актуальность работы, В условиях рыночной экономики качество выпускаемой продукции является самым главным фактором успешной работы промышленного предприятия. Сушильные шерстяные сукна работают на бумаге- и картоноделательных машинах различных конструкций и участвуют в технологических процессах по выпуску различного ассортимента бумаги и картона. Требования, предъявляемые к свойствам сушильных сукон, зависят от параметров технологического процесса производства бумажного полотна и могут значительно колебаться. Сушильные сукна работают в агрессивных средах, во влажном состоянии, при высоких температурах и значительном натяжении, испытывают большие истирающие воздействия со стороны валов и барабанов сушильной части. В связи с этим особую важность приобретает проблема тщательного выбора сырья, составления смесок, проведения технологического процесса производства пряжи и сурового товара. Однако получение сукон с требуемыми исходными свойствами еще не решает проблему прогнозирования их поведения при эксплуатационных условиях, так как в этом случае резко меняется их структура и свойства волокон, которые были выбраны для их выработки. Поэтому необходимы дополнительные исследования влияния процесса термообработки на структуру и эксплуатационные свойства сукон. Эти исследования осложняются тем фактором, что в состав сукон для улучшения эксплуатационных характеристик добавляются химические волокна. Поведение шерстяных и химических волокон при высоких температурах сильно различаются, поэтому исследование влияния свойств различных химических волокон на свойства смеси, подбор состава смеси шерстяных и химических волокон, исследование и оптимизация процессов получения пряжи, сурового товара и готового сукна являются актуальными.
В настоящее время практически отсутствуют исследования по изучению поведения сушильных сукон в температурно-силовых полях. Поэтому вопросы оптимизации свойств сушильных сукон, работающих при высоких температурах и значительном натяжении также являются актуальными.
Сложность и многофакторность процесса сушки бумажного полотна влечет за собой использование большого числа характеристик сушильных сукон. Работать с большим числом характеристик в качестве критериев оценки качества сукна практически невозможно, поэтому сокращение числа характеристик, определение наиболее важных характеристик, выбор и оценка комплексных показателей качества пряжн и сукон является актуальной задачей.
Цель н задачи работы. Целью работы является разработка сушильных сукон с оптимальными свойствами,которые могли бы продолжительное время противостоять темпера-турно-силовым воздействиям в агрессивных средах, обладали повышенной износостойко стью и увеличенным сроком службы, обеспечивали уменьшение времени сушки бумажной массы и повышение качества бумаги.
Это предусматривает решение следующих задач:
1. Разработать методы оптимизации состава шерстяных и полушерстяных смесей на основании научно-обоснованного комплексного критерия качества.
2. Выполнить исследование технологических процессов получения аппаратной пряжн с заданными характеристиками свойств.
3. Выполнить исследования технологических процессов ткацкого производства с целью оптимизации параметров строения н структуры сурового товара и готовых сукон.
4. ВЫПОЛНИТЬ исследования процесса сушки и термостабилизации сукон с целью определения их оптимальных режимов на основе определенных критериев оптимизации.
5. Определить изменение свойств сушильных сукон при их работе в температурно-снловом поле,
6. Разработать комплексные методы оценки качества сушильных сукон.
Методы исследования. Теоретические исследования проводились с использованием математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, методов математического и компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились с применением методов, изложенных в ГОСТах, ТУ, и разработанных автором- Обработка экспериментальных данных осуществлялась с помощью программного пакета Microsoft Excel, Экспериментальные исследования проводились с использованием приборов и оборудования лабораторий университета технологии н дизайна, института технических сукон, центральной лаборатории ОАО «Невская мануфактура» и производственных цехов фабрики технических сукон.
Научная новизна работы заключается:
1. В создании системного подхода к оптимизации технологического процесса производства сушильных сукон с целью повышения их качества и срока службы.
2. В разработке методов исследования и оптимизации процесса сушки и термостабилизации сукон.
3. В разработке комплексных методов количественной оценки качества пряжи, сурового товара и готовых сушильных сукон.
Практическая значимость результатов работы состоит:
1- В разработке научно-обоснованных методов проектирования и технологий производства сушильных сукон высокого качества и повышенного срока службы для целлюлозно-бумажной промышленности,
2- В получении количественной оценки качества сукон в зависимости от их волокнистого состава и параметров технологических процессов производства.
