Методы и средства исследования технологических процессов ткацкого производства: Учебное пособие

М. В. Назарова, Т. Л. Фефелова

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТКАЦКОГО ПРОИЗВОДСТВА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

М. В. Назарова, Т. Л. Фефелова

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТКАЦКОГО ПРОИЗВОДСТВА Учебное пособие

РПК «Политехник» Волгоград 2006

УДК 677.024 Н 19 Рецензенты: д. т. н., профессор кафедры «Ткачество» МГТУ им. А. Н. Косыгина С. С. Юхин; инженер технического отдела ООО «Управляющая компания «Камышинский ХБК»» Г. А. Новикова. Назарова М. В., Фефелова Т. Л. Методы и средства исследования технологических процессов ткацкого производства: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2006. – 135 c. ISBN 5-230-04716-Х Содержатся основные сведения, необходимые для самостоятельной работы студентов при выполнении научно-исследовательских и дипломных работ. Предлагается необходимая справочная информация. Даётся общий список использованной литературы. Предназначено для студентов направления 656000 «Технология и проектирование текстильных изделий» и специальности 2803 «Технология текстильных изделий».

Ил. 34.

Табл. 15. Библиогр.: 22 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета

ISBN 5-230-04716-Х

©

Волгоградский государственный технический университет, 2006

Маргарита Владимировна Назарова Татьяна Леонидовна Фефелова

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТКАЦКОГО ПРОИЗВОДСТВА Учебное пособие

Редактор Пчелинцева М. А. Компьютерная верстка Сарафановой Н. М. Темплан 2006 г., поз. № 4 Лицензия ИД № 04790 от 18 мая 2001 г. Подписано в печать 07. 08. 2006 г. Формат 60×84 1/16. Бумага листовая. Гарнитура ”Times“. Усл. печ. л. 8,44. Усл. авт. л. 8,25. Тираж 100 экз. Заказ Волгоградский государственный технический университет 400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28. РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131 Волгоград, ул. Советская. 35.

СОДЕРЖАНИЕ

1

2 3 4

5

Введение............................................................................................................ Анализ состояния текстильной и легкой промышленности России..... 1.1 Текстильная промышленность России XIX–XX веков.............. 1.2 Текстильная промышленность в период с 1918 по 1986 годы.... 1.3 Состояние текстильной промышленности с начала 90-х годов ХХ века................................................................................. Причины кризиса в текстильной промышленности ............................ Анализ показателей текстильной промышленности с 1998 по 2003 годы............................................................................................... Стратегия развития отрасли до 2010 года.............................................. 4. Основные ограничения в развитии отрас1 ли............................... 4. Расширение сырьевой 2 базы…………………………………… 4. Институциональные преобразования в отрас3 ли........................ 4. Отечественное машиностроение для легкой промышлен4 ности............................................................................................ 4. Меры, способствующие развитию легкой промышленности. 5 4. Ожидаемые результаты реализации стратегии развития от6 расли............................................................................................ Свойства текстильных нитей, поступающих в ткацкое производство...................................................................................................... .. 5. Классификация нитей и пряжи из различных воло1 кон............ 5. Физические свойства волокон и нитей....................................... 2 5. Механические свойства волокон и нитей................................... 3 5. Геометрические свойства волокон и нитей................................ 4

3 4 4 5 10 12 16 21 21 23 25 26 27 29 31 31 33 38 45

5. Реологические свойства ни5 тей..................................................... 6 Контроль технологических параметров в ткачестве............................ 6. Методы технического контро1 ля.................................................. 6. Шаблоны и приборы для контроля технологических пара2 метров.......................................................................................... 6. Приборы для измерения натяжения нитей и ткани на ткац3 ком станке....................................................................................... 6. Обрывность нитей в ткачест4 ве..................................................... 6. Использование термовидения в ткачест5 ве................................. 7 Моделирование технологических процессов ткацкого производства......................................................................................................... 7. Сущность моделирова1 ния............................................................ 7. Методы исследова2 ния.................................................................. 7. Методы математического моделирования технологических 3 процессов ткацкого производства............................................... 7. Виды математического моделирова4 ния...................................... 7. Исследование технологических процессов ткацкого произ5 водства с использованием активного эксперимента................. Список использованной литературы.......................................................... Приложения................................................................................................... ДЛЯ ЗАМЕТОК

47 62 62 66 70 79 91 96 96 98 100 104 106 128 129

ВВЕДЕНИЕ Текстильная промышленность не только обеспечивает потребности населения в одежде и обуви, но и выпускает продукцию производственнотехнического и специального назначения. Отрасль удовлетворяет также потребности населения и хозяйственного комплекса страны в изделиях медицинского назначения, в специальной, рабочей и лечебно-профилактической одежде и обуви, средствах индивидуальной защиты. Значимость этой отрасли в жизни страны трудно переоценить. Легкая промышленность включает в себя текстильную, доля которой в общем объеме производства составляет 48,2 %, швейную (30,1 %), кожевенную, меховую и обувную (20,9 %). В свою очередь текстильная промышленность включает 9 отраслей: хлопчатобумажную (20,5 %), льняную (3,1 %), шерстяную (8,8 %), шелковую (4,2 %), нетканых материалов (1,5 %), пенькожутовую (0,4 %), текстильной галантереи (1,5 %), трикотажную (7 %), валяльно-войлоч-ную (1,2 %). В настоящее время легкая промышленность России объединяет более 15 тысяч организаций (в том числе 2 818 средних и крупных). В государственной и муниципальной собственности находится около 7 % этих организаций. Общая численность людей, занятых в отрасли, составляет свыше 660 тыс. человек, преимущественно женщин.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ТЕКСТИЛЬНОЙ И ЛЁГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ РОССИИ 1.1 Текстильная промышленность России XIX–XX веков Анализ данных состояния текстильной промышленности России XIX в. показывает, что существенный производственный рост прослеживается в период с 1830–1860 гг. (табл.1). Это прежде всего говорит о начале промышленной революции. Именно в это время проявили себя в текстильной промышленности такие известные люди, как Павел Михайлович Третьяков, имевший льнопрядильную фабрику в Костроме, которая отличалась весьма высоким уровнем технического оснащения; Савва Васильевич Морозов, построивший самую крупную в России ткацкую фабрику и владевший товарно-отделочной и красильной мануфактурами, крупной прядильной фабрикой; сыновья Морозова, которые продолжили дело отца; Василий Иванович Прохоров, являющийся родоначальником династии Прохоровых, превратившей небольшую ситценабивную мастерскую в крупнейший текстильный комбинат с полным производственным циклом: от очистки хлопка до выпуска готовой продукции; и ряд других известных крупных промышленников. Таблица 1 Основные показатели состояния текстильной промышленности 1800–1913 гг. в России Показатель

Год 1800 1830 1860 1877 1900 1913

Производство тканей, млн. м 21 60 241 1125 3408 5190

Производительность труда одним рабочим, м х/б тани в год 686 717 1519 12141 – 13067

Импорт потребляемой ткани, %

Число ткацких заведений

52 5 3 – – –

– – 1058 637 730 899

Численность рабочих ткацких заведений, тыс. чел. – – 109 89 169 274

Доля ручных станков в % к механическим – – 83 25 4 3

За период с 1860 по 1913 гг. общий объем продукции текстильной промышленности вырос в денежном выражении в 12,2 раза, а количество произведенных тканей (в метрах) – в 21,5 раза. Разница свидетельствует об удешевлении продукции в ходе промышленного переворота. Численность рабочих за это время увеличилась только в 2,5 раза, что также отражает промышленный переворот. Количество погонных метров ткани на рабочего, занятого в текстильной промышленности, выросло в 8,6 раз. Число заведений тек-

стильной промышленности сократилось на 15 %. В результате концентрации производства средний объем продукции на заведение увеличился с 53 до 764 тыс. р., т. е. в 14,4 раза. Расхождение между натуральным объемом продукции и ее оценкой, т. е. снижение цен на продукцию, имело место в 70–80 гг. Именно тогда, очевидно, происходил в текстильной промышленности промышленный переворот, который и вызвал последующее повышение темпов производства. Картину развития текстильной промышленности после ликвидации крепостного права условно можно разделить на отрезки: 60-е гг. – ликвидация последствий крепостничества, 70–80-е гг. – промышленный переворот, 90-е гг. – ускорение темпов развития в результате переворота и усиление концентрации производства, 1900–1913 гг. – монополизация промышленности. Конечно, ликвидация последствий крепостничества продолжалась и в 70-е гг., а промышленный переворот начался в первой половине XIX века и закончился лишь в начале XX в., но основные сдвиги, связанные с изжитием крепостнических элементов, приходились именно на 60-е гг., а переворот в ткачестве – на 70–80-е гг. В 50-е гг. на душу населения в России производилось 5,1 м ткани мануфактурного производства, 11,5 м ткани всего товарного производства, включая кустарное, которое тогда еще преобладало. В 1911–1913 гг. фабрики производили на душу населения 40 м тканей – в 3,4 раза больше, чем все товарное производство, и в 7,8 раза больше, чем мануфактурное в 50-е гг. С 1885 по 1913 гг. российская промышленность развивалась опережающими темпами по сравнению с промышленностью ведущих стран Запада. Чтобы достичь необходимого уровня развития техники, требовалось ещё много времени. Промышленность России по концентрации и даже по уровню механизации производства соответствовала требованиям времени, но невелик был ее удельный вес в хозяйстве страны, которая оставалась преимущественно аграрной. По производству текстильной продукции Россия практически догнала передовые капиталистические страны. Прежде недостигаемым идеалом была Англия. Накануне первой мировой войны в Англии производилось 7,3 млрд. м. хлопчатобумажных тканей, в России – 6 млрд. м – лишь немногим меньше. Шерстяных тканей в Англии производилось 439 млн. м, в России – 178 млн. м. Но Англия опережала по этому показателю Германию и Францию, так что место российской текстильной промышленности было вполне достойным. 1.2 Текстильная промышленность в период с 1918 по 1986 годы Первым действием советской власти по отношению к промышленности было установление рабочего контроля. Рабочий контроль осуществлялся над производством, сбытом, снабжением и хранением сырья и готовой продукции, а также над финансовой деятельностью предприятий. После была осу-

ществлена национализация текстильных предприятий. В июне1918 г. был издан декрет правительства об общей национализации крупной промышленности. К этому времени было национализировано 26 текстильных предприятий. Ненационализированные предприятия временно оставались в безвозмездном арендном пользовании у прежних владельцев, которые были ответственны за их сохранность и правильную работу. Экономическое положение текстильной промышленности было крайне тяжелым. Отсутствие топлива, сырья, рабочих рук приводило к необходимости закрытия предприятий. Текстильное производство уменьшилось в 14–15 раз. Шелковых тканей в 1921 г. было выпущено лишь 1,6 % уровня 1913 г., хлопчатобумажных – 5,9 %, шерстяных – 14 %, льняных –15,3 %. Восстановление текстильной промышленности началось с 1921 г. и отличалось очень высокими темпами роста. С 1921 по 1927 гг. среднегодовые темпы роста выпуска тканей составили 46 %. Довоенный уровень был восстановлен в 1927 г. Всего с 1920 по 1928 гг. текстильное производство в натуральном выражении выросло в 18,8 раз. Выпуск хлопчатобумажных тканей за этот период вырос в 29 раз, численность рабочих увеличилась в 3,9 раза, а объем продукции на занятого рабочего – более чем в 7 раз. В 1928 г. 97 % всех тканей, произведенных в стране, были продукцией хлопчатобумажной промышленности. Производство льняных тканей увеличилось с 28 млн. м в 1921 г. до 125 млн. м в 1925 г. (в 4,5 раза) и до 180 млн. м в 1927 г. (в 6,4 раза). Темпы роста производства льняных тканей значительно ниже, чем выпуск хлопчатобумажных тканей. Но в отличие от хлопчатобумажного производства, которое сократилось в 25–26 раз, льняное производство уменьшилось только в 4,3 раза. Производство шерстяных тканей с 1921 по 1925 г. увеличилось в 3,9 раза, а к 1928 г. – в 5,9 раз, но довоенный уровень в этой отрасли не был восстановлен еще и в 1929 г. Довоенный уровень в шелковой промышленности не был достигнут даже в 1928 г., когда было выпущено шелковых тканей в 4,4 раза меньше, чем в 1913 г. По текстильной промышленности в целом производительность труда была почти в два раза ниже, чем до войны, по хлопчатобумажной – в 2,7 раза, по шерстяной – в 2 раза. Падение производительности труда во многом было связано с изношенностью оборудования. К концу гражданской войны основные фонды в текстильной промышленности в основном сохранились и это явилось важным преимуществом отрасли. Но это оборудование долгие годы не обновлялось, капитально не ремонтировалось и в значительной степени износилось. Средний возраст ткацких станков составлял 28 лет. Важнейшей составной частью ликвидации последствий первой мировой войны в хозяйстве страны является обновление основных фондов. Предприятия не только восстанавливаются и проводят капитальный ремонт, но и обновляют оборудование на базе новой техники, поднимаясь тем самым на более высо-

кий технический уровень. Это и происходило после первой мировой войны в капиталистическом мире. В СССР обновить основной капитал пока было практически невозможно. В самом начале восстановительного периода предприятия с особенно изношенным оборудованием пришлось закрыть. За годы первой пятилетки производство тканей сократилось. В 1932 г. было выпущено тканей на 0,4 % меньше, чем в 1928 г., производство хлопчатобумажных тканей выросло на 0,6 %. Существенно снизилось производство льняных тканей (на 23 %), а шерстяных выросло на 2,2 %. Шелковые ткани составляли только 0,7 % от общего количества выпускаемых тканей. Выпуск шелковых тканей увеличился в 2,2 раза. В начале первой пятилетки текстильные фабрики в основном оснащались зарубежным оборудованием. Импорт текстильных машин увеличился с 52 млн. р. в 1928 г. до 61 млн. р. в 1930 г. ( для сравнения: продукция отечественного текстильного машиностроения в 1928 г. составила 24,6 млн. р.). Продукция текстильного машиностроения за годы первой пятилетки увеличилась почти в 3 раза – с 24,6 млн. р. до 68,2 млн. р. Но увеличилось производство трикотажных машин, производство ткацкого оборудования существенно сократилось. В хлопчатобумажной промышленности выработка ткани на рабочего в час увеличилась с 5,88 до 7,7 м, т. е. на 31 %. Большой рост производительности труда в ткацком производстве в значительной степени определялся начавшимся в эти годы переходом к многостаночному обслуживанию. Но производительность оборудования несколько понизилась. В хлопкоткачестве количество уточин на 100 станкочасов снизилось с 950,7 тыс. до 859,3 тыс., т. е. на 9,6 %, а в шерстоткацком производстве – с 497,2 тыс. до 422 тыс., т. е. на 15 %. А это значит, что не технические сдвиги лежали в основе роста производительности труда. За годы второй и третьей пятилеток выпуск тканей увеличился на 33 %, а в 1940 г. их было выпущено на 51 % больше, чем в 1932 г., и на 50 % больше, чем в 1928 г. Численность занятых в текстильной промышленности рабочих выросла за годы пятилеток на 52 %, почти в той же пропорции, что и производство тканей. Производительность труда в текстильной промышленности росла довольно медленно. По конечной основной продукции – количеству выпущенных метров ткани – в 1940 г. не было увеличения по сравнению с 1928 г. Более точную картину дают сведения о часовой выработке рабочего ткацкого производства. В ткацком деле производительность труда за 1932–1940 гг. выросла на 37 %, а за 1928–1940 гг. – на 79 %. За 12 лет производительность труда в хлопкоткачестве увеличилась на 80 %. Но все же этот показатель оставался относительно низким. Производительность труда советского хлопкоткача в 1936 г. составляла 37,3 % от производительности ткача в США в 1929 г. Рост производительности труда – прямой результат технического прогресса. Однако производительность оборудования почти не увеличилась. Выпуск продукции на единицу оборудования в хлопчатобумажной промыш-

ленности повысился с 1928 по 1940 гг. только на 12 %, а выпуск хлопчатобумажных тканей на станок за это время вырос на 2,3 %. Главным направлением технического прогресса в ткачестве был переход к автоматическим ткацким станкам. В хлопчатобумажной промышленности ткачиха могла обслуживать до 4–8 механических станков, а автоматических до 32. К началу 2-й пятилетки автоматические станки составляли 10,7 %. Согласно заданиям этого пятилетнего плана, долю автоматических станков было намечено довести до 40 %. Однако и к 1941 г. автоматы составляли лишь 16,7 %. В это время в капиталистическом мире доля автоматических станков уже превысила 24 %, а в США – даже свыше 68 %. СССР по этому показателю намного отставал. Реальные успехи текстильной промышленности выразились в увеличении производства на душу населения. В 1913 г. на душу населения производилось 19 м тканей всех видов, в 1928 г. – 20 м, а в 1940 г. – 24 м. Хлопчатобумажных тканей на душу населения у нас производилось вчетверо меньше, чем в США и Англии, и вдвое меньше, чем во Франции. Но в 1914 г. их производилось в 5 раз меньше, чем в США, и в 10 раз меньше, чем в Англии. Текстильная промышленность в 1940–1986 гг. Производство хлопчатобумажных тканей (в состав которых теперь стали частично включаться и ткани из смешанного сырья) с 1940 по 1985 гг. возросло в 2,2 раза. В годы Великой Отечественной войны текстильная промышленность относилась к числу тех отраслей народного хозяйства, которые испытали наибольший ущерб. В результате временной оккупации было выведено из строя 358 текстильных предприятий, 2 млн. прядильных веретен, до 50 тыс. ткацких станков. Все это предопределило снижение объема производства, наиболее низкий уровень которого был в 1942 г. В этот год основные фонды текстильной промышленности снизились приблизительно на треть. Но уже с 1943 г. начался постепенный подъем производства. К началу 1946 г. действовало по отношению к довоенному количеству 83,6 % ткацких станков в хлопчатобумажной промышленности, 92,5 % – в льняной, 76 % – в шерстяной, 95 % – в шелковой. Таким образом, производственные мощности за годы войны сократились на 15–20 %. Особенно высокими темпами производство как пряжи, так и тканей росло в первое послевоенное десятилетие, когда шло восстановление отрасли (довоенный уровень производства тканей был перекрыт в 1951 г.). За десятилетие (1945–1955 гг.) производство тканей увеличилось в 3,6 раза, за следующее десятилетие (1955–1965) – только на 20 %, за 1965–1975 – на 10 % и за 1975–1985 гг. – на 16 %. Таким образом, годы застоя проявились в хлопчатобумажной промышленности очень отчетливо.

Производство тканей на станок с 1940 по 1986 г. увеличилось в 2 раза, а производительность труда ткача – в 3,1 раза. Если в 1949 г. в среднем на ткача приходилось 2,8 станка, то в 1986 г. – 4,4. В хлопчатобумажном производстве два периода выделяются повышенными темпами технического прогресса: период послевоенного восстановления (вторая половина 40-х гг.) и 80-е гг. Рост производительности труда и производительности оборудования, конечно, был обусловлен обновлением оборудования. Льняная промышленность по темпам роста и по технико-экономическим показателям существенно отставала от хлопчатобумажной. За период с 1940 по 1986 гг. в ткацком производстве производительность оборудования выросла на 80 %, а производительность труда – в 3,8 раза. В льноткацком производстве уже в 1965 г. автоматические станки составили 90,8 % станочного парка, то есть переход на этот вид оборудования был практически закончен. Производство шерстяных тканей с 1940 по 1986 гг. выросло в 4,3 раза. Производительность ткацкого станка за 1940–1986 гг. увеличилась в 2,3 раза, а производительность ткача – в 3,3 раза. Автоматические ткацкие станки в 1950 г. составляли только 4,9 % всего оборудования, а в 1965 г. – уже 46,9 %. После этого темпы внедрения в производство автоматических станков замедлились, и в 1975 г. они составляли только 73,1 %. За период с 1940 по 1986 г. производство шелковых тканей выросло в 30,5 раз, тогда как производство шелка-сырца (шелковых нитей) – только в 2,2 раза. Шелковые ткани теперь в основном изготовлялись не из натурального шелка. Производительность ткацкого станка в 1950 г. выросла по сравнению с 1940 г. на 10 %, за 50-е гг. она увеличилась на 25 %, за 60-е гг. – на 14 %, за 70-е гг. – на 58 %, за 80-е гг. – на 11 %, а в целом за период с 1940 по 1986 г. – в 2,7 раза. Наиболее высокими темпами производительность оборудования росла в 70-е гг. Именно тогда происходил существенный технический сдвиг. Производительность труда в 1950 г. на 3,6 % превысила уровень 1940 г. В 50-е гг. она выросла на 66 %, в 60-е – на 58 %, в 70-е гг. – на 106 %, а всего с 1940 по 1986 гг. увеличилась в 6,7 раза. Как и в других отраслях, в шелковой промышленности производительность труда росла более высокими темпами, чем производительность оборудования, что было связано с автоматизацией ткачества. В 1962 г. доля автоматических станков составляла 30 %. К 1970 г. автоматические станки составляли 71,4 %, а к 1975 г. – 81 %. Таким образом, процесс перехода к новому оборудованию происходил в основном к началу 70-х гг. Внедрение автоматических и бесчелночных ткацких станков в период с 1940 по 1986 год позволило повысить производительность оборудования примерно в 3,2 раза. С 1975 года наметилась тенденция снижения доли тканей в общем выпуске текстильной продукции. Значительно возросло производство нетканых текстильных материалов. Этот способ позволил производить очень дешевые ткани с минимальными

затратами труда. По мере совершенствования технологии и качества продукции нетканые материалы будут находить все более широкое применение. В 1986 году в СССР было выпущено 10 405 млн. кв. м. тканей. По абсолютной величине производства тканей СССР занимал 3-е место в мире после Китая и США. На человека производилось 37,1 кв. м. тканей. В 1990 году было выпущено 7 750 млн. кв. м. тканей. За следующее десятилетие выпуск тканей значительно сократился и в 1998 году составил всего лишь 18 % от выпуска 1990 года. Это связано с изменением политического строя нашего государства, следствием которого стало нарушение производственных связей. 1.3 Состояние текстильной промышленности с начала 90-х годов ХХ века Из всех отраслей народного хозяйства бывшего СССР легкую промышленность постиг самый большой спад производства. Это закономерно, ведь развитию этой отрасли в СССР уделялось недостаточно внимания. Вследствие этого, когда был снят "железный занавес" и на рынке России в начале 90х появились импортные товары, отечественная легкая промышленность не смогла, естественно, составить им конкуренцию ни по качеству, ни по цене. Это положение усугубилось отсутствием опыта работы предприятий в условиях рыночной экономики, развалом централизованной системы снабжения и сбыта, огромными темпами инфляции, а также резким падением спроса на потребительские товары. Пик кризиса пришелся на 1993 г. Кризису предшествовал такой же резкий подъем легкой промышленности в к. 80-х – н. 90-х, когда в СССР было разрешено заниматься предпринимательской деятельностью и свободной продажей товаров. Кооперативы росли, как грибы, на рынке появилось огромное количество "самопальных" джинсов и другой одежды. Но почти все созданные в то время предприятия либо исчезли совсем, либо "ушли" в коммерческую деятельность. Заниматься производством в период кризиса – занятие очень неблагодарное. Принудительное централизованное акционирование государственных предприятий постепенно привело к переходу их в одни частные руки (руководство, семья, компания), что само по себе благоприятно для развития бизнеса – у предприятий появлялись владельцы, напрямую заинтересованные в их прибыльности. Но сам процесс передела собственности, как правило, сопровождался негативными последствиями: дроблением и разворовыванием предприятий, увольнением дирекции и ведущих специалистов, перепрофилированием производства, сменой ранее существовавших производственных взаимоотношений и т. д. Если сюда еще добавить непомерно высокий уровень налогов (просрочка платежей каралась пеней 0,5... 1 % за один день) и неподъёмность банковских процентов по кредитам – 180...220 %, а также зачастую и некомпетентность новых хозяев в непростом деле производства – спад производства до середины 90-х – явле-

ние само собой разумеющееся. Тем не менее, несмотря на все эти негативные явления перехода к рыночной экономике и отсутствие какой-либо помощи со стороны государства, отечественная легкая промышленность не погибла. Более того, помимо уцелевших постсоветских предприятий появилось и достаточно большое число мелких и средних частных предприятий, начинавших свою деятельность с нуля. Следующим ударом, нанесенным по экономике России, и в частности по легкой промышленности, была политика государства по стабилизации курса доллара, которая окончилась летом 1998 г. Искусственно заниженный курс доллара по отношению к рублю привел к высокой прибыльности торговли импортными швейными изделиями в России, ставшими (в рублевом эквиваленте) еще дешевле прежнего, что практически полностью вытеснило отечественные изделия с рынка. Дефолт 1998 г. оказался краном, наконец-то открывшим поступление кислорода в практически задохнувшуюся за несколько лет "реформ" легкую промышленность России. Горе от потерянных в результате дефолта средств обернулось второй за историю развития рыночной экономики "золотой лихорадкой" в легкой промышленности России. Резкое снижение поступления импорта, обусловленное трех–четырехкратным ростом его рублевой стоимости, создало острый дефицит на рынке товаров, что и привело к резкому подъему производства в легкой промышленности России уже с начала 1999 г. Особенно это стало заметно в к. 1999 – н. 2000 г.: заработали даже ткацкие фабрики в Иваново, стоявшие несколько лет, причем они были не в состоянии удовлетворить возникший спрос! Легкая промышленность России, закаленная своей нелегкой судьбой, оказалась способной самостоятельно, без помощи государства, подняться в течение двух лет. Дефолт 1998 г., явившийся результатом признания государством своей неспособности сдерживать развитие рыночных отношений, вдохнул жизнь в легкую промышленность России. Но с начала 2001 г. правительство на одну треть снижает пошлины на импорт. Наблюдается рост доходов в бюджет по этой статье в 2 раза, то есть объем импорта возрастает почти в 3 раза. Это привело к существенному спаду в только было начавшей работать после дефолта легкой промышленности России. Поскольку падение объемов в легкой промышленности после дефолта было обусловлено только снижением таможенных пошлин, их ставки должны быть возвращены к состоянию 2000 г., в большей степени – на готовую продукцию и те виды сырья, которые могут производиться в России. Применение этой единственной меры кардинально изменит ситуацию на рынке и приведет к быстрому росту легкой промышленности России, привлечет в нее деньги инвесторов. Процедура принятия этой меры проста. Процедура контроля – отработана. Насущность принятия этой меры для легкой промышленности России – очевидна. Отрицательные последствия снижения пошлин на импорт текстильной продукции – налицо. Эта мера,

пошлин на импорт текстильной продукции – налицо. Эта мера, конечно, должна сопровождаться 100%-ным предотвращением беспошлинного ввоза импорта, в том числе мелкими партиями по туристическим визам, особенно из Китая и Турции. Другие меры по поддержке отечественной легкой промышленности не будут давать такой сильной и быстрой отдачи, как эти две. 2. ПРИЧИНЫ КРИЗИСА В ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Чтобы оценить возможности выхода промышленности из кризисного состояния, целесообразно остановиться на причинах, породивших кризис в начале 90-х годов, и, определив, в какой степени эти причины устранены на сегодняшний день, оценить возможности выхода промышленности из этого состояния. Для удобства анализа эти причины сгруппированы в три взаимосвязанных фактора. Первый фактор – структурный и технический уровень российских фабрик. Оценка структурного и технического уровня текстильной промышленности России с начала 90-х годов и по сегодняшний день проводится путем его сопоставления по семи обобщенным показателям с уровнем текстильной промышленности зарубежных стран. 1. Специализация фабрик. Многие текстильные фабрики зарубежных стран отличались универсализацией по видам продукции и вырабатывали ткани, трикотаж, нетканые изделия из разных волокон и нитей, что позволяло им успешно приспосабливаться к тенденциям спроса и моды. В начале 90-х годов в нашей текстильной промышленности существовало строгое деление фабрик по видам волокна и даже по группам тканей. На сегодняшний день узкая специализация фабрик по волокнам и группам тканей стала размываться, что позволяет фабрикам лучше приспосабливаться к запросам рынка. 2. Структура выпускаемой продукции. В продукции текстильной промышленности зарубежных стран значительную долю составляют трикотажные и нетканые изделия, выработка которых менее трудоемка, чем тканей. В начале 90-х годов доля этих изделий в промышленности России была незначительной. На сегодняшний день структура выпускаемой продукции стала улучшаться. Доля трикотажного полотна и трикотажных изделий, а также текстильно-галантерейных изделий стала возрастать. Сейчас эти подотрасли наиболее рентабельны, причем их рентабельность по сравнению с 2000 г. растет. 3. Размеры фабрик. В текстильной промышленности зарубежных стран превалируют фабрики с численностью до 300 человек, способные быстро реагировать на запросы рынка.

В начале 90-х годов неспособность больших российских предприятий с численностью более 1000 человек решать подобные задачи была одной из причин их кризисного состояния. На сегодняшний день структура гигантских фабрик улучшается, происходит их разукрупнение, что дает возможность улучшить качество продукции, снизить издержки производства и более оперативно реагировать на запросы рынка. 4. Компьютеризация управления производством и технологическим процессом. На зарубежных фабриках широкая компьютеризация сбора информации, планирования и управления производством, а также технологическим процессом позволяет существенно поднять управленческую эффективность производства и показатели работы оборудования. В начале 90-х годов на российских фабриках эти элементы можно было наблюдать лишь в опытном исполнении на единичных фабриках. На сегодняшний день компьютеризация управления производством и технологическим процессом на передовых фабриках улучшается вместе с улучшением компьютеризации всей страны. Но компьютеризация самих машин, в части оптимизации параметров их работы, может произойти лишь после приобретения нового современного оборудования. 5. Использование синтетических волокон. Текстильные фабрики зарубежных стран в существенно большей степени использовали синтетические волокна и нити, в особенности полиэфирные, значительно повышающие потребительские свойства текстильных изделий и уменьшающие их себестоимость. Доля их потребления в развитых странах превышала 50 %. В начале 90-х годов в текстильной промышленности России доля использования синтетических волокон и нитей была ниже 15 %. На сегодняшний день использование синтетических волокон и нитей по необходимости и по возможности возрастает, так как появился их свободный рынок и фабрики могут оперативно их приобретать. 6. Ассортимент и качество тканей. На зарубежных фабриках вырабатывались в основном ткани шириной 140 см и выше, имеющие существенное экономическое преимущество перед узкими тканями. Ассортимент этих тканей формировался конъюнктурой рынка и оперативно изменялся под ее воздействием. При этом он диктовал необходимость совершенствования и создания новых машин. В начале 90-х годов на российских фабриках средняя ширина готовых тканей равнялась 103 см. В текстильной промышленности России, ранее нацеленной в основном на увеличение объемов, преобладала выработка простых тканей с несложной технологией. Например, в 1990 г. из 5,9 млрд. кв. м хлопчатобумажных тканей 60 % составили ткани массовых артикулов типа марли, бязи, миткаля и др.

На сегодняшний день ширина тканей несколько возросла, так как от старых узких пневморапирных станков фабрики по возможности избавляются. Ассортимент и качество тканей изменяются в лучшую сторону, так как их приходится продавать, конкурируя с импортными тканями. Однако остается необходимость и дальше улучшать ассортимент и качество тканей, что существенно сдерживается состоянием и уровнем оборудования. 7. Уровень и состояние оборудования. Текстильные фабрики зарубежных стран, находясь в условиях конкуренции, вынуждены были систематически оснащаться совершенным высокопроизводительным оборудованием с компьютеризацией управления параметрами работы, что обеспечивало повышение производительности труда и качества продукции, а также снижение себестоимости. В начале 90-х годов российские текстильные фабрики были оснащены в основном несовершенным отечественным оборудованием, за исключением отделочного оборудования, которое, как правило, закупалось у зарубежных фирм. При этом возраст у 50 % и тех и других был более 15 лет, что существенно превышает нормальные периоды амортизации. На сегодняшний день состояние и уровень оборудования остались на том же низком уровне и стали даже несколько хуже, так как за прошедшие годы это оборудование состарилось еще на 10 лет. Наглядным показателем этого является производительность труда, которая в текстильной промышленности России была в несколько раз ниже, чем в развитых капиталистических странах. Например, в хлопчатобумажной промышленности она была ниже, чем в США, в 2,5 раза. На сегодняшний день структурный уровень промышленности заметно повысился, технический же уровень в лучшем случае остался без изменения. Выход из этого состояния лежит в оснащении фабрик современным оборудованием. Машины и станки наших заводов уступают по совершенству машинам и станкам передовых зарубежных фирм. Однако, последние стоят во много раз дороже отечественных. Встает задача выбора, которую придется конкретно решать в каждом отдельном случае. Второй фактор – уровень руководства фабриками. Руководство фабрик и отрасли отбиралось ранее не по тем критериям, которые необходимы управленцу для успешной работы в рыночных условиях. В начале 90-х годов у большинства руководителей фабрик не было опыта в решении таких вопросов, как закупка сырья, реализация тканей, управление финансами и т. д., оптовая торговля сырьем и тканями была в зачаточном состоянии. По оценке правительства, в 1997 г., т. е. через шесть лет после начала рыночных реформ, к новым условиям адаптировалась в большей или меньшей степени примерно третья часть руководителей предприятий легкой промышленности. Об этом также свидетельствует резкая дифференциация состояния фабрик в отрасли.

