автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему: Совершенствование системы контроля параметров качества льняной стланцевой тресты
Автореферат диссертации по теме "Совершенствование системы контроля параметров качества льняной стланцевой тресты"
На правах рукописи УДК 677 11 620 1
РУМЯНЦЕВА ИРИНА АНАТОЛЬЕВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ЛЬНЯНОЙ СТЛАНЦЕВОЙ ТРЕСТЫ
Специальность 05 19 01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте по переработке лубяных культур и Костромском государственном технологическом университете
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Пашин Евгений Львович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Гусев Борис Николаевич
Ивановская государственная текстильная академия
кандидат технических наук, профессор Дроздов Владимир Георгиевич Костромской государственный технологический университет
Ведущая организация: Костромская государственная
Защита состоится 14 декабря 2007 года в 12°° часов на заседании диссертационного совета Д 212 093 01 в Костромском государственном технологическом университете
Адрес 156005, г Кострома, ул Дзержинского, 17, ауд 214
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета
Автореферат разослан « Ш » ноября 2007 г
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В последнее время в нашей стране и за рубежом постоянно растет интерес к производству текстильных изделий из льняных волокон Эффективность производства и конкурентоспособность готовой льняной продукции во многом зависят от качества исходного сырья - льняной тресты, производимой в льносеющих хозяйствах с использованием способа расстила стеблей на льнище
В условиях агропромышленной интеграции используются интенсивные машинные технологии производства льна, имеющие существенные отличия от ранее применяемых Льняное сырье поступает на перерабатывающие предприятия в рулонах Однако при этом усложняется проведение сортировки и необходимой оценки технологических качеств сырья Производство стланцевой тресты на основе использования применяемых на практике технологических приемов и машин не обеспечивает получение однородной по свойствам льняной тресты В таких условиях, при оценке ее качества по действующему стандарту (ГОСТ 24383-89), возникают ошибки Поэтому стандартные методы анализа не позволяют обеспечить необходимые требования при приемке и определении технологической ценности льна, в том числе при расчете дотаций за сдаваемое сырье
Указанные обстоятельства приводят к снижению эффективности переработки тресты на льнозаводах и качества льняного волокна как сырья для текстильной промышленности Последствия такой обработки трансформируются в область текстильного производства и влияют на снижение конкурентоспособности готовых льняных изделий
Таким образом, несовершенство системы оценки качества льняной стланцевой тресты, поставляемой из льносеющих хозяйств в рулонах, является актуальной проблемой, решение которой будет способствовать обеспечению отечественной льняной текстильной промышленности высококачественным сырьем
Значимость указанной проблемы подтверждается планом мероприятий по развитию легкой промышленности на 2006-2008 гг, одобренных Председателем Правительства РФ МЕ Фрадковым (МФ-П9-5064 от 25 10 2006), а также проводимыми исследовательскими работами по совершенствованию методов оценки качества льняного сырья в рамках программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006 2010 гг
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Целью исследования является повышение объективности и точности определения технологического качества стланцевой льняной тресты, поставляемой в рулонах, для обеспечения рациональных условий ее последующей переработки
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи
- анализ результатов исследований в области агротехнологий льна и квалиметрии текстильных и иных материалов,
- анализ особенностей варьирования свойств льняной тресты на участках ее получения,
- разработка бесконтактного метода контроля структурных параметров совокупности стеблей тресты в ленте и их цвета,
- разработка метода квалиметрии льняной стланцевой тресты в полевых условиях,
- совершенствование метода классировки тресты при ее складировании для сезонного хранения и разработка методических основ системы поддержки принятия
решений при выборе рациональных режимов работы трепальной машины во время переработки льняной тресты из рулонов
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Методической основой диссертации являются труды ведущих ученых в области квалиметрии текстиля и сырья для его производства В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследований Применялись методы теории вероятностей, математической статистики, нейросетевого анализа, текстильного материаловедения, а также методы анализа изображений При проведении экспериментальных исследований использовалась стандартная и оригинальная аппаратура Обработка опытных данных проводилась с помощью методов дискриминантного, регрессионного, дисперсионного, корреляционного анализов и анализа временных рядов Вычислительные процедуры реализовывались на ПЭВМ, используя программы Mathcad, Statgraphics, Statistica, Excel, Borland Delphi 7 Studio
