Luận án Tiến sĩ Công nghệ dệt, may: Ứng dụng mô hình hóa nghiên cứu quá trình quấn ống và mạng ANN dự báo chất lượng sản phẩm sợi quấn ống

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:168

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Công nghệ dệt, may "Ứng dụng mô hình hóa nghiên cứu quá trình quấn ống và mạng ANN dự báo chất lượng sản phẩm sợi quấn ống" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu quá trình quấn ống bằng phương pháp mô hình hóa đã giảm được giá thành và thời gian nghiên cứu, việc nghiên cứu không gây nguy hiểm cho người và thiết bị, không ảnh hưởng đến sản xuất và phù hợp trong điều kiện Việt Nam. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Công nghệ dệt, may: Ứng dụng mô hình hóa nghiên cứu quá trình quấn ống và mạng ANN dự báo chất lượng sản phẩm sợi quấn ống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN ĐỨC TRUNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUẤN ỐNG VÀ MẠNG ANN DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM SỢI QUẤN ỐNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ DỆT, MAY Hà Nội - 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN ĐỨC TRUNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH QUẤN ỐNG VÀ MẠNG ANN DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM SỢI QUẤN ỐNG Ngành: Công nghệ Dệt, May Mã số: 9540204 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ DỆT, MAY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. CHU DIỆU HƯƠNG 2. TS. ĐÀO ANH TUẤN Hà Nội - 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận án: "Ứng dụng mô hình hóa nghiên cứu quá trình quấn ống và mạng ANN dự báo chất lượng sản phẩm sợi quấn ống" là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các thí nghiệm được tiến hành một cách nghiêm túc và khoa học trong quá trình nghiên cứu. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án trung thực, khách quan và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu của tác giả khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Người hướng dẫn khoa học Tác giả PGS. TS. Chu Diệu Hương Trần Đức Trung TS. Đào Anh Tuấn i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS. TS. Chu Diệu Hương và Tiến sĩ Đào Anh Tuấn, những người thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên khích lệ, dành nhiều thời gian, tâm sức trao đổi góp ý cùng tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Ban đào tạo, Khoa Công nghệ Dệt may - Da giầy và Thời trang Trường Vật Liệu - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty Cổ phần - Viện Nghiên cứu Dệt May cùng các đồng nghiệp đã tạo điều kiện, động viên để tôi được tham gia học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án Lời cảm ơn chân thành và sâu sắc xin được gửi đến Khoa Cơ khí Chế tạo máy Trường Cơ khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội, Nhà máy sợi Vinatex Nam Định, Công ty TNHH Công nghệ cao Skymap đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình tôi thực hiện luận án. Cuối cùng, nhưng rất quan trọng là lòng biết ơn xin được gửi tới Gia đình tôi, những người thân yêu nhất đã cùng chia sẻ, gánh vác công vệc để tôi yêu tâm hoàn thành luận án. Trong quá trình thực hiện luận án, không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được góp ý của các thầy cô, đồng nghiệp và các nhà khoa học để luận án được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2024 Tác giả luận án Trần Đức Trung ii
MỤC LỤC Lời cam đoan ................................................................................................................... i Lời cảm ơn ......................................................................................................................ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... xi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. TÍNH CẤPTHIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................. 2 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU...................................................................................... 3 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN ................................................. 3 4. Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN ................................................ 4 5. NHỮNG ĐIỂM MỚI CỦA LUẬN ÁN .................................................................... 4 6. KẾT CẤU CỦA LUẬN ÁN ...................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .............................................................. 6 1.1. Các đặc trưng chất lượng sản phẩm sợi quấn ống ............................................ 6 1.1.1. Khái quát về các đặc trưng chất lượng sản phẩm sợi quấn ống ........................ 6 1.1.2. Các đặc trưng chất lượng sợi và ý nghĩa ........................................................... 7 1.1.2.1. Độ nhỏ và độ không đều .............................................................................. 7 1.1.2.2. Độ bền kéo, độ giãn và các đặc trưng xoắn ................................................. 9 1.1.2.3. Độ xù lông, khuyết tật và xơ ngoại lai ....................................................... 