Приведенная выше оценка показывает, что руководство фабрик после акционирования, став последней инстанцией в принятии хозяйственных решений, в большинстве своем оказалось в начале 90-х годов не готовым решать встающие перед фабриками задачи. Акционеры же фабрик, не ставшие реальными хозяевами фабрик, влиять на руководство практически не могли. На сегодняшний день уровень руководства фабриками значительно вырос. Руководители хорошо работающих фабрик, которых около 20–30 % в каждой подотрасли, успешно адаптировались к условиям рынка, нашли свои ниши на внутреннем и внешнем рынках и добились успехов в результате того, что им удалось сформировать команды менеджеров и определить стратегию развития. Третий фактор – правовые и экономические условия, существующие в промышленности. В начале 90-х годов правовые и экономические условия, существовавшие в промышленности, в наибольшей степени определяли как сползание промышленности в состояние кризиса, так и возможность выхода из кризисного состояния. Об этом красноречиво свидетельствует общее состояние промышленности. Если вся промышленность в течение пяти – шести лет работает плохо, значит, правовые и экономические условия явно непригодны для ее нормальной работы. Улучшение первого фактора, т. е. структурного и технического уровня промышленности, требует больших капиталовложений и времени, он не может быть изменен в одночасье и является, образно говоря, наиболее «инерционным» фактором. Второй фактор, т. е. уровень руководства акционерных фабрик, в особенности в условиях, когда руководство в большинстве случаев фактически оказалось неподконтрольно акционерам, также за короткий период эффективно улучшиться не может. В отличие от этого совершенствование правовых и экономических условий не требует больших капиталовложений и может проводиться в значительно более короткие сроки, но, главное, эти условия должны формироваться с учетом уровня первых двух факторов. Они, как показала реальность, не соответствовали уровню первых двух факторов. Причиной этого можно считать то, что в федеральных органах в начале 90-х годов, или, образно говоря, в период «рыночного романтизма», возобладала точка зрения, по которой в рыночных условиях текстильная промышленность должна сама доказать право на существование. Очевидно, имелся в виду принцип: «слабые» предприятия погибают, «сильные» развиваются. С точки зрения общей теории, может быть, все и правильно, но только при большой доле абстрагирования от существующего уровня фабрик. Глубокий анализ существующих в текстильной промышленности условий должен был показать, что большинство фабрик относится к категории

«слабых». Видимо, такого анализа на должном уровне перед принятием основополагающих решений проведено не было. Итог можно считать плачевным: большинство фабрик оказалось на грани разорения. Со временем, отойдя от «рыночного романтизма», федеральные органы вместе с ведущими текстильными концернами существенно улучшили правовые и экономические условия функционирования текстильной промышленности. До 1996 г. эти усилия носили экстренный, «пожарный» характер и в основном были направлены на предотвращение банкротства большинства фабрик и регионов. Имеются в виду постановления правительства по кредитам о сезонной закупке сырья, по оплате госзаказа, по реструктуризации долга фабрик и т. д. В последующие годы решения правительства носили стратегический характер и были направлены на создание необходимых правовых и экономических условий. Однако ряд решений федеральных органов часто оказывался в хвосте событий или не достигал поставленных целей. Например, многократное совершенствование таможенного законодательства и системы налогообложения или закон о банкротстве, который в существующем виде сильно препятствует притоку инвестиций, так необходимых промышленности. В настоящее время финансовое положение в стране заметно стабилизировалось. Инфляция по сравнению с первыми годами существенно снизилась. В стране сформировалась сеть торговых домов и оптовиков по продаже сырья и продукции текстильной промышленности, что является важной предпосылкой для успешной работы фабрик. 3. АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ С 1998 ПО 2003 ГОДЫ Производство текстильной продукции России за 1998–2003 гг. представлено в табл. 2. и на рис. 1 и 2. Таблица 2 Объёмы производства текстильной промышленности России Наименование продукта Хлопчатобумажные Шерстяные Шёлковые Льняные и пенькоджутовые Трикотажные изделия (млн. шт.)

1998 1999 Ткани млн. кв. м 1078,37 1259,54 39,99 47,83 110,72 147,49 68,66 90,23 43,86 77,07

2000

2001

2002

2003

1817,86 54,28 177,28 112,64 111,8

2143,7 56,56 175,98 125 120,7

2326 50,4 148 138 124

2358,4 44,4 144,1 157 124,5

Чулочно-носочные изделия (млн. пар) Ковры и ковровые изделия (тыс. кв. м.) Тюлегардинные изделия (млн.кв. м.) Полотно трикотажное (тыс. т)

Объём производства

Х/б Шерстяная Льняная

10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

148,39

245,59

281,1

281,77

286

270,2

6813,6

8994

9271

9125

5542

5379

15,7

22,6

23,66

22,3

18,44

16,3

23,66

20,8

12,9

13,7

268,8 31,28 18,76

286,5 30,4 20,4

291,3 22,6 22,2

273,3 23,89 24

15,7

22,6 Пряжа (тыс. т) 149,15 192,45 23,87 28,58 16,68 20,29

9271 9125 8994 6813

1078

5542

1259

2326

1817 2143

1998г

1999г

2000г

5379

2001г

2358 2002г

Хлопчатобумажные ткани (млн.кв.м) Ковры и ковровые изделия (тыс.кв.м.)

Рис. 1. Динамика изменения объёмов производства текстильной промышленности

2003г

200 180

176

177

160

157 147

140

Объем производства

148 138 125

120

113

110 100 90 80 69 60 40 20

57 48

40

22

54

50 44

24

21

16

13

14

0 1998 г.

1999 г.

2000 г.

2001 г.

2002 г.

Шерстяные ткани (млн.кв.м.) Шелковые ткани (млн.кв.м.) Льняные ткани (млн. кв. м.) Льняныеиипенькоджутовые пенько-джутовые ткани (млн.кв.м.)

Т юле-гардинные изделия (млн.кв.м.) Тюлегардинные изделия (млн. кв. м) Рис. 2. Динамика изменения объёмов производства тканей

2003 г.

350

19

Объем производства

300 250 200 150

291

286

268

273

192 149

100 50 0

24 17 1998 г.

30

31

29 20

19

1999 г.

2000 г.

23

20 2001 г.

22 2002 г.

Шерстяная пряжа (тыс.т.) Хлопчатобу мажная пряжа (тыс.т.) Льняная пряжа (тыс.т.)

Продолжение рис. 2. Динамика изменения объёмов производства пряжи

24 24 2003 г.

350 300

286

20

Объем производства

281 250

270

281

245

200 150

148

112

100

124

121

124

77 50

44 16

23

24

22

18

0 1998 г.

1999 г.

2000 г.

2001 г.

2002 г.

16 2003 г.

Полотно трикотажное (тыс.т.) Трикотажные изделия (млн.шт.) Чулочно-носочные изделия (млн.пар) Окончание рис. 2. Динамика изменения объёмов производства трикотажа

4. СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ ОТРАСЛИ ДО 2010 ГОДА 4.1 Основные ограничения в развитии отрасли 1. На российских предприятиях легкой промышленности сегодня используется, в основном, физически и технически устаревшее оборудование, не позволяющее применять современные технологии и производить конкурентоспособную продукцию. 2. Несмотря на то, что Россия располагает всеми условиями, необходимыми для развития сырьевой и производственной базы, эффективно реализовать этот потенциал, а также наращивать выпуск качественных тканей и одежды не позволяет технологическая отсталость смежных отраслей – АПК, химической промышленности, машиностроения. 3. Практически все предприятия легкой промышленности испытывают острый недостаток оборотных средств. Многим недоступны заемные средства. Имеют место факты увода прибыли в дочерние структуры, что эквивалентно уменьшению оборотных и инвестиционных средств предприятий. 4. Факторами, сдерживающими развитие отрасли, являются неучтенные импорт и производство. Неучтенный импорт примерно в 2,5 раза превышает отечественное производство, неучтенное производство по текстилю составляет 25 % учтенного. 5. При закупке сырья за рубежом на возврат НДС уходит до года с применением судебных процедур. Тем самым из оборота предприятий изымаются значительные средства. 6. При импорте готовой продукции легкой промышленности, как правило, значительно занижается ее стоимость. В результате на рынке эти товары продаются по демпинговым ценам и вытесняют отечественных производителей. 7. Слабая научно-технологическая база. 8. В отрасли около 3000 средних и крупных организаций, из которых только единицы перешли к организационным схемам, эффективным в рыночных условиях хозяйствования. 9. Организации легкой промышленности испытывают острый недостаток специалистов с высшим и средним специальным образованием. Главной целью развития легкой промышленности на период до 2010 года является увеличение доли отечественной продукции на внутреннем рынке до 70 % при ее высокой конкурентоспособности.

Для достижения указанных целей необходимо решение следующих основных задач: − увеличение объемов производства основных видов продукции (намечаемые на 2010 г. объёмы производства должны в 2–4 раза превысить показатели 2001 г.); − опережающее развитие выпуска готовых изделий при максимальном обеспечении их сырьем и материалами отечественного производства; − обеспечение глубокой переработки отечественного сырья: натурального (льна, шерсти, кожи и меха), химических волокон и нитей; − освоение новых видов продукции и новых технологий; − первоначально сокращение, а в последующем и полное прекращение экспорта сырья в непереработанном или недостаточно переработанном виде; − увеличение удельного веса химических волокон и нитей в сырьевом балансе легкой промышленности с доведением его в перспективе до 50 %; − снижение материалоемкости выпускаемой продукции на 15–20 %, энергоемкости производства на 25–30 %, повышение рентабельности продукции на 25–50 %; − импортозамещение готовой продукции, в т. ч. спецназначения (МО, МЧС, МВД, ФПС) на 30–40 %; − обеспечение защиты внутреннего рынка от недобросовестной конкуренции и низкокачественной продукции как отечественной, так и импортной; − применение тарифных и нетарифных мер для сокращения объемов необоснованного импорта; − решение проблемы кадрового обеспечения отрасли специалистами всех уровней. Сколько может стоить реализация такой стратегии? Согласно экспертным оценкам, по всем видам привлекаемых ресурсов реализация стратегии может стоить около 60 млрд. руб., то есть 7,5 млрд. руб. в год. Экономика не может выдержать развитие всех 16 тысяч предприятий легкой промышленности. Поэтому названные средства необходимы для 300 предприятий, обеспечивающих более 60 % продукции и сохранивших возможность технически и технологически перевооружаться. Из чего складываются названные цифры? Техническое перевооружение предприятий отрасли потребует львиную долю затрат, порядка 55 млрд. руб. Здесь мы имеем в виду не огульное перевооружение всех 16 тысяч предприятий, а только системообразующих, о которых уже было сказано выше. Основную нагрузку здесь несет бизнес, пуская в ход собственные средства (80 %), а также заемные средства и привлекаемые инвестиции. Что может сделать государство, используя прямые и косвенные возможности, включая бюджетные средства и налоговые преференции? 1. Средства из федерального бюджета могут быть направлены:

−

на проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в интересах отрасли (на разработку новых прогрессивных материалов, технологий и оборудования потребуется 1,5 млрд. руб. за 8 лет или 150–200 млн. руб. в год); − на завершение строительства ограниченного числа объектов легкой промышленности и техническое перевооружение организаций науки потребуется 700 млн. государственных капитальных вложений. 2. Государство может также использовать косвенные методы поддержки: завершение строительства и технического перевооружения предприятий отрасли за счет федерального бюджета. 3. Завершение технического перевооружения отраслевой науки и создание научно-технологического центра легкой и текстильной промышленности за счет бюджетных средств. 4. Возмещение из федерального бюджета части затрат на уплату процентов по кредитам для сезонной закупки сырья и материалов – 1,2 млрд. руб., по 150 млн. руб. в год. 5. Лизинг оборудования для предприятий отрасли. 4.2 Расширение сырьевой базы Развитие и расширение ассортимента продукции легкой промышленности и увеличение объемов ее выпуска в значительной мере зависят от решения проблемы обеспечения предприятий сырьем. Учитывая, что Россия не является производителем хлопчатобумажного волокна, но имеет огромные основные фонды по производству пряжи и ткани из хлопка, ряд хлопчатобумажных предприятий переориентирует часть своих производств на выпуск смесовых пряж и тканей из хлопка, модифицированного льноволокна (котонина) и различных видов химических волокон. Соответственно возрастёт потребность в этих видах сырья, что потребует значительного увеличения объемов их производства. В настоящее время удельный вес химических волокон и нитей в сырьевом балансе легкой промышленности составляет 12,4 %, в мире – 62 % а к 2010 году прогнозируется увеличение до 80 %. Учитывая, что лен является единственным натуральным ежегодно восполняемым ресурсом, необходимо совершенствовать систему его подготовки, в том числе производство качественного котонизированного льноволокна. Это позволит заместить льном закупаемые по импорту хлопок и шерсть на 65 %. С учетом удовлетворения требований экономической и мобилизационной безопасности страны, расходных норм и уровня химизации продукции к 2010 г. потребность в химических волокнах и нитях российских предприятий для производства товаров текстильной промышленности составляет не менее 600 тыс. т. в год. Доля волокон, закупаемых по импорту, составляет 58 %, что

подтверждает наличие платежеспособного спроса на эту продукцию у российских производителей. Основную долю импорта составляют химические волокна и нити белорусского производства. Мощности отечественных предприятий химической промышленности по производству волокон для текстильной промышленности на 1 января 2002 г. составили (в тыс. т.): вискозных – 157,15, капроновых – 33,56, полиэфирных – 10,1, полипропиленовых – 3,52. Мощности для производства текстильных нитей составляют (в тыс. т.): вискозных – 30,52, капроновых – 53,9, полиэфирных – 6,1, полипропиленовых – 0. К 2010 году предполагается ввод мощностей для производства 7 тыс. т. полипропиленовых нитей. Исходя из производственных мощностей, российские и белорусские производители химических волокон могут обеспечить лишь валовой объем выпуска капроновых и вискозных волокон и нитей, не гарантируя современных требований по качеству и разнообразию внутривидовых ассортиментов. Существующие ассортименты химических волокон и нитей могут обеспечить не более 30–40 % объема прогнозной потребности. Остальная потребность в волокнах и нитях может быть удовлетворена только за счет создания производителями новых видов химических волокон или закупки их в дальнем зарубежье. В мире появились химические волокна нового поколения, позволяющие вырабатывать высокогигиенические экологически чистые изделия с мягким упругим грифом, высокой эластичностью и прочностью. Введение различных добавок в полимер позволяет придать им различные эффекты, в том числе терапевтические: фунгицидные, антиревматические, антиаллергические, дезодорирующие и др. Отмечается устойчивая тенденция увеличения производства и потребления химических нитей по сравнению с химическими штапелированными волокнами. Для успешной реализации производства современных изделий легкой промышленности с использованием химических волокон нового поколения необходимы: − модернизация производства полиэфирных, полипропиленовых, акриловых волокон и нитей; − модернизация производств текстильной и легкой промышленности, обеспечивающих переработку химических волокон нового поколения, например, микроволокон, мультифиламентных нитей и др.; − создание новых малотоннажных высокотехнологичных производств химических волокон нового поколения, в том числе с различными специальными эффектами. Возможно разделение технологического процесса: создание на химических предприятиях производства полимера, подготовленного к формированию, и прядение (при соблюдении жестких климатических условий) химических нитей из полимера, штапелирование нитей и дальнейшая их переработка непосредственно на текстильных предприятиях;

−

проведение научно-исследовательских и опытных работ по созданию расширенного ассортимента химических волокон и нитей нового поколения и т. п. Учитывая, что основной потенциал производства химических волокон остался в Белоруссии, необходима разработка межгосударственной российско-белорусской программы и конкретных механизмов реализации схем взаимодействия и согласования интересов предприятий. Шерсть и кожевенное сырье производятся в России. При их недостатке или избытке вопросы обеспечения предприятий легкой промышленности указанными и другими видами сырья будут решаться проведением соответствующей таможенно-тарифной политики. 4.3 Институциональные преобразования в отрасли Появившаяся в последние годы тенденция разукрупнения предприятий легкой промышленности сохранится и в 2003–2010 годы. Вместо крупных комбинатов, обремененных огромными неиспользуемыми или слабо используемыми фондами и многочисленными обслуживающими и вспомогательными службами, будут создаваться структуры холдингового типа, производственные, обслуживающие и вспомогательные подразделения, которые должны быть выделены в отдельные производства, самостоятельно зарабатывающие средства на свое развитие. При этом они остаются в рамках общей управляющей компании, которая будет решать задачи маркетинга и сбыта продукции, управления финансами и инвестиционным развитием, юридического обеспечения и рекламы, выполнять другие функции централизованного управления. Примеры таких эффективно работающих холдингов уже есть. Это акционерные общества "Яковлевский", "Чайковский текстиль", "Парижская коммуна", "Группа компаний Савва Кемикэл" и др. Перспективным является создание корпоративных объединений, состоящих как из предприятий, выпускающих однотипную продукцию (например, объединение "Квартон" в г. Санкт-Петербурге), так и включающих предприятия промышленности и сельского хозяйства. В мероприятия по институциональным преобразованиям должны войти следующие: − создание маркетинговой службы; − введение работы под заказ, то есть общая наработка полуфабриката и в короткие сроки выпуск того или иного вида продукции в малых объемах, например, ткани заданной расцветки до 1000 м2; соответственно изменится система планирования производства и внутренней отчетности; − реорганизация системы финансового планирования, то есть введение еженедельного отслеживания оборотных средств и незавершенного производства;

−

реорганизация системы управления, то есть четкое разделение производственных и финансовых операций, вопросы материального снабжения и производства должны быть замкнуты в одной службе, вопросы сбыта продукции будут вынесены на верхний уровень управления; − введение системы мотивации работы, а именно системы стимулирования, основанной на периодической оценке деятельности сотрудников каждого участка; − проведение ротации кадров – создание команды активных, профессиональных исполнителей; − внедрение отвечающих мировым стандартам систем бухгалтерского учета, позволяющих сделать финансовую деятельность предприятий открытой для акционеров, инвесторов, кредиторов; − ликвидация нерентабельных производств; − сокращение избыточного персонала, переподготовка и обновление кадров; − развитие рекламных и маркетинговых служб, способствующих продвижению продукции на внутренний и внешний рынки. Эффективным путем реорганизации предприятия может быть его разделение на ряд юридических лиц в рамках холдинга. Значительную роль в повышении конкурентоспособности производства может сыграть приход в отрасль крупных объединений, обладающих инвестиционными возможностями. Так, в 2002 г. холдинг "Базовый элемент" получил контроль над фабрикой "Трехгорная мануфактура" и намерен развивать текстильное производство. Финансово-инвестиционная компания "Госинкор-холдинг" приобрела ряд текстильных предприятий и создала для управления их активами компанию "Гута-текстиль". Наличие эффективных собственников, заинтересованных в развитии производства, в улучшении условий работы инженерно-технического персонала и рабочих, в организации оптимальных схем ресурсного обеспечения производства и сбыта продукции – это одно из основных условий развития любого предприятия в рыночной системе хозяйствования. 4.4 Отечественное машиностроение для легкой промышленности Соответствующими отраслевыми институтами, занимающимися вопросами разработки оборудования для текстильной и легкой промышленности, определен перечень оборудования, разработку и серийное производство которого целесообразно осуществить в период до 2010 г., в том числе: прядильного – 23 наименования; для переработки пенько-джутовых волокон – 29 наименований, ткацкого – 15, трикотажного – 10, для производства нетканых материалов – 5, красильно-отделочного – 14, швейного – 28, электронных систем управления и средств автоматизации – 5 наименований.

Особо в рамках стратегии развития следует видеть направление восстановления оборудования с элементами модернизации (или без них), проведенной в условиях машиностроительных заводов, а не на фабриках и комбинатах (подобная практика широко используется мировыми лидерами машиностроения, и доказана эффективность такой технологии за счет высокого качества выполнения работ). 4.5 Меры, способствующие развитию легкой промышленности 1. Исключение недобросовестной конкуренции является задачей государства. Сейчас есть три канала поступления на российский рынок продукции легкой промышленности беспошлинно или с льготным налогообложением (перевозки физическими лицами, контейнерные перевозки материалов для производственных целей, поставки в рамках гуманитарной помощи). На заседании Комиссии Правительства Российской Федерации по защитным мерам во внешней торговле и таможенно-тарифной политике, состоявшемся 8 июля 2002 г. одобрен проект постановления Правительства РФ "О внесении изменений в Положение о перемещении товаров физическими лицами через таможенную границу Российской Федерации, утвержденное постановлением Правительства РФ от 10 июля 1999 г. № 783". Принятие этого постановления практически закрывает канал демпингового импорта товаров легкой промышленности физическими лицами. В течение ближайшего времени должны быть закрыты для демпингового импорта и каналы контейнерных перевозок материалов для производственных целей и гуманитарной помощи. Разработка соответствующих решений ведется. Для исключения занижения стоимости импортной продукции при ее ввозе на таможенную территорию Российской Федерации целесообразно разработать каталог минимальных цен на группы продукции. 2. Создание лизинговой компании для решения проблемы технического перевооружения предприятий, а значит повышения конкурентоспособности продукции. 3. Разработка новых технических регламентов, стандартов и внесение изменений в действующие ГОСТы, разработка методов и средств метрологического и аналитического обеспечения экологической безопасности продукции легкой промышленности для решения задачи создания высококачественной, экологически чистой и безопасной продукции. Реформирование системы стандартизации в отраслях легкой промышленности должно определяться научно-технической, промышленной и коммерческой политикой, а также интересами потребительского рынка России, с учетом перспектив присоединения России к ВТО, и проводиться на законодательной и нормативно-правовой основе, обусловленной Законами Российской Федерации "О стандартизации", "О защите прав потребителей".

Выполнение указанных работ должно проводиться в соответствии с международными стандартами серии ИСО 9000, направленными на обеспечение продукции соответствующего качества на всех стадиях ее жизненного цикла, и международными стандартами ИСО 14000, посвященными различным аспектам управления окружающей средой предприятий, организации экологического аудита, принципам экологической маркировки и жизненного цикла продукции. С целью достижения взаимного соответствия продукции и официального получения маркировки ЕЭС должна быть проведена работа по разделению продукции по категориям, на классы и подклассы и обеспечению соответствия отечественных стандартов европейским стандартам, европейским и американским официальным медицинским предписаниям, с учетом научных рекомендаций и методов испытаний, разработанных Институтом охраны окружающей среды (Франция) и Текстильным институтом Франции – признанными лидерами в Европе в области разработки европейских стандартов, испытаний и сертификации продукции легкой промышленности. Основным признаком, по которому проводится разбивка на группы, является назначение продукции. Эффективность мероприятий по совершенствованию системы техникотехнологического контроля качества и сертификации продукции будет обеспечена созданием отраслевой системы информационного обеспечения в области стандартизации, метрологии и оценки соответствия (сертификации) и развитием информационных (компьютерных) технологий, в разработке и согласовании стандартов и нормативных документов. 4. Создание на территории страны разветвленной межрегиональной товаропроводящей сети. В ее создании должны принять участие администрации регионов и крупные коммерческие структуры, такие как "Госинкор", "Чайковский текстиль", "Ростекстиль", "Рослегпром" и другие. Такая работа уже проводится. 5. Эффективное развитие легкой промышленности в условиях конкуренции на внутреннем и мировом рынках требует совершенствования кадровой политики, подготовки и переподготовки специалистов всех уровней. В плане повышения готовности предприятий к восприятию индустрии моды и продвижения продукции на рынки целесообразно усовершенствовать программы учебных заведений, особенно по специальностям маркетинга, менеджмента, рекламы, финансов и др. Должны быть пересмотрены программы и по традиционным специальностям: технологи, дизайнеры, экономисты. Подготовка и переподготовка кадров должны осуществляться на основе отечественного опыта с учетом тенденций развития образования в экономически развитых странах мира. При этом в системе образования кадров должны быть внедрены новые эффективные формы обучения на базе дистанционного образования и посредством Интернет, развития сети бизнесинкубаторов, направления в зарубежные страны на стажировку.

Отраслевые институты и высшие учебные заведения должны стать технологическими и экономическими центрами для предприятий по оказанию им помощи в освоении новых технологий, обслуживании новой техники отечественного и импортного производства, в разработке бизнес-планов и проектов технического перевооружения. 6. Учитывая ограниченные финансовые возможности предприятий, необходимо также решение ряда вопросов на правительственном уровне. среди них: 1) восстановление льгот по НДС и ввозной таможенной пошлине по технологическому оборудованию, комплектующим и запасным частям к нему, а также отмена резервирования средств на счетах на предстоящую оплату оборудования при заключении контрактов на его поставку; 2) определение механизма расчетов организаций с федеральным бюджетом, предусматривающего рассрочку погашения платежей на срок до 10 лет с началом выплаты по истечении 3 лет с момента ввоза оборудования, комплектующих и запасных частей к нему на территорию Российской Федерации; 3) принятие решения о завершении реализации остатка кредитных средств в сумме 107 млн. немецких марок в рамках средств, предусмотренных распоряжением Правительства РФ от 1 июня 1994 г. № 839-р (кредитная линия Гермес); создание в соответствии с действующим законодательством нормативной базы для изъятия неустановленного импортного оборудования у неплательщика и передачи его другому собственнику для вовлечения в хозяйственный оборот; 4) создание технических барьеров недоброкачественному импорту; 5) проведение реформирования научно-исследовательского сектора легкой промышленности, находящегося в федеральной собственности; 6) установление таможенных пошлин на готовую продукцию легкой промышленности при присоединении России к ВТО; на ввозимые сырье и оборудование для легкой промышленности таможенные пошлины должны быть установлены на нулевом уровне. 4.6 Ожидаемые результаты реализации стратегии развития отрасли Реализация основных направлений позволит повысить эффективность работы отрасли, обеспечить переход на инновационный путь развития, провести модернизацию предприятий, повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции и долю отечественных товаров на российском рынке, расширить экспортные возможности легкой промышленности, а также оказать позитивное влияние на развитие смежных отраслей экономики. Расширение рынка отечественных товаров легкой промышленности будет способствовать удовлетворению платежеспособного спроса населения на различные ценовые группы изделий с учетом потребительских предпочтений.

На сегодня легкая промышленность располагает возможностями для удержания ведущих позиций на внутреннем рынке тканей и уступает иностранным производителям на рынках трикотажа, обуви, швейных изделий. На внешних рынках наше присутствие ограничивается, в основном, суровыми тканями, трикотажной и текстильной одеждой. Для повышения конкурентоспособности продукции легкой промышленности должны быть решены общие задачи технологического обновления отрасли, пополнения оборотных средств предприятий, организационного реформирования предприятий, повышения уровня менеджмента и эффективности научно-технического обеспечения производства и частные задачи отраслей, обусловленные их спецификой. Наиболее финансовоемкой является задача технологического обновления отрасли, для решения которой необходимы совместные усилия предприятий, региональных администраций и Правительства РФ. Реализация данной стратегии развития легкой промышленности позволит российским производителям увеличить объем выпуска продукции к 2010 году в 2 раза относительно 2000 года, что соответствует среднегодовому индексу физического объема производства 107 %, и занять не менее 60 % внутреннего рынка.

5. СВОЙСТВА ТЕКСТИЛЬНЫХ НИТЕЙ, ПОСТУПАЮЩИХ В ТКАЦКОЕ ПРОИЗВОДСТВО 5.1 Классификация нитей и пряжи из различных волокон Для изготовления тканей используют различные текстильные нити. Текстильная нить – это гибкое и прочное тело значительной длины с малыми поперечными размерами, применяемое для изготовления текстильных изделий. Классификация текстильных нитей представлена на рис. 3.

