Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ научной и технической литературы 9
1.1. Публикации и патентная документация, касающиеся технических тканей 9
1.2. Работы, посвященные проектированию и оптимизации строения ткани 20
Постановка задачи исследования 33
2. Математическая модель строения ткани с учетом силового взаимодействия основных и уточных нитей из стекла и базальта 34
2.1. Характеристика ткани 34
2.2. Определение параметров ряда Фурье и получение уравнения прогиба осевой линии нити применительно к переплетению рогожка 3/3 34
2.3. Определение коэффициента ах уравнения осевой линии нити 49
2.4. Максимальные значения изгиба нитей основы и утка в ткани 66
2.5. Математическая модель строения ткани 75
2.6. Анализ взаимодействия нитей из стекла и базальта в ткани... 79
3. Оптимизация процессов питания станка стб-2-180 основойи утком 87
3.1. Предварительный эксперимент 87
3.2. Параметры заправки основы 90
3.3. Параметры заправки уточной нити из стекла 98
3.4. Параметры заправки уточной нити из базальта 103
4. Исследование механических свойств новых видов тканей из термостойких нитей 110
4.1. Поверхностная плотность тканей 110
4.2. Плотность нитей на 10 см ткани 112
4.3. Разрывная нагрузка и удлинение тканей 114
4.4. Жесткость тканей при изгибе 120
4.5. Стойкость тканей к истиранию 125
4.6. Выносливость тканей к многократному изгибу 126
Выводы по разделу 129
Обобщенные выводы и рекомендации 130
Список использованной литературы 132
Приложения 141
- Работы, посвященные проектированию и оптимизации строения ткани
- Определение параметров ряда Фурье и получение уравнения прогиба осевой линии нити применительно к переплетению рогожка 3/3
- Параметры заправки основы
- Плотность нитей на 10 см ткани
Введение к работе
Актуальность работы. Производство технического текстиля - одно из наиболее динамично развивающихся направлений развития текстильной промышленности.
В мировой практике расширению сфер использования технического текстиля способствовало создание ассортимента тканей на основе высокомодульных нитей. Это связано с их уникальными эксплуатационными характеристиками: высокая прочность, высокие показатели вибро- и шумоизоляции, термостойкость, неподверженность воздействию микроорганизмов и большинства химикатов и др.
При производстве технических тканей специального назначения используются высокомодульные термостойкие нити, такие как, стеклянные, базальтовые, арамидные и др. Применение высокомодульных нитей позволяет получать тканые материалы, которые используются в космонавтике, авиа- и судостроении. На их основе создаются композиционные пластики, позволяющие сократить общую массу изделия. Улучшение качественных показателей дает применение спецтканей в изделиях защищающих от внешних факторов: тентах, огнезащитных покрытиях, навесах, защитной одежде.
Одной из важнейших технических задач является получение тканей для защиты от теплового излучения. Разработки в этой области являются актуальными.
Целью настоящей работы является разработка и получение на бесчелночных ткацких станках СТБ, технических тканей содержащих высокомодульные термостойкие нити стекла и базальта.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие научные и технические задачи:
-
Обоснован сырьевой состав тканей и вид оборудования, на котором они могут быть получены. В частности, рекомендованы к использованию станки СТБ, оснащенные многоуточными приборами.
-
Исследовано взаимодействие высокомодульных технических нитей в ткани, дана оценка локальных сил, возникающих в области контакта основных и уточных нитей.
-
Применительно к переплетению рогожка 3/3 разработана математическая модель расположения нитей основы и утка в ткани, позво-
ляющая оценить параметры ткани применительно к теории ее фазового строения.
-
С целью снижения обрывности основных и уточных нитей и повышения производительности ткацкого оборудования проведена оптимизация заправки ткацких станков, вырабатывающих ткани из нитей стекла и базальта, а также ткани из других видов волокон.
-
Исследованы механические свойства новых видов технических тканей.
Решение указанных задач соответствует направлению научных исследований Ивановской государственной текстильной академии по совершенствованию техники и технологии ткацкого производства.
Методика исследований. При теоретических исследованиях применялись методы прикладной математики (решения неоднородных дифференциальных уравнений 4-го порядка), теоретической механики, сопротивления материалов, методы математического моделирования и др.