12 1.1.2.4. Phương pháp đánh giá chất lượng sợi........................................................ 15 1.1.3. Các đặc trưng chất lượng quấn búp sợi và ý nghĩa .......................................... 16 1.1.3.1. Khối lượng, đường kính quấn và chiều dài sợi trên búp sợi ........................ 16 1.1.3.2. Mật độ quấn búp sợi ..................................................................................... 17 1.1.3.3. Xếp trùng và các tật lỗi ngoại quan khác ..................................................... 18 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sợi quấn ống........................ 20 1.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sợi ...................................................... 20 1.2.1.1. Ảnh hưởng của quá trình quấn ống............................................................ 20 1.2.1.2. Ảnh hưởng của thông số công nghệ quấn ống........................................... 22 1.2.2. Các đặc yếu tố ảnh hưởng đến mật độ quấn búp sợi ...................................... 24 iii
1.2.2.1. Góc chéo các vòng sợi và đường kính búp sợi ......................................... 24 1.2.2.2. Sức căng, độ nhỏ của sợi, lực ép của búp lên ống khía ...................... 26 1.2.2.3. Ảnh hưởng đồng thời của một số yếu tố............................................. 29 1.3. Ứng dụng mô hình hóa và mô phỏng để nghiên cứu quấn ống.............................. 30 1.3.1. Khái niệm về mô hình hóa và mô phỏng ........................................................ 30 1.3.2. Ứng dụng mô hình hóa.................................................................................... 32 1.3.3. Ứng dụng mô phỏng ...................................................................................... 36 1.4. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo (ANN) dự báo chất lượng sản phẩm sợi, dệt .... 39 1.4.1. Khái niệm về trí tuệ nhân tạo, học máy ......................................................... 39 1.4.2. Nơ ron sinh học và mạng nơ ron nhân tạo ...................................................... 40 1.4.2.1. Nơ ron sinh học .......................................................................................... 40 1.4.2.2. Mạng nơ ron nhân tạo ................................................................................ 41 1.4.3. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo .................................................................... 42 Kết luận chương 1 và phát biểu vấn đề nghiên cứu ................................................. 48 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................................................................................................................... 50 2.1. Nội dung nghiên cứu............................................................................................. 50 2.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 50 2.2.1. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................... 50 2.2.2. Phạm vi nghiên cứu......................................................................................... 52 2.3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 52 2.3.1. Nghiên cứu tài liệu và khảo sát thực tế ........................................................... 52 2.3.2. Xây dựng mô hình quấn ống ........................................................................... 53 2.3.3. Phương pháp thực nghiệm kiểm tra lực ép của búp sợi lên ống khía ............ 54 2.3.4. Phương pháp thử nghiệm xác định một số đặc trưng CLSP sợi quấn ống ..... 58 2.3.4.1. Thiết kế sơ đồ thử nghiệm xác định chất lượng sợi trước/sau quấn ống ... 58 2.3.4.2. Phương pháp xác định độ không đều, khuyết tật và độ xù lông của sợi trước/sau quấn ống .................................................................................................. 58 2.3.4.3. Phương pháp xác định độ bền, độ giãn, độ xoắn, độ nhỏ và trạng thái bề mặt sợi trước/sau quấn ống ........................................................................................... 62 2.3.4.4. Phương pháp xác định độ cứng và mật độ quấn búp sợi .......................... 64 2.3.5. Áp dụng qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 ............................................ 66 iv
2.3.5.1. Cơ sở để áp dụng ...................................................................................... 66 2.3.5.2. Các bước thực hiện ................................................................................... 67 2.3.5.3. Phương pháp xác định các thông số công nghệ tối ưu .............................. 71 2.3.6. Áp dụng mạng ANN để dự báo CLSP sợi quấn ống ................................................ 71 2.3.6.1. Lựa chọn cấu trúc mạng ANN ................................................................... 71 2.3.6.2. Huấn luyện mạng ANN ............................................................................. 72 2.3.6.3. Tính sai số truyền ngược............................................................................ 74 2.3.6.4. Cập nhật trọng số ....................................................................................... 