CN106400365A - 一种干布热定型过程定型机车速设定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干布定型机热定型过程车速设定方法，本发明通过对织物加热时间的计算，能够较为准确的确定织物定型加工的总时间，从而可以设定合理的车速，减少定型过程中的能源浪费，为定型机定型质量的提升提供了有力的技术支持。

Description

一种干布热定型过程定型机车速设定方法

技术领域

本发明涉及工业自动控制领域，涉及一种热定型机的车速设定方法。

背景技术

在纺织品染整加工过程中，织物要受到(包括物理机械的、化学的)多种复合作用。使得产品在外部形态及结构尺寸上有所变化，有的甚至失去了织物所应具备的形态、外观和风格，严重影响了服用性能。因此确保织物的外部形态和尺寸的稳定性是衡量产品质量的一个重要标准。通常将稳定织物的外观、形态和尺寸的处理过程称定型处理，针对不同纤维织物的特点，有着多种不同的定型处理方法，其中包含化学方法(如棉织物的树脂整理、丝光等)和物理机械方法(如毛织物煮、蒸呢，合成纤维热定型等)。

在合成纤维的大分子结构中一般不含有亲水基团，分子链排列紧密，结构紧凑，吸湿溶胀性极差，因而在常态下合成纤维的缩水现象并不明显，然而合成纤维具有良好热塑性，当处于温度较高的环境中时，大分子链段间的重排使得纤维微结构和形态发生很大变化，这些变化又可通过降低环境温度而被相对永久保持下来。这种热塑性可集中表现在合成纤维织物于染整加工中的形态多样性。合成纤维及其混纺织物在纺织染整加工过程中，有多次受到干、湿热处理的历史，且织物在运行过程中要受到各种张力的拉伸作用，因而其外形、尺寸始终处于多变复杂的状态，如经、纬向长度变化(收缩或伸长)，布面折皱、手感粗糙等，给产品质量带来了严重影响：针对这一问题，为了提高合成纤维的热稳定性，采用热处理的方法，利用其热塑性对合成纤维予以定型。也就是将织物在张力下置于高温环境中(如180～200℃)，并保持一定的尺寸或形态，热处理一段时间后，迅速冷却降温，使改变了的纤维微结构被固定下来，在宏观上赋予了织物相对稳定的尺寸和形态。由于是热处理的方法，故称为热定型。

热定型的工艺参数在加工过程中一直是个难题，对热定型效果影响最大的参数最主要的是温度、时间、张力。

织物在热定型中参数设定非常重要，设定的车速过快、过慢均不利于布匹的质量，且过慢导致过度定型造成了能量的大量的浪费，在现有的定型机应用中普遍存在，究其原因是对定型机定型过程参数没能很好的掌握，只能依靠经验进行判定，有资料表明，过度定型时间造成的能源浪费达到了20-30％。

发明内容

本发明正是基于上述问题，提出一种干布热定型过程定型机车速设定方法，从而降低定型机能耗。

本发明提供的技术方案是：

一种干布定型机热定型过程车速设定方法，包括以下步骤：1)确定织物加热时间：

设定布匹加热定型时的速度为v，取其中微小长度△x,那么所需的时间应该是Δτ＝Δx/v，则△x这段距离所对应的面积周围的热空气的温度为T_air(τ)，记瞬时换热为h(τ)，

根据能量守恒定律，单位时间内热空气通过射流方式进行对流换热，传给织物的热量应等于织物内部焓的增量，得到了如下的表达式：

这里面，

Φ(τ)在单元时间内通过ΔS面积的换热量，称为热流量，单位是W。

ΔS是单元织物换热面积，单位是m²

h(τ)瞬时对流换热系数，单位是W/(m²·℃)

T(τ)单元布匹经过加热时间Δτ后的温度，单位℃

T_W(τ)布匹的边界温度，单位℃

ρ被加热的布匹的密度，单位是kg/m³

c_p(τ)被加热的布匹的定比压热容，单位是J/(kg·℃)