Рис. 3. Классификация текстильных нитей

Мононить представляет собой однониточную нить, не делящуюся в продольном направлении без разрушения, пригодную для непосредственного использования в текстильных изделиях. Комплексная нить состоит из двух или более элементарных нитей, соединенных между собой скручиванием или склеиванием. Элементарная нить представляет собой одиночную нить, которая является составной частью комплексной нити или жгута. Элементарная нить не может быть использована как одиночная. Пряжа – нить, состоящая из волокон, соединенных скручиванием или склеиванием. Крученая нить – нить, скрученная из двух или более комплексных нитей, пряжи или того и другого вместе. Фасонная нить – нить, имеющая периодически повторяющиеся местные изменения структуры (узелки, петли, утолщения и т. д.) и окраски. Армированная нить – особый вид неоднородных нитей, получаемых при обвивании стержневого компонента нагонными нитями или волокнами. Текстурированная нить – нить, структура которой путем дополнительных обработок изменена для повышения удельного объема или растяжимости. По виду использованного сырья пряжа делится на однородную и смешанную, а нити – на однородные и неоднородные. Однородные нити и пряжа состоят из волокон одного вида сырья, смешанная пряжа – из смеси разных

по виду сырья волокон, неоднородная нить – из нитей различного вида сырья. Нити и пряжу изготовляют из натуральных и химических (искусственных и синтетических) волокон. Натуральное волокно имеет природное происхождение (растительное, животное, минеральное). Химические волокна изготовлены из природных или синтетических высокомолекулярных веществ. К ним относятся искусственные волокна, полученные из природных высокомолекулярных веществ. Синтетические волокна изготовлены из синтетических высокомолекулярных веществ. Из натуральных волокон вырабатывают хлопчатобумажную, льняную, шерстяную пряжу и натуральный шелк. Хлопчатобумажную пряжу для ткачества вырабатывают основную и уточную, суровую, крашеную и меланжевую (полученную из крашеного хлопка). Уточная пряжа в отличие от основной имеет пониженную крутку, чтобы избежать в процессе ткачества появления сукрутин. Льняную пряжу вырабатывают по системе мокрого и сухого прядения. Оческовую пряжу получают из очесов и короткого волокна по системе сухого прядения и в небольших количествах по системе мокрого прядения. Пряжа из льняного волокна в зависимости от способа отделки может быть суровой, вареной, беленой и крашеной. Оческовую пряжу сухого прядения перерабатывают в суровом виде для изготовления технических и тарных тканей. В последние годы ассортимент льняной пряжи расширился, благодаря применению смеси льняного волокна с химическими волокнами (особенно с лавсаном), что позволило получить более тонкую пряжу. Шерстяную пряжу изготовляют по гребенной и аппаратной системам прядения. В зависимости от линейной плотности шерстяного волокна гребенную пряжу подразделяют на тонкогребенную, грубогребенную и полугребенную, а аппаратную – на тонкосуконную и грубосуконную. Значительную часть шерстяной пряжи скручивают в два сложения, а для выработки технических тканей и ковровых изделий – в два–шесть сложений. Натуральный шелк получают при разматывании коконов тутового и дубового шелкопряда в виде комплексно склеенных нитей (шелка–сырца). Кроме того, выпускают крученый натуральный шелк с различным числом кручений: с обычной круткой – до 600 кр/м и креповой круткой – до 3200 кр/м. Из отходов, получаемых при переработке натурального шелка, изготовляют шелковую пряжу. К искусственным волокнам относятся вискозные, ацетатные, триацетатные и медно-аммиачные. Искусственные волокна также используют в чистом виде и в смеси с натуральными. Синтетические волокна в зависимости от химической структуры подразделяют на несколько видов: полиамидные (капрон, анид, энант), полиэфирные (лавсан), полиакрилонитрильные (нитрон), полиолефиновые (полипро-

пилен, полиэтилен) и др., из которых изготовляют нити и штапельное волокно для получения однородной и смешанной пряжи. Нити из синтетических волокон обладают повышенной прочностью, стойкостью к истиранию и многократным нагрузкам. Основные недостатки синтетических нитей и изделий из них: плохая гигроскопичность, пониженные теплозащитные свойства, блеск и др. Полиамидные и полиэфирные волокна, обладающие низкой термопластичностью, чаще, чем другие волокна, используют для изготовления текстурированных нитей, которые отличаются повышенной объемностью, пушистостью и мягкостью. Структура текстурированных нитей изменена механическим способом (скручиванием, прессованием, гофрированием, вязанием) и зафиксирована тепловой обработкой. К текстурированным нитям относятся: эластик (спирально извитые), гофрон (плоско извитые), аджилон (пространственно извитые), таслан (петлистые), а также мелан, мэрон и др. Для технических тканей используют стеклянные нити, изготовленные из бесщелочного, щелочного и других видов стекла, и асбестовую пряжу. Из стеклянных нитей вырабатывают фильтровальные, изоляционные, звукоизоляционные, декоративные и другие ткани. Асбестовую пряжу изготовляют из волокна хризотил-асбеста и частично из волокна крокидолит-асбеста. Для улучшения прядильной способности асбестового волокна к нему подмешивают от 5 до 20 % хлопка или других волокон. Для выработки шелковых тканей некоторых видов используют металлические нити алюнит и люрекс, а для выработки технических тканей – металлические нити из различных цветных металлов, а также бумажные нити (кардель). 5.2 Физические свойства волокон и нитей К физическим свойствам волокон и нитей относятся: гигроскопические, тепловые, оптические и электрические свойства. Гигроскопические свойства волокон и нитей характеризуются способностью поглощать водяные пары и воду (сорбция) и отдавать их в окружающую среду (десорбция). Физическая сорбция, как и десорбция, – явление сложное, представляет собой несколько процессов, при которых удержание влаги сорбента осуществляется за счет межмолекулярных сил взаимодействия. Текстильные волокна и нити многих видов поглощают воду. При погружении в воду они впитывают ее и частично механически захватывают. После стекания воды она еще остается в волокнах в достаточно большом количестве, некоторое ее количество остается даже после отжима в центрифуге. При поглощении воды у некоторых волокон и нитей возникает явление гидратации, заключающееся в том, что вода связывается с химическим веществом волокон. При испарении (сушке) удаляется свободная вода, захваченная ме-

ханически в результате диффузии, сорбированная или связанная вода и для некоторых волокон и нитей – гидратационная вода. При поглощении паров волокнами (нитями) происходит их набухание, увеличение объема. При этом продольный размер практически не изменяется. Различают такие понятия как кондиционная влажность и кондиционная масса. Фактическая влажность, а следовательно, и масса волокон (нитей) изменяется в зависимости от атмосферных условий, что важно при приемке пряжи и нитей. Кондиционная (условная) масса определяется при постоянной (независимо от атмосферных условий) влажности, называемой кондиционной. Кондиционную влажность обычно устанавливают близкой к нормальной влажности материала. Характеристики гигроскопических свойств и методы их определения. Наиболее распространенной характеристикой гироскопических свойств является влажность. Влажностью называется процентное отношение массы воды, удаленной при определенной температуре, к массе сухого материала. Влажность различают фактическую, равновесную (нормальную), максимальную и кондиционную (нормированную): – фактическая влажность (Wф) – влажность, которую имеют волокна или нити в момент измерения начальной массы то; – нормальная влажность (Wн) – влажность, которую приобретают волокна (нити) после выдержки в нормальных (стандартных) атмосферных условиях; – максимальная влажность – влажность, измеряемая после выдержки при относительной влажности воздуха 95 или 100 % и температуре воздуха 20 °С. Иногда в качестве характеристики гигроскопических свойств используют влагосодержание (Wа) – процентное отношение количества воды в материале к массе невысушенного материала. За показатель гигроскопичности волокон и нитей принимают обычно нормальную влажность (Wн). Десорбция водяных паров характеризуется показателем влагоотдачи (Во) и иногда временем высыхания материала. Методы измерения влажности можно разделить на прямые и косвенные. К прямым методам относятся тепловые (в сушильных аппаратах), дистилляционные и экстракционные методы, к косвенным – электрические методы. Тепловые свойства (теплопроводность, теплостойкость, огнестойкость и др.) характеризуют отношение волокон и нитей к действию на них тепловой энергии. Теплозащитные свойства изделий зависят от теплопроводности – способности проводить тепло от более нагретой среды к более холодной. Теплопроводность оценивается коэффициентом теплопередачи (К) (Вт/м2°С) или

коэффициентом теплопроводности (к Втм/м2°С). Коэффициент теплопередачи определяет тепловой поток, проходящий через 1м2 волокна (нити). Коэффициент теплопроводности определяет тепловой поток, проходящий через 1 м2 волокна (нити) условной толщиной в 1 м. Для текстильных волокон и нитей наиболее важными являются обратные показатели теплопроводности: тепловое сопротивление (R) (м2°С /Вт), удельное тепловое сопротивление (ρ м2°С /Вт) и теплозащита. На практике тепловые свойства материала оцениваются по суммарному тепловому сопротивлению. При переменном во времени (не стационарном) режиме теплопередачи тепловые свойства волокон и нитей оцениваются также коэффициентом температуропроводности (а), м2 /с. Теплостойкость – способность волокон и нитей сохранять свойства при повышенных температурах. В некоторых случаях теплостойкость характеризуют показателем «нулевая прочность», за которую принимается время разрушения в термокамере нити, подвешенной под небольшой (нулевой) нагрузкой (0,9 сН/текс) и подвергаемой нагреванию при постоянной температуре без контакта с нагревающим элементом. Теплостойкость (термостойкость) характеризует стойкость волокон и нитей к термической деструкции. Термостойкость волокон и нитей оценивается по изменению свойств после нагревания и выдерживания в нормальных условиях. По термостойкости волокна и нити разделяются на термостойкие и жаростойкие. К термостойким относятся волокна, предназначенные для эксплуатации в условиях температур, которые выше температур области разложения обычных волокон и нитей: Т = 250–400 °С. Жаростойкие волокна и нити сохраняют свои эксплуатационные показатели при температуре 2000–2500 °С. Огнестойкость определяет стойкость волокон и нитей к действию пламени. По стойкости к огню они разделяются на негорючие (стеклянные, хлориновые и др.); загорающиеся, но прекращающие гореть и тлеть после удаления из пламени (полиамидные, полиэфирные и др.); горючие, продолжающие гореть и тлеть после удаления из пламени (хлопковые, льняные, гидратцеллюлозные и др.). Оптические свойства – это свойства, воспринимаемые зрительно. К основным оптическим свойствам волокон и нитей относятся поглощение, отражение и рассеяние ими света. При поглощении света волокнами (нитями) часть энергии электромагнитных волн преобразуется в энергию вторичного излучения или в различные формы внутренней энергии. Наиболее важные оптические свойства волокон (нитей): поляризованная люминесценция, радиотермолюминесценция, блеск, цвет, равномерность окраски и ее устойчивость и др.

Оптические свойства волокон (нитей) определяются строением электронных оболочек атомов, из которых состоят молекулы. Спектральный диапазон электромагнитного излучения света разделяют на диапазоны: ультрафиолетовый (3×10–9– 4×10–7 м), видимый (4×10–7– 8×10–7 м) и инфракрасный (8×10–7– 10–4 м). Излучение может проходить через волокна (нити), отражаться от них, поглощаться ими, преломляться и рассеиваться в них. Для многих видов волокон (нитей) характерно сочетание этих явлений. Коэффициент пропускания (τ) – это отношение потока излучения, пропущенного волокном, к потоку излучения, упавшему на него. При этом коэффициент пропускания при различных частотах излучения имеет разные значения и зависит от строения волокон (нитей), их температуры, окраски, состояния поверхности и других факторов. Коэффициент пропускания волокон (нитей) при низких температурах значительно больше, чем при высоких. Степень отражения света от поверхности волокон зависит от свойств поверхности, например, гладкая или металлизированная поверхность волокон имеет высокую отражательную способность, наблюдается появление блеска. Коэффициент (показатель) преломления (п) характеризует преломление света на границе сред разной оптической плотности. Он определяется отношением скорости света в вакууме к скорости света в веществе волокон (нитей). Значение этого показателя зависит также от частоты падающего света. Так, при увеличении частоты падающего света коэффициент преломления уменьшается. При прохождении света через волокна (нити) происходит поглощение излучения в результате затраты энергии на возбуждение атомов и молекул. По закону Ламберта, интенсивность (I) света, проходящего через волокна, уменьшается. Одно из важных световых явлений – цвет волокон (нитей). Цветовое ощущение возникает в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения из диапазона видимого спектра с длиной волн от 380 до 760 мм. Цвет волокон и нитей и методы его оценки. Волокна (нити) могут быть бесцветными – ахроматических цветов или могут иметь хроматические цвета. Ахроматические цвета получаются при отражении телом лучей всех длин волн спектра в одинаковом соотношении. Известно, что при полном отражении нитями лучей будет белый цвет, при их полном поглощении – черный. Основной характеристикой цвета является коэффициент отражения (к0): ко = Sо / S, (5.1) где So – количество отраженного света; S – количество падающего света. Ахроматические цвета различают также по светлоте, определяемой коэффициентом отражения. Последний не зависит от интенсивности освещения исследуемого объекта.

Оценка цвета может быть органолептической и с помощью приборов фотометров. При органолептической оценке ахроматические цвета разделяют на яркобелый, светло-серый, темно-серый, черный, глубоко-черный. У волокон и нитей преобладают природные цвета: белый, кремовый, светлосерый, желтый и серый. Яркая окраска, как правило, искусственная. Хроматические цвета отличаются один от другого по светлоте и цветовому тону, зависящему от длины волн света, отраженного волокнами, нитями. Естественной шкалой является спектр красно–фиолетовый. Хроматические цвета определяются следующими показателями: длиной волны (цветовой тон), коэффициентом отражения (светлотой), чистотой, насыщенностью (степенью различия хроматического цвета от серого, одинакового с ним по светлоте). Хроматические цвета имеют в основном крашеные волокна и нити. Методы определения хроматического цвета волокон и нитей: органолептический (по атласу цветов) и с использованием колориметров различных конструкций. К электрическим свойствам волокон и нитей относятся: электризуемость, диэлектрические потери, диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность и др. Электризуемость волокон (нитей) – способность волокон (нитей) к генерации и накоплению зарядов статического электричества. Наиболее сильно электризуются химические волокна и нити (хлориновые, ацетатные, капроновые и др.). Электризуются и натуральные волокна (шерсть, шелк), но в меньшей степени. Снижению электризуемости волокон (нитей) способствует повышение относительной влажности воздуха, покрытие волокон масляной пленкой или антистатическими препаратами в виде гигроскопических солей, полиалкоголей, мыла, катионоактивных и других веществ. Кроме того, используются ионизационные установки на пути движения волокон (нитей) для разноименной их электризации. Электризуемость оценивается следующими параметрами: − напряженностью электрического поля (Е); − поверхностной плотностью заряда (σ); − линейной плотностью заряда (τ). Диэлектрические потери волокон (нитей) бывают двух типов: дипольносегментальные и дипольно-групповые. За характеристику диэлектрических потерь в волокнах (нитях) принят тангенс угла потерь, выражающий потерю электрической мощности переменного тока за счет превращения ее в тепловую. Диэлектрическая проницаемость волокон (нитей) (диэлектрическая постоянная) – одна из важнейших характеристик электрических свойств.

Диэлектрическая проницаемость, как и тангенс потерь, зависит от структуры волокон, их влажности и частоты переменного тока. Электрическая проводимость волокон (нитей) характеризует процесс перемещения электрических зарядов в результате действия внешнего электрического поля. Текстильные волокна (нити) в подавляющем большинстве являются диэлектриками, и им присущи основные закономерности диэлектрических материалов. Электрическая прочность (Е) – величина, численно равная напряженности однородного электрического поля, при котором происходит пробой диэлектрика с разрушением его структуры. Электрическая прочность нитей необходима при использовании их для изоляционных плетеных или тканых материалов. 5.3 Механические свойства волокон и нитей Механическими свойствами волокон и нитей, как и любых тел, называются такие свойства, которые определяют отношение волокон и нитей к действию приложенных к ним сил. Механические свойства являются самыми важными, так как они влияют на поведение волокон при обработке и на свойства окончательного продукта. Под действием сил волокна и нити деформируются, а иногда разрушаются. Вместе с тем, эти силы действуют непрерывно – при переработке, использовании и даже при хранении волокон и нитей. Изучение механических свойств показывает, каким образом волокна и нити деформируются и разрушаются под действием сил. Изучение механических свойств осуществляется экспериментальными методами, обобщение результатов проводится на основе теорий разрушения и деформирования, т. е. теорий упругости, высокоэластичности, пластичности. Механические свойства волокон (нитей) зависят от их строения и от составляющих их веществ, однако проявляются они в зависимости от характера действующих на них сил (напряжения). Приложение сил вызывает перемещение в волокнах (нитях) составляющих их веществ, которое позволяет обнаруживать свойства волокон (нитей). Силы могут прилагаться по разным направлениям и, следовательно, вызывать деформации различных типов – растяжение, изгиб, кручение и т. д. Они могут быть различны по величине и поэтому вызывать неодинаковые деформации, в том числе разрушающие, а также действовать в течение разного времени и с разной кратностью, т. е. с разным числом чередующихся нагрузок и «отдыхов» после них. К механическим свойствам волокон (нитей) относится их способность реагировать на такие деформации как растяжение, сжатие, кручение, изгиб, трение и цепкость, изнашивание. При определении механических свойств

волокон и нитей на основе экспериментальных данных в текстильном материаловедении используют более 50 характеристик. Растяжение. При изучении механических свойств волокон (нитей) наибольшее значение имели исследования их растяжения. Это объясняется тем, что форма волокон и нитей (малые поперечные размеры и значительная длина) часто вызывает такой характер приложения к ним сил, при котором в них возникают деформации растяжения. При растяжении различают полуцикловые разрывные, полуцикловые неразрывные, одноцикловые и многоцикловые характеристики. При экспериментальном изучении растяжения чаще всего получают полуцикловые разрывные характеристики, доводя образцы до разрушения. При растяжении образцов волокон (нитей) до разрыва определяется ряд характеристик. Основными из них являются разрывная нагрузка (Рр) и абсолютное полное разрывное удлинение – (lр), которое представляет собой приращение длины растягиваемого образца к моменту его разрыва и выражается в единицах длины (обычно в миллиметрах). Относительное полное разрывное удлинение (εр) (разрывное удлинение) определяется отношением (lp) к начальной (зажимной) длине растягиваемой нити (Lo). Разрывное удлинение определяется на разрывных машинах. Следующая характеристика определяется величиной работы, затрачиваемой внешней силой на растяжение образца. Работа разрыва (Rр) – это работа, совершаемая внешней силой при растяжении образца. Она показывает, какое количество энергии затрачено на преодоление энергии связи между частицами структуры этого образца при его разрушении. В исследовательской практике иногда используют характеристики, получаемые при однократном растяжении текстильных материалов без доведения их до разрушения. Подобные характеристики целесообразно применять для оценки нагрузок (или удлинений), которым подвергаются волокна (нити) в технологических процессах (например, процесс перематывания и др.). Иногда используется такое понятие как относительная жесткость материала (Е): E = P (ε ⋅ S ) , (5.2) где S – площадь поперечного сечения. В последние годы при изучении растяжения волокон и нитей все чаще используются одноцикловые характеристики, получаемые при испытаниях материала без доведения его до разрушения. Многочисленные исследования натяжения нитей в различных технологических процессах (перематывание, ткачество) показывают, что нитям при переработке редко сообщаются усилия и удлинения, превышающие 30–45 % разрывных характеристик. Полная деформация текстильных материалов слагается из обратимых (упругой и эластической) и необратимой (пластической) видов деформаций.

При упругой деформации под действием внешней силы происходят небольшие изменения средних расстояний между частицами полимеров, составляющих текстильные волокна, между соседними звеньями и атомами в макромолекулах. Эластическая деформация возникает вследствие того, что под действием внешней силы происходят изменения конфигураций макромолекул полимеров, составляющих волокна. В случае с пластической деформацией под действием внешней силы происходят необратимые смещения звеньев макромолекул на довольно большие расстояния. Все составные части полной деформации при приложении внешней силы начинают развиваться одновременно но с различными, присущими им скоростями. В практику испытания текстильных материалов все шире входят методы оценки их механических свойств многократным растяжением. Такие методы хорошо отражают изменения структуры текстильных материалов, в частности волокон и нитей, при многократных силовых воздействиях. Использование этих методов тем более целесообразно, что нити и, следовательно, составляющие их волокна, в процессах переработки и использования подвергаются именно таким воздействиям. Так, нити основы при изготовлении ткани на ткацком станке подвергаются тысячам, а порой и десяткам тысяч циклов растяжений с частотами 3–4 Гц и более. При многократном растяжении в волокнах и нитях происходят сложные изменения структуры, а значит и изменения механических свойств. Результаты этих изменений имеют различный характер на разных стадиях растяжения. При многократном растяжении структура большинства волокон и нитей изменяется, при этом различают три фазы. В первой фазе, происходящей обычно во время десятков и сотен циклов растяжений, в основном имеют место изменения тех их структурных элементов, которые мало взаимодействуют с окружающими элементами. При этом в большинстве случаев превалирует процесс ориентации и структура волокна улучшается. При дальнейшем многократном растяжении улучшения структуры уже не происходит и начинается вторая фаза. В этой фазе, если структура волокон (нитей) хорошая, а величина и частоты растяжений таковы, что они вызывают только быстрообратимые деформации, состоящие в основном из упругих и частично из быстро релаксирующих эластических компонентов, в результате воздействий не происходит существенных ухудшений структуры материала, и в итоге она остается почти неизменной. Материал выдерживает очень большое число растяжений, а развитие структурных дефектов и накопление необратимых деформаций, состоящих из медленных эластических и пластической частей, идет очень медленными темпами. Только после большого числа циклов накапливается некоторая необратимая деформация и начинается третья фаза. В

этой фазе уже сравнительно быстро протекает процесс ухудшения, расшатывания структуры. Если волокна и нити имеют очень плохую структуру, элементы которой мало связаны между собой, или, если структура хорошая, но растяжение осуществляется с большими деформациями, вторая фаза может отсутствовать и сразу начинается третья – утомление. Если воздействия чрезмерно велики и разрушение наступает через несколько циклов, то вообще нет оснований говорить об утомлении. Характерный признак его – постепенное расшатывание структуры – в этом случае отсутствует. Многоцикловые характеристики, с помощью которых оценивается влияние на волокна и нити многократного растяжения, следующие: выносливость, остаточная циклическая деформация, предел выносливости, сдвиг фаз между усилием и деформацией. Выносливость (пр) – число циклов растяжения, которое выдерживает материал до своего разрушения. Эта же характеристика, но выраженная временем (tр), в течение которого производились многократные растяжения, называется долговечностью. Относительная остаточная циклическая деформация (εцо) – деформация, накапливающаяся в течение некоторого числа непрерывно прилагаемых к образцу материала (нити) циклов (например, к числу циклов до разрыва). Она выражается отношением накопившейся при испытании деформации (lоц) к зажимной длине (Lоц). Предел выносливости (εв) – наибольшее значение заданной циклической деформации, при которой выносливость образца нити имеет очень большие значения (порядка 105 и более циклов). На все рассмотренные характеристики нитей (пряжи) существенное влияние оказывают температура и влажность. Сжатие. Текстильные волокна в массе и нити часто подвергаются деформации сжатия. При переработке волокон они сжимаются между различными валами, цилиндрами и другими органами машин. Волокна испытывают сжатие в сформированных из них нитях, а нити – в паковках, изделиях (в ткани нити основы и утка). Характеристики, получаемые при сжатии волокон, могут служить для выявления их структурных особенностей, а также коррелируют с обрывностью в различных технологических процессах. Основными характеристиками сжатия являются: полуцикловые, одноцикловые и многоцикловые характеристики. В качестве основной полуцикловой характеристики волокон (нитей) принимается относительная деформация сжатия (εсж). Интересны результаты сжатия волокон за полный цикл. Различают следующие составные части деформации сжатия: - быстрообратимая часть деформации (условное значение упругого компонента) hy = h1 – h2;

-

медленнообратимая часть деформации (условное значение эластического компонента) hэ = h2 – h3; - остаточная часть деформации (условное значение пластического компонента) hn = h3 – h0. При этом высоты образца: ho – начальная, h1 – в сжатом состоянии, h2 – непосредственно после освобождения от давления, h3 = hк – после отдыха. Компоненты относительной деформации εу, εэ и εп определяются делением соответствующих высот на ho. В настоящее время малоцикловые деформации сжатия недостаточно изучены, исследования ограничивались лишь 5–10-кратным сжатием. Кручение. Волокнам и нитям нередко приходится испытывать деформации кручения, в основном при формировании первичных и вторичных нитей. Этот вид деформации редко возникает в чистом виде, так как волокна и нити не будучи монолитными и изотропными при приложении крутящего момента располагаются по винтовым линиям, вследствие чего одновременно испытывают значительное растяжение, особенно в наружных слоях, где радиусы винтовых линий больше. Таким образом, испытание на кручение волокон и нитей представляет собой испытание на сложное сопротивление – на кручение и растяжение. К характеристикам кручения относятся полуцикловые и одноцикловые. К одноцикловым характеристикам относятся прочность нити к скручиванию и крутящий момент. За характеристику прочности нити к скручиванию принимают дополнительное число кручений на единицу длины (Кд), которое необходимо сообщить нити, чтобы закрутить ее до обрыва в ту же сторону, в которую дана начальная крутка (Кн). Характеристикой, определяемой без доведения образцов до разрушения, является крутящий момент. Он зависит от материала волокна или нити, их поперечного сечения и числа кручений. Одноцикловые характеристики определяют жесткость при кручении (С, Нм/рад) – это физическая характеристика, представляющая собой коэффициент пропорциональности между крутящим моментом и относительным углом закручивания, равный, если форму нити считать цилиндром, произведению модуля сдвига (G) (модуля упругости второго рода) на полярный момент инерции (Ip). Многократное закручивание-раскручивание волокон и нитей изучено мало. Изгиб. Волокна и нити постоянно претерпевают деформации изгиба. Их сравнительно малое сопротивление этому виду деформации приводит к тому, что они очень легко изгибаются и располагаются не прямолинейно, а изогну-

то. Различные волокна и нити при приложении изгибающих сил деформируются по-разному. Изгиб оценивается полуцикловыми, одноцикловыми и многоцикловыми характеристиками. Из полуцикловых характеристик, получаемых без доведения волокон или нитей до разрушения, следует отметить гибкость (деформацию изгиба конца консольного образца), выражаемую стрелой прогиба (f). Из одноцикловых характеристик определяют сминаемость и жесткость. Под сминаемостью понимают способность нити сохранять деформированное состояние, т. е. расположение участков, соседних с местом изгиба, под некоторым углом. Сминаемость является следствием возникновения в нити остаточной деформации, состоящей из медленно исчезающих эластической и пластической частей. При деформации изгиба нить сопротивляется изменению своей формы, что характеризуется жесткостью. Жесткость при изгибе (В, Нм/рад,) – коэффициент пропорциональности между изгибающим моментом и кривизной оси нити. Она выражается произведением модуля продольной упругости (Е) на момент инерции (I) сечения нити относительно нейтральной оси. Жесткие, неподатливые нити сопротивляются изгибу, плохо перерабатываются, легче рвутся. На жесткость волокон и нитей очень большое влияние оказывает их форма. Выше они рассматривались как круглые цилиндры. Если же формы их поперечных сечений отличаются от круга, то соответственно изменяется момент инерции. Многоцикловые деформации при изгибе представляют существенный интерес, так как волокна и нити их часто испытывают, вследствие чего возникает утомление. Многократный изгиб дает более интенсивное расшатывание структуры, причём обычно на малом конкретном участке образца, где он осуществляется. При испытании на многократный изгиб определяется выносливость – число циклов двойных изгибов, требуемых для разрушения испытуемого образца. Значение трения и цепкости в текстильных материалах и в технологических процессах их переработки очень велико. Благодаря трению и цепкости, удерживаются друг около друга отдельные волокна, из которых состоят пряжа и различные текстильные изделия. Трение – сопротивление, возникающее при относительном перемещении в плоскости касания двух соприкасающихся тел, находящихся под действием нормального давления (нагрузки). Если нагрузка равна нулю, то сила трения также равна нулю. Цепкость – сопротивление, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел при нулевом нормальном давлении. Когда

нагрузка равна нулю, цепкость не равна нулю, а представляет собой конечную величину. При совместном проявлении трения и цепкости все сопротивление в целом следует именовать тангенциальным. Трение представляет собой явление, обусловленное двумя факторами: преодолением механического зацепления и молекулярного взаимодействия. Усилие, необходимое для разрушения связи внедрившихся элементов двух соприкасающихся поверхностей, зависит от скорости приложения нагрузки и скорости скольжения. Вследствие пластичности происходит как бы искусственное выравнивание неровностей поверхности тела. В связи с этим при упругоэластопластическом контакте величина силы трения при повышении скорости скольжения переходит через максимум. Изнашивание волокон и нитей представляет собой процесс ухудшения показателей свойств, вызываемый постепенным разрушением структуры материала под действием различных факторов. Изнашивание принято делить на три вида: истирание, утомление, старение. Такое деление связано с особенностями использования этих материалов и видами испытываемых ими воздействий. Истирание представляет собой изнашивание текстильного материала под действием трения, возникающего при его соприкосновении с другими твердыми телами, более жесткими, чем текстильные. По отношению к текстильным материалам они являются абразивами. Однако волокна и нити также могут играть роль абразива по отношению друг к другу, если они контактируют между собой при относительном перемещении. Истирание обычно сопровождается некоторым уменьшением массы материалов, которое зависит от длительности изнашивания и возникает в связи с отделением частиц изнашиваемого материала. Утомление является результатом многократного деформирования. Существенных потерь массы при утомлении обычно не наблюдается. Старение возникает в результате деструкции материалов под действием физико-химических процессов, связанных с воздействием газов (например, кислорода воздуха), световых лучей, различных видов излучений, изменением температуры (нагревание или охлаждение). Комплексное воздействие нескольких из перечисленных факторов также нередко имеет место. Типичным примером может служить действие трех факторов, вызывающих старение, которое возникает в атмосферных условиях: совместное действие кислорода, температуры и света. Такой комплекс носит название «светопогода». Износостойкость (износоустойчивость, носкость) характеризует способность материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях эксплуатации или при испытаниях. Результат изнашивания часто называют условным термином «износ». Основные факторы износа можно разделить на следующие группы: − физико-химические: действие света, атмосферы, воды, пота, моющей

жидкости, высоких и низких температур и др.; − механические: истирание, утомление от многократных деформаций и др.; − биологические: разрушение микроорганизмами и повреждение насекомыми; − комбинированные: действие светопогоды, стирки, истирания с утомлением и пр. Для различных текстильных материалов причины износа неодинаковы. Износ волокон и нитей от истирания исследуют реже, чем изделий, и ограничиваются обычно только исследованием истирания. В первом приближении можно принять, что истирание волокон и нитей разными абразивами происходит в результате поверхностного истирания, микросрезания и выдергивания волокон из пряжи или частей элементарных нитей из комплексной нити. Исследования показали, что высокой стойкостью к истиранию обладают нити, имеющие большие прочность на разрыв и эластичность, но низкий модуль жесткости и низкий коэффициент трения. Износостойкость обычно оценивается числом воздействий того или иного вида, приводящих к разрушению материала (выносливостью к изнашиванию), или временем, в течение которого эти воздействия осуществлялись (долговечностью). По стойкости к истиранию волокна и нити располагаются от наиболее стойких к менее стойким ориентировочно в следующем порядке: полиамидные, полиэфирные, полиакрилонитрильные, хлопчатобумажные, вискозные, ацетатные, шерстяные, казеиновые, фортизановые. В отдельных случаях указанный порядок изменяется в зависимости от линейной плотности волокон и условий истирания. Оценивать стойкость к истиранию для нитей разных видов и линейных плотностей следует при одинаковых абсолютных, но не относительных нагрузках на образец. Оценка выражается числом циклов истирания до разрушения, приходящихся на единицу массы или на единицу площади поперечного сечения. Хорошо отражают износ и износостойкость кинетические характеристики свойств, которые дают представление не только о начальном значении свойства, но и о его изменении в процессе эксплуатации, при истирании на приборе и т. п. 5.4 Геометрические свойства волокон и нитей К геометрическим свойствам относятся размеры и форма волокон и нитей, а основными характеристиками их размеров являются длина и толщина. Форму поперечных сечений определяют при описании структуры волокон и нитей, их распознавании, а форму продольной оси – при оценке характера

извитости. Изогнутость нитей в ткани используется для характеристики фаз строения тканей. Толщину необходимо измерять как для волокон, так и для нитей, тогда как длину и ее неравномерность – только для волокон. Длина и толщина волокон влияют на свойства вырабатываемой из них пряжи. Длина волокон (L) – наибольшее расстояние между его концами а и b в распрямленном состоянии. Наибольшее расстояние Lo между концами а и b выпрямленного волокна с сохраненными присущими или приданными ему извитками называется условно протяженностью. В массе волокон длина их неодинакова. Поэтому используют различные сводные характеристики длины и неравномерности волокон по длине, а также дополнительные характеристики. Толщина (тонина) и линейная плотность волокон и нитей Толщину волокон и нитей характеризуют линейными размерами поперечного сечения, его площадью или массой единицы длины, называемой линейной плотностью. Для обратной характеристики, т. е. тонины волокон и нитей, используют номер или показатель тонины. К характеристикам толщины и тонины волокон и нитей относятся: линейная плотность, номер, показатели толщины и тонины. Наиболее часто толщина волокон и нитей характеризуется линейной плотностью (Т). Сравнительная оценка толщины волокон и нитей по линейной плотности, а тонины по номерам правильна лишь при одинаковой плотности у сравниваемых волокон или нитей. В противном случае такую оценку необходимо давать по площади поперечного сечения или показателю толщины. При сравнении толщины волокон или нитей следует учитывать, что при одинаковом показателе толщины τ они имеют одинаковую площадь поперечного сечения, заполненную веществом, но размеры их видимого поперечника могут быть разными вследствие наличия каналов или различной плотности укладки волокон в сечении пряжи и элементарных нитей в сечении комплексной нити. От толщины пряжи и нитей зависит толщина получаемых из них изделий. Уменьшение толщины нитей значительно понижает их жесткость и жесткость вырабатываемых из них изделий. Однако при одном и том же исходном сырье более тонкая пряжа более неравномернее по своим свойствам. В зависимости от условий определения различают номинальную, фактическую, результирующую и кондиционную линейную плотность. Номинальной линейной плотностью (Тн) называют линейную плотность одиночной нити, предназначенной к выработке.

Фактическая линейная плотность (Тф) определяется взвешиванием на весах или квадранте пасм (мотков) длиной 5–200 метров, отматываемых на мотовиле. Кондиционная линейная плотность вычисляется по формуле: Tф (100 + Wн ) Tk = (5.3) , 100 + Wф где WH – нормированная влажность нити, %; Wф – фактическая влажность нити, %. В зависимости от того, какие значения линейной плотности подставляются в формулу, результирующая линейная плотность может быть номинальной, фактической и кондиционной. 5.5 Реологические свойства нитей Вязкоупругие параметры при растяжении Основными направлениями научно-технического прогресса в ткачестве являются: повышение производительности труда и оборудования, увеличение скоростного режима ткацкого оборудования, улучшение качества выпускаемых тканей. Чтобы решить поставленные задачи, необходимо научиться прогнозировать и управлять технологическим процессом ткачества, строением и качеством тканей. Вопросы прогнозирования технологического процесса ткачества в настоящее время актуальны. Необходимость уверенного предсказания возможности использования новых видов сырья при повышенных скоростных режимах работы станков стоит в ткачестве довольно остро. Это связано с интенсивным развитием производства химических нитей, а также пряжи новых способов прядения, которая по своей структуре существенным образом отличается от традиционной. Это ведет к возникновению новых особенностей механических свойств нитей, которые еще не изучены в достаточной степени. В последнее время профессором Николаевым С. Д. и его учениками разработана теория прогнозирования поведения нитей на ткацком станке и оборудовании приготовительного отдела с точки зрения их напряженнодеформированного состояния. Фундаментальные исследования по совершенствованию технологического процесса ткачества с точки зрения напряженно-деформиро-ванного состояния нитей проведены профессорами Гордеевым В. А., Ефремовым Е. Д., Букаевым П. Т., Ероxиным Ю. Ф. Но в этиx исследованияx при теоретических расчетаx использован коэффициент жесткости нитей основы и ткани, что дает лишь приближенную картину рассматриваемого явления, так

как поведение текстильныx материалов при малом и большом времени нагружения различно. Cуществующие методы расчета натяжения нитей в технологических процессах ткачества не учитывают реальных свойств нитей.

