Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 7
1.1. Анализ литературных источников 7
1.1.1. Работы по анализу методов проектирования тканей 7
1.1.2. Работы по исследованию свойств и строениятканей 13
1.1.3. Работы, посвященные взаимосвязи между напряжением и деформацией в текстильных материалах 21
1.1.4. Работы, посвященные оптимизации технологического процесса ткачества 26
1.2. Теоретическая и экспериментальная базы исследования 27
1.3. Задачи исследования 29
Выводы по главе 29
Глава 2. Взаимосвязь напряжений и деформаций в текстильных материалах . 30
2.1. Разработка модели взаимосвязи напряжений и деформаций для ткани. 30
2.2. Методы определения параметров уравнения взаимосвязи напряжений и деформаций для тканей при их растяжении 40
2.2.1. Метод определения параметров уравнения состояния по кривым релаксации для двухслойных тканей 40
2.3. Теория одноосного деформирования ткани 64
2.3.1. Структурная модель взаимодействия нитей основы и утка в ткани 64
2.3.2. Определение уравнений равновесия для одноосного деформирования ткани 67
2.3.3. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов 70
Выводы по главе 71
Глава 3. Проектирование хлопчатобумажной двухслойной ткани по заданной поверхностной плотности 72
Выводы по главе 82
Глава 4. Исследование свойств тканей сложных переплетений 84
4.1. Исследование разрывных характеристик тканей сложных переплетений с применением двухфакторного дисперсионного анализа с качественно - количественными уровнями факторов с несколькими наблюдениями 84
4.2. Исследование воздухопроницаемости тканей сложных переплетений с применением двухфакторного дисперсионного анализа с одним наблюдением 101
Выводы по главе 105
Глава 5. Оптимизация технологического процесса ткачества 106
5.1. Выбор критерия оптимизации 106
5.2. Выбор параметров оптимизации 107
5.3. Влияние технологических параметров на параметры оптимизации 108
Выводы по главе 111
Общие выводы по работе 113
Список использованной литературы 116
Приложение 125
- Работы, посвященные взаимосвязи между напряжением и деформацией в текстильных материалах
- Методы определения параметров уравнения взаимосвязи напряжений и деформаций для тканей при их растяжении
- Проектирование хлопчатобумажной двухслойной ткани по заданной поверхностной плотности
- Исследование воздухопроницаемости тканей сложных переплетений с применением двухфакторного дисперсионного анализа с одним наблюдением
Введение к работе
Переход от плановой экономики к рыночным отношениям коренным образом изменил ситуацию в России. Проводимые реформы изменили механизм деятельности многих предприятий, в том числе и текстильных. Условия полной самостоятельности вынудили предприятия отрасли резко изменить характер финансовой политики, структуру производства.
Объемы производства снизились с миллионов до тысяч, а то и сотен метров в год. Данная ситуация объясняется тем, что в условиях нестабильной экономики нашей страны ввоз товаров из-за границы обходится гораздо дешевле, чем производство аналогичных товаров на отечественных предприятиях. В условиях жесткой конкуренции со стороны зарубежных производителей, ткани отечественного производства стали уступать не только в качестве, но и в цене, что привело к застаиванию предприятий, вынужденным остановкам производства. Большинство предприятий оснащено технически устаревшим оборудованием, что не позволяет в значительной степени повысить производительность и расширить ассортимент выпускаемой продукции.
В сложившейся ситуации наиболее жизнеспособными оказались предприятия, которые сумели уменьшить себестоимость продукции, улучшить ассортимент и качество выпускаемых изделий. В связи с этим постановка вопроса о проектировании тканей является актуальной и своевременной темой.
Разработка новых видов тканей и исследование их свойств, проектирование тканей по заданным параметрам, определение оптимальных параметров изготовления тканей — это основное направление расширения ассортимента выпускаемых конкурентноспособных тканей.
