ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СИС В'ЯЧЕСЛАВ БОРИСОВИЧ

УДК 677.027.45: 004.94

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ СТВОРЕННЯ НИЗЬКОМОДУЛЬНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ РІДИННОЇ ОБРОБКИ НИТОК У ПАКУВАННЯХ

05.18.19 – технологія текстильних матеріалів,

швейних і трикотажних виробів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

ХЕРСОН – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Херсонському національному технічному університеті

Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Поліщук Степан Олександрович, Херсонський національний технічний університет, професор кафедри технічної хімії та харчових технологій;

доктор технічних наук, професор

Ірклей Валерій Михайлович, Київський національний університет технологій та дизайну, професор кафедри полімерів і волокон;

доктор технічних наук, професор

Пугачевський Григорій Федорович,

Київський національний торговельно-економічний університет, професор кафедри товарознавства та експертизи непродовольчих товарів.

Захист відбудеться “ 27 ” травня 2008 р. об 11.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.02 при Херсонському національному технічному університеті за адресою: 73008, м. Херсон-8, Бериславське шосе, 24, корпус 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон-8, Бериславське шосе, 24, корпус 1.

Автореферат розісланий “ 25 ” квітня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

О.П. Сумська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Рушійною силою світового розвитку технологій, у тому числі рідинної обробки ниток у пакуваннях, що включає процеси фарбування, біління, промивань, і деякі інші, є безперервний ріст вимог суспільства до співвідношення "ціна-якість" готової продукції в умовах жорсткої конкуренції між підприємствами. У наш час існує три основних напрями розвитку пряжефарбувальних підприємств, здатних забезпечити їхню конкурентоспроможність — це підвищення гнучкості виробництва, ресурсозбереження й екологічна безпека. Розвиток у зазначених напрямах має особливо важливе значення з огляду на те, що текстильна промисловість є однією з найбільш енергоємних галузей, а рідинна обробка — однією із самих її енергоємних технологій.

Так, підвищення гнучкості дозволяє прискорити оборот коштів підприємства за рахунок зменшення запасів дорогої сировини й напівфабрикатів у виробничому циклі. Для цього необхідно забезпечити можливість обробки заданого артикулу пряжі не в партіях фіксованого обсягу в сотні-тисячі кілограмів, а довільного розміру, у міру потреби, що неможливо реалізувати на існуючому устаткуванні без погіршення економічних показників технології.

Ресурсозберігаючі технології базуються на раціональному використанні енергетичних, водних ресурсів і хімічних матеріалів. Економія досягається за рахунок інтенсифікації процесів рідинної обробки й мінімізації втрат шляхом зменшення модуля ванни, застосування імпульсних методів нагрівання й різноманітних способів фізичного впливу, наприклад, електричних і магнітних полів. Використання арсеналу засобів ресурсозбереження дозволяє одночасно підвищити екологічну безпеку технології рідинної обробки ниток у пакуваннях. Однак їхнє широке застосування обмежене можливостями існуючої технологічної схеми й тому вимагає зміни принципів, на яких вона базується, що можливо тільки за рахунок впровадження новітніх наукомістких розробок.

Актуальність теми. Створення більше ста років тому апарата періодичної дії закритого типу привело до істотного росту продуктивності рідинної обробки. Технологічна схема сучасного апарата, незважаючи на успішне вдосконалювання його конструкції декількома поколіннями інженерів, принципово не змінилася з тих часів.

В наш час докорінно змінилися умови реалізації технології, головним чином, внаслідок стрімкого зростання цін на енергоносії. Як результат, можливості існуючої технології рідинної обробки вже не задовольняють сучасним вимогам. Звідси виникає необхідність у створенні принципово нової технології й устаткування нового покоління.

Вищезазначене дозволяє визнати ступінь актуальності теми даної роботи, присвяченої розвитку наукових основ низькомодульної технології рідинної обробки ниток у пакуваннях, як такий, що надає Україні можливість зайняти одне із провідних місць у світі в цій області при умові широкого впровадження одержаних результатів у виробництво.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано відповідно до перспективного плану науково-дослідної роботи ХНТУ, напряму "Розробка ресурсозберігаючих технологій обробки текстильних матеріалів" і завдань, викладених в Концепціях державної програми розвитку легкої промисловості України на період до 2011 р., затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України (КМУ) від 27.12.2006 р., № 637-р, напряму "Технологічне переозброєння базових галузей у напрямку зниження рівнів ресурсо- і енерговитрат" програми реформування економіки й соціально-економічного розвитку Херсонської області на період до 2001 року, розробленої відповідно до доручення від 20.06.1998 р., № 10166175, на підставі концепції стабілізації й реформування економіки Херсонської області відповідно до Програми "Україна 2010" і Державної програми соціально-економічного розвитку Українського Причорномор'я, затверджених рішенням VІІІ сесії обласної Ради народних депутатів XXІІІ скликання від 8.04.1999 р., № 806, а також у рамках науково-дослідної роботи "Розвиток емпіріко-аналітичних методів математичного моделювання процесів хімічної технології підвищеного ступеня прогностичності" (номер держреєстрації 0198U005486).

