Теория, технология и моделирование процесса взаимодействия основной нити с элементами технологической оснастки ткацкого станка

Актуальность темы

.

Одним из основных показателей эффективности работы ткацкого производства является производительность ткацких станков, зависящая от уровня обрывности основных и уточных нитей. Ликвидация обрывов вызывает значительные простои оборудования, затрудняет автоматизацию процесса ткачества и использование высокоскоростных станков с большим числом нитей в заправке. Обрывность ухудшает качество ткани и повышает ее себестоимость. Уровень обрывности основных нитей во многом зависит от степени разрушающих воздействий на них элементов технологической оснастки, с которыми нить взаимодействует в процессе ткачества (скало, ламели, галева ремиз, бердо).

В России технологическую оснастку для ткацких станков в настоящее время производят всего три крупных предприятия: ОАО «Ремиз» (Иваново), МЭЗ № 1 (Москва) и ОАО «Красная маевка» (Кострома). Отсутствие конкуренции между отечественными производителями привело к сокращению ассортимента изделий. Зарубежные же производители технологической оснастки постоянно работают над расширением ассортимента и улучшением качества своей продукции. Отечественные производители перенимают конструктивные особенности и параметры зарубежной оснастки порой не имея обоснованной информации об их технологическом назначении и эксплуатационных возможностях.

В условиях рыночной экономики, когда на российском рынке появилась относительно дешевая оснастка из Индии и Китая (например, галева) у отечественных производителей появилась необходимость в повышении конкурентной способности выпускаемой продукции. Текстильные предприятия для повышения качества тканей и снижения их себестоимости, стремятся делать обоснованный выбор оснастки, руководствуясь не только ее стоимостью, но и высоким качеством, возможностью выбора наиболее подходящего типоразмера для заданного вида ткани. Поэтому предприятия-изготовители должны иметь научно-обоснованную информационную базу для поддержки принятия решения (111IF) по совершенствованию конструкции и технологии изготовления техоснастки, а текстильные предприятия — рекомендации по ее эффективному использованию.

К вопросам исследования взаимодействия основных нитей с элементами технологической оснастки в свое время обращались К. Г. Алексеев, М. С. Бородовский, А. А. Галкин, М. И. Лопухов, Е. Д. Ефремов, С. Н. Шутова, В. А. Любимов и др. Одним из важнейших элементов оснастки является галево ремизки. Значимость этого элемента связана не только со сроком службы и большими объемами поставок, но и с влиянием его на уровень обрывности и следовательно, на производительность ткацкого станка. Не случайно большинство научно-исследовательских работ, посвященных технологической оснастке, направлено на исследование конструктивных параметров галев и их влияния на износ основных нитей. Однако эти исследования носили локальный, эпизодический характер (путь трения нити относительно глазка, компенсационная траектория перемещения глазка, способ закрепления галева в ремизной раме, форма глазка и др.), а выводы, сделанные разными исследователями, иногда противоречат друг другу. Например, для уменьшения истирающих воздействий на основную нить галево должно быть гибким и податливым смещению вслед за нитью. С другой стороны, более жесткое галево меньше разрушается в области ушка. Это увеличивает срок их службы, уменьшает вероятность обрыва галева и образования в связи с этим порока ткани — подплетины. Чтобы найти «золотую середину», нужно иметь количественную оценку разрушающих воздействий элемента оснастки в зависимости от его конструктивных параметров, технологических параметров заправки и настройки станка.

Обоснованный выбор, правильная эксплуатация и совершенствование конструктивных параметров оснастки требуют создания системы технической и информационной поддержки, базирующейся на взаимных интересах ее изготовителей и потребителей. Перспективным направлением научных исследований в области совершенствовании конструктивных параметров и создания системы сервисного обслуживания технологической оснастки является использование методов математического моделирования и современных ЭВМ.

В силу вышеизложенного, теоретические исследования разрушающих воздействий элементов технологической оснастки на основную нить, разработка на основе этих исследований имитационной модели процесса и получение с ее помощью новых знаний о моделируемом процессе, являются актуальными и могут быть использованы для решения задач оптимизации тка-необразования на ткацком станке.

Цели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса ткачества за счет: применения организационно-программного комплекса (ОПК) обоснованного выбора элемента оснастки для заданного вида ткани и типа ткацкого станкасовершенствования конструктивных параметров элементов оснастки на основе информационной базы, полученной путем исследования процесса их воздействия на основные нити методом имитационного моделирования.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Обзор и оценка современной технологической оснастки ткацкого станка.