3. В разработке рекомендаций по выбору критериев оптимизации технологического процесса производства пряжи, сурового товара и готового сукна.
Апробация. Основные материалы работы были доложены и получили положительную оценку на Международной конференции по химическим волокнам «Химволокна-2000» (Тверь, 16-19 мая 2000 г.); на ХХШ научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов Дагестанского государственного технического университета (Махачкала, 7-Ю октября 2001 г.); на объединенном заседании кафедры ткачества государственного университета технологии и дизайна, института технических сукон и технического совета ОАО «Невская мануфактура» (Петербург, 15 мая 2002 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Москва, 26-27 ноября 2002 г.).
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
1. Привалов С.Ф., Гусаков А-В_, Агамов Ф.Н. Деформирование нитей в температурно-силовых полях //Доклады международной научно-технической конференции по химическим волокнам «ХИМВОЛОКНА - 2000». - Тверь, 2000.
2- Агамов Ф.Н., Гамидова Г.Г. Особенности формирования критериев оптимальности сложных технических систем на ранних стадиях их проектирования // Сборник тезисов докладов ХХШ научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ, - Махачкала, 2001. - с. 234,235.
3. Агамов Ф,Н., Гамидова Г.Г. Проблема управления векторной оптимизацией при оценке технических решений // Сборник тезисов докладов ХХШ научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ, - Махачкала, 2001. - с. 232,233.
4- Привалов СФ. Примаченко Б.М,, Агамов Ф,Н„ Выбор критерия оптимизации при оценке качества шерстяной пряжи для технических сукон. Текстильная промышленность 2001, №5, с, 47-48.
5. Примаченко Б,М.» Привалов С.Ф., Агамов Ф.Н. Оптимизация технологии произвол ства сушильных сукон для бумажной промышленности с целью улучшения их эксплуатационных свойств // Тезисы докладов на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии оборудование текстильной промышленности», - М: МГТУ, 2002. — с.44,
6. Примаченко Б.М», Привалов С.Ф., Агамов Ф.Н. Анализ состава шерстяных смесей для аппаратной пряжи технического назначения. Текстильная промышленность, 2002, № 12, с- 34 36.
Разработанные методики и результаты теоретических и экспериментальных исследований апробированы и используются в институте технических сукон, на фабрике технических сукон ОАО "Невская мануфактура1 и проходят проверку на целлюлозно-бумажных комбинатах.
Материалы диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе и научно-исследовательской работе университетов и институтов текстильного профиля Благодарность. Автор выражает благодарность заместителю директора института технических сукон по НИР, Д.Т.Н, Привалову С.Ф. за помощь и поддержку при выполнении диссертационной работы.
Анализ методов оптимизации свойств и технологии получения шерстяной и полушерстяной пряжи
Классическая математическая постановка задачи оптимизации состоит в том, чтобы найти экстремальное значение некоторой функции f (Xu , -«, Х„) в определенной области S, обычно задаваемой системой неравенств вида d (Х[, Х2, ..., Хц) 0 или 0. Точка М (Y, Y2, „., Yp) только тогда принадлежит области S, когда ее координаты удовлетворяют всем неравенствам, задающим функцию f (Хь Хг,...» Хп) в области S. Если же при этом имеются строгие неравенства, то точка оказывается внутри области; если хотя бы одно из неравенств обращается в равенство, точка попадает на границу области. Если функция непрерывная, то в конечной области S найдутся точки М\ и М , в которых эта функция принимает экстремальные значения. Если экстремум (шах или min) достигается во внутренней точке области, а функция дифференцируема, то в точке экстремума все частные производные обращаются в нуль. На этом основан классический метод нахождения экстремумов [34]. ҐД, А, А Л T t r t" z I задает некоторое приближение на-к о о a J
При решении реальных задач оптимизации, возникающих в практике производства, классический метод применяется крайне редко. Основная причина заключается в громоздкости метода, так как необходимо рассмотреть большое число задач, каждая из которых требует решения систем уравнений, в большинстве случаев достаточно сложных. Кроме того, не всегда функция f обладает свойством дифференцируемое. Зачастую она даже не может быть задана в виде формулы н задается лишь более или менее сложной программой. Подобные сложные экстремальные задачи решаются обычно другими методами, в основе которых лежит идея постепенного приближения к экстремуму. Одним из наиболее известных является градиентный метод (наискорейшего спуска или подъема)- Градиентный метод приводит к нахождению лишь локальных экстремумов. Абсолютный экстремум выбирается после нахождения всех локальных экстремумов методом простого сравнения значении целевой функции f во всех точках локального экстремума. При практическом применении градиентного метода, как правило, вместо истинного направления градиента находится его приближенное значение- С этой целью каждой из переменных Xi, Х2,.... Ха придается последовательно одно и то же достаточно малое приращение S и вычисляются соответствующие приращения целе войфункции Д, Д2,-.., An Вектор Р = правления градиента. В дальнейших вычислениях вместо градиента используют этот вектор
В большинстве практических задач оптимизации градиентный метод оказывается во много раз более экономным по сравнению с классическим. Его преимущество перед классическим методом особо ощутимо при увеличенном числе переменных Хь Хз,..., X или как обычно принято говорить при росте размерности задачи оптимизации.