Особистий внесок здобувача полягає в теоретичному й експериментальному дослідженні структури пакування й розробці на цій основі нових технічних рішень, спрямованих на створення принципово нової низькомодульної технології рідинної обробки ниток у пакуваннях.

Мета й завдання дослідження. Метою роботи є створення принципово нової технології рідинної обробки ниток у пакуваннях, яка відповідає сучасним світовим вимогам, на основі результатів дослідження причин, що лімітують процеси рідинної обробки. Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі необхідно вирішити наступні завдання:

- виконати аналіз технологічного циклу рідинної обробки ниток у пакуваннях у рамках системного підходу як складної системи, що включає технологічні підсистеми формування структури пакування й власно рідинної обробки;

- здійснити структурну декомпозицію технологічних систем рідинної обробки ниток у пакуваннях і формування пакування хрестового намотування;

- за результатами декомпозиції виявити етапи технологічного процесу, які здійснюють найбільший лімітуючий вплив на результати рідинної обробки;

- охарактеризувати вплив неоднорідностей різних структурних рівнів пакування на результати рідинної обробки;

- спроектувати й виготовити лабораторний комплекс для вивчення процесу поперечної деформації витків зусиллям пережиму в контактній площадці їхнього перетинання;

- виконати експеримент і побудувати залежності поперечної деформації витків у контактній площадці перетинання від зусилля пережиму й натягу нитки, а також відносного подовження нитки від величини розтяжного зусилля;

- скласти математичні залежності, що відтворюють просторову криву траєкторії навівання нитки в обсязі всього тіла пакування з урахуванням міжвиткової взаємодії, що відтворюють зміну параметрів міжвиткової взаємодії в полі відцентрових сил, а також залежностей для обчислення структурних характеристик пакування;

- розробити загальну схему побудови комп'ютерної моделі структури пакування, а також основні алгоритми моделі;

- розробити підсистему обробки й візуалізації результатів комп'ютерного моделювання структури пакування;

- скласти пакети програм на основі алгоритмів, спланувати й поставити комп'ютерний експеримент;

- за результатами комп'ютерного експерименту виконати дослідження впливу попереднього натягу нитки, лінійної густини нитки, кута розкладки нитки й початкового радіуса намотування на структуру пакування;

- за результатами комп'ютерного експерименту виконати дослідження пошарового розподілу параметрів структури пакування в полі відцентрових сил залежно від швидкості обертання тіла пакування;

- сформулювати основні принципи й нові технічні рішення низькомодульної технології рідинної обробки ниток у пакуваннях;

- створити стенд і виконати випробування нових технічних рішень низькомодульної технології рідинної обробки ниток у пакуваннях.

Об'єкт дослідження – технологія рідинної обробки ниток у пакуваннях.

Предмет дослідження – пакування хрестового намотування, призначене для рідинної обробки.

Методи дослідження. Поставлені в роботі завдання вирішені з використанням традиційних і сучасних теоретичних і експериментальних методів дослідження, що забезпечило досягнення мети й підтвердження вірогідності основних результатів дисертаційної роботи.

У теоретичних дослідженнях використані методи аналізу й синтезу, системний підхід до аналізу технологічних систем, розглянутих як складні системи, метод структурної декомпозиції складних систем, основні положення теорії намотування, фарбування, промивання й сушіння ниток у пакуваннях, аналітичної й нарисної геометрії, методи диференціального й інтегрального вирахувань, лінійної інтерполяції, метод комп'ютерного моделювання.

Емпіричні методи дослідження реалізовані у вигляді постановки серії натурних локальних експериментів для вивчення впливу технологічних параметрів на ступінь деформації нитки, результати яких піддавали обробці з використанням методів математичної статистики й теорії імовірності, апроксимації даних експерименту аналітичними залежностями, а також постановкою комп'ютерного експерименту з використанням оригінальної комп'ютерної моделі й методів комп'ютерної графіки. Комп'ютерний експеримент, а також статистична обробка результатів експериментальних досліджень, виконано у середовищі універсальної математичної системи Mathcad 2000 Pro на стандартному ІBM-сумісному персональному комп'ютері.

В експерименті якісні й кількісні дані про досліджуваний процес поперечної деформації нитки одержані з використанням оптичного методу виміру, а також цифрових методів побудови, передачі й обробки зображень.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розвитку теорії рідинної обробки ниток у пакуваннях з використанням принципу динамічного розущільнення структури пакування, необхідність якого вперше доведена науковим обґрунтуванням причин, що лімітують процеси рідинної обробки. При цьому:

- вперше показано, що головним фактором, який здійснює лімітуючий вплив на процес рідинної обробки, є деформований стан нитки в контактних площадках перетинання витків;

- розвинене модельне уявлення про структуру пакування, сформованого за допомогою мотального барабанчика постійного кроку, й складеного із шарів, прошарків і окремих компонентів траєкторії навівання нитки, яке відрізняється тим, що кількість прошарків у шарі збільшується пропорційно його радіусу, завдяки чому досягається сталість поверхневої густини заповнення шарів ниткою;

- вперше здійснено повний математичний опис безперервної просторової кривої траєкторії навівання нитки в обсязі всього тіла пакування з урахуванням поперечної деформації нитки в контактних площадках перетинання витків, що дозволило обчислити координати слідів траєкторії нитки в площині перетину тіла пакування, характер розподілу яких має вирішальний вплив на результати рідинної обробки;