В последних работах, проведенных в МГТА профессорами Николаевым С. Д., Щербаковым В. П. и их учениками, показано, что при расчете напряженно-деформированного состояния нитей необходимо учитывать вязкоупругие параметры, так как для всех текстильных нитей зависимость между напряжением и деформацией включает время. Поэтому для описания процессов деформирования нитей целесообразно использовать теорию наследственной вязкоупругости, разработанную Л. Больцманом и В. Вольтером. Впервые при изучении напряженно-деформированного состояния нитей на трикотажных машинах Щербаков В. П., используя слабосингулярное ядро Ржаницына и его резольвенту, дает реальную картину поведения нитей в любой отрезок времени. Наибольшее развитие вопросы, связанные с напряженно-деформированным состоянием нитей в процессе ткачества с учетом фактора времени, получили в работе Николаева С. Д.

Изучению характеристик напряженно-деформированного состояния нитей, прежде всего натяжению и деформации, уделено большое внимание в работах российских и зарубежных исследователей, так как эти характеристики во многом определяют течение процессов ткацкого производства. О наличии релаксационных процессов в нитях свидетельствуют работы по текстильной технологии и текстильному материаловедению Кукина Г. Н., Соловьева А. Н., Коблякова А. И. В работаx этиx ученыx установлено, что вследствие особенностей строения полимерныx материалов для ниx xарактерно наличие треx слагающиx частей деформаций. Наряду с небольшой истинно упругой деформацией большую долю обратимой деформации в этиx материалаx составляет эластическая, медленно развивающаяся и исчезающая. Кроме того, одновременно развивается и большая остаточная необратимая деформация. Сумма этиx треx деформаций может развиваться прямолинейно, но из этого не следует, что она является полностью обратимой. Было установлено, что упругая деформация возникает потому, что под действием внешней силы происxодят небольшие изменения средниx расстояний между частицами полимеров, составляющиx текстильные волокна, между соседними звеньями и атомами в макромолекулаx. При этом

ду соседними звеньями и атомами в макромолекулаx. При этом межмолекулярные и межатомные связи соxраняются, а валентные углы немного увеличиваются. Эти изменения приводят к тому, что упругая деформация всегда вызывает увеличение объема деформируемого тела. В результате изменения расстояний между частицами в деформированном волокне накапливается упругая энергия. При освобождении от действия внешней силы происxодит исчезновение упругой деформации. Эластическая деформация возникает вследствие того, что под действием внешней силы происxодят изменения конфигураций макромолекул полимеров, составляющиx волокна, а также иx перегруппировки. Под действием внешней силы макромолекулы полимеров переxодят в более распрямленное состояние и ориентируются по направлению действия сил. Поскольку же макромолекулы взаимодействуют с соседними, а звенья одной и той же молекулы вследствие ее изогнутости взаимодействуют друг с другом, эти перемещения совершаются лишь малыми участками полимерныx молекул и вместо нарушенныx межмолекулярныx взаимодействий тотчас возникают новые. Эластическая деформация развивается во времени с небольшими скоростями. Она сильно зависит от условий, влияющиx на межмолекулярное взаимодействие. Причем объем деформируемого тела при эластической деформации не увеличивается. Пластическая деформация возникает вследствие того, что под действием внешней силы происxодят необратимые смещения звеньев макромолекул на довольно большие расстояния. Поскольку при развитии этого вида деформации в волокнаx макромолекулам приxодится преодолевать значительные межмолекулярные связи, она развивается еще медленнее, чем эластическая. В чистом виде процесс ее развития, представляющий собой течение материала, является стационарным и продолжается длительно – до разрушения. Пластическая деформация необратима.

Следует отметить, что три составные части деформации развиваются не последовательно одна за другой, а одновременно, xотя и с различными скоростями. После прекращения действия силы одновременно начинают исчезать обе обратимые части деформации, но, естественно, с разными скоростями. Соловьев А. Н. показал, что величину Е в приложении к текстильным материалам нужно рассматривать как модуль относительной жесткости. По закону Гука σ = ε Е, откуда Е = σ / ε. Поскольку σ = Р / S, где Р − усилие, а S − площадь поперечного сечения, то Р / S = ε Е, откуда Е = Р / (S ε). Отношение Р/ε в теории упругости принято называть жесткостью материала, а поскольку в формуле в знаменатель вxодит еще величина S, получается, что

жесткость в этом случае отнесена к площади, то есть является относительной. Если дать волокнам или нитям малые удлинения и на короткое время, то деформация будет почти полностью обратимой и притом, в основном, упругой. Вычисление модулей для такиx условий допустимо. Подобные модули часто называют начальными, имея в виду то, что они получены для начальныx условий растяжения. При использовании волокон и нитей им часто приxодится претерпевать кратковременные и небольшие растяжения. В этиx условияx для приближенныx и простыx расчетов зависимости между деформацией и напряжением может быть рекомендован закон Гука с использованием начальныx модулей. Применение модулей продольной упругости для большиx растяжений, осуществляемыx в течение длительного времени, когда доля упругой деформации в полной деформации мала, по существу теряет смысл, и модуль может рассматриваться как отношение напряжения к соответствующему полному удлинению. Применение подобныx модулей малооправдано, поскольку иx значения различны как для разных напряжений, так и для одинаковыx, но при повторныx нагруженияx. В условиях деформирования нити имеют различную деформацию. Как известно, мгновенный модуль упругости при различном деформировании может изменяться. С. Д. Николаев на большом экспериментальном материале показал, что для большинства текстильных нитей в области деформирования нитей модуль упругости практически не изменяется. Вот почему для описания напряженно-деформированного состояния нитей можно использовать наследственную теорию вязкоупругости.

Используя теорию наследственной вязкоупругости Больцмана, Николаев С. Д. выявил особенности поведения текстильныx материалов и дал математическое описание напряженнодеформированного состояния нитей основы и утка на ткацком станке. Математическая зависимость между напряжением и деформацией имеет вид:

()

ε t =

()

σ t E

()

1 t + ∫ K t − τ ⋅ σ τ dτ , E0

()

(

t

) ()

(

) ()

σ t = E ⋅ ε t − E ∫ Гд t − τ ⋅ ε τ dτ , 0

(5.4)

(5.5)

где ε – деформация нитей; σ – напряжение нитей; Ε – мгновенный модуль упругости; t – время наблюдения; τ – время, предшествующее моменту наблюдения; К(t – τ) – функция влияния; Г(t – τ) – функция влияния. Эти соотношения можно рассматривать как взаимообратные, поскольку одно из них является решением другого, являющегося интегральным уравнением Вольтера II рода. Если проводить простейшие испытания вязкоупругих нитей при постоянных нагрузках, то принцип Л. Больцмана можно трактовать следующим образом: деформация в момент времени t, возникая в результате действия напряжений в предыдущие моменты времени, является суммой деформаций, которые наблюдались бы в рассматриваемый момент времени t, если бы каждое из постоянных напряжений действовало независимо от других. Поясним смысл функций Г(t – τ) и К(t – τ), рассмотрев процессы ползучести и релаксации. Ползучесть – медленное нарастание во времени эластической деформации материала при силовых воздействиях меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Физические характеристики полимерных материалов, обладающих ползучестью, описываются с помощью параметров, которые должны быть инвариантными для любых процессов нагружения. За такие параметры в наследственной теории вязкоупругости приняты упругие постоянные и параметры функций влияния Г(t – τ) и К(t – τ). Указанные характеристики можно получить при испытаниях образцов в заданных режимах нагружения, проще всего при испытании на ползучесть. Опыты показывают, что в начальный момент времени после нагружения полимера скорость деформации ползучести весьма велика и можно считать, что при t = 0 dε/dt→∞. Затем в течение некоторого промежутка времени скорость уменьшается; если напряжения невелики, она может стать равной нулю, что свидетельствует о прекращении роста деформации ползучести (рис. 4). Определение наибольшего напряжения, при котором ползучесть данного материала ограничена, как это показано на кривой 1 (рис. 4б), имеет важное практическое значение, так как до этого уровня можно нагружать материалы, чтобы его размеры в процессе эксплуатации не превысили заданных. При больших напряжениях (σ = σ2) через некоторый промежуток времени скорость деформаций может стать постоянной. В этом случае говорят об участке установившейся ползучести, как показано на кривой 2, после которого скорость деформации ε увеличивается практически до разрушения образца. При достаточно больших напряжениях (σ = σ3) может отсутствовать участок установившейся ползучести, как показано на кривой 3. В двух последних случаях ползучесть материала является неограниченной.

б)

а)

Рис. 4. Графики ползучести нити: а – график изменения напряжения; б – график изменения деформации

Функция К(t) должна обладать сингулярностью, то есть К(0) = ∞, так как при t = 0 dε/dt→∞, а также интеграл от К(t) должен быть конечной величиной. Функцию К(t) называют функцией скорости ползучести. Функцией же ползучести является податливость П(t). Ее связь с функцией скорости ползучести может быть выражена следующим соотношением: П’(t) = K(t) / E.

(5.6)

При постоянном напряжении σ(t) = σк уравнение ползучести принимает вид:

()

σ

ε t =

к

E

()

⎡ t ⎤ ⎢1 + ∫ K (τ ) ⋅ dτ ⎥; ⎢⎣ 0 ⎥⎦

ε t =σ

()

(5.7)

⋅п t . (5.8) к Отметим, что охарактеризовать релаксационные свойства полимерного материала по одной кривой ползучести нельзя. Для этого надо иметь семейства экспериментальных кривых ползучести при разных уровнях напряжений. В области линейных деформаций полимерных материалов функции ползучести совпадают для всех значений σк и t. Если же напряжения превышают граничные значения, кривые податливости П(t) не укладываются в узкий пучок кривых линейной области, то применение приведенных выше уравнений некорректно. В таких случаях необходимо подобрать подходящий вариант нелинейной зависимости между напряжением и деформацией во времени.

Релаксация − это процесс изменения напряжений во времени в теле при постоянной деформации. При σ(t ) = const получаем уравнение для описания релаксационных процессов:

()

σ t = Е ⋅ε

к

⎡ t ⎤ ⋅ ⎢1 − ∫ τ (t )dt ⎥. ⎢⎣ 0 ⎥⎦

(5.9)

Функция Г(t) носит название функции скорости релаксации. С ней связана другая функция – модуль или функция релаксации R(t). Между функциями Г(t) и R(t) существует функциональная связь: (5.10) R(t) = σ(t) / εк . Согласно теории интегральных уравнений Вольтера II рода, связь между функциями скорости релаксации и скорости ползучести можно записать в следующем виде: t Г t − К t = ∫ К t − τ Г τ dτ . 0

() ()

(

)()

(5.11)

Эта связь позволяет по одной из известных функций, например по Г(t), найти другую − К(t). В теории интегральных уравнений функцию Г(t) называют ядром уравнений, а функцию К(t) − его резольвентой. На рис. 5 показаны кривые релаксации напряжений. Во всех случаях выполняется следующее условие: dσ dt t → ∞

= 0.

(5.12)

Поэтому функция Г(t) также должна быть сингулярной. При линейной деформации полимерного материала кривые модулей релаксации R(t) совпадают или укладываются в узкий пучок, ширина которого обусловлена разбросом эксперимента.

а)

б) Рис. 5. Графики релаксакции нити:

а – график изменения деформации; б – график изменения напряжения

Кривые функций скоростей ползучести К(t) и релаксации Г(t) можно построить по данным дифференцирования экспериментальных кривых ползучести и релаксации. Однако ошибки субъективного характера, которые возникают при построении, приводят к неверным результатам. Поэтому на практике целесообразно использовать аналитическую форму записи функций влияния, содержащих несколько параметров, которые подлежат экспериментальному определению. При решении практических задач в качестве функций влияния часто используют экспоненциальное ядро. Математически это можно написать следующим образом: − βt

(5.13) , где А и β – параметры функции влияния; е – основание натурального логарифма. Однако использование таких ядер при изучении технологического процесса ткачества не может дать достаточно хороших результатов, так как экспоненциальная функция не описывает процесс в начальный период времени, где принимает конечное значение. В настоящее время известны и другие функции релаксации и ползучести для устойчивых процессов деформирования. Эти функции подбираются таким образом, чтобы учесть наличие бесконечно большой скорости деформирования или релаксации в начальный момент нагружения, когда t → 0, и конечную функцию процесса: ε = const, ε = 0 или σ = const, σ = 0. Это позволяет с помощью одних и тех же функций решать задачи и статического, и динамического типа с нагрузками, быстро меняющимися во времени, для любого времени наблюдения. В расчетной практике наибольшее применение нашли функции, предложенные Ю. Н. Работновым, А. Р. Ржаницыным, М. А. Колтуновым. Ядро Ю. Н. Работнова для описания процесса релаксации имеет вид: α Г (t) = t / γ (1 + α ) , (5.14) Г (t) = A ⋅ e

где α – параметр материала; γ(1+α) – гамма-функция аргумента (1+α), причем (1+α) > 0. Резольвента этого ядра, известная как Эα – функция Работнова, имеет вид: n β n t n( 1 + α ) (5.15) , K(t) = t ∑ [ ( )( ) ] γ α n + 1 1 + 0 где α и β – параметры материала. Ядро релаксации А. Р. Ржаницына имеет вид:

Г (t) = Ae

− βt α − 1 t

(0 < α < 1, β > 1) ,

(5.16)

где А, α и β – параметры материала. Резольвента этого ядра получена М. А. Колтуновым в виде: − βt n Aγ( α ) n t nα e (5.17) , K(t) = ∑ t 1 γ (nα ) где γ(α) – гамма-функция аргумента α. Последние два ядра являются слабосингулярными функциями и обеспечивают выполнение требований, предъявляемых к текстильным материалам. Пример определения резольвенты по известному ядру приведен в работах М. А. Колтунова. Для этого он использует преобразование Лапласа-Карсона. Определение вязкоупругих параметров методом логарифмических совмещений осуществлено в работах В. П. Щербакова и С. Д. Николаева. Для использования этого метода при определении параметров сингулярного ядра и резольвенты, а также модуля упругости, необходимо иметь достаточное количество кривых релаксации напряжения или ползучести деформации, для чего требуется большое количество таблиц. Такие таблицы и кривые функции известны и приводятся в специальной литературе. В силу вышеуказанного методы являются весьма трудоемкими. На кафедре ткачества Московского государственного текстильного университета им. А. Н. Косыгина разработан более простой метод. Сущность его заключается в том, что измеряется нагрузка при заданной деформации во времени. Нить основы или утка на универсальной разрывной машине доводится до деформации ε (ε = 1% обычно), машина останавливается и далее через определенные промежутки времени фиксируется нагрузка. Графики изменения деформации и напряжения во времени даны на рис. 6 и 7. t1 = l/v, (5.18) где l – ход нижнего зажима машины; v – скорость нижнего зажима. Время t2, t3, t4 определяется при помощи секундомера. Если измерение проводится на разрывной машине ФП–10, то можно записать экспериментальную кривую релаксаций на диаграммную бумагу. Зная скорость бумаги, легко можно найти значения нагрузок σ1, σ2, σ3, σ4 во времени t1, t2, t3 и t4.

Рис. 6. График изменения деформации нити при испытании на разрывной машине ФП–10

Рис. 7. График изменения напряжения при испытании на разрывной машине ФП–10

Деформацию ε можно определить по формуле

ε = l/ L,

(5.19)

σ = p /S ;

(5.20)

где L – длина образца (обычно 500 мм). Напряжение нити можно определить, зная нагрузку Рi по показаниям машины и Si – площади сечения нити. i

i

i

2

2

S = πd / 4 = 0, 001πc T / 4 , (5.21) где d – диаметр нити; Т – линейная плотность нити; с – коэффициент, зависящий от вида волокнистого состава нити. Взаимосвязь σi и εi можно записать в виде:

σ = 1

σ

2

⎡ E ⋅ ε ⎢t ⎢1 ⎣

t ⎤ 1 − ∫ Г t − τ τd τ ⎥ ;

(

)

0

t2 = σ − E ⋅ ε ⋅ ∫ Г τ dτ ; 1 t

()

⎥ ⎦

(5.22)

(5.23)

1

σ

3

t3 = σ − E ⋅ ε ⋅ ∫ Г τ dτ ; 1 t

()

1

(5.24)

σ

t4 = σ − E ⋅ ε ⋅ ∫ Г τ dτ . 1 t

()

4

(5.25)

1

На основе найденныx границ изменения мгновенного модуля упругости при различном нагружении проф. Николаев С. Д. установил, что при изучении теxнологического процесса ткачества достаточно использовать линейную теорию вязкоупругости. Для дальнейшиx расчетов, необxодимыx для описания напряженно-деформированного состояния нитей в ткачестве, им получены упрощенные формулы для расчета вязкоупругиx параметров и приведены данные расчетов для текстильныx нитей различного волокнистого состава. t

α 1

(

⋅ σ −σ 2

) ( −t

3

α 2

⋅ σ −σ 1

) ( +t

3

(

α

⋅ σ −σ

3

)

1

2

)

(5.26)

= 0;

σ ⋅α ⋅ α +1 E =

1

⎤ ⎡ ε ⋅ (α + 1) ⋅ α − A ⋅ t 1 ⎥ ⎦ ⎣⎢ α

(

(

)

A=

β

⎛α G ⋅ (α + 1) ⋅ ⎜ t 1 ⎝2

−t

α 1

⎞+ ⎟ ⎠

(

(5.27)

)

α ⋅ α +1 ⋅ σ −σ 1

;

2

σ −σ

⎛ α ⎞ ⎛ ⎜ t − tα ⎟ ⎞ ⎜ 4 1 ⎟⎟ = σ −σ + E ⋅ A⋅ε ⋅⎜ ⎜ α ⎟⎟ ⎜ 4 1 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎠ ⎝

1

)

⋅t

2

α

(5.28)

;

1

⎛ α ⎜ t − tα 4 1 E ⋅ A⋅ε ⋅⎜ ⎜ α +1 ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎟. ⎟ ⎟ ⎠

(5.29)

Итак, в результате решения системы четырех уравнений сначала находим величину α. Решение представленного уравнения возможно методом приближений – методом проб. На ПЭВМ оно может быть решено методом половинного деления. Затем находим величину А, далее –мгновенный модуль упругости Е и величину β. Многочисленные расчеты показали, что при изучении явлений, происходящих с текстильными материалами во времени 0< t < 0,5, достаточно знать один член уравнения, а во времени 0,5 < t < 1 – два члена. Исходя из этого, система примет следующий вид: −t

α 2

(

⋅ σ −σ 1

) ( +t

3

α

3

⋅ σ −σ 1

2

)

= 0;

(5.30)

E =σ

⎡

1

⎣

⎛ ⎞ A = α ⋅ ⎜σ − σ ⎟ 2⎠ ⎝ 1

β

⎛ σ ⎜ 4 = ⎜ E ⋅ε ⎝

⎤

ε ⋅ ⎢1 − A ⋅ t α α ⎥ ;

(

4

α

)

σ ⋅ t α − σ ⋅ tα ;

A ⋅ tα −1+

(5.31)

⎦

1

1

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

2

2

1

⎛ A ⋅ tα + 1 ⎞ ⎜ 4 ⎟. ⎜ α +1 ⎟ ⎝ ⎠

(5.32)

(5.33)

Анализ формул позволяет сделать следующие выводы: 1. Параметр А оказывает существенное влияние на релаксационные процессы как при малом периоде наблюдений, так и при большом. Причем при увеличении параметра А они протекают интенсивнее. 2. Параметр функции α оказывает значительное влияние на релаксационные процессы. Особенно это влияние ощущается при малом времени. Причем при уменьшении α они протекают быстрее. 3. Параметр функции β практически не оказывает влияния на релаксационные процессы при малом времени наблюдений. Вязкоупругие параметры при сжатии Используя данную методику, можно определить вязкоупругие параметры нитей при сжатии. Нити основы и утка в тканых армирующих каркасах изменяют свои размеры и конфигурацию. Под сжатием нитей в ткани будем понимать изменение площади поперечного сечения нити, а под смятием – изменение диаметров по горизонтали и вертикали. Следует отметить, что вопросам вязкоупругого сжатия в тканях вообще не уделялось должного внимания. В ряде научных исследований имеются сведения об изменении диаметра нитей в ткани, но эти данные получены эмпирическим путем при анализе микросрезов уже выработанных тканей. Функциональные зависимости по расчету размеров поперечного сечения нитей в тканях отсутствуют. В работе предложена методика расчета таких размеров. На рис. 8 показан характер изменения поперечных размеров нити, если принять упругую модель. На нить 1 действует сила нормального давления N1 от действия противоположной системы нитей, на нить 2 – сила нормального давления N2, причем N1 > N2. При этом будут выполняться следующие условия: если d1 = d2, то d1г > d2г, d1в > d2в, σ1 > σ2, где d1 и d2 – диаметры нитей 1 и 2; d1г и d2г – диаметры нитей 1 и 2 по горизонтали; d1в

и d2в – диаметры нитей 1 и 2 по вертикали; σ1 и σ2 – площади поперечного сечения нитей 1 и 2.

d1г

d1в

d1г

d1в

N1 > N2 d1 = d2 d1г > d2г d1в < d2в S1 < S2 Рис. 8. Изменение поперечных размеров сечений нитей в упругой модели

В реальных условиях при действии сил нормального давления процесс протекает во времени. На рис. 9 показан характер изменения поперечных размеров сечения нити при вязкоупругой модели. При различном времени наблюдения t1, t2, t3 и t4 изменяются диаметры нитей: d1 < d2г, d < d2в, d2г < d3г, d2в > d3в, d3г > d4г, d3в < d4в. В этом случае при времени от t1 = 0 до времени t2 действует постоянная сила нормального давления N. При упругой модели взаимосвязь между напряжением и деформацией нити при сжатии можно представить следующими соотношениями: (5.34) σc = εc ⋅ Ec ,

Ec = N /( Sc ⋅ εc ) = N /(1 − εc ) ⋅ S ,

(5.35)

где σc – напряжение нити при сжатии; εс – деформация нити при сжатии; Ес – мгновенный модуль упругости нити при сжатии; Sc – начальная площадь поперечного сечения нити; S – текущая площадь поперечного сечения нити. При вязкоупругой модели нитей взаимосвязь между напряжением и деформацией нитей при сжатии можно выразить следующими соотношениями: – при постоянном напряжении

εc =

⎡ t ⎤ ( ) + 1 K τ d τ ∫ ⎢ ⎥; Ec ⎣ 0 ⎦

σc

– при постоянной деформации

(5.36)

⎡ t ⎤ σc = Ec ⋅ εc ⎢1 − ∫ Г (τ )dτ ⎥ ; ⎣ 0 ⎦

(5.37)

где К(τ) и Г(τ) – функции влияния, физический смысл которых такой же, как и при растяжении.

d1г

d1в

d2г

d2в

d3г d3в

Рис. 9. Изменение поперечных размеров сечений нитей в вязкоупругой модели

Для определения вязкоупругих параметров при сжатии целесообразно использовать приспособление д. т. н. Э. А. Оникова. Но он наблюдал за изменением только диаметра нити по вертикали, при этом нить считалась абсолютно упругой. Нами же наблюдалось во времени изменение диаметров как по вертикали, так и по горизонтали. Схема устройства дана на рис. 10. В устройстве нить 1, зажатая одним концом в неподвижном зажиме 2, огибает пластину 3 и ролик 4. На правом конце нити 5 укреплен зажим с грузом Р. Положение пластины 3 относительно зажима 2 и ролика 4 позволяет создать изгиб нити и силу давления на нить. Поперечник нити измеряется с помощью микроскопа по шкале окулярмикрометром. Пластина 3 является органом, имитирующим нить противоположной системы. Устройство позволяет изменять положение пластины относительно зажима и ролика и ее толщину. Положение пластины определяется строением исследуемого тканого армирующего каркаса, а толщина пластины – линейной плотностью нитей.

Рис. 10. Принципиальная схема устройства:

а – для определения вязкоупругих параметров при сжатии и смятии нитей; б – для измерения поперечника нити по шкале окуляр-микрометра микроскопа

Для описания процесса деформирования нитей при сжатии авторы предлагают использовать то же самое ядро А. Р. Ржаницына и его резольвенту, полученную М. А. Колтуновым, которые применялись ранее при описании растяжения нитей. Метод определения вязкоупругих параметров при сжатии аналогичен методу определения вязкоупругих параметров при растяжении. Анализ экспериментальных данных позволил установить, что в тканых армирующих каркасах выполняется следующее соотношение:

f =

εв d − dв = , εг d − dг

(5.38)

где εв, εг – деформации сечения нити по вертикали и горизонтали, соответственно. С увеличением силы нормального давления N увеличивается диаметр нити по горизонтали, уменьшается диаметр нити по вертикали, уменьшается площадь поперечного сечения нити, увеличивается деформация нити при сжатии и смятии. При определении вязкоупругих параметров необходимо использовать метод логарифмических совмещений. При этом необходимо проанализировать кривые ползучести деформаций сечений нитей по вертикали и горизонтали. В результате проведения научных исследований на кафедре ткачества Московского государственного текстильного университета определены вязкоупругие свойства текстильных нитей различного волокнистого состава. В табл. 3 представлены вязкоупругие параметры при растяжении, а в табл. 4 – при сжатии. Эти параметры, как указывалось ранее, получены экспериментально.

Таблица 3

Вязкоупругие параметры нитей при растяжении Волокнистый состав и вид текстильной нити Хлопчатобумажная пряжа: одиночная одиночная шлихтованная крученая крученая шлихтованная Шерстяная пряжа, крученая Лавсановые комплексные нити Вискозная пряжа Капроновые комплексные нити Стеклонити комплексные Углеродные комплексные нити типа «олилон»

Е, МПа

А

α

β

1050–1200 2000–3000 1300–1500 2500–3500 1500–1600 9000–9800 4500–5000 4000–4500 70 000

0,030 0,025 0,034 0,030 0,021 0,038 0,029 0,031 0,034

0,10 0,11 0,12 0,13 0,05 0,07 0,05 0,05 0,40

0,20 0,15 0,18 0,14 0,10 0,09 0,15 0,20 0,24

20 000

0,017

0,24

0,05

Таблица 4

Вязкоупругие параметры нитей при сжатии Волокнистый состав и вид текстильной нити Хлопчатобумажная пряжа: одиночная одиночная шлихтованная крученая крученая шлихтованная Шерстяная пряжа, крученая Лавсановые комплексные нити Вискозная пряжа Капроновые комплексные нити Стеклонити комплексные Углеродные комплексные нити типа «олилон»

Е, МПа

А

α

β

150–160 200–250 170–180 280–300 200–220 350–400 280–300 260–300 20 000

1,15 1,10 1,30 1,25 1,40 1,35 1,35 1,35 1,20

0,05 0,10 0,12 0,13 0,05 0,07 0,05 0,05 0,40

0,30 0,30 0,18 0,14 0,10 0,09 0,15 0,20 0,24

6 000

1,08

0,24

0,05

В табл. 5 приведены значения коэффициента Пуассона v и объемных модулей упругости В текстильных нитей различного волокнистого состава. Таблица 5 Коэффициент Пуассона и объемные модули упругости Волокнистый состав и вид текстильной нити Хлопок Шерсть Вискоза Лавсан Капрон

v

В

0,40 0,42 0,44 0,44 0,44

1800 2000 13 000 27 000 8500

6. КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ТКАЧЕСТВЕ 6.1 Методы технического контроля

Правила приемки поступающей пряжи Для определения внутрипаковочных дефектов пряжи отбирают не менее 10 паковок, при этом допускается использование паковок, отобранных для других испытаний. Паковки отбирают поровну от каждой упаковочной единицы. Для определения фактической влажности нитей паковки отбирают по возможности из средней части тары, из частей, соприкасающихся со стенками тары. Число паковок, отбираемых для испытания, зависит от массы партии. При массе партии до 5000 кг отбирают 5 паковок и 10 паковок при большей массе партии. При получении неудовлетворительного результата испытаний хотя бы по одному показателю проводят повторное испытание по этому показателю удвоенного количества паковок, отобранных из новых единиц упаковки. Результаты повторных испытаний являются окончательными и распространяются на всю партию. При определении линейной плотности пряжи количество проб для испытаний принимают в зависимости от длины ее в пасме. Если длина пряжи в пасме с одной паковки составляет 100 м, то число проб для одиночной и крученой пряжи должно составлять 3 и 2 соответственно. При длине пряжи в пасме 50 м число проб должно составлять 5 и 3 соответственно для одиночной и крученой пряжи. При определении линейной плотности пряжи для каждого отобранного сновального вала, ткацкого навоя отбирают пучок пряжи, удалив верхний слой нитей, и отматывают пучки пряжи во всю ширину сновального вала, ткацкого навоя длиной около 1 м. При определении разрывной нагрузки и разрывного удлинения отбирают 10 проб с одной паковки и 50 проб с одного пучка для одиночной пряжи, а для крученой пряжи – 5 и 25 проб соответственно. Испытания проводят на разрывных машинах. Шкалу нагрузок разрывной машины подбирают так, чтобы средняя разрывная нагрузка испытуемой пряжи находилась в пределах 20–80 % максимального значения шкалы. Разрывное удлинение одиночной пряжи определяют одновременно с разрывной нагрузкой. Расстояние между зажимами разрывной машины принимают равным 500 мм. Скорость опускания нижнего зажима подбирают таким

образом, чтобы средняя продолжительность растяжения до разрыва была в пределах 10+1 с. Предварительная нагрузка на нить составляет 0,5 сН/текс. При определении крутки пряжи с каждой паковки отбирают по 3 пробы. Нить заправляют в зажимы круткомера при предварительном натяжении, величина которого зависит от линейной плотности пряжи. Перед началом испытаний с паковки отматывают от 1 до 10 м пряжи, а между отдельными испытаниями – от 1 до 3 м, не допуская ее растягивания и раскручивания. За фактическую крутку принимают среднее арифметическое значение всех первичных результатов, пересчитанное на 1 м.

Методы технического контроля параметров ткачества Скорость ткацких станков. Скорость ткацких станков проверяют тахометрами со шкалой от 500 до 1000 мин–1, либо с помощью счетчика числа оборотов главного вала и секундомера. Результаты замеров скорости станков записывают в специальном журнале. Ежемесячно на основании записей в журнале подсчитывают среднюю арифметическую скорость станков по каждой марке, артикулу ткани, комплекту и в целом по производству. Контроль обрывности основы и утка на ткацком станке. Для выявления станков, имеющих повышенную обрывность, используют два метода: метод цветных подвязок для основы (без выявления причин) и метод непосредственных наблюдений за обрывами по причинам для основы и утка. Чаще всего используется второй метод. По результатам подсчета количества обрывов на всей длине суровой ткани, выработанной на станке за время наблюдения (час, смена и т. д.), могут быть определены станки, имеющие повышенную обрывность, указаны её причины. Мастер вместе с помощником мастера устраняет причины повышенной обрывности нитей на станках, принимая меры к повышению производительности ткацкого оборудования. Контроль плотности ткани по утку. Контроль плотности ткани может осуществляться как непосредственно на ткацком станке, так и при проверке физико-механических свойств тканей в лабораторных условиях. Контроль плотности ткани непосредственно на станке можно осуществлять с помощью ткацкого глазка или счетчика числа оборотов главного вала. На работающем ткацком станке в момент окончания движения последней цифры на счетчике около опушки ткани наносят метку в виде короткой линии. Через некоторое время работы станка (1–3 мин.) наносят вторую метку опять же в момент окончания движения последней цифры счетчика. После этого записывают показания счетчика в момент нанесения меток и измеряют расстояние между метками с точностью до 1 мм. Плотность ткани по утку (число нитей на 1 дм) определяют по формуле: (n − n1 )⋅ K ⋅100 , Py = 2 (6.1) l

где n1, n2 – показания счетчика в момент нанесения меток; К – коэффициент, показывающий число оборотов главного вала за время прохождения одной цифры счетчика; ℓ – длина ткани между метками, мм. Полученные результаты сравниваются с номинальными значениями плотности, указанными в нормативно-технической документации. В случае отклонения фактической плотности от номинальной принимаются меры по устранению отклонений. Контроль качества основ и ткани на ткацких станках. Контроль включает в себя подсчет на основах хомутов и перекрещенных нитей, определение правильности заводки нитей в кромках, ширины ткани, наличие в ней пороков. Результаты осмотра основ и полотен являются основанием для принятия мер по устранению выявленных недостатков, а сами результаты заносятся в журнал.

