Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы 10
1.1 Основные виды и свойства химических комплексных нитей 10
1.2 Основные методы оценки механических свойств химических нитей 15
1.3 Влияние неравномерности и дефектности элементарных нитей на свойства комплексной нити, влияние на переработку 17
1.4 Методы оценки неравномерности и дефектности химических комплексных нитей 20
1.5 Акустические методы при испытании материалов 31
1.6 Метод акустической эмиссии в исследовании свойств химических нитей 34
1.7 Выводы из обзора литературы и задачи исследований 39
Глава 2 Методическая часть 41
2.1 Выбор и характеристика объектов исследования 41
2.2 Методы оценки механических свойств волокон и нитей 43
2.3 Методы оценки неравномерности механических свойств комплексных нитей 44
2.4 Методы обработки результатов испытаний 45
Глава 3. Разработка импульсно-акустического метода оценки свойств элементарных нитей в комплексных химических нитях 48
3.1 Принцип импульсно-акустического метода. 48
3.2 Аппаратура и программное обеспечение 52
3.3 Оценка неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексной нити на основе использования импульсно-акустической спектрограммы 60
3.4 Оценка неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексной нити на основе совмещенной импульсно-акустической спектрограммы и полной и диаграммы растяжения комплексной нити 64
3.5 Выводы по главе 3 69
Глава 4. Определение неравномерности механических свойств комплексных химических нитей с использованием различных методов 70
4.1 Определение неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексных с использованием импульсно-акустического метода и одновременной регистрацией полной диаграммы растяжения комплексной нити 70
4.2 Определение масштабного эффекта разрывных характеристик химических комплексных нитей 81
4.3 Определение неравномерности элементарных нитей в комплексных по данным испытаний элементарных нитей 83
4.4 Определение доли полной работы деформирования до достижения максимальной нагрузки по диаграмме растяжения 84
4.5 Выводы по главе 4 85
Глава 5. Обсуждение результатов и рекомендации по применению импульсно-акустического метода для испытаний химических комплексных нитей 86
5.1 Обсуждение результатов определения неравномерности комплексных нитей различными методами 86
5.2 Рекомендации по использованию разработанного импульсно-акустического метода для определения неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексных химических нитях 98
Выводы 103
Литература 105
Приложение 1. Методика оценки неравномерности механических свойств комплексных химических нитей по импульсно-акустической спектрограмме 117
Приложение 2. Методика оценки неравномерности механических свойств комплексных химических нитей с использованием совмещенной диаграммы "нагрузка-удлинение" и импульсно-акустической спектрограммы 125
Приложение 3. Техническое задание на разработку автоматизированной установки для определения неравномерности механических свойств химических комплексных нитей на основе импульсно-акустического метода 133
Приложение 4. Техническое задание на разработку автоматизированной установки для определения неравномерности механических свойств химических комплексных нитей на основе импульсно-акустического метода и диаграммы растяжения 140
Приложение 5. Заключения и акты об использовании результатов диссертационной работы. 148
- Методы оценки неравномерности и дефектности химических комплексных нитей
- Аппаратура и программное обеспечение
- Определение неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексных с использованием импульсно-акустического метода и одновременной регистрацией полной диаграммы растяжения комплексной нити
- Рекомендации по использованию разработанного импульсно-акустического метода для определения неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексных химических нитях
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема неравномерности и дефектности механических свойств химических нитей имеет важное значение, как для оптимизации технологических процессов их получения, так и для стабильности процессов переработки и применения в текстильных материалах и изделиях с целью выпуска высококачественной продукции. Для всех видов нитей характерно наличие гетерогенности строения и дефектности на различных уровнях (как нити в целом, так и составляющих ее элементарных нитей), которые возникают в процессах получения, последующих обработок, переработки и влияют как на средний уровень показателей механических свойств, так и на их неравномерность.
Следует выделить три основных группы характеристик неравномерности и дефектности нитей:
показатели продольной неравномерности свойств комплексной нити в целом;
показатели неравномерности свойств элементарных нитей в поперечном сечении комплексной нити;
местные (локальные) дефекты, существенно влияющие на процессы последующей переработки нитей.
Традиционные методы испытаний химических нитей (определение линейной плотности, разрывных характеристик и их неравномерности; визуализация внешних дефектов и др.) не дают необходимой информации о различии свойств отдельных элементарных нитей в комплексной нити и наличии внутренних опасных (вызывающих разрушение) дефектов.
