Содержание к диссертации
Введение
1 . Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 8
1.1.Модели длины нити в петле 8
1.2.Оценка деформационных и фрикционных свойств нитей 22
1.2.1. Деформация растяжения нити 22
1.2.2. Деформация изгиба нити 24
Ї.2.З. Фрикционные свойства нити 30
Выводы по разделу и постановка задач исследования 33
2. Сравнителшый анализ методов определения длины нити в петле 35
2.1.Методика проведения анализа 35
2.2.Расчет и анализ параметров структуры трикотажа 36
2.2.1 . Геометрические модели длины нити в петле 36
2.2.2,Модели, описывающие упругую осевую линию нити в петле 40
2.2.3.Математическая модель изогнутой нити в петле 44
Выводы 46
З. Исследование деформационных и фрикционных характеристик пряжи 47
3.1.Деформация растяжения пряжи 47
3.1.1.Оценка упругих и пластических свойств пряжи при растяжении..47
3.1.2. Деформация пряжи после вязания 49
3.2.Деформация изгиба пряжи 57
3.2.1.Методика исследования 57
3.2.2.0ценка упруго-пластических свойств пряжи при изгибе 60
З.З.Методика определения жесткости нити на изгиб 73
3.3.1.Теоретическое обоснование 73
3.3.2. Описание экспериментального стенда 78
3.3,2.1.Деформация нити в статических условиях нагружения...78
3.3.2.2.Деформация нити в динамических условиях нагружения.84
3.3.3. Анализ результатов исследования 88
Выводы 99
4. Взаимосвязь физико-механических свойств пряжис параметрами структуры трикотажа 101
Выводы 117
Общие выводы 119
Литература 122
Приложения
- Деформация изгиба нити
- Геометрические модели длины нити в петле
- Деформация пряжи после вязания
- Описание экспериментального стенда
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в отечественной трикотажной промышленности сложилась достаточно сложная ситуация, связанная со снижением спроса на российские товары. Низкая конкурентоспособность значительной части выпускаемой продукции настоятельно требует обновления ассортимента, повышения качества трикотажа и снижения его себестоимости. Решение этих задач возможно при создании гибких производств, базирующихся на современных информационных технологиях, т.е. разработке адекватных моделей процесса вязания, основанных на объективной оценке свойств нити и на современных представлениях о взаимосвязи свойств нити, параметров режима вязания и параметров структуры трикотажа.
На текстильном оборудовании пряжа получает комплекс нагрузок и деформаций от растягивающих, изгибающих и истирающих воздействий, причем диапазон получаемых усилий и удлинений весьма широк. Существующие методы определения физико-механических характеристик пряжи не всегда позволяют получить комплексную характеристику для прогнозирования поведения нити в различных условиях ее переработки. В связи с этим, тема, направленная на разработку методов определения характеристик пряжи при комплексном воздействии растяжения, изгиба и трения, что имеет место при формировании трикотажа, является актуальной.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научного направления Костромского государственного технологического университета "Создание новых ресурсосберегающих, экологически чистых технологий производства текстильных изделий с применением методов автоматизированного проектирования" по теме № 4.3-БФ-02 "Создание системы автоматизированного проектирования трикотажа сложных комбинированных переплетений1'.
Целью работы является создание новых методов оценки деформационных и фрикционных свойств текстильных нитей для повышения точности прогнозирования технологических параметров структуры трикотажа.
5 Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
оценка работоспособности моделей, описывающих длину нити в петле;
определение составляющих деформации растяжения нити, получаемой в процессе вязания;
исследование упруго-пластических свойств нити при изгибе и растяжении;
разработка экспериментально-аналитического метода определения жесткости нити на изгиб;
оценка фрикционных и деформационных свойств нитей различного волокнистого состава и разной линейной плотности;
определение взаимосвязи физико-механических свойств нитей и параметров структуры трикотажа.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
предложен экспериментально-аналитический метод определения параметров трения и жесткости нити при изгибе, позволяющий получить характеристики нити для широкого диапазона усилий и деформаций, имеющих место при формировании трикотажа;
разработана методика исследования релаксационных процессов, протекающих в пряже после вязания, и определены составляющие деформации растяжения нити, получаемой в процессе вязания;
разработана методика оценки упруго-пластических свойств нити при статическом нагружении, позволяющая определить долю необратимой составляющей деформации изгиба;
предложены эмпирические уравнения для проектирования параметров структуры трикотажа с учетом предложенных в работе характеристик нитей;
установлен характер влияния физико-механических параметров пряжи на конфигурацию петельной структуры трикотажа.
Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
разработаны устройства для определения параметров трения и коэффициента жесткости нити при изгибе в статических и динамических условиях;
сформирована база данных по физико-механическим характеристикам нитей различного волокнистого состава;
повышена точность определения характеристик нити за счет использования компьютерных технологий.
Новизна предлагаемых решений подтверждена авторским свидетельством на полезную модель и патентом на способ. Способ определения фрикционных и деформационных характеристик пряжи принят к использованию в НИИТТ (г. Ярославль).
Разработанные методики определения упруго-пластических свойств нити, получаемых в процессе вязания, фрикционных и деформационных характеристик нити, а также экспериментальная установка используются при проведении лабораторных работ по дисциплинам "Механика текстильных материалов", "Методы и средства исследований технологических процессов".
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы были доложены и получили положительную оценку на:
межвузовских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов (г. Кострома) в 2000 - 2003 годах;
межвузовской научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности. Поиск — 2001» (г. Иваново);
международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности. Прогресс - 2002» (г. Иваново);
международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях. Лен - 2002» (г. Кострома);
7 - общероссийском научном семинаре «Технология текстильных материалов» (г. Кострома) в 2002 г.
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе, свидетельство на полезную модель и патент на способ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 126 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, содержащего 55 наименований, и приложений. Работа содержит 53 рисунка и 41 таблицу.
Деформация изгиба нити
В трикотажном производстве процесс петлеобразования связан с изгибом нити на игольно-платинных деталях, диаметр которых соизмерим с толщиной нити. Поэтому при изучении поведения нити важно правильно оценить ее способность сопротивляться изгибу. Основной характеристикой нити, отражающей ее изгибные свойства, является коэффициент жесткости (жесткость) при изгибе. Сложность определения этого параметра заключается в том, что его нельзя измерить непосредственно, поэтому в рекомендуемых (ГОСТ 10550-93) для экспериментального определения жесткости нити при изгибе консольном методе (нить изгибается под действием собственной силы тяжести без принудительной деформации образца) и методе кольца (нить изгибается под действием сосредоточенной нагрузки с принудительной деформацией образца) измеряются другие характеристики, а сама жесткость рассчитывается с помощью эмпирических уравнений.
Жесткость нити при изгибе Я является физической характеристикой сопротивления материала изменению формы: H = dM-dk, (1.30) где М - изгибающий момент, действующий на элемент нити; к - кривизна средней линии нити.
При упругом линейном изгибе жесткость представляет собой коэффициент пропорциональности между изгибающим моментом Ми кривизной средней линии нити къ при этом Н(к) = const. Для сплошного упругого стержня жесткость при изгибе Н выражается произведением модуля продольной упругости Е на осевой момент инерции I сечения стержня: Н = Е1. (1.31) Однако, использовать это соотношение для расчета жесткости пряжи не рекомендуется, если не доказано, что нить работает как упругое тело.
