Автоматизация методов прогнозирования эффективности процессов смешивания на смесовых и ленточных машинах

Одной из важных задач, стоящих перед текстильной промышленностью, является улучшение качества и ассортимента изделий, которое в настоящее время возможно только при использовании автоматизированных систем управления. Приготовительно-прядильное и прядильное производства — технологический фундамент при выработке тканей, трикотажных полотен и нетканых материалов. Они в большой степени определяют потребительские свойства получаемой готовой продукции.

Технологические процессы прядения и формирования полуфабрикатов в прядильном производстве характеризуются непрерывностью, большим числом параметров, недостаточной изученностью связей между входными и выходными величинами. Вероятностная природа большинства свойств обрабатываемых волокнистых материалов оказывает не только возмущающее воздействие на технологические процессы, но и играет принципиальную роль в ходе этих процессов.

Уменьшение неровноты продуктов прядения имеет большое значение для улучшения качества выпускаемой пряжи. Одним из наиболее распространенных и действенных способов снижения неровноты и повышения эксплуатационных и эстетических свойств текстильных материалов является производство их из волокнистых смесей. Поэтому смешивание компонентов на смесовых машинах в процессе подготовки волокнистого материала к чесанию оказывает огромное влияние на свойства вырабатываемой продукции.

Другой распространенный способ смешивания — лентами на ленточных и лентосоединительных машинах — позволяет одновременно с утонением и выравниванием лент осуществить и смешивание компонентов. В настоящее время, в связи с уменьшением числа машин в поточных линиях, особое внимание уделяется повышению смешивающего действия отдельных машин прядильного производства.

Смешивание волокон начинается уже на первых технологических переходах при обработке волокнистого материала на кипных питателях, рыхлителях и очистительных машинах. Затем процесс смешивания.

• продолжается на специальных смесовых машинах. Перераспределение волокон в потоке волокнистого материала также происходит и на других переходах параллельно с другими технологическими процессами, например, на этапах сложения и вытягивания лент.

Несмотря на важность процессов смешивания и большое число исследований в этой области, эти процессы до сих пор недостаточно изучены. Одна из причин такого положения заключается в том, что оценка качества смешивания при натурных испытаниях оборудования дорогостояща и трудоемка. Это связано с большими объемами перерабатываемого материала.

Ф Поэтому перспективным является исследование процессов смешивания с использованием методов компьютерного моделирования, которое уже показало свою эффективность как при исследовании других технологических процессов прядильного производства, так и при исследовании процессов смешивания на некоторых видах смесового оборудования.

Практически не изученными до сих пор остаются процессы внутрикомпонентного перемешивания, происходящие на смесовых машинах, в отличие от межкомпонентного смешивания, изучавшегося рядом отечественных и зарубежных исследователей. Отсутствуют эффективные методы исследования межкомпонентного смешивания лентами, как в поперечном, так и в продольном направлении. Решение этих задач требует разработки специальных алгоритмов, позволяющих моделировать эти процессы с учетом особенностей их протекания и случайных факторов, оказывающих существенное воздействие на ход этих процессов. Требуется также разработать методологию оценивания информации, получаемой по результатам работы моделей, построенных на базе этих алгоритмов, и выбрать наиболее наглядные показатели для анализа моделируемых процессов.

Разработка автоматизированного комплекса, основанного на компьютерных моделях процессов смешивания, может быть полезна не только в научных исследования и при проектировании новых поточных линий, но и при прогнозировании результатов смешивания в производственных условиях.

Целью данной диссертационной работы является решение важной.

• научно-технической задачи исследования возможностей автоматизации методов прогнозирования эффективности процессов смешивания для последующего управления процессами смешивания. Процесс решения этой задачи включает в себя следующие этапы:

— исследование существующих методов прогнозирования эффективности процессов смешивания;

— разработка математических моделей потока волокнистого материала, описываемого линейной плотностью и дополнительными характеристиками потока: длиной, тониной волокон, влажностью, содержанием сорных примесей.

• и т. п.;

— разработка компьютерной модели для имитации потока волокнистого материала;

— разработка компьютерных моделей для имитации смешивания потока волокнистого материала на смесовых машинах различного принципа действия и ленточных машинах;

— проведение компьютерных экспериментов для исследования влияния неровноты по линейной плотности потока и параметров смесовых и ленточных машин на эффективность смешивания;

• - разработка структуры автоматизированного комплекса для прогнозирования эффективности процессов смешивания.