Контроль правильности наладки механизмов на станках Ламельные основонаблюдатели. Контроль состоит в выявлении количества неработающих ламельных приборов в процентах от общего количества проверенных станков. Работу механических основонаблюдателей проверяют в трех местах каждой рейки – в обоих краях и в середине. При попадании ламели между зубьями подвижной и неподвижной реек ламельный прибор должен сбивать пусковую ручку. Таким образом, для проверки правильности работы прибора при двух рейках ламелью искусственно вызывается 12 остановов станка. Работу электрических основонаблюдателей проверяют с помощью шаблона из ламели в двух любых местах ламельной рейки. Общее число контрольных испытаний на станке – 2 при п рейках в приборе. Перед началом контроля необходимо вынуть стержень, соединяющий рейки. Контрольное испытание проводят следующим образом: во время работы станка шаблонламель надевают вырезом на проверяемую рейку и затем отпускают. При останове станка производят его пуск и проводят следующее контрольное испытание. Работа недосечного механизма на автоматических ткацких станках. Контроль проводится на остановленном оборудовании. Вилочку вводят в зацепление с молоточком и поворотом главного вала станка отводят в сторону грудницы. В это время под действием недосечника подающая и задерживающая собачки выключаются и освобождают храповик. Последний под действием натяжения основы должен повернуться в обратном направлении и отпустить ткань на установленную величину. Если выключения подающей и

задерживающей собачек не произошло, то недосечный механизм не работает и требует регулировки. Проверка работы боковой уточной вилочки производится на работающем станке. Сначала выводят из-под действия вшибателя две шпули путем поворота храповика автомата смены шпуль. Затем нажимают рукой на петлю вилочки и производят подряд три вкладки. Если после третьей вкладки станок не остановился – устройство тройного действия не работает, механизм требует регулировки и наладки. Проверка челноков. При приемке смены и в течение рабочего дня состояние челноков проверяют ткач, помощник мастера и сменный мастер. Лаборатория также систематически проводит осмотр челноков на каждом станке, в каждом комплекте. При проверке выявляют тупые и забитые мыски; заусенцы и забитые места в деревянной части челнока; случаи неправильного износа стенок челнока; неисправные заводные машинки и другие устройства; случаи повреждения челноков вшибателем и т. д. Неисправные челноки должны быть исключены из работы. Проверка прокладчиков утка. Состояние прокладчиков утка проверяет помощник мастера. Проверка контролером лаборатории предусматривает систематический осмотр прокладчиков на каждом станке, в каждом комплекте. При проверке выявляют силу сжатия пружины прокладчика специальным прибором СТД-024 или другим аналогичным. Для пряжи небольшой и средней линейной плотности усилие сжатия пружины должно составлять 1,7 ± 0,11 Н, а для пряжи высоких линейных плотностей – 1,9 ± 0,1Н. Мысок прокладчика утка может иметь заусенцы, которые необходимо удалить. Эта неисправность возникает из-за неправильной работы боевого механизма (сильный бой) и слабого торможения в приемной коробке. Сомкнутые губки пружины прокладчика по всей ширине не должны иметь просвета. Линия сомкнутых губок должна совпадать с осью прокладчика. Допустимая величина отклонения составляет +0,15 мм. Раскрытие губок (при толщине раскрывателя 6 мм) должно составлять 4,4–4,6 мм. Контроль заправки основы на станке осуществляют в соответствии с Правилами технической эксплуатации и установленными на предприятии технологическими планами выработки тканей. Для проверки выбирают работающий станок и оценивают общее его состояние: чистоту, качество смазки и ремонта, число зубьев сменной шестерни в товарном регуляторе, качество установки ремизок, берда, шпаруток, правильность установки заправочных параметров. Кроме того, на станках AT проверяют правильность установки щечек челночных коробок и начало боя,

на станках СТБ – правильность зазоров между бердами, направляющей гребенкой батана и улавливателями-зажимами механизма кромкообразования. Установку берда и щечек челночных коробок на станках проверяют по линейке и угольнику в соответствии с Правилами технической эксплуатации. При проверке качества установки ремизок и берда путем осмотра выявляют случаи изгибов основных нитей при прохождении через галева ремизок и бердо, а также случаи перегибов нитей основы через склиз батана. Особое внимание должно быть обращено на чистоту зева. Кроме того, при проверке выявляют случаи неправильной установки шпаруток по высоте и глубине станка. Заправочные параметры проверяют с помощью измерительной линейки и шаблонов. Значения параметров сопоставляют с принятыми в технологическом плане ткачества. Проверка заступа. Величину заступа контролируют при каждом обороте главного вала станка путем измерения расстояния от опушки ткани до берда в момент, когда ремизки, которые согласно рисунку переплетения меняют свое положение, находятся на одном уровне. Разница в величинах заступа не допускается. Проверка начала боя осуществляется измерением расстояния от опушки ткани до берда в момент начала движения гонка. Проверка высоты зева контролируется при заднем положении батана путем ее измерения по берду в первой и последней ремизках (бесчелночные станки), по берду и у передней стенки челнока (челночные станки). Проверка расположения ламельного прибора и скала по высоте и глубине производится с помощью шаблонов. Полученные значения параметров заправки сравниваются с принятыми в технологическом плане ткачества. От этих параметров зависит форма зева и его размеры. 6.2 Шаблоны и приборы для контроля технологических параметров Шаблон системы В. Ф. Ильичева (рис. 11) может быть использован при установке и контроле параметров заправки челночных станков. Шаблон позволяет проводить следующие измерения: А – расстояние от опушки ткани до крышки шпарутки; Б – расстояние от вершника батана до передней ремизки; В – высота зева у берда при заднем положении батана; Г – величина заступа; Д – расстояние от склиза батана до грудницы при переднем положении батана; Е – размер прихлопа; Ж – величина выхода челнока с правой стороны станка; 3 – величина выхода челнока с левой стороны станка; И – расстояние между ценовыми палочками; К – расстояние между основой и склизом батана; Л – длина пластины для проверки зазора между основой и склизом батана; М – толщина шаблона; Н – высота основания шаблона; О – высота вы-

ступа угольника; а – угол для проверки челнока; β – угол для установки щечки челночной коробки относительно берда.

Рис. 11. Шаблон системы В. Ф. Ильичева

Для проверки положения отдельных механизмов бесчелночного ткацкого станка в конструктивно-заправочной линии используется шаблон, показанный на рис. 12. Он представляет собой горизонтальную линейку, на одном конце которой закреплена неподвижная опора, на другом – подвижная. Сверху на линейке находится уровень. Неподвижную опору шаблона ставят на грудницу, подвижную – на скало или ламельный прибор. Горизонтальное положение шаблона проверяют по уровню. При помощи этого шаблона можно измерить глубину передней и задней частей зева, проверить положение основонаблюдателя, положение скала относительно грудницы. Шаблон, представленный на рис. 13, также может быть использован для установки и контроля технологических параметров на автоматических ткацких станках. С помощью этого шаблона можно проверить начало боя, величину заступа, положение ремиза, основонаблюдателя и другие заправочные параметры. Приняты следующие обозначения: П – начало боя, расстояние от опушки ткани до берда в момент начала боя; К – величина заступа; Л – расстояние между вершником батана и передней ремизкой при заднем положении колена главного вала станка; М – размер для установки по высоте кронштейна подвижной системы скала; Н – размер для установки центра скала относительно крышки подшипника ткацкого навоя; п – положение основонаблюдателя по высоте (для измерения этого параметра шаблон кладут на грань кронштейна 3, при этом основание шаблона должно касаться верхней части кронштейна Б), Р – расстояние по горизонтали между гранями кронштейнов Б к В (пользуясь этим размером, устанавливают основонаблюдатель по горизонтали).

Главными элементами конструктивно-заправочной линии (КЗЛ) на станке СТБ являются: скало, ремиз, опора ткани (ложная грудница) и грудница.

а)

б) Рис. 12. Шаблон-линейка для установки конструктивно-заправочной линии ткацкого станка: а – общий вид; б – составляющие прибора с размерами

Скало и ламели могут изменять свое положение в вертикальном и горизонтальном положениях, опора ткани и ремиз – в вертикальном направлении.

Положение грудницы на станке СТБ постоянно (в отличие от ее положения на станках других конструкций). Опору ткани можно перемещать в вертикальном направлении и регулировать высоту, угол зева и профиль КЗЛ. Над уровнем бруса батана опора ткани может располагаться на расстоянии 43–49 мм. Зазор между верхней ветвью основы и гребенкой принимается равным 2 мм, зазор между пружинными скобками на крышке транспортера и нижней плоскостью основы – 5 мм.

Рис. 13. Шаблон-линейка для контроля технологических параметров ткацкого станка

На рис. 14 высоты верхней h1 и нижней h2 частей зева у глазков галев ремиза относительно опушки ткани определяются из следующих уравнений: h1 = (Y1 + 2 )

X 4 − X1 , X 3 − X1

(6.2)

h2 = (Y2 − 5)

X 4 − X1 , X 2 − X1

(6.3)

где Y1 – высота гребенки над опорой ткани при заднем положении батана (Y1 = 54 – Y) мм; Х4 – расстояние от опоры ткани до глазка галева i-ой ремизки, мм; Х1 – расстояние от опоры ткани 1 до берда 2 в переднем положении, мм; Х3 – расстояние по горизонтали от опоры ткани до наивысшей точки гребенки 4, мм; Y2 – положение опушки ткани над скобой

крышки транспортера 3, (Y2 = У – 17) мм; Х2 – расстояние от опоры ткани до задней стенки транспортера. При указанных обозначениях угол зева может быть определен по формуле: α = 2arctg

h1 + h2 , 2 ⋅ ( X 4i − X 1 )

(6.4)

где h1+ h2 = h – высота зева, мм; X4i – X1 = l – глубина зева до i-ой ремизки, мм.

Рис. 14. Конструктивно-заправочная линия станка СТБ в зоне «ремиз-опушка ткани» при трех положениях уровня ложной грудницы

На станке СТБ можно изменять положение опушки ткани по высоте, а следовательно и положение КЗЛ станка. На рис. 14 представлено положение КЗЛ станка СТБ при трех положениях высоты опоры ткани. 6.3 Приборы для измерения натяжения нитей и ткани на ткацком станке Экспериментальные методы изучения натяжения нитей и ткани на ткацком станке позволяют не только определить его величину, но и выявить характер изменения натяжения как при установившемся режиме, так и при различных параметрах процесса ткачества. Используя эти методы, можно определить изменение натяжения нитей основы по глубине и ширине заправки станка, выявить причины возникновения различных пороков в ткани, определить правильность наладки механизмов станка и согласованность их работы, найти оптимальные параметры за-

правки станка и тем самым содействовать повышению его производительности и улучшению качества ткани. Классификация приборов для измерения натяжения Все приборы для измерения натяжения можно разделить на классы и группы. Наиболее обширен класс приборов, в которых использован универсальный метод оценки натяжения по величине равнодействующей натяжения, приложенной к огибающему нитепроводнику – чувствительному элементу. Приборы такого класса подразделяются на пять групп: 1) по назначению: для измерения натяжения одиночных нитей; для измерения натяжения групп нитей; для сравнения натяжения нитей; 2) по способу получения показаний: с непосредственным отсчетом для определения среднего, наибольшего, наименьшего, среднеквадратического значений и т. д.; регистрирующие; 3) по принципу действия: механические; механико-оптические; электрические с преобразователями активного сопротивления; электромеханические; пневматические и гидравлические; 4) по числу нитепроводников: с одним нитепроводником; с двумя нитепроводниками; с тремя нитепроводниками; 5) по типу нитепроводников: с вращающимися нитепроводниками; с неподвижными нитепроводниками. Приборы механического принципа действия К приборам механического принципа действия относится НН-2. Он предназначен для периодического производственного контроля натяжения одиночных нитей. Натяжение нити указывается стрелкой на шкале с пределами измерений от 0 до 400 сН. Прибор (рис. 15) предназначен для ручного использования и снабжен двумя вращающимися нитепроводниками на опорах скольжения: направляющим (неподвижным) роликом 1 и воспринимающим (подвижным) роликом 2. Воспринимающий ролик смонтирован на подвижном рычаге, который несет зубчатый сектор, входящий в зацепление с шестерней. На оси шестерни закреплена стрелка 3, указывающая натяжение нити по градуированной шкале. Подвижный рычаг и стрелка находятся под действием пружин. Для измерения натяжения прибор заправляют так, чтобы набегающая ветвь нити огибала сначала подвижный ролик 2, а затем поступала на неподвижный ролик 1. При измерении натяжения нужно следить за тем, чтобы ветви нити, заправленной в прибор, были параллельны друг другу и перпендикулярны рычагу, на котором закреплена ось направляющего ролика.

Рис.15. Прибор НН-2 для измерения натяжения одиночной нити в динамических условиях

Приборы электромеханического способа действия Одним из представителей является переносной прибор марки УИН-2 для периодического контроля натяжения одиночной нити или группы нитей в производственных условиях. Прибор состоит из транзисторного блока, датчика натяжения одиночных нитей и датчика натяжения группы нитей. Он показывает среднюю величину натяжения и среднеквадратического отклонения. Пределы измерения средней величины натяжения для одиночной нити составляют от 0 до 0,5 Н и от 0 до 1,5 Н в зависимости от положения переключателя пределов; а для группы нитей – от 0 до 25 Н и от 0 до 75 Н также в зависимости от положения переключателя пределов. На рис. 16 показан общий вид датчика прибора УИН-2 для измерения натяжения группы нитей. Упругий элемент датчика представляет собой балку, закрепленную посередине, на противоположных поверхностях которой наклеены тензодатчики. На концах балки расположены воспринимающие нитепроводники 3 в форме роликов. Концы роликов имеют фланцы, длина роликов между фланцами 50 мм.

Рис. 16. Прибор УИН-2 для измерения натяжения одиночной нити или группы нитей в динамических условиях

При размещении датчика на нитях основы фланцы воспринимающих роликов отделяют полоску нитей шириной 50 мм. Направляющий нитепроводник 2 смонтирован на стержне и может приводиться в поступательное и поворотное движение на-

жатием рычага 4. При нажатии на рычаг нитепроводник опускается и поворачивается на 90о; в этом положении осуществляется заправка нитепроводника под нити основы. При освобождении рычага 4 нитепроводник 2 возвращается в первоначальное положение и располагается поперек основы, под действием пружины поднимается вверх, создавая обхват нитями основы воспринимающих нитепроводников. Правильное положение датчика на нитях основы обеспечивается скобами 1. При измерении натяжения нитей датчик удерживается рукояткой 5. Датчик соединен с транзисторным блоком, включающим следующие узлы: цепь уравновешивания, усилитель, генератор, фильтр, цепь получения показания средней величины натяжения и среднеквадратического отклонения, микроамперметр.

Электрические приборы для измерения натяжения Применение электронных и оптических приборов для определения натяжения нитей основы и утка, ткани в динамических условиях дает возможность более точно изучать процесс ткачества. Установка для измерения натяжения нитей и ткани (рис. 17) состоит из измерительного прибора 2 (мостик Уинстона), регистрирующего прибора (шлейфового осциллографа) 7, генератора 3, усилителя 5, детектора 6, датчика 1, тензодатчика 4 и напраляющих роликов 8, 9, 10.

Рис. 17. Установка для измерения натяжения нитей и ткани в динамических условиях

Шлейфовые осциллографы (рис. 18) широко применяются при экспериментальных исследованиях. Они имеют значительное преимущество по сравнению с механическими приборами для измерения натяжения нитей. Принцип работы шлейфового осциллографа заключается в следующем: луч света от светильника 5 через линзу 4 и калиброванную щель 3 падает на электромагнитный прибор 1, в магнитном поле которого находится шлейф 2 – тонкая проволочная петля, по которой проходит ток. На проволоке укреплено зеркальце. Луч света, отраженный от зеркальца, пройдя через цилиндрическую линзу 6, попадает на движущуюся фотобумагу 9. Одновременно отраженный от зеркальца луч, пройдя линзу 6, попадет на зеркальный барабан 8 и от него на матовый экран 7 для визуальных наблюдений. При изменении силы тока, вызванном изменением натяжения нитей, зеркальце поворачивается,

благодаря чему изменяется направление луча и на фотобумаге записывается кривая. При измерении натяжения нитей используют электрические преобразователи натяжения, которые называются датчиками. В электрических приборах для измерения натяжения нитей используют преобразователи следующих типов: активного сопротивления, ёмкостные, индуктивные, пьезоэлектрические, электромеханические. Наибольшее распространение получили преобразователи активного сопротивления – проволочные преобразователи. Проволочный преобразователь, или тензодатчик, (рис. 19) представляет собой зигзагообразно уложенную тонкую проволоку 5, наклеенную на бумажную подложку 3. К концам проволоки припаяны выводы 4 из медной фольги, а поверх проволоки наклеен защитный слой бумаги 2. Проволочный преобразователь с помощью клея закрепляется на поверхности упругого элемента 1, деформацию которого и воспринимает проволока. Деформация проволоки вызывает изменение её активного сопротивления вследствие изменения удельного сопртивления проволоки.

а) Принципиальная схема

б) Образец записи Рис. 18. Принципиальная схема шлейфового осциллографа

Преимуществами проволочных преобразователей являются их высокая чувствительность и малая масса. Проволочные преобразователи практически безынерционны, позволяют контролировать быстротекущие процессы.

Рис. 19. Схема датчика омического сопротивления

Датчик для измерения натяжения одиночной нити. На рис. 20 показана схема датчика и способ его установки на ткацком станке. Воспринимающий ролик 2 вмонтирован в упругий элемент – балочку 4, на поверхности которой закреплены тензодатчики 1 равного сопротивления. Выводы 5 тензодатчиков включены в смежные плечи измерительного моста. Использование такого датчика позволяет изучить характер изменения натяжения одиночной нити в процессе ткачества.

Рис. 20. Схема датчика для измерения натяжения одиночной нити

Датчики для измерения натяжения группы нитей основы. Для измерения натяжения груп-пы нитей можно использовать приспособления, показанные на рис. 21. В устройстве, изображенном на рис. 21а нитепроводники для одиночной нити заменены нитенаправляющими валиками 3 из легкого сплава, а жесткость и размеры упругого элемента – балочки 2 подбираются соответственно повышенной нагрузке и размерам валиков. На упругий элемент наклеены преобразователи 1. Обычно измеряется натяжение 30–50 нитей.

Рис. 21. Схемы подключения проволочных тензодатчиков для измерения натяжения группы основных нитей

Другое приспособление, которое изготовлено в двух вариантах: подвижном и неподвижном – показано на рис. 21б, в. Подвижный вариант приспособления (рис. 21б) представляет собой пластину (упругий элемент) 5, загнутую на концах под прямым углом. Проволочные тензодатчики наклеены на обеих плоскостях пластины, а выводы от них закреплены на клеммах 6, вмонтированных в панель 7, которая прикреплена к пластине. Панель и прокладки изготовлены из изоляционного материала. Нити основы 8 в количестве 10–20 с помощью скобы 4 находятся в подвешенном состоянии и опираются на загнутые концы пластины 5. В процессе работы станка приспособление перемещается вместе с нитями основы. Неподвижный вариант приспособления (рис. 21в) представляет собой систему из трех роликов 9, вмонтированных в пластину 10. С помощью гибких связей устройство закрепляется над основой в неподвижном состоянии. Выводы проволочных датчиков включаются в смежные плечи измерительного моста. Датчик для измерения натяжения уточной нити. Для анализа характера изменения натяжения уточной нити при прокладывании ее в зев может использоваться датчик для измерения натяжения одиночной нити. Датчик для измерения натяжения ткани. Конструкция датчика для измерения натяжения ткани в процессе ткачества аналогична конструкции тензодатчика для измерения натяжения нитей основы. Отличительной особенностью конструкции тензодатчика для измерения натяжения ткани является наличие упоров (игл) на концах балочки, которые необходимы для закрепления балочки на ткани. Датчик для измерения силы прибоя утка бердом к опушке ткани и величины прибойной полоски. На рис. 22 представлена схема приспособления для

определения силы прибоя утка: 1 – нижний слачок берда; 2 – проволочный датчик; 3 – угольник; 4 – консольная балочка с наклеенным на нее проволочным датчиком (в зависимости от условий обеспечения жесткости берда при прибое может быть от 6 до 12 балочек); 5 – трубка, надетая на слачок для лучшего прилегания слачка берда к измерительным балочкам; 6 – бердо; 7 – верхний слачок берда; 8 – вершник.

Рис. 22. Схема приспособления для определения силы прибоя утка к опушке ткани

При прибое уточины к опушке ткани удар берда об опушку вызывает деформацию консольных измерительных балочек; сила прибоя утка определяется реакцией, возникающей в результате действия на бердо опушки ткани в момент прибоя. На рис. 23 приведена схема измерения силы прибоя утка. Вдоль нижнего слачка берда установлены шесть балочек, на каждую из которых наклеен проволочный датчик. Датчики 1, разделенные на две группы, соединены последовательно и включены в плечи измерительного мостика Уинстона 2. Возникающий от разбалансировки моста ток при деформации балочек поступает через усилители 3 и 4 в шлейфовый осциллограф 5, где и регистрируется.

Рис. 23. Принципиальная схема измерения силы прибоя утка

На рис. 24 представлена осциллограмма совместной записи натяжения ткани и силы прибоя: а – натяжение нити в момент встречи берда с опушкой ткани; б – натяжение ткани при крайнем переднем положении берда при прибое; в – сила прибоя в момент встречи берда с тканью; г – сила прибоя при крайнем переднем положении берда.

Рис. 24. Осциллограммы изменения натяжения ткани и силы

Из рисунка видно, что натяжение ткани, достигнув известной величины (точка а), в результате действия берда уменьшается, а при отходе берда натяжение ткани опять увеличивается. Расстояние l соответствует величине прибойной полоски, т. е. перемещению берда от его встречи с опушкой ткани до переднего положения. Бердо, перемещаясь в переднее положение, испытывает увеличивающееся давление опушки, которое достигает максимальной величины в точке г. Таким образом, используя такой датчик, можно проводить исследования условий выработки ткани на станке. Датчик для отметок положения главного вала станка. При записи натяжения нитей основы или утка желательно наносить на тензограмму отметки положения главного вала станка. Сопоставление участков и точек кривой натяжения нити (ткани) за полный период или в отдельные моменты работы того или иного механизма ткацкого станка позволяет проанализировать изменение натяжения нити (ткани) в процессе ткачества. При работе с электротензометрической установкой простейшим устройством для нанесения отметок положения главного вала является коллекторный эбонитовый диск 1 (рис. 25а), устанавливаемый на главный вал станка. По окружности диска на равном расстоянии друг от друга вмонтированы медные контактные пластины 2. Обычно число пластин равно 24. Одна из

пластин сделана более широкой и служит для отметки переднего крайнего положения батанного механизма. Два медных контактных штифта 3 постоянно прилегают к поверхности диска. Штифты расположены в отверстиях эбонитовой пластинки 5 и прижимаются к диску пружинами 4.

Рис. 25. Схема датчика для измерения положения главного вала ткацкого станка

а)

А

б)

Схема включения коллекторного диска показана на рис. 25б. В электрическую цепь последовательно включены источник постоянного тока А с напряжением 4–5 В, сопротивление R универсального регулятора осциллографа и шлейф осциллографа В. При соприкосновении контактов 3 с эбонитовыми участками диска цепь разомкнута. При соприкосновении контактов с медными пластинами цепь замыкается, через шлейф проходит ток, вызывая отклонение луча в осциллографе, что фиксируется на тензограмме. При наличии 24 пластинок по окружности диска на тензограмме наносятся отметки положения главного вала через каждые 15° его поворота. Тарировка приборов для измерения натяжения нитей Для записи натяжения одиночной нити или группы нитей при использовании для этой цели приборов механико-оптического или электрического принципа действия необходимо провести тарировку прибора. Тарировка обычно сводится к нагружению измерительных устройств грузами известной массы. Схемы устройств для тарировки приборов различных принципов действия показаны на рис. 26. Измеряя массу груза G и проводя тарировку всех описанных приборов, устанавливают линейную зависимость между нагрузкой и показаниями регистрирующего устройства (осциллографа). Тарировочный график является основой для расшифровки осциллограмм натяжения нитей основы, утка или ткани.

а)

б)

в)

г)

Рис. 26. Схемы проведения тарировки датчика

6.4 Обрывность нитей в ткачестве Обрывность нитей в ткачестве является одним из важных показателей уровня технологии и организации производства. Большая обрывность основных и уточных нитей ухудшает качество продукции и снижает производительность труда. Значительная часть рабочего времени ткача затрачивается на ликвидацию обрывов. В результате расчетов, проведенных в ЦНИХБИ, было установлено, что снижение обрывности в ткачестве в 2–3 раза повышает производительность труда ткача на 60–80 %. Обрывность нитей в ткачестве зависит от целого ряда причин, основными из которых являются следующие: нарушение технологического режима, состояние нитепроводящих поверхностей, температурно-влажностные условия. Если провести многократные наблюдения за обрывностью основы и утка на ткацких станках и определить, например, число обрывов на метр продукции, то результаты каждого наблюдения будут различными даже при самом стабильном производственном процессе. Это различие вызывается наличием случайных и систематических отклонений. Случайные отклонения направлены в разные стороны от среднего уровня, а систематические отклонения – в одну сторону: или в сторону повышения средней величины, или в сторону ее уменьшения. Систематические причины можно установить на основе глубокого изучения технологического процесса. Задача контроля производства состоит в обнаружении систематических отклонений, сведении их к минимуму за счет устранения вызывающих их причин. Чтобы обнаружить систематические отклонения, необходимо знать закон распределения обрывности (случайной величины), что позволяет решить, какие отклонения от средних будут случайными и какова вероятная частота их появления.

Причины, порождающие обрывы нитей, многочисленны и разнообразны. Единая классификация причин обрывов нитей основы и утка в ткачестве отсутствует. По данным ЦНИХБИ, распределение обрывности нитей основы и утка по причинам на ткацком станке следующее: для нитей основы: слабое место в пряже 37,0 % утолщенные места, шишки 9,0 % непропряды 2,3 % всего из-за прядильных пороков 48,3 % большие узлы 19,3 % развязавшиеся узлы 4,0 % сход и выход нитей 3,3 % заклеенные нити 2,6 % всего из-за пороков, возникших в приготовительном отделе 29,2 % закрещенные нити 5,7 % пух в ламелях и ремизе 6,6 % прочие причины 10,2 % всего из-за пороков, возникших в ткацком цехе 22,5 % для нитей утка: прядильные пороки 20 % дефекты носителя утка 30 % дефекты батана 10 % прочие причины 40 % Эти данные получены при выработке миткаля и бязи. Для изучения причин обрывности нитей в ткацком производстве их целесообразно классифицировать по исходным факторам и выделить группы причин, связанные с: − колебаниями показателей качества исходных материалов и полуфабрикатов (низкое качество нитей, неровнота нитей по прочности, крутке, линейной плотности и т. д.); − погрешностями в работе оборудования (дефекты галев, берда, неровнота поверхностей и т. д.); − небрежной работой или низкой квалификацией работающих, нарушениями технологического режима; − влиянием окружающей среды (температура, влажность, освещенность). На обрывность нитей влияют многие факторы, рассмотрим влияние некоторых. Так, изменение температуры воздуха в помещении только на 4 °С вызывает изменение обрывности основных нитей в 1,5–2 раза. При увеличении влажности в помещении обрывность основных нитей падает, однако по-

вышенная влажность воздуха может отрицательно влиять на здоровье работающих. Часто даже при выработке одинаковой ткани на однотипных станках на одном и том же предприятии величина обрывности основных нитей может быть различной. При различном диаметре навивки основных нитей на навое обрывность, как правило, неодинакова. Так, при срабатывании навоя обрывность увеличивается. Это вызывается изменением натяжения основы. Изменяется обрывность основы и в различные периоды работы ткача. При работе в ночное время обрывность основы увеличивается. Вероятно, физиологические особенности организма человека также должны учитываться при анализе причин обрывности основы. Свойства используемой основной пряжи также влияют на обрывность ее в ткачестве. Снижение неравномерности пряжи по разрывной нагрузке на 20–30 % приводит к уменьшению обрывности более чем в два раза. Из вышесказанного следует, что ряд систематических причин обрывности основных нитей устранить нельзя, однако их необходимо сводить к минимуму. Возникает необходимость в изучении систематических причин и разработке мероприятий по их ликвидации. Например, можно выявить и устранить такие систематические причины, как низкое качество материалов, несоблюдение температурно-влажностного режима в помещении. Отклонения обрывности, возникающие в результате действия случайных причин, подчиняются определенному закону распределения. Установление закона распределения обрывности имеет большое научное и практическое значение. Закон распределения случайной величины является ее полной характеристикой, определяющей возможные значения этой случайной величины и позволяющей сравнивать вероятности возможных значений. Знание закона распределения обрывности необходимо для разработки рациональной методики ее контроля, основанной на положениях теории вероятностей и математической статистики. В результате проведения научных исследований установлено следующее: − многократное растяжение основных нитей на ткацком станке не может снижать общую среднюю прочность нитей основы, так как их циклическая деформация мала; прочность нитей на ткацком станке начинает снижаться только под действием истирания; − многократное растяжение с циклической деформацией ниже предела выносливости не снижает прочности пряжи, но способствует уменьшению ее стойкости к истиранию. Это явление начинает наблюдаться уже при циклической деформации 0,25 %, с увеличением величины относительной деформации снижение стойкости к истиранию ускоряется; основная причина этого явления – различный характер связи между волокнами в центре и на пе-

риферии пряжи, относительно низкая устойчивость структуры периферийных и поверхностных областей пряжи; − многократное растяжение ускоряет снижение прочности пряжи под действием истирания, с ростом величины циклической деформации снижение прочности ускоряется; − снижение стойкости к истиранию ускоряет снижение прочности под действием истирания; особенно велико влияние этого фактора при малых деформациях, т. е. в области деформаций нитей на ткацком станке; − стойкость к истиранию слабого на разрыв участка пряжи снижается уже потому, что при растяжении зажатые в нем волокна получают относительно большие перемещения; − удлинение коротких участков пряжи зависит от прочности пряжи на этих участках, причем участки с меньшей прочностью удлиняются относительно больше; в результате даже при одном и том же натяжении нити основы по мере снижения прочности пряжи на данном участке его удлинение возрастает; − в ошлихтованной пряже снижение прочности на слабых участках происходит большей частью за счет ее пластической составляющей; с увеличением удлинения необратимое растаскивание волокон ускоренно нарастает, резко снижая сопротивляемость структуры этих участков комплексному износу; − повышенная крутка на тонких участках пряжи, замедляя падение ее прочности, вместе с тем увеличивает удлинение, что ускоряет снижение стойкости этих участков пряжи к действию многократного растяжения. Вопросами возникновения технологических обрывов на ткацком станке много занимался Л. Т. Золотаревский, который обосновал причины возникновения обрывности. Он показал, что комплексный износ порождает цепной ускоряющийся процесс: многократное растяжение снижает стойкость, а истирание (усиливаемое тем же многократным растяжением и снизившейся стойкостью) уменьшает прочность. Далее снижение прочности ведет к росту удлинения, а рост удлинения ускоряет снижение стойкости под воздействием продолжающегося многократного растяжения. Ускорившееся снижение стойкости (и усилившееся влияние многократного растяжения с возросшей деформацией) ускоряет снижение прочности под действием истирания и еще более снизившаяся прочность резче увеличивает удлинение, что интенсифицирует, поднимает на более высокий уровень следующий виток цепного процесса ослабления и т. д. Здесь следует обратить внимание на такую особенность процесса, что он может развиваться и ускоряться только лишь при одновременном воздействии многократного растяжения и истирания. Стоит одному из указанных видов износа прекратиться, при условии, что пряжа не достигла предела выносливости, процесс ослабления пряжи (нитей), вызывающий обрыв, закончится. Многократное растяжение на ткацком станке, как известно,

ся. Многократное растяжение на ткацком станке, как известно, прекратиться не может, но износ на отдельных участках от истирания может быть сокращен или сведен к минимуму. Этим можно объяснить тот факт, что в ремизе на единицу длины обрывность выше, нежели в зоне ремиз – опушка ткани. Ниже приведены данные, характеризующие распределение обрывности основных нитей по глубине заправки ткацкого станка при выработке миткаля на станке АТПР: % навой 1,8 навой – скало 1,6 скало 2,0 скало – ламели 2,9 ламели 15,6 ламели – ремиз 14,2 ремиз 38,4 ремиз – опушка ткани 23,5 Еще на навое основа испытывает многократное растяжение, на участке скало – навой натяжение основных нитей минимальное, циклическое растяжение здесь опасно только для слабых мест нитей, в которых произойдет некоторое снижение стойкости к истиранию или, что очень редко, обрыв. При подходе к скало основа начинает испытывать истирающие воздействия. Истирание основы о скало незначительное, но в местах, где стойкость снизилась, воздействие истирания усиливается. Снижение стойкости и большая напряженность волокон в слабых местах определяют уменьшение прочности под действием истирания. Именно здесь, у скало и ламелей, под действием истирания происходит некоторое снижение прочности отдельных нитей: в самых слабых местах возникают «кандидаты на обрыв» или обрыв нити. Однако, даже при наличии цепного процесса ослабления, минимальная прочность нитей сама по себе еще не приводит обязательно к обрыву. Имеются дополнительные факторы, которые могут ускорить или замедлить возникновение обрыва. Первый фактор – это различие отдельных участков по стойкости к истиранию. Второй фактор – это интенсивность истирающих воздействий и уровень воздействия цепкости от контактов на данный участок пряжи. Третий фактор – среднее натяжение данной нити и уровень колебания натяжения, которые зависят от принятого технологического режима, конструкции ткацкого станка, технологических параметров ткачества. В глазках галев процесс ослабления нитей основы идет более интенсивно. Интенсивность истирания на данном участке обусловлена перемещением опушки ткани от процессов прибоя и зевообразования, перераспределением натяжения нитей основы в ветвях асимметричного зева. Одновременно с истиранием продолжается многократное растяжение с максимальной деформацией

нитей. Следовательно, с одной стороны, увеличивается деформация нитей основы, с другой стороны, ухудшается структура пряжи, снижается предел ее выносливости. Как только фактическое удлинение нитей или пряжи превышает предел выносливости, процесс ослабления усиливается скачкообразно, что вызывает повышенную обрывность в галевах ремиза. Поэтому уровень обрывности основных нитей определяется не упругоэластичными свойствами пряжи, а условиями работы нитей на коротких участках на ткацком станке. Решающую роль здесь играет сопротивляемость структуры именно этому комплексному износу, который в настоящее время еще не изучен в достаточной степени. При повышении крутки пряжи в области критических величин несколько снижается прочность пряжи, однако процесс ослабления пряжи в этом случае идет медленно, так как растет сопротивляемость структуры комплексному износу. В теории вероятностей и математической статистики законами распределения случайной величины называют всякое соотношение, устанавливающее связь между возможными значениями случайной величины и соответствующими им вероятностями. Для анализа обрывности основных нитей в ткачестве используются различные законы распределения. Согласно закону Пуассона, вероятность Р(х) появления обрывности на ткацких станках для каждого значения х величины X определяется в виде:

P( x) =

ax x e , X!