Имеется и дальнейшая возможность уменьшения числа вычислений при пользовании методами последовательного приближения к экстремуму- Можно, в частности вместо градиента g выбирать случайный вектор s и исследовать значение целевой функции. Если f увеличивается, то при поиске максимума этот сдвиг заменяет градиентный, а при поиске минимума надо изменить направление сдвига на противоположное- Описанная процедура составляет суть так называемого метода стохастического программирования. Подобный процесс стохастического приближения сводится к локальному экстремуму при достаточно общих предположениях о целевой функции f.
На практике довольно часто встречается частный случай решения задачи оптимизации, когда при нахождении экстремума, как целевая функция, так и уравнения границ области S являются линейными Задачи нахождения экстремума в этом случае носят экономический или технико-экономический характер. Существуют различные постановки задач, в которых авторы выбирали различные критерии при решении вопросов оптимизации. Так сформулирована и решена задача оптимального смешивания волокон различных сортов» в которой минимизировалась стоимость смеси при ограничениях разрывных характеристик, средней длины волокон в смеси и других показателей. Положительные результаты при проектировании смесей волокон были также получены Н.Я- Краснер, Н.Б- Кузькиной [33] и И. Гривчевым, Р. Христовым, Н. Коцевым [77].
В качестве критерия оптимизации проектирования смесей волокон может быть принят один из основных технологических или экономических показателей [34,37]. Из технологических показателей проектируемой смеси наиболее характерными являются: относительная разрывная нагрузка смеси волокон, относительное удлинение смеси волокон, средняя длина и тонина, засоренность, влажность и некоторые другие. Принимая зависимость между средней относительной разрывной нагрузкой смеси волокон и отдельных ее компонентов линейной, целевую функцию, заключающуюся в максимизации этих показателей, можно выразить в первом приближении как где Pi - относительная разрывная нагрузка ї-го компонента смеси; к - доля (по массе) ї-го компонента.
Кроме рассмотренных критериев оптимизации проектируемой смеси волокон, могут быть взяты и другие показатели, характеризующие ее эффективность. Например, иногда за критерий оптимизации можно принять пряднльную способность смеси или минимизацию получаемых угаров, выход пряжи из смеси, или же один из показателей физико-механических свойств пряжи [37],
Задачи на смешивание волокон оптимизируются с учетом того, что отдельные волокна имеют одинаковые или близкие разрывные характеристики. Однако на практике, как известно, смешиваемые волокна различных видов имеют далеко не одинаковые вышеуказанные показатели. Несколько подробнее об этом излагается в монографии Ф.Ф. Бездудного [37]. В ней рассмотрена, в частности, модель задачи на смешивание натуральных и химических волокон, имеющих различные значения разрывного удлинения.
За критерий оптимизации могут быть взяты, например, затраты на сырье в себестоимости пряжи. Задача в этом случае формулируется так: требуется минимизировать затраты на сырье, если известно, что сырье состоит из п видов волокон и стоимость единицы массы волокна каждого вида равна ( а выход пряжи в процентах из волокна і-го вида составляет В .