В результате исследований на кафедре материаловедения СПГУТД разработаны новые оригинальные методы, позволяющие оценивать неравномерность отдельных элементарных нитей в комплексной нити:
импульсно-акустический метод, основанный на регистрации спектра акустических импульсов, возникающих в процессе деформирования комплексной нити до ее полпого разрушения;
регистрация полной диаграммы растяжения комплексной нити (включая правую часть).
Импульсно-акустический спектр состоит из отдельных импульсов акустической эмиссии, излучаемых элементарными нитями при их разрушении в процессе растяжения комплексной нити. К моменту разрушения в натянутом состоянии каждая элементарная нить обладает запасом энергии деформации. В момент разрыва происходит превращение этой энергии в энергию акустических колебаний. Анализ импульсно-акустической спектрограммы позволяет изучить процесс поочередного разрушения элементарных нитей в комплексной.
Наиболее информативна импульсно-акустическая спектрограмма в сочетании с регистрацией полной диаграммы растяжения комплексной нити до разрыва. Длина и форма правой части диаграммы растяжения после
максимума нагрузки зависят от степени неравномерности свойств или дефектности отдельных элементарных нитей.
Проведенные исследования показали, что имлульсно-акустический метод в сочетании с регистрацией полной диаграммы растяжения в десятки раз менее трудоемок, чем испытания отдельных элементарных нитей, выделенных из комплексной, и позволяет получить новую важную информацию о процессе деформирования и разрушения как отдельных элементарных нитей, так и комплексной нити в целом, а, соответственно, о ее внутренней неравномерности и дефектности, что и определяет актуальность выполненной работы.
Диссертационная работа выполнялась: в соответствии с планом по теме хоздоговорных работ №6/98 "Разработка нового метода испытаний технических нитей. Оценка свойств нитей Армос" и №1/99 "Комплексная оценка свойств волокон "Армос". Техническое содействие развитию производства", выполняемых по заказу ОАО "Тверьхимволокно"; в соответствии с грантом по теме научно-исследовательской работы №А4-0809589 "Создание нового акустического метода для исследования оценки свойств химических волокон, нитей, материалов на их основе", выполняемой по итогам конкурса грантов 1999 г. в системе Государственного комитета РФ по высшему образованию совместно Балтийским государственным техническим университетом "Военмех" и СПГУТД; в соответствии с грантом по теме "Оценка внутренней дефектности и неравномерности комплексных химических нитей на основе импульсно-акустического метода и полных диаграмм деформирования", выполняемой по итогам конкурса персональных грантов для аспирантов, проводимого Администрацией Санкт-Петербурга, Министерством образования РФ и Российской Академией наук в 2000 г.
Цель и задачи исследования. Целью дассертационной работы является изучение разрушения комплексных химических нитей и разработка нового метода оценки неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексной нити ("поперечной" неравномерности комплексной нити) с использованием импульсно-акусгической спектрограммы и диаграммы растяжения.
Для достижения поставленной цели в работе реализуется решение следующих задач: изучение особенностей оценки неравномерности комплексных химических нитей с использованием импульсно-акустического метода; усовершенствование технических приемов получения совмещенной диаграммы растяжения и импульсно-акустической спектрограммы при растяжении до разрушения комплексной пита; разработка количественных критериев и метода оценки неравномерности комплексных нитей по импульсно-акустической спектрограмме и совмещенной диаграмме растяжения; сравнительные исследования по оценке неравномерности и изучению разрушения различных химических комплексных нитей, используя как традиционные, так и нетрадиционные методы; анализ полученных
результатов и на их основании разработка рекомендаций по практическому использованию созданных методов.
Научная новизна. Разработан импульсно-акустический метод оценки неравномерности комплексных химических нитей, позволяющий получить новую информацию, необходимую для оценки неравномерности элементарных нитей в комплексных. Получены совмещенные диаграммы растяжения и импульсно-акустические спектрограммы при растяжении исследованных комплексных химических нитей.
Для оценки неравномерности комплексной нити по импульсно-акустической спектрограмме предложен показатель - вероятностный ресурс удлинения комплексной нити, определяющий величину удлинения комплексной нити с заданной вероятностью разрушения ее элементарных нитей.