- вперше в прямому експерименті на моделі контактної площадки одержані математичні залежності ступеня поперечної деформації нитки від зусиль пережиму й натягу, що дозволило відтворити в комп’ютерній моделі процеси міжвиткової взаємодії для всіх шарів пакування;

- вперше отримані рівняння торцевих компонентів траєкторії навівання нитки у вигляді відрізків еліптичних кривих, положення яких у просторі виражено через параметри намотування й геометричні розміри тіла пакування, що зручно для побудови комп'ютерної моделі процесу формування пакування;

- вперше здійснено математичний опис процесу зміни параметрів структури пакування у полі відцентрових сил, що дозволило одержати дані як якісного, так і кількісного характеру, необхідні для розробки принципово нової технології рідинної обробки пакувань;

- вперше побудовано комп'ютерну модель для пошарового розрахунку параметрів міжвиткової взаємодії й обчислення траєкторії точки набігання в процесі намотування, а також розрахунку зміни параметрів міжвиткової взаємодії в полі відцентрових сил, що дозволило дослідити вплив швидкості обертання тіла пакування і параметрів намотування на структуру пакування.

Основні наукові результати:

- за підсумками комп'ютерного експерименту одержані кількісні характеристики пошарового розподілу в тілі пакування міжвиткового тиску, радіального переміщення, підсумкового натягу й тиску на патрон, збіг яких на якісному рівні з існуючими результатами аналітичного моделювання підтверджує вірність принципів, покладених в основу побудови комп'ютерної моделі;

- вперше за результатами комп'ютерного експерименту одержані кількісні характеристики пошарового розподілу в тілі пакування поперечної деформації нитки в контактних площадках перетинання витків у функції початкового натягу, лінійної густини нитки, кута розкладки й початкового радіуса намотування, що відбивають напружено-деформований стан тіла пакування на рівні нитки;

- вперше за результатами комп'ютерного експерименту одержані кількісні характеристики пошарового розподілу в тілі пакування параметрів міжвиткової взаємодії від швидкості обертання тіла пакування, які доводять ефективність використання відцентрових сил для цілей розущільнення пакування у ході рідинної обробки;

- вперше методом комп'ютерного моделювання одержані характеристики пошарового розподілу маси, обсягу й щільності, а також зміни середньої густини тіла пакування у функції початкового натягу, лінійної густини нитки, кута розкладки й початкового радіуса намотування, що дозволило зв'язати одержані результати з інтегрованим параметром оцінки структури тіла пакування, застосовуваним у виробничих умовах, — середньою густиною намотування.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці принципово нової технології рідинної обробки ниток у пакуваннях, в основу якої покладені технічні рішення, новизна яких підтверджена п'ятнадцятьма патентами України, при цьому:

- створено лабораторний комплекс для вивчення безконтактним оптичним методом деформаційних процесів нитки в контактній площадці перетинання витків;

- сформульовані основні принципи й нові технічні рішення запропонованої технології рідинної обробки ниток у пакуваннях;

- створений спеціальний стенд і виконані випробування, які підтвердили ефективність запропонованих нових технічних рішень;

- виконано конструктивну проробку варіанта виробничої установки нового покоління для рідинної обробки ниток у пакуваннях.

Результати виконаних розробок дозволяють істотно підвищити гнучкість, економічність й екологічну безпеку технології рідинної обробки за рахунок зменшення втрат ресурсів і інтенсифікації процесів. Про це свідчать результати успішного випробування запропонованої технології на ВАТ "Херсонський бавовняний комбінат" (акт випробування від 24.07.2006 р.) Передбачуваний економічний ефект від впровадження нової технології рідинної обробки ниток у пакуваннях при річному випуску 200 т пряжі становить 982,5 грн. на 1 т пряжі (без урахування скорочення інфраструктури й виробничих площ у 14 разів).

Особистий внесок здобувача. Дисертація є узагальненням результатів досліджень, виконаних автором при його особистій участі й у співавторстві з аспірантами під його керівництвом.

Безпосередньо автором зроблене наступне:

- розроблені основні положення системного підходу до виявлення етапів технології рідинної обробки ниток у пакуваннях, що лімітують процес;

- розроблено принципово новий підхід до реалізації технології рідинної обробки ниток у пакуваннях, що забезпечив її гнучкість, економічність і екологічну безпеку;

- розроблено й виготовлено спеціальний лабораторний комплекс для експериментального дослідження деформованого стану нитки в контактній площадці перетинання витків;

- виконані експериментальні дослідження деформованого стану нитки залежно від значень технологічних параметрів з метою одержання вихідних даних для комп'ютерного моделювання;

- розроблені основи комп'ютерного моделювання процесу формування структури пакування, призначеного для рідинної обробки, і зміни його структури в полі відцентрових сил, складені математичні співвідношення й алгоритми;

- сплановано і виконано комп'ютерний експеримент по вивченню впливу технологічних параметрів на структуру пакування;

- створено випробний стенд для фарбування ниток у пакуваннях у полі відцентрових сил;

- здійснено випробування нових технічних рішень створюваної технології рідинної обробки ниток у пакуваннях з позитивним результатом;

- здійснено конструкторську проробку виробничої установки нового покоління для рідинної обробки ниток у пакуваннях.