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в создании бесконтактного метода контроля структурных параметров совокупности стеблей стланцевой льняной тресты в ленте и их цвета, а также методов квалиметрии льна в полевых условиях и прогнозирования результатов переработки при его трепании с учетом свойств обрабатываемого льна, поставляемого на льнозаводы в рулонах В результате исследований впервые
- обоснован и разработан на основе анализа изображений бесконтактный метод контроля структурных параметров совокупности стеблей стланцевой льняной тресты в ленте и их цвета,
- установлены величины вариации основных технологических свойств стеблей стланцевой льняной тресты по длине лент, в зависимости от их расположения на льнище и года получения тресты, идентифицированы низко- и высокочастотные составляющие изменений наиболее варьируемых свойств стеблей в лентах всего ассортимента тресты, поставляемой на льнозаводы,
- обоснована необходимость проведения цветокоррекции изображений участков ленты с применением цветовых эталонов,
- предложено в качестве методических основ реализации системы поддержки принятия решений при выборе режимов работы трепальной машины использовать
а) совокупную оценку технологического эффекта переработки льна трепанием по выходу длинного волокна, содержанию в нем костры и доле недоработанных прядей,
б) метод расчета длины участка ленты льна, применительно к которому требуется изменение скоростных режимов трепальной машины,
в) метод прогнозирования рациональных значений скоростных режимов трепальной машины в зависимости от изменения свойств стеблей тресты по длине ленты из рулонов
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ В результате проведенной исследовательской работы разработаны предложения по совершенствованию системы квалиметрии стланцевой льняной тресты Они позволяют осуществлять оценку качества льна в полевых условиях Предложен новый метод определения номера тресты на льнище, который рекомендован для стандартизации путем внесения в качестве официального изменения в ГОСТ 24383-89, а также для совершенствования существующей системы дотирования льна льносеющим хозяйствам Кроме этого, он рекомендован для
использования льносеющими хозяйствами для предварительного определения номера льняной тресты перед поставкой ее на льнозавод
Новый бесконтактный метод контроля и определения структурных параметров совокупности стеблей тресты в ленте и их цвета может быть использован в период проведения уборочных работ путем применения дополнительного устройства к льнооборачивателю или рулонному пресс-подборщику Решение по его возможной реализации принято ГНУ ВНИПТИ механизации льноводства (г Тверь) при совершенствовании конструкции льноуборочных машин
Указаны перспективы использования нового метода контроля структурных параметров совокупности стеблей тресты в ленте и их цвета применительно к системам дистанционного зондирования, в том числе с использованием космической и аэро- съемок
Предложения по совершенствованию классировки тресты при ее складировании в рулонах позволяют повысить эффективность подготовки тресты к обработке за счет формирования более однородных партий стеблей по их технологическим свойствам Данные предложения рекомендуются для использования на льнозаводах
Новые методы прогнозирования результатов трепания и расчета скоростных режимов работы трепальной машины позволяют повысить эффективность механической обработки льняной тресты на основе обеспечения рациональных условий обработки стеблей с учётом изменения их свойств при размотке рулонов Указанные методы и алгоритмы расчетов приняты к использованию Всероссийским НИИ по переработке лубяных культур (г Кострома) для создания автоматизированных систем принятия решений при управлении работой трепальной машины
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Технология и оборудование производства натуральных волокон»
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях Лен-2002» (Кострома, 2002), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Кострома, 2004), на Всероссийском согласительном совещании по вопросам стандартизации льняной тресты (ВНИИЛК, Кострома, 2005), на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона Лен-2006» (Кострома, 2006), на международной научно-технической конференции молодых ученых «Новые научные достижения в льноводстве и коноплеводстве Украины» (Глухов, Украина, 2006), на заседаниях кафедры производства льняного волокна КГТУ (Кострома, 2006, 2007), на заседании ученого Совета Всероссийского НИИ по переработке лубяных культур (Кострома, 2006), на международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы развития отраслей льноводства и коноплеводства» (Глухов, Украина, 2007), на десятой юбилейной международной научно-практической конференции «Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России» (Вологда, 2007), на Всероссийском семинаре по научным проблемам агропромышленной переработке лубоволокнистых материалов (Кострома, 2007), на