75 2.3.6.5. Mẫu học và mẫu kiểm tra .......................................................................... 76 2.3.6.6. Đánh giá kết quả dự báo ............................................................................ 76 Kết luận chương 2........................................................................................................ 76 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN ...................................... 78 3.1. Kết quả nghiên cứu xây dựng mô hình quấn ống, xác định và kiểm tra thông số của mô hình.............................................................................................................. 78 3.1.1. Nghiên cứu xây dựng mô hình quấn ống ....................................................... 78 3.1.2. Xác định và điều chỉnh vận tốc quấn ống ....................................................... 80 3.1.3. Xác định và điều chỉnh lực ép của búp sợi lên ống khía ................................ 82 3.1.3.1. Thiết lập phương trình tính lực ép ............................................................. 82 3.1.3.2. Xác định lực ép khi mô men cân bằng lực ép Mv = 0................................ 85 3.1.3.3. Xác định lực ép khi mô men cân bằng lực ép Mv ≠ 0................................ 85 3.1.4. Kiểm tra thông số của mô hình ...................................................................... 90 3.2. Kết quả xác định ảnh hưởng của thông số công nghệ đến CLSP sợi quấn ống .......... 92 3.2.1. Xác định ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến chất lượng sợi ...................... 92 3.2.1.1. Xác định và phân tích hình ảnh bề mặt sợi ................................................ 92 3.2.1.2. Xác định sự thay đổi chất lượng sợi sau so với trước quấn ống ................ 95 3.2.2. Xác định ảnh hưởng đồng thời của một số thông số công nghệ đến CLSP sợi ... 102 3.2.2.1. Ma trận thí nghiệm .................................................................................. 102 3.2.2.2. Thiết lập các phương trình hồi qui ........................................................... 105 3.2.2.3. Kiểm tra sự phù hợp của phương trình hồi quy với thực nghiệm ........... 106 3.2.2.4. Phân tích ảnh hưởng của thông số công nghệ đến CLSP sợi ................. 107 3.2.2.5. Xác định một số thông số công nghệ tối ưu ............................................ 114 3.2.2.6. Xác định mối liên quan giữa mật độ quấn và độ cứng búp sợi ............... 117 v
3.3. Kết quả nghiên cứu ứng dụng mạng ANN để dự báo CLSP sợi quấn ống ........ 119 3.3.1. Thiết kế cấu trúc mạng ANN ........................................................................ 119 3.3.2. Mẫu học, tham số và phần mềm dự báo CLSP sợi ............................................... 120 3.3.3. Kết quả dự báo CLSP sợi .............................................................................. 121 3.3.4. Đánh giá kết quả dự báo CLSP sợi của mạng ANN ..................................... 128 3.3.5. Kiểm tra khả năng dự báo CLSP sợi của mạng ANN .................................. 130 Kết luận chương 3...................................................................................................... 133 KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN.................................................................................... 135 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.................................................................... 138 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................. 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 140 PHỤ LỤC vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu CV: Hệ số biến sai độ không đều khối lượng (%) Nm: Chi số sợi (m/g) Ne: Chi số Anh của sợi (Ne = 0,590.Nm) H: Độ xù lông của sợi Pđ: Độ bền đứt của sợi khi bị kéo (cN) Ptđ: Độ bền kéo tương đối (cN/tex) T: Sức căng sợi (cN) Tt: Độ nhỏ của sợi (tex) U: Độ không đều khối lượng của sợi (%) V, Vq/Z1: Tốc độ quấn ống (m/phút) N/Z2 Tải trọng đặt vào đĩa ma sát của bộ sức căng (cN) Z3: Khoảng cách gữa ống sợi con và khuyết dẫn sợi (cm) F/Z4 : Lực ép của búp sợi lên ống khía (N) U: Mức tăng độ không đều (%) H: Mức tăng độ xù lông (%) Y: Mật độ quấn búp sợi (g/cm3) R2: Hệ số xác định mối liên quan giữa kết quả dự báo và thực nghiệm (Coefficient of Determination) K: Độ xoắn của sợi (xoắn/m) Các chữ viết tắt ANN: Mạng nơ ron nhân tạo (Artificial Neural Networks ) AI: Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence) ASTM: Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu hoa kỳ (American Society for testing and Materials) C: Độ cứng búp sợi (Shore) CLSP: Chất lượng sản phẩm vii