Під керівництвом автора й при його особистій участі у співавторстві з аспірантами зроблене наступне:

- виконано структурну декомпозицію технологічної системи рідинної обробки ниток у пакуваннях;

- сформульовано принцип динамічної рекомбінації контактних площадок у структурі пакування;

- розроблено спосіб й пристрій для рідинної обробки ниток у пакуваннях з використанням принципу зонного розущільнення шляхом обкатування бічної поверхні тіла пакування;

- розроблено дві нові конструкції перфорованого патрона для рідинної обробки ниток у пакуваннях;

- побудовані рівняння еліптичних компонентів траєкторії навівання нитки у торцевих ділянках комп'ютерної моделі процесу формування структури пакування.

В усіх наукових роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать основні ідеї, теоретичне обґрунтування й одержання наукових результатів досліджень, формулювання висновків і рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати роботи були повідомлені й одержали позитивну оцінку: на всеукраїнських науково-практичних конференціях, м. Херсон: ювілейній науковій конференції, присвяченій 10-річчю Херсонського індустріального інституту (1991 р.); «Разработка и использование ресурсосберегающих технологий в текстильном производстве» (1992 р.); на Міжнародних конференціях и симпозіумах: «Физико-технические и технологические приложения математического моделирования» (Київ, 1998 р.); «Методы дискретных особенностей в задачах математической физики» (м. Феодосія, 1999 р.); на Четвёртой Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999 р.); на VIII Міжнародній Науковій конференції ім. акад. Н. Кравчука (Київ, 2000 р.); «Средства математического моделирования» (Санкт-Петербург, 2001 р.); “Dynamical Systems Modelling and Stability Investigation” (Київ, 2001 р.); на міжнародних науково-практичних конференціях «Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины» (м. Херсон, 2003 р., 2004 р.) і ювілейній науково-методичній конференції «Тенденции развития науки и образования в области отделки и дизайна текстиля» (Санкт-Петербург, 2004 р.); на всеукраїнських науково-практичних конференціях «Проблемы легкой и текстильной промышленности Украины» (2001 р., 2005 р., 2006 р., 2007 р.); на розширених наукових семінарах кафедри прикладної математики й математичного моделювання, 2000 р.; кафедри обладнання легкої промисловості й побутового обслуговування, 2001 р.; кафедри хімічної технології і дизайну волокнистих матеріалів, 2001 р., 2007 р.; на міжкафедральних наукових семінарах Херсонського національного технічного університету, м. Херсон, 2001 р., 2007 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 28 наукових статей у фахових журналах; 15 патентів України; 13 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації — 461 сторінка, повністю зайняті ілюстраціями 45 сторінок, загальна кількість ілюстрацій — 65, повністю зайняті таблицями 4 сторінки, загальна кількість таблиць — 13, список літературних джерел з 285 найменувань займає 26 сторінок, 4 додатки — 90 сторінок. Обсяг основної частини дисертації становить 327 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано обґрунтування актуальності теми дисертації, виділені основні аспекти досліджуваної проблеми, визначені мета й завдання дослідження, обрані об'єкт і предмет дослідження, сформульовані наукова новизна й практична значущість отриманих результатів.

Перший розділ присвячений аналізу літературних джерел з метою створення інформаційної бази для розвитку наукових основ технології рідинної обробки ниток у пакуваннях і устаткування нового покоління. При цьому поставлені й вирішені три основні завдання: пошук етапів існуючої технології рідинної обробки, які мають найбільший лімітуючий вплив на результати технологічного процесу; виявлення найбільш перспективних способів інтенсифікації процесів рідинної обробки у пропонуємій технології; огляд сучасних методів і засобів, призначених для виконання досліджень.

У рамках вирішення першого завдання здійснено аналіз всіх етапів підготовки, в тому числі стадію намотування, і, власно, рідинної обробки, розглянутих як єдиний технологічний цикл. Встановлено, що процес формування структури пакування не обмежується стадією намотування, а триває на наступних етапах обробки під впливом механічних зусиль і взаємодії структури з потоком розчину.

Відзначено, що наукові основи процесу формування пакувань, закладені А.П. Малишевим і А.П. Мінаковим, розвинені школами В.А. Гордєєва, В.Н. Аносова, Е.Д. Єфремова, А.Ф. Прошкова, і багатьма іншими вченими. Специфіка формування ткацьких пакувань, призначених для рідинної обробки, розглянута в роботах С.А. Александрова, В.Б. Кльонова, А.И. Бородіна, В. Вегенера, С. Шуберта й інших авторів.

Сформульована гіпотеза про лімітуючий вплив на результати процеса рідинної обробки етапа проникання розчину в ділянки контактних площадок перетинання витків, деформованих тиском між шарами. Оскільки намотувальне устаткування не дозволяє формувати партії повністю ідентичних пакувань, час завершення рідинної обробки всіх пакувань виявляється різним, що в умовах існуючої масової технології приводить до значних перевитрат енергоресурсів і часу й, отже, погіршенню техніко-економічних показників виробництва.