выставке-ярмарке «Золотая осень 2007» - с получением серебряной медали (Москва, ВВЦ, 2007)
ПУБЛИКАЦИЙ. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, 11 материалов и тезисов докладов на всероссийских и международных научно-технических конференциях, получено два патента РФ на изобретение, одно техническое решение признано изобретением (положительное решение)
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и общих выводов, содержит 196 страниц, 16 таблиц, 67 рисунков, список литературы, включающий 135 наименований, 4 приложения
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель, определены задачи исследований, указана научная новизна и практическая ценность работы
В первой главе представлены результаты анализа опубликованных работ, в которых изложены исследования агротехнологий льна Из опубликованных работ ВНИИ льна (г Торжок), НИИПОЛВ (г Минск), Вятской сельскохозяйственной академии, ВНИИ по переработке лубяных культур (г Кострома), Костромского государственного технологического университета, ВНИПТИ механизации льноводства (г Тверь) следует, что при использовании интенсивных механизированных технологий возделывания и уборки льна с поля (включая рулонную технологию) необходимо строгое соблюдение технологических регламентов В противном случае поставляемое на льнозаводы сырье будет обладать повышенной гетерогенностью технологических свойств Последнее, по данным Ипатова А М, будет приводить к снижению технологических эффектов переработки уменьшению выхода длинного волокна и его качества Индикатором повышенной неровноты свойств льняного сырья является процент недоработанных прядей (недоработки) По данным Виноградовой АЕ этот параметр в последнее время на льнозаводах достигает 50 70%, что значительно выше тех уровней, которые являлись рекомендациями в середине прошлого столетия - до 10 15%
Установлено, что доминирующими причинами роста неровноты свойств являются нарушения технологии выращивания льна, использование способа получения тресты путем расстила стеблей на льнище, которые варьируются по длине, диаметру и степени зрелости, использование разных условий расстила и подъема стеблей с льнища, нарушения технологии уборки льна с поля В настоящее время все указанные причины имеют место Это обстоятельство в условиях поставки льна на льнозавод в рулонах вызывает ряд практических сложностей Возникают трудности с объективной оценкой качества тресты, организацией её сортировки для сезонного хранения и рациональной переработкой тресты Сделано заключение, что решение указанных проблем возможно на основе совершенствования систем квалиметрии льна, поставляемого в рулонах
Проведенные исследования доказали несовершенство существующей стандартной методики оценки качества льняной тресты на участках ее производства Получаемые с ее использованием результаты приводят к формированию недопустимой ошибки испытаний (более 10%) В этой связи высказано предположение о целесообразности получения информации о параметрах технологического качества льняной тресты непосредственно на поле, применительно
к каждой ленте, из которой формируют рулон Однако для решения этого необходима разработка принципиально нового метода оценки качества льняной тресты
Обзор результатов исследовательских работ в области квалиметрии текстильных материалов выявил в качестве перспективного направления разработку и использование методов, основанных на анализе изображений В последнее время в этом направлении активизировались исследования Известные работы Севостьянова П А , Гусева Б Н , Коробова Н А, Пашина Е Л Дроздова В Г и др, а также исследования по оценке продукции агропроизводства Башилова А М, Старовойтова В И, Рогановой Т И подтвердили возможность создания методов квалиметрии, пригодных для использования на практике Поэтому было принято решение по разработке нового способа оценки качества льняной тресты на основе использования подобных подходов
В этой же главе высказано предположение о возможности решения проблем классировки льняной тресты и ее рациональной переработки при наличии данных о качестве льняной тресты в каждом рулоне, полученных в полевых условиях В этой связи представлен анализ известных решений по классировке льняного сырья в период его массовой заготовки на льнозавод и при закладке на сезонное хранение, а также выявлены известные модели прогнозирования величин выхода длинного волокна, содержания костры и доли недоработанных прядей в процессе трепания льна
