Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы проектирования текстильных материалов 9
1.1. Анализ методов проектирования пряжи 9
1.2. Анализ методов проектирования ткани 29
1.3. Анализ методов проектирования воздухопроницаемости текстильных материалов 40
1.4. Анализ методов проектирования износостойкости текстильных материалов 50
1.5. Выводы по главе 62
Глава 2. Прогнозирование механических свойств пряжи 64
2.1. Введение в теорию подобия 66
2.2. Проектирование разрывной нагрузки однородной пряжи 80
2.2.1. Хлопчатобумажная пряжа кольцевого способа прядения... 80
2.2.2. Хлопчатобумажная пряжа пневмомеханического способа прядения 87
2.2.3. Однородная пряжа из различных химических волокон 91
2.3. Проектирование разрывной нагрузки смешанной пряжи 97
2.4. Оценка степени использования прочности волокон в пряже... 103
2.5. Выводы по главе 116
Глава 3. Применение теории интерполирования для определения функциональных зависимостей свойств текстильных материалов .. 121
3.1. Введение в теорию интерполяции аналитических функций... 122
3.2. Применение теории интерполирования для определения разрывной нагрузки смешанной пряжи 136
3.3. Выводы по главе 152
Глава 4. Прогнозирование механических свойств тканей 154
4.1. Зависимость разрывной нагрузки хлопчатобумажной ткани от параметров ее структуры 155
4.2. Зависимость поверхностной плотности хлопчатобумажной ткани от параметров ее структуры 166
4.3. Зависимость относительного разрывного удлинения хлопчатобумажной ткани от параметров ее структуры 171
4.4. Выводы по главе 180
Глава 5. Прогнозирование воздухопроницаемости текстильных материалов 183
5.1. Зависимость воздухопроницаемости тканей от параметров структуры 183
5.2. Зависимость воздухопроницаемости тканей полотняного переплетения, выработанных из мононитей, от параметров строения 190
5.3. Зависимость воздухопроницаемости тканей различного переплетения от параметров строения 196
5.4. Зависимость воздухопроницаемости хлопчатобумажных тканей от параметров их строения 201
5.5. Выводы по главе 210
Глава 6. Прогнозирование износостойкости текстильных материалов 213
6.1. Прогнозирование износостойкости пряжи 213
6.3. Прогнозирование износостойкости химических нитей 228
6.4. Прогнозирование износостойкости тканей. 233
6.5. Выводы по главе 241
Общие выводы и рекомендации по работе 245
Литература 248
Приложения 268
- Анализ методов проектирования воздухопроницаемости текстильных материалов
- Проектирование разрывной нагрузки однородной пряжи
- Применение теории интерполирования для определения разрывной нагрузки смешанной пряжи
- Зависимость поверхностной плотности хлопчатобумажной ткани от параметров ее структуры
Введение к работе
КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Одной из важнейших задач стоящих перед работниками текстильной и легкой промышленности является повышение качества выпускаемой продукции. Улучшение качества, начиная от стадии планирования и кончая выпуском готовой продукции, требует, прежде всего, знания свойств, определяющих качество продукции, умения правильно оценивать и контролировать показатели качества, целенаправленно воздействовать на условия и факторы, существенно влияющие на качество продукции.
Проблема повышения качества текстильных изделий достаточно сложна, так как ее решение зависит от многих факторов. Однако при большом числе переменных привести результаты решения в определенную систему, найти скрытые в них связи и объединить эти связи в общих количественных закономерностях крайне трудно. При решении таких задач приходится вводить множество разнородных величин, каждая из которых рассматривается как самостоятельная переменная. В действительности влияние отдельных факторов, представленных различными величинами, проявляется не порознь, а совместно. В результате при решении той или иной задачи, надо рассматривать не отдельные величины, а их совокупности, определенные для каждого конкретного случая.
В связи с этим в работе поставлена задача обобщить накопленный материал в области теоретических разработок и практического использования возможности регулирования тех или иных параметров текстильных материалов с целью управления, как отдельными свойствами, так и качеством готового изделия в целом.