(6.5)

где а – средняя обрывность по всем станкам (среднее значение х); х – возможные значения (х = 0, 1, 2 ... п). Применение закона Пуассона расширяет представление об обрывности как о случайной величине. Закон Пуассона является в настоящее время теоретическим обоснованием существующей громоздкой системы контроля обрывности основных и уточных нитей в ткачестве, основанной на сопоставлении величин средней обрывности нитей. Кроме закона Пуассона, представляется интересным использование для научных исследований и производственного контроля обрывности биноминального (схема Бернулли) и нормального (Гаусса) законов. Согласно схеме Я. Бернулли, средний уровень обрывности нитей на участке, состоящем из N станков, может быть охарактеризован не средней обрывностью (а) по всем станкам, как это имеет место при законе Пуассона, а другим объективным показателем – средней вероятностью (Pтк) возникновения обрывов на этом участке за период времени (Тм) – времени наработки 1 м ткани. Эта вероятность может быть выражена уравнением

Pтк =

M тм , N

(6.6)

где Mтм – количество ткацких станков, на которых произошел обрыв нити; N – общее количество работающих ткацких станков на участке. Биноминальный закон распределения характеризуется последовательными независимыми испытаниями всегда из одного и того же количества (п) элементов выборки, при одной и той же заданной вероятности появления случайного события (Р). Вероятность (Рn(х)) появления события А равна х раз в этих п испытаниях и составляет:

Pn ( x) = cnx p x q n− x =

n! p x q n− x . x!(n − x )!

(6.7)

Из уравнения видно, что в отличие от закона Пуассона биноминальный закон распределения имеет два параметра Р и п. Поэтому представляется возможным экспериментальные распределения, полученные опытным путем, оценивать по другим параметрам и иначе решать задачи по определению вероятностей случайной величины Рп(х) при каждом ее возможном значении, в частности, исходя не из средней обрывности а, а из заданных значений Р и п. В последнее время при изучении обрывности основных нитей в ткачестве все чаще стали прибегать к нормальному распределению вероятностей. Адекватность статистической модели закономерности случайного распределения предполагает, что случайно варьирующая величина является результатом большого числа независимых, очень малых по величине воздействий, из которых ни одно не является решающим в появлении данного результата. Плотность вероятностей или дифференциальная функция нормального распределения имеет вид:

f ( x) =

1

σ x 2π

[

]

2 exp ( x − x ) / 2σ x2 .

(6.8)

Параметрами нормального распределения являются математическое ожидание (или среднее) x и дисперсия σ x . Функция нормального распределения является симметричной, асимметрия ее равна нулю, а среднее, мода и медиана равны между собой. Эксцесс кривой нормального распределения равен нулю. Сумма независимых случайных величин имеет нормальное распределение с дисперсией, равной сумме дисперсий этих величин. Среднее значение п независимых случайных величин, распределенных 2

нормально с одной и той же дисперсией

σ x2 , имеет нормальное распределе-

ние с дисперсией

σ x2 = σ x2 / n.

(6.9)

Распределение среднего независимых случайных величин, распределенных по любому закону или даже имеющих множество распределений с ко-

нечными значениями математического ожидания и дисперсии, при увеличении числа наблюдений стремится к нормальному закону. Перечисленные свойства нормального распределения позволяют эффективно использовать его при контроле технологических процессов. Согласно инструкции по техническому контролю, в ткачестве ежемесячно должна проверяться обрывность основы не менее чем на 20 % ткацких станков от общего их количества по каждому заправленному артикулу ткани в каждой марке станков. Обрывность уточных нитей проверяется одновременно с контролем обрывности основы. За обрывностью нитей в ткачестве обычно наблюдают на четырех станках не менее четырех часов. Инструкцией предусмотрено подсчитывать обрывы нитей по каждой группе причин. После контроля за обрывностью на ткацких станках подсчитывают величину средней обрывности по основе и по утку на 1 м ткани. В основу любого технического контроля производства должны быть заложены три основных принципа: профилактичность, действенность и экономичность. Профилактичность – предупреждение нарушений технологического процесса. Данные контроля должны своевременно указывать на необходимость принятия мер по регулированию и стабилизации технологического контроля. Важно не только констатировать нарушение технологического режима, а, самое главное, предупреждать их нарушение. Действенность – своевременное вскрытие причин нарушения технологических процессов. Экономичность – работа по выявлению и устранению причин нарушений технологического процесса, которая должна проводиться с минимальными затратами материальных и трудовых ресурсов. Технический контроль, основанный на этих принципах, является мощным рычагом повышения производительности труда и оборудования, качества выпускаемой продукции. Современное состояние контроля за обрывностью основных и уточных нитей в ткачестве пока еще не соответствует полностью предъявляемым требованиям. Контроль проводится через большие промежутки времени, велика трудоемкость контроля, данные контроля недостаточно используются при регулировании технологического процесса. Основной характеристикой при контроле за обрывностью является её средняя величина. Другие характеристики для анализа состояния уровня обрывности не определяются. Также не изучается тенденция изменения исследуемого признака. Для разработки научно обоснованного метода контроля за обрывностью необходимо выбрать оптимальный закон распределения обрывности, который позволит определить границы между случайными и систематическими отклонениями. Это поможет перейти от пассивной констатации обрывности к активному управлению технологическим процессом.

Многочисленными экспериментами показано, что прогнозирование обрывности утка на ткацком станке необходимо проводить по таким показателям, как разрывная нагрузка и удлинение нитей. При этом расчетные значения обрывности по этим показателям необходимо складывать. Колебания качества продукции и нарушения протекания технологического процесса вызываются различными причинами, связанными с погрешностями оборудования, неоднородностью сырья и полуфабрикатов, ошибками рабочих, колебаниями в режиме работы и т. д. Большинство причин вызывают случайные отклонения параметров технологического процесса в ту или другую сторону от заданного уровня. Кроме того, имеются и систематические причины, вызывающие отклонения от заданного уровня только в одну сторону. Задача технического контроля ткацкого производства состоит в том, чтобы обеспечить устойчивость технологического процесса, т. е. возможно более точное соответствие его запроектированному. Статистический контроль технологического процесса ткачества должен включать в себя три этапа: − предварительный анализ; − текущий статистический контроль; − последующий анализ. Предварительный анализ необходим перед началом использования статистического метода контроля. Его цель – выявить общую характеристику технологического процесса, причины, нарушающие технологический процесс: разлаженность оборудования, несоответствие качества продукции требуемому уровню, нарушение установленного технологического режима и др. При текущем статистическом контроле выявляются причины нарушения технологического процесса. Результаты контроля заносятся в точечные диаграммы с контрольными границами. Выпады точек на диаграмме за пределы контрольных линий указывают на нарушения технологического процесса и на необходимость разработки мероприятий по их устранению. Последующий статистический анализ проводят с целью выявления общих закономерностей протекания технологического процесса, положительных и отрицательных явлений в производстве, закрепления и развития первых и устранения вторых. Схематически диаграмма представлена на рис. 27. Поле диаграммы разделено пятью горизонтальными линиями: − центральная линия 1 соответствует среднему показателю обрывности; − промежуточные линии 2 и 3 – предупредительные границы, выход точек за эти границы указывает на такие изменения уровня технологического процесса, которые требуют регулирования производственного процесса в направлении его повышения;

− две крайние линии 4 и 5 являются предельными границами допускаемых колебаний уровня обрывности нитей.

Рис. 27. Контрольная диаграмма обрывности нитей

Возможны три случая расположения точек на контрольной диаграмме: 1. Между центром поля допуска и предупредительными границами – производственный процесс протекает нормально. 2. Между контрольными пределами и предупредительными границами – появились отрицательно действующие факторы, которые необходимо выявить и устранить. 3. Выходят за предельные границы поля допуска – появились систематические причины, нарушающие ход технологического процесса. При этом необходимо принятие срочных мер для устранения причин, вызвавших такое отклонение от среднего уровня. Ввиду того, что распределение обрывности при разных параметрах наблюдения подчиняется разным законам, о чем говорилось ранее, необходимо выбрать закон распределения для конкретных условий наблюдения. Согласно теории A. M. Ляпунова, при достаточно большом размере партии средние значения исследуемого параметра следуют закону нормального распределения. Для нормального закона распределения на диаграмме используются трехсигмовые контрольные пределы и двухсигмовые предупредительные пределы: X к = x ± 2σ , (6.10) X в = x ± 3σ . (6.11) Если значения a > x ± 3σ , то на станке имеют место систематические отклонения, свидетельствующиие о нарушении технологического режима, требующем внесения соответствующих корректив. Следует отметить, что появление неслучайного фактора, нарушающего устойчивость технологического процесса, можно обнаружить и раньше, чем какая-либо точка на диаграмме выйдет за контрольные пределы. О нарушениях в технологическом процессе можно судить по некоторым аномалиям точек на контрольной диаграмме (рис. 28).

Рис. 28. Различные статистические диаграммы контроля обрывности нитей на ткацком станке

Все точки располагаются вблизи центральной линии, это соответствует устойчивому технологическому процессу (рис. 28а). Если одна точка вышла за верхний контрольный предел, это говорит о неслучайности фактора, нарушающего устойчивость технологического процесса (рис. 28б); необходимо выявить причины нарушения технологического процесса и принять меры по их устранению. Если одна точка вышла за нижний контрольный предел, это свидетельствует о действии неслучайного фактора улучшения технологического режима (рис. 28в). В случае, когда несколько точек расположены выше центральной линии, ближе к верхнему пределу (рис. 28г), имеет место устойчивое ухудшение хода технологического процесса. Если несколько точек расположены ниже центральной линии, вблизи от нижнего контрольного предела, имеет место устойчивое ухудшение хода технологического процесса (рис. 28д). Беспорядочное расположение точек с сильным разбросом в обе стороны диаграммы свидетельствует о том, что действуют причины, нарушающие устойчивость технологического процесса, хотя эти нарушения пока и не выходят за пределы контрольных диаграмм (рис. 28е). Рассмотренные статистические методы контроля за обрывностью нитей в ткацком производстве профилактичны и действенны. Контрольные диаграммы очень просты и наглядны. Они могут служить средством повышения производительности труда и оборудования.

Кроме того, контрольные диаграммы с успехом могут применяться при контроле за обрывностью нитей утка на ткацких станках; при контроле за уровнем обрывности при перематывании, сновании, шлихтовании; при контроле качества полуфабрикатов, сырья и готовой продукции; а также при контроле качества суровья, количества пороков в ткани и т. д. Так как избежать обрывности в ткачестве не представляется возможным, то ее можно только снизить. Для этого следует проводить комплекс научнотехнических мероприятий: − улучшать качество пряжи и нитей, поступающих в ткацкое производство, с этой целью оптимизацию свойств и структуры пряжи и нитей необходимо проводить еще на стадии переработки волокна; − постоянно контролировать работу мотальщиц, проверять по шаблонам размеры бобин и разводку щели нитеочистителя, а также качество вязки узлов; − при сновании нитей стабилизировать уровень натяжения нити, не допускать резкой неравномерности натяжения нитей при сновании; − более тщательно подходить к шлихтованию и эмульсированию пряжи и нитей, более тщательно готовить шлихту с заранее заданными качественными показателями; − технологические операции в приготовительном отделе ткацкого производства производить при минимально возможном натяжении и истирании; − снижать интенсивность механических воздействий на нити основы на ткацком станке; − уменьшать разницу в натяжении отдельных нитей из-за утолщений, залипаний и дефектов наладки ткацкого станка; − снижать до минимально возможного натяжение при зевообразовании за счет согласования движений скала, основонаблюдателя и опушки ткани с параметрами зева и зевообразовательного механизма; − снижать истирание нитей на ткацком станке; − повышать сопротивляемость основной пряжи и нитей к различным воздействиям на ткацком станке путем оптимизации процессов в прядении, приготовительном отделе; − совершенствовать организацию производства на ткацких фабриках. Особую проблему представляет оптимизация заправки и выработки тканей на ткацком станке. Установка научно обоснованных оптимальных технологических параметров заправки ткацкого станка стабилизирует технологический процесс изготовления ткани, условия формирования ткани, характер взаимодействия основных и уточных нитей, а, следовательно, уменьшает обрывность нитей. 6.5 Использование термовидения в ткачестве

За границами видимого спектра располагаются волны, не воспринимаемые глазом: за красным спектром – инфракрасные лучи, за фиолетовым – ультрафиолетовые лучи. Инфракрасные лучи являются электромагнитными волнами с длинами от 0,76 мк до 0,3 мм. По своим свойствам они близки к красным лучам. Так же как и красные лучи, они не действуют на обыкновенную фотопластинку и оказывают химическое действие лишь в редких случаях. Их нетрудно обнаружить по вызываемому ими нагреванию тел. Хотя инфракрасное (ИК) излучение было открыто не с помощью фотопластинки, а посредством термометрического зонда, вся история его изучения тесно связана с фотографией. Под ИК-фотографией обычно понимают фотографическую регистрацию ИК-излучения, отраженного или рассеянного объектом, тогда как термография регистрирует тепловое излучение самого объекта. Для изучения изменения температуры текстильной нити использованы холестерические кристаллы (капсулированные жидкие кристаллы в виде тонких полимерных пленок, в которых герметично расположено активное вещество). Для достижения максимальной температурной чувствительности применяют жидкие кристаллы, работающие в узком температурном диапазоне (2–3 град.). Эта чувствительность позволяет наблюдать цветовые оттенки поверхности кристалла невооруженным глазом. Наибольшее распространение термовидение нашло в медицине, военной области, геологии. Самым удобным прибором здесь является дистанционный аппарат, дающий картину распределения температуры по поверхности. Видимо, разработку тепловизоров ускорила возможность военного применения термографии, и к середине 40-х годов XX столетия чувствительность этих приборов достигла уровня, достаточного для регистрации распределения температуры человеческого тела. Дальнейшее совершенствование шло по пути увеличения скорости сканирования, повышения чувствительности и разрешающей способности, использования цветового кодирования. В текстильной промышленности тепловизоры до настоящего времени не применялись. Первую попытку использования термовидения в текстильной промышленности сделал в начале 80-х годов профессор Лодзинского политехнического института Януш Шосланд со своими учениками. Рассмотрим принцип работы тепловизора. Преобразователи с оптикомеханическим сканированием используются главным образом на средневолновом участке ИК-спектра (2–15 мкм) для анализа собственного теплового излучения объектов. В данных приборах сканирование происходит перемещением объекта относительно неподвижного детектора излучения или изменением направления оптической оси объектива с помощью системы вращающихся или колеблющихся зеркал.

На рис. 29 показана структурная схема тепловизора, которая включает приемную оптическую систему 1, детектор ИК-лучей 2, сканирующую систему 3, обеспечивающую последовательный просмотр объекта по заданному закону, усилитель 4, систему развертки и синхронизации 5 и кинескоп 6. Принцип работы тепловизора заключается в просмотре по заданному закону движения поверхности объекта узким оптическим лучом, сформированным системой объектив – приемник. Обзор происходит в пределах угла поля зрения за время, которое называют временем кадра.

Рис. 29. Структурная схема тепловизора

Оптическая схема тепловизора (рис. 30) включает следующие элементы: 1 – кулачок, 2 – двигатель кадровой развертки, 3 – лампа, 4 – модулятор, 5 – фотодиод, 6 – формирователь кадрового импульса, 7 – синхроимпульс кадра, 8 – сосуд Дьюара, 9 – предварительный усилитель, 10 – приемник, 11 – формирователь строчных импульсов, 12 – строчные синхроимпульсы, 13 – фотодиод, 14 – зеркало, 15 – лампа, 16 – вращающийся барабан, 17 – приемная камера, 18 – сферическое зеркало, 19 – фокусировочный двигатель. Кадровая развертка осуществляется качающимся плоским зеркалом, строчная – вращающимся зеркальным барабаном. Узел строчной развертки обеспечивает получение 1600 строк в 1с. с помощью барабана с восемью гранями, который вращается с частотой 12000 об/мин. В узле предусмотрен блок синхронизации, который состоит из лампочки, отражающего зеркала и фотодиода. Поток света от лампочки падает на грань зеркального барабана, что соответствует началу строки; отраженный сигнал попадает на зеркало и фотодиод, с которого сигнал поступает на формирователь синхроимпульса. Фотоприемник изолирован от строчной развертки и имеет юстировочные перемещения. Рядом с фотоприемником крепится предусилитель, расположенный в кожухе с коэффициентом усиления 1500. На тыльной стороне оправы крепления большого зеркала располагаются формирователи строчных и кадровых синхроимпульсов. Приемная камера имеет визир-дальномер для наводки ее на исследуемый объект и для фокусирования объектива.

17

Рис. 30. Оптическая схема тепловизора

Схема электронной части тепловизора показана на рис. 31. Усиленный элекрический сигнал подается на промежуточный видеоусилитель с регулируемым коэффициентом усиления и полосой, а затем поступает на модулятор кинескопа прибора. Сигнал с видеоусилителя одновременно подается на блок сигнала шкалы полутонов и дискриминатор через электронный коммутатор. Блок кадровой развертки включает угол задержки, узлы защиты, формирования прямого хода, изменения обратного хода, усиления пилообразного тока, стабилизаторов. Блок строчной развертки состоит из таких же функциональных узлов, что и кадровая развертка. Тепловизор позволяет выделять на тепловом изображении объекта области одинаковых температур с помощью изотерм, высвечивающихся на кинескопе. В нижней части кадра формируется серая шкала, которая используется для измерения температуры. При этом яркость отдельных участков изображения объекта сравнивают с яркостью элементов шкалы, для которой при калибровке прибора определяют температурный перепад, соответствующий переход от белого к черному. Современные конструкции тепловизоров (фирма «АГА», Швеция) дают цветное изображение на видеомониторе; цветное изображение изменяется от красного до фиолетового в зависимости от температуры. Самые последние модели тепловизоров включают блоки цифровой памяти, имеющие интерфейс и работающие в комплексе с мини-ЭВМ. Примером такой системы служит устройство ОСКАР фирмы «АГА». Используемая магнитная запись является надежным способом хранения данных для последующего анализа.

Рис. 31. Схема электрической части тепловизора

В связи с тем, что нити основы и утка имеют малые поперечные размеры, к тепловизору необходимо добавить насадку – телевизионный микроскоп. У приставок, которые используются в комплекте с тепловизором АГА680, увеличение оптического объектива более 100. Эта приставка удовлетворяет требованиям записи динамических процессов. Частота кадров приставки составляет 16 гц. На рис. 32а.б соответственно приведены графики изменения длины волны ИК-излучения в зависимости от температуры полипропиленовой и элановой нитей. Как показывают графики, при увеличении температуры нити изменяется ее окраска на термограмме. Температура нити зависит от нагрузки, характера и времени ее действия. При этом при изменении температуры примерно на 0,3–0,5° меняется окраска нити. Обрыв нити произойдет тогда, когда нить нагреется на 2,5–3° по сравнению с первоначальной температурой. Причем смена цвета нити на термограмме, как показали проведенные исследования, зависит от приложенной нагрузки и от времени ее действия. Это позволяет перенести результаты испытаний на приборах на процессы переработки нитей, в частности на ткачество.

Рис. 32. Влияние температуры нитей на длину волны ИК-излучения: а – полипропиленовая, б – элановая

Рассмотрим изменение натяжения нити при испытании на пульсаторе (рис. 33) и изменение окраски нити на термограмме во времени (рис. 34). Изменение заправочного натяжения нити на пульсаторе изменяет распределение цветов на термограмме во времени, что свидетельствует о том, что нагрузка поразному нагревает образец, причем увеличение нагрузки ведет к увеличению температуры. Продолжительность действия нагрузки также влияет на изменение температуры. Увеличение натяжения нити на пульсаторе происходит в основном в течение 1 мин. т. е. до того момента, когда практически заканчиваются релаксационные процессы. После этого наблюдается постоянное натяжение нити, но все равно ее температура повышается.

Рис. 33. Изменение натяжения нити при ее испытании на пульсаторе

Рис. 34. Изменение окраски нити во времени при испытании на пульсаторе

Перспективность использования термовидения в ткачестве очевидна. Оно помогает контролировать правильность работы и наладки отдельных механизмов, находящихся, например, за металлическим кожухом и невидимых при простом наблюдении. Тем самым можно предотвратить крупные поломки отдельных механизмов, прогнозировать правильность их работы.

7. моделирование технологических процессов ткацкого производства 7.1 Сущность моделирования Научно-технический прогресс в текстильной промышленности представляет собой совершенствование всех аспектов производства на основе новейших достижений науки и техники, которое заключается в механизации и автоматизации производства, применении передовой технологии и новых форм организации труда, использовании математических и автоматизированных систем управления технологическими процессами на базе широкого применения вычислительной техники. Для успешного управления технологическими процессами и их оптимизации уже недостаточно знания отдельных качественных сторон процесса. Для анализа сложных технологических процессов широко применяются методы технической кибернетики. Техническая кибернетика, получающая в настоящее время все большее развитие в текстильной промышленности, – это прикладная наука, изучающая способы управления сложными технологическими системами, т. е. процессами и машинами, с помощью средств, разработанных теоретической кибернетикой. К числу этих средств в первую очередь относятся методы математического моделирования технологических процессов, которые включают методы получения математических моделей и их исследование с помощью электронных вычислительных машин. В настоящее время моделирование применяется в различных отраслях науки и техники при решении конкретных технических, экономических и других задач. Методы моделирования чрезвычайно разнообразны, однако при исследовании механико-технологических процессов в текстильной промышленности наибольшее распространение получило физическое и математическое моделирование. В последнее время активно применяется метод имитационного моделирования, отличительной особенностью которого является описание технологического процесса не системой уравнений, а алгоритмом, реализуемым в виде программы для электронной вычислительной машины. При выполнении программы машина воспроизводит протекание процесса во времени. Математические модели технологических процессов создаются в результате теоретического анализа процесса или эксперимента. Методы математического планирования эксперимента позволяют получить математические модели исследуемого процесса в реализованном диапазоне изменения уровней многих факторов, влияющих на выходной параметр процесса, наиболее экономичным и эффективным способом. Из-за сложности многофакторных технологических процессов получение математических моделей на основе теоретического анализа процесса представляет сложную задачу даже при определенных допущениях и упрощени-

ях. Математическое описание процесса базируется на тесной взаимосвязи теории и эксперимента. Эксперимент нередко помогает найти наилучший подход к аналитическому решению. В настоящее время моделирование применяется в различных отраслях науки и техники при решении конкретных технических, экономических и других задач. Методы моделирования чрезвычайно разнообразны, однако при исследовании механико-технологических процессов в текстильной промышленности наибольшее распространение получило физическое и математическое моделирование. Физическое моделирование характеризуется тем, что исследование проводится на стендах, установках, макетах или моделях, сохраняющих в той или иной степени физическую природу изучаемых явлений и процессов. Физическое моделирование имеет следующие достоинства: − более полно по сравнению с математическим моделированием воспроизводятся свойства исследуемого процесса, системы или объекта; − более просто исследование процесса по сравнению с исследованием его на реальном объекте. Недостатком физического моделирования является меньшая универсальность метода, так как при изменении параметров исследуемого процесса или при воспроизведении нового объекта необходимо переделывать или создавать заново модель, что обычно связано с большими затратами времени и средств, относительно высокой стоимостью моделей сложных объектов. Основой для построения физических моделей является теория подобия и размерностей. При математическом моделировании исследование технологических процессов проводится на модели, имеющей физическую природу, отличную от природы реального объекта или процесса. Метод математического моделирования основан на идентичности математических описаний процессов, протекающих в моделируемой системе и модели. Так, например, на принципе аналогии уравнений основано использование аналоговых вычислительных машин (АВМ), позволяющих моделировать технологические процессы различной природы процессами в электрических цепях. Процесс математического моделирования включает два основных этапа: 1) математическое описание технологического процесса, т. е. определение его математической модели; 2) исследование этой модели на АВМ или электронной вычислительной машине (ЭВМ). Математической моделью называется совокупность математических соотношений, уравнений, неравенств и т. п., описывающих основные закономерности, присущие изучаемому процессу, объекту или системе. Математическая модель может быть получена двумя методами:

1) на основе теоретического анализа процесса с использованием основных законов физики, химии и других естественных или экономических наук; 2) на основе данных активного или пассивного эксперимента с использованием методов, подробно изложенных в курсе «Методы и средства исследования технологических процессов». Математическая модель выражает соотношение между входными параметрами и выходными, то есть Y = A (X).

(7.1)

Знание математической модели процесса и объекта позволяет прогнозировать условия изготовления, строение и свойства ткани, оценить степень влияния входных факторов с целью оптимизации технологического процесса. 7.2 Методы исследования Методы получения математического описания технологических процессов и объектов подразделяются на теоретические и экспериментальные. Теоретический метод заключается в аналитическом исследовании физической сути микропроцессов с использованием общих законов физики, справедливых для данного технологического процесса, или микропроцессов с использованием уравнений материального и энергетического баланса. Второе направление теоретического метода обеспечивает получение более простого математического описания процесса. Применение чисто теоретического метода получения математической модели объекта представляет большую трудность вследствие сложности явлений, происходящих в процессах, и недостаточной степени их изученности. Однако при проектировании новых процессов и в поисковых исследовательских работах теоретический метод построения математической модели имеет часто доминирующее значение. Экспериментальный метод математического описания технологического объекта или процесса заключается в обработке экспериментальных данных, полученных непосредственно на действующих объектах производства или на полупромышленной лабораторной машине. Наиболее эффективным решением задачи получения математической модели сложного процесса является сочетание теоретического и экспериментального методов. При этом на долю теоретического метода приходится анализ в основном структурных свойств объекта и продуктов и получение общего вида уравнений, а на долю экспериментального – количественный анализ и проверка теоретических выводов. Эффективным средством экспериментального изучения объектов являются статистические методы, основанные на проведении экспериментов и

последующей статистической обработке их результатов с целью извлечения объективной информации о свойствах объекта. Экспериментальные методы получения математической модели могут быть пассивные и активные. При пассивном эксперименте информацию о параметрах объекта или процесса получают при нормальной эксплуатации объекта, без внесения каких-либо искусственных возмущений. Часто в качестве данных пассивного эксперимента используют записи в эксплуатационных журналах технологического оборудования или в журналах технического контроля, а также данные регистрирующих измерительных приборов. В настоящее время увеличилось внимание к пассивным методам исследования, основанным на статистической обработке данных. Это обусловлено наличием большой информации о процессах и объектах на производстве, относительно простой организацией пассивного эксперимента, значительным прогрессом вычислительной техники, которая обеспечивает статистическую обработку большого массива экспериментальных данных. Однако пассивные экспериментальные методы исследования не всегда обеспечивают требуемую точность определения математической модели и адекватность ее в широкой области изменения входных параметров. В данной ситуации целесообразно воспользоваться активными методами эксперимента для определения или уточнения числовых значений коэффициентов, входящих в математическую модель, т. е. целесообразно сочетать пассивный эксперимент с активным. При активном эксперименте информацию о параметрах процесса получают путем искусственного внесения возмущений, т. е. изменяют входные параметры в соответствии с заранее спланированной программой (матрицей планирования). Активные методы исследования в настоящее время разработаны значительно лучше, чем пассивные, и являются в известном смысле более универсальными, поскольку предполагают некоторую свободу в выборе диапазона изменения уровней факторов и получение более надежных результатов. Однако не всегда и не всюду возможно вносить возмущения, т. е. изменять уровень факторов при нормальной эксплуатации объекта, так как это может вызывать порчу продукции, расстройство технологического процесса и т. п. Недостаток обоих методов заключается в том, что полученные с их помощью модели приемлемы лишь в диапазоне варьирования параметров, в пределах которого были собраны экспериментальные данные. При получении статических моделей используются следующие математикостатистические методы: а) в пассивном эксперименте регрессионный анализ, корреляционный анализ, метод последовательного исключения составляющих функций;

б) в активном эксперименте классический или однофакторный план эксперимента, факторные планы – ортогональный и рототабельный, центральные композиционные планы, Д-оптимальные планы и последовательное планирование эксперимента. При получении динамических моделей объекта используют следующие математико-статистические методы: а) в активном эксперименте методы, основанные на подаче пробных возмущений известного вида; б) в пассивном эксперименте – корреляционный спектральный и динамический регрессионый анализ. Наиболее эффективным решением задачи получения математической модели сложного процесса является сочетание теоретического и экспериментального методов. При этом на долю теоретического метода приходится анализ в основном структурных свойств объекта и получение общего вида уравнений, а на долю экспериментального – количественный анализ и проверка теоретических выводов. Эксперимент играет решающую роль в получении математической модели сложного реального процесса или объекта. 7.3 Методы математического моделирования технологических процессов ткацкого производства При отыскании оптимальных условий протекания технологических процессов или при их оптимизации возникает необходимость в решении сложных экстремальных задач. Строгий научный подход к решению таких задач невозможен без математических моделей соответствующих объектов исследования, поэтому построение данных моделей должно рассматриваться как основная проблема научно-исследовательских работ. Разрешение этой проблемы на современном уровне возможно только при использовании экспериментально-статистических методов. В связи с этим большое значение приобретают математические методы, которые должны использоваться не только при обработке экспериментальных данных, но и при планировании эксперимента. Так как изучаемые явления и информация, поступающая от объекта к исследователю во время эксперимента, подвержены воздействию ряда неконтролируемых возмущений, получаемая информация носит случайный характер. Эффективным средством экспериментального изучения объектов являются статистические методы, основанные на проведении экспериментов и последующей статистической обработке их результатов с целью извлечения объективной информации о свойствах объекта. В этом случае объект рассматривают как кибернетическую систему, называемую "черным ящиком".

