Развитие теории формирования трикотажа и методов прогнозирования технологических параметров процесса вязания на плоско-и кругловязальных машинах

Актуальность темы

.

Эффективность трикотажного производства и конкурентоспособность его продукции зависят от качества системы подготовки вязального производства (СПВП). Эта система включает следующие элементы: сырьё, оборудование, методы проектирования структуры трикотажа и управления вязанием, технологический процесс, вырабатываемую продукцию. В последнее время появилось достаточно много автоматизированных систем подготовки производства, как правило, иностранных фирм. Однако, они дорогостоящи, специализированы под конкретное оборудование с электронным управлением вязанием и не совместимы между собой. Основным недостатком таких систем является то, что технологический процесс рассматривается как физическая модель, то есть, необходима экспериментальная наработка образцов трикотажа для уточнения параметров проектируемых переплетений. Кроме того, основной парк оборудования для выпуска поперечно-вязаного трикотажа на Российских предприятиях составляют машины разных фирм, зачастую с механическим управлением, которые не имеют автоматизированных систем подготовки производства.

Такое положение связано с тем, что:

— отсутствует комплексный подход к вопросу прогнозирования расхода сырья;

— методики описания структуры трикотажа и расчета расхода сырья не связаны с технологическим процессом его получения;

— аппарат прогнозирования параметров самого технологического процесса отсутствует.

Очевидно, что система подготовки производства, используемая в настоящее время в трикотажной промышленности, нуждается в существенных сырьевых, трудовых и временных затратах, а существующие методы прогнозирования структуры трикотажа и расхода сырья требуют совершенствования.

Работа выполнялась в рамках тематического плана г/б НИР Министерства образования и науки РФ «Создание теории формирования текстильных продуктов из натуральных волокон» (гос. per. № 1 200 608 258).

Цель и задачи исследования

.

Целью работы являлось повышение эффективности производства поперечно-вязаного трикотажа на основе совершенствования теории процесса вязания.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие основные задачи: усовершенствован метод оценки деформационных и фрикционных свойств нитей при изгиберазработаны методики определения деформации изгиба нити и ее составляющих и деформации растяжения нити, получаемой в процессе вязания, и при ее восстановлении в процессе отлежкиустановлены закономерности: взаимосвязи параметров заправки вязальных машин с натяжением нити в процессе вязания и структурой трикотажаизменения параметров структуры трикотажа в процессе отлежкивлияния физико-механических характеристик нити на конфигурацию петельной структурывведен новый показатель напряженности процесса вязания и создан метод его оценкиразработана модель геометрического подобия петельной структуры трикотажа с учетом параметров, определяющих конфигурацию петлипредложена обобщенная модель процесса вязанияпроведен анализ исходных данных для проектирования трикотажа и уточнены методы расчета некоторых параметров заправки и настройки вязальных машинсформирована обобщенная схема линии заправки нитей на плоскои кругловязальных машинах и разработан метод расчета параметров, определяющих положение нити на направляющих устройствахразработана модель создания натяжения нити по зонам заправки на плоскои кругловязальных машинахразработана модель взаимодействия нити с петлеобразующими органами вязальных машин с учетом ее кулирования и оттяжкиразработан метод прогнозирования величины деформации растяжения нити в процессе вязания и расчета расхода сырьяразработана структурная схема проектирования трикотажных переплетений.

Методы исследования.

Работа содержит теоретические и экспериментальные исследования.

В теоретических исследованиях использованы методы линейной алгебры, аналитической геометрии, математической статистики, численного анализа, спектрального анализа, механики нити, теории вязания, текстильного материаловедения, имитационно-статистического моделирования. Анализ и исследование моделей технологических систем выполнен численными методами с использованием компьютерных технологий.

Экспериментальные исследования проводились с применением физического моделирования. При этом использовались: для измерений характеристик — электрические, оптические и аналого-цифровые преобразователидля управления экспериментом и регистрации результатов — разработанное программное обеспечение.

