На правах Рукописи

ЧЕРЕПЕНЬКО АРКАДИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

теоретические основы комплексной технологии окончательной влажно-тепловой обработки

верхней мужской одежды

Специальность 05.19.04 «Технология швейных изделий»

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

ШАХТЫ – 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном

учреждении высшего профессионального образования «Орловский государственный технический университет» (ОрелГТУ) и Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса» (ЮРГУЭС)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бекмурзаев Лема Абдулхажиевич

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Орловский государственный

университет», г. Орел

Защита состоится 29 апреля 2011г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса по адресу:

г. Шахты, Ростовской обл., ул. Шевченко, ауд. 2247.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса.

Текст автореферата размещен на сайте ЮРГУЭС: http://www. *****

Автореферат разослан 15 февраля 2011 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Актуальность темы:

Существенное значение на современном этапе развития швейной промышленности приобретает увеличение темпов и эффективности производства. Совершенство технологии влажно-тепловой обработки (ВТО) и технический уровень оборудования обуславливают рост производительности и улучшение качества швейных изделий.

При этом стадии разработки технологических процессов окончательной ВТО являются определяющим фактором формирования качества готовой продукции, увеличения спроса населения и эффективности производства.

Исследования ученых, а также специалистов в области ВТО позволили решить ряд задач по вопросам совершенствования технологии и соответствующего оборудования. Ими разработаны общие теоретические основы и требования к операциям ВТО, рабочим органам и оборудованию в целом.

Однако, недостаточная изученность теплофизических и физико-механических процессов, а также разновидность способов, технологий и их неадаптированность к конкретным условиям управления являются сдерживающими факторами развития швейного производства.

В ранее опубликованных работах представлены вопросы, обобщающие производственный опыт и возможное направление ВТО без системной увязки. Вместе с этим локальный подход к функционированию оборудования и технологии, а также отсутствие научной базы по данной проблеме не позволяют разработать новые способы и эффективные технологические процессы окончательной ВТО.

Анализ основных положений окончательной ВТО показал, что до настоящего времени отсутствуют современные теоретические основы теплофизического воздействия на обрабатываемый полуфабрикат, в том числе не разработаны математические модели и алгоритмы расчета технологических режимов тепловых параметров перевода волокон тканей в высокоэластическое состояние, при механическом воздействии на изделие, а также при его сушке и переводе волокон тканей в застеклованное состояние.

Отсюда видно, что исследования теоретических и технологических основтеплофизических процессов, а также создание эффективных технологических процессов окончательной ВТО швейных изделий являются актуальной проблемой.

Решению этой проблемы посвящена представленная к защите диссертационная работа.

Цель работы:

Цель работы заключается в повышении производительности изготовления и улучшении качества швейных изделий на основе развития теории проектирования высокоэффективных технологий окончательной ВТО.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следую­щие основные задачи:

1.  Систематизация методов проектирования технологических процессов и практических методов ВТО.

2.  Определение направлений исследований и путей их реализации.

3.  Теоретические и экспериментальные исследования теплофизических процессов ВТО.

4.  Разработка математических моделей и алгоритмов расчета параметров и показателей окончательной ВТО, необходимых для создания эффективного технологического процесса, а также для управления теплофизическими процессами.

5.  Разработка нового способа и эффективного технологического процесса окончательной ВТО мужского пиджака.

6.  Разработка исходных требований для создания центра обрабатывающего для окончательной ВТО мужского пиджака.

Объект исследований:

Методы проектирования технологии ВТО, в том числе теплофизических процессов воздействия на полуфабрикат.

Общая характеристика методов исследований:

При проведении теоретических исследований использованы методы системного анализа, макромолекулярной теории полимеров, термодинамики, в том числе тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах, тепловой кинетики, аэродинамики, теории исследования операций, теории случайных чисел, методов оптимизации параметров объектов и процессов, математического моделирования и программирования.

При выполнении экспериментальных исследований использовались термодинамические методы исследований материалов, методы математического планирования и анализа экспериментов необходимая вычислительная техника.

В работе применялись следующие программные продукты: MathCad, Maple, STATISTICA Industrial System, Stratum-2000, Компас, Corel Draw, T-Flex, Word, Excell.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций основывается на лабораторных натурных экспериментах и подтверждена математическими методами, а также производственной апробацией результатов работы.