2. Теоретический анализ процесса взаимодействия основной нити с нитенаправляющими элементами технологической оснастки.

3. Разработка методических принципов построения имитационной модели (ИМ) процесса взаимодействия основной нити с элементами технологической оснастки. Построение ИМ с критерием эффективностипоказателем интенсивности контактного и фрикционного взаимодействия нити с галевом, как наиболее значимым элементом технологической оснастки.

4. Проведение машинного и производственного экспериментов.

5. Разработка метода выбора для заданного вида ткани оптимального типоразмера галева из вариантов, имеющихся в базе данных.

6. Создание информационной базы для 111 IP по совершенствованию конструктивных параметров и при разработке нового ассортимента галев.

Теоретическая и методологическая основа исследования.

Теоретической и методологической основой диссертационной работы явились труды известных отечественных и зарубежных авторов в области технологии ткачества, прикладной механики нити, текстильного материаловедения, механики контактного взаимодействия и теории упругости, математического моделирования, планирования эксперимента и статистического контроля в текстильной промышленности.

При выполнении диссертационной работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования.

При проведении теоретических исследований были использованы методы теоретической механики, сопротивления материалов, дифференциального и интегрального исчислений, линейной алгебры, векторного анализа.

В процессе построения математической модели применялись численные методы решения дифференциальных и трансцендентных уравнений, численное дифференцирование.

Программная реализация модели выполнена в среде программирования Delphi.

При проведении экспериментальных исследований применялись методы физического моделирования и планирования эксперимента. Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики с применением регрессионного, факторного и спектрального анализов.

Оптимизационный машинный эксперимент осуществлялся методом последовательного симплекс-планирования. Использованы пакеты прикладных программ Mathcad и Stadia.

Научная новизна работы.

В работе впервые осуществлен системный подход к исследованию процесса взаимодействия элементов технологической оснастки и системы заправки ткацкого станка, где процесс рассмотрен как последовательная смена состояний сложной системы во времени. Разработан и принят за критерий эффективности функционирования системы интегральный показатель интенсивности взаимодействия нити с галевом, который отражает взаимосвязь конструктивных параметров галев, параметров вырабатываемой ткани, технологических параметров настройки и линейных размеров конструктивно-заправочной линии (K3J1) ткацкого станка, функциональных характеристик ремиз, берда и скала.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые результаты:

1. Разработана методика расчета величины перемещения нити относительно глазка для произвольного угла поворота главного вала с учетом состояи ния системы на предыдущем этапе, позволяющая уточнить величину текущей деформации растяжения ветвей зева.

2. Получены аналитические выражения сложной функциональной зависимости величины деформации растяжения ветвей зева от угла поворота главного вала, позволяющие рассчитывать натяжения в ветвях зева в произвольный момент тканеобразования с учетом текущего положения скала по высоте, величины смещения бердом опушки ткани, отклонения глазка галева и перемещения нити относительно глазка.

3. Разработана математическая модель натяжения линейно упругой на изгиб нити в передней и задней ветвях верхнего и нижнего полузева и получены обобщенные условия начала перемещения нити относительно глазка, которые позволяют совершенствовать модель в направлении учета вязкоупру-гих свойств нити.

4. Обосновано существование дополнительного угла разворота галева относительно галевоносителя и разработан метод расчета полного угла разворота глазка относительно оси основной нити, позволяющий уточнить величину стрелы прогиба галева, находящегося под действием косого изгиба.

5. Предложен метод автоматизированного расчета величины стрелы косого изгиба галева как растянуто-изогнутого стержня переменного сечения, позволяющий учитывать не только конструктивные параметры галев, но и их конструктивные особенности.

6. Теоретически и экспериментально доказано, что интенсивность разрушающих воздействий галева на основную нить зависит от ориентации галева в ремизном приборе. Установлено рациональное соотношение направлений разворота глазка галева и крутки пряжи.

7. Разработана математическая модель, реализованная в виде программы для ЭВМ, которая имитирует процесс взаимодействия основной нити с элементами технологической оснастки ткацкого станка за период образования раппорта ткани, позволяющая количественно оценивать влияние параметров и функциональных характеристик элементов системы на показатель интенсивности разрушающих воздействий галева на основную нить.