Планирование эксперимента – это постановка опытов по некоторой заранее составленной схеме, обладающей какими-то оптимальными свойствами. В задачу планирования эксперимента входит выбор необходимой последовательности проведения опытов, т. е. построение матрицы планирования и выбор методов математической обработки результатов эксперимента. Матрица планирования эксперимента представляет собой таблицу, в которой указаны значения уровней факторов в различных сериях опытов. Число опытов определяется задачами исследования и методами планирования эксперимента. Существует два вида планирования активного эксперимента: традиционное (классическое) однофакторное и многофакторное (факторное). В традиционном однофакторном планировании влияние входных параметров (факторов) на выходной параметр изучается постепенно, причем в каждой серии опытов меняется уровень лишь одного фактора, а все остальные остаются неизменными. Факторным планированием эксперимента называется такое планирование, при котором одновременно варьируются все факторы. Такое планирование обеспечивает достаточную точность эксперимента при меньшем числе опытов. В математической модели, получаемой на основании эксперимента с факторным планированием, каждый коэффициент регрессии определяется по результатам всех N опытов, поэтому дисперсия его в N раз меньше дисперсии ошибки опыта. Регрессионная математическая модель, получаемая по данным активного эксперимента с традиционным методом планирования, имеет следующий полиномиальный вид: M

M

2

y R = a o + ∑ a i X i + ∑ a ii X i , i=1 i=1

(7.2)

где М – количество факторов. В этом полиноме отсутствуют члены aij, хi, хj, характеризующие взаимодействие факторов. Метод определения коэффициентов регрессии ao, ai, aii, т. е. оценки истинных значений коэффициентов регрессии ao, ai, aii, на основе минимизации суммы квадратов отклонений экспериментальных значений Y от соответствующих значений YR, называется методом наименьших квадратов, или регрессионным анализом. Применение метода наименьших квадратов правомерно при выполнении следующих условий: − значение выходного параметра yu в каждом U-ом опыте матрицы планирования эксперимента представляет собой независимые, нормально распределенные случайные величины.

−

дисперсии выходного параметра в различных опытах матрицы (в различных точках факторного пространства) однородны или пропорциональны некоторой функции от xu. − значения уровней факторов не являются линейной комбинацией от уровней остальных факторов. − точность определения значений выходного параметра значительно ниже точности определения величины уровня фактора. При выполнении этих условий оценки коэффициентов регрессии будут состоятельными, несмещенными, эффективными и достаточными. Если одно или несколько из приведенных выше условий не будут выполняться, эффективность анализа значительно снижается и по найденной модели могут быть получены неверные технологические выводы. Эксперимент, реализующий все возможные неповторяющиеся комбинации уровней исследуемых факторов, называется полным факторным экспериментом (ПФЭ). Он применяется для получения регрессионной многофакторной модели (РМФМ) при исследовании локального участка факторного пространства, не соответствующего его экспериментальной части. Определение РМФМ на базе ПФЭ включает следующие этапы: 1) проведение предварительного эксперимента; 2) планирование ПФЭ; 3) нахождение условий для проведения ПФЭ; 4) проведение основного эксперимента по матрицам планирования эксперимента; 5) обработка результатов эксперимента; 6) анализ полученной модели. Эксперимент, в котором используется определенная часть опытов ПФЭ, называется дробным факторным экспериментом (ДФЭ). Этот эксперимент применяется: а) для получения РМФМ при исследовании локального участка факторного пространства, не соответствующего экспериментальной части области выходного параметра; б) на первых этапах эксперимента; в) в отсеивающих экспериментах. Применение ДФЭ позволяет ставить опыты ПФЭ последовательно отдельными блоками, учитывая при этом неконтролируемое изменение характеристик объекта во времени. Дробный факторный эксперимент эффективно применяется в следующих случаях: а) выходной параметр процесса зависит более чем от трех факторов, т. е. М > 3; б) коэффициенты регрессии тройных взаимодействий bijw или часть двойных взаимодействий bij могут быть приняты незначительными; в) исследователя интересуют только линейные члены в математической модели. Этапы операции и методы обработки результатов эксперимента, которые имеются при проведении ПФЭ, остаются также и в ДФЭ. Матрицы пла-

нирования ДФЭ чаще всего имеют ½, 1/4, 1/8 и т. д. опытов матрицы ПФЭ и называются дробными репликами. Многие механико-технологические процессы текстильной промышленности являются многофакторными, поэтому получение математической модели по данным эксперимента должно базироваться на матрице с большим числом опытов – ДФЭ или ПФЭ. Последнее удлиняет сроки и увеличивает трудоемкость решения задачи по математическому описанию процесса. Для упрощения получения и использования математической модели целесообразно включать в нее только доминирующие факторы из очень большого числа факторов и взаимодействий. Для отсеивания малозначимых факторов в практике технологических исследований используют следующие методы: − Метод дисперсионного анализа, с помощью которого степень влияния фактора на выходной параметр оценивают величиной вклада в общую дисперсию выходного параметра. При большом числе факторов (М > 7) обычная схема дисперсионного анализа не обеспечивает отсеивание факторов при небольшом числе опытов n, в этом случае применяют большое число планов (матриц) эксперимента для 1, 2 и более факторов. − Метод комбинаторного анализа (латинские и греческие квадраты, их сочетания с прямоугольниками и др.) используют для отсеивания в задачах с большим числом качественных факторов. − Методы экспериментального отсеивания факторов с насыщенными матрицами или ортогональными матрицами Плаккета и Бормана используют, если можно предположить, что наиболее сильное влияние оказывают сами факторы (линейные эффекты) и значительно более слабое – двойные взаимодействия xi xj. В этом случае применяют матрицы с числом опытов, кратным четырем. − Метод случайного баланса используют при большом числе факторов (М ≥ 7). При этом эффективность отсеивающих экспериментов повышается. Этот метод предназначен для выведения из числа исследуемых факторов x1, x2, …, xm группы доминирующих факторов x1, x2, …, xm, в наибольшей степени влияющих на оптимизируемый параметр y. Остальные m-m факторы относятся к шумовому полю вследствие малого влияния на величину y. Сущность метода случайного баланса заключается в построении матрицы планирования со случайным распределением уровней факторов, в проведении эксперимента по матрице и в специфичной обработке данных эксперимента. Эксперимент, проводимый по матрице, включающий три группы опытов, которые расположены симметрично и на разном расстоянии от центра эксперимента, называется рототабельным центральным композиционным экспериментом (РЦКЭ).

Его применяют для описания участка поверхности отклика, для которого РМФМ неадекватны; в том случае, когда исследователь в результате длительных опытов нашел оптимальную область процесса или работы объекта, т. е. достиг “почти стационарной” области функции отклика на завершающем этапе эксперимента, в котором используют метод крутого восхождения (или симплексный метод) для достижения стационарной области функции отклика. РЦКЭ проводится чаще всего с целью описания «почти стационарного» участка поверхности отклика. Определение РМФМ на базе РЦКЭ разделяется на следующие этапы: 1) проведение предварительного эксперимента; 2) планирование эксперимента: составление матрицы планирования, если предлагается осуществление повторных опытов в точках ядра и в “звездных” точках, составление плана рандомизации повторных опытов; определение условий для проведения эксперимента; проведение опытов ядра матрицы (ПФЭ или ДФЭ); 3) обработка результатов эксперимента. При описании «стационарной» экстремальной области факторного пространства не всегда возможно спланировать эксперимент на пяти уровнях, как это предусмотрено в РЦКЭ. В этих случаях проводят центральный некомпозиционный эксперимент (ЦНКЭ) по матрицам, которые представляют определенные выборки (NB строк) из ПФЭ 3M и Nц – опыты в центре эксперимента. Преимущества этих матриц следующие: эксперимент по этим матрицам проводится на трех уровнях варьирования для каждого фактора; матрица имеет меньшее число опытов (число точек в пространстве) по сравнению с матрицами РЦКЭ, строится на гиперкубе и является почти ротатабельной; большое количество нулей в створках матрицы приводит к упрощению вычисления коэффициентов регрессии. 7.4 Виды математического моделирования Аналоговое моделирование с помощью моделей прямой аналогии. В этом случае устанавливается непосредственная взаимосвязь между основными параметрами, характеризующими процессы различной физической природы. Например, перенос тепла вдоль проводника характеризуется уравнением q = – XdT/dx, а перенос электричества по проводнику – уравнением i = ydu/dx. При таком одинаковом виде дифференциальных уравнений исследователь может изучать распространение тепла на электрической модели, т. е. использовать прямое аналоговое моделирование. Работу бункера для волокнистого материала можно исследовать на электрической модели, изучая накопление зарядов в электрическом конденсаторе. Таким образом, если аналогия между двумя процессами предварительно доказа-

на, моделирование более просто для реализации и его исследование не требует математической формулировки в виде уравнений. Аналоговое моделирование с помощью моделей непрямой аналогии. Здесь для моделирования используются АВМ. При исследовании уравнений (алгебраических, обыкновенных дифференциальных и в частных производных и т. д.) математические операции выполняются различными электронными решающими устройствами, схемы соединения которых соответствуют структуре уравнений. При рассмотрении линейных динамических систем применяется аналоговое структурное моделирование. В этом случае динамическая система воспроизводится на АВМ по отдельным звеньям со структурной схемы указанной системы. Действие решающих устройств АВМ может быть описано некоторой математической зависимостью между изменением во времени его входных и выходных величин. Надо отметить, что в связи с несовершенством применяемых устройств (дрейф нуля усилителей постоянного тока, нестабильность параметров деталей и т. п.), а также погрешностями измерения снижается точность решения уравнений. Однако при исследовании технологических процессов часто и не требуется высокая точность решения, поскольку исходные данные имеют чаще всего малую точность и математическая модель процесса не представляет его точного описания. Поэтому для решения таких задач целесообразно применять недорогие и простые АВМ, обеспечивающие быстродействие, наглядность и удобство сопоставления и интерпретации результатов, получение решения в реальном масштабе времени или в любом удобном для исследователя масштабе. АВМ проще агрегировать с измерительными устройствами, устанавливаемыми непосредственно на реальном объекте или его физической модели. Быстрота решения задачи на АВМ не зависит от степени ее сложности. Для более сложных задач лишь увеличивают число одновременно работающих решающих устройств. Сложность и вид решаемых на АВМ задач зависят от типа машины и числа решающих устройств. Наконец, при моделировании на АВМ нет надобности в трудоемком специальном программировании. Цифровое моделирование. В этом случае исследование модели состоит из ряда отдельных арифметических операций с параметрами процесса, которые представляются в виде дискретных (прерывных) значений, изображаемых числами. Разработанные в настоящее время численные методы позволяют свести решение любой математической задачи к выполнению четырех арифметических действий. Действия с числами наряду с логическими операциями выполняются очень быстро на ЭВМ. Цифровые машины отличаются универсальностью, так как могут решать практически любые задачи (ограничения определяются только объемом памяти машины) при высокой точности. Точность решения повышается с использованием режи-

мов «двойная точность» и практически не зависит от точности изготовления деталей и узлов машины. Другой особенностью цифрового моделирования является необходимость предварительного специального программирования задачи. Для составления программы выполнения операций с числами и проверки ее правильности требуется много времени. Цифровые машины сложнее и дороже аналоговых. При их эксплуатации требуется высококвалифицированный персонал, обязателен и тщательный контроль работы. ЭВМ обладает большей надежностью в работе, чем АВМ. Математическое моделирование в сочетании с современными вычислительными машинами позволяет при относительно небольших материальных затратах изучить различные варианты технологических режимов, объектов и конструктивного оформления машин для принятия оптимального решения. При этом сокращается время научных исследований. Математическое моделирование в сочетании с физическим ускоряет изучение свойств процесса и объекта и расширяет возможности установления адекватных закономерностей процесса. МЕТОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ МАШИНАХ ПРИМЕНЯЮТ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СВОЙСТВ И ОПТИМИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКИ ОПИСАННЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ. СЛУЧАЙ, КОГДА ПОЛНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ОТСУТСТВУЕТ, ТИПИЧЕН ДЛЯ КИБЕРНЕТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ: ЗДЕСЬ ПРИ НАЛИЧИИ НЕПОЛНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОБ ОБЪЕКТЕ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СОЗДАЕТСЯ И ИССЛЕДУЕТСЯ. 7.5 Исследование технологических процессов ткацкого производства с использованием активного эксперимента Из опыта ранее проведенных исследований известно, что наибольшее распространение получил активный эксперимент, проводимый по сокращенным планам проведения эксперимента (матрицам). Наиболее часто применяемые матрицы планирования Коно-2 и Бокс-3 являются D-оптимальными, т. е. обеспечивают получение минимума дисперсий всех коэффициентов регрессии; композиционными и обладают свойствами униформности и рототабельности, имеют малое число опытов. Свойство униформности обеспечивает постоянство дисперсии выходного параметра на равных расстояниях от центра эксперимента. Меньшее число опытов по сравнению с матрицами РЦКЭ достигается за счет уменьшения числа опытов, имеющих равные дисперсии выходного па-

раметра. Кроме того, данные методы широко используются в ткачестве и дают хорошие результаты. При любом методе планирования эксперимента необходимо установить выходные (критерии оптимизации) и входные (факторы) параметры. Критерий оптимизации должен удовлетворять следующим требованиям: − оценивать эффективность исследуемого объекта; − быть количественно измеримым, т. е. принимать числовые значения; − определяться с достаточной точностью без больших затрат или потерь времени; − обеспечивать достаточную полноту описания объекта; − иметь простую форму и определенный физический смысл. Факторы (входные параметры) и их сочетания должны удовлетворять следующим требованиям: − изменяться по желанию экспериментатора в заданных пределах; − быть однозначными и существенными; − между ними должна отсутствовать корреляционная связь; − должны обладать свойствами совместимости; − точность замеров их должна быть достаточно высокой. Для определения нижнего и верхнего уровней варьирования (ХНi и ХВi) для входных параметров проводится предварительный эксперимент. При разработке предварительного эксперимента необходимо устанавливать максимально возможный диапазон варьирования факторов, который ограничивается нормальностью протекания технологического процесса. Методы Бокс-3 и Коно-2 позволяют получать статические математические модели процессов, используя факторное планирование, регрессионный анализ и движение по градиенту. При этом предполагается, что множество определяющих факторов задано, каждый из факторов управляем, результаты опытов воспроизводятся, опыты равноценны, решается задача поиска оптимальных условий, математическая модель процесса заранее неизвестна. 7.5.1 Метод проведения эксперимента по матрице планирования Бокс-3 Алгоритм получения математической модели по методу Бокс-3 проводится на примере получения модели по результатам эксперимента, направленного на установление зависимости прочности ткани бязь арт. 262 от заправочных параметров ткацкого станка СТБ-2-216. Анализируя ранее проведенные исследования по аналогичной тематике, проводим ранжирование факторов, определяющих технологический процесс, с целью выбора основных факторов, влияющих на выходной па- ра-

метр. В данном примере выходным параметром является разрывная нагрузка ткани вдоль нитей основы (Y, сН), так как вырабатываемая на ткацком станке СТБ2–216 ткань бязь арт. 262 используется в основном для постельного белья, и к ней предъявляются повышенные требования по прочности. В качестве входных параметров выбираем: Х1 – натяжение нитей основы, у. е.; Х2 – плотность ткани по утку, нит/дм; Х3 – заступ, град. Значения основных, верхних и нижних уровней факторов, а также интервалов их варьирования приведены в табл. 6. Таблица 6 Значения варьируемых факторов Условия проведения эксперимента

Натуральные значения i-го фактора Х2 , Х3 Х1 , у. е. нит/дм град. 12 160 10

Основной уровень фактора Хоi 4

60

Кодированные значения i-го фактора х1

х2

х3

0

0

0

1

1

1

20

Интервал варьирования фактора Ii 18

220

350

+1

+1

+1

6

100

30

–1

–1

–1

Верхний уровень фактора ХВi Нижний уровень фактора ХНi

Для проведения эксперимента с целью получения математической модели технологического процесса используется матрица планирования Бокс-3 (табл. 7). Таблица 7 Результаты проведения активного эксперимента U х1 1 2 3

+ +

Матрица планирования с кодированными и натуральными значениями факторов Х1, Х2, Х3 х2 х3 у. е. нит/дм град + + 18 220 350 + + 6 220 350 + 18 100 350

Разрывная нагрузка ткани по основе, сН YU Y1 Y2 Y3 сН сН сН сН 31,6 30,8 32,0 31,5 26,1 27,0 31,2 28,1 27,1 28,7 19,8 25,2

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Σ

+ + + 0 0 0 0

+ + 0 0 + 0 0

+ 0 0 0 0 + -

6 18 6 18 6 18 6 12 12 12 12

100 220 220 100 100 160 160 220 100 160 160

350 30 30 30 30 10 10 10 10 350 30

31,6 23,8 29,2 28,9 28,4 17,9 20,3 30,6 26,0 28,8 29,3

26,2 20,6 27,2 31,2 25,8 21,0 25,0 31,0 25,8 30,6 29,8

27,0 22,8 29,6 23,9 29,8 14,1 25,8 29,4 25,3 26,4 30,0

28,3 22,4 28,7 28,0 28,0 17,7 23,7 30,3 25,7 28,6 29,7 375,9

Обработка результатов эксперимента производится в следующей последовательности. 1. Определение дисперсии выходного параметра – суммы квадратов отклонений, деленной на соответствующее число степеней свободы

S {Y } = 2 u

∑ (Y − Y ) m

1 m −1

i =1

2

i

(7.3)

,

где m = 3 – число повторностей в опыте матрицы; N = 14 – число опытов в матрице.

[

]

2 2 2 S12 {Y } = 31−1 ⋅ (31,6 − 31,5) + (30,8 − 31,5) + (32,0 − 31,5) =

= 12 ⋅ (0,01 + 0, 49 + 0, 25 ) = 0,37;

1 ⎡ S 2 {Y } = ⋅ (26,1 − 28,1)2 + (27,0 − 28,1)2 + (31,2 − 28,1)2 ⎤ = ⎥⎦ 2 3 − 1 ⎢⎣ = 1 ⋅ (4 + 1,21 + 9,61) = 7,41; 2

[

]

1 2 2 2 ( S 2 {Y } = 27,1 − 25,2) + (28,7 − 25,2) + (19,8 − 25,2) = 3 3 −1 = 1 (3,61 + 12,25 + 29,16) = 22,51; 2

S 42 {Y } =

[

]

1 (31,6 − 28,3)2 + (26,2 − 28,3)2 + (27,0 − 28,3)2 = 3 −1 = 12 (10,89 + 4,41 + 1,69 ) = 8,50;

[

]

[

]

[

]

[

]

S 52 {Y } =

1 (23,8 − 22,4 )2 + (20,6 − 22,4)2 + (22,8 − 22,4)2 = 3 −1 = 12 (1,96 + 3,24 + 0,16 ) = 2,68;

S 62 {Y } =

1 (29,2 − 28,7 )2 + (27,2 − 28,7 )2 + (29,6 − 28,7 )2 = 3 −1 = 12 (0,25 + 2,25 + 0,81) = 1,64;

S 72 {Y } =

1 (28,9 − 28,0)2 + (31,2 − 28,0)2 + (23,9 − 28,0)2 = 3 −1 = 1 (0,81 + 10,24 + 16,81) = 13,93; 2

S 82 {Y } =

1 (28,4 − 28,0)2 + (25,8 − 28,0)2 + (29,8 − 28,0)2 = 3 −1 = 12 (0,16 + 4,84 + 3,24 ) = 4,12;

[

]

1 2 2 2 ( 17 ,9 − 17,7 ) + (21,0 − 17,7 ) + (14,1 − 17 ,7 ) = S 2 {Y } = 9 3 −1 = 1 (0,04 + 10,89 + 12,96 ) = 11,94; 2

[

]

[

]

2 {Y } = S10

1 (20,3 − 23,7 )2 + (25,0 − 23,7 )2 + (25,8 − 23,7 )2 = 3 −1 = 12 (11,56 + 1,69 + 4,41) = 8,83;

2 {Y } = S11

1 (30,6 − 30,3)2 + (31,0 − 30,3)2 + (25,8 − 23,7 )2 = 3 −1 = 12 (0,09 + 0,49 + 0,81) = 0,69;

[

]

[

]

2 {Y } = S12

1 (26,0 − 25,7 )2 + (25,8 − 25,7 )2 + (25,3 − 25,7 )2 = 3 −1 = 12 (0,09 + 0,01 + 0,16 ) = 0,13;

2 {Y } = S13

1 (28,8 − 28,6)2 + (30,6 − 28,6)2 + (26,4 − 28,6)2 = 3 −1 = 12 (0,04 + 4,00 + 4,84 ) = 4,44;

2 {Y } = S14

[

]

1 (29,3 − 29,7 )2 + (29,8 − 29,7 )2 + (30,0 − 29,7 )2 = 3 −1 = 12 (0,16 + 0,01 + 0,09 ) = 0,13.

Результаты расчета заносим в табл. 8. Таблица 8

Результаты расчетов U

YU

SU2 {Y }

SU {Y }

VRmax

VRmin

YRU

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

31,5 28,1 25,2 27,0 22,4 28,7 28,0 28,0 18,9 23,7 30,3 25,7 28,6 29,7 375,9

0,37 7,41 22,51 8,50 2,68 1,65 13,93 4,12 2,71 8,83 0,69 0,13 4,44 0,13 78,1

0,61 2,72 4,74 2,92 1,64 1,28 3,73 2,03 3,46 2,97 0,83 0,36 2,11 0,36

0,98 0,93 0,89 3,36 1,02 0,84 1,03 1,06 1,14 0,52 1,01 1,00 1,14 1,00

1,38 0,88 1,37 0,86 1,32 1,41 1,32 1,30 1,14 1,37 1,30 1,33 1,25 1,33

27,7 30,1 24,9 27,4 24,9 27,3 27,7 30,1 19,5 21,9 28,0 28,0 29,1 29,1

Σ

YU − Y RU (Y − Y U

3,8 -2,0 0,3 0,4 -2,5 1,4 0,3 -2,1 -0,6 1,8 2,3 -2,3 -0,5 0,6

RU

)2

14,44 4,0 0,0,9 0,16 6,25 1,96 0,09 4,41 0,36 3,24 5,29 5,29 0,25 0,36 46,19

2.

Исключение резко выделяющихся значений Рассмотрим эту операцию при анализе первого опыта матрицы при когда Уmax = 32,0, Уmin = 30,8. Расчет проводится с помощью критерия Смирнова-Грабса по формулам

U=1,

V R max = V R min = где S{Y} =

V

⎛Y −Y ⎞⎟ ⎜ i ⎝ max ⎠

m

S{Y}

⎛Y ⎜ ⎝

m −1

−Yi min ⎞⎟ S{Y}

m

⎠

m −1

,

,

(7.4) (7.5)

S 2 { Y } = 0 ,37 = 0 ,61 .

R max

=

(32,0 − 31,5)

3

0,6

3 −1

= 0,98 ,

( −30,8) 3 = 1,38 . V R min = 31,50,6 3 −1 По приложению 1 находим табличное значение критерия СмирноваГрабса Vт[PD = 0,95; m = 3] = 1,412. Так как VRmax < Vт и VRmin < Vт, то рассмотренные значения Уmax = 32,0, Уmin = 30,8 не являются резко выделяющимися и остаются для дальнейшей статистической обработки. 3. Проверка гипотезы об однородности дисперсии в опытах матрицы Если число повторностей в опыте одинаково для всех опытов в матрице, то для проверки однородностей дисперсий применяется критерий Кочрена, расчетное значение которого определяется по формуле

GR =

2 Sumax N

∑ S {Y } u =1

,

(7.6)

2 u

S2umax

– максимальная дисперсия выходного параметра; U – число опы22,51 = 0, 2882. тов; SU2 {Y } – сумма всех дисперсий. G R = 78 , 1 U =1

где

N

∑

Расчетное значение критерия Кочрена GT сравнивается с табличным

[

{ }

]

(приложение 3) при G T PD ; N ;f S2u = m −1 . Если GR < GT, то дисперсии Su2{У} однородны и проведенный эксперимент обладает свойством воспроизводимости. GT [PD = 0,95; N = 14; f = m – 1 = 2] = 0,3924 − 0,3346 = 0,3346 + ⋅ (15 − 14 ) = 0,3539 . 15 − 12 Так как GR < GT, то гипотеза об однородности дисперсии в опытах матрицы не отвергается, все опыты равноточны и воспризводимы.

4.

Среднеквадратичная дисперсия выходного параметра Средняя дисперсия характеризует средний разброс значений выходного параметра относительно его средних значений при каждом уровне факторов, т. е. ошибку опытов в эксперименте.

S

2 (1 )

{Y } =

1 N

N

∑ S {Y }. 2 u

u =1

(7.7)

Число степеней свободы дисперсии воспроизводимости определяется по формуле f S 2 {Y } = N ⋅ (m − 1) = 14 ⋅ (3 − 1) = 28. (7.8)

{

}

S 2 {Y } =

1

⋅ 78,10 = 5,58. 14 5. Определение коэффициентов регрессии проводится по следующим формулам: 1 14 1 8 ⋅ ∑ Yu + ⋅ ∑ Yu bo = − (7.9) 4 u =9 16 u =1 N m N 2 или bo = 0 ,40625 ∑ Yu − 0 ,15625 ∑ ∑ x ⋅ Yu , (7.10) u =1 i =1 u =1 iu N

bi = 0 ,1 ∑ x ⋅ Y u , u =1 iu N

bij = 0 ,1250 ∑ xiu ⋅ x ju ⋅ Yu , u =1 bii =

8 1 14 1 14 2 ⋅ ∑ Yu − ⋅ ∑ Yu + ⋅ ∑ x ⋅ Yu , 16 u =1 4 u =9 2 u =9 iu 1

(7.11) (7.12) (7.13)

или m N N N 2 bii = 0,5 ⋅ ∑ x ⋅ Yu − 0,09375 ⋅ ∑ ∑ x 2 ⋅ Y − 0,15625 ⋅ ∑ Yu , u =1 u =1 iu i = 1 u = 1 iu u

(7.14)

где b0 – свободный член уравнения; bi – линейные коэффициенты; bii – коэффициенты двойного взаимодействия факторов; bij – коэффициенты переменной во второй степени. В примере расчет производится по формулам (7.9), (7.11), (7.12) и (7.13).

1 ⋅ (31,5 + 28,1 + 25,2 + 2,83 + 22,4 + 28,7 + 28,0 + 28,0) + 16 1 1 1 + (17,7 + 23,7 + 30,3 + 25,7 + 28,6 + 29,7 ) = − ⋅ 220,2 + ⋅ 155,7 = 25,16; 4 16 4 b0 = −

b1 = 0,1⋅ [(+ 1) ⋅ 31,5 + (− 1) ⋅ 28,1 + (+ 1) ⋅ 25,2 + (− 1) ⋅ 28,3 + (+ 1) ⋅ 22,4 + + (− 1) ⋅ 28,7 + (+ 1) ⋅ 28,0 + (− 1) ⋅ 28,0 + (+ 1) ⋅17,7 + (− 1) ⋅ 23,7 + + (0) ⋅ 30,3 + (0) ⋅ 25,7 + (0) ⋅ 28,6 + (0) ⋅ 29,7] = 0,1⋅ (−12) = −1,20;

b 2 = 0,1 ⋅ [(+ 1) ⋅ 31,5 + (+ 1) ⋅ 28,1 + (− 1) ⋅ 25,2 + (− 1) ⋅ 28,3 + (+ 1) ⋅ 22,4 +

+ (+ 1) ⋅ 28,7 + (− 1) ⋅ 28,0 + (− 1) ⋅ 28,0 + (0) ⋅ 17,7 + (0) ⋅ 23,7 + (+ 1) ⋅ 30,3 + + (− 1) ⋅ 25,7 + (0) ⋅ 28,6 + (0) ⋅ 29,7] = 0,1 ⋅ 5,8 = 0,58;

b 3 = 0,1 ⋅ [(+ 1) ⋅ 31,5 + (+ 1) ⋅ 28 ,1 + (+ 1) ⋅ 25 , 2 + (+ 1) ⋅ 28 ,3 + (− 1) ⋅ 22 , 4 +

+ (− 1) ⋅ 28 ,7 + (− 1) ⋅ 28 ,0 + (− 1) ⋅ 28 ,0 + ( 0 ) ⋅ 17 ,7 + ( 0 ) ⋅ 23,7 + ( 0 ) ⋅ 30 ,3 + + ( 0 ) ⋅ 25 ,7 + (+ 1) ⋅ 28 ,6 + (− 1) ⋅ 29 ,7 ] = 0,1 ⋅ 4,9 = 0, 49 ; 1 b 12 = ⋅ [ (+ 1 ) ⋅ (+ 1 ) ⋅ 31 ,5 + (− 1 ) ⋅ (+ 1 ) ⋅ 28 ,1 + (+ 1 ) ⋅ (− 1 ) ⋅ 25 , 2 + 8 + (− 1 ) ⋅ (− 1 ) ⋅ 28 ,3 + (+ 1 ) ⋅ (+ 1 ) ⋅ 22 , 4 + (− 1 ) ⋅ (+ 1 ) ⋅ 28 , 7 + + (+ 1 ) ⋅ (− 1 ) ⋅ 28 , 0 + (− 1 ) ⋅ (− 1 ) ⋅ 28 , 0 + (+ 1 ) ⋅ ( 0 ) ⋅ 17 , 7 + + (− 1 ) ⋅ ( 0 ) ⋅ 23 , 7 + ( 0 ) ⋅ (+ 1 ) ⋅ 30 ,3 + ( 0 ) ⋅ (− 1 ) ⋅ 25 , 7 + 0,2 + ( 0 ) ⋅ ( 0 ) ⋅ 28 , 6 + ( 0 ) ⋅ ( 0 ) ⋅ 29 , 7 ] = = 0 , 025 ; 8

1 ⋅ [ (+ 1 ) ⋅ (+ 1 ) ⋅ 31 ,5 + (− 1 ) ⋅ (+ 1 ) ⋅ 28 ,1 + (+ 1) ⋅ (+ 1) ⋅ 25 , 2 + 8 + (− 1) ⋅ (+ 1) ⋅ 28 ,3 + (+ 1) ⋅ (− 1 ) ⋅ 22 , 4 + (− 1) ⋅ (− 1) ⋅ 28 , 7 +

b 13 =

+ (+ 1 ) ⋅ (− 1) ⋅ 28 , 0 + (− 1 ) ⋅ (− 1) ⋅ 28 , 0 + (+ 1 ) ⋅ ( 0 ) ⋅ 17 , 7 + + (− 1 ) ⋅ ( 0 ) ⋅ 23 , 7 + ( 0 ) ⋅ ( 0 ) ⋅ 30 ,3 + ( 0 ) ⋅ ( 0 ) ⋅ 25 , 7 + + ( 0 ) ⋅ (+ 1 ) ⋅ 28 , 6 + ( 0 ) ⋅ (− 1) ⋅ 29 , 7 ] =

6 ,6 = 0 ,83 ; 8

1 b 23 = ⋅ [(+ 1) ⋅ (+ 1) ⋅ 31,5 + (+ 1) ⋅ (+ 1) ⋅ 28,1 + (− 1) ⋅ (+ 1) ⋅ 25,2 + 8 + (− 1) ⋅ (+ 1) ⋅ 28,3 + (+ 1) ⋅ (− 1) ⋅ 22,4 + (+ 1) ⋅ (− 1) ⋅ 28,7 +

+ (− 1) ⋅ (− 1) ⋅ 28,0 + (− 1) ⋅ (− 1) ⋅ 28,0 + (0) ⋅ (0) ⋅ 17,7 + + (0) ⋅ (0) ⋅ 23,7 + (+ 1) ⋅ (0) ⋅ 30,3 + (− 1) ⋅ (0) ⋅ 25,7 + 11,0 + (0) ⋅ (+ 1) ⋅ 28,6 + (0) ⋅ (− 1) ⋅ 29,7] = = 1,38; 8 1 b11 = ⋅ (31,5 + 28,1 + 25,2 + 28,3 + 22,4 + 28,7 + 28,0 + 28,0 ) − 16 1 − ⋅ (17,7 + 23,7 + 30,3 + 25,7 + 28,6 + 29,7) + 4

1 2 2 + [(+ 1) ⋅ 17,7 + (− 1) ⋅ 23,7 + (0) ⋅ 30,3 + (0) ⋅ 25,7 + (0) ⋅ 28,6 + (0) ⋅ 29,7] = 2 = 13,76 − 38,92 + 20,7 = −4,46;

b 22 =

1 ⋅ (31,5 + 28,1 + 25,2 + 28,3 + 22,4 + 28,7 + 28,0 + 28,0 ) − 16 1 − ⋅ (17,7 + 23,7 + 30,3 + 25,7 + 28,6 + 29,7) + 4

1 2 2 + ⋅ [(0) ⋅17,7 + (0) ⋅ 23,7 + (+ 1) ⋅ 30,3 + (− 1) ⋅ 25,7 + (0) ⋅ 28,6 + (0) ⋅ 29,7] = 2 = 13,76 − 38,92 + 28 = 2,84; 1 b 33 = ⋅ (31,5 + 28,1 + 25,2 + 28,3 + 22,4 + 28,7 + 28,0 + 28,0 ) − 16 1 − ⋅ (17,7 + 23,7 + 30,3 + 25,7 + 28,6 + 29,7) + 4 1 2 2 + ⋅ [(0) ⋅ 17,7 + (0) ⋅ 23,7 + (0) ⋅ 30,3 + (0) ⋅ 25,7 + (+ 1) ⋅ 28,6 + (− 1) ⋅ 29,7] = 2 = 13,76 − 38,92 + 29,15 = 3,99. 6. Эксперимент, проведенный по приведенной матрице, позволяет получить математическую модель второго порядка, описывающую влияние факторов х1, х2, х3 на выбранный параметр оптимизации следующего вида:

У = в0 + в1х1 + в2х2 + в3х3 + в11х12 + в22х22 + в33х32 + + в12х12 + в13х13 + +в23х23.