Научая новизна работы:

Разработаны теоретические и технологические основы теплофизических процессов окончательной влажно-тепловой обработки швейных изделий и оценки их эффективности в том числе:

1.  Разработаны математические модели теплофизических процессов ВТО, позволяющие оптимизировать параметры теплового воздействия на полуфабрикат;

2.  Получены системы дифференциальных уравнений, позволяющие определять необходимое количество тепла, температуру слоев конструктивных элементов полуфабриката и длительность процессов перевода волокон тканей в высокоэластическое состояние, теплового воздействия на полуфабрикат при прессовании и виброформовании, сушке и переводе волокон тканей в застеклованное состояние;

3.  Получены аналитические зависимости, позволяющие оптимизировать качество и длительность процессов влажно-тепловой обработки и рассчитывать их эффективность;

4.  Разработаны способы, защищенные 5 патентами РФ и алгоритмы расчета теплофизических параметров влажно-тепловой обработки швейных изделий;

5.  Разработаны способы, защищенные 7 патентами РФ и алгоритмы управления теплофизическими процессами влажно-тепловой обработки.

Значимость для теории:

1.  Разработанные автором аналитические схемы зависимостей теплофизического воздействия на полуфабрикат являются вкладом в общую теорию влажно-тепловой обработки швейных изделий.

2.  Обоснована концепция проектирования технологических процессов окончательной влажно-тепловой обработки с учетом использования математических моделей теплофизических процессов и математических моделей управления данными процессами.

3.  Система алгоритмов определения режимов и управления влажно-тепловой обработкой позволила реализовать концепцию единого комплексного методологического подхода к проектированию технологии влажно-тепловой обработки швейных изделий в зависимости от теплофизических и других сопутствующих воздействий на полуфабрикат.

4.  Новая база знаний в области проектирования технологии и управления влажно-тепловой обработкой.

Практическая значимость работы:

1.  Разработаны методы решения задач проектирования высокоэффективных способов и технологических процессов окончательной ВТО швейных изделий (на примере мужского пиджака), позволяющие прогнозировать и оптимизировать их параметры и эффективность, в том числе алгоритмы для расчета на ЭВМ теплофизических процессов и управления данными процессами.

2.  Разработаны новые эффективные технологические процессы и экспериментальная установка для окончательной ВТО мужского пиджака.

3.  Разработано и защищено свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программное обеспечение для системы автоматизированной оценки эффективности этапа прессования в процессе окончательной влажно-тепловой обработки полуфабриката».

4.  Улучшено качество швейных изделий путем выполнения операций отделки с одного навешивания, а также исключения растяжения волокон обрабатываемых тканей на объемных участках полуфабриката и применения научно-обоснованных режимов и параметров ВТО.

5.  Улучшены санитарно-гигиенические условия труда за счет введения в технологический процесс ВТО операции удаления отработанного технологического пара и тепла (аспирация) и отделения зоны загрузки от зоны обработки прозрачным теплозащитным экраном.

6.  Разработанные исходные требования позволяют создать обрабатывающий центр для окончательной ВТО всего размерно-ростового ряда мужского пиджака.

Автор защищает:

Научно-обоснованные технические и технологические решения по повышению производительности изготовления и улучшения качества швейных изделий за счет новых технологий влажно-тепловой обработки, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, связанные с конкурентоспособностью отечественной швейной промышленности в том числе:

1.  Концепцию проектирования технологических процессов окончательной ВТО, интегрированную в САПР;

2.  Математические модели и алгоритмы для определения и оптимизации параметров теплофизических процессов окончательной ВТО;

3.  Математические модели и алгоритмы для управления теплофизическими процессами окончательной ВТО;

4.  Результаты исследований на математических моделях и последующих натурных экспериментах, положены в основу разработанного нового способа и создания технологического процесса окончательной ВТО;

5.  Аналитические методы оценки эффективности технологических процессов окончательной ВТО;

6.  Исходные инженерные требования по созданию обрабатывающего центра для внедрения в швейное производство полученных результатов диссертационной работы;

Апробация результатов работы:

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 20 конференциях различного уровня, в том числе: международной научно–технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности – Прогресс», ИГТА, г. Иваново, 2001; международной научно–технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения – Технология», ОрелГТУ, г. Орел, 2001, 2002, 2003; межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые развитию текстильной и легкой промышленности – Поиск», ИГТА. Иваново, 2003; международной научно–технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения – Технология», ОрелГТУ, г. Орел (Россия) Сиде (Турция), 2006; международной научно-практической конференции «Метрологическое обеспечение, стандартизация и сертификация в сфере услуг». Шахты, ЮРГУЭС, 2006;

Работа выполнена по гранту федеральной целевой программы НТП ТОО – 10.4-2477 «Разработка теоретических и технологических основ окончательной влажно-тепловой обработки (ВТО) мужского пиджака» (номер гос. регистрации 01.2.00.101809).