8. Разработана методика определения оптимальных параметров галев, которые оказывают наименьшие по интенсивности разрушающие воздействия на основные нити при выработке заданного вида ткани при заданных геометрических и технологических параметрах настройки станка.

9. Разработана система компьютерной поддержки принятия решений (ППР): по выбору рационального типоразмера галева для заданного вида ткани из имеющихся в базе данныхпо совершенствованию и изменению конструктивных параметров галев при проектировании нового ассортимента этого элемента технологической оснастки.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Одним из практических приложений ИМ стал ОПК, разработанный по заказу ОАО «Красная маевка» (г. Кострома). В состав комплекса вошли пакет программ, технический опросный лист и руководство для пользователя. Данный ОПК позволяет рекомендовать потребителю типоразмер галева, оказывающего наименьшие по интенсивности разрушающие воздействия на основные нити при выработке ткани, характеристика которой указана заказчиком в опросном листе.

В ОПК входит программа, имеющая доступ к базе данных, которая содержит сведения о конструктивных параметрах и особенностях пластинчатых галев. Числовые значения критерия эффективности ИМ могут служить информационной базой для ППР по совершенствованию конструкции галев или при проектировании нового ассортимента.

Работа над созданием ОПК проводилась в рамках госбюджетных и хоздоговорных работ:

Разработка технологических рекомендаций по выбору типоразмеров галев для снижения обрывности льняной пряжи в ткачестве" (Тема № 17-БНИ-92);

Моделирование процесса взаимодействия основных нитей и пластинчатых галев при выработке тканей льняного ассортимента" между изготовителем технологической оснастки ОАО «Красная маевка» и КГТУ, 2003 г.;

Создание информационной базы по выбору типоразмера галев в соответствии с заданным видом ткани и типом ткацкого станка" между ОАО «Красная маевка» и КГТУ, 2004;2005 г. г.

Разработанный ОПК используется производителем технологической оснастки ОАО «Красная маевка» при работе с заказчиками галев (Приложение 1).

Рациональная ориентировка проволочных галев в ремизном приборе внедрена в ткацком производстве АО «БКЛМ» (Приложение 1).

В курсе дисциплины «Методы и средства исследования технологических процессов» (МИСИ ТП) для студентов специальности «Технология текстильных изделий» поставлена лабораторная работа «Моделирование процесса взаимодействия нити с галевом» .

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и получили положительную оценку: на заседаниях кафедры ткачества КГТУ (1992;1995 г. г.) — на научном семинаре «Технология текстильных материалов» КГТУ, 2003 г.- на профессорском семинаре КГТУ, 2004,2005,2006 г. г.- на международных научно-технических конференциях «Проблемы развития текстильной и легкой промышленности в современных условиях» (1992 г.), «Современные тенденции развития технологии и техники текстильного производства» (1993 г.), «Современные наукоёмкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-99), (Прогресс-2002) в ИГТА (Иваново) — на республиканских научно-технических конференциях КГТУ (г. Кострома): «Лен-94», «Лен-2000" — на научно-практической конференции «Научно-технические достижения — льняному комплексу области», Кострома, 2000 г.- на международной научно-методической конференции «Математика в вузе — стандарты образования — базовая подготовка», С.-Петербург-Кострома, 1996 г.- на VII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Кострома-Москва, 2004 г.- на заседаниях технического совета АО «Красная маевка», Кострома, 2003, 2004, 2005 г. г.- на Совете директоров предприятий, производящих технологическую оснастку (МЭЗ № 1, «Красная Маевка») и льнокомбината «БКЛМ-Актив», 2004 г.- на объединенном заседании семинара по теории машин и механизмов (Костромской филиал семинара по ТММ РАН, секция «Текстильное машиноведение») и Общероссийского научного семинара «Технология текстильных материалов» АИН РФ им. A.M. Прохорова, 2006 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 32 публикациях. Из них одна монография, 11 статей в журнале «Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности», 1 статья в журнале «Текстильная промышленность», 7 статей в научных журналах и сборниках, 12 -тезисы докладов на научно-технических конференциях.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Анализ работ по исследованию разрушения основных нитей в процессе тканеобразования и результаты предварительного эксперимента показали, что из всего комплекса разрушающих воздействий, которым подвергаются основные нити, наиболее «опасным» является истирание. При этом наибольшие разрушающие воздействия на нити основы оказывают галева ремиз.

