Нововведения в области конструирования, проектирования и дизайна швейных изделий и обуви

Устройство под маркой UZ-D9-A автоматического действия, под маркой UZ-D9-S - с ручным управлением.

Очень часто на швейные предприятия этикетки, которые содержат необходимую информацию об одежде, поступают от галантерейщиков в виде ленты, собранной в рулон. На рабочем месте, где эта этикетка настрачивается, её приходится обрезать по одной штуке ручными ножницами. Ряд фирм предлагают небольшие установки, где от рулона с помощью распознающих рисунок фотодатчиков отрезается необходимого размера этикетка. Нож автоматически приводится в действие по сигналу датчика. Привод в работу электрический или пневматический.

Ряд фирм выпускает ручной инструмент: пинцеты, вдеватели ниток, приспособления для заточки ножей, устройства для перемотки ниток с больших паковок на конусные бобины, ножницы с механизмом, увеличивающим усилие резания. Мелочь, но без неё нельзя.

Сегодня продукты химического производства широко используются в повседневной жизни. Не стоит в стороне и швейная промышленность. Выпускаются клеи для всех видов тканей как с временным соединением деталей, так и рассчитанные на длительный срок эксплуатации под нагрузкой. Пятновыводящие средства позволяют «спасать» готовую одежду от случайных попаданий капель масла и других загрязнений. При этом, как говорят производители, не остаётся следов применения этих средств (пятен, разводов), а окраска ткани не «съедается».

Химики предлагают различные красители, средства ухода за одеждой, обувью, мехом, кожей, смазочные и чистящие средства для оборудования.

Нетрадиционные области применения швейной машины

Родившись 150 лет назад как средство для сшивания различных материалов, швейная машина использовалась при изготовлении одежды, обуви, предметов галантереи. Однако сейчас область применения швейного оборудования значительно расширилась. Новизна заключается в широте подхода и техническом уровне разработок. И раньше приходилось сшивать ремни, листы войлока, элементы конской сбруи. А сейчас к этому добавились фрагменты мягкой мебели, тенты, палатки, буксирные концы, трубы, мягкие контейнеры, парашютные стропы, ангары.

Первый подход к решению задачи сшивания плотных материалов начался в 20-30-х гг. ХХ в. Практически это была та же самая швейная машина, только детали в ней были сделаны посолиднее, покрепче. Использовались иглы более высоких номеров, челночное устройство увеличенного размера, чтобы на шпулю можно было намотать больше нитки. Да и сами нитки применялись более толстые и прочные. Понятно, что скорость работы таких машин была не выше 20002500 об/мин. Конструктивное исполнение машин было различным: с плоской платформой, с колонкой, с рукавной платформой.

Но этого оказалось недостаточно. В современных условиях потребовалось существенно увеличить вылет рукава машины и обеспечить более надёжное продвижение полуфабриката под иглой. В качестве примера рассмотрим, в общих чертах, машину фирмы «Global» (Голландия) ZZ 567-75. Машина используется при изготовлении парусов для яхт. Имеет одну иглу и выполняет челночную двухниточную строчку. При этом строчка может быть как простой однолинейной, так и зигзагообразной. Игла для выполнения зигзага управляется копирами, которых в стандартный набор входит 5 штук на разные рисунки строчки. Для надёжного продвижения пакета в головке предусмотрен тянущий резиновый ролик, установленный сразу за иглой. Вылет рукава - 750 мм.

Подобного типа машины выпускают и другие фирмы: «Juki» (Япония), «Pfaff» (Германия), «Seico» (Япония). «Durkopp/Adler» (Германия). Варианты машин могут иметь рукавную платформу. Фирма «Garudan» (Чехия) производит машину с вылетом рукава 1000 мм.

Машины оснащаются средствами, обеспечивающими автоматические: останов, обрезку ниток, подъём нажимной лапки, закрепку; может программироваться выполнение заданного количества стежков. Область использования таких машин весьма широкая.

В некоторых случаях особого усиления деталей машины не требуется, однако обрабатываемый материал (пакет) требует специальных рабочих для транспортирования, что и пришлось сконструировать в оверлоке фирмы «Daimoku» (Тайвань) АК-2503В. Это трёхниточная швейная машина, осуществляющая прикрепление шнура к краю сетки или сети, которые используются для спортивных игр или рыбной ловли. Ширина обмётки до 16 мм, шаг строчки от 3 до 18 мм, скорость 3000 об/мин.

Второй подход - создание техники, выполняющей автоматически законченный цикл. Например, соединения парашютных строп машиной PLK-E 2008H фирмы «Mitsubishi Electric» или выполнение круговых закрепок на мебельных подушках полуавтоматом 3500-1 немецкой фирмы «KME». В отмеченных случаях роль оператора сводится только к позиционированию заготовок на рабочем месте и включению полуавтомата.

Вообще говоря, очень многие сегодняшние полуавтоматы для выполнения строчек сложного контура созданы принципиально такими, как показанный лет 15 назад агрегат для выполнения фигурной строчки на задних карманах джинс. Зажим в виде прямоугольных пялец с помощью шаговых приводов перемещается по плоскости стола в двух координатах, а программа работы этих приводов задаётся устройством с памятью на несколько стежков. Такие полуавтоматы выпускали заводы «Juki», «Brother», «Mitsubishi» и другие фирмы (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Внешний вид полуавтомата

В настоящее время они серьёзно усовершенствованы. Поле, в котором может располагаться строчка, может достигать 1000 мм в длину и 500 мм в ширину. Скорость вращения главного вала до 3000 об/мин. Длина стежка от 0,1 мм до 12,7 мм. Память на 8000 стежков и более. И область применения их существенно расширилась. Так, например, одно из любопытных использований - это изготовление обложек из кожи или полимерных материалов на документы. На рабочую позицию укладываются в необходимом порядке обложка, вкладыши, перемычки и за один проход всё это соединяется в один пакет.