Автор монографии изданной по результатам диссертационной работы является Лауреатом конкурса Минобразования РФ на лучшую научную книгу 2008 года.

Внедрение результатов исследований:

1.  Способ и технологический процесс окончательной ВТО мужского пиджака внедрен Орловским при изготовлении кителя для военнослужащих (100 штук).

2.  Полученные результаты внедрены в учебный процесс теоретических и практических курсов по дисциплинам «Оборудование для ВТО», «Технология швейных изделий».

3.  Результаты исследований вошли в монографию «Теоретические и технологические основы теплофизических процессов окончательной ВТО швейных изделий» авторы , (г. Москва, издательство «Прогресс», 2008, - 173 с.).

Публикации:

Всего по материалам диссертации опубликовано 66 печатных работы, среди которых статьи в материалах и сборниках научных трудов и конференций различного уровня, в том числе 17 в реферируемых журналах центральной печати, рекомендованных ВАК, 14 патентов и 1 свидетельство на программу ЭВМ, 2 монографии. Работа выполнялась по гранту федеральной целевой программы НТП ТОО – 10.4-2477 а результат изложен в отчете «Разработка теоретических и технологических основ окончательной влажно-тепловой обработки (ВТО) мужского пиджака» (номер гос. регистрации 01.2.00.101809).

Личное участие в получении изложенных в диссертации результатов:

Обоснование и постановка цели исследований, формулировка задач, научной концепции, определение методов и направлений исследований, системный анализ проблемы, анализ и систематизация полученных результатов, теоретические исследования и заключения, положения и выводы по работе, организация и непосредственное участие в широком комплексе экспериментальных исследований принадлежат лично автору.

Ряд положений методологического, теоретического и экспериментального характера в разработке методов проектирования эффективных технологических процессов ВТО использованы при выполнении и защите диссертационных работ на соискание ученой степени кандидата технических наук Зубовой Е. В. под руководством автора.

Автору принадлежат основные идеи подавляющего большинства изобретений, опубликованных и использованных в диссертационной работе.

Структура и объем:

Диссертационная работа изложена на 306 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, 2 таблиц, 112 рисунков, заключения и библиографического списка насчитывающего 257 наименований, а также приложений, изложенных на 15 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель, определены задачи исследований и основные пути их решения, выявлен объект исследований, отмечена научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы, представлены сведения об апробации работы и внедрении результатов исследований

В первой главе проведен анализ физико-механических и теплофизических процессов ВТО швейных изделий. Уточнены оптимальные температурные параметры влажно тепловой обработки с учетом свойств различных текстильных материалов.

Классифицированы способы силового воздействия на полуфабрикат, как для статического, так и для динамического видов механической обработки с учетом направленности силового воздействия.

Однако рассмотренные работы в основном касались изучения физико-механических и теплофизических процессов внутрипроцессной ВТО. При этом задачи внутрипроцессной и окончательной ВТО отличаются друг от друга. При внутрипроцессной ВТО в общем случае осуществляется придание плоской ткани в детали объемной формы. При окончательной ВТО осуществляется восстановление полученной ранее формы без заметных изменений составных частей, а также придание поверхности изделия гладкости (устранение различного рода помятостей).

Кроме того, установлено, что окончательная ВТО производится путем переукладки и перенавешивания полуфабриката с использованием различного количества гладильных прессов и установок, что существенно снижает производительность и качество обработки, ухудшая товарный вид изделия.

Подтверждена необходимость и своевременность развития научных исследований перспективного направления в технологии швейного производства по совершенствованию методов расчета и управления теплофизическими процессами окончательной ВТО во времени и обработки изделия с одного навешивания. Для чего необходимо создание научных основ теплофизических процессов окончательной ВТО, разработка методов проектирования процессов окончательной ВТО, изучение механизма теплового воздействия на полуфабрикат при переводе волокон тканей в высокоэластическое состояние, прессовании и виброформовании, а также при сушке и переводе волокон тканей в застеклованное состояние и разработка метода управления теплофизическими процессами окончательной ВТО.

Это определяет необходимость разработки новых способов и создание новой технологии окончательной ВТО мужского пиджака, формализованного метода определения эффективности технологических процессов на стадии их проектирования и подготовки исходных технологических требований для современного оборудования окончательной ВТО мужского пиджака с одного навешивания.