CLS: Chất lượng sợi CVCD: Sợi chải thô (60% bông, 40% polyester) CVCM: Sợi chải kỹ (60% bông, 40% polyester) COCM: Sợi chải kỹ 100% bông HHQ: Hàm hồi quy IPI: Chỉ số khuyết tật (Imperfection Index) ISO: Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Organization for Standardization) MLP: Mạng MLP (Multilayer Perceptron) MAE: Sai số trung bình tuyệt đối (Mean Square Error) MSE: Sai số trung bình bình phương (Mean Absolute Error) QHTN: Qui hoạch thực nghiệm viii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1. Nghiên cứu dự báo CLSP sợi, dệt bằng ANN gần đây................................. 47 Bảng 2.1. Giá trị trung tâm và khoảng biến đổi của các thông số công nghệ ............... 67 Bảng 2.2. Ma trận thí nghiệm (k = 4; n0 =1).................................................................. 68 Bảng 3.1. Kết quả tính toán Z1, n0, nM, fM ..................................................................... 82 Bảng 3.2. Các thông số của cơ cấu cân bằng lực ép cần cho 25 phương án thí nghiệm ... 89 Bảng 3.3. Kết quả xác định áp lực và lực ép bằng thực nghiệm ................................... 90 Bảng 3.4. Vận tốc quấn ống xác định bằng thực nghiệm Z1t, tính toán Z1 và sự chênh lệch ΔZ của các giá trị vận tốc ...................................................................................... 91 Bảng 3.5. Kết quả xác định mức thay đổi độ xù lông của sợi Ne 31/1 CVCD ............. 91 Bảng 3.6. Kết quả xác định mức thay đổi độ xù lông của sợi Ne 30/1 CVCM ............ 92 Bảng 3.7. Chất lượng sợi sau quấn ống thay đổi theo vận tốc quấn ống Vq ................. 95 Bảng 3.8. Mức thay đổi các thông số chất lượng sợi sau quấn ống so với trước quấn ống .. 101 Bảng 3.9. Kết quả xác định mức thay đổi độ không đều ∆ui(%) của ba loại sợi (Ne 31/1 CVCD, Ne 30/1 CVCM, Ne 30/1 COCM) sau quấn ống so với trước quấn ống ........... 103 Bảng 3.10. Kết quả xác định mức thay đổi độ xù lông ∆hi(%) của ba loại sợi (Ne 31/1 CVCD, Ne 30/1 CVCM, Ne 30/1 COCM) sau quấn ống so với trước quấn ống ....... 104 Bảng 3.11. Kết quả xác định mật độ quấn yi của búp sợi khi quấn ống ba loại sợi (Ne 31/1 CVCD, Ne 30/1 CVCM, Ne 30/1COCM) sau quấn ống so với trước quấn ống ............ 104 Bảng 3.12. Các phương trình hồi quy của ∆U%, ∆H% và Y của 3 loại sợi ............... 105 Bảng 3.13. Mức thay đổi độ xù lông khi tốc độ quấn ống x1 (Z1) thay đổi ................. 108 Bảng 3.14. Mức thay đổi độ xù lông khi tải trọng x2 (Z2) thay đổi............................. 109 Bảng 3.15. Kết quả tính mật độ quấn búp sợi Y (g/cm3) khi vận tốc quấn ống x1 (Z1) thay đổi ........................................................................................................................ 111 Bảng 3.16. Kết quả tính mật độ quấn búp sợi Y(g/cm3) khi tải trọng x2 (Z2) thay đổi.... 111 Bảng 3.17. Kết quả xác định P0 và η khi vận tốc quấn ống thay đổi đối với 3 loại sợi .... 115 Bảng 3.18. Kết quả xác định thông số quấn ống tối ưu để đạt được mức tăng độ xù lông nhỏ nhất ............................................................................................................... 116 Bảng 3.19. Kết quả xác định thông số tối ưu để đạt được mức tăng độ không đều nhỏ nhất ............................................................................................................................ 116 ix
Bảng 3.20. Kết quả xác định thông số công nghệ tối ưu để đạt yêu cầu về mật độ quấn búp sợi Y ở mức dưới 0,6g/cm3................................................................................... 117 Bảng 3.21. Kết quả xác định đường kính trung bình Dtb, mật độ quấn Y và độ cứng C của búp sợi ................................................................................................................... 118 Bảng 3.22. CLSP sợi Ne 31/1 CVCD sau quấn ống xác định bằng thực nghiệm (TN), dự báo bởi (ANN) và (HHQ) ...................................................................................... 121 Bảng 3.23. CLSP sợi Ne 30/1 CVCM sau quấn ống xác định bằng thực nghiệm (TN), dự báo bởi (ANN) và (HHQ) ...................................................................................... 124 Bảng 3.24. CLSP sợi Ne 30/1 COCM sau quấn ống xác định bằng thực nghiệm (TN), dự báo bởi (ANN) và (HHQ) ...................................................................................... 126 Bảng 3.25. Hiệu suất dự báo CLSP sợi Ne 31/1 CVCD bằng HHQ và ANN .................. 129 Bảng 3.26. Hiệu suất dự báo CLSP sợi Ne 30/1 CVCM bằng HHQ và ANN ................. 129 Bảng 3.27. Hiệu suất dự báo CLSP sợi Ne 30/1 COCM bằng HHQ và ANN............... 129 Bảng 3.28. Các phương án kiểm tra mạng ANN......................................................... 130 Bảng 3.29. Tổng hợp kết quả kiểm tra mạng ANN với các phương án kiểm tra........ 131 x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Sơ đồ khái quát về CLSP sợi quấn ống ........................................................... 6 Hình 1.2. Khối lượng sợi thay đổi theo chiều dài sợi...................................................... 7 Hình 1.3. Mối liên quan giữa độ xoắn K(α) và độ bền Pđ ............................................. 11 Hình 1.4. Quan hệ giữa độ xoắn K và mômen xoắn Mx ............................................... 12 Hình 1.5. Sợi xù lông ..................................................................................................... 13 Hình 1.6. Độ xù lông của sợi thay đổi theo chiều dài sợi ............................................. 13 Hình 1.7. Biểu đồ quang phổ của độ xù lông ................................................................ 