Научная новизна.

В диссертационной работе впервые: предложен экспериментально-аналитический метод определения параметров трения и жесткости нити при изгибе, позволяющий получить характеристики нити для широкого диапазона усилий и деформаций, имеющих место при формировании трикотажаразработана методика исследования релаксационных процессов, протекающих в пряже после вязания, и определены составляющие деформации растяжения нити, получаемой в процессе вязанияразработана методика оценки упругопластических свойств нити при статическом нагружении, позволяющая определить долю необратимой составляющей деформации изгибаустановлен характер изменения параметров строения трикотажа в процессе отлежки, показывающий кинетику формирования элементов петельной структурыопределена доля влияния физико-механических характеристик пряжи на параметры петельной структуры трикотажа, позволяющая качественно оценивать изменение ее конфигурацииразработана общая имитационно-статистическая модель создания натяжения нити на плоскои кругловязальных машинах, содержащая аналитические зависимости натяжения по зонам его формирования, учитывающая параметры настройки оборудования, изменение скорости движения нити в цикле вязания, физико-механические характеристики нитей, случайные факторы и позволяющая получить расчетную тензограмму нити за цикл вязанияна основе качественного анализа характеристик спектральной плотности тензограмм нити предложен комплексный показатель напряженности процесса вязания, характеризующий приведенную скорость изменения натяжения нити, и разработан метод его оценки на базе анализа экспериментальных и расчетных тензограмм нитипредложена модель системы проектирования трикотажных переплетений, в которой по сравнению с существующими:

— расширен список используемых исходных данных за счет их введения в уравнения взаимосвязи параметров технологического процесса;

— добавлен этап редактирования системы заправки нити на вязальных машинах, необходимый для проектирования новых заправочных линий, корректировки существующих и анализа параметров, влияющих на создание натяжения нити по зонам заправки машины;

— добавлен этап моделирования процесса вязания, позволяющий исключить наработку образцов трикотажа для уточнения параметров проектируемых переплетений. предложен комплексный подход к моделированию процесса вязания, включающий:

— уточнение заправочных параметров (расчет углов охвата нитью направляющих устройств на линии ее заправкиопределение числа игл, участвующих в кулировании, и глубины кулированиярасчет скорости движения нити при формировании различных элементов петельной структуры);

— расчет натяжения нити по зонам заправки вязальной машины (при сматывании и огибании направляющих устройств, при взаимодействии с натяжным устройством и компенсатором, при прокладывании нити на петлеобразующие органы);

— расчет натяжения нити при формировании трикотажа на петлеобра-зующих органах;

— расчет деформации нити, возникающей в процессе вязания;

— расчет длины нити, потребляемой на формирование заданных элементов структуры трикотажа, и расхода сырья.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

В работе предложен аппарат, позволяющий прогнозировать параметры технологического процесса вязания и расход сырья без наработки экспериментальных образцов и уточнения параметров строения трикотажа, что позволяет в полной мере автоматизировать систему подготовки вязального производства.

Разработанный метод оценки жесткости нити при изгибе с учетом параметров трения дает возможность использовать характеристики нити, полученные в одном эксперименте, для широкого диапазона ее нагружений при вязании трикотажа.

Предложенный на основе спектрального анализа расчетных и фактических тензограмм нити комплексный показатель напряженности вязания позволяет сравнивать разные технологические режимы выработки трикотажа и осуществлять выбор рациональной заправки.

Способ определения фрикционных и деформационных характеристик пряжи принят к использованию в НИИТТ (г. Ярославль). Методика оценки комплексного показателя напряженности вязания апробирована в ООО «Костромское СКБТМ». Методика прогнозирования расхода сырья внедрена на трикотажной фабрике ЗАО «Трикотаж» (г. Ярославль) и в трикотажном ателье «Модница» (г. Кострома).