Для комплексной оценки неравномерности комплексной нити по совмещенной диаграмме растяжения и импульсно-акустической спектрограмме предложен показатель - вероятностный ресурс работы деформирования комплексной нити, определяющий величину работы деформирования комплексной нити с заданной вероятностью разрушения ее элементарных нитей.
Выявлено соответствие распределения значений удлинения и работы деформирования комплексной нити от начала деформирования до разрушения каждой одиночной элементарной нити при растяжении некрученой комплексной нити нормальному закону распределения для значений удлинения и закону распределения Вейбулла для значений работы деформирования.
Найдены количественные значения разработанных новых показателей оценки неравномерности для различных видов комплексных химических нитей (полиэфирных, вискозных, полипропиленовых, пара-арамидных и Других).
Произведены сравнительные исследования неравномерности химических нитей как известными, так и новыми разработанными методами. Показаны преимущества новых методов и практическое значение предложенных критериев оценки неравномерности комплексных химических нитей.
Практическая значимость работы. Разработаны методики оценки неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексной, использующие импульсно-акусгаческую спектрограмму и диаграмму растяжения комплексной нити.
Разработана функциональная схема измерительно-регистрирующей системы, в которую входит ПЭВМ типа IBM.
Выполнена экспериментальная оценка неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексных химических нитях: полиэфирных, вискозных, произведенных в Могилевском и Светлогорском ПО "Химволокно", ОАО "Тверьхимволокно", а также полипропиленовых, пара-арамидных и других.
Разработаны технические задания для ЗАО "Метротекс" на разработку двух вариантов автоматизированной установки для определения неравномерности механических свойств комплексных химических нитей на основе разработанных методов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:
научно-технической конференции СПГУТД по машинам и аппаратам
текстильной и легкой промышленности. - Санкт-Петербург, 1998;
международной научно-технической конференции "Прогресс-98".- Иваново, 1998; научно-технической конференции "Лен-98".- Кострома, 1998; Fifth International Conference on Frontiers of Polymers and Advanced Materials; международной конференции по химическим волокнам "Химволокна-2000". - Тверь, 2000; International seminar "Cellulosic Man-made Fibers in the Next Millenium". Stenungsund, 2000; на семинарах кафедры материаловедения СПГУТД.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано семь работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 153 страницах, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, содержащего 119 наименований, и 5 приложений.
Методы оценки неравномерности и дефектности химических комплексных нитей
Существующие методы оценки неоднородности строения, внутренних и мелких внешних дефектов волокон и нитей весьма трудоемки и не дают количественной информации о степени влияния каждого из них на механические свойства, их неравномерность, а также на протекание процессов получения и переработки. Исключение составляют только крупные внешние дефекты (пороки) нитей: шишки, крупные посторонние включения, узлы, а также ворс химических нитей (для их фиксирования созданы автоматизированные методы контроля), которые явно влияют на механические свойства нитей и их работоспособность.
"Продольная" неоднородность и наличие опасных дефектов определяют как средний уровень разрывных характеристик, так и их неравномерность. В то же время "поперечная" неравномерность свойств элементарньгх нитей в комплексном нити и волокон в пряже сказываются на среднем уровне свойств, но практически не трансформируются в "продольную" неравномерность свойств. Этому способствует наличие адгезионного взаимодействия между элементарными нитями (силы трения, особенно существенные в крученых нитях, наличие шлихты), вследствие чего происходит перераспределение усилий и нить деформируется практически как одно целое до разрыва.
Большинство предложенных критериев качества и работоспособности базируется на показателях разрывных характеристик нитей /37-71/.
Простейшими качественными характеристиками нитей являются коэффициенты вариации по разрывным характеристикам. Разрывную нагрузку и удлинение при разрыве комплексных нитей определяют по результатам испытаний проб при зажимной длине 500 мм /28/. Стандартная зажимная длина при испытаниях волокон по определению разрывной нагрузки и удлинения при разрыве составляет 10 мм. Применение этой методики для испытаний элементарных нитей с целью оценки свойств комплексной химической нити в целом не дает объективных результатов.
Широко применяется контроль неровноты полупродуктов прядения и пряжи непосредственно на прядильной машине с помощью прибора "Устер". Измерительным органом прибора является емкостный датчик. Изменение линейной плотности продукта, проходящего через датчик, вызывает изменение его емкости. По изменению емкости конденсатора судят об уменьшении или увеличении линейной плотности испытуемого образца. Данный метод сложно применить для контроля качества химических нитей, так как они имеют относительно малую неровноту по линейной плотности. Недостатком емкостного датчика также является зависимость его показаний от влажности образца.