2. Установлено, что нитенаправляющие элементы технологической оснастки оказывают разрушающие воздействия на основные нити не только при их непосредственном фрикционном взаимодействии, но и опосредованно через свои функциональные характеристики и параметры. Поэтому для исследования процесса взаимодействия основной нити с элементами технологической оснастки был использован системный подход.

3. Разработана математическая модель, реализованная в виде программы для ЭВМ, которая имитирует процесс функционирования во времени системы, включающей элементы технологической оснастки ткацкого станка, основную нить и ткань в системе заправки.

4. Разработан интегральный показатель, принятый за критерий эффективности имитационной модели, который позволяет количественно оценивать влияние параметров и функциональных характеристик элементов системы на интенсивность разрушающих воздействий, воспринимаемых основной нитью за период образования раппорта ткани.

5. Получены функциональные зависимости абсолютных деформаций растяжения передней и задней ветвей зева от угла поворота главного вала ср, которые дают возможность рассчитывать силовые характеристики процесса в любой момент зевообразования и прибоя с учетом состояния системы на предыдущем этапе.

6. Разработан метод расчета компенсационного смещения глазка и величины пути трения нити для уточненной формы верхнего и нижнего полузева в произвольный момент зевообразования и прибоя, позволяющий уточнить величину текущего натяжения ветвей зева.

7. Получены обобщенные условия начала перемещения нити через глазок галева, позволяющие рассчитывать текущую величину переместившегося через глазок отрезка нити, по формулам, полученным на основе определения компенсационного пути трения. Вследствие выполнения этих условий, натяжения в ветвях зева при перемещении нити не выравниваются, а отличаются на величину силы трения скольжения.

8. Установлено, что при взаимодействии с основной нитью, вследствие возникающего момента вращения, галево поворачивается вокруг своей вертикальной оси, увеличивая при этом величину первоначального угла разворота глазка.

9. Разработаны методики расчета полного угла разворота глазка и допустимого диапазона изменения угла разворота глазка, которые позволяют по заданным параметрам ткани корректировать ширину отверстия ушка и величину отгиба ушка с тем, чтобы исключить возможность истирания основы о боковые кромки глазка и о края соседних галев. Определено, что ширина пластины галева в области глазка должна быть тем меньше, чем больше плотность ткани по основе.

10.Предложен автоматизированный метод расчета величины стрелы прогиба галева, позволяющий учитывать не только параметры галева (мах, размеры поперечного сечения пластины, размеры глазка и ушек), но и его конструктивные особенности. Учет конструктивных особенностей дает возможность по величине показателя интенсивности разрушающих воздействий на основную нить совершенствовать конструкцию пластинчатых галев, приближая ее к оптимальной.

11.Определено рациональное соотношение направлений разворота глазка и крутки пряжи, зависящее от ориентировки галева в ремизном приборе. Рекомендовано в технологическом процессе изготовления галев ввести дополнительный штамп — отметку верхнего ушка галева, соответствующего Zнаправлению разворота глазка.

12.В результате анализа взаимодействия нити с галевом в фазе заступа установлено, что в момент заступа происходит соударение нити с кромкой глазка. Получен метод расчета добавочных напряжений, возникающих в нити от удара и сил инерции.

13.Установлено, что сила инерции, возникающая от перемещения ремиз с ускорением и пропорциональная массе галева, уменьшает величину продольной растягивающей силы, увеличивая тем самым величину смещения глазка в сторону более натянутой части зева.

14. По результатам производственного и машинного экспериментов определены и рекомендованы рациональные варианты галев Г05 и Гог для тканей арт. 106 003 и обр. 876 соответственно, использование которых может существенно снизить обрывность основных нитей и повысить эффективность процесса тканеобразования.

15.Предложена структурная схема и приведена методика построения имитационной модели функционирования сложной системы во времени на примере процесса взаимодействия нити с элементами технологической оснастки ткацкого станка.

16. Разработанный организационно-программный комплекс позволяет, не затрачивая времени и средств на проведение натурных экспериментов, решать задачи оптимизации технологического режима тканеобразования, эффективного выбора типоразмера галев для заданного вида ткани, дает возможность получать информацию, способствующую принятию конструктивных решений по совершенствованию параметров галев.