τ布匹在烘箱内的时间，单位s

平衡方程建立了表面对流换热速率与织物内能变化速率之间的关系，取单位长度为计算单元体，因此有△V/△S＝δ，δ是织物厚度，公式(1)进行变形，得到：

进行积分分离，令θ＝T_W(τ)-T(τ)，取初始条件为τ＝0，T＝T₀，且微分方程初始条件可以写成：

将初始条件θ₀＝T_W0(τ)-T₀代入，经过计算后，可得：

此处c是积分常数，

由于

因此，

其中，边界温度T_w(τ)可以用下式近似表示，

假定热空气温度基本稳定，即T_air＝T_air(0)，因此：

h(τ)用数据处理的办法来进行拟合而得到；

T_air(τ)是热空气的温度，也就是工艺要求的空气温度值；

其中取T_air(τ)＝定型温度，取T₀＝工厂环境温度，按照织物的特性，取ρ,c_p(τ)以及h(τ)的值；

因此根据公式(7)计算出织物加热时间，即达到织物定型温度所需的时间τ；

2)确定定型加工的总时间τ_总：τ_总＝τ+τ_定型，τ_定型代表织物定型时间；

3)计算车速：车速＝单节烘箱长度*烘箱节数/τ_总；

4)根据布匹加工工艺的速度约束，来确定最终车速：若计算的车速>工艺要

求的最低车速，则选择计算的车速；否则取工艺要求最低车速。

本发明通过对织物加热时间的计算，能够较为准确的确定织物定型加工的总时间，从而可以设定合理的车速，减少定型过程中的能源浪费，为定型机定型质量的提升提供了有力的技术支持。

附图说明

图1为本发明的织物加热时间和织物定型时间的示意图。

图2为本发明的数据拟合示意图一。

图3为本发明的数据拟合示意图二。

图4为本发明的数据拟合示意图三。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

织物的定型工艺，一般在纺织企业出品布料的时候就会给出，定型的工艺参数中主要的指标：定型温度和定型时间都会给出参考值。值得注意的是，这里的定型温度和定型时间是指如图1中所描绘的部分，图1中横坐标为时间(s)，纵坐标为温度(℃)，因此实际的进入定型机加工的时间要比上述所描述的定型时间要久，工艺要求就是要保证达到定型温度后所持续的时间为定型时间，因此布匹在定型机内的总时间应该是：

总时间＝织物加热时间+织物定型时间；

在实际设定中，工程人员不能很好的估算织物加热时间，为求稳妥，只能把车速设定较慢，从而加工时间加长，增加了能耗。

本实施例的技术方案为：一种干布定型机热定型过程车速设定方法，包括以下步骤：1)确定织物加热时间：

设定布匹加热定型时的速度为v，取其中微小长度△x,那么所需的时间应该是Δτ＝Δx/v，则△x这段距离所对应的面积周围的热空气的温度为T_air(τ)，记瞬时换热为h(τ)，

根据能量守恒定律，单位时间内热空气通过射流方式进行对流换热，传给织物的热量应等于织物内部焓的增量，得到了如下的表达式：

这里面，

Φ(τ)在单元时间内通过ΔS面积的换热量，称为热流量，单位是W。

ΔS是单元织物换热面积，单位是m²

h(τ)瞬时对流换热系数，单位是W/(m²·℃)

T(τ)单元布匹经过加热时间Δτ后的温度，单位℃

T_W(τ)布匹的边界温度，单位℃

ρ被加热的布匹的密度，单位是kg/m³

c_p(τ)被加热的布匹的定比压热容，单位是J/(kg·℃)

τ布匹在烘箱内的时间，单位s

平衡方程建立了表面对流换热速率与织物内能变化速率之间的关系，取单位长度为计算单元体，因此有△V/△S＝δ，δ是织物厚度，公式(1)进行变形，得到：

进行积分分离，令θ＝T_W(τ)-T(τ)，取初始条件为τ＝0，T＝T₀，且微分方程初始条件可以写成：

将初始条件θ₀＝T_W0(τ)-T₀代入，经过计算后，可得：

此处c是积分常数，

由于

因此，

其中，边界温度T_w(τ)可以用下式近似表示，

假定热空气温度基本稳定，即T_air＝T_air(0)，因此：

h(τ)用数据处理的办法来进行拟合而得到；

在应用中h(τ)是一个变值，如果h(τ)变化不大，那么就可以在实际中用数据处理的办法来进行拟合，从而得到一个定值来进行逼近，有利于实际应用，为验证这一看法，本发明采用实验的方式来进行验证。

以某涤纶织物(克重230g/㎡，幅宽180cm)热定型过程为研究对象，在韩国理和Platinmu定型机中进行热定型，配置8节烘箱，每节烘箱长度3m。分别给定设定温度180℃,190℃,200℃进行测试(由于定型工艺需要，一般温度值跨度都非常小，这里为了验证需要，已经属于较大区间)

如图2，纵坐标为温度(℃)，横坐标为时间(s)，设定温度为180℃时：这里“*”为实际采样的数据，实线是实际拟合的曲线，吻合度非常高；

如图3，在190℃时候，拟合度较好；如图4，在200℃时候，拟合同样较好；

结果表明，推导的模型基本准确，且h(τ)在较小的温度变化时候，差异不大，可以视为一个常数，通过一组数据，采用曲线拟合的方法能够确定该值；

上述的图形可视为本发明的一个具体实施例，但发明不限定于上述情况所对应的具体数值，发明提供了一种有效的织物温度实际估算方法，可以在干布热定型的过程中使用，使用方法简单。