Некоторые фирмы предлагают комплекты машин, предназначенные для изготовления конкретных изделий, например, сидений для автомобилей, диванов, кресел. Вот комплект «Sofa machine line» фирмы «Sun Star» (Южная Корея) состоит из четырёх машин: одноигольной и двухигольной с плоскими платформами, одноигольной и двухигольной с колонками. С помощью этого комплекта полностью решается вопрос по изготовлению чехлов на автомобильные сиденья.

Та же фирма разработала комплект из трёх полуавтоматов «Airbag machine line», обеспечивающий изготовление автомобильных подушек безопасности.

Для шитья отдельных фрагментов автомобильных сидений с настрачиванием на их края трубчатого винилового канта предназначен полуавтомат 3150/1 фирмы «KME» (Германия).

Как уже отмечалось выше, швейная машина стала использоваться при изготовлении крупногабаритных объектов - тентов, навесов, юрт, ангаров. В этих случаях часто целесообразно использовать схему, когда полуфабрикат размещается на столе, шьющая головка движется вдоль него, выполняя соединения срезов. Такую схему применила фирма «Matic» (Испания) в агрегате ULTA 2002. Установка позволяет обеспечить различные варианты швов: простые настрачивания, с одинарной подгибкой края, с двойной подгибкой.

Есть у этой же фирмы и у упоминавшейся «KME» агрегаты, где швейная машина неподвижна, а перемещается заготовка. Но так как куски полуфабриката весьма громоздки, то к шьющей головке они подаются ленточным транспортёром, движения которого синхронизированы с работой двигателя материала швейной машины.

Учитывая, что в последнее время появилось очень много материалов содержащих синтетическую составляющую, шьющая головка в ряде агрегатов стала заменяться на ультразвуковой генератор и на сопла, подающие горячий воздух, и ниточное соединение стало заменяться на сварное. Это позволяет обеспечить прочность соединения при экономии ниток и герметичность швов, что необходимо в случае производства специальной одежды (гидрокостюмов) или спецсооружений, устойчивость которых обеспечивает закачанный в них воздух. Такую технику выпускают фирмы «Ardmee» (Англия), «Pfaff» (Германия), «Miller» (США).

Приведённые факты свидетельствуют о том, что, несмотря на длительный срок существования, швейная машина продолжает совершенствоваться, а конструкторы работают над новыми областями её применения.

В настоящем обзоре, как бы ни хотели авторы, просто невозможно подробно описать или даже вскользь упомянуть то разнообразие машин, которое производится в мире и целесообразно использовать при изготовлении высококачественных изделий.

Своей задачей мы поставили в общих чертах информировать работников швейной отрасли, сотрудников службы сервиса о современном состоянии техники, по возможности назвав конкретные классы машин и фирмы-производители, с тем, чтобы заинтересовавшиеся могли легче ориентироваться в выпускающихся каталогах, проспектах, рекламе, где можно будет отыскать более подробные сведения.

Конструкторы, работающие в области швейного производства, не стоят на месте. Новая техника иногда поражает воображение. Особое внимание уделяется надёжности её функционирования.

Швейные машины расширяют свою область применения. Словом, у швейной машины, созданной ещё в XIX в., будущее есть, и весьма перспективное.

3.2 ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ ПЕРОПУХОВЫМ УТЕПЛИТЕЛЕМ

При производстве зимних головных уборов, одежды, а также спальных принадлежностей в качестве утеплителя продолжают использовать перопуховое сырьё водоплавающих птиц, которое относят к несвязным материалам. Особенности перопухового утеплителя - его неоднородность, несвязная разобщённая структура составляющих и летучесть - усложняют процесс обработки изделий.

С целью равномерного распределения и закрепления массы утеплителя по поверхности деталей этих изделий выполняется деление площади каждой детали на отдельные отсеки, что может быть выполнено как путём простёгивания, так и использованием переборок [4-9]. Причём простёгивание деталей швейных изделий может выполняться как до, так и после заполнения их перопуховой массой. В последнем случае сквозные строчки простёгивания снижают теплозащитные свойства пакетов за счёт изменения условий теплопередачи и увеличения воздухопроницаемости. Наблюдается увеличение миграции несвязного материала через отверстия от прокола иглой [6].

Основные конструкции пакетов с несвязными утеплителями для теплозащитной одежды представлены на рисунке 3.10.

Рис. 3.10. Основные конструкции пакетов с несвязными утеплителями для теплозащитной одежды:

1 - двухслойный пакет с переборками; 2 - двухслойный пакет;

3 - трёхслойный пакет; 4 - комбинированный двухслойный пакет со смещением

При производстве изделий с перопуховым утеплителем важнейшей операцией является дозированное заполнение отдельных отсеков деталей или пакетов.

Способы заполнения пакетов швейных изделий несвязным утеплителем можно классифицировать по нескольким признакам:

- по степени автоматизации;

- характеру перемещения утеплителя;

- принципу дозирования.

В настоящее время на предприятиях применяют ручное, механизированное и полуавтоматическое заполнение пакетов швейных изделий. По характеру перемещения утеплителя механизированные и полуавтоматические способы заполнения можно разделить на прямоточный, комбинированный и двухэтапный [6]. При прямоточном способе несвязный утеплитель транспортируется из питающей ёмкости непосредственно в заполняемый пакет. Дозирование утеплителя при этом может быть органолептическим, весовым или расходным (рис. 3.11).