Основные положения разработанной автором теории и программно-измерительные комплексы используются в учебном процессе для дисциплин «Механика текстильных материалов», «Моделирование и оптимизация технологических процессов вязания», а также при подготовке аспирантов.

Формирование структуры трикотажа протекает в сложных условиях нагружения и деформирования нити, что практически не отражается в стандартных методиках расчета его параметров. Исключение составляют отдельные попытки прогнозирования длины нити в петле, петельного шага и высоты петельного ряда с учетом свойств нити или параметров заправки вязальной машины. Однако все существующие модели строения трикотажа основываются лишь на отдельных группах свойств либо самого трикотажа, либо сырья. Причем описание параметров строения трикотажа ведется отдельно для случаев равновесного состояния, напряженно-фиксированного после отделки полотна, взаимодействия с петлеобразующими органами машины (чаще всего — это модели натяжения нити в процессе формирования петли). Однако для получения наиболее точной количественной оценки, характеризующей качество вырабатываемого трикотажа, необходима обобщенная методика расчета параметров его строения на основе всего комплекса свойств нити и трикотажа и параметров их нагружения и деформирования в процессе переработки.

Анализируя существующие научные исследования в области технологии трикотажа, В. А. Зиновьева предложила систематизировать их по принципу [38]: предмет (нить) -" процесс (петлеобразование) -" продукт (трикотаж). Следует уточнить, что петлеобразование (этап 2) является составной частью процесса вязания, включающего еще и транспортирование нити (этап 1) в зону петлеобразования и отвод наработанного продукта (этап 3) из этой зоны. Все три этапа полностью определяются характеристиками вязального оборудования, поэтому предложенная логическая цепочка представляется как сырье -" технологическое оборудование -" продукт. В данную схему (рис.1) хорошо укладываются основные этапы моделирования процесса формирования трикотажа.

Рис. 1.Функциональная схема процесса вязания.

Каждый этап вязального производства имеет неотъемлемые характеристики, позволяющие однозначно его идентифицировать, а также способы оценки и критерии для определения качества продукта и эффективности этапа. Эти этапы имеют определенные наработки, отражающие разносторонние подходы к описываемым процессам и явлениям, а также задачи для предстоящих исследований.

Для описания состояния и механических свойств нити существует достаточно большое количество моделей, отражающих ее упругое и вязкоупругое поведение, например: деформационных [32, 45, 50, 51, 74, 80, 84, 100, 123, 152, 167−169]- прочностных [110, 116, 119, 153, 162,163]- жесткости на изгиб [42−44, 75, 85, 113, 126, 154, 160, 164]- повреждаемости [155, 156] и др. Перечисленные модели достаточно качественно и с хорошим совпадением с экспериментальными данными прогнозируют отдельные свойства нити, что часто связано со специфичностью назначения модели, описывающей поведение нити при протекании отдельного конкретного процесса. Это не позволяет сделать общую оценку способности нити к переработке на вязальном оборудовании, учет же всех свойств нити необходим, поскольку в той или иной степени эти свойства проявляют себя в разные моменты процесса формирования структуры трикотажа. Модель вязальной способности нити [38] (или критерий такой оценки) должна, в идеальном случае, включать (или оценивать) особенности структуры нити, зависящие от способа ее выработки, волокнистый состав, процентное соотношение компонентов, крутку, обработку и т. п. параметры.

