Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы контроля и оценки параметров текстильных материалов 9
1.1 Распрямленность и ориентация волокон в полуфабрикатах прядильного производства 10
1.2 Оценка эффективности процесса гребнечесания 11
1.3 Оценка распрямленности и ориентации волокон 13
1.4 Наиболее распространенные методы оценки и контроля распрямленности и ориентации волокон в полуфабрикатах прядильного производства
1.4.1 Метод Линд елея-Леонтьевой для оценки распрямленности и ориентации волокон в полуфабрикатах прядильного производства 16
1.4.2 Метод комплексной оценки структуры полуфабрикатов прядильного производства методом разрыва 18
1.4.3 Метод Б.Н. Стрельцова для оценки распрямленности волокон в полуфабрикатах прядильного производства 22
1.4.4 Метод степени чесания волокон на приборе ЛУЧ 23
1.4.5 Способы контроль неровноты полуфабрикатов прядильного производства 24
1.5 Моделирование распрямленности волокон в полуфабрикатах прядения 27
1.6 Оптические методы определения распрямленности волокон в полуфабрикатах прядения 29
1.7 Дифракционные методы контроля параметров текстильных материалов
1.7.1 Контроль параметров крученой нити 30
1.7.2 Измерение параметров рапорта переплетения ткани 33
1.7.3 Измерение периодических параметров трикотажа
1.7.4 Контроль не пропускающих свет текстильных материалов по изображениям их поверхности 34
1.8 Метод определения крутки и направления крутки крученых нитей 36
1.9 Метод определения диаметра нитей 37
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Разработка неразрушающего метода оценки распрямленности и ориентации волокон полуфабрикатов прядильного производства 40
2.1 Изучение возможности использования расчетного метода для получения дифракционной картины исследуемого материала 40
2.2 Построение алгоритма оценки распрямленности и ориентации волокон в полуфабрикатах прядильного производства 44
2.3 Коэффициент упорядоченности структуры полуфабрикатов прядильного производства 51
2.4 Определения упорядоченности структуры полуфабрикатов прядильного производства 55
2.5 Определения упорядоченности структуры полуфабрикатов прядильного производства из полиэфирных волокон 59
2.6 Определения упорядоченности структуры полуфабрикатов прядильного производства из средневолокнистого хлопка 62
2.7 Определение упорядоченности структуры полуфабрикатов прядильного производства из тонковолокнистого хлопка 65
Выводы по главе 2 70
Глава 3. Разработка неразрушающего метода определения параметров структуры крученых нитей 71
3.1 Исследование способов освещения при наблюдении нити на микроскопе 71
3.2 Разработка неразрушающего метода определения направления крутки нити по изображению её поверхности 74
3.3 Разработка неразрушающего метода определения диаметра нити по изображению её поверхности 77
3.4 Разработка неразрушающего метода определения величины крутки нити по изображению её поверхности 79
Выводы по главе 3 86
Общие выводы по работе 87
Список литературы
- Наиболее распространенные методы оценки и контроля распрямленности и ориентации волокон в полуфабрикатах прядильного производства
- Моделирование распрямленности волокон в полуфабрикатах прядения
- Построение алгоритма оценки распрямленности и ориентации волокон в полуфабрикатах прядильного производства
- Разработка неразрушающего метода определения диаметра нити по изображению её поверхности
Наиболее распространенные методы оценки и контроля распрямленности и ориентации волокон в полуфабрикатах прядильного производства
Распрямленность, ориентация и разъединенность волокон являются важными показателями структуры в прядильном производстве, определяющими как эффективность технологических процессов, так и качество продукта [9, 10].
Существующие способы оценки распрямленности и ориентации волокон рассчитаны либо на измерении волокон, которые извлекают из продукта или непосредственно помечают непосредственно в продукте [И], либо на определение иных косвенных характеристик. В работе профессор В.Е. Зотикова использовался метод, основанный на извлечении волокон из продукта. Он установил, что протяженность волокна в продукте h меньше, чем длина /. В.Е. Зотиков ввел показатель степени распрямленности, который определяется по следующей формуле.
Основным недостатком указанного метода является нарушение естественного расположения, конфигурации волокна и исходной структуры продукта, что приводит к искажению результата и не дает возможности оценить ориентацию волокон [7]. Для измерения распрямленности и ориентации волокон непосредственно в продукте используют помеченные с помощью красителя волокна, радиографию, освещение лазерным излучением и другие известные методы.
