Разработка ресурсосберегающих процессов вязания трикотажных полотен комбинированных футерованных переплетений на кругловязальных машинах

В современных рыночных условиях с учетом необходимости модернизации экономики факторы ресурсосбережения и качества приобретают решающую роль, обеспечивая создание конкурентоспособной продукции, формировании спроса и роста прибыли предприятий. Именно ня весах «цена-качество» формируется спрос на продукцию.

Состояние, в котором в настоящее время находится экономика отрасли, характеризуется как кризисное. По данным концерна «Ростекстиль» [1] объемы производства трикотажной продукции по сравнению с 1990 годом сократились на 80−90% (с 488 млн. шт. верхних изделий и 1858 млн. пар чулочно-носочных в 1989 году до 54 млн. шт. и 213 млн. пар в 1999 году соответственно) при незначительном росте объемов производства ъ последние годы. Спрос на трикотажную продукцию в основном удовлетворяется за счет импорта, при значительном росте (до 60%) теневой экономики и поставке некачественной продукции. За прошедший период практически была разрушена инфраструктура отрасли (промышленная, сырьевая и научно-исследовательская база). Существенно увеличился импорт готовой трикотажной продукции и всех видов сырья. В настоящее время объем производства верхних и бельевых изделий составляет порядка 600 млн. штук в год. Опыт создания малых предприятий показал их неспособность конкурировать с крупными предприятиями из-за недостаточного информационного обеспечения, внедрения автоматизированных систем управления и производства, использования робототехнических комплексов, и как следствие, высокой себестоимости изготовления продукции. На действующих предприятиях ухудшилось качество изделий, в основном по причине отсутствия отечественной сырьевой базы и поставок по импорту сырья, несоответствующего современным требованиям стандартов. Низкий уровень технологических свойств сырья вызывает нарушения технологических процессов, снижение 5 производительности оборудования и производства в целом. Количество отходов и брака во многих случаях превышают 8.10%. Практикой стало широкое использование пряжи кардной системы прядения вместо гребенной, одиночной с высокой круткой вместо крученой и пр.

В этих условиях особую важность приобретают ресурсосберегающие мероприятия, создание гибких технологических, совершенствование технологии вязания, использование новых переплетений, в том числе комбинированных, оптимизация параметров структуры и процессов вязания этих полотен.

Актуальность темы

В современных климатических условиях России особое место в структуре ассортимента занимают трикотажные изделия верхней одежды с улучшенными теплозащитными свойствами, бельевого и спортивного назначения. Например, на этой основе пользуется повышенным спросом так называемое термобелье (брэнд, который получил широкое распространение). Традиционно в России для изготовления этой группы изделий использовалась шерстяная и полушерстяная пряжа, а также полотна двойных и футерованных переплетений, отличающихся увеличенными характеристиками заполнения единицы объема полотна нитями и большей толщиной материала. В общем объеме производства полотен из шерстяной и полушерстяной пряжи доля ластичных, двуластичных, футерованных и других переплетений остается основной для изготовления изделий массовой продукции, в том числе для удовлетворения потребностей армии в бельевых изделиях. Вопросы проектирования и производства этих полотен главным образом базируются на методе проб и ошибок, зависят от опыта: квалификации персонала, важнейшие характеристики структуры полотна (длина нити в петле, модуль петли) не контролируются. Это относится к комбинированным переплетениям, как более сложным структурам. К комбинированным переплетениям в общем виде можно относить любые трикотажные структуры, состоящие из сочетания двух и более элементов. По сравнению с достигнутым уровнем, изготавливаемые полотна имеют повышенную (на 20.30%) поверхностную плотность. Из-за низкой технологической точности имеет место значительный уровень погрешностей, чем обусловлены заметные видимые дефекты (зебристость, полосатость, перекосы структуры) и другие несоответствия, разноширинность и разноусадочность, что снижает качество изделий, приводит к перерасходу сырья и нарушает непрерывность технологического процесса.