Прочностные характеристики ткани при растяжении являются важными показателями, позволяющими судить о поведешіи и долговечности ткани при механическом воздействии в процессе эксплуатации. Согласно техническим условиям, в зависимости от своего назначения, ткань должна обладать определенными прочностными свойствами. Особенно жесткие требования предъявляются к прочностным характеристикам тканей для рабочей одежды. Поэтому, во многих случаях, значения разрывной нагрузки и разрывного удлинения ткани являются одним из критериев оптимизации.
Как правило, в процессе эксплуатации ткань подвергается нагрузкам, лежащим намного ниже, чем разрывные. Поэтому проведение теоретических и экспериментальных исследований прогнозирования деформационных характеристик ткани на базе современных представлений о взаимосвязи напряжений и деформаций в текстильных материалах с учетом протекающих в них реологических процессов позволит предсказать поведение ткани под воздействием эксплуатационных нагрузок.
Таким образом, целью настоящей работы является проектирование двухслойных тканей с заданными механическими и геометрическими характеристиками.
Научная новизна заключается в том, что: разработаны уравнения состояния для ткани . на основе четырехэлементной модели механических свойств для деформации растяжения, учитывающие релаксационные свойства текстильных материалов; предложен метод проектирования хлопчатобумажной двухслойной ткани по заданной поверхностной плотности; определены факторы, в наибольшей степени оказывающие влияние на условия изготовления двухслойной ткани; предложен метод двухфакторного дисперсиошюго анализа для исследования свойств и строения тканей сложных переплетений.
Практическая ценность работы заключается в том, что: спроектированы и изготовлены хлопчатобумажные двухслойные ткани с различным видом переплетения слоев и различной плотность ткани по утку; найдены параметры четырехэлементной модели механических свойств выработанных тканей; - определены оптимальные технологические параметры изготовления данной хлопчатобумажной ткани. Обоснованность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием современных методов и средств исследования, хорошим совпадением расчетных и экспериментальных данных. Автор защищает: метод определения параметров уравнения взаимосвязи между напряжением и деформацией двухслойных тканей , отражающего его релаксационные свойства с помощью четырехэлементной модели; выведенные формулы для расчета разрывного усилия при одноосном растяжении ткани; метод проектирования двухслойной ткани с соединением слоев нитями слоев способом «сверху - вниз» по заданной поверхностной плотности; результаты исследования влияния вида переплетения ткани, плотности ткани по утку на строение и свойства тканей сложных переплетений; оптимальные технологические параметры изготовления хлопчатобумажной двухслойной ткани с соединением слоев способом «сверху — вниз».
Работы, посвященные взаимосвязи между напряжением и деформацией в текстильных материалах
Изучению взаимосвязи между напряжением и деформации уделено большое внимание в работах многих отечественных и зарубежных исследователей. Прежде всего следует отметить исследования проф. В.А.Гордеева [14]. В своей работе В.А. Гордеев рассматривает вопросы динамики работы упругой системы заправки ткацкого станка и механизмов, воздействующих на нее; характеристики упругих свойств текстильных материалов. В качестве простейшей модели нити и ткани он предлагает идеально гибкую нерастяжимую нить (ткань), представляющую собой материальную линию, лишенную поперечных размеров. Такая нить (ткань) имеет нулевую жесткость при деформациях изгиба кручения и бесконечную жесткость при деформациях растяжения. Теория проф. В.А. Гордеева находит широкое применение при исследованиях технологического процесса ткачества, однако она не учитывает ряд реальных факторов ( вязкоупругие свойства текстильных материалов).
Напряжение, вызывающее процесс ползучести, рассматривается как сумма релаксиругощего напряжения возникающего от деформирования на постоянную величину, и напряжения, возникающего от дополнительного деформирования, требующегося для поддержания постоянного суммарного напряжения.
