Актуальность проблемы. Пневмопрядение в текстильной промышленности России занимает ведущее место. Более половины пряжи в отечественной текстильной промышленности вырабатывается пневмомеханическим способом.
Несмотря на значительные преимущества по сравнению с кольцевым прядением пневмомеханическое прядение имеет ряд недостатков и большие перспективы для совершенствования. Необходима модернизация процессов пневмопрядения, автоматизация отдельных технологических операций, улучшение показателей качества пряжи, снижение уровня обрывности.
Полное или частичное решение этих задач приведет к увеличению производительности пневмомеханических машин, снижению себестоимости пряжи и к экономическому росту в текстильной промышленности в целом.
Цели и задачи исследования. Целью работы является создание новых методов проектирования и совершенствования пневмомеханической прядильной машины (ППМ), улучшение показателей качества пряжи, повышение производительности пневмопрядильных машин, снижение уровня обрывности, снижение себестоимости получаемой пряжи за счет частичной автоматизации процесса пневмопрядения. Для этого необходимо решить следующие задачи:
1. Методами математической статистики провести анализ экспериментальных данных по обрывности пряжи на производстве и установить основные причины, приводящие к обрыву нити.
2. Разработать стохастическую математическую модель формирования пряжи пневмомеханического способа в переходных и установившихся режимах прядения.
3. На основе полученной математической модели создать единое математическое описание, имитирующее работу всей прядильной машины в целом.
4. На основе имитационной модели усовершенствовать конструкцию ППМ, разработать наиболее оптимальные алгоритмы управления прядильной машины и довести их до конструктивного исполнения.
5. Разработать стенд управления пневмопрядильной камерой, на базе которого провести испытания и подтвердить основные теоретические выводы экспериментальными данными.
Основные методы исследований. Методической и теоретической основой диссертации явились научные труды по технике и технологии пневмомеханического прядения, по теории механизмов и машин, по математической статистике, комбинаторике и теории вероятностей, по теории математического и компьютерного моделирования, численным методам и теории автоматического управления.
Обработка результатов экспериментальных данных проводилась методами статистического анализа.
Разработка стохастической модели работы пневмопрядильной камеры и процесса формирования пряжи осуществлялась методами теории вероятностей и методами имитационного моделирования.
Разработка и исследование новых алгоритмов управления пневмомеханической прядильной машины осуществлялись на основе операционного исчисления, при этом использовались методы аналитического и численного решений линейных и нелинейных систем дифференциальных уравнений.
Работа выполнена на основе широкого использования методов имитационного моделирования сложных динамических объектов, а также проведения вычислительных экспериментов на ЭВМ с использованием пакетов прикладных программ.
Достоверность теоретических положений подтверждается экспериментальными данными.
Научная новизиа работы заключается в следующем: 1. Установлены закономерности обрывов нитей в зависимости от структурных параметров пневмопрядильной камеры и от параметров технологического процесса (качества исходных материалов, температурно-влажностного режима и др.). Установлен закон распределения обрывов нити и показаны причины отклонения от него.
2. Разработана стохастическая математическая модель формирования пряжи, установлен закон распределения линейной плотности пряжи на выходе га пневмопрядильной камеры.
3. Проведена оценка выравнивающего свойства прядильной камеры. Дано аналитическое описание аккумулирующего свойства зубчатой гарнитуры разделительного валика.
4. Разработана имитационная модель камеры пневмопрядильной машины.
5. Разработана модель оптимального присучивания пряжи в момент запрядки прядильной машины.
6. Разработан алгоритм управления пневмопрядильной машиной. В установившемся режиме работы алгоритм позволяет работать при максимальной производительности и минимуме обрывности.
7. Предложена усовершенствованная конструкция пневмопрядильной машины под управлением однокристальной микроЭВМ.
8. Создан стенд управления пневмопрядильной камерой. Испытания, проводившиеся на нем, подтвердили основные теоретические выводы. Стенд может быть использован как для научных исследований при проектировании рабочего места пневмопрядильной машины, так и в учебном процессе при выполнении лабораторных работ.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Теоретические исследования по статистическому анализу обрывов нитей в зависимости от параметров технологического процесса и прядильной камеры.
2. Математическая модель стохастического формирования пряжи в прядильной камере.
3. Имитационная модель пневмопрядильной машины.
4. Модернизированный алгоритм управления пневмопрядильной машиной в переходных и установившихся режимах работы.
5. Усовершенствованная конструкция пневмопрядильной машины.
Практическая значимость и реализация результатов работы:
1. Предложены технологические операции оптимального управления ППМ га условия максимальной производительности и минимального уровня обрывности.
2. Усовершенствованы технологические операции пуска, массовой запрядки, останова машины.
3. Разработаны технологическая операция и конструктивное исполнение механизма массовой запрядки и системы автоматической ликвидации обрыва.