Для оценки жесткости при изгибе мононитей и элементарных волокон соотношение (1.31) СВ. Ломов предлагает использовать в виде [28]: н = - - с-32) где Г- линейная плотность мононити или волокна; ф - фактор формы, пропорциональный моменту инерции сечения нити (для круга ф= 1, для квадрата ф& 1,7); у- плотность материала мононити или волокна; Ен — некоторый "эффективный" модуль растяжения при изгибе, отнесенный к линейной плотности Т. Для металлической проволоки ЕН=Е, для различных текстильных волокон предлагается (элементарные волокна хлопка и шерсти, синтетические волокна) EH-(0t8...2)Ef для синтетических мононитей - Ен= (1,0...1,3) - Это различие Ен и Е вызвано неоднородностью свойств волокна по его толщине, так как при изгибе основной вклад в сопротивление вносят наружные слои волокна, а при растяжении - все слои. Из соотношения (1.32) видно, что жесткость при изгибе элементарных волокон и мононитей пропорциональна Т2 или d4, т.е. очень быстро растет с увеличением диаметра. При рассмотрении изгиба нити, состоящей из большого числа элементарных нитей и волокон автор различает два крайних случая. В первом случае элементы нити деформируются неравномерно друг от друга и суммарное сопротивление изгибу равно сумме сопротивлений: НІ=п-н0, (1.33) где Но — жесткость при изгибе одного элементарного волокна; п — число элементарных волокон.
Во втором случае элементы нити представляют из себя как бы одно целое. Тогда комплексная нить линейной плотности Т имеет жесткость при изгибе: 47= -«2-Я0. (1.34)
Здесь соотношение факторов формы для составного сечения фу и круглого сечения ф0 находится в пределах 0,6...0,9. Рассматривая эти две модели автор пришел к выводу о совершенно различном характере зависимости Н(п): в первом случае жесткость при изгибе Н пропорциональна «, во втором — п . В действительности для комплексных химических нитей малой крутки ситуация близка к первой модели, и соответствующая формула (1.33) имеет практическое значение, так как для комплексной нити из технических условий обычно известно и число элементарных волокон и, и их параметры для вычисления Н0 (линейная плотность, объемная плотность, форма сечения и модуль растяжения).
Таким образом, по приведенным формулам (1.32), (1.33) можно рассчитать жесткость при изгибе только мононитей, элементарных волокон и комплексных химических нитей. Решая вопрос о жесткости пряжи при изгибе, в [28] рассматривают первый случай изгиба волокон в пряже независимо друг от друга. Используя формулу (1.33) количество п элементарных волокон с диаметром d и плотностью р определяют как:
Чтобы приблизить модель (1.35) к реальной картине изгиба элементарных волокон в пряже вводят корректировочные коэффициенты [28]: коэффициент вариации волокон С] (находится в пределах 1,28.,.1,38 для волокон с диаметром 19...32 мкм); коэффициент влияния крутки Сг (составляет 0,95...0,75 при угле крутки 15...35), коэффициент поправки на эллипсоидность формы сечения волокна Сз (для шерстяных волокон равен 0,96) и коэффициент учитывающий длину волокна, принимающую участие в изгибе С4 (для шерсти равен 0,98). Поскольку, как указывает автор, формулой (1.35) и корректирующими коэффициентами не учитываются условия контакта элементарных волокон в пряже, результаты вычислений могут служить лишь ориентировочной оценкой жесткости пряжи при изгибе и только однониточной пряжи. Для крученой пряжи значение жесткости при изгибе, рассчитанное по (1.35), может отличаться от экспериментального в 2,5 раза.
Для экспериментального определения жесткости нити при изгибе широко используется тензометрический прибор ИЖ-3 конструкции В.М. Лазаренко, работающий по принципу изгиба консольно закрепленного образца и регистрации возникающего усилия на ленте светолучевого осциллографа [29, 30]. В основу метода положено соблюдение условий чистого изгиба, т.е. отсутствие изменения поперечного сечения нити и расположение главной центральной оси инер ции поперечного сечения в плоскости действия изгибающих моментов. В действительности, при переработке текстильной нити изгиб сопровождается трением и растяжением, в следствие чего изменяется поперечное сечение нити.