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В первом случае оно осуществляется оператором в процессе заполнения путём оценки упругости пакета. Такой способ имеет низкую точность дозирования, но обладает большим быстродействием. Во втором случае контроль количества утеплителя, поступившего в заполняемый пакет, осуществляется в процессе заполнения весовым методом измерения. Этот способ заполнения теплозащитных пакетов является оптимальным по быстродействию и точности дозирования. Однако применение его для заполнения секционных пакетов проблематично из-за необходимости многократной переустановки и фиксирования отдельных отсеков на взвешивающей станции, что приводит к дополнительным затратам времени. Кроме того, вызывает затруднение обеспечение необходимой точности дозирования при заполнении отсеков малыми количествами утеплителя. Расходный принцип дозирования для заполнения пакетов швейных изделий впервые был предложен в 1989 г. [4].

Двухэтапные способы заполнения теплозащитных пакетов менее производительны, но обеспечивают высокую точность дозировки утеплителя. Точность дозирования обеспечивается применением этапа предварительного определения массы несвязного утеплителя, который производится весовым или объёмным методом измерения. Причём введение дополнительной операции - фиксирование массы - позволяет обеспечить практически любую точность. Однако производительность двухэтапного способа заполнения низка. Увеличение быстродействия при реализации этого способа в конкретных устройствах достигается путём увеличения числа взвешивающих станций, что приводит к удорожанию конструкции [9].

Комбинированный способ занимает промежуточное положение. Он позволяет повысить производительность процесса дозированного заполнения по сравнению с двухэтапным способом за счёт уменьшения циклов определения массы несвязного утеплителя весовым методом измерения и введения органолептического метода дозирования при распределении материала по отдельным отсекам теплозащитного пакета. А также в сравнении с прямоточными способами позволяет повысить точность дозирования за счёт использования весового метода измерения, с помощью которого контролируется общее количество утеплителя, необходимое для заполнения одного пакета. На практике комбинированный способ реализуется с помощью простого наполняющего оборудования, при этом процесс предварительного определения массы утеплителя не автоматизирован и имеет место загрязнение рабочего пространства.

На современных предприятиях, производящих швейные изделия с перопуховым утеплителем, использование того или иного способа заполнения определяется объёмами производства и производственной мощностью предприятия.

Из-за вышеупомянутых специфических особенностей перопухового утеплителя операции по заполнению изделий обычно выполняются вне зоны общего технологического процесса.

В условиях отечественного производства на предприятиях малой мощности детали изделия или его отсеки обычно заполняют вручную. Ручной способ заполнения непроизводителен и отличается неблагоприятными условиями труда, так как утеплитель необходимо взвешивать на весах. При этом работнику приходится брать перопуховую смесь руками, что приводит к её попаданию в производственное помещение. Применение местной вытяжной вентиляции затруднительно в силу специфики утеплителя.

Повышение производительности и улучшение условий труда достигается механизацией процесса заполнения пакетов. В настоящее время за рубежом разработаны многочисленные виды наполняющих устройств, отличающихся друг от друга производительностью, точностью дозирования, габаритными размерами, конструкцией питающего бункера, стоимостью. Все известные устройства позволяют заполнять пакеты из воздухопроницаемых тканей, так как несвязный утеплитель транспортируется в него воздушным потоком, и ткань служит фильтром, который отсекает утеплитель, пропуская через себя воздух. Наиболее простым оборудованием являются прямоточные наполняющие устройства (рис. 3.12).

Подобные устройства состоят из центробежного транспортировочного вентилятора с наконечником для заполнения и гибкого шланга для присоединения ёмкости с несвязным утеплителем. Частота вращения транспортировочного вентилятора регулируется нажатием на педаль управления. Прямоточные наполняющие устройства обладают большим быстродействием, поскольку несвязный утеплитель поступает в отсек заполняемого пакета через вентилятор непосредственно из питающей ёмкости.

Серьёзным недостатком прямоточных устройств является неточность дозирования, так как оператор определяет количество несвязного утеплителя в отсеке изделия органолептически.

Рис. 3.12. Наполняющее устройство WALLCO 111/S

Управление устройством требует от оператора большого опыта. Контроль количества утеплителя осуществляется тем, что в ёмкость, из которого он поступает в транспортировочный вентилятор, помещена заранее отвешенная порция. В этом случае задачей оператора является её правильное распределение по отсекам заполняемого пакета.

Следующим шагом в процессе механизации заполнения изделий несвязным утеплителем является оснащение рассмотренных выше устройств питающими ёмкостями со встроенными весами (рис. 3.13), которые загружаются вручную.

Конструктивно питатель представляет собой вертикально смонтированный на весах бак цилиндрической формы, в нижней части которого по касательной к боковой стенке расположен выходной патрубок для присоединения к транспортировочному вентилятору. Тем самым обеспечивается полное опорожнение бака при выгрузке вихревым движением воздуха. Применение таких устройств позволяет контролировать правильность дозировки при заполнении каждого отсека изделия. Однако из-за необходимости ручной многократной загрузки взвешивающей ёмкости производительность процесса заполнения мала.

Рис. 3.13. Наполняющее устройство KFE

Повышение производительности и улучшение условий труда при заполнении пакетов швейных изделий достигается путём использования специального полуавтоматического оборудования. При этом роль рабочего-оператора сводится к перемещению заполняемых пакетов и заданию доз несвязного утеплителя в соответствии с технологической картой.

