27

Министерство образования Российской Федерации

Костромской государственный технологический университет

Кафедра прядения натуральных и химических волокон

В.И.Жуков, У.Ю.Титова

Сборник лабораторных работ по курсу миси

«Характеристики неровноты продуктов прядения»

Методические указания

Кострома

2002

УДК 677:002.001.5

Методические указания к выполнению лабораторных работ соответствуют учебным планам по курсу дисциплины «Методы и средства исследования технологических процессов текстильной промышленности». Предназначены для студентов направления 656000 специальности 280300, а также других специальностей, занимающихся изучением характеристик неровноты продуктов прядильного производства. -Кострома: КГТУ, 2002. -27с.

Составили: В.И.Жуков, У.Ю.Титова.

Рецензент: к.т.н., доц.. кафедры В.В.Лазарев.

© Костромской государственный технологический университет, 2002

ВВЕДЕНИЕ

Процессы прядильного производства представляют собой комплекс сложнейших явлений, анализ которых требует применения современного математического аппарата при теоретических исследованиях, а также современных физических методов при экспериментальных исследованиях.

Известно, что неравномерность волокон по их свойствам, нестандартность процессов производства пряжи и другие причины вызывают неровноту продуктов прядения по линейной плотности, прочности и другим свойствам. Вскрытие причин и закономерностей возникновения неровноты в продуктах прядения при осуществлении технологического процесса является важнейшей задачей теории и практики прядения. Это естественно, так как из-за неровноты продуктов прядения увеличивается обрывность, соответственно снижается производительность оборудования и труда, ухудшаются свойства и внешний вид тканых и трикотажных полотен [1].

1. Характеристики неровноты продуктов прядения

Неровнота продуктов прядения обусловлена изменением вдоль продукта таких его свойств, как толщина, плотность, прочность, растяжимость, упругость и др. Меняется и строение продукта, которое определяется относительным расположением концов или центров тяжести волокон, углом наклона волокон к оси крученого продукта, распрямленностью, ориентацией волокон и др. Различные свойства волокон, расположенных в последовательных сечениях продукта, также меняются вдоль продукта.

Таким образом, существует очень много видов неровноты продукта по его свойствам и структуре.

Правильный выбор характеристик и метода определения видов неровноты для полной оценки каждого вида имеет большое значение при анализе неровноты продукта и выявлении причин ее образования. Неровнота по линейной плотности во многих случаях является одним из важнейших видов неровноты и является определяющей при оценке качества пряжи и других продуктов прядения.

Рис. 1. Виды неровноты

Неровнота может иметь различный характер. На рис.1 представлены различные виды неровноты.

Периодическая неровнота (рис.1,а) -это неровнота, при которой колебания какого-либо показателя на всем протяжении происходят с определенной последовательностью. Периодическая неровнота оценивается длиной периода L (расстояние между двумя идентичными точками соседних периодов) и величиной амплитуды колебаний Ym (абсолютная величина наибольшего отклонения от среднего значения). Такая неровнота возникает обычно при определенных разладках механизмов в процессе вытягивания (например, эксцентриситет валиков и цилиндров, неправильная посадка шестерен и т.п.).

Случайная, или непериодическая неровнота (рис.1,б). Она объясняется естественной природной неровнотой свойств волокон, случайностью сдвига волокон при вытягивании и может возникать при неправильной наладке вытяжных приборов.

Функциональная неровнота (рис.1,в). При такой неровноте какой-либо показатель качества продукта на некоторой его длине все время изменяется односторонне — уменьшаясь или увеличиваясь. Такая неровнота наблюдается, например, в ровнице, вследствие неправильного подбора числа зубьев сменной шестерни замкового механизма на ровничной машине. Натяжение ровницы от начала съёма к концу постепенно возрастает, при этом её линейная плотность постепенно уменьшается.

Рис.2. Реализация

Комбинированная, или сложная неровнота (рис.1,д) получается от сложения двух и более неровнот, возникших от различных причин. Неровнота полупродуктов прядения и пряжи является сложной, она состоит из отдельных составляющих. Элементарные неровноты могут соединяться в самых различных комбинациях. Они как бы накладываются одна на другую и в результате дают сложную неровноту. Параметры (линейная плотность, толщина, количество волокон в сечении, цвет и т.п.), характеризующие полупродукты прядения и пряжи, представляют собой случайные функции. Любой результат измерения является частным случаем случайной функции. Графическую запись исследуемого параметра в зависимости от аргумента, полученную в результате эксперимента, принято называть «реализация» (рис.2). Измеряемый параметр обозначается переменной Y. Продукты прядения чаще характеризуются вдоль их длины, обозначаемой переменной L.