Проф. В.П. Щербаков [81,82] для исследования напряженно-деформированного состояния нитей на трикотажных машинах использует в качестве функции релаксации ядро А.Р. Ржаницина, которое имеет вид: ПО АГ е- (1.44) где А,а,р, -параметры материала. Резольвента этого ядра получена в виде: т=е-± - 0.45) где Г(а)- гамма функция от аргумента а. В.П, Щербаков разрабатывает метод прямого определения реологических параметров нитей и текстильных материалов, основанный на численных методах оптимизации, позволяющий находить параметры функций влияния с большой точностью. Проф. С.Д. Николаев [47, 49, 50] предлагает для определения вязкоупругих параметров нитей при растяжении использовать метод логарифмических совмещений проф. М.А. Колтунова. Им разработан метод определения релаксационных параметров по кривым релаксации образцов. Из эксперимента он получал ряд значений о ] и соответствующее им значения tp Поскольку, по его утверждению т, = ff, - Ее Jr(/, - x)dx (1.46 ) то для получения параметров ядра Ржаницина и модуля Е достаточно иметь четыре точки tj. Интеграл в явном виде не берется. Для упрощения расчетов экспонента ядра (1.46) раскладывается в ряд Маклорена. Далее решается система четырех уравнений с четырьмя неизвестными и определяются параметры Е, А, р, а.
Работа, сделанная В.М. Милашюсом имеет очень большое значение. Он показал отсутствие принципиальной разницы между описанием релаксационных явлений простейшими механико-математическими моделями и моделями сложной теории наследственной вязкоупругости. Исследования Милашюса показали, что с практической точки зрения уравнения теории наследственной вязкоупругости можно привести к простым моделям на основе уравнения Ф. Кольрауша.
Изучению релаксационных процессов посвящены также работы проф. Власова П.В. [78], проф. Кукина Г.Н. и проф. Соловьева А.Н. [50, 51], проф. Ямщикова СВ. [87 -89], Мигушова И.И. [44], проф. Юхина С.С. [85].
Для того, чтобы лучше характеризовать механические свойства текстильных материалов, определяют их характеристики при растяжении. Изучение одноосных и двухосных свойств проводилось во многих странах. Peirce [56] начал исследование одноосных свойств ткани с точки зрения геометрического анализа структуры переплетения. Grosberg и Kedia [15] определяли первоначальные свойства путем рассмотрения стойкости. Изучением двухосных свойств ткани занимались Kawabata [21], Whyte [58] и другие исследователи.
Из отечественных исследователей следует отметить работы Позднякова Б.П. [57], Ломова СВ. [37 - 39], Кукина Г.Н. и Соловьева А.Н. [30, 31], Коблякова А.И. [23].
В настоящее время не создана такая математическая модель текстильной нити, которая учитывала бы все свойства нити, включая нелинейные зависимости напряжения от деформации, от скорости и времени нагружения, в которой универсальными параметрами можно было бы описать все четыре явления: релаксацию, ползучесть, эластическое восстановление и астрингацию, а следовательно и сложные режимы с учетом предыстории нагружения текстильного материала. Оценивая уравнения состояния нитей и характеризующие их математические модели разных научных направлений, трудно сделать однозначный вывод относительно преимуществ тех или иных моделей. Вероятно, необходима постановка вопроса о границах их применимости к описанию различных технологических процессов.
Основоположником учения о нормализации процесса ткачества можно назвать проф. П.В. Власова. В своей работе [7] он подробно остановился на методах оптимизации технологического процесса. Он впервые использовал при нормализации процесса ткачества радиоактивное излучение. Выбор оптимальных технологических параметров заправки ткацкого станка сложная задача, решение которой возможно лишь при условии учета особенностей образования ткани, свойств используемой пряжи, особенностей строения ткани. Для большинства проведенных исследований характерно нахождение оптимальных технологических параметров экспериментальными методами. Основной результат оптимизации - снижение обрывности нитей на станке, создание наиболее благоприятных условий формирования тканей, и как следствие, увеличение производительности оборудования. Из работ по оптимизации следует отметить работы В.П. Склянникова [67], А.В. Васильева [6], Н.А. Власовой [10], Скориковой А.И. [68]. по оптимизации свойств и строения тканей в зависимости от характеристик тканей.