Использование методов определения коэффициентов вариации по разрывным характеристикам не дает надежных результатов при оценке работоспособности нитей, особенно при несимметричных и многомодальных кривых распределения свойств. Коэффициенты вариации по разрывной нагрузке и удлинению при разрыве элементарных нитей, испытанных по методике /27/ не дают объективной информации о неравномерности свойств элементарных нитей, составляющих комплексную, так как элементарные нити для испытаний отбираются из разных участков по длине комплексной нити. Этот метод очень трудоемок, но, главное, он не дает нужной информации по поперечным характеристикам нити вследствие очень малой длины образцов и некорректности выборки.
Суммарную дефектность и неравномерность разрывных характеристик можно оценить по виду левой части гистограммы или диаграммы распределения свойств, поскольку именно слабые участки нитей ответственны за ее разрушение.
Неравномерность механических свойств нитей описываются экспериментальными гистограммами или аппроксимируются функциями распределения, чаще всего нормальными, двух- или трехпараметрическим распределением Вейбулла /37 - 39/. С уменьшением зажимной длины образца наблюдается отклонение от нормальной формы распределения, происходит сдвиг в сторону больших значений разрывных характеристик вследствие уменьшения вероятности попадания слабых или дефектных мест, что выражается на диаграмме распределения правосторонней ассиметрией. В определенных случаях с уменьшением зажимной длины проявляется многомодальность распределения, вызванная часто периодической составляющей неравномерности свойств нитей, например, из-за пульсации подачи прядильного раствора или расплава, биения рабочих органов и других причин /32/.
В работе /44/ дефектность нитей оценивалась по эмпирическому распределению прочности при различных зажимных длинах. Полученная функция распределения прочности имеет несколько мод. Каждая мода интерпретировалась как определенный тип дефекта. Показано, что при уменьшении зажимной длины функция распределения прочности смещается в сторону больших значений, так как снижается вероятность попадания опасных дефектов.
Косвенной оценкой неравномерности свойств могут служить параметры распределения значений прочности элементарных нитей в пучке. В литературе предложены различные модели пучков элементарных нитей, основанных на распределении Вейбулла, взаимодействующих по боковой поверхности /45/, пучка разнодлинных элементарных нитей /46/, сухого пучка одинаковых по сечения и модулю упругости элементарных нитей /47, 48/. Эти модели не подходят к задаче исследования неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексной. Для таких исследований необходимо исключить разнодлинность и взаимодействие элементарных нитей. Кроме того, элементарные нити в пучке неодинаковы по площади поперечного сечения. В результате этого, а также по причине неравномерности механических свойств и наличия дефектов, при растяжении пучка элементарные нити будут испытывать различные напряжения. Эти модели достаточно сложны. А попытки создания упрощенной /49/ приводят ко многим допущениям, не позволяющим достаточно объективно оценивать свойства элементарных нитей и их неравномерность в пучке.
В работе /50/ предложен метод определения коэффициента вариации удельной разрывной нагрузки элементарных нитей терлон в пучке по формуле.
Наряду с указанными показателями, учитывающими только неравномерность разрывных характеристик, предложен ряд комплексных критериев качества, основанных на абсолютных значениях разрывных характеристик.
Для оценки неравномерности нитей, информативным является показатель работы деформирования нити до разрыва. Величина работы, пропорциональная произведению прочности и деформации при растяжении, является более чувствительным показателем изменения свойств, чем каждый из сомножителей /34/. При оценки дефектности на различных зажимных длинах предлагается в качестве критерия неравномерности нитей рассчитывать уменьшение работы деформирования до разрыва реальной (дефектной) нити по отношению к работе разрыва условно равномерной нити, полученной при низкой скорости формования и отрелаксированной /51/.
Очевидно, возможно использование и других критериев работоспособности, основанных на характеристиках разрушения в условиях многократных механических воздействий на нити.
Неравномерность механических свойств обуславливает неодновременность разрушения элементарных нитей в комплексной при ее растяжении, а следовательно, снижает величину разрывной нагрузки последней /46, 52/. В результате диаграмма растяжения комплексной нити образует правую часть, обусловленную неодновременным разрушением компонентов нити.