14 Hình 1.8. Lỗi khuyết tật sợi ......................................................................................................... 15 Hình 1.9. Sức căng sợi khi tháo từ búp sợi thay đổi theo bán kính và chiều cao búp sợi ..... 16 Hình 1.10. Nguyên lý quấn búp sợi máy ống tự động Autoconer................................. 21 Hình 1.11. Vận tốc quấn ống Vq ảnh hưởng đến độ đứt sợi P ....................................... 22 Hình 1.12. Độ đứt sợi phụ thuộc vào vận tốc quấn ống ................................................ 23 Hình 1.13. Vận tốc quấn ống ảnh hưởng đến độ xù lông H và SH ................................ 24 Hình 1.14. Ảnh hưởng của góc chéo 2β đến mật độ quấn ρ của búp sợi ...................... 25 Hình 1.15. Ảnh hưởng của góc chéo 2β đến mật độ quấn ρ theo R.Zeller ................... 25 Hình 1.16. Ảnh hưởng của sức căng sợi T đến mật độ quấn búp sợi ρ ......................... 26 Hình 1.17. Sức căng sợi ảnh hưởng đến mật độ quấn ................................................... 26 Hình 1.18. Ảnh hưởng của độ nhỏ Tt (tex) và sức căng sợi T(N) đến ρ của búp sợi .... 27 Hình 1.19. Ảnh hưởng của lực ép đến mật độ quấn búp sợi ....................................... 28 Hình 1.20. Ảnh hưởng của sức căng sợi và lực ép đến mật độ quấn của búp sợi............... 28 Hình 1.21. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống V, đường kính búp sợi Dc, góc côn α của búp sợi đến mật độ quấn ρ của búp sợi ......................................................................... 29 Hình 1.22. Hiện tượng bậc thang của búp sợi quấn chéo .............................................. 33 Hình 1.23. Sơ đồ nguyên lý mô hình quấn ống Non-stop ............................................. 33 Hình 1.24. Sơ đồ nguyên lý mô hình quấn ống của P. Banda, G. Durur ...................... 33 Hình 1.25. Mô hình quấn ống để đo sức căng sợi ......................................................... 34 Hình 1.26. Sơ đồ nguyên lý mô hình quấn ống của Rafael Beltran .............................. 34 Hình 1.27. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh sợi kiểu đĩa ma sát không có tín hiệu phản hồi ......................................................................................................................... 36 xi
Hình 1.28. Mô hình mô phỏng hệ thống phanh sợi kiểu đĩa ma sát có tín hiệu phản hồi .. 36 Hình 1.29. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển sức căng sợi .................................. 37 Hình 1.30. Sơ đồ nguyên lý điều khiển sức căng sợi tổng quát .................................... 38 Hình 1.31. Mô hình mô phỏng nguyên lý điều khiển sức căng sợi ............................... 38 Hình 1.32. Mô hình mô phỏng quá trình tháo sợi từ búp sợi trụ ................................... 38 Hình 1.33. Sơ đồ cấu trúc nơ ron sinh học .................................................................... 40 Hình 1.34. Mô hình mạng MLP với một lớp ẩn (a) và hai lớp ẩn (b) ........................... 42 Hình 1.35. Mạng ANN dự báo độ không đều và độ bền của sợi PES/Co ............... 43 Hình 1.36. Sơ đồ mạng ANN dự báo độ bền sợi con .................................................... 43 Hình 1.37. Sơ đồ mạng ANN dự báo độ xù lông của sợi PES/Visco ........................... 44 Hình 1.38. Máy Uster Fabricscan .................................................................................. 46 Hình 2.1. Ống sợi con .................................................................................................... 51 Hình 2.2. Búp sợi côn .................................................................................................... 51 Hình 2.3. Mô hình một đơn vị quấn ống ....................................................................... 53 Hình 2.4. Phim đo áp lực của FUJIFILM ...................................................................... 54 Hình 2.5. Cách đặt phim A và C để đo áp lực ............................................................... 55 Hình 2.6. Các biểu đồ tham chiếu khi sử dụng phim 4LW ........................................... 56 Hình 2.7. Các biểu đồ tham chiếu khi sử dụng phim 5LW ........................................... 57 Hình 2.8. Sơ đồ thử nghiệm xác định chất lượng sợi trước/sau quấn ống .................... 58 Hình 2.9. Máy Uster Tester 5 ........................................................................................ 59 Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý đo độ không đều trên máy Uster Tester 5 ........................ 60 Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý đo khuyết tật sợi trên máy Uster Tester 5 ........................ 61 Hình 2.12. Nguyên lí đo độ xù lông trên máy Uster Tester 5 .............................................. 62 Hình 2.13. Máy Uster Tensorapid 3 .............................................................................. 62 Hình 2.14. Thiết bị đo độ xoắn SDL của hãng Shirley ................................................. 63 Hình 2.15. Guồng sợi Salo ............................................................................................ 63 Hình 2.16. Cân phân tích điện tử Mettler AE 240......................................................... 63 Hình 2.17. Kính hiển vi quang học Leica ...................................................................... 64 Hình 2.18. Thiết bị đo độ cứng HP.5 ............................................................................ 64 Hình 2.19. Búp sợi côn .................................................................................................. 65 Hình 2.20. Sơ đồ giải thuật lan truyền ngược lỗi .......................................................... 72 xii