При оптимизации процесса ткачества большинство исследователей определяют физико-механические свойства и строение вырабатываемых тканей, В настоящее время при нахождении оптимальных параметров заправки ткацкого станка используются, как правило, методы планирования эксперимента. К таким работам можно отнести исследования А.В. Матукониса [42], С.С. Юхина [85], С.Д. Николаева [47], Е.В. Евсюковой [18], А.Г. Литовченко [34], Е.А. Шнровой [80] и других исследователей.
В настоящее время практически ни одно исследование по оптимизации технологического процесса ткачества не обходится без современных методов планирования и анализа экспериментальных данных, позволяющих с достаточной степенью точности и минимальными затратами во времени получать обнадеживающие результаты.
Анализ работ по оптимизации показал, что нормализацию процесса ткачества следует проводить с учетом технологии, свойств и строения вырабатываемых тканей. При оптимизации целесообразно использовать современные методы и средства исследования, основанные одновременно на учете многих факторов,
Методы определения параметров уравнения взаимосвязи напряжений и деформаций для тканей при их растяжении
Метод реализуется для режима заданных деформаций. Задается некоторая величина деформации испытываемого образца, которая в процессе эксперимента не изменяется с течением времени. Релаксация усилия в образце текстильного материала характеризуется уменьшением усилия в образце с течением времени.
Предполагается, что достижение усилия, возникающего в момент времени t-О, производится за очень малый промежуток времени, которым пренебрегают в сравнении с временем регистрации релаксирующего усилия. С. Д. Николаев для регистрации кривой релаксации использовал интервалы времени порядка нескольких десятков минут. Для тканей с плотностью по утку до 30 нитей/см элемент основы, сошедший с навоя, приходит к вальяну за время 18-20 минут. За это время все релаксационные процессы, оказывающие влияние на сам процесс формирования ткани на ткацком станке, заканчиваются. Таким образом, время 18-20 минут можно полагать бесконечным для заданной модели. Если учесть, что время нагружения составляет величину порядка 0,01 сек. в сравнении с бесконечным временем в десятки минут, то им действительно можно пренебречь.
Для моделирования свойств реальных продуктов с помощью приведенной четырехэлементной модели необходимо определить значения параметров Еь Е2, г\і, т\2. С этой целью используется методика, разработанная на кафедре МТВМ, суть которой в следующем. На разрывной машине FP- 100 проводились испытания хлопчатобумажной двухслойной ткани в режиме постоянной деформации, при этом записывалась реализация изменения нагрузки в процессе релаксации напряжения. Деформация растяжения задавалась в пределах 40 % от разрывной деформации. Время записи . реализации составляло 5...15 минут. В методике обработки полученных диаграмм релаксации образцов с целью получения параметров механических свойств обязательно определение четырех параметров, а математическая модель представляет собой дифференциальное уравнение второго порядка с производными в правой части. Для решения задачи определения параметров четырехэлементной модели используются методы операционного исчисления. В нашем случае входная функция есть постоянная величина относительной деформации 0, изображение которой равно е&/р. Таким образом, система [ (2.23)...(2.26) ] аппроксимирует изменение механического напряжения во времени для реальной ткани в режиме постоянной деформации, если подобраны соответствующие параметры Е,, Е?, Ц\, ri2. Определение параметров модели целесообразно осуществлять методом наименьших квадратов по выражению: Xho- f min (2.27) где o"g - значения напряжения с диаграммы релаксации, полученной на приборе FP - 100 с учетом площади поперечного сечения образца, вычисляемого расчетным путем.