Работа посвящена разработке новых методов позволяющих прогнозировать строение и физико - механические свойства пряжи и тканей, а также проектировать ткани с заранее заданными свойствами и выполнена в соответствии с научным направлением МГТУ «Создание новых видов пряжи, нитей, текстильных материалов с улучшенными или новыми эксплуатационными потребительскими свойствами-и технологией их изготовления на базе нового современного оборудования» и в соответствии с тематическим планом НИР проводимых по заданию Министерства образования Российской Федерации.
Автор защищает
Методологию разработки и научные основы применения теории подобия и анализа размерностей при решении сложных многопараметрических зависимостей оценки свойств текстильных материалов.
Концепцию перехода от обычных физических величин к величинам комплексного типа, что позволяет получить множество различных комбинаций, составляющих его величин.
Новые методы получения информации о качестве текстильных материалов, связанных с совершенствованием методик расчета основных характеристик текстильных материалов.
Теоретические исследования и полученные зависимости взаимосвязи основных параметров исходных волокон с параметрами структуры пряжи, а также влияние свойств пряжи и параметров строения на физико-механические характеристики ткани.
Научная новизна
В результате проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований в области прогнозирования физико-
механических свойств текстильных материалов с применением теории подобия и анализа размерностей и перехода от обычных физических величин к величинам комплексного типа получены следующие результаты:
разработан метод и получены эмпирические зависимости определения разрывных характеристик однородной и смешанной пряжи, из натуральных и химических волокон по кольцевой и пневмомеханической системам прядения;
разработаны математические модели с использованием методов теории интерполирования, позволяющие прогнозировать свойства смешанной пряжи в зависимости от основных свойств волокон и процентного содержания химических волокон;
предложена методика и получена математическая зависимость оценки степени использования прочности волокон различных компонентов в смешанной пряже кольцевого и пневмомеханического способов прядения;
разработан метод прогнозирования и получены эмпирические зависимости разрывных характеристик хлопчатобумажных тканей, выработанных из пряжи кольцевого и пневмомеханического способов прядения от параметров их строения и вида переплетения;
разработан метод и получены эмпирические зависимости определения воздухопроницаемости тканей из натуральных и химических волокон от параметров их строения и вида переплетения;
разработан метод и получены эмпирические зависимости оценки износостойкости пряжи из натуральных и химических волокон от свойств исходных волокон и вида получаемой пряжи;
предложена методика и получены эмпирические зависимости для оценки износостойкости комплексных химических нитей;
разработан метод и получены эмпирические зависимости, позволяющие прогнозировать износостойкость натуральных тканей от параметров строения и вида переплетения.
Практическая значимость работы заключается в разработке методов и средств получения оперативной информации о качестве изделий, что позволяет не только нормализовать технологический процесс и добиться более высокого качества выпускаемой продукции, но и прогнозировать показатели качества исходя из имеющегося исходного материала.
Разработанные методы проектирования свойств текстильных материалов по заданным параметрам позволяют существенно сократить сроки разработки нового ассортимента при минимальных материальных затратах.
Разработано программное обеспечение, позволяющее достаточно быстро производить расчеты по определению параметров строения и свойств искомых материалов.
Получены аналитические зависимости для расчета физико-механических характеристик пряжи и ткани.
Результаты работы могут быть использованы в учебном процессе в курсах «Текстильное материаловедение», «Методы и средства измерений и испытаний», «Квалиметрия и управление качеством текстильных материалов».
Реализация результатов работы
Промышленная реализация результатов работы была осуществлена на ОАО «Подмосковье», ЗАО «Московская тонкосуконная фабрика им. Петра Алексеева», ЗАО «Новоногинская фабрика», ОАО «Фабрика
специальных лент», Московском конструкторско-производственном комплексе «Универсал».
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на международных и всероссийских конференциях: ПРОГРЕСС - 2000, 2002 (Иваново, ИГТА), ТЕКСТИЛЬ - 1999, 2001, 2002 (Москва, МГТУ), НАУКА- 99 ( Димитров-град, ДИТУД), на научной конференции РЗИТЛП (Москва) в 2002 г., на научных конференциях профессорско-преподавательского состава МГТУ, на семинарах кафедры текстильного материаловедения.
Публикации.
По материалам диссертации автором опубликовано 35 работ, в том числе одна монография.
Анализ методов проектирования воздухопроницаемости текстильных материалов
Воздухопроницаемость относится к числу важнейших характеристик текстильных материалов. Она имеет большое значение в оценке гигиенических и технических свойств тканей.