Более сложными являются дозирующие устройства с взвешивающими станциями, реализующие двухэтапный весовой способ заполнения. Такие устройства обеспечивают погрешность дозирования 2-5 % при производительности 2-3 заполнения в минуту для дозы перопуховой массы весом в 40 грамм. Однако применение таких устройств на предприятиях с малыми производственными мощностями и удалённых от мест переработки сырья затруднительно, так как подобные устройства требуют применение специальных загрузочных линий, которые имеют значительные габаритные размеры и большую стоимость. Сложные дозирующие устройства применяют в основном в линиях по изготовлению перопуховых изделий, расположенных непосредственно на территории предприятий по переработке сырья.

На рисунке 3.14 приведено электронное набивочное устройство J-385-Е, которое выпускалось в ХХ в. фирмой «LORCH». Устройство содержит вентилятор загрузки, пуховоздухопровод загрузки, ёмкость для взвешивания пуха, вентилятор выгрузки, пуховоздухопровод выгрузки, управляющее устройство с индукционным датчиком перемещений.

Рис. 3.14. Электронное набивочное устройство J 385-E

Полуавтоматическое набивочное устройство J-600 (рис. 3.15) осуществляет способ заполнения, состоящий из операций: загрузка взвешивающей ёмкости, взвешивание, фиксация массы, выгрузка материала. Во время операции «фиксация массы» происходит оценка погрешности взвешивания, в результате которой осуществляется дозагрузка или выгрузка определённого количества утеплителя.

В Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса для увеличения производительности процесса заполнения пакетов швейных изделий перопуховым утеплителем созданы автоматизированные устройства, реализующие расходный принцип дозирования и обеспечивающие при высоком быстродействии точность дозирования, достаточную для получения качественных швейных изделий [10].



Рис. 3.15. Автоматическое набивочное устройство J 600

Масса перопухового утеплителя m, г, поступающего в загружаемый отсек пакета, определяется по его расходу через контролируемый участок пневмотранспортного канала по формуле:

(3.1)

где S - площадь сечения контролируемого участка пневмотранспортного канала, м²; - мгновенное, среднее по площади сечения S значение скорости пухового потока, м/c; - мгновенное, среднее по площади сечения S значение плотности пухового потока, г/м³; t - продолжительность процесса измерения, с.

Для обеспечения качественного заполнения теплозащитного пакета несвязным утеплителем применяемые средства измерения не должны оказывать влияние на поток материала, обеспечивать отслеживание колебаний контролируемого параметра, а также удовлетворять требованиям техники безопасности в швейном производстве.

Для определения плотности потока несвязного утеплителя в горизонтальном канале можно использовать последние два. Наиболее простым в реализации является интегральный метод на просвет. В его основе лежит уравнение Бугера - Ламберта, согласно которому поток монохроматического излучения с длинной волны , прошедший через некоторый объект, на который направлен поток Ф₀, равен:

Ф_п = Ф₀ ·e ^- , (3.2)

де - оптическая плотность объекта.

Рассмотрим возможность применения интегрального метода на просвет для измерения плотности потока несвязного пухового утеплителя в горизонтальном канале. Будем исследовать перемещение утеплителя в канале прямоугольного сечения. В выбранном сечении канала установим передатчик и приёмник монохроматического излучения. Выделим объём V₀, ограниченный площадью светочувствительной поверхности фотоприёмника F и шириной канала d. Условно разобьём выделенный объём на k равных частей и мысленно сгруппируем утеплитель в каждом i-м объёме в виде слоя материала, толщина которого равна h_i.

Для момента времени t, как видно из рисунка 3.16, имеем суммарную величину слоя материала в выделенном объёме:

(3.3)



Рис. 3.16. Контролируемый объём в выбранном сечении пневмотранспортного канала в момент времени t:

Ф_x - поток излучения, поступающий на фоточувствительную поверхность

фотоприёмника; Ф₀ - поток излучения, направленный на контролируемый объект;

F - площадь фоточувствительного поверхности фотоприёмника; d - ширина канала; h_i - толщина слоя утеплителя в i-м объёме;

1 - воздух; 2 - пуховый утеплитель

Истинная объёмная концентрация перопухового утеплителя определяется выражением:

=V_м / V₀ , (3.4)

где V_м - объём, занимаемый утеплителем; V₀ - геометрический объём, в котором находится утеплитель.

Учитывая плотность пухового материала , получим выражение для массовой концентрации в контролируемом объёме в момент времени t:

 (t) = h(t)· / d . (3.5)

Поток излучения Ф₀, проходя через контролируемый объём, ослабляется в соответствии с формулой (2). Ассортимент фоточувствительных приборов, выпускаемых в промышленности, разнообразен. Различные их типы полностью перекрывают оптическую область спектра электромагнитного излучения, включая её ультрафиолетовую и инфракрасную части.

Рабочий интервал длин волн большинства фотоприборов 0,2...20 мкм. При измерении в этом интервале длин волн можно считать, что ослабление потока излучения в контролируемом объёме вызывает только утеплитель.

Выходной сигнал, возникающий в сети фотоприёмника, на фоточувствительную поверхность которого поступает поток излучения Ф_х, можно записать в виде

U_ф(t)= F·Ф₀(t) ·e ^{- (t)}. (3.6)

Оптическая плотность объекта в общем случае равна:

D(t) = k·h(t), (3.7)

где k - линейный коэффициент поглощения слоем.

Подставляя в формулу (3.7) значения h(t) из формулы (3.5) имеем

D(t) = k_м· (t) ·d, (3.8)

где k_м = k / _м - массовый коэффициент поглощения излучения несвязного утеплителя.

В выражении (3.8) оптическая плотность пухового материала линейно зависит от контролируемого параметра , так как k_п = k_м·d - постоянный коэффициент для конкретного материала.