Чтобы вычислить параметры модели, на кафедре МТВМ составлена программа на языке Бейсик, в которой для минимизации функции цели (2.26) использован комплексный метод Бокса.
Данная методика применяется при определении параметров четырехэлементной модели механических свойств хлопчатобумажной двухслойной тканк. Образцы двухслойной ткани с различными способами соединения слоев, с различной плотностью ткани по утку, с линейной плотностью основных и уточных нитей Т0 = Ту =25x2 текс испытывали на разрывной машине FP-100 при зажимной длине 200 мм в режиме релаксации напряжения,
В таблицах (2.1.- 2.12.) приведены средние значения экспериментальных и теоретических данных релаксации напряжения хлопчатобумажных двухслойных тканей. Таблица 2.1. Теоретические и экспериментальные данные релаксации напряжений вдоль направления основы двухслойной ткани с соединением слоев «сверху-вниз», плотность ткани по утку 18 н/см, деформация єо = 0,05.
Проектирование хлопчатобумажной двухслойной ткани по заданной поверхностной плотности
Целью проектирования тканей является определение основных параметров строения ткани, позволяющих вырабатывать ткани с заданными свойствами. Одним из важнейших параметров строения ткани, необходимых для ее проектирования и расчета сырья, является уработка основных и уточных нитей. На величину уработки существенное влияние оказывают многие факторы, а именно: вид использованного сырья в основных и уточных нитях ткани, плотность ткани по основе и по утку, линейная плотность основных и уточных нитей. Вид использованного переплетения, а также параметры заправки и изготовления ткани на станке.
Для расчета уработки нитей в ткани используем геометрическую модель строения ткани . Сначала определяем уработку первой основы. Длина ткани в пределах раппорта переплетения по первому утку: Геометрическая модель строения двухслойной ткани с соединением слоев способом «сверху — вниз» при переплетении слоев саржа 3/3.
По предложенному методу была спроектирована хлопчатобумажная двухслойная ткань с соединением слоев способом «сверху-вниз» с базовым переплетением слоев саржа 3/3, предназначенная для изготовления рабочей одежды. В результате расчета получены следующие данные: То1=То2-ТУ1=ТУ2=25тексХ2; общая плотность ткани по основе и по утку Р0=282 нитей/дм, Ру=161 нитей/дм; средняя уработка нитей основы ао.ср=6,6%, средняя уработка нитей утка av ср —10,1%; поверхностная плотность ткани М=242 г/м . По полученным данным может производиться технический расчет ткани для изготовления ее на ткацком станке.
Исследование разрывных характеристик тканей сложных переплетений с применением двухфакторного дисперсионного анализа с качественно-количественными уровнями факторов с несколькими наблюдениями.
Во многих областях практической деятельности встречаются объекты исследования, состояние которых определяется входными переменными (факторами), не имеющими количественного описания. Такими факторами могут быть неуправляемые и управляемые переменные, которые по каким-либо причинам не позволяют производить их измерение в данном эксперименте. Поэтому исследование влияния тех или иных факторов на изменчивость средних является задачей дисперсионного анализа.
Двухфакторный дисперсионный анализ применяют когда изучается влияние на процесс одновременно двух факторов. Факторы исследуются на разных уровнях, и при каждом сочетании уровней факторов проводится п параллельных наблюдений.
Чтобы решить, значимо ли влияние данного фактора, необходимо оценить значимость соответствующей выборочной дисперсии в сравнении с дисперсией воспроизводимости, обусловленной случайными факторами. Проверка значимости оценок дисперсий проводится по критерию Фишера.
В ходе проведения эксперимента вырабатывались хлопчатобумажные двухслойные ткани с различным способом соединения слоев: I- двухслойная ткань с переплетением слоев способом " сверху- вниз", II- двухслойная ткань с комбинированным способом переплетения слоев. На разрывной машине были определены разрывные характеристики ткани по направлению основы и по направлению утка.