(7.15)

Составляется математическая модель: У = 25,16 –1,20 · х1+0,58 · х2 + 0,49 · х3 – 4,46 · х12+2,84 · х22 + + 3,99 · х32 + 0,025 · х12 + 0,83 · х13 + 1,38 · х23 Однако эта математическая модель не является окончательной, и после проверки значимости коэффициентов регрессии она уточняется. 7. Определение дисперсий коэффициентов регрессии производится по следующим формулам: 2 2 S {bo } = 0,40625 ⋅ S {Y } , (7.16) S

2

{bi } = 0,1 ⋅ S 2 {Y },

{ }

{Y } , 2 2 S {bii } = 0, 40625 ⋅ S {Y } , 2

S bij = 0,125 ⋅ S

2

(7.17) (7.18) (7.19)

где S2{Y} – дисперсия воспроизводимости, которая определяется по формуле: 1 2 1 2 (7.20) S {Y } = S {Y } = ⋅ 5,58 = 1,86 . m 3

{b0 } = 0,40625 ⋅ 1,86 = 0,755625; 2 S {bi } = 0,1 ⋅ 1,86 = 0,186; S

2

S

2

S

2

{b } = 0,125 ⋅ 1,86 = 0,2325;

S {b0 } = 0 ,87 ;

S {bi } = 0 ,43 ; S

ij

{bii } = 0,40625 ⋅ 1,86 = 0,755625;

{b } = 0 ,48 ; ij

S {bii } = 0 ,87 .

8.

Проверка значимости коэффициентов регрессии Значимость – условие, при котором статистики, найденные из двух и более частичных совокупностей, отличаются друг от друга или от других выбранных значений больше, чем можно было бы ожидать в связи со случайными колебаниями в частичных совокупностях. Для оценки значимости коэффициентов регрессии используется критерий Стьюдента (относится к t-распределению; характеризует отклонение среднего значения частичной совокупности от среднего значения нормальной общей совокупности), расчетное значение которого определяется по формуле:

t R {bi } =

bi

, (7.21) S bi где S{bi} – среднее квадратическое отклонение коэффициента регрессии bi. Расчетное значение критерия Стьюдента сравнивается с табличным tT (приложение 2) при условии что доверительная вероятность pD = 0,95 и число степеней свободы

{

{ }

}

f S 2 {Y } = N ⋅ (m − 1) = 14 ⋅ (3 − 1) = 28, т. е. tT [PD = 0,95, f =28] = 2,048. Если tR > tT, то полученные коэффициенты значимы, и следовательно связь между Y и X значима. 25,16 t R {b0 } = = 28,9 – гипотеза о значимости коэффициента b0 регрес0,87 сии не отвергается. 1,2 t R {b1 } = = 2,79 – гипотеза о значимости коэффициента b1 регрес0,43 сии не отвергается. 0,58 t R {b2 } = = 1,35 – гипотеза о значимости коэффициента b2 регрес0, 43 сии отвергается (коэффициент незначим).

t R {b3 } =

0,49

= 1,14 – гипотеза о значимости коэффициента b3 регрессии 0, 43 отвергается (коэффициент незначим). 0,025 t R {b12 } = = 0,05 – гипотеза о значимости коэффициента b12 рег0,48 рессии отвергается (коэффициент незначим). 0,83 t R {b13 } = = 1,73 – гипотеза о значимости коэффициента b13 регрес0, 48 сии отвергается (коэффициент незначим). 1,38 t R {b23 } = = 2,88 – гипотеза о значимости коэффициента b23 регрес0,48 сии не отвергается. 4,46 t R {b11 } = = 5,01 – гипотеза о значимости коэффициента b11 регрес0,87 сии не отвергается. 2,84 t R {b22 } = = 3,19 – гипотеза о значимости коэффициента b22 регрес0,87 сии не отвергается. 3,99 t R {b33 } = = 4,48 – гипотеза о значимости коэффициента b33 регрес0,87 сии не отвергается. Для рассматриваемого примера получаем искомую математическую модель, включающую только значимые коэффициенты. У = 25,16 –1,20 · х1– 4,46 · х12+2,84 · х22 + 3,99 · х32 + 1,38 · х23. Полученное уравнение показывает взаимосвязь между разрывной нагрузкой ткани вдоль нитей основы, натяжением нитей основы, плотностью ткани по утку и заступом.

9. Проверка гипотезы об адекватности полученной модели. Для определения адекватности полученного уравнения используется критерий Фишера, расчетное значение которого определяется по формулам:

S ад {Y } 2

F = R

S

2

{Y }

=

S 2 {Y } над S {Y } 2

, если

2 {Y } > S 2 {Y }, S над

(7.22)

F R

{ Y} S 2 {Y } 2 2 = = , если S над {Y } < S {Y }, 2 2 {Y } { S Y} S над ад S

2

(7.23)

где Sнад2{Y} – дисперсия, обусловленная неадекватностью, определяется по формуле:

N ∑ (Yu − YRU 2 u =1 S над {Y } = N − Nk

)2 ,

(7.24)

где NK – число значимых коэффициентов. Значения YRU рассчитываем по полученной математической модели и сводим в табл 3. У1 = 25,16 – 1,2⋅ (+1) – 4,46 ⋅ (+1) 2 + 2,84 ⋅(+1) 2 + + 3,99 (+1) 2 + 1,38 (+1)⋅ (+ 1) = 27,7; У2 = 25,16 – 1,2⋅ (–1) – 4,46 ⋅ (–1) 2 + 2,84 ⋅ (+1) 2 + + 3,99 (+1) 2 + 1,38⋅ (+1)⋅(+ 1) = 30,1; У3 = 25,16 – 1,2⋅ (+1) – 4,46 ⋅(+1) 2 + 2,84 ⋅(–1) 2 + + 3,99 (+1) 2 + 1,38 (–1)⋅(+ 1) = 24,9; У4 = 25,16 – 1,2⋅ (–1) – 4,46 ⋅ (–1) 2 + 2,84 ⋅(–1) 2 + + 3,99 (+1) 2 + 1,38 (–1)⋅ (+ 1) = 27,4; У5 = 25,16 – 1,2⋅ (+1)– 4,46 ⋅ (+1) 2 + 2,84 ⋅(+1) 2 + + 3,99 (–1) 2 + 1,38⋅ (+1)⋅(– 1) = 24,9; У6 = 25,16 – 1,2⋅ (–1) – 4,46 ⋅ (–1) 2 + 2,84 ⋅(+1) 2 + + 3,99 (–1) 2 + 1,38 (+1)⋅ (– 1) = 27,3; У7 = 25,16 – 1,2⋅ (+1) – 4,46 ⋅ (+1) 2 + 2,84 ⋅ (–1) 2 + + 3,99 (–1) 2 + 1,38 (–1)⋅(– 1) = 27,7; У8 = 25,16 – 1,2⋅ (–1) – 4,46 ⋅ (–1) 2 + 2,84 ⋅(–1) 2 + + 3,99 (–1) 2 + 1,38 (–1)⋅ (– 1) = 30,1; У9 = 25,16 – 1,2⋅ (+1) – 4,46 ⋅ (+1) 2 + 2,84 ⋅ (0) 2 + + 3,99 (0) 2 + 1,38 (0)⋅ (0) = 19,5; У10 = 25,16 – 1,2⋅ (–1) – 4,46 ⋅ (–1) 2 + 2,84 ⋅ (0) 2 + + 3,99⋅ (0) 2 + 1,38 (0)⋅ (0) = 21,9; У11 = 25,16 – 1,2⋅ (0) – 4,46 ⋅ (0) 2 + 2,84 ⋅ (+1) 2 + + 3,99 (0) 2 + 1,38 (+1)⋅ (0) = 28,0; У12 = 25,16 – 1,2⋅ (0) – 4,46 ⋅ (0) 2 + 2,84 ⋅ (–1) 2 + + 3,99 (0) 2 + 1,38 (–1)⋅ (0) =28,0; У13 = 25,16 – 1,2⋅ (0) – 4,46 ⋅ (0) 2 + 2,84 ⋅ (0) 2 + + 3,99 (+1) 2 + 1,38 (0)⋅ (+1) = 29,1;

У14 = 25,16 – 1,2⋅ (0) – 4,46 ⋅ (0) 2 + 2,84 ⋅ (0) 2 + + 3,99 (–1) 2 + 1,38 ⋅ (0)⋅(–1) = 29,1; S

2 2 2 { Y } = [(31,5 − 27,7 ) + (28,1 − 30,1) + (25,2 − 24,9 ) + над 2

+ (28,3 − 27,4 ) + (22,4 − 24,9 ) + (28,7 − 27,3) + 2

2

2

+ (28,0 − 27,7 ) + (28,0 − 30,1) + (17,7 − 19,5 ) + 2

2

2

+ (23,7 − 21,9 ) + (30,3 − 28,0 ) + (25,7 − 28,0 ) + 2

2

2

+ (28,6 − 29,1) + (29,7 − 29,1) ] / (14 - 6 ) = 2

2

= 46,19 / 8 = 5,77.

{}

Так как S {Y} > S Y , т. е 5,77 > 5,58, то расчетное значение критерия Фишера определяем по формуле 2 над

2

FR =

2 {Y } S ад

S {Y } 2

=

2 {Y } S над 2

{}

S Y

=

5 ,77 = 1,03 . 5 ,58

Расчетное значение критерия Фишера FR сравнивается с табличным FT (приложение 4) при доверительной вероятности pD = 0,95 и числе степеней свободы f {S2над} = N – Nк и f {S2}. Если FR < FT, то гипотеза об адекватности модели опытным данным не отвергается. Табличное значение критерия Фишера для данного примера

FT [P

{ }

{ }

2 2 D = 0 , 95; f S y =14 ( 3−1) = 28; f S над =14 − 6 =8

] = 2,29 ,

так как FR < FT, то гипотеза об адекватности модели не отвергается. 10. Общие выводы Полученная математическая модель технологического процесса выработки ткани бязь арт. 262 на станке СТБ-2-216 выглядит следующим образом: У = 25,16 –1,20 · х1– 4,46 · х12+2,84 · х22 + 3,99 · х32 + 1,38 · х23. Анализ полученной модели позволяет сделать следующие выводы: −

свободный член уравнения велик, так как b0 = 25,16 составляет 94 % от Yu = 26,75 сН. Из этого следует, что влияние в эксперименте неучтенных факторов на выходной параметр значительно (в отдельных случаях при условии неадекватности полученной математической модели рекомендуется повторить эксперимент с большим количеством входных факторов); − наибольшее влияние на прочность ткани бязь арт. 262 оказывает заправочное натяжение нитей основы, так как коэффициент при х1 больше, причем с увеличением натяжения прочность ткани уменьшается, так как при х1 стоит знак «минус»;

− так как коэффициенты канонического уравнения имеют разные знаки, то фигура, описываемая в пространстве полученной математической моделью, имеет форму типа минимакса. Центр фигуры при этом находится вблизи центра эксперимента. Поверхность отклика данной модели будет иметь вид гиперболы.

7.5.2 Метод проведения эксперимента по матрице планирования Коно-2 Алгоритм получения математической модели по методу Коно-2 проводится на примере получения модели по результатам эксперимента, направленного на установление зависимости разрывной нагрузки капроновой нити от заправочных параметров мотальной машины М-150-2.

В качестве выходного параметра выбирается разрывная нагрузка нити (Y, сН), так как это один из важнейших физико-механических показателей нити. В данном примере в качестве основных технологических параметров перематывания, влияющих на разрывную нагрузку, принимаются следующие: Х1 – расстояние от початка до баллоногасителя, см.; Х2 – вес грузовых шайб в натяжном приборе, г. Все факторы отвечают требованиям, которые к ним предъявляются. Значения переменных факторов изменялись в пределах, не нарушающих нормальной работы мотальной машины. Натуральные и кодированные значения факторов, интервалов их варьирования при проведении двухфакторного эксперимента представлены в табл. 9. Таблица 9 Значения варьируемых факторов Условия проведения эксперимента

Натуральные значения i-го фактора Х1, см. Х2, г

Кодированные значения i-го фактора х1 х2

11

10

Основной уровень фактора 3

0

0

1

1

8

Интервал варьирования фактора 14

18

+1

+1

8

2

–1

–1

Верхний уровень фактора Нижний уровень фактора

Матрица планирования при проведении двухфакторного эксперимента представлена в табл. 10. Результаты проведения эксперимента обрабатываются в той же последовательности, что и при проведении эксперимента по матрице планирования Бокс-3.

Таблица 10 Результаты проведения активного эксперимента U 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σ

5.

Матрица планирования с кодированными и натуральными значениями факторов х1 х2 Х1, см Х2, г 18 14 + + 18 8 + 2 14 + 2 8 10 14 0 + 10 8 0 18 11 + 0 2 11 0 10 11 0 0

Разрывная нагрузка ткани по основе, сН Y1 Y2 Y3 YU 166,7 165 170 165 166,7 160 165 175 171,7 170 175 170 168,3 165 180 160 173,3 175 170 175 161,7 160 160 165 168,3 170 165 170 170,0 170 180 160 165,0 160 170 165 1511,7

Определение дисперсии выходного параметра производится по формуле (7.3), где число повторностей в опыте матрицы составляет m = 3 2 2 2 2 S 1 {Y } = 1 ⋅ ⎡(165,0 − 166,7 ) + (170,0 − 166,7 ) + (165,0 − 166,7 ) ⎤ = 8,34 ; 3−1 ⎢⎣ ⎥⎦

S 2 {Y } = 2

1 ⎡ 2 2 2 ⋅ (175,0 − 166,7 ) + (165,0 − 166,7 ) + (160,0 − 166,7 ) ⎤ = 58 ,33; ⎢ ⎥⎦ 3−1 ⎣

S 3 {Y } = 2

[(170,0 − 171,7) 3−1 1

[

2

+ (175,0 − 171,7 ) + (170,0 − 171,7 ) 2

2

] = 8,34;

]

1 (160,0 − 168,3)2 + (180,0 − 168,3)2 + (165,0 − 168,3)2 = 108,34; 3−1 1 S52 {Y } = (175,0 − 173,3 )2 + (170,0 − 173,3 )2 + (175,0 − 173,3 )2 = 8,34; 3−1 S42 {Y } =

[

]

S62 {Y } =

[

]

[ [ [

] ] ]

1 (165,0 − 161,7 )2 + (160,0 − 161,7 )2 + (160,0 − 161,7 )2 = 8,34; 3−1

1 (170,0 − 168,3 )2 + (165,0 − 168,3 )2 + (170,0 − 168,3 )2 = 8,34; 3−1 1 (160,0 − 170,0 )2 + (180,0 − 170,0 )2 + (170,0 − 170,0 )2 = 100; S82 {Y } = 3−1 1 S92 {Y } = (165,0 − 165,0 )2 + (170,0 − 165,0 )2 + (160,0 − 165,0 )2 = 25,0. 3−1

S72 {Y } =

Результаты расчета заносим в табл. 11. Таблица 11 Результаты расчетов

6.

U

YU

SU2 {Y }

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Σ

166,7 166,7 171,7 168,3 173,3 161,7 168,3 170,0 165,0 1511,7

8,34 58,33 8,34 108,34 8,34 8,34 8,34 100,0 25,0 333,37

SU {Y }

VRmax

VRmin

YRU

YU − YRU

2,89 7,64 2,89 10,41 2,89 2,89 2,89 10,0 5,0

1,39 1,33 1,40 1,37 0,72 1,39 0,72 1,22 1,22

0,72 1,07 0,72 0,97 1,39 0,72 1,39 1,22 1,22

168,5 163,5 171,3 166,3 169,9 164,9 166,0 168,8 167,4

1,8 3,2 0,4 2,0 3,4 3,2 2,3 1,2 2,4

(YU −YRU )2 3,24 10,24 0,16 4,00 11,56 10,24 5,29 1,44 5,76 51,93

Исключение резко выделяющихся значений Рассмотрим эту операцию при анализе первого опыта матрицы при U=1, когда Уmax = 170,0, Уmin = 165.

Расчет проводится с помощью критерия Смирнова-Грабса по формулам (7.4), (7.5).

(170,0−166,7 )

VR = max

= V R min

2,89

⎛ ⎜ ⎜⎜ ⎝

166,7 −165,0 2,89

3 3−1

⎞ ⎟ ⎟⎟ ⎠

= 1,39,

3 = 0,72, 3−1

2 S {Y} = 8,34 = 2,89 .

где S{Y} =

По приложению 1 находим табличное значение критерия Смирнова-Грабса: Vт[pD = 0,95; m = 3] = 1,412. Так как VRmax < Vт и VRmin < Vт, то рассмотренные значения Уmax = 170,0, Уmin = 165,0 не являются резко выделяющимися и остаются для дальнейшей статистической обработки. 7. Проверка гипотезы об однородности дисперсии в опытах матрицы Так как число повторностей в опыте одинаково для всех опытов в матрице, то для проверки однородностей дисперсий применяется критерий Кочрена, расчетное значение которого определяется по формуле (7.6): 108 ,34 GR = = 0 ,3250 . 333 ,37 Расчетное значение критерия Кочрена GT сравнивается с табличным (приложение 3) при GT [P ; N ; f {S 2 }= m −1] . Если D

u

GR < GT, то дисперсии Su2{У} однородны и проведенный эксперимент обладает свойством воспроизводимости. GT [P =0 ,95; N =9; f = m −1= 2 ] = 0,4775 . D

Так как GR < GT, то гипотеза об однородности дисперсии в опытах матрицы не отвергается, все опыты равноточны и воспризводимы. 8. Среднеквадратичная дисперсия выходного параметра определяется по формуле (7.7): S (1) {Y } = 2

1 9

⋅ 333 ,37 = 37,04 ,

где число степеней свободы дисперсии воспроизводимости определяется по формуле (7.8)

{

}

f S 2 {Y } = 9 ⋅ (3 − 1) = 18 .

9.

Определение коэффициентов регрессии проводится по следующим формулам: bo = −

4 2 8 5 ⋅ ∑ Yu + ⋅ ∑ Yu + ⋅ Y9 , 9 u =1 9 u =5 9 1

N m N или bo = 5 ∑ Yu − 1 ∑ ∑ x 2 ⋅ Yu , 9 u =1

3 i =1 u =1 iu

(7.25) (7.26)

1 N bi = ∑ x ⋅Yu, 6 u =1 iu

(7.27)

1 N bij = ∑ x ⋅ x ju ⋅ Y , u 4 u =1 iu

(7.28)

bii =

1 9 2 1 9 ⋅ ∑ x ⋅ Yu − ⋅ ∑ Yu . 2 u =1 iu 3 u =1

(7.29)

В примере расчет производится по формулам (7.25), (7.27), (7.28) и (7.29). Результаты проведения эксперимента обрабатываются в той же последовательности, что и при проведении эксперимента по матрице планирования Бокс-3. 1 2 b = − ⋅ (166,7 + 166,7 + 171,7 + 168,3) + (173,3 + 161,7 + 168,3 + 170,0) + 0 9 9 1 5 2 5 + 165,0 = − 673, 2 + 677 ,3 + 165,0 = 167 ,4; 9 9 9 9 b

1

=

1 ⋅ [( + 1) ⋅ 166,7 + ( − 1) ⋅ 166,7 + ( + 1) ⋅ 171,7 + ( − 1) ⋅ 168,3 + 6

+ ( + 1) ⋅ 173,3 + ( − 1) ⋅ 161,7 + (0) ⋅ 168,3 + (0 ) ⋅ 170,0 + (0) ⋅ 165,0] = 2,5; b = 2

1 6

⋅ [( + 1) ⋅ 166,7 + ( + 1) ⋅ 166,7 + ( − 1) ⋅ 171,7 + ( − 1) ⋅ 168,3 + (0) ⋅ 173,3 +

+ (0) ⋅ 161,7 + (+ 1) ⋅ 168,3 + (− 1) ⋅ 170,0 + (0) ⋅ 165,0 ] = −1,38 ; 1 ⋅ [( + 1)( + 1) ⋅ 166,7 + ( − 1)( + 1) ⋅ 166,7 + ( + 1)( − 1) ⋅ 171,7 + 12 4 + ( − 1)( − 1) ⋅ 168,3 + ( + 1) ⋅ ( 0 ) ⋅ 173,3 + ( − 1) ⋅ ( 0 ) ⋅ 161,7 + ( 0 ) ⋅ ( + 1) ⋅ 168,3 + b

=

+ ( 0 ) ⋅ ( − 1) ⋅ 170,0 + (0) ⋅ (0) ⋅ 165,0 ] =

1 ⋅ (− 3 ,4 ) = 0 ,85. 4

1 b = ⋅ [( + 1)2 ⋅ 166,7 + ( − 1)2 ⋅ 166,7 + ( + 1)2 ⋅ 171,7 + ( − 1)2 ⋅ 168,3 + 11 2 + ( + 1)2 ⋅ 173,3 + ( − 1)2 ⋅ 161,7 + (0) 2 ⋅ 168,3 + (0) 2 ⋅ 170,0 + (0)2 ⋅ 165,0] − 1 1 1 − ⋅ 1511,7 = ⋅ 1008,4 − ⋅ 1511,7 = 0,3; 3 2 3 1 ⋅ [( + 1)2 ⋅ 166,7 + ( + 1)2 ⋅ 166,7 + ( − 1)2 ⋅ 171,7 + ( − 1)2 ⋅ 168,3 + 22 2 1 2 2 + (0)2 ⋅ 173,3 + (0)2 ⋅ 161,7 + (+ 1) ⋅ 168,3 + (− 1) ⋅ 170,0 + (0)2 ⋅ 165,0 ] − ⋅ 1511,7 = 3 1 1 = ⋅ 1011,7 − ⋅ 1511,7 = 1,95; 3 2 b

=

Эксперимент, проведенный по приведенной матрице, позволяет получить математическую модель второго порядка, описывающую влияние факторов х1, х2 на выбранный параметр оптимизации следующего вида:

У = в0 + в1х1 + в2х2 + в11х12 + в22х22 + в12х12. Составляется математическая модель:

У = 167,4 + 2,5 · х1 – 1,38 · х2 +0,85· х12 + 0,3· х12 + 1,95 · х22. 10. Определение дисперсий коэффициентов регрессии производится по следующим формулам:

{ }

{} ⋅ S 2 {Y },

(7.30)

S 2 ⎧⎨b ⎫⎬ = 0,25 ⋅ S 2 Y , ⎩ ij ⎭

{}

(7.32)

S 2 b = 0,5 ⋅ S 2 Y , ii

(7.33)

S 2 bo = 0,55556 ⋅ S 2 Y ,

{ i }= 0,16666

S2 b

{ }

(7.31)

{}

где S2{Y} – дисперсия воспроизводимости, которая определяется по формуле (7.20): 1 2 S {Y } = ⋅ 37,04 = 12,35 ; 3

{b0 } = 0,55556 ⋅ 12,35 = 6,86 ; 2 S {bi } = 0,16666 ⋅ 12,35 = 2 ,06 ;

S

2

S

2

S

2

{b } = 0,25 ⋅ 12,35 = 3,09 ; ij

{bii } = 0,5 ⋅ 12,35 = 6,18 ;

S {b0 } = 2,62 ; S {bi } = 1,44 ;

{ }

S bij = 1,76 ; S {bii } = 2,49 .

11. Проверка значимости коэффициентов регрессии Для оценки значимости коэффициентов регрессии используется критерий Стьюдента, расчетное значение которого определяется по формуле (7.21). Расчетное значение критерия Стьюдента сравнивается с табличным tT (приложение 2) при условии, что доверительная вероятность pD = 0,95 и число степеней свободы

{

}

f S 2{Y} = N ⋅ (m − 1) = 9 ⋅ (3 − 1) = 18 ,

т. е. tT [PD = 0,95, f =18] = 2,101. Если tR > tT, то полученные коэффициенты значимы, и следовательно, связь между Y и X значима. 167 ,4 t b = = 63,65 – гипотеза о значимости коэффициента b0 регрессии не отвергается. R 0 2,63 2,5 t R b1 = = 4,3 – гипотеза о значимости коэффициента b1 регрессии не отвергается. 0,58 1,38 t R b2 = = 2,4 – гипотеза о значимости коэффициента b2 регрессии не отвергается. 0,58

{}

{ }

{ }

t R {b12 } =

0 ,85 1,76

= 0,48 – гипотеза о значимости коэффициента b12 регрессии отвергается (коэффициент не-

значим). t R {b11 } =

0,3 2,49

= 0,12 – гипотеза о значимости коэффициента b11 регрессии отвергается (коэффициент не-

значим).

1,95 { }= 2,49 = 0,78 – гипотеза о значимости коэффициента b

tR b

22

22

регрессии отвергается (коэффициент не-

значим). Для рассматриваемого примера получаем искомую математическую модель, включающую только значимые коэффициенты: У = 167,4 + 2,5 х1 – 1,38 х2. 12. Проверка гипотезы об адекватности полученной модели

Для определения адекватности полученного уравнения используется критерий Фишера, расчетное значение которого определяется по формулам (7.22), (7.23). Значения YRu рассчитываем по полученной математической модели и сводим в табл.11. У1 = 167,4 + 2,5 · (+1) – 1,38· (+1) = 168,5; У2 = 167,4 + 2,5 · (-1) – 1,38· (+1) = 163,5; У3 = 167,4 + 2,5 · (+1) – 1,38· (-1) =171,3; У4 =167,4 + 2,5 · (-1) – 1,38·(-1) = 166,3; У5 = 167,4 + 2,5 ·(+1) – 1,38·0 = 169,9; У6 = 167,4 + 2,5 ·(-1) – 1,38·0 = 164,9; У7 = 167,4 + 2,5· 0 – 1,38· (+1 )= 166,0; У8 = 167,4 + 2,5 ·0 – 1,38· (-1) = 168,8; У9 =167,4 + 2,5 ·0 – 1,38·0 = 167,4. 2 Так как S над {Y } < S 2 Y , т. е 8,66 < 2 2 2 2 S

{Y } = [ (166,7 − 168 ,5 ) над

+ (166,7 − 163 ,5 ) + (171,7 − 171,3 ) +

2 2 2 + (168,3 − 166 ,3 ) + (173,3 − 169,9 ) + (161,7 − 164,9 ) + 2 2 2 + (168,3 − 166 ,0 ) + (170,0 − 168 ,8 ) + (165,0 − 167 ,4 ) ]/ (9 − 3 ) =

[

]

= 3, 24 + 10 , 24 + 0 ,16 + 4 ,00 + 11,56 + 10 , 24 + 5 , 29 + 1,44 + 5,76 / 6 = = 51,93 /6 = 8 ,66.

FT[PD = 0,95;

f ⎧⎨⎩ S 2y ⎫⎬⎭ = 9(3–1) = 18;

37,04, то расчетное значение критерия Фишера определяем по формуле (7.23): FR

{Y } S 2 {Y } 37,04 = = = = 4 ,28. 2 2 8 ,66 S ад {Y } S { } Y над S

2

Табличное значение критерия Фишера для данного примера

{ }

2 f S над = 9 – 3 = 6] = 2,66,

так как FR < FT, то гипотеза об адекватности модели отвергается. 13. Общие выводы

{}

Полученная математическая модель технологического процесса перематывания капроновой нити от заправочных параметров мотальной машины М-150-2 выглядит следующим образом: У = 166,5 + 2,5 · х1 – 1,38· х12. Анализ полученной математической модели позволяет сделать следующие выводы: − Свободный член уравнения велик, так как b0 = 166,5, что составляет 99 % от Yu = 167,8 сН. Из этого следует, что влияние в эксперименте неучтенных факторов на выходной параметр значительно (в отдельных случаях при условии неадекватности полученной математической модели рекомендуется повторить эксперимент с большим количеством входных факторов). − Наибольшее влияние на разрывную нагрузку капроновой нити оказывает расстояние от початка до баллоногасителя, так как коэффициент при х1 больше, причем с увеличением расстояния разрывная нагрузка капроновой нити увеличивается, так как при х1 стоит знак «плюс». − Наименьшее влияние на разрывную нагрузку капроновой нити оказывает вес грузовых шайб в натяжном приборе, так как коэффициент при х2 меньше, причем с увеличением веса грузовых шайб разрывная нагрузка капроновой нити уменьшается, так как при х2 стоит знак «минус». − Так как математическая модель получилась неадекватной, необходимо провести новый эксперимент с другими интервалами варьирования, или с другими входными параметрами, либо переходить к описанию процесса перематывания на базе другого вида эксперимента.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.

Адлер Ю. П. и др. Планирование эксперимента при поиске оптимальныx условий / Адлер Ю. П., Макарова Е. В., Грановский Ю. В. – М.: Наука, 1971. – 236 с. Бродский В. З. Введение в факторное планирование эксперимента. – М.: Наука, 1976. – 223 с. Букаев П. Т. Справочник по xлопкоткачеству. – М.: Легпромбытиздат, 1987. – 576 с. Виноградов Ю. С. Математическая статистика и ее применение в исследованияx в текстильной промышленности. – М.: Легкая индустрия, 1964. – 312 c. Власов А. А. Статистические функции распределения. – М.: Физматгиз, 1966. – 355 с. Власов П. В. Нормализация процесса ткачества. – М.: Легкая и пищевая промы-шленность, 1982. – 296 с. Проектирование ткацкиx фабрик / Власов П. В., Мартынова А. А., Николаев С. Д. и др.; Под ред. П. В. Власова. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. – 304 с. Власов П. В. и др. Прогнозирование технологического процесса ткачества: Учеб. пособие / Власов П. В., Шосланд Я., Николаев С. Д. / МТИ. – М., 1989. – 40 с. Оптимизация процесса ткачества: Учеб. пособие / П. В. Власов, Я. Шосланд, С. Д. Николаев, И. Масайтис / МТИ. – М., 1983. – 100 с. Гордеев В. А., Волков П. В. Ткачество. – М.: Легкая и пищевая промышленность, 1984. – 484с. Грановский Ю. В. Основы планирования экстремального эксперимента для оптимизации многофакторныx теxнологическиx процессов. – М.: Легпромбытиздат, 1971. – 73 с. Колтунов М. А. и др. Прикладная меxаника деформируемого твердого тела / Колтунов М. А., Кравчук А. С., Майборода В. П. – М.: ВШ, 1983. – 352 c. Колтунов М. А. Ползучесть и релаксация. – М.: ВШ, 1976. – 277 с. Кукин Г. Н. и др. Текстильное материаловедение (волокна и нити) / Кукин Г. Н., Соловьев А. Н., Кобляков А. И. – М.: Легпромбытиздат, 1989. – 231 с. Лустгартен Н. В. и др. САПР технологических режимов ткацкого производства / Лустгартен Н. В., Глотова Т. М., Смирнов Е. А. – М.: Легпромбытиздат,1993. – 128 с. Назарова М. В. Основы проектирования ткацких фабрик: Учеб. пособие / ВолгГТУ. – Волгоград, 1998. – 144 с. Теория процессов, технология и оборудование подготовительных операций ткачества / С. Д. Николаев, П. В. Власов, Р. И. Сумарукова, С. С. Юхин. – М.: Легпромбытиздат, 1995. – 190 с. Теория процессов, технология и оборудование ткацкого производства / С. Д. Николаев, П. В. Власов, Р. И. Сумарукова, С. С. Юхин. – М.: Легпромбытиздат, 1995. – 255с. Методы и средства исследования технологических процессов в ткачестве / С. Д. Николаев, А. А. Мартынова, С. С. Юхин, Н. А Власова. – М.: МГТУ им. А. Н. Косыгина, 2003. – 336 с. Технология ткачества. Часть I / Розанов Ф. М., Власова П. В., Павлова М. И. и др. – М.: Легкая индустрия, 1967. – 356 с. Технология ткачества. Часть II / Розанов Ф. М., Власова П. В., Павлова М. И. и др. – М.: Легкая индустрия, 1967. – 340 с. Щербаков В. П. Введение в наследственную механику текстильных материалов: Учеб. пособие / МГТА. – М., 1996. – 42 с.