Hình 3.1. Nguyên lý đơn vị quấn sợi của mô hình quấn ống ........................................ 78 Hình 3.2. Sơ đồ truyền động cho búp sợi ...................................................................... 80 Hình 3.3. Phân tích lực tác dụng lên các chi tiết của mô hình quấn ống ...................... 82 Hình 3.4. Xác định khoảng cách xr................................................................................ 83 Hình 3.5. Xác định góc αr .............................................................................................. 84 Hình 3.6. Hình ảnh trạng thái bề mặt sợi trước và sau quấn ống .................................. 93 Hình 3.7. Biểu đồ khối lượng của các mẫu sợi trước và sau quấn ống ......................... 94 Hình 3.8. Chất lượng sợi Ne 31/1 CVCD sau quấn ống (B) thay đổi so với trước quấn ống (O) ........................................................................................................................... 96 Hình 3.9. Chất lượng sợi Ne 30/1 CVCM sau quấn ống (B) thay đổi so với trước quấn ống (O) ........................................................................................................................... 97 Hình 3.10. Chất lượng sợi 30/1 COCM sau quấn ống (B) thay đổi so với trước quấn ống (O) ........................................................................................................................... 97 Hình 3.11. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến độ không đều U% ........................... 99 Hình 3.12. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến hệ số biến sai CV% ........................ 99 Hình 3.13. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến IPI ................................................... 99 Hình 3.14. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến độ xù lông H ............................................. 99 Hình 3.15. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến độ không đều U% ......................... 100 Hình 3.16. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến hệ số biến sai CV% ...................... 100 Hình 3.17. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến IPI ................................................ 100 Hình 3.18. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến độ xù lông H ................................. 100 Hình 3.19. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến độ không đều U% ......................... 100 Hình 3.20. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến hệ số biến sai CV% ...................... 100 Hình 3.21. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến IPI ................................................. 101 Hình 3.22. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến độ xù lông H ................................. 101 Hình 3.23. Mối quan hệ giữa độ xù lông, vận tốc, tải trọng, khoảng cách (Sợi Ne 31/1 CVCD) .. 110 Hình 3.24. Mối quan hệ giữa độ xù lông, vận tốc, tải trọng, khoảng cách (Sợi Ne 30/1 CVCM).. 110 Hình 3.25. Mối quan hệ giữa độ xù lông, vận tốc, tải trọng, khoảng cách (Sợi Ne 30/1 COCM).. 110 Hình 3.26. Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến mật độ quấn búp sợi .......................... 112 Hình 3.27. Ảnh hưởng của tải trọng trên đĩa ma sát bộ điều tiết sức căng đến mật độ quấn búp sợi ................................................................................................................. 112 xiii
Hình 3.28. Mặt biểu diễn sự biến đổi của mật độ quấn phụ thuộc vào vận tốc quấn ống và tải trọng (Ne 31/1 CVCD) ...................................................................................... 113 Hình 3.29. Mặt biểu diễn sự biến đổi của mật độ quấn phụ thuộc vào vận tốc quấn ống và khoảng cách (Ne 31/1 CVCD) ................................................................................ 113 Hình 3.30. Mặt biểu diễn sự biến đổi của mật độ quấn phụ thuộc vào vận tốc quấn ống và tải trọng (Ne 30/1 CVCM) ...................................................................................... 114 Hình 3.31. Mặt biểu diễn sự biến đổi của mật độ quấn phụ thuộc vào vận tốc quấn ống và khoảng cách (Ne 30/1 CVCM) ............................................................................... 114 Hình 3.32. Mặt biểu diễn sự biến đổi của mật độ quấn phụ thuộc vào vận tốc quấn ống và tải trọng (Ne 30/1 COCM) ...................................................................................... 114 Hình 3.33. Mặt biểu diễn sự biến đổi của mật độ quấn phụ thuộc vào vận tốc quấn ống và khoảng cách (Ne 30/1 COCM) ............................................................................... 