Существующие модели процесса петлеобразования [11, 22, 53, 65, 69, 73, 92, 144] основываются на расчетах натяжения нити, поступающей в зону вязания или изгибающейся во время формирования петли. При этом в отдельных моделях и в разных сочетаниях учитываются следующие характеристики: изгибная жесткость нити, скорость ее потребления, влияние усилия оттяжки уже сформированной петли, соотношение размеров нити и рабочих органов (практически во всех работах), трение как зависимый параметр и др. Практически ни одна модель взаимодействия нити с петлеобразующими органами вязальной машины не учитывает ее вязкоупругие свойства, поскольку такая задача чрезвычайно сложна с точки зрения математического описания. Приведенное в работах аналитическое описание только процесса кулирова-ния нити, одновременно с которым идет и формирование петли, не отражает динамики ее переработки и не затрагивает многократных нагружений различного характера (растяжения, изгиба, смятия), а вследствие этого, многократных перетяжек как новой нити, так и нити в петлях. Несмотря на большое многообразие методов определения фрикционных и деформационных характеристик нити, отсутствует общий подход к описанию поведения нити в процессе петлеобразования. Поэтому необходимы модели параметров и явлений, их определяющих и имеющих место при петлеобразовании, а также модели создания натяжения нити и усилия оттяжки полотна.

Модели петельной структуры [147] готового или сурового трикотажа, используемые в стандартных расчетах, характеризуют геометрию его элементов, причем в некоторых случаях весьма приближенно. Отсутствуют стандартные методики, в которых модели расчета длины отдельных участков изогнутой нити отражали бы особенности структуры трикотажа различных переплетений, его свойств и свойств нити. Взаимосвязь параметров строения сурового и готового трикотажа определяют только через коэффициент усадки. Остался за рамками интересов исследователей механизм перераспределения элементов структуры трикотажа в процессе отлежки после снятия с машины. В то же время, с развитием цифровой техники все большее внимание уделяется визуальному анализу структуры трикотажа [122, 148], необходимому не только для оценки качества, но и для выяснения структурных взаимосвязей, которые можно использовать при прогнозировании параметров. Существует достаточное количество моделей [99, 106, 128, 129, 141, 150, 157−159, 161], определяющих структуру трикотажа (в основном, это модели длины нити в петле) по отношению к различным характеристикам, например: самой нити, положения нити в пространстве, трикотажа, процесса петлеобразования. К сожалению, не все модели можно использовать для любых типов переплетений, а также не все параметры некоторых моделей можно определить на практике с достаточной степенью точности.

Следует обратить внимание на большой объем работ по проектированию рисунчатого трикотажа [18, 31, 47, 48, 83, 107, 108, 112, 128, 129, 150, 165], для прогнозирования параметров строения которого используются достаточно трудоемкие методы разложения структуры на отдельные элементы. Для облегчения решения данной задачи широко применяют средства САПР.

2, 3, 15, 48, 54, 55, 58, 59, 61, 105, 121, 150,151]. Хорошие результаты проектирования получают при формировании программы управления вязанием, однако для количественной оценки параметров строения рисунчатого трикотажа требуется их корректировка по специально нарабатываемым образцам, что снижает эффективность использования таких программ.

Таким образом, для прогнозирования структуры трикотажа и управления технологическим процессом вязания необходима обобщенная модель, учитывающая свойства сырья и трикотажа, вид переплетения, параметры заправки машины и процесса вязания, назначение и качество формируемого изделия, позволяющая оптимизировать параметры выработки и прогнозировать качественную структуру трикотажного полотна.

1. Разработана и реализована в виде имитационно-статистической модели общая.

схема нроцесса вязания, включающая расчеты: тензограммы нити в любой зоне.

занравки вязальной мащиныноказателя напряженности процесса вязаниярасхо да сырья. Результаты моделирования позволяют прогнозировать процесс вязания.

по заданным критериям. 2. Разработанный экспериментально-аналитический метод определения параметров.

трения и жесткости нити при изгибе позволил получить новые характеристики ни ти для широкого диапазона усилий и деформаций, имеющих место при формиро вании трикотажа. Совокупность полученных физико-механических характеристик.

нити расщиряет базу данных по сырью. 3. Определена взаимосвязь физико-механических характеристик нитей и параметров.

петельной структуры трикотажа, вырабатываемого на вязальной мащине с разной.