Звідси випливає, що істотно підвищити техніко-економічні показники технології можливо тільки за рахунок переходу від масової схеми обробки пакувань до індивідуальної. Обов'язковою умовою цього є радикальне прискорення процесів, яке стає можливим за рахунок використання сучасних фізичних способів інтенсифікації. Одним з головних таких способів є зменшення модулю ванни, який при індивідуальній обробці пакувань може досягати значень, неможливих в існуючій технології.

У другому завданні здійснено аналіз перспективних хімічних і фізичних способів інтенсифікації процесів фарбування. Встановлено, що до числа перспективних відносяться швидкісні способи фарбування целюлозних матеріалів активними барвниками з часом обробки в декілька хвилин. Найбільш ефективними способами інтенсифікації є зменшення модуля ванни, використання вакууму, полів механічних сил, акустичних коливань і електромагнітного випромінювання, ефективність яких ще більше зростає при використанні сучасних мікропроцесорних систем керування з розширеними функціональними можливостями.

Розробка на цій основі принципово нової технології традиційним шляхом вимагає великих витрат ресурсів і часу для проведення досліджень. Тому виникла необхідність у третьому завданні, пов'язаному з подоланням обмежень чисто аналітичного й експериментального методів дослідження структури пакування, викликаних напружено-деформованим станом її структури. Встановлено, що найбільш перспективним методом дослідження є комплексний підхід у вигляді комп'ютерного моделювання з використанням елементарних аналітичних моделей, одержаних методом локального експерименту, і поєднаних алгоритмом комп'ютерної моделі. Виконано також аналіз можливих варіантів вибора середовища моделювання й цифрових візуально-вимірювальних засобів, необхідних у локальному експерименті.

Критичний аналіз існуючих наукових розробок, спрямованих на підвищення ефективності технології рідинної обробки, показав, що більша їхня частина присвячена вдосконалюванню технології у тому вигляді, в якому вона існує вже більше ста років. Оскільки резерви її розвитку в значній мірі вичерпані, сучасні умови жорсткої конкуренції текстильних підприємств вимагають створення принципово нових технологій, істотно більш гнучких, економічних і екологічно безпечних. Для цього необхідно, у першу чергу, детально дослідити структуру тіла пакування і її зв'язок з результатами рідинної обробки.

У другому розділі здійснено аналіз технології рідинної обробки ниток у пакуваннях як складної системи з метою одержання вихідних даних для наступної постановки локального експерименту й комп'ютерного моделювання структури пакування. Вирішено завдання структурної декомпозиції технологічної системи рідинної обробки ниток у пакуваннях, завдання структурної декомпозиції технологічної системи формування структури пакування хрестового намотування, дана характеристика структурних рівнів пакування з позиції неоднорідностей, здійснено аналіз впливу неоднорідностей структури пакування на результати рідинної обробки.

Технологія рідинної обробки ниток у пакуваннях розглядається як сукупність стадії рідинної обробки й стадій формування пакування, що передують власно рідинній обробці (намотування й механічна підготовка), але складають з нею єдиний технологічний цикл. Показано, що технологія рідинної обробки ниток у пакуваннях є складною системою, тому побудова моделі вимагає залучення елементів системного підходу, зокрема, методу структурної декомпозиції.

Здійснено структурну декомпозицію технологічної системи рідинної обробки ниток у пакуваннях по функціональній ознаці, структурним рівням, неоднорідностям структури, природі явищ, стадіям формування пакування й періодам обробки. Показано, що головним і найбільш складним у структурному відношенні елементом системи є тіло пакування.

Виконано структурну декомпозицію технологічної системи формування структури пакування хрестового намотування по структурних рівнях, по стадіях формування, по неоднорідностях структури, по взаємодії компонентів структури, по компонентах і параметрах траєкторії навівання нитки. Пакування представлене як чотирьохрівнева структура "тіло пакування – нитка – пасмо – волокно", проникання часток корисної речовини в яку відбувається поетапно в послідовності "міжнитковий простір – міжпасмовий простір – міжволоконний простір – поверхня волокна – внутріволоконний простір". Сформульовано модельне уявлення про структуру тіла пакування на рівні нитки, що складається із шарів, утворених прошарками. Кожний прошарок формується в процесі намотування із чотирьох компонентів траєкторії навівання нитки – правої спіралі, правого еліпсу, лівої спіралі, лівого еліпсу.

Охарактеризовано предмет дослідження — стандартне пакування хрестового намотування циліндричної форми, сформоване на циліндричній основі за допомогою мотального барабанчика постійного кроку, — на всіх розглянутих структурних рівнях. Дано обґрунтування вибору параметрів нитки — бавовняної утокової пряжі лінійної густини 29,4 текс  2. На кожному структурному рівні установлені характерні неоднорідності.

Виконано аналіз впливу неоднорідностей структури пакування на результати рідинної обробки, встановлено негативний характер впливу. Показано, що лімітуючою стадією процесу фарбування є стадія проникання часток барвника в ділянки контактних площадок перетинання витків.