В. Мортоном использовался метод, в котором продукт, содержащий 0,02-0,03% окрашенных волокон, погружают в жидкость с коэффициентом преломления, идентичным коэффициенту преломления основной массы суровых волокон. Данный метод обладает трудоемкостью и требует специального реактива, который в свою очередь обладает некоторой токсичностью. Мортоном было доказано существование анизотропности полуфабрикатов по отношению к распрямленности волокон и сделан важный вывод о не безразличности направления питания для распрямления и ориентации волокон [12]. Профессором А.Г. Севостьяновым использовался проектор для наблюдения волокон в прочесе. Впоследствии им был введен показатель степени ориентации волокон [13]. F = cos0, (1.3) где угол 0 - угол между линией, соединяющей концы волокна, и направлением оси продукта.
Профессор В.А. Протасова применял для оценки распрямленности и других параметров радиоизотопный метод, который так же успешно применялся для шерстяных волокон профессором Л.А. Кулигиным для хлопковых волокон [14, 15].
Аналогичный с методом нанесения красителя при исследовании распрямленности и ориентации волокон в ленте и прочесе, метод люминесцентной метки использовался профессором A.M. Челышевым и позволил получить значимые результаты при исследовании структуры прочеса на чесальной машине. Суть метода заключается в предварительной обработке группы волокон флуоресцирующим в ультрафиолетовом свете оптическим отбеливателем и позволяет получать фотографический оттиск помеченных указанным образом волокон, который может быть использован в дальнейших измерениях [16].
Возможность получения большего числа важных характеристик является одним из основных достоинств данного метода, однако, по причине сложности и большой трудоемкости методы не получили широкого распространения.
Косвенные методы являются более распространенными, в основном благодаря тому обстоятельству, что они позволяют получать достоверные результаты при меньших трудозатратах по сравнению с прямыми методами. Среди этих методов можно выделить две группы, одна из которых основана на оптических свойствах продукта, а другая - на механических.
Наиболее часто для оценки распрямленности используются косвенные методы, основанные на разрыве или прочесывании лент. Одним из таких является метод В.В. Жожовского, суть которого состоит в приложении нагрузки к отрезку ленты и измерении её удлинения, которое зависит от распрямленности волокон. Метод показал большую неравномерность результатов и требовал проведения большого числа испытаний, поэтому не получил широкого распространения [17].
Путем оценки характеристик распределения числа волокон в комплексах можно определить степень разъединенности волокон в полуфабрикатах. Профессором А.Г. Севостьяновым использовал данный принцип в работе [13], в которой фигурировало понятия среднего числа волокон в комплексе. Прямое измерение разъединенности волокон в прядильных полуфабрикатах затруднительно и для этой цели обычно используются косвенные методы [18].
Одним из таких является метод, согласно которому ленту пропускают через четырехцилиндровый прибор с общей вытяжкой 1000-5000. Затем в получаемом на выходе дискретном потоке подсчитывают число волокон в комплексах, разбирая их вручную, что весьма трудоемко [13].
Моделирование распрямленности волокон в полуфабрикатах прядения
Оптические методы контроля и оценки параметров материала получили широкое распространение, так как данные методы являются неразрушающим [36-39]. Существует возможность как для применения их непосредственно в процессе производства, так и при лабораторном контроле. Принцип работы методов оптического контроля основывается на анализе взаимодействия оптического излучения с объектом контроля, то есть с полуфабрикатом прядильного производства [40]. В свою очередь оптическому анализу материала присущи специфические особенности, которые могут быть причиной возникновения систематической погрешности при измерениях. В таком случае на практике часто используются специальные алгоритмы обработки для её снижения [41]. Корнюхин Т. А. в своих работах исследует направление рассеяние света при освещении полуфабрикатов прядильного производства и текстильных волокон [42, 43]. Анализировалась дифракционная картина, полученная при освещении образца лучом гелий-неонового лазера, который проходит сквозь исследуемый образец прочеса в фокальной плоскости объектива. После этого определялась степень разброса волокон по отношению к оси полуфабриката. Впоследствии был выявлен недостаток методики, из-за которого она не может быть применена для полуфабрикатов прядильного производства, обладающих большой плотностью. Способность полуфабрикатов прядильного производства рассеивать свет была исследована также в работах [44, 45], в которых было предложено оптическое устройство для лабораторного контроля степени параллелизации волокон, которое не может быть применено непосредственно в процессе производства. Суть метода заключается в том, что исследуемый материал освещают параллельным пучком нормально к его поверхности. Измеряется величина светового потока, рассеянного материала в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к оптической оси. Образец поворачивается на 360, снимая показания с двух фотоприемников. О степени параллелизации волокон в образце судят по отношению полученных от фотоприемников сигналов.