Предмет исследования. Объектом исследования являются методы прогнозирования эффективности смешивания ВМ на смесовых и ленточных машинах и их автоматизация.

Методы исследования. В работе использованы методы математического и имитационного компьютерного моделирования, спектрального анализа, методы теории вероятностей, математической статистики и теории вероятностных процессов, современные методы компьютерной обработки информации, методы разработки автоматизированных комплексов.

Научная новизна работы. В результате выполнения диссертационной.

• работы построены математические и компьютерные модели для прогнозирования эффективности внутрикомпонентного и межкомпонентного смешивания на смесовых и ленточных машинах. В работе впервые:

— разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования потока волокнистого материала, описываемого линейной плотностью и средней длиной волокон (тониной, влажностью, засоренностью и т. п.);

— разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования процесса внутрикомпонентного смешивания, протекающего на смесовых машинах;

— разработаны математические модели межкомпонентного смешивания в сечениях складываемых и вытягиваемых на ленточных машинах лент;

— разработаны алгоритмы для компьютерного моделирования процессов межкомпонентного смешивания на ленточных машинах в поперечных сечениях и вдоль продуктаисследованы процессы внутрикомпонентного смешивания с использованием основных схем смешивания на смесовых машинах и межкомпонентного смешивания лентами на ленточных машинах;

— разработана структура автоматизированного моделирующего комплекса для оценки эффективности смешивания на смесовых и ленточных машинах.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Решение Щ поставленной задачи с применением методов математического и компьютерного моделирования процессов смешивания волокнистого материала на смесовых и ленточных машинах позволило построить компьютерные модели на базе разработанных алгоритмов и выполнить эксперименты по исследованию процессов смешивания. В результате проведенных исследований получены новые результаты, описывающие влияние характеристик исходного потока волокнистого материала (корреляционных свойств, периодической неровноты) и параметров смесовых и ленточных машин (числа сложений, объема машины, объемов тазов) на характеристики смешанного потока волокнистого материала. Эти результаты позволяют выбирать и оптимизировать процессы смешивания на смесовых машинах различного типа и выбирать оптимальный состав ленточного оборудования. На основе разработанных алгоритмов и компьютерных моделей построена структура автоматизированного комплекса, позволяющего прогнозировать эффективность процессов смешивания.

Разработки, выполненные в диссертации, были использованы при решении задач смешивания и проектирования смесового оборудования для центрального научно-исследовательского института хлопчатобумажной промышленности (ЦНИХБИ) в рамках выполненной хоздоговорной работы, и в учебном процессе МГТУ имени АН. Косыгина при изучении курсов «Моделирование систем», «Математические методы обработки данных», «Математическое моделирование технологических процессов», при выполнении курсового и дипломного проектирования.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности (Поиск 2002)» (г. Иваново, ИГТА, 2002) — на всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль — 2002) «(г. Москва, МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2002) — на международной научно-технической конференции «Компьютерное моделирование 2003» (г. Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2003) — на всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль — 2003) «(г. Москва, МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003) — на всероссийской научной конференции «Информационные технологии в образовательной, научной и управленческой деятельности (Инфотекстиль — 2004) «(г. Москва, МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 71 наименования и 5 приложений. Основное содержание диссертации изложено на 162 страницах, содержит 111 рисунков и 4 таблицы.

Общие выводы к работе.

1. В результате выполненных научных исследований решена важная научно-техническая задача разработки алгоритмических основ и методологии моделирования процессов внутрикомпонентного смешивания волокнистого материала на смесовых машинах и межкомпонентного на ленточных машинах. На базе построенных алгоритмов разработана структура автоматизированного моделирующего комплекса, позволяющего прогнозировать эффективность смешивания на смесовых и ленточных машинах.

2. Разработаны алгоритмы имитации потока волокнистого материала, поступающего на вход смесовой машины. На базе разработанных алгоритмов построены компьютерные имитационно-статистические модели потоков волокнистого материала, позволяющие моделировать потоки с заданной линейной плотностью и длиной волокон. При моделировании для обеих характеристик задаются средние значения, коэффициенты вариации, интервалы корреляции, периоды и амплитуды гармонических колебаний.