Анализ существующего положения показал, что в производственных • условиях даже при изготовлении полотен одного ассортимента на группе, машин материалоемкость полотен двуластичных и двойных комбинированных переплетений изменяется в пределах 10% для трикотажных машин с дозированной подачей нити и до 20% с пассивной, из-за различий режимов вязания и отклонений длины нити в петле (ДНП). Причем, существующие ГОСТ [2] допускает отклонения поверхностной плотности полотна в пределах 6% от номинального значения, что не является стимулирующим фактором повышения точности вязания. При этом при вязании полотен комбинированных переплетений алгоритм управления поверхностной плотностью остается неизвестным. В работе профессора Цитовича И. Г. [3] показано, что комбинирование жаккардовых двойных переплетений с главными позволяет уменьшить поверхностную плотность полотна до 20%, одновременно расширяя многообразие структурных и рисунчатых эффектов и ассортимент изделий. Вместе с тем, вопросы проектирования комбинированных переплетений на базе одинарных структур до настоящего времени не рассматривались.

Способы комбинирования переплетений чрезвычайно разнообразны и требуют определенного анализа. При этом возникают проблемы обеспечения определенного соотношения длин нитей в петлях различных рядов, составляющих комбинированное переплетение. По данным проф. И. И. Шалова [4] и ряда зарубежных исследователей (L.Kliment, JJ. F Knaptor. D.L. Munden, R. Oiruma и др.) [5−10] изменение этих соотношений существенно влияет на основные свойства трикотажных полотен. Это позволяет считать, что изыскание оптимальных величин и соотношений структурных параметров полотен комбинированных переплетений и соответствующих им параметров процесса вязания, позволяющих получать полотна с равномерной структурой, меньшей материалоемкости и должного качества является актуальной задачей.

Целью работы является создание новых структур переплетений и полотен с улучшенными качественными показателями на основе разработки ресурсосберегающих процессов вязания полотна на базе комбинированных одинарных переплетений при снижении материалоемкости и увеличении производительности оборудования.

В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи:

— разработать информационную модель описания и проектирование трикотажных переплетений и процессов вязания полотна с учетом требований стандартов информационных технологий БАОТ и ГОЕБО;

— провести статистический анализ существующего уровня промышленной технологии, основываясь на показателях технологической точности процесса вязания;

— уточнить зависимость материалоемкости полотен и производительности оборудования от структурных параметров полотна при выработке трикотажа комбинированных переплетений, основываясь на существующих геометрических и экспериментальных моделях трикотажа;

— рассмотреть особенности выработки полотен комбинированных, в частности футерованных переплетений, на различных видах кругловязального оборудования;

— освоить методику описания и синтеза комбинированных переплетений на базе футерованных, как задачу синтеза дискретных структур и требований стандартов информационных технологий;

— определить условия и параметры процесса вязания, обеспечивающих получение структуры полотна и его характеристик, заданных при проектировании;

— реализовать условия технологического обеспечение качества и режимов вязания полотен основываясь на контроле процесса и его числовом управлении;

— провести исследования и оптимизацию физико-механических и эксплуатационных свойств новых полотен комбинированных футерованных переплетений и оценить их качество;

Для решения поставленных задач в данной работе используются следующие методы и средства исследования:

— современные методы поиска информации в предметной области исследования;

— методология БАОТ (ГОЕРО) описания и анализа сложных систем (процессный подход) — основные положения теории управления и условия контролеспособности объекта;

— компьютерные методы анализа и синтеза трикотажных переплетений;

— модели управления процессами вязания полотна на кругловязальных машинах;

— стандартные методы исследования свойств трикотажных полотен и поиска оптимальных решений;

— методы теории вероятности и математической статистики при планировании и оценке результатов эксперимента.

Методика исследования. Методической и теоретической основой диссертации были труды отечественных и зарубежных ученых пс технологии трикотажного производства. В работе использовались основные положения теории вязания и строения трикотажных материалов, методов проектирования свойств трикотажных полотен. Постановка задач и проведение экспериментальных исследований проводились с применением современных приборов и методов математической статистики, математического планирования эксперимента и использованием вычислительной техники для обработки экспериментальных данных и инженерных расчетов.

Научная новизна. При проведении теоретических и экспериментальных исследований автором были получены следующие результаты:

1. Разработана ШЕБО-диаграмма функциональной модели этапа проектирования переплетений, параметров полотна и процесса вязания комбинированного футерованного переплетения, позволяющая выявить, уточнить и сформулировать наиболее важные задачи на этапах проектирования, проследить направления потоков информации, последовательность и адресность ее передачи и переработки.