Экспериментальные исследования по оптимизации заправочных параметров ткацкого станка, а также механических характеристик тканей проводились в производственных и лабораторных условиях. Обработка результатов исследований осуществлялась методами математической статистики с применением критериев Кочрена, Стьюдента, Фишера.
Автор защищает:
-
Результаты исследования взаимодействия в ткани комплексных технических нитей из стекла и базальта.
-
Методику расчета взаимодействия в ткани технических нитей, имеющих разный диаметр и жесткость на изгиб.
-
Методику расчета взаимодействия в ткани нитей, которые подвергаются разным локальным нагрузкам и имеют разные продольные натяжения.
-
Математическую модель строения ткани применительно к удлиненным перекрытиям основных и уточных нитей.
-
Аналитические соотношения, определяющие высоту волны изгиба нитей в ткани.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Исследовано взаимодействие в ткани комплексных технических нитей из стекла и базальта.
-
Разработана методика расчета взаимодействия в ткани технических нитей разного диаметра и жесткости на изгиб.
-
Разработана методика расчета взаимодействия в ткани нитей, которые подвергаются разным локальным нагрузкам и имеют разные продольные натяжения. Дана оценка влияния этих показателей на структуру ткани.
-
Создана математическая модель строения ткани применительно к удлиненным перекрытиям основных и уточных нитей, которые имеют место при получении ткани мелкоузорчатым видом переплетения рогожка 3/3.
-
Получены аналитические соотношения для определения высоты изгиба нитей в ткани.
-
Проведен комплекс работ, повышающих надежность прокладывания на станке СТБ технических нитей.
Практическая значимость и реализация результатов работы состоит:
в получении технических тканей из высокомодульных термостойких нитей стекла и базальта;
в разработке технологии их изготовления;
в разработке мер по снижению обрывности нитей основы и утка в ткачестве путем оптимизации заправки на ткацком станке СТБ-2-180 технических тканей;
во внедрении результатов диссертационной работы в производственный цикл НПО «Конверсипол», г. Иваново.
Апробация работы. Материалы по теме диссертации докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах:
межвузовских научно-технических конференциях и семинарах аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (Иваново, 2004-2008);
международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Иваново, 2007,2008);
всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Москва, 2005).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, из них 2 статьи в журнале «Известия вузов. Технология
текстильной промышленности», включенном в перечень ВАК и 10 тезисов докладов в сборниках материалов научно-технических конференций.
Личное участие автора в разработке материалов диссертации. Постановка задач, выбор методов и направлений исследований, обобщение полученных результатов, теоретические положения и выводы диссертации принадлежат автору. Разработка тканей из термостойких нитей стекла и базальта и технологии их изготовления выполнена автором при участии научного руководителя. Результаты научно-исследовательской работы апробированы автором в условиях ткацкого производства НПО «Конверсипол» при участии сотрудников предприятия.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций. Она содержит 140 страниц текста, 19 таблиц, 10 рисунков и приложения. Список использованной литературы включает 71 наименование. В приложениях приводятся заправочные параметры полученных тканей, методика и результаты определения их огнестойкости, технические характеристики аналогов изготовленных согласно НТД, акт производственной апробации результатов НИР.
Работы, посвященные проектированию и оптимизации строения ткани
Целью цроектирования тканей является определение основных параметров, необходимых для выполнения заправочных расчетов и последующего изготовления на станках в соответствии с требованиями, предъявляемыми к физико-механическим свойствам и внешнему виду тканей. Оптимизация строения тканей позволяет получить ткань рационального строения, с оптимальной материалоемкостью и улучшенными физико-механическими свойствами.