Недостаткам метода является зависимость результата измерения от толщины образца и невозможность использования метода в движении в процессе производства.
В исследованиях оптического метода определения параллелизации волокон в полуфабрикатах прядильного производства [46, 47] описывается установка, с помощью которой возможно проводить сравнение угловых диаграмм светорассеяния волокнистых лент. В методе образец зажимается между стеклами и освещается лучом света, перпендикулярно к его поверхности. Величина светового потока, рассеянного материалом, улавливает фотоэлектронный умножитель, который направлен под углом к оптической оси. Фотоэлектронный умножитель способен вращаться вокруг оси луча, не изменяя угол его падения. По построенной круговой диаграмме светорассеяния, которая имеет форму эллипса, вытянутого в направлении наибольшего рассеяния света материалом, судят об ориентации волокон полуфабрикате. Диаграмма для полуфабрикатов с более параллелизованных волокон будет принимать вид эллипса, в противном же случае диаграмма будет принимать вид, близкий к окружности [48]. К недостаткам метода можно отнести его значительную трудоемкость, требовательность к условиям проведения испытаний и затраты по времени.
При исследовании дифракции от крученой нити было обнаружено, что дифракционные картины Фраунгофера от нитей с четным и нечетным числом стренг имеют различную симметрию в расположении основных дифракционных максимумов.
На рисунке 1.5 приведены типичные для любых нитей фотографии дифракционных картин для некрученой нити (рис. 1.5-а), крученой нити из двух стренг (рис. 1.5-6) и крученой нити из трех стренг (рис. 1.5-е). і Ay -. Рисунок 1.5- Фотографии дифракционных картин Исследования, проведенные для различных крученых нитей, показали, что независимо от цвета и природы материала нити, при условии одинакового натяжения стренг, наблюдается только два типа картин, отличающихся различной симметрией расположения дифракционных максимумов. Картина, представленная на рисунке 1.5-6, характерна для нитей с четным числом стренг, а картина на рисунке 1.5-е - для нитей с нечетным числом стренг. На рисунке 1.6 схематично показаны эти профили (проекции крученой нити на плоскость, проходящую через ось нити). а б N-X-L На рисунке 1.8 приведено сечения теоретической дифракционной картины на уровнях 1/3 и 2/3 от интенсивности максимума, отмеченного стрелкой, рассчитанной в работе [52] аналитически при условии равномерного освещения и приближения кусочно-линейной аппроксимации профиля нити с нечетным числом стренг.
Построение алгоритма оценки распрямленности и ориентации волокон в полуфабрикатах прядильного производства
В методе [77] исследуемый материал освещают параллельным пучком нормально к его поверхности так, что плоскость колебаний светового вектора Е в световом пучке совпадает с направлением движения продукта. После этого измеряют световые потоки Фц и Ф±, рассеянные материалом в обратном направлении в двух одинаковых телесных углах, ориентированных во взаимно перпендикулярных плоскостях под равными углами к падающему пучку, один из которых (Фц) располагают в плоскости, совпадающей с направлением движения продукта.
Для определения световых потоки Фц и Ф± была составлена следующая методика, включающая обработку изображений полуфабрикатов с помощью специального программного обеспечения.
Наблюдение и получение изображений образцов производилось с помощью лабораторного комплекса Микроколор-2000, модель 250B-LAB, включающего многоцелевые цветную видеокамеру ТК-С1380Е. Оптическая установка для микро- и макроанализа текстиля в комплекте с двумя микротомами для приготовления препаратов и компьютерным расчетным сопровождением (Microcolor-2000 with Microtomes 256-А, 256-В) фирмы «Leica».
Подготовленную пробу зажимают между предметными стеклами, помещают под микроскоп. Увеличение микроскопа устанавливаются таким образом, чтобы окно регистратора изображения компьютера показывало только поверхность пробы без образования свободного места. После этого фокусируют микроскоп на пробу.