При оценке гигиенических свойств бельевых тканей характеристика их воздухопроницаемости является обязательной. При оценке шинельных тканей показатель воздухопроницаемости характеризует ветрозащитные свойства ткани. Воздухопроницаемость парашютных тканей учитывается при расчетах конструкции и эксплуатационных свойств парашюта. Для фильтровальных материалов этот показатель является одним из важнейших. [62] .
Однако, несмотря на столь большое значение данного показателя для текстильных материалов, пока не удалось установить объективно существующих зависимостей между воздухопроницаемостью и исходными параметрами ткани. Поэтому важной задачей является установление аналитических зависимостей воздухопроницаемости тканей от структурных характеристик строения ткани и перепада давления.
Эта задача является достаточно сложной, так как воздухопроницаемость ткани зависит от многих структурных показателей: плотности ткани по основе и утку, линейной плотности нитей, объемного веса ткани, вида переплетения, способа отделки и пр.
Структура пряжи и вид переплетения оказывают существенное влияние на величину показателя воздухопроницаемости тканей. Все исследователи едины во мнении, что на величину воздухопроницаемости в первую очередь оказывает влияние линейная плотность нитей основы и утка, применяемых при формировании ткани. В тоже время линейная плотность нитей непосредственно связана с круткой.
Исследования, проведенные Н.С.Ереминой [47], Ф.Клейтоном [63], С.Хорнером [64] и другими [65-71], показали, что с повышением крутки увеличивается доля межнитевых пор в ткани и как следствие возрастает воздухопроницаемость.
В работе Н.А. Архангельского [72] отмечается, что для хлопчатобумажных тканей, вырабатываемых из стандартной пряжи, колебания в крутке пряж по условиям технологического процесса могут изменять воздухопроницаемость ткани в пределах 10-15%.
Интересной, на наш взгляд, является работа М.Д. Меньшиковой [73], в которой рассматривается влияние направления крутки на воздухопроницаемость ткани. В работе установлено, что ткани, выработанные в основе и утке с круткой различных направлений, имеют большую воздухопроницаемость, чем выработанные из пряжи с круткой одинаковых направлений. По мнению автора, при разном направлении крутки основы и утка поры в ткани получают воронкообразную форму, что уменьшает сопротивление прохождению воздуха, и нити обеих систем прилегают друг к другу менее плотно, чем при одинаковом направлении. Кроме того, было определено, что ткани из крученой пряжи имеют более высокую воздухопроницаемость, чем ткани из одиночной пряжи. Это различие тем больше, чем меньше степень заполнения ткани. Также на скорость движения воздушного потока оказывают влияние характер поверхности волокон, степень их ворсистости, извитости, формы поперечного сечения.
Поскольку химические волокна, такие как вискоза, капрон, лавсан, нитрон, имеют различный удельный вес, то пряжа из этих волокон и их смесей при одной и той же линейной плотности должны иметь различные поперечные размеры, характеризуемые величиной диаметра. Однако вопрос об изменении диаметра пряжи в зависимости от вида волокна и смеси изучен еще недостаточно. Между тем диаметр пряжи обусловливает заполнение ткани, что в свою очередь влияет на ее физико-механические свойства.