Во второй главе представлены теоретические основы проектирования процессов окончательной ВТО швейных изделий. Разработка методов проектирования процессов ВТО является проблемой, вызванной трудностями аналитических исследований текстильных материалов, представляющих собой сложную систему. Кроме того, решение этих вопросов связано с учетом положений физико-механических свойств и макромолекулярной теории полимеров, термодинамики, в том числе теории тепломассопереноса в капиллярно-пористых телах, тепловой кинетики и аэродинамики.

Решить эту проблему можно только путем применения формализо­ванного метода анализа, основным методологическим приемом кото­рого является системный подход. Согласно системному подходу разра­ботку необходимо рассматривать как целостную упорядоченную сис­тему, состоящую из ряда подсистем. На первом этапе системного подхода проведен качественный анализ объекта разработки, позволивший установить подсистемы и их целевые функции: при переводе волокон тканей в высокоэластическое и застеклованное состояния, прессования, виброформования и сушки швейных изделий. При этом реализация проблемы разработки методов проектирования процессов ВТО непосредственно связана с решением задачи прогнозирования и определения их эффективности. Взаимосвязь целевых функций подсистем, их параметры и тре­бования обуславливают необходимость соответствующих исследований, направленных на решение задач разработки процессов ВТО и их реали­зации в промышленности.

Выполненный качественный анализ позволил выявить структур­ную схему количественного этапа работы (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структурная схема количественного этапа разработки технологического процесса окончательной ВТО швейного изделия

Окончательная влажно-тепловая обработка (ВТО) характеризуется циклическими теплофизическими нагрузками, обусловливающими знание соответствующих параметров следующих этапов:

− перевод волокон тканей изделия в высокоэластическое состояние;

− статическое механическое воздействие на отдельные участки изделия;

− динамическое механическое воздействие на изделие;

− сушка изделия;

− перевод волокон тканей изделия в застекленное состояние.

При этом:

− перевод волокон тканей в высокоэластическое состояние осуществляется технологическим паром, подаваемым как с лицевой, так и с изнаночной сторон швейного изделия;

− сушка производится нагретым воздухом с изнаночной стороны изделия;

− перевод волокон тканей в застеклованное состояние производится воздухом из окружающей среды просасыванием через изделие.

Для эффективного проведения вышеупомянутых этапов окончательной ВТО швейных изделий разработаны математические модели, описывающие теплофизические процессы во времени.

В качестве основного объекта математического моделирования в диссертации принят мужской пиджак как наиболее сложное швейное изделие.

Моделирование процесса перевода волокон тканей в высокоэластическое состояние производится с учетом распределения тепла по элементам изделия. При этом в качестве основного теплоносителя и пластификатора используется технологический пар.

В начальный момент пропаривания температура ткани и воды принята меньше 100 °С и происходит передача тепла паром нитям тканей и его конденсация.

Пар характеризуется: плотностью , скоростью распространения , давлением . Состояние воды и ткани характеризуются: плотностью ткани - ; плотностью воды - ; температурой ткани ; температурой воды - .

Обозначим некоторую трехмерную область ткани, через которую происходит передача тепловой энергии от пара к ткани.

Пусть , - теплоемкость и плотность ткани, - плотность воды в ткани, - теплоемкость воды, тогда уравнение теплового баланса будет иметь вид:

В силу произвольности области и непрерывности подынтегральной функции приходим к уравнению:

(1)

Будем характеризовать процесс образования воды из проходящего пара коэффициентом конденсации , считая, что:

(2)

где: - плотность пара;

– плотность воды.

С учетом неразрывности потока пара получим.

(3)

где: - .

Уравнение (3) определяет изменение плотности пара во времени и пространстве и является искомым уравнением неразрывности потока пара и определяет изменение скорости пара во времени и пространстве:

. (4)

Для вывода уравнений, характеризующих температуру проходящего пара, проанализируем изменение полной энергии единицы объема пара :

,

где: - внутренняя энергия единицы объема пара;

- кинетическая энергия единицы объема пара.

В результате ряда преобразований получим:

(5)

Таким образом, для данного процесса ВТО при имеем уравнения (1-5), (уравнение (4) - векторное, для трех компонент скорости) для нахождения неизвестных: и .

Пусть теперь температура волокон ³ 100°С. При этом происходит нагревание волокон и испарение воды. В этих условиях температуры воды и ткани будут различными, .