Геометрические модели длины нити в петле
Для расчета длины нити в петле по моделям Г. Лифа — А. Глазкина и В. Корлинского по изображениям структуры трикотажа дополнительно определялись (табл.2.4): R - радиус окружностей, составляющих петлю глади; ф - угол поворота радиуса R; а - угол между горизонталью и отрезком, соединяющим центры окружностей игольных и платинных дуг петли и проходящим через точку сопряжения этих окружностей. В табл.2.5 представлены значения длины нити в петле, рассчитанные по моделям геометрического подобия структуры трикотажа и отклонения 6 расчетной длины нити в петле от экспериментальной. ставляет 12,2 %. Практически во всех случаях с увеличением линейной плотности пряжи отклонения уменьшаются.
Все рассчитанные значения длины нити в петле оказались завышенными по сравнению с экспериментальными. В то же время, по данным В.П.Щербакова сравнительный анализ для пяти образцов показал занижение вычисленных по геометрической модели значений длины нити в петле [49, с.73]. К сожалению, о достоверности результатов судить сложно, поскольку отсутствуют данные о методике эксперимента (количество опытов, дисперсия измерений).
Отклонения расчетных значений длины нити в петле от экспериментальных по уточненной (1.3) модели А.С.Далидовича больше, чем при расчете по упрощенной (1.2), хотя уточненная модель более приближена к реальной структуре трикотажа за счет учета наклона петельных палочек к горизонтали.
В моделях геометрического подобия петельной структуры в качестве параметра используется диаметр нити:
Средняя толщина нити, рассчитанная по (2.1), отличается от фактической, которая определена по сканированным изображениям образцов трикотажа (рис.2.1) с помощью специальной программы, разработанной на кафедре МТВМ КГТУ. На изображении в ручном режиме ставили точки в широком и узком участках нити на десяти петлях (рис.2.2). На панели в режиме расчета приводится толщина нити. В табл.2.6. представлен сравнительный анализ фактического и рассчитанного по (2.1) значений толщины нити. Как видно, фактические значения превышают рассчитанные более, чем на 30 %.
Деформация пряжи после вязания
В процессе петлеобразования пряжа подвергается одновременному воздействию изгибающих и растягивающих деформаций и нагрузок, после снятия которых появляется некоторая остаточная деформация. Качественный и количественный состав этой деформации зависит от режимов нагружения пряжи. Данный раздел посвящен изучению релаксационных процессов, протекающих в льняной и хлопчатобумажной пряжах после вязания.
В [50] рассмотрено влияние режимов заправки вязальной машины на деформационные свойства пряжи различного волокнистого состава. Было установлено, что при максимальных параметрах настройки нитенатяжителя и компенсатора происходит наибольшее удлинение пряжи. При любых режимах настройки нитенатяжителя и компенсатора пряжа восстанавливает свою длину в свободном состоянии и в трикотаже.
Льняная пряжа линейной плотности 30x2 текс, 60 текс, 85 текс и хлопчатобумажная 25x3 текс и 72 текс перерабатывалась на плосковязалыюй машине 8 класса. Разные режимы нагружения устанавливались путем изменения заправочных параметров (табл.3.3) и скорости движения нити, которая условно задавалась переплетением трикотажа - гладь, полуфанг и ластик (табл.3.4). Глубина кулирования при вязании всех переплетений устанавливалась одинаковая.
Перед вязанием на пряжу наносились метки с постоянным шагом, а после вязания замерялись расстояния между ними через заданные интервалы времени. Релаксационные процессы в пряже протекали в разных условиях: 1)часть образца распускалась и пряжа восстанавливала свою длину в свободном состоянии; 2)нити другой части образца распускались непосредственно перед измерением, т.е. восстанавливали длину, находясь в трикотаже.