Полученное сохраненное изображение обрабатывается программе IrfanView. С помощью функции Image/Resize изменяют ширину изображения до 363 пикселей. Обесцвечивают изображение, используя функцию Image/Convert to Grayscale. После этого охраняют изображение в формате Bitmap Picture.
Сохраненное изображение открывается в программе обработки исходного изображения с целью устранения постоянного светового фона, нажатием кнопки «Пуск». С помощью кнопки PrtSc на клавиатуре изображение сохраняется и переносится в графический редактор IrfanView с помощью функции Edit/Paste. Из вставленного изображения вырезают область с видимой поверхностью образца. Обесцвечивают изображение и сохраняют на компьютер.
Программа компьютерной имитации пятна света на заданном рисунке С помощью курсора мыши центр окружности совмещается с центром изображения образца, устанавливается радиус пятна R на максимально возможное значения с помощью ползунка R пятна. Пятно накладывается на изображение путем нажатия кнопки Расчет. Последующим регулированием ползунка X пятна добиваются того, чтобы границы получаемого пятна были нечеткими. Сохраняют полученное изображение с помощью кнопки PrtSc.
Функцией Process/FFT открывают диалоговое окно быстрого Фурье-преобразования. С помощью кнопки Forward получают изображение дифракционной картины пробы. Открывают диалоговое окно нажатием кнопки Contrast Enhancement на панели инструментов. Оперируя ползунками в окне, добиваются максимальной четкости дифракционной картины, после чего фиксируют полученный результат кнопкой Apply. Сохраняют изображение дифракционной картины функцией File/Save as.
Для получения угловая диаграммы распределения освещенности используется программа расчета круговой диаграммы распределения освещенности заданного рисунка относительно выбранного центра.
Вертикальным и горизонтальным ползунком около изображения дифракционной картины совмещают центр картины с перекрестием. Устанавливают ползунок Внутренний радиус кольца на значение так, чтобы кольцо полностью охватывало центральный максимум дифракционной картины. Для расчета круговой диаграммы нажимают кнопку Расчет. Регулированием ползунков Ширина кольца и Масштаб добиваются максимального размера диаграммы в окне. Полученное изображение диаграммы сохраняют как описано выше. По полученному изображению круговой диаграмме распределения освещенности определяют Ф± И Фц.
Для оценки равномерности структуры волокнистого материала предлагается использовать показатель, названный коэффициентом упорядоченности структуры волокнистого продукта, величина которого определяется по формуле: световой поток в рассчитанной дифракционной картине, испускаемый участком поверхности дифракционной картины, ограниченным углом /\(р, и радиусами R\ , R2, в направлении, перпендикулярном направлению движения продукта; Фп - световой поток в той же дифракционной картине, испускаемый той же площадью поверхности дифракционной картины, но в направлении, совпадающем с направлением продольной оси материала.
Световой поток определялся по круговой диаграмме светового рассеяния (рис. 2.7), полученной путем обработки изображения дифракционной картины в программе построения угловой диаграммы распределения освещенности заданного рисунка относительно выбранного центра.
Коэффициент упорядоченности структуры продукта является комплексным показателем, так как позволяет одновременно оценить степень распрямленности и ориентации волокон вдоль оси продукта.
По предложенному методу и методу разрыва была проведена оценка распрямленности и ориентации волокон в полуфабрикатах прядильного производства с возрастающей ориентацией волокон вдоль направления движения продукта [22]. В качестве объектов исследования при разработке метода были отобраны образцы полуфабрикатов из средневолокнистого хлопка на следующих стадиях обработки: лента после кардочесальной машины, ленты с первого и второго переходов ленточной машины прядильной линии "SHIRLEY" (Registered Trademark for the Cotton, Silk and Man-made Fibres Research Association); Oldham, England LTD [86].
Определение коэффициентов распрямленности проводилось по методике, изложенной в разработанном проекте стандарта.
Результаты расчета средних арифметических значений коэффициентов упорядоченности представлены в таблице 2.1. Таблицы с результатами измерения интенсивностеи параллельного и перпендикулярного световых потоков представлены в приложении А.
Разработка неразрушающего метода определения диаметра нити по изображению её поверхности
В работе П.Г. Шляхтенко в дифракционной картине Фраунгофера расстояние между соседними минимумами в горизонтальных рядах Ах связывалось с величиной максимального видимого диаметра при боковом наблюдении нити d (рис. 3.5), а расстояние по вертикали между горизонтальными соседними рядами дифракционных максимумов Ау - с шагом крутки нити t.