Во второй главе проведен анализ закономерностей варьирования свойств стеблей стланцевой тресты в лентах льна на льнище Полученные в разных условиях выращивания льна четырёхгодичные опытные данные были проанализированы с помощью методов дисперсионного и спектрального анализов Установлено наличие значительного варьирования важнейших технологических свойств тресты в лентах льна Наибольшему варьированию подвержена отделяемость волокна от древесины стеблей (СУ=99,Зб%) Далее следуют длина стеблей и их группа цвета Величина вариации в разных лентах и в разные годы исследований является непостоянной
Рассчитаны доверительные интервалы варьирования каждого из изучаемых свойств тресты в ленте при 95% доверительной вероятности Оказалось, что по всем свойствам возможны случаи превышения значений пределов доверительных интервалов (см табл 1) Процент выявленных превышений весьма значителен Это свидетельствует о возможных проблемах при выборе рациональных режимов переработки тресты из одного рулона на мяльно-трепальном агрегате На практике переработку тресты из одного рулона осуществляют при неизменных режимах, ориентируясь на усредненные свойства тресты, что приводит к снижению эффективности получения трепаного волокна и его качества
Исследуемые свойства Среднее значение доли тресты (%) в рулоне, превышающее пределы доверительного интервала варьирования свойств по годам исследования
1998 1999 2000 2006
Длина, см 49,28±10,94 44,93±23,95 56,52±15,67 69,69±3,99
Отделяемость, ед 37,49±6,82 53,89±10,83 32,48±7,73 69,23± 10,02
Цвет, группа 43,39±7,60 63,77±5,02 56,48±23,06 67,85±40,07
Используя методы анализа временных рядов, была осуществлена оценка частотных характеристик выявленных изменений свойств тресты по длине ленты
Применяя метод накопленных периодограмм и метод спектральных окон, установлено наличие системных изменений по всем исследуемым свойствам. Доля этих изменений и их параметры (периодичность системных изменений) являются различными применительно к году получения тресты, лентам льна, к участкам его выращивания и получения тресты. Выявлены минимальные значения продолжительности системных изменений свойств. Значения этих периодов представлены на рис. 1 в виде диаграммы. По совокупности полученных данных минимальным значением длины ленты, в которой наблюдаются системные изменения свойства, является величина 5 м.
1998 1999 2000 2006 го»>
Ш Длина ЕЗ Отделяемость □ Цвет
Рис.1. Значения периодов системных изменений исследуемых свойств тресты
В заключительной части главы сформированы рекомендации для совершенствования метода оценки качества льняной тресты в полевых условиях.
Третья глава содержит результаты разработки нового бесконтактного метода контроля структурных параметров совокупности стеблей в ленте тресты и их цвета, его разработку базировали на использовании электронно-оптических и информационных технологий, которые в последнее время интенсивно используются при создании различных систем контроля. Основой разработки метода явился анализ цифрового изображения.
Для определения длины стеблей в ленте и разброса их комлевых и вершинных концов необходимо осуществить бинаризацию цветного изображения и суммирование единичных пикселей в вертикальных строках по ширине изображения с последующей аппроксимацией полученного распределения сумм единичных пикселей в виде полинома и определением координат двух точек перегиба полинома на восходящем и нисходящем участках (см. рис.2). С учетом этих координат и характеристик полинома длина стеблей будет определяться по формуле: Ь=Хп-Хь среднеквадратические отклонения по вершинным сгв = (X,-Хп)/3 и комлевым с7к =(Х, -Хн)/3 концам.
Определение цвета стеблей льна производится в трехмерной колориметрической системе в виде трех координат цвета Я, й и В. Доказано, что при определении цвета стеблей льна необходимо проводить цветокоррекцию изображения на основе применения цветовых эталонов. Эта процедура обеспечивает снижение до 9 раз величины коэффициента вариации координат цвета однотипных изображений, полученных при разных условиях естественного освещения.
Рис. 2. Бинарное изображение (а) и кривые (фактическая и аппроксимирующая) распределения сумм пикселей в вертикальных строках по ширине изображения с нанесенными структурными параметрами (б)
С учетом поставленных задач предложено осуществлять фиксацию участков ленты в виде цифрового изображения в полевых условиях: ручным или автоматическим способом (с установкой фотоаппарата на раму льноуборочной машины). Анализ существующих отечественных и импортных льноуборочных машин выявил конструкции рулонных пресс-подборщиков, позволяющие установить на их раму фотоаппарат и получать требуемые изображения. Проведенные исследования по возможности получения качественных изображений в движении показали, что это обеспечивается при наличии в фотоаппарате матрицы с большим физическим размером и установки малого времени выдержки.
Проведённая проверка предложенного бесконтактного метода контроля и определения структурных параметров совокупности стеблей тресты в ленте выявила, что при его использовании не наблюдается статистически значимых различий в сравнении с известными методами (рис. 3).