114 Hình 3.34. Mối quan hệ giữa độ cứng và mật độ quấn ............................................... 118 Hình 3.35. Cấu trúc mạng ANN dự báo CLSP sợi quấn ống ...................................... 119 Hình 3.36. Dự báo mức tăng độ không đều của sợi Ne 31/1 CVCD bằng ANN so với thực nghiệm ................................................................................................................. 122 Hình 3.37. Dự báo mức tăng độ xù lông của sợi Ne 31/1 CVCD bằng ANN so với thực nghiệm ......................................................................................................................... 123 Hình 3.38. Dự báo mật độ quấn sợi Ne 31/1CVCD bằng ANN so với thực nghiệm . 123 Hình 3.39. Dự báo mức tăng độ không đều của sợi Ne 30/1 CVCM bằng ANN so với thực nghiệm ................................................................................................................. 125 Hình 3.40. Dự báo mức tăng độ xù lông của sợi Ne 30/1 CVCM bằng ANN so với thực nghiệm ................................................................................................................. 125 Hình 3.41. Dự báo mật độ quấn sợi Ne 30/1 CVCM bằng ANN so với thực nghiệm .... 126 Hình 3.42. Dự báo mức tăng độ không đều của sợi Ne 30/1 COCM bằng ANN so với thực nghiệm ................................................................................................................. 127 Hình 3.43. Dự báo mức tăng độ xù lông của sợi Ne 30/1 COCM bằng ANN so với thực nghiệm ................................................................................................................. 128 Hình 3.44. Dự báo mật độ quấn sợi Ne 30/1 COCM bằng ANN so với thực nghiệm ....... 128 Hình 3.45. Đồ thị kiểm tra dự báo mức tăng độ không đều sợi Ne 31/1 CVCD ........ 132 Hình 3.46. Đồ thị kiểm tra dự báo mức tăng độ xù lông sợi Ne 31/1 CVCD ............. 132 Hình 3.47. Đồ thị kiểm tra dự báo mật độ quấn sợi Ne 31/1 CVCD .......................... 132 xiv
Hình 3.48. Đồ thị kiểm tra dự báo mức tăng độ không đều sợi Ne 30/1 CVCM ............. 132 Hình 3.49. Đồ thị kiểm tra dự báo mức tăng độ xù lông sợi Ne 30/1 CVCM ............ 132 Hình 3.50. Đồ thị kiểm tra dự báo mật độ quấn sợi Ne 30/1 CVCM.......................... 132 Hình 3.51. Đồ thị kiểm tra dự báo mức tăng độ không đều sợi 30/1 COCM ................... 133 Hình 3.52. Đồ thị kiểm tra dự báo mức tăng độ xù lông sợi 30/1 COCM .................. 133 Hình 3.53. Đồ thị kiểm tra dự báo mật độ quấn sợi 30/1 COCM ............................... 133 xv
MỞ ĐẦU Dệt may Việt Nam có vai trò rất quan trọng trong nền kinh tế bởi lẽ, ngành tạo được nhiều việc làm cho người lao động (khoảng 3 triệu người đang làm việc trong ngành Dệt May, chiếm 22,7% lao động công nghiệp toàn quốc). Hơn nữa, trong những năm gần đây, mặc dù ảnh hưởng của đại dịch Covid-19 nhưng Dệt May vẫn luôn ở tốp đầu trong 10 ngành xuất khẩu chủ lực của cả nước, xuất khẩu qua các năm 2021, 2022, 2023 của ngành Dệt May là 39 tỷ; 44,0 tỷ USD, 40,3 tỷ USD. Với vai trò vị trí quan trọng của ngành Dệt May, ngành đang được chính phủ quan tâm để phát triển trở thành một ngành kinh tế trọng điểm, mũi nhọn của đất nước. Để đạt được mục tiêu này, ngành đã, đang triển khai đồng bộ nhiều giải pháp: Đổi mới tổ chức quản lý, nâng cao chất lượng nguồn nhân lực, đổi mới công nghệ và thiết bị… trong đó, giải pháp đổi mới công nghệ và thiết bị ở tất cả các khâu để tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản phẩm (CLSP) và sử dụng ít nhân công là rất quan trọng. Đáng chú ý là, sản phẩm sợi của Việt Nam đã có thương hiệu trên thị trường quốc tế mặc dù sức cạnh tranh của sản phẩm sợi còn hạn chế. Năm 2021 được xem là một năm thắng lợi của ngành sợi Việt Nam khi có sự tăng trưởng đột biến cả về khối lượng và kim ngạch xuất khẩu trong đó, xuất khẩu sang thị trường Trung Quốc chiếm khoảng 55 ÷ 70% tùy từng giai đoạn. Trong những năm tới, Trung Quốc, Mỹ và các nước nhập khẩu sợi trên thế giới sẽ không chú trọng vào tăng trưởng về khối lượng mà tập trung vào phát triển chất lượng để tạo ra giá trị gia tăng cao của sản phẩm dệt. Hiện nay, sản phẩm sợi của Việt Nam vẫn đang được sản xuất theo công nghệ truyền thống (công nghệ nồi, cọc) là chủ yếu, có ưu điểm là đa dạng về chủng loại, phù hợp với nhiều loại nguyên liệu, dải chi số ra rộng nên đang đáp ứng được một phần nhu cầu của thị trường sợi. Tuy vậy, do sản phẩm của công nghệ truyền thống lại là các ống sợi con có khối lượng nhỏ nên bắt buộc phải qua công nghệ quấn ống để tạo thành các búp sợi có khối lượng lớn mới có thể gia công tiếp ở các công đoạn trong nhà máy dệt. Tuy nhiên, quá trình quấn ống cũng ảnh hưởng (tích cực và tiêu cực) đến CLSP sợi. Để nâng cao sức cạnh tranh của sản phẩm sợi, việc nghiên cứu các giải pháp tìm ra được các thông số công nghệ tối ưu ở công đoạn quấn ống để nâng cao CLSP sợi, ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự báo CLSP sợi trước khi sản xuất nhằm giảm chi phí sản xuất và định hướng sử dụng sản phẩm sợi ở các công đoạn sau quấn ống là các vấn đề thời sự đang được các doanh nghiệp sản xuất sợi quan tâm. 