В работах /33, 34, 52-56/ отражены результаты исследований по изучению неравномерности свойств элементарных нитей. Одной из главных причин неодновременности разрушения элементарных нитей в пучке является неравномерность их значений удлинения при разрыве /57/. Наличие корреляции между разрывной нагрузкой и удлинением при разрыве с одной стороны, и разрывной нагрузкой и толщиной - с другой /55/, показывает, что более неравномерные нити по удлинению являются более неравномерными по прочности и по площади поперечного сечения /35, 45, 53/.
Неодновременность разрушения элементарных нитей в пучке, а следовательно, их неравномерность по механическим свойствам приводит к тому, что средняя прочность комплексной нити при разрыве меньше, чем суммарная разрывная нагрузка составляющих ее элементарных нитей, что характеризуется коэффициентом использования прочности элементарных нитей в комплексной нити.
Аппаратура и программное обеспечение
Для реализации импульсно-акустического метода оценки неравномерности комплексных химических комплексных нитей на кафедре СПГУТД разработана экспериментальная установка, позволяющая проводить испытания, нитей и других текстильных материалов. Установка позволяет осуществить в процессе деформирования и разрушения образца автоматическую регистрацию нагрузки и удлинения, а также регистрацию импульсов акустической эмиссии, соответствующих разрушению отдельных элементарных нитей или их групп.
На рис. 7 показана функциональная схема экспериментальной установки. Испытания проводятся на разрывной машине FPZ-10/1, которая имеет технические данные: испытуемая сила, макс: 10 кН; диапазон измерения силы: 0,0002 - 10 кН; путь траверсы: 10 - 935 мм; - диапазон скорости траверсы: 0,035 - 1000 мм/мин.
Разрывная машина состоит из устройства нагрузки (1) и шкафа управления (на рис. 7 не показан). В устройстве нагрузки находятся зажимные устройства (2), датчики для измерения силы (3) и удлинения образца (4). Механическую энергию для привода траверсы подает приводное устройство из шкафа управления. Приводное устройство обеспечивает широкий диапазон регулирования скорости траверсы и состоит из управляемого тиристорного выпрямителя, двигателя постоянного тока и 4-ступенчатого механизма переключения скоростей.
Измерение нагрузки осуществляется при помощи малоинерционного электронного динамометрического трансформатора по принципу индуктивного измерения пути. Измеряемая величина датчика силы индуцируется на круговой шкале шкафа управления, а также подается в качестве аналогового сигнала "10 В DC" на периферийное устройство.
Измерение удлинения осуществляется за счет датчика сопротивления, который определяет ход траверсы, от 10 до 935 мм. Измеряемая величина датчика хода траверсы индуцируется на цифровом устройстве индикации, а также подается в качестве аналогового сигнала "10 В DC" на периферийное устройство.
На верхний зажим разрывной машины прикреплен датчик импульсов акустической эмиссии оригинальной конструкции (5). Сигнал датчика через амплитудный детектор (6) поступает на быстродействующий самопишущий прибор типаН3030(7).
Коммутирующее устройство (8) под управлением ЭВМ попеременно подключает к устройству АЦП (9) сигналы с датчика силы и с датчика хода траверсы для преобразования их в цифровую форму.
АЦП (9) через преобразовательное устройство (10) сопрягается с ЭВМ (11) типа ШМ 286.
В экспериментальной установке используется датчик преобразования акустических колебаний (механических волн звуковых частот) в электрические колебания [82]. Принцип действия датчика основан на явлении пьезоэффекта -возникновении электрических зарядов при деформации кристаллов, не имеющих центра симметрии. В качестве чувствительного элемента датчика была выбрана пьезокерамическая пластина (ЦТС-19). Выбор пьезокерамики обусловлен ее высокими пьезоэлектрическими свойствами, диэлектрической проницаемостью, что облегчает согласование преобразователя с аппаратурой, а также прочностью, стабильностью свойств, малой гигроскопичностью. Сигнал, преобразованный пьезоэлементом, имеет величину, недостаточную для нормальной работы регистрирующей аппаратуры. Наличие шумов, помех создает дополнительные трудности его регистрации. Поэтому при создании аппаратуры для фиксации импульсов акустической эмиссии одной из главных задач являлось увеличение отношения амплитуды полезного сигнала Uc к уровню собственных шумов усилителя и внешних наводок Um от различных источников Uo/Um /103/. Это достигнуто максимальным приближением усилителя к чувствительному элементу, применением малошумящих активных элементов в схеме усилителя, применением металлического корпуса датчика, экранирующего схему от внешних электромагнитных помех.