Диапазон исследований, посвященных данной теме, достаточно широк. Вопросы строения и проектирования тканей углубленно рассматривались во многих работах [39-50, 62]. В зависимости от конечной цели исследований, методы проектирования можно разделить на три группы: - методы проектирования тканей с заданными параметрами строения; - методы проектирования тканей с заданными показателями физико-механических свойств; - методы, относящиеся к обеим группам, зачастую взаимосвязаны и дополняют друг друга. Многие методы проектирования основываются на теории проф. Новикова Н.Г., который предложил 9 случаев порядка фазы строения тканей и вывел основное геометрическое свойство однослойной ткани полотняного переплетения. А именно сумма высот волн изгиба нитей основы h0 и утка h , в ткани есть величина постоянная, равная сумме диаметров нитей основы d0 и утка dy,T.Q. Анализ работ современных авторов указывает на наличие сложившейся системы проектирования тканей. Наличие в работах сбалансированного подхода к проектированию позволяет вырабатывать ткани с заданными показателями свойств и строения. В.П. Склянников в работе [39] уделил внимание оптимизации строения ткани не только по физико-механическим свойствам, но и по технико-экономическим и потребительским свойствам. Так, при оптимизации строения костюмно-платьевых тканей из вискозных нитей и пряжи, автором в качестве критерия оптимизации был выбран интегральный показатель качества Кт: где 77к - комплексный показатель качества, т1,т2- коэффициенты весомости, М - относительный уровень материалоемкости, Тр - относительный уровень трудоемкости. Для расчета комплексного показателя качества определялись коэффициенты весомости рассматриваемых свойств экспертным методом: где т0,т - коэффициенты весомости показателей качества по основе и утку. Особое место в методах проектирования тканей занимает определение коэффициентов наполнения волокнистым материалом. Многие из этих методов основаны на расчете соотношения фактических параметров строения ткани к данным параметром при ее максимальном уплотнении. Методы расчета линейного наполнения отдельно по системам нитей включают метод пересечения диаметров Ашенхерста: - линейная плотность нитей основы и утка. К сожалению, предложенная формула отражает скорее геометрические параметры переплетения, чем зависимость строения ткали и свойств используемых нитей.
Ф.М. Розанов и Л.А. Черникина [46] отмечают, что комплексным показателем строения ткани являются коэффициенты наполнения по основе и утку, которые учитывают вид переплетения, изменение формы поперечного сечения и размеров нитей в ткани, а также порядок фазы строения. Коэффициент наполнения ими определяется как отношение фактического наполнения ткани к максимальному:
Н.Ф. Сурнина в работе [47] предложила рассматривать ткань как единый материал, в котором наполнения по основе и утку связаны между собой, что приводит к взаимному выравниванию или компенсации. Метод расчета базируется на представлении о наполнении как отношении максимальной площади, которую могла бы занимать ткань к фактической, занимаемой нитями ткани:где Р0,Ру - плотность ткани по основе и утку,п0, пу - число основных и уточных перекрытий, 10,1у - геометрическая плотность ткани по основе и утку, tomax,t так - максимальное число пересечений нитей утка нитями основы и нитей основы нитями утка в раппорте.
Н.М. Левакова в работе [48] разработала метод проектирования ситовых тканей. Основываясь на анализе требований к ситовым тканям, автором были выбраны в качестве основы и утка полиамидные моно нити одинаковой линейной плотности, которые использовались при изготовлении ситовой ткани полотняного переплетения.