Уравнение (1) примет вид с учетом нагревания ткани:

(6)

Уравнение (2) также изменится:

(7)

где: - коэффициент теплопередачи от пара к воде;

- коэффициент теплопередачи от ткани к воде.

В уравнении (2.3) следует положить, и тогда получим обычное уравнение непрерывности:

(8)

В уравнении (5) следует положить и убрать члены, описывающие конденсацию пара. Тогда получим:

(9)

Уравнение Эйлера (4) не изменится. Запишем его с учетом . Тогда имеем:

(10)

Таким образом, для данного процесса ВТО при имеем уравнения , для нахождения 7 неизвестных: где: . Для уравнений (1) и (6) граничные условия выглядят так:

(11)

где: - температура внешней среды;

- температура нижней подушки;

- коэффициент теплоотдачи с поверхности ткани, не прилегающей к нижней подушке;

- коэффициент теплоотдачи с поверхности нижней подушки в ткань;

- поверхность ткани, прилегающей к нижней подушке;

- поверхность ткани, не прилегающая к нижней подушке.

Начальные условия для уравнения (1):

, (12)

где: - первоначальная температура ткани.

Пусть - момент времени, при котором , начиная с момента, происходит переход от системы уравнений, к системе уравнений

Уравнениярешаются до момента ( - момент перехода волокон в высокоэластичное состояние): , где - температура перехода волокон в высокоэластическое состояние.

Системы квазилинейных дифференциальных уравнений в частных производных, имогут быть решены численным методом по неявной схеме (для обеспечения устойчивости) с применением метода факторизации, или же прогонки.

Уравненияв цилиндрической системе координат приобретают следующий вид:

(13)

; (14)

; (15)

; (16)

(17)

Граничные условия для уравнений такие же, как и для уравнений, только при следует положить r = 0, а при следует положить r = Н, где Н - толщина ткани. В начальных условиях следует положить х = rmin + r. Уравнениявыглядят следующим образом:

; (18)

; (19)

; (20)

; (21)

. (22)

Граничные и начальные условия для уравнений преобразуются так же, как и для уравнений Уравнение (16) остается без изменений).

В кратком виде для облегчения написания разностных схем, реализующих численный алгоритм расчета уравнения приобретут вид:

(23)

Коэффициенты А0, В0, C, D, E0 зависят от состояния процессов ВТО. Введем обозначения:

где rк, tj - узлы вычислительной сетки для переменных (r, t).

Запишем систему разностных уравнений для системы (23):

(24)

где: h - шаг по переменной r;

t - шаг по переменной t.

Если ввести многомерный вектор , то уравнения системы (24) могут быть записаны в виде:

(25)

где матрицы получаются из коэффициентов системы (24) при приведении ее к виду (25). Система (25) эффективно решается при помощи метода факторизации, или метода прогонки, согласно формулам:

(26)

при условии , к = 1, 2, ..., n.

Окончательно получим разностное уравнение вида (25), которое решается методом факторизации (26).

Рассматриваемые разностные аппроксимации имеют первый порядок точности по временной переменной и второй порядок точности по пространственной переменной.

Таким образом, получена математическая модель перевода волокон тканей в высокоэластическое состояние в процессе пропаривания при окончательной ВТО, позволяющая оптимизировать соответствующие параметры.

Расчет параметров осуществляется на ПК, согласно разработанному алгоритму (рисунок 2).

В результате расчета получены значения функции температуры Т(tк, хj) в моменты времени tк = к×0,1 на множестве точек xj = j×0,1 (х - толщина ткани).

Аналогичные расчеты были проведены для всех этапов ВТО.

Результаты теоретических исследований, позволяют получить математические модели регулировки и управления теплофизическими процессами ВТО, включающими:

-  перевод волокон тканей в высокоэластическое состояние;

-  состояние тепловых параметров полуфабриката при виброформовании;

-  состояние тепловых параметров полуфабриката при прессовании;

-  сушка полуфабриката нагретым воздухом;

-  перевод волокон тканей в застеклованное состояние.

Подпись:Для примера ниже приведена математическая модель управления процессом перевода волокон тканей в высокоэластическое состояние

Процесс перевода волокон тканей в высокоэластическое состояние характеризуется следующими параметрами: температурой ткани , температурой пара , плотностью пара , скоростью пара , температурой воды , плотностью воды . Эти параметры представляются функциями , , , , , где – текущее время, и рассчитываются системой управления согласно уравнениям, полученным представленным выше.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5