Исследования, проведенные М.Д.Меньшиковой [74], показывают, что при одинаковых номерах пряжа из химических волокон имеет больший объемный вес, чем хлопчатобумажная, даже при меньшей крутке. Для установления общего характера зависимости между диаметром пряжи и ее номером были построены графики зависимости диаметра лавсановой и хлопчатобумажной пряжи от ее номера (рис. 1.1, 1.2), показывающие, что кривые принадлежат к семейству гипербол и имеют вид: \
В результате расчета были получены следующие зависимости: для лавсановой пряжи Наряду с этим в работе были получены зависимости изменения объемного веса от номера пряжи (рис. 1.3, 1.4). Полученные кривые принадлежат к семейству гипербол и имеют вид
Проектирование разрывной нагрузки однородной пряжи
Рассмотрим применение теории подобия и анализа размерностей для определения основных физико-механических характеристик пряжи. В качестве основных факторов, которые влияют на разрывные характеристики пряжи, полученной из однородных волокон, применяются: Аналитическое получение этой зависимости практически невозможно, экспериментальное определение чрезвычайно трудоемко, так как требуется определить связь между шестью величинами. Однако если перейти от обычных физических величин к критериям подобия, т.е. к величинам, составленным из тех же физических величин, но в определенных сочетаниях, в зависимости от природы процесса (можно за счет уменьшения количества переменных), найти эту зависимость не представляет труда. В качестве основных размерностей принимаем Рвол, Твол, р. Выбор этих показателей в качестве основных связан с необходимостью соблюдения второго условия теории подобия, т.е. система имеет решение, и притом единственное, если составленный из коэффициентов уравнения определитель будет отличен от нуля: Таким образом, в результате применения теории подобия и анализа размерностей получена функциональная зависимость разрывной нагрузки пряжи от ее основных параметров. Рассмотрим ее применение на конкретных примерах. На Ногинской прядильной фабрике №2 были выработаны образцы хлопчатобумажной пряжи кольцевого способа прядения. Для нахождения функциональной зависимости варьировали линейную плотность пряжи в интервале от 9,3 до 24,4 текс, крутку - в пределах от 762 до 1163 кр/м. В табл.2.1 приведены исходные и расчетные данные для определения разрывной характеристики пряжи. Анализ сравнения расчетных и экспериментальных данных показывает, что отклонение не превышает 5%. Это позволяет говорить о хорошей сходимости результатов. Для того чтобы убедиться в возможности применения полученной формулы для определения разрывной нагрузки хлопчатобумажной пряжи кольцевого способа прядения, по предложенной методике были обработаны данные, полученные другими авторами. В качестве примера были взяты результаты испытаний хлопчатобумажной пряжи, полученные А.Н.Соловьевым [1]. Результаты представлены в табл. 2.2.
Представленные результаты показывают достаточно хорошую сходимость. Таким образом, полученная зависимость может быть использована для прогнозирования разрывных характеристик хлопчатобумажной пряжи кольцевого способа прядения. В связи с широким внедрением в хлопкопрядение новых способов формирования пряжи с использованием пневмомеханических машин остро стоит вопрос прогнозирования разрывной нагрузки пряжи. Попытка ряда исследователей получить зависимость для расчета разрывной нагрузки пряжи не привели к положительному решению. Поэтому в настоящее время для практических целей при прогнозировании разрывной нагрузки пряжи пневмомеханического способа прядения используют формулу А.Н.Соловьева, уменьшая ее результат на 15-20% [179]. Анализ литературных источников показал, что разрывная нагрузка пряжи пневмомеханического способа прядения является функцией показателей, подобных тем, что использовались для определения разрывной нагрузки пряжи кольцевой системы прядения: или данная функциональная зависимость может быть представлена как: Для нахождения этой зависимости использовали данные, полученные в работе [21]. В качестве исходного сырья были взяты различные виды селекционного хлопка: 133, 108-Ф, Ташкент-1, 153- Ф различного типа и сорта. Физико-механические показатели хлопкового волокна и методы расчета разрывных характеристик приведены в табл. 2.4.