В работе [93] это расстояние, измеренное в лазерных дифракционных картинах, связывалось с диаметром нити, который предлагалось оценивать через формулу (3.1), хотя оставалось неясным, что собственно понимать под термином диаметр нити, применительно к крученой нити, внешняя поверхность которой не является цилиндрической поверхностью при любой четности числа составляющих ее стренг. где С - константа, связанная с увеличением микроскопической установки, константа, связанная с увеличением микроизображения и параметрами установки, заложенными в программу построения дифракционной картины. Она определяется независимым методом по измерениям на известном талоне (металлическая проволока известного диаметра).
Был приведен аналитический расчет дифракционной картины для нитей с четным и нечетным числом стренг при их освещении параллельным монохроматическим световым пучком одинаковой интенсивности при аппроксимации профиля нити, и получены формулы, связывающие расстояние между минимумами в горизонтальных рядах основных дифракционных максимумов (Ах) с периодом в повторении геометрии границ профиля крученой нити. Для проверки того, пригодны ли формулы для определения величины диаметра нити было проведено исследование в предположении применимости формул.
После десяти измерений диаметра исследованных металлических нитей по формуле (3.1), скрученных из двух и трех стренг, независимо от величины крутки в исследованном диапазоне, были получено значение d = (0,30 ± 0,05) мм, для металлических нитей, скрученных из трех стренг d = (0,36 ± 0,02) мм при доверительной вероятности Р = 0,95.
Полученные значения диаметров исследованных нитей в пределах погрешности совпадают с диаметрами, полученными при прямом измерении.
Метод определения диаметра посредством анализа дифракционной картины и расчета по формуле является перспективным, так как большинство нитей обладает мягкой структурой, что затрудняет измерение диаметра. 3.4 Разработка неразрушающего метода определения величины крутки нити по изображению её поверхности
В работах, описанных в [93], было показано, что в лазерных дифракционных картинах величина расстояния /\у между рядами дифракционных максимумов (рисунок 3.7) зависит от величины крутки нити К.
Для оценки тесноты и характера связи применительно к рассматриваемому в настоящей работе методу расчета дифракционной картины по компьютерному микроизображению нити, были проведены исследования на образцах металлической нити, скрученной из двух и трех стренг в широком диапазоне значений крутки К.
На рисунке 3.8 показаны изображения металлических нитей с увеличивающейся круткой из двух стренг и соответствующие дифракционные картины. r=_ Хз-2
Из рисунка видно, что построенная зависимость хорошо аппроксимируются прямой, проходящей через начало координат. Аналогичный результат получен и для крученой нити из трех стренг с учетом полученных данных. Для построенных аппроксимационных моделей были получены следующие уравнения.
Для оценки меры качества аппроксимационной модели, описывающей связь между зависимой и независимыми переменными модели, был рассчитан коэффициент детерминации по формуле (3.6). Коэффициент детерминации показывает, какая доля вариации объясняемой переменной у учтена в модели и обусловлена влиянием на нее факторов, включенных в модель.
Для оценки эффективности предложенного метода были проведены сравнительные испытания на образцах крученых нитей различной крутки и линейной плотности. Крутка определялась стандартным методом удвоенного кручения на круткомере по ГОСТ 6611-2003 и предложенным методом. Характеристики образцов представлены в таблице 3.1. Таблица 3.1 - Характеристики испытанных нитей
По результатам вычисления расчетного значения критерия Стьюдента было получено, что =2,300; =0,284; =2,632; =2,341; ґ5=2,012; ґ6=2,343; t7=2,29. Сравнивая эти значения с табличным значением Критерия Стьюдента ітабЛ=2,75 при доверительной вероятности Рд=0,95 можно сделать вывод о том, что разница в результатах определения крутки по двум методикам является незначительной, так как расчетное значение критерия Стьюдента меньше табличного значения.
При использовании метода двойного кручения на круткомере имеет место погрешность измерений, так как при раскручивании нити нарушается её первичная структура, и повторное закручивание не возвращает нить в изначальное состояние. Предложенный же метод позволяет оценить исходную величину крутки нити, обладает большей точностью измерений, легкостью в исполнении и быстротой.
Полученные результаты позволяют рекомендовать предлагаемый метод определения крутки для практического использования. С этой целью был разработан стандарт СПГУТД на метод определения крутки нити.