МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСПЫТАНИЯ ПО МЕТОДУ HVI ДЛЯ ОЦЕНКИ ДЛИНЫ ВОЛОКОН ХЛОПКА С РАЗЛИЧНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ БОРОДКИ

АННОТАЦИЯ

Посредством имитационного моделирования процессов образования системы зажатых волокон и построения фиброграммы получено подтверждение о влиянии изменчивости числа зажатых волокон в бородке на снижение точности анализа с применением фибрографа системы USTER HVI.  Это доказано на основе анализа синтезированой бородки, сформированной из моноволокон одинаковой длины. Установлено, что с увеличением числа волокон в зажиме и средней длины исходных волокон наблюдается отклонение от прямолинейной формы фиброграммы, чего не должно быть при анализе исходных волокон равной длины. Поэтому формируются погрешности, обусловленные не управляемым числом волокон в бородке. Причем с увеличением средней длины исходных волокон погрешность возрастает.

ABSTRACT

By means of imitation modeling of the processes of formation of the system of clamped fibers and construction of the fibrogram, confirmation was obtained about the influence of variability of the number of clamped fibers in the barb on the decrease of the accuracy of analysis using the USTER HVI fibrograph. This was proven based on the analysis of the synthesized barb formed from monofilaments of the same length. It was found that with an increase in the number of fibers in the clamp and the average length of the original fibers, a deviation from the rectilinear shape of the fibrogram is observed, which should not be when analyzing original fibers of equal length. Therefore, errors are formed due to the uncontrolled number of fibers in the barb. Moreover, with an increase in the average length of the original fibers, the error increases.

Ключевые слова: длина хлопка, система USTER HVI, фиброграмма моделирование, бородка, погрешность анализа.

Keywords: cotton length, USTER HVI system, fibrogram modeling, barb, analysis error.

Введение. Важнейшим показателем качества хлопка является его длина, которая определяет его прядильную способность и качество получаемой пряжи. Известен метод, основанный на анализе фиброграммы. Он реализуется с применением фибросэмплера (для формирования бородки) ифибрографа в видемодуля,  включенного в инструментальную систему «USTER HVI 1000». По итогам анализа определяются характеристики длины волокон: ML, UHML,UI.Эти характеристики используются при оценке индекса пригодности волокон к прядению SCIи индекса коротких волокон SFI .

Однако при анализе условий испытания на фибрографевозникают замечания, связанные с точностью определения MLи UHML. В частности, отмечается, что одной из причин снижения точности является несовершенство способа фиксации волокон в зажимной колодке и их сканирования[1-4]. Возникают также проблемные вопросы в части обоснованности выбора расстояния 3,81 мм от края зажима до линии начала сканирования бородки[2], а также правильности выявления и построения характеристических прямых применительно к фиброграмме при определении ML и UHLM[4…6].

Из анализа ряда замечаний вытекает важность обеспечения условий, влияющих на подготовку бородки с постоянными параметрами для анализа. Например, в зажиме перед испытанием число волокон не является постоянным. Так, для фибрографа USTER LVI Fibrograph 730 это количество может меняться от 350 до 700 шт [3],а при использовании фибрографа,  включенного в инструментальную систему «USTER HVI 1000» ‒ 15000…20000 шт. [5].Поэтому из-за изменчивости количества волокон в зажиме перед испытанием на фибрографе, степень ослабления волокон при одной и той же координате перемещении зажима будет также не постоянной величиной. Это повлияет на форму фиброграммы и на величину ML и UHLM.

Однако для подтверждения влияния разного количества волокон  в зажиме на результаты испытаний в фибрографетребуются условия испытаний, при которых изменение одной из характеристик длины хлопка происходило бы вне зависимости от других. Обеспечение таких условий становится возможным на основе имитации процесса испытания с использованием фибрографа, что обеспечивается, например, посредством структурного имитационного моделирования.

Целью исследования является оценка изменчивостифиброграммы  при испытании партий волокна с разнойисходной средней длиной и при разном количестве волокон в зажиме фибрографа.

Методы исследования включали интегрированное использование математического и компьютерного моделирования с использованием языка программирования Python, а также статистических алгоритмов обработки данных. При построении модельных систем волокон в зажиме и фиброграмм,а также определение синтезированных значений характеристик длины, применили методы компьютерного имитационного моделирования и алгоритмы расчетов,изложенные в [7, 8].  Моделирование условий испытаний осуществляли применительно к параметрам фибрографаUSTER LVI Fibrograph 730.Синтез системы волокон в зажиме и фиброграммы осуществляли, исходя из соответствия волокон в их исходной массе закону равномерного распределения.При получении характеристик длины волокон синтезировали исходные массивы с  разной исходной длиной волокон L: 20 и 40 мм. При этом число волокон в зажиме также изменяли: ≈ 350 и ≈ 700 шт. Моделирование фиброграмм осуществляли с 5-кратным повторением, при котором обеспечивается точность опыта 5…7%. Построение синтетической фиброграммы производили подобно методу, используемому в типовых фибрографах: отступ от зажима 3.81 мм; интервал оценки нормализованного затемнения 0,635 мм.

Результаты исследований. Сравнительный  анализ осуществляли на основе отличий форм фиброграмм получаемых при анализе моноволокон (волокна равной длиныL_m= const), для которых, согласно [9], фиброграммапредставляет прямую линию, а образуемая ею фигура в координатах (по оси Y‒ нормализованное значение степени затеменения, R(x); по оси X – длина волокон, L) ‒ прямоугольный треугольник(рис.1).