Датчик представляет собой заключенные в одном корпусе пьезоэлемент и усилитель (рис. 8) /103/. Металлический корпус служит для обеспечения прочности конструкции, а также для экранирования пьезоэлемента и его выводов от электромагнитных помех. В усилителя применена четырехкаскадная схема усиления (рис. 9). Усилитель обладает высоким входным сопротивлением - 1 МОм, что минимально шунтирует источник электрических сигналов, и низким выходным сопротивлением - 400 Ом, обеспечивающим электрическое согласование дотчика с последующими устройствами. Напряжение питания усилителя - 5 В; потребляемый ток - 3,5 мА; коэффициент усиления - 250.
Пьезоэлемент (1) (пьезоэлектрическая пластина) приклеивается клеем на основе эпоксидной смолы ЭД-5 или ЭД-6 (2) к донышку корпуса (4), с которым образует единую колебательную систему (9). Сверху пьезоэлемента помещается изолирующая картонная прокладка, на нее устанавливается плата усилителя (3). Электрические контакты выполняются пайкой легкоплавкими припоями во избежании поляризации пьезокерамики.
Выбор места установки датчика при съеме акустических сигналов имеет важное значение. Исследования, проведенные в работе [82] показали, что наилучшие результаты - наибольшая амплитуда сигналов были получены при непосредственном контакте датчика с образцом. Однако при таком конструктивном решении расположения датчика наблюдался нестабильный акустический контакт с исследуемым материалом, а также влияние датчика на проведение стандартных испытаний образца, что вносило существенные неточности в получаемые данные.
В связи с этим, датчик установлен непосредственно на зажиме разрывной машины (рис. 6). Степень усиления датчика была выбрана такой, чтобы компенсировать ослабление сигнала акустической эмиссии в результате установки датчика. Такая схема установки датчика позволяет регистрировать импульсы акустической эмиссии при проведении стандартных испытаний образцов.
Порядок работы аппаратуры регистрации импульсов акустической эмиссии следующий. Упругие колебания, возникающие при разрушении элемента образца, возбуждают в пьезоэлементе высокочастотные (сотни кГц) электрические колебания. После усиления напряжения высокой частоты и последующего детектирования на выходе образуется низкочастотный импульс длительностью Ті, описываемый некоторой функцией U(t). Его регистрация осуществляется при помощи быстродействующего самопишущего прибора типа НЗОЗО-1 на бумажной ленте. За счет инерционности механической системы пишущего узла постоянная величина времени его Т2 ті, что позволяет самописцу выполнять роль интегратора.
Таким образом, величина амплитуды сигнала h, записанного на ленте, будет определяться выражением.
Высота импульса на бумажной ленте самописца пропорциональна части энергии, высвободившейся при разрушении компонента нити, закрепленного в верхний зажим, с учетом ее затухания и диссипации на поверхности и внутри элементарной нити (см.п.3.1).
Регистрации нагрузки и деформации при растяжении образца заключается в следующем. Два аналоговых сигнала с датчиков, регистрирующие изменение нагрузки и деформации образца, поступают на коммутатор, который поочередно подключает сигналы датчиков на аналого-цифровой преобразователь, где информация преобразуется в нормальный десятиразрядный двоичный код. Значение нагрузки и соответствующего удлинения образца вводится в ЭВМ за четыре цикла. На первом цикле коммутатор подключает к АЦП датчик удлинения и в ЭВМ вводится первый байт значения удлинения образца. На втором цикле в ЭВМ вводится второй байт удлинения образца. На третьем цикле коммутатор подключает к АЦП датчик нагрузки и в ЭВМ вводится первый байт значения нагрузки. На четвертом цикле в ЭВМ вводится второй байт значения нагрузки на образец. Цикл ввода байта информации осуществляется по стандартному прерыванию таймера ШМ-совместимых компьютеров.