Проектирование и оптимизация пряжи статистическими методами
В наиболее распространенной постановке комплексная задача формулируется следующим образом: как минимизировать стоимость проектируемой смеси при условии получения средневзвешанных технологических показателей смеси не хуже заданных (плановых). Математическая модель данной задачи сводится к минимизации целевой функции F(a) = 0,0,, (2.1) ы где СІ - стоимость і-го компонента смеси щ - массовая доля ї-го компонента в смеси и І ,«1, (2.2) 1-1 при следующих дополнительных неравенствах xri a.FJ(xPJ u) ( )21PJf р -1 1; j=l,_m; i=l,_n, 2J) где х -р-ая характеристика j-ro свойства смеси, xf -р-ая характеристика j-ro свойства волокна i-ro компонента (например, дисперсия диаметров как характеристика тонины волокна), xf - средневзвешенная q-ая характеристика j-ro свойства волокна ї-го компонента, Хч — средневзвешенная q-ая характеристика j-ro свойства смеси, Х - предельно допустимая р-ая характеристика j-ro свойства смеси, 1 - количество рассматриваемых характеристик, m - количество рассматриваемых свойств, п — количество компонентов в смеси.
Подбор оптимального состава смеси волокон состоит в выборе компонентов для рабочей сортировки и определении долевого участия этих компонентов, обеспечивающего получение наиболее приемлемого значения выбранного критерия с учетом имеющегося в наличии сырья. Оптимальный состав смеси может быть получен из анализа нескольких смесей волокон или из синтеза отдельных компонентов при проектировании пряжи.
Первый метод заключается в следующем: анализируются значения характеристик свойств смесей волокон с оценкой каждой смеси по одному из критериев качества пряжи, затем по формуле (2.1) определяется оптимальный состав смеси, гот метод был проверен на фабрике технических сукон ОАО «Невская мануфактура»- По экспертному опросу специалистов фабрики были отобраны четыре смеси. Высокую оценку по своим технологическим качествам получили смеси 1 и 2, низкую оценку - смеси 3 и 4. Для анализа волокнистого состава в смесовом отделе фабрики были отобраны четыре фактические сортировки, Волокни стый состав отобранных смесей и значения характеристик их основных свойств представлены в таблице 2-11- Вес компоненты перерабатывались на одних и тех же машинах трепального и смесового отделов- Чесание осуществлялось надвухпрочесных аппаратах фирмы «HOUGET», прядение для смесей 1 и 2 осуществлялось на прядильных машинах марки ПБ, для смесей 3 и 4 - на прядильных машинах фирмы «HOUGET», В качестве критерия качества пряжи использовалась обрывность ее ва прядильных машинах с учетом скорости выпуска. Обрывность пряжи, выработанной из исследуемых смесей, и скорость ее выпуска представлены в таблице 2Л2.
Анализ основных свойств компонентов смесей показывает, что наряду с требованиями, предъявляемыми к характеристикам средней тонины и длины волокон, важное значение имеют средние квадратическне отклонения (или дисперсии) характеристик этих свойств. Так в смеси 2 средние квадратическне отклонения топины и длины волокон имеют наименьшие значения, в смеси 1 - несколько выше в смеси 3 — еще выше и самые большие значения средних квадратических отклонений наблюдаются в смеси 4. Вложение капронового волокна в смесь 2 значительно улучшило качество смеси и, как следствие, прочность пряжи, так как удельная прочность капрона в четыре раза больше чем у шерсти, при этом средний диаметр и длина у капронового волокна соизмеримы по своим значениям с этими же величинами у шерстяных компонентов смеси, а средние квадратическне отклонения их значительно ниже. Противоположное действие на качество смеси оказала жесткая кроссбредная шерсть Б смеси 3. Прочность кроссбредной шерсти ненамного выше, а характеристики остальных свойств значительно отличаются от тех же характеристик мериносовой шерсти 64\ причем средние квадратические отклонения намного больше. Это оказывает отрицательное воздействие на структуру ровницы и пряжи и, как следствие, ведет к повышенной обрывности в прядении- В смеси 4 невысокая удельная прочность компонентов в сочетании с высокими значениями средних квадратических отклонений средних диаметров и длин волокон приводит к некачественной структуре ровницы и пряжи и к высокой обрывности в прядении (таблица 2.12). Отсюда следует, что средние квадратические отклонения (или дисперсии) характеристик свойств волокон сами являются важными характеристиками этих свойств.
