Исследование меланжевых смесей и пряжи методами компьютерного моделирования

Меланжевое производство [ 11, 20, 33 ]представляет собой совокупность технологических процессов изготовления текстильных полотен (ткани, трикотажа и др.) из пряжи, вырабатываемой из смеси разнородных и разноцветных волокон. Меланж — это смесь, меланжирование — смешивание сурового хлопкового волокна с окрашенным в различные цвета, сурового или окрашенного химического волокна с хлопковым. Различное процентное содержание сурового и окрашенного волокна в смеси дает широкую гамму цветов, которую нельзя получить при крашении.

Сущность процесса меланжирования заключается в перемешивании каждого компонента смеси для ликвидации неоднородности свойств в исходном сырье и в равномерном распределении волокон каждого компонента на всей длине вырабатываемой партии пряжи.

Повышенная ровнота пряжи по линейной плотности и крутке необходима, так как это один из факторов, способствующих ровноте оттенков в ткани [ 32, 38, 39 ]. При использовании пряжи одинакового цвета, но различной линейной плотности или крутки на ткани могут образовываться полосы [ 31 ].

Для получения хорошего колористического оформления ткани важно выбрать цвет пряжи, пользуясь смешиванием волокон в процессе прядения или скручиванием нитей. Ровнота цвета и оттенков пряжи важна для получения ровной окраски ткани, без полос по основе и утку. Прочность окраски пряжи обеспечивается выбором красителей.

Для меланжевого производства целесообразно использовать красители прочного крашения хлопкового волокна (сернистые) или особо прочного крашения (кубовые), окраски которых мало изменяются на волокне под действием внешней среды [ 9 ].

На меланжевых комбинатах вырабатываются меланжевые ткани гражданского ассортимента (трико, костюмные, сукно) и целевого назначения (по военным заказам). Ткани, вырабатываемые из меланжевой пряжи различной плотности, по назначению разделяют на костюмно-платьевые и технические. Из пряжи большой линейной плотности вырабатывают одеяла [ 32, 33 ].

По виду применяемого сырья меланжевые ткани делят на: а) хлопчатобумажные, вырабатываемые из меланжевой хлопчатобумажной пряжиб) хлопчатобумажные, вырабатываемые из меланжевой хлопчатобумажной пряжи в основе и из пряжи, полученной способом прядения из смеси окрашенного хлопкового волокна с другими волокнами, в уткев) вискозные, штапельные ткани, вырабатываемые из пряжи, полученной хлопчатобумажным способом прядения из смеси окрашенного вискозного волокна с другими химическими волокнами.

Меланжевые ткани по внешнему виду имитируют шерстяные. Их не подвергают опаливанию и отбеливанию. При изготовлении этих тканей применяют механическую обработку (стрижку, ворсование, обработку на тканеусадочных машинах), а также мерсеризацию, которая позволяет значительно улучшить внешний вид ткани.

Добавление лавсанового или нитронового штапельного волокна к хлопковому делает меланжевые ткани более устойчивыми к истиранию, светопогодным воздействиям, действию кислот, масел, жиров, менее теплопроводными, придает им несминаемость [ 16, 41 ].

К меланжевым одежным тканям предъявляют повышенные требования, так как по внешнему виду и потребительским свойствам они должны приближаться к шерстяным. Поверхность одежных тканей должна получаться чистой, окраска прочной и ровной.

Из сказанного очевидно, что проблема производства качественной меланжевой ткани может быть разделена на ряд крупных и достаточно сложных научных, технологических и производственных задач. В их числе можно выделить задачу оптимального проектирования меланжевой смеси волокон с прогнозированием получаемого внешнего вида меланжевой пряжи, выработанной из этой смеси различно окрашенных волокон.

Решение этой задачи представляет значительные трудности, так как оно связано с прогнозированием цвета получаемой смеси и проявлением разных оттенков цвета волокон в пряже. Как правило, такие задачи на комбинатах решают путем накопления в течение многих лет базы данных о выработанных артикулах пряжи и ткани, технологии их производства, применяемых красителях, вспомогательных и отделочных материалах, режимах обработки [38,39].

Такая информация, безусловно, образует ценнейший фонд знаний по меланжевой технологии, но при проектировании производства нового ассортимента она далеко не всегда оказывается достаточной.

Другой подход заключается в выпуске пробных партий и отработке на них технологии производства. Однако это достаточно трудоемкий, дорогостоящий и длительный процесс.

Обращая внимание на то, что значительная часть специфических задач производства меланжевой пряжи связана с применением волокон различной окраски, следует учесть, что в настоящее время существуют мощные компьютерные средства автоматизации решения различных задач, связанных с колористическими проблемами. Современные мощные компьютеры с большой памятью, высоким быстродействием, специальными или даже общего назначения процессорами, ориентированными на работу с графикой, цветные мониторы с высокой степенью разрешения и огромной доступной палитрой цветов (несколько миллионов оттенков), — все эти современные технические средства позволяют считать актуальной задачу создания основ автоматизированного проектирования меланжевых смесей и пряжи, вырабатываемой из меланжевых смесей.

Таким образом, целью данной работы является решение важной научно-технической задачи разработки теоретических и алгоритмических основ проектирования внешнего вида меланжевой пряжи, получаемой из смеси различно окрашенных волокон с учетом особенностей выработки и внутренней 7 структуры пряжи на основе применения методов графического компьютерного моделирования.