Відрізки двох витків (рис. 1), що перетинаються в контактній площадці під впливом сил міжвиткового тиску й пружності нитки, перебувають у стані динамічної рівноваги. У результаті поперечної деформації витків змінюється площа контактної площадки, а також величина міжцентрової відстані витків а. Перше приводить до локальної зміни пористості нитки, а друге - зміні міжниткової пористості. Результати аналізу механізму впливу структури пакування на процес фарбування ниток з урахуванням її напружено-деформованого стану й перехідних явищ показують, що найбільш важкодоступними для барвника є волокна в зоні контактних площадок, розташовані в шарі на поверхні патрона й у торцевих ділянках, товщиною близько 10–2 м.

Як основу побудови комп'ютерної моделі, поряд з результатами структурної декомпозиції, необхідно одержати кількісні залежності ступеня деформації пересічних витків від зусиль, що діють у контактній площадці, і інших параметрів, які мають вплив на результати технологічного процесу намотування.

У третьому розділі досліджено деформований стан нитки, у тому числі вирішені наступні завдання: розроблено й виготовлено лабораторний комплекс для вивчення поперечної деформації витків в окремо взятій контактній площадці; побудовані експериментальні залежності ступеня поперечної деформації витків у контактній площадці від зусиль пережиму й натягу нитки; побудована експериментальна залежність відносного подовження нитки від величини розтяжного зусилля й зворотна їй залежність.

Необхідність створення спеціального комплексу обумовлена специфікою об'єкта дослідження — нитки, — поперечні розміри якої не перевищують часток міліметра, вимірювані деформації — сотих часток міліметра, а висока чутливість структури нитки до механічних впливів виключає застосування контактних методів виміру.

Вимірювальний комплекс (рис. 2) складається з вузла завдання натягу гілок нитки й фіксації їх у контактній площадці перетинання, вузла настроювання зусилля пережиму й вузла безконтактного виміру поперечної деформації.

Вузол натягу включає два вільно обертових на нерухомих осях шківа 1 і 2, які обгинає нитка 3, утворюючи дві гілки, що перетинаються у контактній площадці 4 під кутом . Один з кінців нитки нерухомо закріплений у точці 5, а до іншого кінця прикладене розтяжне зусилля Т, рівномірно розподілене між гілками нитки завдяки наявності шківа 1. Вузол завдання зусилля пережиму нитки складається з нерухомої площадки 6 і плоского торця 7 штока 8, орієнтованих паралельно один одному й площині, у якій розташована контактна площадка 3, а також пружини 9, що працює на стиск, лівий кінець якої діє на шток 8, а правий може переміщатися уздовж осі штока 8 за допомогою вилки, укріпленої на каретці 10, під дією ходового гвинта 11, який приводять в обертання ручкою 12.

Вузол виміру ступеня деформації нитки в контактній площадці 4, що містить оптичну систему 13 зі шкалою окулярного мікрометра 14, побудований на базі бінокулярного мікроскопа. Вимір можливий як у процесі візуального спостереження оператором 15, так і за допомогою цифрової камери 16, що передає відеосигнал у комп'ютер за допомогою USB інтерфейсу 17.

Фрагмент цифрового мікрофотографічного зображення двох гілок нитки, які перетинаються у контактній площадці, представлений на рис. 3. Верхня нитка стикається з нерухомою опорною поверхнею, нижня — контактує з торцем штока. По центру видно вертикальну вимірювальну шкалу окулярного мікрометра.

В ході експерименту значення зусиль пережиму й натягу змінювали в межах 0,02...0,49 Н. Кут перетинання гілок нитки в контактній площадці  = 24, кількість повторних вимірів у кожній точці n = 5.

Отримані масиви даних результатів виміру поперечного розміру нитки піддавали обробці за допомогою спеціально складеної програми. З довірчою ймовірністю P = 0,955 максимальне значення помилки не перевищило ±2,5 %.

У результаті обробки отримані сукупності експериментальних точок, представлені у вигляді графічних залежностей у двох системах координат: зусилля пережиму — поперечний розмір нитки (рис. 4) і зусилля натягу — поперечний розмір нитки (рис. ).

Встановлено, що сукупність експериментальних точок залежності відносної зміни поперечного розміру нитки від зусилля пережиму найбільш точно апроксимується сімейством статечних функцій виду

Із рис. видно, що з ростом зусилля пережиму поперечний розмір перетину нитки убуває. При цьому швидкість убування максимальна при малих значеннях зусилля пережиму, а потім швидкість зменшується. Видно також, що натяг значно впливає на величину поперечного розміру деформованих гілок нитки, причому ріст натягу приводить до зменшення відносної деформації гілок нитки в контактній площадці їхнього перетинання.

Сукупність експериментальних точок відносної зміни поперечного розміру ниток, які перетинаються, від зусилля їхнього натягу для заданих значень зусилля пережиму Р апроксимована сімейством експонент виду

Таблиця 1

Значення коефіцієнтів апроксимуючої функції

k | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

a | 0.61 | 1.03 | 1.23 | 1.99 | 3.75 | 3.93 | 4.32

b | -0.13 | -0.09 | -0.07 | -0.05 | -0.03 | -0.03 | -0.03

c | -0.30 | -0.71 | -0.88 | -1.61 | -3.37 | -3.53 | -3.92

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів апроксимуючої функції

j | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6

a | -0.23 | -0.22 | -0.20 | -0.18 | -0.17 | -0.16 | -0.15

b | -3.95 | -4.33 | -4.80 | -4.61 | -4.65 | -5.19 | -5.16

c | 0.93 | 0.81 | 0.71 | 0.62 | 0.57 | 0.53 | 0.50

Аналіз кожної кривої окремо показує відносний ріст поперечного розміру деформованих ниток у міру зростання зусилля натягу. Отримані результати впливу натягу на величину поперечної деформації нитки можна пояснити, спираючись на відомості з теорії крутіння волокнистих матеріалів. У крученій нитці при розтяганні гвинтоподібно звитих стренг виникають зусилля, які ущільнюють нитку, притискаючи стренги до осі нитки. Те ж саме відбувається з волокнами стренг, кожна з яких має власну крутку.