2. Получены инвариантные, не зависящие от заправочных данных, соотношения для оперативной оценки материалоемкости полотен комбинированных футерованных переплетений и производительности оборудования при их изготовлении.

3. Рассмотрены основные схемы процесса вязания полотен футерованных переплетений. Показано, что за счет сокращения протяженности систем и изменения их комплектности при вязании комбинированных переплетений создаются условия повышения производительности существующих машин и нового оборудования.

4. При экспериментальном исследовании показателей точности процесса вязания трикотажного полотна показано, что процесс является неконтролируемым. При этом с большой вероятностью фактические показатели отклонений длины нити в петле находятся за пределами допуска.

5. Рассматривая трикотажные переплетения как дискретную алгебраическую структуру, на матрице бинарных отношений базовых структурных элементов трикотажа реализована задача формализованного описания футерованных переплетений и синтеза нового комбинированного футерованного переплетения, выделена структурная ячейка трикотажного полотна (?<,), составлена ее метрика и выполнено формализованное описание переплетения в виде информационной модели (ИМ) в базовых структурных элементах. На новую структуру трикотажного полотна на базе футерованного, содержащего промежуточные ряды главного переплетения, с пониженной общей материалоемкостью, получен патент РФ № 2 004 647 (1993 г.).

6. На основании использования структурного базиса управляемых переменных (Цитович И.Г., Галушкина Н. В., БСпар1оп ЫЛ7. и др), относящихся к структурным параметрам трикотажа, получен алгоритм расчета поверхностной плотности полотен футерованных переплетений и комбинированных на их основе при использовании пряжи различной линейной плотности. Установлено, что поверхностная плотность главных и футерованных полотен изменяется не пропорционально линейной плотности нитей, а в зависимости от квадратного корня из линейной плотности нити 4тёкс и коэффициента заполнения полотна к1.

7. Для обеспечения при вязании заданных при проектировании параметров полотна, разработан и изготовлен прибор для измерения натяжения нити с учетом фрикционных свойств, рассчитаны, обоснованы его конструктивные параметры. В отличие от известных аналогов, прибор позволяет обнаружить не только изменения натяжения нити, но отклонения ее фрикционных свойств, влияющих на нарушения режима вязания (авторское свидетельство № 1 772 697 (1992 г.)).

8. Экспериментально установлена связь между параметрами петельной структуры полотна комбинированного футерованного переплетения и его потребительскими свойствамипоказано, что разработанная структура трикотажа по сравнению с трикотажем футерованных переплетений по основным свойствам превосходит базовое. По результатам оптимизации структурных параметров полотен установлено, что при определенном соотношении длин нити в петлях грунта и глади достигается минимальный уровень износа полотен.

Выполненные разработки и полученные результаты имеют практическую значимость, заключающуюся в следующем: использование полученных результатов работы позволяет реализовать ресурсосберегающую технологию производства одинарных полотен комбинированных футерованных переплетений при изготовлении массового ассортимента трикотажа бельевого, спортивного и технического назначения;

— разработан новый вид комбинированного переплетения на базе одинарного футерованного полотна (патент № 2 004 647), как элемент системы инновационных технологий;

— для полотен новых переплетений предложены зависимости для расчетов структурных параметров полотна, его материалоемкости, условий процесса вязания и производительности оборудования как основы для расчета затрат сырья и труда при изготовлении продукции;

— разработанный прибор для определения входного натяжения нити с учетом фрикционных свойств при вязании трикотажных полотен позволяет контролировать процесс вязания и вносить в него корректирующие воздействия (авторское свидетельство № 1 772 697 (1992 г.));

— на основании комплексной оценки качества трикотажных полотен новых переплетений обоснованы их более высокие качественные характеристики, что позволило рекомендовать их к внедрению в промышленность.