Решение данной задачи включает решение следующих подзадач: • а) изучение особенностей проявления цвета отдельных волокон во внешнем виде пряжиб) разработку алгоритмов моделирования расположения отдельных волокон в поперечных сечениях пряжи с учетом способа и особенностей ее получения и состава смесив) разработку алгоритмов моделирования внешнего вида меланжевой пряжи заданного цветового и смесового состава и выработанной определенным способом пряденияг) разработку объективных критериев оценки качества получаемого внешнего вида пряжи и исследование их эффективностид) разработку макета программной системы для автоматизированного проектирования меланжевой пряжи, определение ее структуры и состава.

Гпава 1. Особенности меланжевой пряжи, ее производства, методов исследования и проектирования.

Общие выводы по работе.

1. На основе анализа особенностей технологических процессов меланжевого производства, требований к сырьевому составу, методов меланжирования, роли цветоведения и способов решения колористических задач в меланжевом производстве установлено, что при производстве меланжевой пряжи важнейшую роль для обеспечения качества получаемой пряжи играют правильный подбор состава смеси, оттенков цвета смешиваемых компонентов, качество их перемешивания (по сравнению с производством суровой пряжи).

2. Доказаны перспективность применения компьютерной техники и методов компьютерного моделирования для проектирования меланжевых смесей и прогнозирования внешнего вида меланжевой пряжи и актуальность разработки автоматизированных компьютерных методов моделирования внешнего вида меланжевой пряжи.

3. Впервые решена важная научно-техническая задача разработки теоретических и алгоритмических основ проектирования внешнего вида меланжевой пряжи, получаемой из смеси различно окрашенных волокон с учетом особенностей выработки и внутренней структуры пряжи на основе применения методов графического компьютерного моделирования.

4. Определены и решены следующие задачи для прогнозирования вида проектируемой пряжи: а) изучены особенности проявления цвета отдельных волокон во внешнем виде пряжиб) разработаны алгоритмы моделирования расположения отдельных волокон в поперечных сечениях пряжи с учетом способа и особенностей ее получения и состава смесив) разработаны алгоритмы в моделирования внешнего вида меланжевой пряжи заданного цветового и смесового состава и выработанной определенным способом пряденияг) предложены объективные критерии оценки качества получаемого внешнего вида пряжи и исследование их эффективностид) разработан макет программной системы для автоматизированного проектирования меланжевой пряжи, определение ее структуры и состава.

5. Разработана математическая модель смеси с учетом различий в цвете компонентов, позволяющая прогнозировать цвет проектируемой смеси и учитывать как средние значения и дисперсии длины и тонины волокон компонентов, так и законы распределения волокон по длине и тонине.

6. Приведены примеры использования построенных моделей смесей для расчета долей компонентов для заданного цветового состава смеси.

7. Решена задача точечного и интервального прогнозирования доли компонента в смеси по результатам выборочного обследования, позволяющая установить статистическую однородность или неоднородность смеси.

В. Построена вероятностная модель распределения сечений волокон компонентов в поперечном волокнистого продукта, которая позволила оценить степень неравномерности этого распределения, вызванную вероятностной природой расположения волокон в сечении.

9. Построена компьютерная статистическая модель распределения сечении волокон компонентов в поперечном сечении продукта (ровницы, пряжи) на базе применения методов Монте-Карло.

10. Разработаны алгоритмы имитации расположения волокон в поперечном сечении и видимом изображении данного сечения на проекции продольного изображения пряжи и алгоритмы моделирования внешнего вида меланжевого волокнистого продукта для случайной структуры при равномерном перемешивании компонентов, для ручьистой структуры, для композитной структуры и для продукта, скрученного из двух стренг. Предложены также алгоритмы моделирования полотен из меланжевой пряжи. Алгоритмы реализованы в виде программ для ЭВМ.

11. Предложены объективные статистические критерии равномерности распределения компонентов разного цвета на изображении отрезка меланжевой пряжи: статистики хи-квадрат, статистики «ближайшего соседа» , — и алгоритмы их оценки, а также известные частотные критерии и характеристики корреляционные функции и спектральные плотности дисперсии, ранговые критерии чередования серий.

12. Впервые смоделирован на компьютере внешний вид отрезков меланжевой пряжи для различных условий ее формирования и состава и разработана методика анализа моделируемых изображений меланжевой пряжи с использованием продольных и поперечных сечений изображения пряжи.

13. Впервые выполнено моделирование меланжевой пряжи с регулярным расположением компонентов и со случайным расположением.

14. Четко видимая периодичность корреляционных функций с периодом крутки пряжи свидетельствует, что наличие крутки приводит к тому, что периодичность чередования цвета наблюдается в обоих вариантах пряжи, несмотря на разный характер их формирования. Отмеченная периодичность проявляется вдоль всех продольных сечений пряжи независимо от того, расположены они на периферии тела пряжи или ближе к оси.

15. Установлено, что у обоих видов моделируемой меланжевой пряжи дисперсия цвета в поперечном направлении отрезка пряжи возрастает к краям в среднем на 5% - 10%. Между цветами в образце пряжи при соблюдении компонентного состава не наблюдается высокой корреляции (не выше 0.55). Это свидетельствует о значительном перемешивании цветов и независимом расположении компонентов в теле пряжи.

16. Разработана и предложена к использованию методика проектирования внешнего вида меланжевой пряжи с использованием алгоритмов компьютерного моделирования и автоматизации процесса проектирования и приведены примеры спроектированного внешнего вида пряж кольцевого, пневмомеханического способов прядения, армированной пряжи, двухстренговой пряжи, что говорит о широком диапазоне возможного использования разработанных алгоритмов и моделей.

17. Разработанные алгоритмы и средства моделирования позволяют имитировать намотку пряжи на черную доску, что расширяет возможности выбора и оценки для технолога-проектировщика.