Тогда формула (3.6) примет следующий вид:

U_ф(t) = F·Ф₀(t) ·. (3.9)

Разложив в ряд Тейлора по степеням k_п ·_м сомножитель выражения (3.9), получим:

1 - k_п · (t) + k_п² · (t)² / 2. (3.10)

Это выражение при k_п· (t) < 0,1 можно использовать с достаточно большой степенью приближения, отбрасывая все члены, кроме двух, поэтому из выражений (3.10) и (3.9) следует, что

(t) - (t) = F·Ф₀(t) · k_п · (t), (3.11)

где (t) и (t) - выходные сигналы фотоприёмника, соответственно при = 0 и при измеряемом значении .

Для получения сигнала линейно зависящего от при k_п· > 0,1 к выходу фотоприёмника можно подключить логарифмический усилитель.

При подаче на вход такого усилителя сигнала, описываемого уравнением (3.11), на его выходе получим:

U_вых(t) = С - k_п · (t) , (3.12)

где С - постоянная величина при стабильном измерительном потоке Ф₀.

Анализ выражения (3.12) показывает, что уровень сигнала на выходе логарифмического усилителя понижается пропорционально увеличе- нию . Если использовать дополнительный суммирующий усилитель, на один вход которого подавать сигнал с логарифмического усилителя, а на другой сигнал, компенсирующий постоянную величину С, то на выходе последнего получим сигнал, пропорциональный массовой концентрации материала в контролируемом объёме:

U_вых(t) = k_п · (t) . (3.13)

При движении перопухового утеплителя в горизонтальном канале имеет место равномерное распределение материала по всему его сечению. Поэтому для определения средней плотности потока утеплителя достаточно измерять значение массовой концентрации в одном контролируемом объёме рассматриваемого сечения.

На точность измерения массовой концентрации несвязного утеплителя при данном методе влияют следующие факторы:

- помехи от других источников излучения;

- стабильность потока излучения Ф₀;

- оптическая плотность перопухового утеплителя при выбранной длине волны измерительного потока излучения;

- стабильность коэффициента k_п.

Массовый коэффициент поглощения потока излучения для несвязного утеплителя, входящий в состав коэффициента k_п, определяется выражением:

k_м = k·(1 - )· , (3.14)

где k - коэффициент поглощения; - безразмерный коэффициент, определяемый свойствами светорассеивающей среды и пространственным распределением измерительного потока излучения; - коэффициент, учитывающий отражение.

Коэффициент существенно изменяется в зависимости от плотности потока утеплителя, что вызывает дополнительную погрешность измерения.

Анализ экспериментальных данных позволил получить аппроксимирующий полином:

p(x) = 1,0617x² - 6,8313x + 7,6902, (3.15)

где p(x) - относительное изменение коэффициента массового поглощения, %; x - массовая концентрация утеплителя, г/дм³.

Для устранения погрешности датчика плотности потока необходимо в его схему ввести корректирующее звено. Схема корректирующего звена определяется полученной зависимостью относительного изменения коэффициента массового поглощения пухового утеплителя от плотности потока утеплителя.

На процесс дозированного заполнения отсека в пневмотранспортной системе (дозирующее устройство - отсек пакета) оказывают влияние следующие свойства несвязных утеплителей: механическая прочность, структурное строение утеплителя, гигроскопичность.

Механическая прочность несвязного утеплителя к истиранию определяет количество микрочастиц материала (пыли), образовывающееся в процессе его перемещения в наполняющем оборудовании. Очевидно, что чем выше прочность материала, тем процесс пылеобразования имеет меньшую интенсивность. При заполнении отсека пакета «естественное пыление» несвязных утеплителей вызывает эффект «ослепления» ткани [11].

Если упрощённо рассматривать ткань, из которой изготовлен заполняемый отсек, как плотную сетку, образованную нитями основы и утка, то для определения её коэффициента сопротивления можно воспользоваться выражением [12]:

о = (1+0,707/?1-)² ( - 1)² , (3.16)

где - отношение площади живого сечения сетки к её общей площади.

В общем случае зависимость между расходом воздуха и потерями давления в пневмотранспортной сети определяется выражением:

P_с = k· qⁿ, (3.17)

где P_с - потери давления в сети, кг/м²; q - расход воздуха, м³/с; k - коэффициент, зависящий от конфигурации сети; n - показатель степени, зависящий от характера течения воздушного потока (для турбулентного стационарного потока n = 2).

Микрочастицы утеплителя забивают поры ткани, из которой изготовлен заполняемый отсек, уменьшая при этом площадь «живого» сечения, что приводит (см. формулу 3.17) к увеличению сопротивления всей пневмотранспортной сети. Рабочая точка С транспортировочного вентилятора (рис. 3.17) соответственно смещается в новое положение C, при этом происходит уменьшение расхода воздушного потока, который осуществляет перемещение несвязного утеплителя в системе.

Рис. 3.17. Характеристика транспортировочного вентилятора:

P_п - полный напор, Па; P_д - динамический напор, Па;

P_ст - статический напор, Па; Q - объёмный расход воздуха, м³/c

При большом количестве содержащейся в перопуховом утеплителе пыли эффект «ослепления» ткани может вызвать нарушение процесса перемещения утеплителя и образование пробки во всасывающем канале или в выходном наконечнике дозатора пуха.

Структурное строение отдельных компонентов несвязного утеплителя определяет их скорость витания, а также скорость витания образующихся из них при перемещении конгломератов материала. Скорость витания является одним из основных факторов, влияющих на скорость перемещения волокнистых масс [13]. Таким образом, однородность структуры способствует образованию стационарного потока перопухового утеплителя в каналах пневмотранспортной системы.