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI So với công nghệ kéo sợi mới (OE Roto, OE ma sát, kéo sợi dòng khí) công nghệ kéo sợi truyền thống (nồi , cọc) có một số ưu điểm vượt trội như sau: thích hợp với nhiều loại nguyên liệu xơ dệt, dải chi số sợi ra rộng (Nm 16 ÷ Nm 200), mặt hàng sợi đa dạng, cấu trúc sợi chặt chẽ, độ xốp thấp... nên vẫn đang được sử dụng phổ biến để sản xuất các mặt hàng sợi dệt vải may mặc, vải chuyên dùng và cả vải kỹ thuật. Tuy vậy, điểm hạn chế của của công nghệ kéo sợi nồi, cọc là các ống sợi con có khối lượng nhỏ (khoảng 100g) với chiều dài sợi khoảng 2000 ÷ 2500 m (tùy theo chi số sợi) nên chúng phải qua công đoạn quấn ống để tạo thành các búp sợi phù hợp với các công đoạn tiếp theo. Quấn ống là công đoạn cuối cùng của công nghệ kéo sợi nhưng lại là công đoạn đầu tiên và quan trọng nhất của công nghệ chuẩn bị dệt, có nhiệm vụ quấn được các búp sợi (quấn chéo) thích hợp về hình dạng, kích thước và khối lượng (thường từ 1,5 ÷ 3 kg)... cho các công đoạn sau quấn ống là mắc sợi, quấn suốt, đậu sợi, dệt thoi, dệt kim hoặc nhuộm búp sợi. Đồng thời, trong quá trình quấn ống, các khuyết tật (điểm mảnh, điểm dày, kết tạp) do kéo sợi để lại cũng sẽ được loại trừ bởi bộ phận làm sạch (cắt lọc) sợi tạo điều kiện nâng cao chất lượng các bán thành phẩm và năng suất thiết bị ở các công đoạn sau quấn ống. Chất lượng sản phẩm (CLSP) sợi quấn ống được hiểu là chất lượng sợi quấn trên búp sợi và chất lượng quấn búp sợi. CLSP sợi quấn ống chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố về nguyên liệu cấp cho máy ống, công nghệ và thiết bị quấn ống. Đáng chú ý là các yếu tố như độ nhỏ của sợi quấn trên ống sợi con, vận tốc quấn ống, ba lông sợi (khoảng cách giữa ống sợi con và khuyết dẫn sợi giảm ba lông), tải trọng đặt vào các đĩa ma sát bộ điều tiết sức căng sợi, lực ép của búp sợi lên ống khía, góc chéo của các vòng sợi quấn trên búp sợi và một số yếu tố khác là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sức căng sợi và ảnh hưởng gián tiếp đến CLSP sợi quấn ống. Đã có một số nghiên cứu về ảnh hưởng của từng yếu tố công nghệ đến CLSP sợi quấn ống như: Ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến độ đứt sợi và năng suất máy ống, ảnh hưởng của lực ép búp sợi lên ống khía đến mật độ quấn búp sợi, ảnh hưởng của vận tốc quấn ống đến độ không đều, độ xù lông của sợi sau quấn ống... Các nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của một số yếu tố công nghệ điển hình đến CLSP sợi quấn ống còn chưa được đề cập đầy đủ. Vì vậy, khi áp dụng các kết quả nghiên cứu đã nêu vào thực tế gặp nhiều khó khăn và đôi khi không thể thực hiện được. 2
Hiện nay, các máy ống tự động hiện đại vận tốc cao (đến 1500 m/phút, 2200 m/phút) đã được nhập vào các doanh nghiệp, hiệu quả sử dụng các thiết bị này còn chưa được như mong muốn. Nguyên nhân chủ yếu là do các nhà cung cấp thiết bị ít hoặc không chuyển giao các bí quyết công nghệ mà họ đã đạt được. Để có cơ sở khoa học đề ra các giải pháp nâng cao CLSP sợi quấn ống cần nghiên cứu mối liên hệ giữa các yếu tố công nghệ quấn ống và CLSP sợi quấn ống, tìm ra các điều kiện tối ưu để đạt được CLSP sợi quấn ống theo yêu cầu hoặc dự báo được CLSP sợi quấn ống trước khi triển khai sản xuất. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao CLSP sợi, giảm chi phí sản xuất và định hướng sử dụng có hiệu quả sản phẩm sợi ở các công đoạn sau quấn ống. Để đạt được mục tiêu này, thực hiện đề tài "Ứng dụng mô hình hóa nghiên cứu quá trình quấn ống và mạng ANN dự báo chất lượng sản phẩm sợi quấn ống" trong điều kiện hiện nay là rất cần thiết. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Xây dựng mô hình quấn ống để nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm (CLSP) sợi quấn ống. - Xác định ảnh hưởng của thông số công nghệ đến chất lượng sản phẩm sợi quấn ống. - Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo (ANN) dự báo chất lượng sản phẩm sợi quấn ống trên cơ sở một số thông số công nghệ. 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN - Đã áp dụng phương pháp mô hình hóa, đề xuất mô hình quấn ống là mô hình vật lý tương tự tạo cơ sở khoa học thuận lợi cho việc nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của 4 thông số công nghệ điển hình (Vận tốc quấn ống, tải trọng đặt vào đĩa ma sát của bộ điều tiết sức căng, khoảng cách giữa ống sợi con và khuyết dẫn sợi và lực ép của búp sợi lên ống khía) đến 3 đặc trưng chất lượng (mức thay đổi độ không đều, mức thay đổi độ xù lông của sợi và mật độ quấn búp sợi) của sản phẩm sợi quấn ống. - Các mô hình toán đã xác lập thể hiện mối liên quan giữa 4 thông số công nghệ và 3 đặc trưng CLSP sợi quấn ống là cơ sở khoa học để xác định các thông số tối ưu nhằm đạt được mức CLSP sợi quấn ống theo yêu cầu. - Đã áp dụng thành công mạng nơ ron nhân tạo (ANN) để dự báo CLSP sợi quấn ống trên cơ sở đầu vào là 4 thông số công nghệ quấn ống. Kết quả dự báo đã được so sánh với phương pháp dự báo bằng các hàm hồi qui (HHQ) cho thấy, phương pháp dự báo bằng ANN đạt độ tin cậy và chính xác cao hơn dự báo bằng các HHQ. 3