На основе изучения геометрических моделей расположения нитей в ткани полотняного переплетения, автором были разработаны формулы для расчета:- пористости
Определение параметров ряда Фурье и получение уравнения прогиба осевой линии нити применительно к переплетению рогожка 3/3
Решение задачи прогиба нити в ткани связано с определенными трудностями. Надо иметь уравнение формы осевой линии нити. Чтобы получить это уравнение, воспользуемся рядом Фурье [58]. Известно, что в общем виде ряд Фурье записывают так: интервалу соответствует Ряд (2.58) отражает изменение формы осевой линии нити. В отличие от кусочно-линейной функции рис. 2.1 (б), форма линий, построенная на основании (2.58), представляет собой плавную кривую без резких переходов на стыках прямолинейных отрезков и реальнее отражает действительное состояние осевой линии основной нити, находящейся в ткани. В (2.58) неизвестна величина ах характеризующая максимальную высоту изгиба нити в ткани. Чтобы ее найти, воспользуемся рис. 2.2, где приняты следующие обозначения: Ry - реакция базальтовой уточной нити, принятой в качестве опоры; Ny - сила действия базальтовой уточной нити на базальтовую нить основы; Qy - сила действия уточной стеклонити на базальтовую основную нить; є - обобщенная координата осевой линии нити; Єї — координаты действия соответствующих сил; F0— сила натяжения основной нити; М0— изгибающий момент; / — расстояние между центрами уточных нитей (геометрическая плотность); Ly - длина раппорта. Для решения задачи используем принцип возможных (виртуальных) перемещений. Необходимо вычислить интеграл [61] где L{aib (Pi) - уравнение силового равновесия нити в ткани; (Pj - функция возможных обобщенных перемещений точек осевой линии (балки) нити. Для нахождения L(a{, g)j) воспользуемся следующим дифференциальным уравнением [61]. (2.130) (2.131) Для нахождения высоты изгиба уточной нити, обратимся к рисунку 2.3. Здесь показан разрез ткани вдоль уточной нити (позиция а) и график линейно-кусочной функции (позиция б), отражающей расположение осевой линии уточной нити в ткани. Если разложить функцию, заданную графиком, в ряд Фурье, то мы получим плавную кривую, которая наиболее близко будет соответствовать форме осевой линии нити. Поскольку разложение функции в ряд довольно подробно изложено в предыдущем разделе, то при выводе формулы для подсчета высоты изгиба уточной нити, ограничимся укрупненными показателями промежуточных математических преобразований. Используя (2.2) и (2.134), запишем применительно к выбранной системе координат, рис. 2.3 (б) Ряд (2.144) идентичен ряду (2.58) В (2.144) неизвестна величина а2. Чтобы ее найти, воспользуемся принципом возможных (виртуальных) перемещений. Надо вычислить ин 71 теграл (2.59). Предварительно рассмотрим схему нагружения уточной нити, показанной на рис. 2.4, где приняты следующие обозначения: RQ— реакция основной базальтовой нити; Q0— сила действия основной стеклонити на базальтовую нить утка; N0— сила действия базальтовой основной нити на базальтовую нить утка; Му- изгибающий момент; Fy — сила растяжения уточной нити; 10 - расстояние между центрами сечений основных нитей (геометрическая плотность); L0 — длина раппорта переплетения; S - дуговая координата; Sf — координата действия соответствующей силы. Запишем уравнение равновесия нити, находящейся в ткани. Используя (2.60) и обозначения рисунка, а также д — f(x), имеем: 2.5. Математическая модель строения ткани Полученные формулы (2.133) и (2.158) для подсчета соответствующей высоты волны нити не могут быть использованы, так как включают по три неизвестных величины: натяжение нити в ткани F, силы нормального давления нити на нить (Q и N). Чтобы продолжить решение задачи, запишем систему (математическую модель строения ткани), которая позволит исключить неизвестные величины и получить расчетные формулы для нахождения h0, h и, следовательно, определить порядок фазыстроения ткани. Предварительно запишем известное равенство: сумма высоты волн в однослойной ткани равна сумме диаметров нитей основы и утка [62].h0+hy=do+dy. (2.159) Кроме того, из курса теоретической механики известно, что действию равно противодействие [61]. Следовательно, можно записать:
Таким образом, получена формула (2.173) для подсчета высоты изгиба основной нити в ткани, снятой со станка. В данной формуле все показатели известны, а сам расчет величины hQ не вызывает затруднений. Получим формулу для расчета высоты изгиба в ткани уточной нити. Из третьего уравнения системы (2.167) имеем Формула (2.176) идентична (2.173) и позволяет подсчитать высоту изгиба уточной нити в ткани, снятой со станка. Необходимо отметить, что полученные равенства (2.173) и (2.176) аналогичны формулам для подсчета изгиба нитей, приведенных в публикации [62]. Однако в нашем случае рассматриваются основные и уточные нити разных диаметров и разного волокнистого состава. Мы подтвердили высказывания авторов [62], что их расчетные соотношения можно использовать и для нитей, имеющих разные диаметры.