Гигроскопичность характеризует способность перопухового утеплителя поглощать (сорбировать) влагу из воздуха за счёт капиллярной конденсации, то есть образования жидкой фазы в смачиваемых данной жидкостью капиллярах, порах, микротрещинах твёрдого сорбента. Чем выше гигроскопичность утеплителя, тем большее количество жидкости он способен поглотить из окружающей воздушной среды.

Таким образом, при использовании для пакетов швейных изделий перопухового утеплителя необходимо осуществлять контроль над его влажностью, то есть знать, какое количество жидкости содержится в данной порции материала. Рассмотрим влияние влажности несвязного утеплителя на точность дозированного заполнения отсека теплозащитного пакета на примере натурального гусиного пуха. Как уже отмечалось выше, устройства, реализующие двухэтапный весовой способ заполнения пакета, имеют погрешность - 5 %. В общем случае общая масса перопухового утеплителя определяется выражением:

M = m_п + m_в, г, (3.18)

где m_п - масса абсолютно сухого перопухового утеплителя, г; m_в - масса содержащейся в утеплителе воды, г.

Технология заполнения перопуховых изделий предусматривает использование перопухового утеплителя стандартной влажности (12 %). В зависимости от условий хранения и транспортировки фактическая влажность пуха может изменяться в довольно широких пределах - от 5 до 25 %. Весовое дозирование без учёта фактической влажности приводит к возникновению дополнительной погрешности. Произведём заполнение отсека массой пуха М = 100 г с влажностью W_ф = 25 %. При высыхании до величины стандартной влажности пух будет иметь массу, равную 89,6 г. Величина дополнительной погрешности при этом составляет 10 %.

Таким образом, общая погрешность при использовании весового принципа дозирования складывается из погрешности дозирующего устройства (2-5 %) и возможной дополнительной погрешности, обусловленной непредсказуемой влажностью пуха. Особенно это сказывается при дозировании на предприятиях, удалённых от мест переработки перопухового сырья (возможный перепад температуры окружающей среды при транспортировке и хранении приводит к существенному изменению влажности перопухового утеплителя). В устройствах, реализующих прямоточный расходный способ заполнения, возможен автоматический контроль влажности перопухового утеплителя, так как его масса измеряется в этом случае по оптической плотности объекта.

Оптическая плотность потока утеплителя в основном определяется двумя факторами. Это химический состав утеплителя и структура его потока. Структурные образования, формирующие перопуховой утеплитель, состоят из ороговевшего вещества, основным компонентом которого (до 95 %) является фибриллярный белок кератин, а также жировые, минеральные и безазотистые экстрактивные вещества, причём химический состав пуха и пера различных видов водоплавающих птиц практически одинаков. Структурное строение компонентов пухового утеплителя определяет его способность поглощать (сорбировать) влагу из воздуха за счёт капиллярной конденсации. Величина прошедшего через перопуховый утеплитель потока электромагнитного излучения зависит от массовой концентрации ороговевшего вещества и от количества, находящейся в нём воды :

,

где k_п и k_в - массовые коэффициенты поглощения потока электромагнитного излучения соответственно несвязным утеплителем и молекулами воды.

Если контролируемый объём облучать инфракрасным потоком на длине волны , соответствующей поглощению преимущественно пуховым утеплителем, и , соответствующей поглощению преимущественно молекулами воды, то прошедшие через объект потоки будут равны:

 (3.19)

где k_п1 и k_п2 - массовые коэффициенты поглощения излучения пуховым утеплителем соответственно для длин волн и ; k_в1 и k_в2 - массовые коэффициенты поглощения излучения молекулами воды соответственно для длин волн и ; и - массовые концентрации пухового утеплителя и воды.

Для определения в контролируемом объёме массовой концентрации пухового утеплителя необходимо решить систему уравнений, полученную из выражений (3.19):

ln(Ф01/ Фх1) = kп1· + kв1· ,		(3.20)
ln(Ф02/ Фх2) = kп2· + kв2·.

Тогда значение массовой концентрации перопухового утеплителя равно:

=	ln(Ф01/ Фх1) - kв1/ kв2 · ln(Ф02/ Фх2)	. (3.21)
	kп1 - kв1· kп2 /kв2

Таким образом, применение в прямоточном расходном дозаторе двухволнового датчика плотности потока позволяет осуществлять заполнение отсеков пакета с учётом влагосодержания перопухового утеплителя.

Рассмотрим процесс перемещения материала из питателя в заполняемый отсек в прямоточном расходном дозаторе (рис. 3.18). При транспортировке перопухового утеплителя по каналам имеет место смесь газа с твёрдой фазой. То есть можно говорить о потоке двухфазной среды, в которой пух и перья являются тяжёлым компонентом, а воздух лёгким.

Рис. 3.18. Упрощённая схема прямоточного расходного дозатора

В наиболее общем описании течения двухфазной среды необходимо учитывать изменение величин характеристик потока в трёхмерной системе координат и во времени. Ограничимся допущением об одномерности потока и примем следующую модель перемещаемой среды: отсутствует перемещение отдельных составляющих утеплителя в направлении, перпендикулярном движению потока; утеплитель не истирается при перемещении; скорость является бесконечно дифференцируемой и непрерывной функцией переменных (рассматриваем усреднённое движение утеплителя как прямолинейно-поступательное).

Для описания движения двухфазной среды примем модель раздельного течения компонентов. Эта модель может быть различной степени сложности. Наиболее подробный анализ основан на использовании уравнений неразрывности, движения и энергии для каждого компонента в отдельности, которые решаются совместно с уравнениями, описывающими характер взаимодействия компонентов среды между собой и стенками канала [14]. Мы рассмотрим простейший случай, когда допускается несоответствие только по одному параметру - скорости, а уравнения сохранения записываются для всей среды в целом.