Для експериментального вивчення процесу подовження нитки залежно від величини розтяжного зусилля виготовлений прилад, у якому досліджувану нитку довжиною 0,29 м по черзі розтягували зусиллями в діапазоні 0...0,49 Н, повторюючи кожний вимір п'ятикратно. Отримані дані обробляли спеціальною комп'ютерною програмою, при цьому з довірчою ймовірністю P = 0,955 максимальне значення помилки не перевищило ±2,4 %. Отримані в експерименті результати представлені у вигляді графічної залежності на рис. 6. Залежність відносного подовження від натягу нитки апроксимована експонентою

Значення коефіцієнтів: a2 –0,024; b2 –12,752; c2 ,024.

Зворотна залежність зміни натягу нитки від її відносного подовження має вигляд

Таким чином, у третьому розділі отримані емпіричні залежності, необхідні для наступної побудови комп'ютерної моделі формування структури пакування.

У четвертому розділі здійснено вивід математичних співвідношень, складені алгоритми, а також побудована загальна схема комп'ютерної моделі. При цьому набуло розвитку модельне уявлення про структуру пакування, що складається із шарів, прошарків і компонентів траєкторії навівання нитки: кількість прошарків у шарі змінюється пропорційно його радіусу, завдяки чому досягається сталість поверхневої щільності заповнення шарів ниткою (рівнозаповнені шари).

На цій основі вперше здійснено повний математичний опис безперервної просторової кривої траєкторії навівання нитки в обсязі всього тіла пакування з урахуванням поперечної деформації в контактних площадках перетинання витків. Це дозволило одержати віртуальний перетин тіла пакування й обчислити координати слідів траєкторії нитки в площині перетину, характер розподілу яких впливає на результати рідинної обробки.

Для опису процесів міжвиткової взаємодії у рівнозаповнених шарах в формулу А. П. Мінакова для розрахунку тиску витка Nn в j-ому шарі введемо множник, чисельно рівний rj:

Тоді для циліндричного пакування

Обчислимо радіус j-го шару, j  0…(u – ), де u – кількість шарів, поставивши у відповідність значенням j значення s  (u – )…0. Тоді результуюче зусилля тиску N1, яке сприймає нитка в j-ому шарі під дією всіх наступних шарів,

Відносний поперечний розмір p1 деформованої нитки при одночасному впливі зусилля пережиму N1 і зусилля натягу t

для j-го шару

Знайдемо коефіцієнти апроксимації a, b, c для поточного значення натягу t методом лінійної інтерполяції коефіцієнтів a1, b1, c1 для найближчих відомих значень натягу:

Обчислимо товщину j-го шару

За формулою М. Д. Меньшиковой

Тоді радіус намотування j-го шару по завершенні процесу намотування всього пакування

Тепер обчислимо радіус r2 намотування в момент завершення формування поточного j-го шару. Для цього послідовно визначимо зусилля тиску N2 в i j…0) шарах, що передують j-му шару, а потім скористаємося формулами (9) — (14).

Це дозволяє обчислити величину радіального переміщення шарів r:

Обчислимо відносне подовження витка нитки з вираження, отриманого шляхом геометричного аналізу положення витка в тілі пакування:

Початкове відносне подовження 0 визначимо з отриманої експериментально в третьому розділі апроксимуючої залежності

Тоді результуюче відносне подовження j-го шару

Обчислимо підсумковий пошаровий натяг нитки tn з використанням отриманої в третьому розділі апроксимуючої залежності

Оскільки отримані значення пошарового розподілу підсумкового натягу tn відрізняються від вихідного натягу t0, далі заново перерахуємо радіус шарів так само, як це було зроблено вище.

Отримані співвідношення покладені в основу алгоритму пошарового розрахунку параметрів міжвиткової взаємодії. Алгоритм містить цикл обчислення радіуса кожного шару у фазі завершення процесу намотування всіх шарів пакування r1 з керуючою змінною j  0…(u – ), і вкладений у нього цикл обчислення радіуса у фазі завершення формування розглянутого шару r2 з керуючою змінною i j…0). Далі в зовнішньому циклі обчислюють радіальне переміщення шару r, відносне подовження і нові значення натягу нитки tn. Основні вхідні параметри алгоритму – початковий радіус пакування r0, число шарів u, кут розкладки нитки , начальний натяг t0, лінійна густина нитки T, коефіцієнти апроксимуючих залежностей a1, b1, c1, a2, b2, c2. Головний вихідний параметр розглянутого алгоритму – вектор радіального розподілу шарів r, – одночасно є вхідним для алгоритму обчислення траєкторії точки набігання.