На втором этапе исследований был выполнен экономический анализ смесей по их стоимости (2,1). В таблице 2.13 представлены общая стоимость смесей и стоимость отдельных компонентов- Самая дешевая смесь - смесь 4, ее основу составляет полугрубая шерсть с пониженными физика-механическими характеристиками и обраты производства. Пряжа, выработанная из такой смеси, имеет невысокие свойства и ограниченное применение. Самой дорогой является смесь 1, ее хорошие технологические свойства обеспечиваются использованием высококачественной шерсти. Значительно меньшую стоимость имеет смесь 2, что в совокупности с достаточно хорошей технологичностью делает ее наилучшей из четырех исследованных смесей. Самой плохой, с точки зрения стоимости н технологичности» является смесь 3.
Второй метод основан на определении детерминированной или статистической зависимости между характеристиками свойств смеси волокон и характеристиками свойств пряжи [14,15]. В данной работе проектирование характеристик свойств пряжи будет основано па статистических методах. По способу накопления экспериментальных данных статистические методы можно разделить на активные и пассивные. Пассивный эксперимент предполагает регистрацию технологических параметров в режиме нормальной работы объекта без внесения преднамеренных возмущений. Этот способ удлиняет время проведения эксперимента, но экономически оправдан, когда исследуется реальный промышленный объект с непрерывным производством дорогостоящего продукта- Дополнительным преимуществом этого способа является возможность использовать архивный материал предприятия и опыт его инженерно технического персонала.
В основу решения поставленной задачи проектирования шерстяной аппаратной пряжи для сукон технического назначения был положен метод построения математических моделей на базе множественного регрессионного анализа. Для описания зависимостей характеристик свойств пряжи и технологических процессов получения пряжи (критериев) от характеристик свойств смеси волокон (факторов) использовали статистические модели вида где у - характеристика свойства пряжи или технологического процесса; bi — коэффициенты модели; fi - базисная функция, зависящая в общем случае от характеристик свойств смеси и параметров строения пряжи; X, ..., хп- характеристики свойств смеси и параметры строения пряжи.
В частном случае для модели 1-го порядка, который рассматривается ниже, fi=xp (r=p=ls...,n), ft=l. Для модели 2-го порядка fo=l3 fi=Xp, Ир 1э.„,п; для 1==11+1,..., n(n+l)/2=k-Гг=ХрХф p,q=b- - -Л и p q.
В качестве критериев оценки качества пряжи и технологических процессов ее получения и факторов смеси волокон были выбраны следующие характеристики; yi - удельная разрывная нагрузка пряжи, сії/текс; У2 - коэффициент вариации разрывной нагрузки пряжи, %; уз - число обрывов пряжи наЮОО вер/ч; у4 - коэффициент вариации линейной плотности пряжи, %; Xi - средневзвешенная длина смеси волокон, мм; х2 - коэффициент вариации длины смеси волокон, %; хз - средняя разрывная нагрузка смеси волокон, сН; Х4 - коэффициент вариации разрывной нагрузки смеси волокон» %; х5 - средний диаметр смеси волокон, мкм; х - коэффициент вариация диаметра смеси волокон, %; Х7 - содержание пороков и сорных примесей в смеси волокон, %; Хв - влажность смеси волокон, %,
Исследование влияния натяжения основных нитей на плотность сурового товара по утку
Из ранее выполненных работ [80,136» 170,171» 172] известно, что большинство конструкций механизмов отпуска и натяжения основы не могут обеспечить постоянство ее натяжения нн в статическом, ни в динамическом режиме работы ткацкого станка Результаты исследований показывают, что при уменьшении диаметра намотки основы на ткацком навое статическое и динамическое натяжение нитей возрастает на 10-50 %. Увеличение натяжения основы и всей упругой системы заправки ткацкого станка приводит к повышению усадки ткани в направлении основы и к увеличению плотности суровой ткани по утку по сравнению с заданной. Если шерстяные суровые ткани или тканые изделия имеют уточнозаполненное строение и в процессе отделки будут подвергнуты валке, то структура готовых тканей или тканых изделий может значительно отличаться от требуемой. Особенно сильно могут отличаться такие свойства тканей или изделий как прочность, толщина, стойкость к истиранию, тепловая усадка. Характеристики этих свойств могут иметь большое различие с характеристиками, заданными в ГОСТах или ТУ. В суровом товаре для производства сушильных су кон уточное заполнение составляет приблизительно 70 %. После валки структура сукна в основном состоит из соединенных между собой уточных волокон, в которой основные нити выполняют функцию каркаса. Увеличение плотности сурового товара по утку может привести к значительному изменению эксплуатационных свойств и качеству готовых сушильных сукон в целом.