Исследование воздухопроницаемости тканей сложных переплетений с применением двухфакторного дисперсионного анализа с одним наблюдением
На основании сравнения рассчитанных дисперсионных отношений с табличными можно сделать следующие выводы:
Для полутораслойной хлопчатобумажной ткани: Поскольку рассчитанные дисперсионные отношения больше табличного, факторы X] и Х2 значимы, то есть воздухопроницаемость полутораслойных тканей зависит от плотности ткани по утку и от данного вида переплетения.
Для двухслойной хлопчатобумажной ткани: Рассчитанные дисперсионные отношения меньше табличных, следовательно, факторы X] и Х2 незначимы, то есть воздухопроницаемость двухслойных тканей не зависит от данных видов переплетений и плотности ткани по утку.
1. Только метод дисперсионного анализа позволяет сравнивать выходные параметры при наличии качественных факторов. В данной работе проведен двухфакторный дисперсионный анализ с повторными измерениями и при отсутствии повторных измерений для полутораслойных и двухслойных тканей.
2. Метод двухфакторного дисперсионного анализа с повторными измерениями позволил выявить влияние вида переплетения и плотности ткани по утку на разрывную нагрузку и разрывное удлинение по основе и по утку полутораслойных и двухслойных хлопчатобумажных тканей.
3. Метод двухфакторного дисперсионного анализа при отсутствии повторных измерений выявил влияние вида переплетения и плотности ткани по утку на воздухопроницаемость полутораслойных и двухслойных хлопчатобумажных тканей.
Сущность оптимизации технологического процесса ткачества заключается в определении оптимальных режимов изготовления тканей с заданными параметрами и свойствами. При решении задач оптимизации технологических процессов важное значение имеет правильный выбор критерия и метода оптимизации.
Критерий, или целевая функция оптимизации, с помощью которого мы хотим оптимизировать процесс должен быть « эффективным с точки зрения достижения цели, универсальным, количественным и выражаться одним числом, статистически эффективным, имеющим физический смысл, простым и легко вычисляемым» [64].
Целевая функция (критерий оптимизации) при оптимизации технологического, процесса ткачества определяется по данным эксперимента, проведенного по матрице Бокса (Вз). В качестве варьируемых факторов выбраны: Xi — величина угла заступа; Х2 — положение скала по вертикали относительно уровня грудницы; Х3 — заправочное натяжение нитей основы. При выборе количества технологических критериев оптимизации учитывались условия и потребности в оптимизации тех или иных критериев.
Выбранные факторы отвечают всем требованиям теории математического планирования эксперимента: все комбинации уровней факторов являются осуществимыми, установление любого фактора на разных уровнях возможно независимо от уровней других факторов, факторы могут быть изменены имеющимися средствами и могут изменяться в достаточно широких пределах.
Анализ результатов эксперимента показал, что исследуемые факторы заправки- ткацкого станка оказывают существенное влияние на рассматриваемые свойства ткани. Для решения компромиссной задачи выбраны следующие критерии: разрывная нагрузка ткани по основе, разрывная нагрузка ткани по утку, воздухопроницаемость ткани.
1. По технологическим соображениям, в наибольшей степени влияют на процесс формирования и структуру ткани следующие факторы: X] -величина угла заступа, Х2 — положение скала по вертикали относительно уровня грудницы, Х3 - заправочное натяжение, нитей основы.
2. Для оптимизации технологического процесса ткачества выбраны критерии оптимизации (целевые функции), значения которых определялись по результатам эксперимента, проведенного по плану Бокса, включающего в себя проведение 14 опытов.
3. Определены оптимальные уровни факторов, обеспечивающие оптимальные значения целевой функции (критерия оптимизации) для изготовления исследуемой хлопчатобумажной двухслойной ткани.
4. Определены оптимальные параметры изготовления двухслойной ткани на станке с помощью построения комплексного показателя эффективности.