Оценка неровноты производится количественными и качественными характеристиками. К первым относится дисперсия D{Y}, среднее квадратическое отклонение S{Y}, коэффициент вариации СV{Y}, квадратическая неровнота С{Y}, % (коэффициент вариации, выраженный в процентах). К количественным характеристикам относятся также индекс неровноты J и уровень неровноты U [1, с.26,237].

, (1)

Дисперсией D{Y} называется средний квадрат отклонений всех вариантов от их средней арифметической величины . В зависимости от того, как задана статистическая совокупность - первоначальной таблицей или таблицей распределения, формула расчета дисперсии для малой выборки, когда число испытаний менее 30, имеет вид:

, (2)

или

где n - объем выборки;

Y_i - текущее значение вариантов;

- среднее значение вариантов в выборке;

m_i - частоты вариантов в классах;

N - число классов распределения.

, (3)

Средним квадратическим отклонением - S{Y} называется корень квадратный из суммы квадратов отклонений всех вариантов от их среднего значения, деленный на объем, т.е. корень квадратный из дисперсии.

или

. (4)

. (5)

Коэффициентом вариации СV{Y} называется отношение среднего квадратического отклонения S{Y} к средней величине вариантов выборки.

. (6)

Квадратической неровнотой С{Y} называется выраженное в процентах отношение среднего квадратического отклонения S{Y} к средней величине вариантов выборки, т.е. это среднее квадратическое отклонение, представленное в относительной форме.

Индекс неровноты J [1,с.240] используется для сравнительной оценки фактической неровноты продукта с неровнотой гипотетического продукта (иногда называемого идеальным продуктом) и представляет из себя отношение квадратической неровноты действительного продукта С _Д  к неровноте гипотетического продукта С_Г 

. (7)

, (8)

Неровнота гипотетического продукта ( в зависимости от принятой гипотезы) определяется по формуле

где K - коэффициент, учитывающий неравномерность волокон по диаметру, определяется в зависимости от рода волокна, равный 1,06 для хлопка, 1,12 — для шерсти, 1,02 — для вискозного волокна, 1,3 — для льна;

- среднее число волокон в сечении продукта;

- средняя линейная плотность волокна, - линейная плотность продукта.

Индекс неровноты характеризует степень отклонения фактической неровноты от неровноты, возникающей при идеальной отладке процесса утонения.

С увеличением неровноты действительного продукта индекс неровноты увеличивается. Чем выше индекс неровноты у одного из продуктов одинаковой линейной плотности, тем меньше степень равномерности его и тем менее совершенной была технология при его производстве.

Таким образом, индекс неровноты является важной характеристикой, позволяющей оценить уровень технологии, эффективности процессов и состояние оборудования при производстве пряжи. Экспериментальные исследования неровноты продуктов прядения показывают, что индекс неровноты увеличивается с увеличением среднего числа волокон в их поперечном сечении, поэтому индекс неровноты не может служить удельной мерой неровноты продуктов различной линейной плотности.

. (9)

Для сравнительной оценки неровноты пряжи различной линейной плотности Г.М.Барнетом предложена характеристика, которая называется уровнем неровноты [1,с.241] пряжи и определяется по формуле

Данной формулой можно пользоваться только для пряжи, имеющей в поперечном сечении среднее число волокон  64. Если пряжа имеет меньшее количество волокон, пользуются индексом неровноты.

К качественным характеристикам неровноты относятся: градиент неровноты, корреляционная функция и спектральная плотность.

Градиентом неровноты [1,с.253] называется функция С{Y} = f (L), т.е. зависимость квадратической неровноты от длины отрезка дискретизации L. Поскольку всю пряжу длиной L, разрезанную на n образцов длиной L, надо рассматривать как составную совокупность, общая неровнота состоит из средней внутренней и внешней неровноты

, (10)

где - общая квадратическая неровнота;

- внешняя квадратическая неровнота (квадратическая неровнота между паковками);

- средняя внутренняя квадратическая неровнота (внутри паковок).

Следует различать градиент внутренней и внешней неровноты. Внешняя квадратическая неровнота С_внешн оценивает неровноту между отрезками длиной L. Внутренняя квадратическая неровнота С_внутр  определяется при делении каждого из образцов длиной L на m частей, определении масс этих отрезков, расчете их средней величины и дисперсии.

Рис. 3. Гадиент неровноты пряжи

При исследовании неровноты продуктов прядения большую роль играет градиент внешней неровноты. Именно он выявляет влияние неровноты, возникающей в переходах, на неровноту продуктов прядения. Положение кривой градиента неровноты пряжи на различных участках (рис.3) характеризует возникновение неровноты на самой прядильной машине и на предшествующих переходах: меньшим значениям длин отрезков L на графике соответствует неровнота, возникающая на самой прядильной машине (П), большим L - на ровничной машине (Р), еще большим L - на ленточных машинах (Л) и т.д.