Тяжелые ткацкие станки «Houget» и «Astra-werke» оснащены основными тормозами с опорным трением- ВА. Гордеев [80,136] вывел формулы для определения статического (Кс) н динамического () натяжения основы при ткачестве на станках, оснащенных основными тормозами, где Q - натяжение ведущего конца тормозной ленты, D — диаметр тормозной шайбы, d — диаметр намотки пряжи на навой, f - коэффициент трения между поверхностью тормозной шайбы и лентой» U - коэффициент трения в опорах, Р - вес ткацкого навоя I 2000gJ Aln2 яНур 4 900/72 900аг 2000 1Л " где п — число оборотов главного вала в минуту, її - момент инерции пустого навоя, Н — рас стояние между фланцами навоя, Ri - диаметр ствола навоя, g - ускорение свободного падения, у - плотность намотка пряжи на навой, р - радиус намотки пряжи на навой, а - доля времени одного оборота главного вала станка, в течении которой происходит движение навоя, Ру - плотность ткани по утку, ао - уработка основы.
Из выражения (З.б) следует, что статическое натяжение основы увеличивается при уменьшении диаметра намотки пряжи на навое- Изменение динамического натяжения основы имеет более сложный характер. Анализ выражения (3,7), выполненный В.А. Гордеевым показывает, что при уменьшении радиуса намотки пряжи приблизительно до середины ткацкого навоя динамическое натяжение понижается на 20-30 %, а при дальнейшем уменьшении радиуса возрастает, причем возрастание может достигнуть двукратной величины от значения при полном навое.
Для определения зависимости плотности сурового товара по утку от статического натяжения в момент заступа (заправочного натяжения) были выполнены экспериментальные исследования. Эксперимент проводился на станке фирмы "Astra-werke", заправленного под выработку сурового товара для производства сукна марки СШ-2М по следующей методике: с учетом предварнтельцых исследований диаметр намотки на ткацком навое был разбит на два участка, - от 360 до 280 мм и от 262 до 250 мм; на первом участке измерения проводились на диаметрах 360,340,320,300,280 мм, на втором участке - на диаметрах 262,258,254,250 мм; измерение заправочного натяжения нитей выполнялось с помощью электронного тензометра DTMX-2000 фирмы Hans Schmidt (ошибка измерений не превосходит 0,5 %) при остановленном в заступе ткацком станке; на каждом диаметре выполнялось 20 измерений натяжения основных нитей; одновременно на суровом товаре отмечался участок, на котором после снятия товара со станка определялась его плотность по утку; плотность товара по утку определялась как среднее из пяти измерений; в течении всего времени срабатывания ткацкого навоя переналадка основного тормоза не производилась. Основные заправочные параметры ткацкого станка представлены в таблице 3 Л 6.
Диаметры намотки пряжи на навое (Dw), среднее заправочное натяжение нити основы (F), средняя плотность сурового товара по утку (Ру)я средние квадратические отклонения экспериментальных значений заправочного натяжения (o(F)) н плотности товара по утку (о(Ру)) от средних значений представлены в таблицах 3.17 и 3,18,
Экспериментальные значения обрабатывались с помощью электронных таблиц Excel. Для первого и для второго участков намотки с достоверностью 0,99 и 0,96 были получены следующее регрессионное зависимости плотности сурового товара по утку от заправочного натяжения основы i =212,4 + 0,258F, 3.8) / ,= 222,7+ 0,225F (3.9)
Достоверность уравнений определялась по критерию Фишера. Графики зависимостей плотности сурового товара по утку от заправочного натяжения показаны на рисунках 3.2 и 3.3. Экспериментальные значения плотности сурового товара по утку (Ру); расчетные значения плотности сурового товара по утку (Pyj, Pj X полученные из решения уравнений (3), (4); абсолютные (а) и относительные (ао) разности между экспериментальными и расчетными значениями представлены в таблицах 3.19 и 3-20.