3. Разработаны и программно реализованы алгоритмы имитации процессов внутрикомпонентного смешивания на смесовых машинах, моделирующие три схемы смешивания: а) смешивание слоямиб) смешивание за счет сдвига потоков волокнистого материалав) смешивание за счет разности длин путей потоков волокнистого материала.

4. Предложены, обоснованы и использованы для комплексной оценки эффективности смешивания и выравнивания по линейной плотности и другим показателям потока числовые и функциональные статистические характеристики: интервал корреляции, период колебаний линейной плотности, степень выравнивания, временные диаграммы, оценки распределений, автокорреляционной функции, спектральной плотности дисперсии.

5. Проведены однои двухфакторные эксперименты с моделями смесовых машин, в которых изучалось влияние на эффективность смешивания следующих основных факторов процесса: числа слоев Н при смешивании слоями, числа секций NB при смешивании на многосекционной машине, числа шахт NH при смешивании за счет разности длин путей (уровни варьирования 4, 6, 8, 10) — наличия корреляции GIK и периодических колебаний G T по линейной плотности во входном волокнистом потоке. GIK и GT варьировались на 9 уровнях от 10 до 500.

6. Результаты экспериментов позволили установить: а) с увеличением числа сложений ns коэффициент вариации линейной плотности и средней длины волокон в выходном потоке волокнистого материала уменьшается в ~Jns раз независимо от выбора смесовой машины, что согласуется с результатами натурных экспериментов и теоретического анализа, выполненных ранее другими исследователямиб) интервалы корреляции линейной плотности G IK и средней длины волокон L IK в выходном потоке увеличивается пропорционально числу слоев Нв) периодические колебания неровноты линейной плотности потока на выходе имеют тот же период G T, что и колебания на входе, если G T кратен линейному размеру в камеры смесовой машины.

7. На основе выполненных исследований предложено при проектировании смесовых машин предусматривать камеры с непараллельными стенками и специальные раскладчик с неравномерной раскладкой по слоям, что позволит гасить периодические колебания неровноты в потоке волокнистого материала.

8. Построена вероятностная модель смешивания лентами, основанная на соотношении площадей поперечных сечений смешиваемых лент. Модель учитывает влияние площадей сечений складываемых лент на результаты смешивания лент.

9. Впервые разработана математическая модель взаимного проникновения волокон компонентов друг в друга в поперечном сечении ленты при смешивании лент на ленточных и лентосоединительных машинах. Модель учитывает эффект поперечного сжатия лент, миграцию волокон в поперечном направлении и утонение лент при вытягивании. Разработан рекурсивный алгоритм, позволяющий моделировать поперечные сечения смешанных лент, получаемые при многократном сложении. Результаты работы алгоритма визуализированы и позволяют наглядно отобразить процесс смешивания.

10. Разработан алгоритм, позволяющий моделировать процесс смешивания волокнистого материала на ленточных машинах с учетом разделения исходной ленты на порции, помещаемые в тазы, смены направления ленты при укладке ленты в тазы, соединения лент из произвольно выбранных тазов.

11. С построенной имитационной моделью смешивания лент были проведены компьютерные эксперименты, в которых варьировались число сложений NS от 2 до 6 с шагом 2, число переходов NP от 1 до 3 с шагом 1. Установлено, что с увеличением NS и NP степени выравнивания по линейной плотности потока волокнистого материала и доле первого компонента увеличиваются пропорционально увеличению числа сложений и переходов.

12. Исследовано изменение периодической неровноты после прохождения через ленточные машины. В эксперименте варьировались NS от 2 до 6 с шагом 2 и период колебаний неровноты линейной плотности GT 1 первого компонента на 6 уровнях от 7 до 111. Установлено, что изменение GT 1 не оказывает существенного влияния на степени выравнивания по линейной плотности ленты и доле первого компонента, но при увеличении NS степени выравнивания увеличиваются.

13. Разработана структура автоматизированного моделирующего комплекса для прогнозирования эффективности смешивания процессов прядильного производства, включающая структуру и схему базы данных для хранения информации по результатам экспериментов, интерфейс программного комплекса в виде набора экранных форм. Основные элементы программного комплекса реализованы в виде программных модулей и использованы в исследованиях, описанных в данной работе.

14. Разработанный на базе предложенной структуры программный комплекс может быть использован в практике научных исследований процессов смешивания потоков ВМ и при проектировании новых технологических систем по показателям эффективности смешивания.