Уравнение сплошности или неразрывности потока получают, основываясь на принципе сохранения массы потока, которая принимается однородной и несжимаемой. При этом не учитывают влияние перепада давления, нарушение изотермичности потока и наличие прерывистого молекулярного строения вещества [15].

Допустим, что перемещение утеплителя осуществляется потоком стандартного воздуха, который имеет следующие параметры:

- температура t₀ = 20 єC;

- барометрическое давление В₀ = 760 мм рт. ст.;

- относительная влажность ₀ = 0,5;

- плотность ₀ = 1,2 кг/м³.

В общем случае необходимо учитывать тот факт, что плотность воздуха изменяется при изменении других перечисленных параметров. В малой степени плотность воздуха зависит от влажности. При увеличении относительной влажности (определяется отношением парциального давления содержащихся водяных паров к их парциальному давлению при полном насыщении) с 0,5 до 1 плотность воздуха при неизменной температуре уменьшится на 0,5 %.

Общий массовый расход перемещаемой среды обозначим Q_м. Он равен сумме расходов компонентов и описывается системой уравнений:

где Q_вм - массовый расход воздуха, кг/c; Q_пм - массовый расход пухового утеплителя, кг/с; Q_в - объёмный расход воздуха, м³/c; _в - плотность воздуха, кг/м³.

Так как скорость перемещения тяжёлого компонента меньше скорости транспортирующего его лёгкого компонента, необходимо различать истинную массовую и расходную массовую концентрации пухового утеплителя.

Расходная массовая концентрация определяется выражением:

= Q_пм / Q_вм . (3.23)

Если канал длиной L и поперечным сечением S внезапно перекрыть запорными вентилями на его концах, то можно определить массу несвязного утеплителя m в выделенном объёме V. Тогда среднее значение истинной массовой концентрации утеплителя, кг/м³, определяется как

= m_П/ L·S . (3.24)

Соответственно мгновенное среднее значение истинной массовой концентрации материала, кг/м³, на элементарном участке dL равно:

= dm / dL·S. (3.25)

В нашем случае истинная массовая концентрация утеплителя будет плотностью потока _п .

Перопуховый утеплитель, с целью его подготовки для транспортировки в заполняемый пакет, разрыхляется. При этом масса утеплителя в силу своих аэродинамических свойств и структуры насыщается воздухом, то есть переходит в псевдоожиженное состояние. При однородном псевдоожижении масса утеплителя равномерно распределена по всему объёму бункера. Такое состояние двухкомпонентной среды поддерживается определённой частотой вращения рыхлителя. Рыхление обеспечивает также получение равномерного распределения различных фракций утеплителя по объёму бункера в случае использования утеплителей негомогенного состава. После разрыхления в бункере несвязный утеплитель готов к пневмотранспортировке в отсеки заполняемого пакета. При таком состоянии материала можно считать, что его концентрация в бункере, кг/м³, определяется выражением:

_б(t) = М_б(t) / V_б , (3.26)

где М_б(t) - масса находящегося в бункере утеплителя, кг; V_б - объём бункера, м³.

Воздушный поток создаётся транспортировочным вентилятором, характеристика которого была получена при лабораторных испытаниях на стенде (табл. 3.2) и представляет собой нелинейную зависимость давления вентилятора P_в от расхода воздуха Q_в. Для упрощения анализа изменений в пневмотранспортной системе, вызываемых различными факторами, проведём линеаризацию статической характеристики вентилятора путём проведения касательной в точке установившегося режима.

Таблица 3.2 Зависимость давления транспортировочного вентилятора от расхода (_н = 545 рад/с)

Pв , Па	1960	1663	1651	1660	1505	1410	1170
Qв , дм3/с	0	34	43	53	69	78	92

Точка установившегося режима работы вентилятора определяется пересечением его статической характеристики с характеристикой пневмотранспортной сети. Для рабочей точки, обеспечивающей величину скорости воздушного потока в контролируемом сечении, равную 12,5 м/c (номинальная частота вращения вентилятора _н = 545 рад/с), имеем следующую линеаризованную зависимость:

ДQ_в / ДP_в = 0,095 дм³/с·Па = k ₁, (3.27)

где k₁ - коэффициент усиления вентилятора по входной координате ДP_в.

В начале процесса заполнения отсек расправляется потоком воздуха, который становится стационарным после разгона вентилятора до номинальной частоты вращения _н (будем рассматривать случай, когда _н = const).

Поля скорости и давления определяются решением стационарных уравнений Навье - Стокса для чистого воздуха [13]:

(U ?) U = - grad P + ДU,

div U = 0,

(3.28)

где U - вектор скорости; P - давление, отнесённое к плотности воздуха; - коэффициент кинематической вязкости.

После переключения клапана 4, когда его флажок перемещается в положение б (см. рис. 3.18) в этот воздушный поток вводится перопуховой материал, который начинает перемещаться им в заполняемый отсек. После переключения клапана поля скоростей и давлений в системе не должны измениться. Это условие выполняется, если сопротивления воздушному потоку для обоих рукавов клапана равны. Утеплитель проходит два участка транспортного пути: всасывающий и нагнетательный. Конструктивно всасывающий участок состоит из всасывающего канала 3 и клапана переключения потков 4. Нагнетательный участок - это выходной наконечник для заполнения 7. Для определения количества утеплителя, поступившего в отсек мы должны контролировать его расход в сечении S, которое расположено в клапане 4 за переключающим флажком (на рис. 3.18 в этом месте установлен расходомер 5).

Масса утеплителя m_s(t), прошедшая через сечение S за время t, определяется формулой (1). На всём транспортировочном пути от питателя до заполняемого отсека происходит разгон потока утеплителя (d_м / dt ? 0).