Как показали исследования, остаточная (обратимая) деформация исследуемых пряж (табл.3.5), полученная на момент снятия трикотажа с машины, зависит от линейной плотности, условий настройки натяжителя и компенсатора, и скорости движения нити. Причем с их увеличением деформация пряжи увеличивается. Для переплетения полуфанг выделена остаточная деформация для ряда ластика и ряда петель и набросков. Получение набросков осуществлялось с помощью неполного кулирования. Скорость движения нити при вязании ряда петель и набросков несколько выше, чем скорость при вязании глади, поскольку нить дополнительно расходуется на пересечение ею зева между игольницами и для небольшого изгибания во время формирования наброска. Уровень остаточной деформации исследуемых пряж при одинаковых заправочных параметрах машины так же определяется скоростью движения нити. При увеличении средней скорости движения нити в два раза остаточная деформация возрастает в среднем в 2 раза для обеих пряж при минимальном нагружении (I режим) и в 1,8 раза при максимальной нагрузке (II режим).
Остаточная деформация одиночной льняной пряжи 60 Текс больше остаточной деформации льняной пряжи ЗО Текс в два сложения, поскольку суммарная жесткость последней больше жесткости на растяжение пряжи 60 текс (табл.3.6).
Результаты исследования показали, что остаточная деформация пряж, полученная на момент снятия трикотажа с машины, полностью исчезает, т.е. является обратимой и может быть отнесена к эластической составляющей общей деформации. Пряжа, находящаяся после вязания в свободном состоянии, быстрее восстанавливает свою длину, чем пряжа в трикотаже (рис.3.3).
Время восстановления зависит от величины остаточной деформации и составляет для льняной пряжи от 7 часов (пряжа 30 текс в два сложения) до 15 часов (пряжа 85 текс), для хлопчатобумажной от 11 часов (пряжа 25 в три сложения) до 18 часов (пряжа 72 текс) для пряжи в трикотаже (табл.3.6). Скорость исчезновения эластической составляющей деформации представлена в табл. 3,7.
Скорость восстановления пряжи в свободном состоянии в 1,35 раза выше, чем скорость восстановления пряжи в трикотаже переплетения гладь. Такое соотношение скоростей сохраняется независимо от параметров настройки и линейной плотности пряжи. Для трикотажа переплетением ластик соотношение скоростей восстановления пряжи в свободном и в связанном состояниях
Как видно из табл.3.5 и 3.6, при одинаковой величине эластической составляющей деформации пряжи скорость ее восстановления зависит от предварительных условий нагружения. Увеличение нагрузки и скорости движения ни
Описание экспериментального стенда
На основе разработанной теории [12] и способа [52] определения жесткости нити при изгибе предложена следующая конструкция [53] экспериментального стенда для изучения деформации изгиба нити в статических условиях нагружен ия.
На основании установлен узел нагружения, в конструкцию которого входит шаговый двигатель 1 (рис.3.20), выходной рычаг которого сообщает возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости каретке 2. Тензо-балочка 3 имеет свободное движение в горизонтальной плоскости относительно оси 4 каретки 2. К концу тензобалочки 3 крепится зажим 5 для нити. На вертикально расположенной опоре установлены цилиндр известного радиуса 6 и фотодатчик 7, включающий в себя фотоприемник и светоизлучатель. Напротив цилиндра устанавлена видеокамера 8.
Устройство работает следующим образом. Ветвь 9 нити (рис.3.20), огибающая цилиндрическую направляющую 6, заправляется в зажим 5, расположенный на подвижной тензобалочке 3, которая воспринимает изменение натяжения нити с высокой точностью. Тензобалочка 3 имеет свободное движение в горизонтальной плоскости относительно оси 4 каретки 2. Ветвь 10 нагружается постоянным начальным весом. К этой ветви крепится флажок 11, заправленный в фотодатчик 7. По сигналу специальной программы включается шаговый двигатель 1 и каретка 2 равномерно перемещается вниз.
Узел нагружения НУ (рис.3.21) вызывает натяжение в ветвях нити, которое записывается с помощью усилителя У и аналого-цифрового преобразователя АЦП на жесткий носитель. С помощью специального программного обеспечения по сигналу фотодатчика фиксируется подвижка нити и подается команда на запись натяжения G2 в ветви 10 нити (рис.3.20) и изображения положения нити на цилиндре. По полученным изображениям замеряется действительный радиус г нити и определяется фактический угол охвата нитью цилиндра а.