4. Разработана цифровая система управления пневмопрядильной машиной.
5. Разработан лабораторный стенд управления пневмопрядильной камерой.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку:
— на межвузовских научно-технических конференциях аспирантов, магистрантов и студентов ИГТА (2001;2003 гг.);
— на расширенных заседаниях кафедры, А и РЭ ИГТА (2002 — 2003 гг.);
— на расширенных заседаниях кафедры физики ИГТА (2002 — 2003 гг.);
— на международной научно-технической конференции в ИГТА (2003 г.);
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 работах: 2 статьи в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», 2 патента РФ на полезные модели, статья в сборнике международного научно-практического семинара «Физика волокнистых материалов», 3 статьи в сборнике материалов «Поиск — 2003» и 2 публикации тезисов докладов межвузовских научно-технических конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы из 66 наименований и приложений. Основная часть содержит 128 страниц машинописного текста и 55 рисунков.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.
В ходе работы над диссертацией сделано следующее:
1. Установлены закономерности обрывов нитей в зависимости от структурных параметров пневмопрядильной камеры и от параметров технологического процесса (качества исходных материалов, температурно-влажностного режима и др.). Установлен закон распределения обрывов нити и показаны причины отклонения от него.
2. Разработана стохастическая математическая модель формирования пряжи, установлен закон распределения линейной плотности пряжи на выходе из пневмопрядильной камеры.
3. Проведена оценка выравнивающего свойства прядильной камеры. Дано аналитическое описание аккумулирующего свойства зубчатой гарнитуры разделительного валика.
4. Разработана имитационная модель пневмопрядильной машины.
5. Разработана модель оптимального присучивания пряжи в момент запрядки прядильной машины.
6. Разработан алгоритм управления пневмопрядильной машиной. В установившемся режиме работы алгоритм позволяет работать при максимальной производительности и минимуме обрывности.
7. Предложена усовершенствованная конструкция пневмопрядильной машины под управлением на базе однокристальной микроЭВМ.
8. Создан лабораторный стенд управления пневмопрядильной камерой. Испытания, проведенные на нем, подтвердили основные теоретические выводы. Стенд может быть использован как для научных исследований при проектировании рабочего места ППМ, так и в учебном процессе при выполнении лабораторных работ.
Наиболее значимые выводы из диссертации:
1. Установлено, что для описания распределения обрывности нитей необходимо использовать закон Пуассона. Применение других законов распределения не обосновано. Отклонение от теоретического закона распределения может быть случайным и систематическим. Для уменьшения случайных ошибок необходимо увеличить число экспериментов, а причины систематических отклонений необходимо искать в самом производственном процессе.
2. Установлено, что повышенная частота отказов наблюдается в первый час работы. Это можно объяснить высокой обрывностью нитей во время пуска прядильных машин.
3. Теоретически показано, что вероятность получить одновременные обрывы в течении нескольких часов работы ППМ ничтожно мала. Поэтому нет необходимости в оснащении каждого прядильного места собственной микропроцессорной системой.
4. Построена математическая модель формирования пряжи в пневмопрядиль-ной камере, которая рассматривает процесс прядения как стохастический. Показано, что линейная плотность пряжи подчиняется биномиальному закону распределения, а в случае, когда число волокон в поперечном сечении пряжи велико, нормальному распределению.
5. Дана количественная оценка выравнивающему свойству прядильной камеры, которое может использоваться при проектировании и совершенствовании прядильных камер.
6. Дана количественная оценка аккумулирующему свойству зубчатой гарнитуры разделительных валиков и на основе фактических экспериментальных данных разработана имитационная модель присучивания пряжи.
7. Разработан алгоритм управления скоростью выпускных и мотальных валов, который позволяет автоматизировать процесс присучивания пряжи в момент массовой запрядки и создать автоматизированную (без участия прядильщицы) систему ликвидации обрыва.
8. Разработана система управления пневмопрядилыюй машиной на базе однокристальной микроЭВМ, которая выполняет следующие функции:
— осуществляет пуск, массовую запрядку, останов всей прядильной машины в соответствии с временной циклограммой;
— осуществляет оптимальный подбор параметров скоростного режима в момент присучив алия пряжи;
— в случае обрыва нити производит его ликвидацию, а в случае невозможности автоматического устранения обрыва прерывает процесс прядения на данной прядильной камере;
— управляет параметрами процесса прядения из условия максимальной производительности машины при допустимом уровне обрывности.
9. Создан лабораторный стенд. Испытания, проведенные на нем, согласуются с теоретическими выводами.
Ю.Проведешгый расчет ожидаемого экономического эффекта показывает, что усовершенствованная конструкция ППМ с системой управления на базе однокристальной микроЭВМ повысит производительность труда прядильщицы на 15%, а общая производительность оборудования увеличится на 27%.