Определение неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексных с использованием импульсно-акустического метода и одновременной регистрацией полной диаграммы растяжения комплексной нити
Испытания комплексных нитей производили на экспериментальной установке в стандартных климатических условиях по методикам, приведенных в Приложениях 1 и 2. В процессе растяжения комплексной нити при разрушении каждой элементарной нити или их группы возникают импульсы акустической эмиссии, которые регистрировались в виде импульсно-акустической спектрограммы. Дополнительно к импульсно-акустической спектрограмме в координатах "амплитуда импульсов-удлинение" с помощью автоматизированной установки регистрировалась полная диаграмма растяжения нити в координатах "нагрузка-удлинение". Совмещение импульсно-акустической спектрограммы и диаграммы растяжения осуществляли по методике, Приложение 2. По совмещенным импульсно-акустической спектрограмме и диаграмме растяжения определяли удлинение и работу деформирования комплексной нити при разрушении каждой элементарной нити.
Для каждого объекта исследования было проводили серию из 10 испытаний. На рис. 13-15 представлены типичные совмещенные диаграммы растяжения и импульсно-акустические спектрограммы исследованных образцов комплексных нитей.
Данные серии испытаний объединяли в одну выборку. Для полученных экспериментальных распределений значений удлинения и работы деформирования комплексной нити при разрушении каждой элементарной нити рассматривали их соответствие трем теоретическим законам распределения: нормальному, нормально логарифмическому и распределению Вейбулла. Для количественной оценки степени совпадения эмпирического и теоретического распределений использовался критерий х2.
На рис. 16 - 19 представлены гистограммы, а в табл. 7 - результаты определения параметров законов распределений удлинения и работы деформирования исследованных комплексных нитей при разрушении их элементарных нитей.
Из анализа гистограмм на рис. 16-19 видно, что распределение значений удлинения полиэфирных, вискозных и полипропиленовой комплексных нитей от начала деформирования до разрушения каждой элементарной нити имеет симметричный вид нормального закона распределения, что подтверждается его оценкой соответствия теоретическому нормальному закону в табл. 7 по критерию % . Распределение значений работы деформирования указанных комплексных нитей от начала деформирования до разрушения каждой элементарной нити имеет правостороннее смещение и наиболее близко по критерию % (табл. 7) соответствует закону распределения Вейбулла.
По найденным параметром законов распределения удлинения и работы деформирования исследованных комплексных нитей по разработанным методикам в Приложениях 1 и 2 определялся абсолютный и относительный вероятностный ресурс удлинения и работы деформирования исследованных нитей. В табл. 8 представлены результаты определения показателей неравномерности механических свойств химических комплексных нитей.
Испытания комплексных нитей с большим количеством элементарных нитей не позволяют зарегистрировать акустические импульсы от разрушения всех элементарных нитей. При растяжении таких комплексных нитей возникает большая вероятность группового разрушения элементарный нитей, что усложняет их регистрацию акустическим датчиком. Быстро следующие разрушения отдельных элементарных нитей воспринимаются аппаратурой регистрации как один акустический импульс. Импульсы акустической эмиссии от разрушения отдельных элементарных нитей и от их группового разрушения имеют большой разброс амплитуды. Это приводит к утрате информации о моментах разрушения всех отдельных элементарньгх нитей при растяжении комплексной. Поэтому гистограммы распределения значений удлинения и работы деформирования комплексных нитей с большим количеством элементарных нитей имеют смещение и в ряде случаев не соответствуют выбранному теоретическому закону распределения (см. рис. 19, табл. 7).
Для комплексных химических нитей с большим количеством элементарных нитей рассчитаны значения вероятностного удлинения и вероятностной работы деформирования комплексной нити по разработанным методикам. Для таких комплексных нитей значение вероятностного ресурса удлинения/работы деформирования комплексной нити соответствуют удлинению/работе деформирования комплексной нити от начала деформации до вероятного начала разрушения отдельного элемента структуры комплексной нити, который может представлять собой как отдельную элементарную нить, так и группу одновременно разрушившихся нескольких элементарных нитей.
Рекомендации по использованию разработанного импульсно-акустического метода для определения неравномерности механических свойств элементарных нитей в комплексных химических нитях
На основе выводов, изложенных в п.5.1, следуют рекомендации для практического использования разработанных методов.
Разработанные в диссертационной работе методы могут быть использованы предприятиями и организациями для осуществления контроля за качеством и оптимизацией технологических процессов производства химических нитей. Предложенные критерии оценки качества химических комплексных нитей имеют большое практической значение.
Вероятностный ресурс удлинения определяет удлинение комплексной нити, при котором с заданной вероятностью можно ожидать разрушения ее элементарных нитей. Данный показатель можно использовать, например, для задания безопасной вытяжки комплексной нити на прядильной машине.