В контролируемом сечении скорость потока утеплителя приобретает значение, которое определяется формулой [7]:

_п(t) = · _в(t), (3.29)

где _в(t) - скорость воздушного потока в сечении S; - коэффициент, учитывающий разницу величин скоростей для данной точки транспортного пути.

Коэффициент в общем случае можно представить как функцию плотности утеплителя в бункере питателя:

(_б)= f (_б). (3.30)

Скорость воздушного потока в сечении s определяется величиной расхода воздуха в системе в данный момент времени:

_в(t) = Q_в(t) / S. (3.31)

Предполагаем, что скорость потока утеплителя в контролируемом сечении будет неизменна, если _в = const, _б = const. Питатель имеет определённые геометрические размеры (объём бункера V = const), при условии отсутствия его дополнительной дозагрузки во время заполнения изделия, масса утеплителя в бункере будет уменьшаться пропорционально расходу через контролируемое сечение.

Величину плотности потока утеплителя в контролируемом сечении определяют следующие факторы: его плотность в питателе, частота вращения вентилятора, характеристика пневмотранспортной сети. Если частота вращения вентилятора имеет постоянное значение и характеристика сети при заполнении пакета не изменяется, то для плотности потока утеплителя в контролируемом сечении можно записать корреляционную зависимость от плотности утеплителя в бункере:

_п(_б) = f₁(_б). (3.32)

Массовый расход перемещаемой среды через контролируемое сечение S при частоте вращения вентилятора _н = const можно описать, учитывая уравнения (22) - (32), следующей системой уравнений:

Добавляем к полученной системе уравнений уравнения связи и сравнения:

где M_бн - масса утеплителя в бункере при t =0; P_сн - потери давления в пневмотранспортной сети при заполнении первого отсека, когда масса утеплителя в бункере равна своей номинальной величине; ДP_с (t) - дополнительные потери давления в пневмотранспортной сети, вызываемые различными факторами.

Уравнения (3.33) и (3.34) дают возможность составить передаточные функции линейных элементов, описывающих процесс перемещения пухового утеплителя через контролируемое сечение при _н = const:

где W₁(p) - передаточная функция бункера, отражает связь между массой утеплителя М_б и его плотностью _б; W₃(p) - передаточная функция контролируемого сечения; W₄(p) - передаточная функция интегрирующего звена, отражает зависимость массы утеплителя m от его расходной скорости Q_у; W₆(p) - передаточная функция контролируемого сечения, отражает зависимость скорости воздушного потока _в от расхода Q_в; W₇(p) - линеаризованная передаточная функция вентилятора, отражает зависимость расхода воздуха Q_в от потерь давления в сети P_с (P_с = P_сн - ДP_с, где P_сн - потери давления в сети при номинальной загрузке бункера; ДP_с - потери давления, вызванные влиянием возмущающих воздействий).

Нелинейные зависимости:

_п(_б) = f₁(_б);

(_б) = f₂ (_б). (3.36)

Пользуясь полученными передаточными функциями (3.35), уравнениями связи (3.34) и сравнениями (3.36), составляем структурную схему процесса перемещения утеплителя через контролируемое сечение S при выгрузке бункера конечного объёма (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Структурная схема процесса перемещения перопухового утеплителя через контролируемое сечение

Назначение блоков в структурной схеме:

блок 1 - передаточная функция W₁ (p);

блок 2 - нелинейная зависимость _п(_б);

блок 3 - передаточная функция W₃ (p);

блок 4 - передаточная функция W₄ (p);

блок 5 - нелинейная зависимость (_б);

блок 6 - передаточная функция W₆ (p);

блок 7 - передаточная функция W₇ (p);

блок 8 - блок перемножения с коэффициентом усиления, равным 1;

блок 9 - блок перемножения с коэффициентом усиления, равным 1;

блок 10 - учитывает уменьшение массы утеплителя в бункере;

блок 11 - учитывает влияние возмущающих факторов.

Заполняемый отсек является составной частью пневмотранспортной системы, поэтому любое изменение его параметров оказывает влияние на скорость воздушного потока. Так, например, при заполнении отсека, изготовленного из плотной ткани, свойство «естественного пыления» перопухового утеплителя может вызвать прекращение процесса перемещения материала и образование пробки во всасывающем канале.

Для стабилизации параметров системы предлагается использовать для заполнения отсеков теплозащитных пакетов выходной наконечник с встроенным каналом для отвода воздуха (рис. 3.20).

При этом вентилятор обеспечивает объёмный расход воздуха в пневмотранспортной системе, равный:

Q_в = Q_вт + Q_вф, (3.37)

где Q_вт - объёмный расход воздуха через ткань отсека; Q_вт - объёмный расход воздуха через встроенный канал выходного наконечника.

Если площадь «живого» сечения встроенного фильтра намного больше площади «живого» сечения ткани отсека, то изменение расхода воздуха через ткань отсека не будет оказывать существенное влияние на общий расход воздушной среды в пневмотранспортной системе.

График зависимости скорости воздушного потока во всасывающем канале от общей площади отсека, полученный при обработке экспериментальных данных, представлен на рисунке 3.21.

Как видно из рисунка, уменьшение площади отсека в 4 раза приводит к уменьшению скорости воздушного потока на 1,7 %. Таким образом, можно утверждать с достаточной для практики точностью, что использование для заполнения отсека выходного наконечника с встроенным каналом для отвода воздуха обеспечивает устранение влияния параметров отсека на изменение характеристики пневмотранспортной сети.

Рис. 3.21. График зависимости скорости воздушного потока во всасывающем канале от площади отсека