Параметры заправки основы
Рассмотрим влияние отдельных параметров заправки станка на обрывность основы.К изменяемым параметрам следует отнести: высоту и длину зева, величину заступа, положение скала по высоте и глубине станка. Однако на предварительной стадии наблюдения за обрывностью основы выявилось, что положение скала мало оказывает влияния на геометрию зева и сказывается в основном только на натяжение основы. Но известно, что любое изменение геометрии зева сказывается на натяжении основных нитей. Тогда уместно задать вопрос, что же влияет на обрывность основы при изменении геометрии зева - само изменение или то натяжение основы, которое возникло в результате этого изменения. Для ответа на это необходимо провести эксперимент таким образом, чтобы при изменении зева или величины заступа натяжение основы сохранило свое первоначальное значение, что и делалось в дальнейшем за счет регулировки работы подвижной системы скала. При этом положение задней точки зева не изменялось, так как нити основы слегка касались подскалины, а ее смещение относительно уровня грудницы составляло 0 мм.
В связи со сказанным, в качестве управляемых факторов (независимые переменные) примем следующие: Из опыта эксплуатации станков СТБ принимаем уровни и интервалы варьирования факторов приведенные в табл. 3.2.
Эксперимент проводился на ткацких станках СТБ-2-180 вырабатывающих стеклобазальтовую ткань переплетением рогожка 3/3, в условиях ткацкого производства НПО «Конверсипол» (г. Иваново) [64].
Было подсчитано, что для получения достоверных данных в эксперименте должно быть задействовано не менее пяти станков. Для исключения неконтролируемых факторов порядок проведения опытов был ран-домизирован [63]. Эксперимент проводился в течение восьми дней. Каждый день нарабатывали 50 п.м. ткани, по 10 п.м. на станок. Показатели обрывности определяли ежедневно и отдельно для каждого станка. Они приведены в табл. 3.3 под индексами У,, У2, У3, УА, У5. значимости # = 0,05 по приложению 7 [63] найдем табличное значение GT =0,391. Имеем неравенство 0,302 0,391 - условие (ЗЛО) выполняется, следовательно, дисперсии однородны.
Учитывая однородность построчных дисперсий, найдем дисперсию воспроизводимости Значимость коэффициентов регрессии определяют путем сравнения с доверительным интервалом A 6,, который вследствие равенства S% для всех коэффициентов, одинаков для всех bt где / - табличное значение коэффициента Стьюдента. Учитывая число степеней свободы f0 = N(jn -1) = 32 и уровень значимости # = 0,05, значение = 2,042 находим по приложению 3 [63]. Доверительный интервал для оценки коэффициентов регрессии с учетом формулы (3.15) примет вид: Коэффициенты значимы, если выполняется неравенство Анализируя значения коэффициентов и сравнивая их с условием (3.16), отметим, что данному условию удовлетворяют коэффициенты Ь0, Ьх и Ь2. Следовательно, уравнение (3.12) примет вид: Для проверки адекватности уравнения регрессии найдем расчетные значения функций отклика где FT - табличное значение критерия Фишера, то уравнение (3.19) адекватно. Учитывая степени свободы f3H = 8 (5 -1) = 32, fH = 8 - 3 = 5 и уровень значимости q = 0,05 по приложению 4 [63] найдем табличное значение критерия Фишера, FT = 2,53. Имеем неравенство 1,75 2,53, следовательно, условие (3.22) выполняется- и полученное уравнение (3.19) адекватно. Из анализа уравнения (3.19) следует, что: - для снижения обрывности основных нитей необходимо принять значения х{ и х2 максимальными, т.е. увеличить величину заступа до 340 и высоту зева до 80 мм; - значение х3 (длина зева) следует оставить без изменения равным 430 мм, поскольку он не оказывает влияния на обрывность основных нитей (табл. 3.2). В окончательном варианте принимаем: величину заступа - 340 ; высоту зева - 80 мм; длину зева — 430 мм.