Вероятностный ресурс работы деформирования определяет энергетическую характеристику осевого растяжения комплексной нити, при котором разрушение ее элементарных нитей произойдет с заданной вероятностью. Данный показатель можно также использовать при наладке и оптимизации технологических режимов производства как самих химических нити, так и изготавливаемых из них материалов.
Разработанные показатели могут быть рассчитаны для любого значения вероятности разрушения элементарных нитей в комплексной.
Разработанные методы могут быть применимы для широкого ряда химических комплексных нитей: полиэфирных, вискозных, полипропиленовых, пара-арамидных и других и не зависят от вида диаграммы растяжения комплексной нити. Возможно исследование комплексных нитей с помощью разработанных методов при различных зажимных длинах и крутке образцов. Обязательным условием является регистрация не менее 95% возможных импульсов от разрушения элементарных нитей в комплексной.
Разработанные методы могут применяться для оценки неравномерности механических свойств нити как совместно, так и по отдельности.
Метод оценки вероятностного ресурса удлинения комплексной нити не требует регистрации диаграммы растяжения и может осуществляться практически на всех стандартных разрывных машинах, путем их незначительной модернизации (установки аппаратуры регистрации импульсно-акустической спектрограммы). В Приложении 3 разработано техническое задание для модернизации стандартных разрывных машин для возможности использования импульсно-акустического метода.
Сопоставление исследованных методов показывает, что разработанные в диссертационной работе методы по трудоемкости меньше испытаний отдельных элементарных нитей примерно в 50 раз, как за счет подготовки проб, так и меньшего числа самих испытаний.
На практическое использование разработанных методов накладывают ограничение технические возможности аппаратуры регистрации моментов разрушения компонентов комплексной нити. Основная проблема - большой разброс значений амплитуды импульсов акустической эмиссии, при разрушении отдельных элементарных нитей или их групп. Поэтому при испытании комплексных нитей с большом количеством элементарных нитей (кевлар, тварон) чувствительность датчика акустических импульсов ввиду избежания поломки пера самописца была настроена на регистрацию максимальных амплитуд импульсов. При этом была утеряна информация при разрушении отдельных элементарных волокон, т.к. ввиду малой амплитуды импульсов их не зарегистрировал датчик.
Перспективой модернизации аппаратуры регистрации моментов разрушения элементарных нитей в комплексной является регистрация сигнала акустического датчика с помощью высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) под управлением ПЭВМ. При этом будет возможна более точная регистрация быстро следующих друг за другом разрушений элементарных нитей при разрушении комплексных нитей с большим количеством элементарных, которые воспринимаются самописцем как один импульс.
Разработанные методы могут быть также использованы для оценки качества трикотажа. При растяжении трикотажа в продольном направлении акустические импульсы на спектрограмме соответствуют моменту разрушения нити в петельном столбике или их группе. Импульсно-акустическую спектрограмму можно интерпретировать как модель разрушения элементов структуры трикотажа. Рассчитанные по разработанным методикам вероятностные ресурс удлинения и работы деформирования для трикотажа соответствуют значению удлинения и работы деформирования образца до достижения вероятного начала разрушения его структуры, и найденные показатели можно использовать для сравнительной оценки его качества в пределах одной партии.
Были произведены пробные исследования трикотажных объектов в виде полосок с цельновязаными кромками во избежания роспуска образца с краев при растяжении. Полоски, переплетения ластик, получены на плоской вязальной машине 20-го класса типа ПВК. Характеристика трикотажных объектов представлена в табл. 16. В табл. 17 представлены результаты определения вероятностного ресурса удлинения и работы деформирования трикотажных объектов.
На рис 21 представлены совмещенные диаграммы растяжения импульсно-акустические спектрограммы трикотажных образцов на зажимной длине 100 мм.
Для полосок трикотажа импульс акустической эмиссии соответствовал разрушению нити в отдельном петельном столбике.
Таким образом, исследование неравномерности механических свойств текстильных материалов с помощью импульсно - акустического метода, особенно в сочетании с анализом полной диаграммы растяжения, позволяет получать новую важную информацию о внутренней дефектности и неравномерности структурных элементов текстильного материала, о механизме их разрушения, а также имеет большое практическое значение для их производства и эксплуатации.
Похожие диссертации на Разработка импульсно-акустического метода оценки неравномерности механических свойств комплексных химических нитей
