混纺织物纤维含量化学分析自动检测系统及关键技术研究

摘要

我国是世界上最大的纺织品服装生产和出口国，纺织品服装出口的持续稳定增长对解决社会就业和纺织业可持续发展至关重要。纺织品在生产和销售过程中，首要考虑的是织物中的纤维类型和成分比例。因此，混纺比是纺织品最重要的检测项目之一。GB/T 2910.1-2009描述的纺织品定量化学分析试验通则建立在化学溶解法基础之上，通过混纺纤维溶解前后质量差异计算出各组分比例，其适用面广、操作简单、检测精度高，被广泛使用。但现有化学溶解法采取手工操作，无法批量检测，导致检测效率低且损害实验人员的身体健康。 针对混纺纤维手工定量化学分析存在的弊端，提出一种混纺纤维含量自动检测系统，该系统能够将给定的混纺纤维通过机械化、自动化方法完成定量化学分析。与手工定量化学分析类似，纤维含量自动检测系统仍然包括纤维烘干、称重、溶解、清洗等操作流程。在简要介绍含量自动检测系统的基础上，对涉及到的主要技术进行研究分析，以论证系统的可靠性，主要工作包括以下几个方面： 分析手工定量检测方法，采用模块化思维设计混纺纤维含量自动检测系统。将整个系统按照定量分析流程分为预烘干、称重、纤维溶解和清洗、再烘干和再称重等模块化结构。主要设计了纤维溶解和清洗模块，实现了溶解反应池自动运转、装样托盘自动运转、储液及自动加液和超声辅助振荡溶解清洗等功能。针对溶解与清洗后剩余纤维的大水分状况，利用微波大水分时快速烘干和远红外烘箱稳定烘干的特点，设计了微波与远红外烘箱联合干燥模块。考虑到手工方法纤维称重过程重复乏味，设计了机械手自动抓取纤维容器称重模块。 将功率超声技术引入混纺纤维定量化学分析溶解与清洗过程，替代机械振荡或手工搅拌。分析空化气泡运动模型方程，模拟不同超声频率、声压幅值、初始气泡半径等条件下空化气泡半径随时间的变化规律，给出空化气泡崩溃时的最高温度、压力和随声压幅值的变化情况。结果表明，不同的初始条件气泡运动可产生稳态空化和瞬态空化，空化泡崩溃时的高温高压为化学反应提供特殊的条件。低频超声更易于产生瞬态空化，有利于混纺纤维的溶解实验。以含毛混纺纤维为样品，进行超声辅助化学溶解实验，从超声频率、溶解时间、溶剂使用量等方面进行实验验证并对比手工方法。对于低频超声实验结果没有差异，与手工方法化学溶解所需时间相比，超声辅助溶解时间明显缩短，溶剂使用量显著减少。针对混纺纤维手工检测过程中纤维需要放置于不同容器这一缺点，设计了通用纤维盛放容器并进行超声辅助纤维溶解实验验证。仍然使用含毛混纺纤维为样品，从样品形态、溶解时间、样品重量等方面研究了密闭砂筛纤维容器的混纺纤维超声辅助溶解特性。实验结果能够达到手工方法要求，但却显著降低自动检测系统设计难度，提高了系统运行可靠性。 设计了混纺纤维含量自动检测系统溶解反应池，可实现同一批次最多25份样品同时操作。针对化学溶解后的废液自动倾倒需求，设计了溶解反应池移动平台和翻转机构。为了保证加液后的烧杯稳定运行至超声振荡池，分析了烧杯中液体晃动动态特性和溶解反应池结构响应特性。根据粘性流体理论建立了包含初值条件的封闭方程组，采用流体体积法处理自由液面变动情况，用 FLUENT 软件模拟不同运行工况下单个烧杯中的液体晃动，根据烧杯底部压强曲线求解晃动频率。将液体晃动载荷加载到溶解反应池底部支撑网板，进行谐响应分析，并对比一阶固有振型。结果表明，采用的烧杯尺寸、充液比和运行参数等，能够保证溶解反应池运行稳定性。根据溶解反应池废液倾倒需求，设计串联摆动导杆六杆翻转机构，基于振动最小要求建立加速度均方根偏差最小优化函数，根据约束条件采用复合形算法求解，计算得到的六杆机构最优杆长关系实现了溶解反应池预定的翻转角度，有效降低了溶解反应池在翻转过程中的冲击。 针对手工检测方法纤维烘干时间长、效率低的特点，对混纺纤维含量自动检测系统烘干模块进行特性分析和实验研究。分别从单样品干基质量、烘干距离和烘干温度等方面对混纺纤维进行远红外烘箱干燥特性研究，并进行三因素三水平二次正交旋转试验和模型拟合，发现 Page模型与实验结果拟合程度最好，能够代表纤维远红外烘箱干燥过程特性。从装载量、微波功率、干基质量等方面对混纺纤维进行真空微波烘箱干燥特性研究，并进行三因素三水平正交实验和模型拟合，发现二次多项式模型拟合程度较好。根据两种烘干方法各自特点，采用先真空微波烘干后远红外烘箱干燥的联合烘干方法，得出最优干燥条件并与手工方法实验对比验证，有效降低了纤维干燥时间，提高检测效率。 称重模块是混纺纤维含量自动检测环节中的重要步骤，称重时需要将纤维容器快速移动，以防止纤维回潮并提高工作效率，为此提出纤维容器机械手抓取时间最短工作要求。对选用的称重抓取机械手建立 D-H 坐标系，并进行正逆运动学分析，建立抓取时间最短目标函数，采用五次多项式样条插值进行轨迹规划，并采用改进遗传算法实现优化计算。对纤维称重抓取机械手位置寻优，进一步提高抓取效率，通过MATLAB仿真分析优化结果。通过优化模型计算能够得到每个纤维容器对应的最优轨迹，并得到机械手在作业场景中的最优位置。通过上述优化分析，机械手抓取称重时间实现最短化，提高了纤维称重效率。

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