Результаты исследований показывают, что при уменьшении диаметра намотки пряжи на навое при выработки сурового товара для производства сушильных сукон марки СШ-2М заправочное натяжение повышается. Для первого участка при уменьшении диаметра намотки от 360 до 280 мм натяжение повышается от 248,3 до 290.5 сН/нитъ, при этом среднее квадратическое отклонение заправочного натяжения от среднего значения уменьшается от 28,3 до 14,4 сН/нить; для второго участка при уменьшении диаметра намотки от 262 до 250 мм натяжение повышается от 309,5 до 385,2 сН/нить при этом среднее квадратнческое отклонение уменьшается от 12,9 до 9,8 сН/нить, Повышение заправочного натяжения приводит к увеличению плотности сурового товара по утку. При повышения натяжения от 248,3 до 290,5 сН/нить плотность товара по утку увеличивается от 276,8 до 287,2 нит/дм, при повышении натяжения от 309,5 до 385,2 сН/нить плотность товара по утку увеличивается от 292,8 до 308,4 нит/дм. Полученные данные хорошо согласуются с результатами предыдущих теоретических и экспериментальных исследований.
Влияние температуры нагрева на усадку сушильных сукон и изменение их прочностных свойств
После получения большого количества тепла при нагревании макромолекулы биополимера шерсти приобретают повышенную свободу движения вследствие ослабления межмолекулярных связей- Стремясь к более выгодному изогнутому состоянию (лучшему термодинамическому состоянию) макромолекулы сокращаются по длине, в результате чего уменьшаются их внутренние напряжения. Сокращение длины макромолекул приводит к усадке волокон шерсти- Чем выше температура наїрева, тем больше изгибаются молекулы и тем больше сокращается их длина. Механизм усадки полиамидных и полиэфирных волокон работает приблизительно таким же образом, но имеются некоторые особенности. Одной из главных особенностей является предыстория получения синтетических волокон, главным образом при формовании и вытягивании. Усадка шерстяных и синтетических волокон при водит к усадке пряжи и, в конечном итоге, к усадке всего сушильного сукна в целом.
Результаты исследований показывают, что разрывная нагрузка нестабилизированного сушильного сукна марки СШ-2М по основе и по утку при повышении температуры нагрева при сушке от 130 до 170 С уменьшается, соответственно, от 3,496 до 3,025 кН и от 2,43 до 1,851 кН, а разрывное удлинение уменьшается, соответственно, от 32,2 до 21,5 % йот 82,1 до 53,8 %, Уменьшение разрывных характеристик сушильных сукон при нагревании достаточно хорошо объясняется кинетической теорией разрушения твердых тел. Согласно этой теории разрушение материала происходит не только в результате механических напряжений, но и под действием теплового движения атомов [230].
Связи между атомами макромолекул, колеблющихся вследствие теплового движения около равновесных положений, моїуг разрываться тепловыми колебаниями, Вероятность такого разрыва зависит от начального потенциального барьера Uo; напряжения о, снижающего начальный потенциальный барьер на величину уа {где у - постоянная, зависящая от структуры материала, и учитывающая неоднородность распределения напряжения по микроучастку пробы и молекулярным цепям); температуры Т. Тогда долговечность материала (т), находящегося под напряжением (а), описывается уравнением г = г„ехр , (4.8) где к - постоянная Больцмана (универсальная газовая постоянная).