Рисунок 1. Фиброграмма теоретического монообразца длиной L_m [9]

На начальном этапе исследований была проверена справедливость заключения, что при сканировании бородки волокон в зажиме в виде слое, отличного по толщине от слоя из единичных волокон, часть волокон не участвует в «изменении» степени затемнения светового потока. Это осуществили на основе построения фиброграмм, вид которых для волокон равной длины, согласно [9], должен быть в виде, указанном на рисунке 1. Результаты анализа полученных данных представлены на рисунке 2.

Из анализа графических зависимостей следует, что вид фиброграммы в виде прямой формируется только при малом количестве волокон в зажиме.  Это наблюдается для волокон с исходной длиной 20 и 40 мм. При увеличении числа волокон в зажиме линия фиброграммы имеет искривления.Из этого следует вывод, что при расположении в зажиме  волокон в виде бородки с толщиной слоя более толщины из единичных волокон, положения известных теоретических основ построения фиброграммы [10] не применимы. Вероятно, это связано с тем, что разработка теории проводилась при допущении, что волокна в зажиме расположены в виде одного ряда. Однако при большем количестве рядов волокон возникают условия, когда часть волокон не участвует в «затемнении» светового потока при сканировании.

Рисунок 2. Изменения формы фиброграммы от прямолинейной (А ‒ при числе волокон в зажиме ≈320 шт. и их средней длине 20 мм; В ‒ то же, но при средней длине 40 мм ) до криволинейной (Б ‒ при числе волокон в зажиме ≈700 шт. и их средней длине 20 мм; то же, но при средней длине 40 мм )

Для дополнительного подтверждения этого вывода, используя возможности созданного программного комплекса для имитационного моделирования [8]  были сгенерированы штапельные диаграммы свободных концов волокон в бородке двух типов. Это провелиприменительно к вариантам, представленным на рисунке 2,. Один из них соответствовал фактическому числу волокон в зажиме, а другой ‒ видимым при сканировании. Результаты моделирования  проиллюстрированы на рисунке 3.

Анализ полученных результатов подтвердил правомерность вывода о существенном влиянии на результаты испытаний на фибрографе числа волокон в зажиме. При этом выявлена тенденция усиления степени негативного искажения фиброграммы  по мере роста длины волокон. На основе такого заключения высказана гипотеза, что при моделировании волокон с реальным распределением их исходной длины её увеличение будет вызывать рост расчетных значений средней длины ML и ошибочные результаты при определении UI, а также доли не прядомых волокон. Однако подтверждение этой гипотезы является предметом будущего исследования.

Рисунок 3. Изменения формы штапельной диаграммы (А ‒ при числе волокон в зажиме ≈320 шт. и их средней длине 20 мм; В ‒ то же, но при средней длине 40 мм ) до криволинейной (Б ‒ при числе волокон в зажиме ≈700 шт. и их средней длине 20 мм; то же, но при средней длине 40 мм )

Заключение. Подтверждено влияние изменчивости числа зажатых волокон в бородке на точность анализа с применением фибрографа системы USTER HVI.  Это доказано на основе синтеза бородки, сформированной из моноволокон одинаковой длины. С увеличением числа волокон в зажиме и средней длины исходных волокон искривляется форма фиброграммы, чего не должно быть при анализе исходных волокон равной длины. Высказана гипотеза, что при моделировании волокон с реальным распределением их исходной длины её увеличение будет вызывать рост расчетных значений средней длины ML и ошибочные результаты при определении UI, а также доли не прядомых волокон.

Список литературы:

1. Hearle J. W. S.,  Morton W E. Physical Properties of Textile Fibres. ‒ Woodhead Publishing, 2008, р. 796.
2. Kiron M. I.Cotton Fibre Length Measuring Instruments: Merits and Limitations // Textilelearner ‒ https://textilelearner.net/cotton-fibre-length-measuring-instruments/.
3. Рыклин Д. Б., Кветковский Д. И. Оценка показателей качества хлопкового волокна с использованием системы UsterLVI : методические указания.  - Витебск : УО «ВГТУ», 2019. – 40 с.
4. Turner C., Sayeed Md Abu,  Hequet E. Reconstruction of the cotton fiber length distribution from a High Volume Instrument® fibrogram // Textile Research Journal Volume 93, Issue 7-8, April 2023, P. 1651-1669. DOI: 10.1177/00405175221135161.
5. Zhou J.,  Wang J.,  Xu B.Extracting fiber length distributions from dual-beard fibrographs with the Levenberg–Marquardt algorithm. ‒ June 2019, Textile Research Journal 90(1):004051751985876. DOI:10.1177/0040517519858762.
6. Cui X., J., Rodgers Y. Cai L. Li, R. Belmasrour, S. Pang. Obtaining Cotton Fiber Length Distributions from the Beard Test Method, Part 1 - Theoretical Distributions Related to the Beard Method. J. CottonSci. 2009, 13. P. 265–273.
7. Пашин Е.Л., Орлов А.В. Компьютерное моделирование формирование «бородки» короткоштапельных волокон для оценки характеристик их длины в фибрографе USTER // Universum: технические науки : № 8(125). 2024. URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/18050.
8. Пашин Е.Л., Орлов А.В., Смирнов М.А. Компьютерное моделирование фиброграммы для определения характеристик длины короткоштапельных волокон по методу HVI // Universum: технические науки : №1(130). 2025. URL: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/19139.
9. Turner, C.; Kelly, B.R.; Wanjura, J.; Smith, W.; Schumann, M.; Hequet, E.F. A New Method to Calculate Cotton Fiber Length Uniformity Using the HVI Fibrogram. Agronomy 2023, 13, 326. https://doi.org/10.3390/ agronomy13051326.
10. Chu Y.T., Riley C.R. New Interpretation of the Fibrogram. Text. Res. J. 1997, 67, p. 897–901.