глубиной кулирования. Установлено, что линейная плотность нити, жесткости ни ти при изгибе и растяжении, номинальный коэффициент трения и доля пластиче ской составляющей деформации нити при изгибе в меньщей степени влияют на.

длину нити в петле и петельный щаг, чем на высоту петельного ряда, телескопиче ский заход и щирину петли. 4. Предложено аналитическое определение глубины кулирования, исходя из распо ложения органов петлеобразования при определенном положении прокладывае мой нити относительно отбойной плоскости, что позволяет автоматизировать рас чет параметров процесса вязания. Предложены эмпирические зависимости или.

номограммы, однозначно определяемые для каждой вязальной мащины по взаим ному расположепию рабочих органов и замков вязальной системы, по которым.

можно для выбранной плотности вязания определить фактическую глубину кули рования или по заданной глубине кулирования установить необходимую плот ность вязания. 5. Разработана модель системы проектирования трикотажных переплетений, в кото рой уточнены уравнения взаимосвязи параметров тех1юлогического процесса, вве дено редактирование системы занравки нити на вязальных машинах, добавлен.

этап моделирования процесса вязания. Комплекс вновь введенных перечисленных.

составляющих модели нозволил исключить наработку образцов трикотажа для.

уточнения параметров проектируемых переплетений. 6. Предложен комплексный показатель напряженпости процесса вязания, характери зующий приведенную скорость изменения натяжения нити, и разработан метод.

его оценки, позволяющий сравнивать экспериментальные и расчетные тензограм мы нити при разных условиях заправки вязальных машин.7. Разработана методика исследования релаксационных процессов, протекающих в.

пряже после вязания, и определены составляющие деформации растяжения нити,.

получаемой в процессе вязания. Установлено наличие остаточной деформации ни ти на момент снятия трикотажа с машины, которая полностью исчезает в течение.

отлежки. Получены результаты сравнительного анализа времени и скорости вос становления первоначальной длины нитями различного волокнистого состава и.

линейной плотности. 8. На основе разработанной методики оценки упругонластических свойств нити нри.

статическом нагружении определены доли составляющих деформации изгиба ни ти. Установлено наличие нластической составляющей деформации изгиба в широ ком диапазоне изменения условий нагружения нитей. Выявлено изменение харак тера соотношений упругой и пластической составляющих деформации изгиба у.

нитей из натуральных волокон при увеличении нагрузки на ветви нити. 9. Установлено, что процесс формирования трикотан<�а не заканчивается на вязальной.

машине и после съема полотна с игл происходит изменение линейных размеров.

трикотажа и конфигурации петли за счет восстановления (исчезновения) упругих.

и эластических составляющих деформации нити от изгиба и растяжения. Наиболее.

стабильными параметрами структуры трикотажа являются петельный шаг, высота.

петельного ряда и ширина петли. Больший разброс значений имеют телескопиче ский заход петли, угол трения и угол наклона петельных палочек. 10. Полученные экспериментальные тензограммы нити показали наличие периодич ности процесса, как на плоских, так и на круглых машинах. На плосковязальных.

машинах используется двухстороннее движение замочных систем, поэтому основ ной период изменения натяжения нити связан с частотой ходов каретки или шири ной вязания. На кругловязальных машинах чаще используется одностороннее.

движение игольного цилиндра, в этом случае, основной период связан с длиной.

витка нити на входной паковке. Это необходимо учитывать при моделировании.

процесса вязания на конкретной машине. И. Адекватность разработанных моделей нодтверждена сравнительным анализом.

расчетных и фактических значений расхода сырья. Отклонение спрогнозирован ных величин поверхностной плотности трикотажа из нитей различного волокни стого состава и линейной нлотности при разных условиях вязания составляет 1;

12. Элементы структурной схемы проектирования трикотажных переплетений реали зованы в виде пакета программ, использование которого существенно новыщает.

эффективность производства трикотажных изделий за счет сокращения времени,.

сырья и трудовых затрат на его подготовку.