Долговечность в случае полимерных материалов является одной из характеристик его прочности наряду с разрывной нагрузкой и разрывным удлинением. Из уравнения (4-8) следует, что при повышении температуры долговечность полимерно го материала, а также его разрывные характеристики, уменьшаются вследствие повышения энергии активации подвижности атомов, макромолекул и их сегмептов, что приводит (как было указано выше) к ослаблению межмолекулярных связей. Известно, что макромолекулы кератина, как основного белка шерсти, связаны между собой силами Ван-дер-Ваальса, водородными, ионными и химическими (цистиновыми) связями. Поперечные циептовые связи соединяют макромолекулы шерсти и тем самым обеспечивают высокие механические свойства волокон и их химическую стойкость. При температуре нагрева шерстяных волокон до 110-120 С заметного ослабления межмолекулярных связей не происходи, при температуре нагрева 130 С начинает развиваться процесс разрушения межмолекулярных связей (особенно цистиновых), который значительно ускоряется при температуре 150 С, В интервале 150-170 С большое число межмолекулярных связей разрушается и прочность шерстяных волокон значительно падает (таблица 4.10). При температуре 170 С начинают разрушаться макромолекулы основного биополимера шерсти, - кератина.
Деформация сушильных сукон в процессе сушки и термостабилизации В инженерных расчетах часто используют методы описания деформации тканей, совместно учитывающих деформацию волокон, деформацию структуры пряжи и деформацию структуры ткани. В процессе сушки и термостабилизации сукна происходит деформирование всех трех его составляющих. Наибольшее влияние на деформирование сукна оказывают: температура горячего воздуха внутри камеры сушильно-полимеризацнонной печи, скорость движения сукна и деформация растяжения сукна в продольном направлении на цилиндрах печи. В результате действия этих факторов сукно усаживается в продольном и поперечном направлении до требуемых размеров. Наименее изученным фактором, оказывающим влияние на усадку сукна, является скорость движения сукна в процессе сушки и термостабилизации.
Для определения влияния скорости движения сукна па его усадку были выполнены экспериментальные исследования. В процессе ткачества были отобраны 17 суровых товаров для производства сушильных сукон марки СШ-2М различных размеров. Заказанные размеры сушильных сукон, фактические размеры, размеры суровых товаров в процессе ткачества, после ткачества и после валки представлены в таблице 4ЛЗ. Исследование усадки сукон по длине Й по ширине проводилось при их сушке и термостабшшзации на сушильно-полнмеризационной печи фирмы «Le Cretin». Скорость движения сукна составляла 1,2,3,4 и 5 м/мин. Температура горячего воздуха внутри камеры печи при всех скоростях поддерживалась постоянной и равнялась 120 С. Деформация растяжения сукна в продольном направлении на цилиндрах печи выбиралась таким образом, чтобы относительная сила растяжения составляла 12 кН на один метр ширины сушильного сукна. Это условие вытекает из технологии сушки бумажного полотна в сушильной части бумагоделательной машины. Сила прижатия бумажного полотна к сушильным цилиндрам должна быть строго определенной и постоянной в течении всего времени протекания технологического процесса. Отсюда сила растяжения сушильного сукна на бумагоделательной машине устанавливается в соответствии с оптимальной силой прижатия бумажного полотна к сушильным цилиндрам и поддерживается постоянной. Вытяжка сушильного сукна в процессе эксплуатации не допускается. Длина и ширина сукон измерялась рулеткой измерительной с ценой деления 0,5 см. Усадка сукон по длине и по ширине в процессе сушки и термостабилизации представлена в таблице 4.14. Построим регрессионные зависимости усадки сукна марки СШ-2М по длине (у\) и по ширине (уг) от скорости движения сукна (v). Интервал варьирования фактора v находится в пределах от 1 до 5 м/мин.
Экспериментальные значения усадки сукна по длине н по ширине обрабатывались с помощью электронных таблиц Excel. С достоверностью 0,93 и 0,99 были получены следующие регрессионные уравнения уг =l,44 0a36v+0J0643v1, (4.9) у2 = l,36 0,153v + 0,1071v2 (4.10)
Достоверность уравнений определялась по критерию Фишера, На рисунках 4.4 и 4,5 показаны графические зависимости усадки сукна по длине и по ширине от скорости его движения в процессе сушки и термостабилизации, рассчитанные по формулам (4.9) и (4Л0). Средние экспериментальные значения усадки сукна по длине (у0 и по ширине (у2); расчетные значения усадки сукна по дігане (уіт) и по ширине (у2т\ полученные из решения уравнений (4.9) и (4Л0); абсолютные (аД (аг) Й относительные (аі0), (а ) разности между экспериментальными и расчетными значениями представлены в таблице 4.15,