Апробация работы проводилась в процессе выполнения экспериментальных работ на ЗАО «Красная Заря», ЗАО «Ивантеевский трикотаж», в учебно-технологической лаборатории Московского Государственного Текстильного Университета (МГТУ) им. А. Н. Косыгина. Основные положения работы докладывались на заседаниях кафедр технологии трикотажного производства МГТУ им. А. Н. Косыгина и Димитровградского Института Технологии Управления и Дизайна (ДИТУД), научно-технических конференциях в городах Москва, Ташкент, Димитровград.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. При анализе рынка трикотажной продукции установлено, что он дифференцирован по объему и уровню качества производства, уровню дохода потребителей. Условно можно выделить сектора массовой продукции с длительным использованием (примерно 80% объемов производства), «элитный» высококачественный и сектор функционального технического текстиля. Спрос формируется на весах «цена-качество», что делает актуальным задачи экономного использования ресурсов и повышение качества.

2. В структуре массового производства трикотажной продукции особое место занимает трикотаж с улучшенными теплозащитными свойствами из хлопчатобумажной и шерстяной пряжи, обеспечивающий не только высокие теплофизические характеристики, но и высокую гигроскопичность белья, как первого слоя одежды. Вместе с тем, при использовании такого белья при интенсивных физических нагрузках и потовыделении требуется значительное время для его сушки (в том числе и после стирки). Большая толщина полотна, требующаяся для обеспечения теплозащитных свойств, создает определенный дискомфорт. Производство таких полотен характеризуется значительными затратами сырьевых ресурсов и соответственно ростом себестоимости (имея ввиду, что доля сырья ь составе себестоимости превышает 40%).

3. При анализе промышленного производства трикотажных полотен с однофонтурных и двухфонтурных кругловязальных машин установлено, что основные стадии жизненного цикла, проектирования продукции и технологических процессов ее производства базируются на методе проб и ошибок, зависят от опыта и квалификации персонала. В производстве не используются какие-либо технические средства контроля. Длина нити в петле, как основной параметр, определяющий качество полотна, не измеряется. на систематической основе. Контроль параметров плотности петель и поверхностной плотности полотна при вязании является безответственной процедурой, что не соответствует требованиям «бережливого производства» (Lean Production).

4. На основании выборочных испытаний показано, что фактическое поле рассеяния такого показателя, как длина нити в петле при вязанип полотна содержит в себе значительную систематическую погрешность, а структурные показатели полотна по длине нити в петле находятся за пределами допуска. Это имеет место как при пассивной, так и дозированной подаче нити. Процесс вязания с точки зрения цифровых данных по существу является неконтролируемым и базируется на субъективной оценке.

5. Рассмотрен класс комбинированных трикотажных переплетений и выполнен анализ работ в этой предметной области. Установлено, что изменение структурных параметров, поверхностной плотности и свойств полотен в значительной мере зависит от комбинации базовых переплетений и соотношений длины нити в образующих их петлях.

6. На основании анализа структур полотен различных комбинированных переплетений, их геометрических моделей и выполненных расчетов показана эффективность способа комбинирования, в том числе на базе футерованных переплетений с возможностью снижения поверхностной плотности полотна и увеличения производительности оборудования.

7. На основании анализа процесса выработки полотен футерованных переплетений на различных типах машин предложены схемы процесса вязания комбинированных футерованных переплетений. Показано, что за счет сокращения протяженности систем и изменения их комплектности создаются условия повышения производительности до 20−30% в квадратны^ метрах полотна при модернизации существующих машин и проектировании I нового оборудования.

8. Разработана IDEFO-диаграмма функциональной модели этапа проектирования переплетений, параметров полотна и процесса вязания комбинированного футерованного переплетения, позволяющая выявить, уточнить и сформулировать наиболее важные задачи на этапах проектирования, проследить направления потоков информации, последовательность и адресность ее передачи и переработки.

9. На матрице бинарных отношений базовых элементов трикотажа реализована задача формализованного описания футерованных переплетений и синтеза комбинированного футерованного переплетения с петельными рядами глади, выделена структурная ячейка трикотажного полотна (Se), составлена • ее метрика и выполнено формализованное описание переплетения в виде информационной модели (ИМ) в базовых структурных элементах. На новую структуру трикотажного полотна получен патент № 2 004 647.

10. В развитие работ проф. И. И. Шалова и зарубежных исследователей J.J.F. Knapton, D.L. Munden и др. в качестве основной характеристики полотна принят коэффициент заполнения полотна к, (как отношение длины нити в петле к корню квадратному из линеинои плотности нити kt = —?=),.