Плотность нитей на 10 см ткани
Отбор точечных проб согласно [66] со следующим дополнением: длина точечной пробы должна быть не менее 0,5 м. 4.3.2. Аппаратура и материалы - разрывная машина испытательная РМ-250; - линейка металлическая ГОСТ 427-75 [68]; - ножницы. 4.3.3. Подготовка к испытаниям Перед испытанием точечные пробы выдерживают в климатических условиях по [67] не менее 24 часов. Из каждой точечной пробы отбирают семь элементарных проб в виде полосок: три по основе и четыре по утку. Элементарные пробы предварительно размечают так, чтобы одна проба не являлась продолжением другой. Продольные нити пробы должны быть параллельны соответствующим нитям основы или утка точечной пробы. Первую элементарную пробу в направлении основы размечают на расстоянии не менее 50 мм от кромки точечной пробы. Элементарные пробы в направлении утка размечают на расстоянии не менее 50 мм от края точечной пробы, распределяя их последовательно по длине. 4.3.4. Проведение испытаний Предварительно выбрать по ГОСТ 3813-72 [69] условия испытания. Шкала нагрузок разрывной машины имеет три пояса деления. Пояс шкалы выбирается так, чтобы средняя разрывная нагрузка испытуемого образца находилась в пределах от 20 до 80 % максимального значения шкалы. Скорость опускания нижнего зажима устанавливается такой, чтобы продолжительность растяжения полоски до разрыва находилась в пределах 15-45 с. Груз предварительного натяжения при испытании тканей устанавливается в зависимости от поверхностной плотности ткани в соответствии с табл. 2 [69]. Подготовить три полоски по основе и четыре по утку к испытанию, для чего путем удаления краевых нитей довести их ширину до 50 мм. Зажимная длина полосок — 200 мм. Заправить приготовленную полоску в верхний зажим разрывной машины так, чтобы она занимала среднее положение и ее края касались однозначных делений, нанесенных на щечках обеих тисков, после этого верхний зажим закрыть и произвести заправку полоски в нижний зажим, дать предварительное натяжение и закрыть нижний зажим.
Заправить в барабанчик диаграммного устройства разрывной машины бумагу для записи кривой нагрузка-удлинение в системе прямоугольных координат. Отметить карандашом на бумаге положение начала координат и направление осей нагрузки и удлинения (по длине барабанчика - ось нагрузок, по его периметру - ось удлинения). Проверить перед пуском машины, установлены ли стрелки шкалы нагрузок и удлинения на нуле, освобожден ли верхний зажим. Произвести разрыв трех основных и четырех уточных полосок с записью диаграммы растяжения (одной по основе и одной по утку). Полоски, по которым производились запись диаграмм, срезать и взвесить на аналитических весах с точностью до 0,001 г. Результаты записать в табл. 4.4. За разрывную нагрузку ткани принимают среднее арифметическое значение результатов всех измерений по основе или утку. Вычисление проводят до первого десятичного знака с последующим округлением до целого числа. Результаты испытаний разрывной нагрузки и удлинения полоски ткани приведены в табл. 4.4 и 4.5. Удлинение є элементарной пробы при разрыве по основе или по утку в процентах вычисляют по формуле: где / - удлинение при разрыве, мм. За окончательный результат принимают среднее арифметическое значение всех измерений по основе или по утку. Результаты приведены в табл. 4.6. Точечные пробы тканей отбирают согласно [66]. Элементарные пробы вырезают из точечных проб, избегая мест сгибов. Расстояние от кромки должно быть не менее 5 см. Пробы не должны иметь перекоса и мятых мест. 4.4.2. Аппаратура Для проведения испытания по консольному бесконтактному методу и методу переменной длины применяют: - весы лабораторные общего назначения 2-го класса точности с наибольшим пределом взвешивания 200 г, ГОСТ 24104-2001 [70]; - прибор типа ПТ-2 или ПТ-1; - линейка металлическая [68]; - секундомер; - ножницы. 4.4.3. Подготовка к испытаниям Для испытаний консольным бесконтактным методом и методом переменной длины вырезают по 5 элементарных проб в продольном и поперечном направлениях. Элементарные пробы каждого направления (по 5 проб) взвешивают на весах с погрешностью не более 0,01 г и определяют общую массу проб продольного и поперечного направлений раздельно. Результаты приведены в табл. 4.7. Элементарные пробы тканей перед испытанием должны быть выдержаны в климатических условиях согласно [67] не менее 24 часов. В этих же условиях должно проводиться испытание. Установку и наладку прибора перед испытанием проводят в соответствии с инструкцией.