仅需要在加工该织物情况下，采样一次实际织物表面温度(采集的点越多，辨识准确性越高)，基本就能明确织物实际温度的变化情况，有利于设定合理的工艺参数。

T_air(τ)是热空气的温度，也就是工艺要求的空气温度值；

其中取T_air(τ)＝定型温度，取T₀＝工厂环境温度，按照织物的特性，取ρ,c_p(τ)以及h(τ)的值；

因此根据公式(7)计算出织物加热时间，即达到织物定型温度所需的时间τ；

2)确定定型加工的总时间τ_总：τ_总＝τ+τ_定型，τ_定型代表织物定型时间；

3)计算车速：车速＝单节烘箱长度*烘箱节数/τ_总；

4)根据布匹加工工艺的速度约束，来确定最终车速：若计算的车速>工艺要

求的最低车速，则选择计算的车速；否则取工艺要求最低车速。

本发明通过对织物加热时间的计算，能够较为准确的确定织物定型加工的总时间，从而可以设定合理的车速，减少定型过程中的能源浪费，为定型机定型质量的提升提供了有力的技术支持。

Claims (1)

1.一种干布定型机热定型过程车速设定方法，包括以下步骤：1)确定织物加热时间：

设定布匹加热定型时的速度为v，取其中微小长度△x,那么所需的时间应该是Δτ＝Δx/v，则△x这段距离所对应的面积周围的热空气的温度为T_air(τ)，记瞬时换热为h(τ)，

根据能量守恒定律，单位时间内热空气通过射流方式进行对流换热，传给织物的热量应等于织物内部焓的增量，得到了如下的表达式：

$\mathrm{\Φ}\left(\mathrm{\τ}\right)=h\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}S\[T_W\left(\mathrm{\τ}\right)-T\left(\mathrm{\τ}\right)\]={\mathrm{\ρc}}_p\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{\Δ}V\frac{dT}{d\mathrm{\τ}}---\left(1\right)$

这里面，

Φ(τ)在单元时间内通过ΔS面积的换热量，称为热流量，单位是W，

ΔS是单元织物换热面积，单位是m²，

h(τ)瞬时对流换热系数，单位是W/(m²·℃)，

T(τ)单元布匹经过加热时间Δτ后的温度，单位℃，

T_W(τ)布匹的边界温度，单位℃，

ρ被加热的布匹的密度，单位是kg/m³，

c_p(τ)被加热的布匹的定比压热容，单位是J/(kg·℃)，

τ布匹在烘箱内的时间，单位s，

平衡方程建立了表面对流换热速率与织物内能变化速率之间的关系，取单位长度为计算单元体，因此有△V/△S＝δ，δ是织物厚度，公式(1)进行变形，得到：

$\frac{dT}{d\mathrm{\τ}}+\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\[T\left(\mathrm{\τ}\right)-T_W\left(\mathrm{\τ}\right)\]=0---\left(2\right)$

进行积分分离，令θ＝T_W(τ)-T(τ)，取初始条件为τ＝0，T＝T₀，且微分方程初始条件可以写成：

$\frac{d\mathrm{\θ}}{d\mathrm{\τ}}+\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\θ}=0---\left(3\right)$

将初始条件θ₀＝T_W0(τ)-T₀代入，经过计算后，可得：

$\mathrm{\θ}=c\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\]---\left(4\right)$

此处c是积分常数，

由于

因此，

$T\left(\mathrm{\τ}\right)=T_w\left(\mathrm{\τ}\right)-\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\](T_0-T_{w0})---\left(5\right)$

其中，边界温度T_w(τ)可以用下式近似表示，

$T_w\left(\mathrm{\τ}\right)\≈\[\frac{T_{air}\left(\mathrm{\τ}\right)+T\left(\mathrm{\τ}\right)}{2}\]---\left(6\right)$

假定热空气温度基本稳定，即T_air＝T_air(0)，因此：

$T\left(\mathrm{\τ}\right)=T_{air}\left(\mathrm{\τ}\right)-\exp \[-\frac{h\left(\mathrm{\τ}\right)}{{\mathrm{\ρc}}_p\mathrm{\δ}}\mathrm{\τ}\](T_{air\left(0\right)}-T_0)---\left(7\right)$

h(τ)用数据处理的办法来进行拟合而得到；

T_air(τ)是热空气的温度，也就是工艺要求的空气温度值；

其中取T_air(τ)＝定型温度，取T₀＝工厂环境温度，按照织物的特性，取ρ,c_p(τ)以及h(τ)的值；

因此根据公式(7)计算出织物加热时间，即达到织物定型温度所需的时间τ；

2)确定定型加工的总时间τ_总：τ_总＝τ+τ_定型，τ_定型代表织物定型时间；

3)计算车速：车速＝单节烘箱长度*烘箱节数/τ_总；

4)根据布匹加工工艺的速度约束，来确定最终车速：若计算的车速>工艺要求的最低车速，则选择计算的车速；否则取工艺要求最低车速。