— чТ показатель эквивалентный по физической сущности модулю петли.

11. Для проектирования параметров полотна комбинированного футерованного переплетения использована методология дискретной алгебры описания объектов как отношений базовых структурных элементов. С этой целью для проектирования использована структурная база метрических управляемых параметров: коэффициент заполнения грунта переплетения, коэффициенты отношений петель грунта и элементов петельной структура переплетения, коэффициенты отделки.

12. На основании использования структурного базиса управляемых переменных, относящихся к структурным параметрам полотен, впервые получены формулы для расчетов поверхностной плотности полотен футерованных переплетений и комбинированных на их основе при использовании пряжи различных линейных плотностей. Установлено, что поверхностная плотность футерованных полотен изменяется не пропорционально линейной плотности нитей, а в зависимости от 4тёкс грунтовой нити, определяется показателем заполнения кс и зависит от коэффициента уработки футерной нити.

13. Для реализации этапов производства и проектирования, формирования базы данных получены статистические оценки структурных параметров. Выполнены основные расчеты параметров полотна на этапе проектирования.

14. Выполнен анализ факторов и управляемых переменных, влияющих на точность процессов вязания по длине нити в петле в режимах пассивной и активной подачи нити. Показано, что стабилизация процесса вязания при изготовлении полотна комбинированного футерованного переплетения может быть обеспечена в режиме дозированной подачи на трех уровнях скоростей нити. Предложены соответствующие расчетные зависимости для определения скорости подачи и величины уработки нити на один оборот игольного цилиндра. Определены условия обеспечения проектных данных. Установлена последовательность действий по наладке и регулировке трикотажных машин в условиях пассивной подачи нити и машин, оснащенных системой дозированной нитеподачи. Для условий пассивной подачи нити рекомендуется использовать соответствующие приборы контроля скорости нити (типа ЭДП, ВТБЯ и др.) и устройства для измерения натяжения нити (УИН).

15. В структуре поставленных задач обеспечения при вязании заданных при проектировании параметров полотна, разработан и изготовлен прибор для измерения натяжения нити с учетом фрикционных свойств, рассчитаны, обоснованы его конструктивные параметры. Разработана документация и изготовлен опытный образец прибора. В отличие от известных аналогов, прибор позволяет обнаружить не только изменения натяжения нити, но отклонения ее фрикционных свойств, влияющих на нарушения режима вязания. Прибор защищен авторским свидетельством № 1 772 697.

Показано, что применение прибора в производстве является эффективным средством для контроля натяжения нити и корректирующих воздействий при вязании полотна на кругловязальных машинах.

16. 'По результатам проектирования полотен с заданными структурными параметрами и определения заправочных данных в промышленных условиях изготовлены опытные партии полотен базового футерованного и комбинированного переплетения. Проведена. оценка их качества по основным физико-механическим свойствам. Для отбора комплекса показателей качества использовался метод экспертных оценок с построением ранжированного ряда показателей по величине коэффициента весомости, что позволило выявить наиболее значимые из них.

18. В соответствии с результатами испытаний полотна новой структуры переплетения и в сравнении с базовым образцом получены следующие результаты:

— снижена материалоемкость полотна более чем на 30%- -гигроскопичность трикотажного полотна нового переплетения значимо не отличается от трикотажа базового переплетения;

— трикотаж нового переплетения имеет более высокую скорость сушки (порядка 10%);

— теплопроводность и воздухопроницаемость полотна новой структуры выше, чем базового, для начесных потен эти показатели существенно уменьшаются, и для комбинированных становятся сравнимы с показателями для футерованных базовых полотен;

— показано, что для полотен комбинированных переплетений можно уменьшить коэффициенты воздухопроницаемости и теплопроводности на величину до 20%, уменьшив длину нити в петле глади в промежуточном ряду комбинированного переплетения. Одновременно такая оптимизация структурных параметров позволяет получить незначимые различия в показателях воздухопроницаемости и теплопроводности полотен новой структуры по сравнению с базовым образцом.

19. По результатам оптимизации структурных параметров полотен установлено, что при соотношении длин нити в петлях грунта и гладк 0,02 достигается минимальный уровень износа полотен.

Указанные соотношения учитывались при производстве опытной партии полотен комбинированного футерованного переплетения.