Сравнение градиентов для различной пряжи позволяет оценить качество технологического процесса по переходам. Чем меньше градиент, тем лучше отлажен технологический процесс.

Корреляционная функция [1,с.242] - зависимость величины коэффициента корреляции r от расстояния между сравниваемыми сечениями , определяет структуру и характер неровноты продуктов прядения, позволяет обнаружить слабые периодические колебания толщины продукта, а также выявить затухающие периодические колебания, скрытые среди случайных колебаний. Она показывает взаимосвязь двух сечений продукта, отстоящих друг от друга на величину , и обозначается r(). Нормированная корреляционная функция может быть вычислена по формуле :

, (11)

где У_i  - текущие значения ординат реализации продукта,

- средняя ордината,

У _i+ - ордината, отстоящая от У_i  на величину  .

Вычислив значения автокорреляционной функции для ряда значений по формуле (11), можно построить график этой функции, который называется коррелограммой.

Характер коррелограммы определяется наличием как случайных колебаний, так и не случайных периодических колебаний, вызываемых неполадками тех или иных механизмов машины. С помощью коррелограммы можно определить длину волны  преобладающих колебаний в толщине или массе продукта, сравнение которой с периодичностью работы различных органов машины и дает возможность выявить источник периодической неровноты. Если толщина продукта имеет и случайные и периодические колебания, то коррелограмма имеет вид, показанный на рис.4.

При наличии в составе неровноты периодической составляющей для определения преобладающей длины волны  пользуются одним из следующих соотношений: _, или_,или _,

где _- абсцисса первой точки пересечения коррелограммы с осью абсцисс,

_- абсцисса первого отрицательного минимума,

_- абсцисса второго положительного максимума коррелограммы.

Рис.4. Коррелограмма продукта, имеющего случайную и периодическую неровноту

Если возникает вопрос о выявлении всех периодических колебаний продукта, то для их выделения пользуются методами спектрального анализа. Для этого строят график спектральной плотности или спектрограмму данного продукта.

Спектральная плотность [1,с.246]- это функция (рис.5), характеризующая распределение дисперсий случайной функции по частотам или длинам волн. Для нее справедливо выражение

. (12)

Площадь под графиком равна дисперсии, а график характеризует, как меняется дисперсия соответствующей частоты или длины волны. Чем больше ордината, тем больше влияют на неровноту волны данной частоты (длины).

Указанные выше характеристики неровноты могут быть получены различными методами.

Задачей данной работы является ознакомление с различными приборами, позволяющими получать эти характеристики, изучение методов получения количественных и качественных характеристик на имеющихся приборах.

Рис. 5.Спектрограмма

Наиболее совершенным и дающим наиболее полные характеристики неровноты продукта является прибор швейцарской фирмы "Устер", работа которого основана на емкостном методе измерения линейной плотности контролируемого продукта. Прибор снабжен емкостными датчиками, имеющими различные расстояния между обкладками конденсаторов и позволяющими измерять продукт в большом интервале линейной плотности: от 4 текс до 40 ктекс, т.е. может быть измерен продукт, начиная с холстиков и кончая однониточной и крученой пряжей. В настоящее время существует измерительный прибор отечественного производства КЛА-2, выполняющий аналогичные функции.

Получаемая спектрограмма сравнивается со спектром идеального продукта и по отклонениям оцениваются нарушения в технологическом процессе. Для определения места возникновения отклонений можно воспользоваться расчетным методом. Длина волны спектрограммы сравнивается с расчетной, определяемой по формуле:

, (13)

где  - диаметр рабочего органа,

Е) - произведение вытяжек между точкой контроля и соответствующим рабочим органом.

Для оценки равномерности пряжи по величине поперечного сечения применяется индикатор пороков пряжи. Он считает и классифицирует пороки на три группы:

1. Утонения - меньше 0,7 среднего диаметра пряжи;

2. Утолщения - больше 1,5 среднего диаметра пряжи;

3. Шишки (непсы)- утолщения больше 2,8 среднего диаметра пряжи.

Такая характеристика позволяет более глубоко оценивать качество пряжи.

Для контроля неровноты по линейной плотности продуктов льнопрядения был создан прибор ПКР с пневматическими преобразователями для измерения неровноты ленты и ровницы по линейной плотности. Прибор состоит из 3-х частей: ровнометра пневматического действия, вычислительного устройства и регистратора. Контролируемый продукт протягивался сквозь пневматический преобразователь. Сопротивление воздушному потоку, создаваемое продуктом, пропорционально его линейной плотности. От пневмоэлектрического преобразователя сигнал подается на вычислительное устройство, которое реализует алгоритмы вычисления среднего квадратического отклонения и математического ожидания.

Другой прибор, созданный ранее для анализа неровноты льняной ленты и ровницы, типа ПОНЛ снабжен механическим датчиком и позволяет получить аналогичные ПКР характеристики неровноты.