Побудуємо модель просторової кривої траєкторії точки набігання в межах усього тіла намотування з урахуванням міжвиткових деформаційних процесів. Крива складається із заданої кількості шарів u, кожний з яких містить m прошарків; кожний з прошарків містить послідовність із чотирьох елементарних компонентів.

Введемо позначення, сполучивши вісь симетрії циліндричної поверхні радіуса r, на якій лежить поточна крива, з віссю 0Z просторової декартовой системи координат 0XYZ. Початок координат помістимо в точку 0, відстань якої від крайніх точок кривої становить zm. Площини z = zm и z = –zm відповідають торцевим поверхням пакування, а площини z k и z –k відокремлюють торцеві ділянки [k, zm] і [–k, –zm] від межторцевого [–k, +k].

Розрахуємо положення точки k, виходячи із заданої висоти пакування h = zm, початкового радіуса намотування r0 і кута розкладки нитки за формулою

Привласнимо поточному шарові значення радіуса із вхідного вектора радіального положення шарів r = rj, і обчислимо кількість прошарків m для поточного шару із точністю до цілого числа:

Розрахуємо довжину компонента, виражену у кутових і лінійних одиницях. Позначимо кут повороту радіальної площини, в якій переміщується уздовж осі 0Z точка набігання щодо площини XOZ (рис. 7), як параметр . Тоді точку початку правої спіралі можемо позначити як sp0, точку сполучення правої спіралі й початку правого еліпса, - як spk = ep0, точку сполучення правого еліпса й лівої спіралі - як epк = sm0, точку сполучення лівої спіралі й лівого еліпса – як smк = em0, і точку закінчення лівого еліпса - як emk (рис. 8).

Задамо початкові значення змінних zsp0 и sp0 для правої спіралі

Обчислимо довжину правого спірального компонента траєкторії точки набігання на ділянці k –(– k) k у кутових одиницях по формулі

і положення кінцевої точки правої спіралі:

Довжина спірального компонента у лінійних одиницях

Спіральний компонент утворює у радіально-осьовій площині перетину тіла пакування, наприклад, площини y = 0, сліди, число яких залежить від кількості перетинань. Призначимо збільшення параметра , попередньо задавши значення   =0 з початкових умов, і будемо повторювати збільшення доти, поки виконується умова . При цьому на кожній ітерації будемо робити розрахунки координат слідів xsp, ysp, zsp с використанням системи рівнянь:

Спіральний компонент у точці сполучення spk = ep0 плавно переходить у праву еліптичну лінію. Оскільки її опису, придатного для використання в моделі, у літературних джерелах не виявлено, нами складена система рівнянь циліндричної поверхні в параметричному виді й площини, що проходить через точки A, B, C, нормальний вектор якої становить кут с віссю OZ (рис. 9).

Задамо початкові значення її параметрів

і розрахуємо кутову довжину еліптичного компонента

Тоді кутовий параметр кінцевої точки правого еліптичного компонента

а лінійна довжина правого еліптичного компонента

Обчислимо координати слідів еліптичної лінії xep, yep, zep на кожній ітерації збільшення параметра , поки дотримується умова .

Для розрахунку координат слідів третього компонента – лівої спіральної лінії, – виконаємо ті ж дії, що й у попередніх двох випадках, тобто задамо , обчислимо кутову довжину лівого спірального компонента , значення кутового параметра кінцевої точки лівої спіралі і лінійну довжину спірального компонента .

Потім призначимо збільшення , яке будемо повторювати доти, поки дотримується умова . На кожній ітерації будемо розраховувати значення координат xsm, ysm, zsm по формулі

Аналогічно обчислимо координати слідів траєкторії для четвертого компонента прошарка, – лівої еліптичної лінії. Задамо початкові значення параметрів , розрахуємо кутову довжину

кутове положення кінцевої точки і його лінійну довжину

Призначимо збільшення параметра , перевіряючи виконання умови і обчислюючи координати слідів xem, yem, zem на кожній ітерації:

Загальну довжину траєкторії точки набігання одного прошарку lp визначимо як суму довжин траєкторій всіх компонентів прошарка .

Отримані вирази покладені в основу алгоритму обчислення траєкторії точки набігання, що включає чотири послідовних цикли компонентів, вкладених у цикл прошарків з керуючою змінною i0…(m–1), де m – кількість прошарків у шарі, а цикл прошарків, у свою чергу, вкладений у цикл шарів, керуюча змінна якого j послідовно приймає значення від 0 до (u – 1), где u — загальна кількість шарів у пакуванні. Алгоритм виконує також функцію пошарового розрахунку довжин компонентів траєкторії точки набігання lsp, lep, lsm, lem і сумарних довжин у масштабах прошарка, шару й пакування в цілому.

Оскільки кінцевою метою моделювання є одержання відомостей для розробки принципово нової технології рідинної обробки пакувань із використанням відцентрових сил, складем відповідні співвідношення й алгоритм. Вихідними даними для нього є розраховані ядром моделі вектори радіального положення шарів r, пошарового розподілу межвиткового тиску N и натягу t.

Розглянемо в тілі пакування ділянку нитки лінійної густини Т такої