Для оценки «жизнеспособности» приведенной зависимости была испытана хлопчатобумажная пряжа пневмомеханического способа прядения, полученная на мапшне БД-200 на Ногинской прядильной фабрике №2 (табл.2.5). данными, что позволяет говорить о возможности широкого использования предложенного метода и полученных зависимостей для определения разрывной нагрузки пневмомеханической хлопчатобумажной пряжи. Качество пряжи в большей мере зависит от свойств волокон, из которых она вырабатывается, а также от условий ее получения, состояния оборудования, системы и плана прядения. Поэтому для производства пряжи заданных линейной плотности и назначения необходимо выбирать сырье с такими свойствами, которые при данных условиях производства обеспечат требуемое качество. В настоящее время широкое применение получили различные виды химических волокон и нитей, что позволяет увеличить выход текстильной продукции, уменьшить количество отходов и сократить расход сырья. В тоже время необходимо отметить, что химические волокна имеют свои особенности. С одной стороны, они являются более однородными по линейной плотности и длине, в них меньше сорных примесей, что позволяет увеличить эффективность их переработки. С другой стороны, они менее гигроскопичны, сильно электризуются, что создает трудности в их переработке. Положительные результаты по использованию химических волокон в текстильной промышленности можно получить только при наличии достаточных знаний в области структуры и свойств волокон, методов и особенностей их производства, способов применения, теоретических и практических основ переработки. На разрывные характеристики пряжи, полученной из однородных химических волокон влияют, в основном, те же показатели, что и аналогичные характеристики пряжи из натуральных волокон
Применение теории интерполирования для определения разрывной нагрузки смешанной пряжи
Рассмотрим использование полинома Лагранжа для построения функциональной зависимости где Кодн = (Рпр/Рвол) ( Твол/ Тпр) - коэффициент одновременного разрыва. Исходные результаты были взяты из табл. 1.1-1.6 приложения 1. Для построения полиномиальной зависимости использовались данные, не только приведенные в таблицах, но и промежуточные. Блок-схема построения полиномиальной зависимости приведена на рис. 3.2. В результате обработки исходных данных, получены полиномы, описывающие поведение разрывной нагрузки от разного процентного содержания как натуральных, так и химических волокон (табл. 3.1- 3.6). Анализ полученных зависимостей показывает, что все они достаточно хорошо описываются полиномами четвертого порядка. Для расчета представленного полинома в первую очередь необходимо определить значения коэффициентов ао, а\, aj, аз,, а4. Для решения данного вопроса рекомендуется использовать блок-схему 2 (рис.3.3). Наряду с этим, зная новый состав смешанной пряжи и способ прядения и используя полином Лагранжа 2, можно построить полином Лагранжа 1 для искомого состава смеси без проведения экспериментальных исследований, т.е. выполнить обратную задачу. Блок-схема данной методики представлена на рис. 3.4. Таким образом, благодаря предложенной методике становится возможным определение разрывной нагрузки смешанной пряжи с различным процентным содержанием натуральных и химических волокон, что позволяет уже на начальной стадии прогнозировать те свойства исследуемого материала, которые мы хотели бы получить. 1. Разработка метода прогнозирования и оценки показателей качества проводилась путем установления общей методики и решения частных задач определения разрывных характеристик смешанной пряжи.
При этом использовались модели показателей разрывных характеристик пряжи, полученных при различном процентном содержании натуральных и химических волокон. 2. Использование теории интерполирования позволяет получить искомый полином по указанным точкам. Задача получения функции возникает в тех случаях, когда требуется зафиксировать в виде формулы эмпирическую зависимость, которая может быть задана в виде таблицы или в виде графика. 3. В процессе исследования разработана методика построения полиномиальной зависимости разрывной нагрузки смешанной хлопко-вискозной, хлопко-лавсановои и хлопко-капроновой пряжи кольцевого и пневмомеханического способов прядения в зависимости от процентного содержания химических волокон. 4. Анализ полученных зависимостей показал, что все они достаточно хорошо описываются полиномом Лагранжа четвертого порядка (табл.3.1 3.6). 5. Разработана методика и получены уравнения определения коэффициентов а0, а1у а2, а3, а4 полинома Лагранжа в зависимости от процентного содержания химических волокон и исследуемых составов смесей. 6. Предложенный метод дает возможность определять разрывную нагрузку смешанной пряжи различного процентного содержания натуральных и химических волокон без проведения дополнительных испытаний. Это позволяет уже на начальной стадии разработки прогнозировать свойства исследуемого материала, тем самым обеспечивая получение пряжи с заранее заданными свойствами и при этом экономя время, сырье и вспомогательные материалы. 7. Представленный метод позволяет с помощью ЭВМ получить оптимальный вариант расчета разрывной нагрузки смешанной пряжи. Но для практического использования рекомендуемого метода нужно знать не только начальные и конечные условия, при которых этот процесс будет протекать, но и сами условия его протекания.
Зависимость поверхностной плотности хлопчатобумажной ткани от параметров ее структуры
При проектировании текстильных материалов достаточно часто приходится сталкиваться с требованиями заказчика получить ткани с наперед заданными теми или иными показателями, к которым относятся: поверхностная плотность ткани, воздухопроницаемость, стойкость к истиранию и другие. Анализ литературных источников показал, что поверхностная плотность ткани зависит от таких параметров ее структуры, как линейная плотность нитей основы и утка, плотность основных и уточных нитей, вида переплетения нитей основы и утка в ткани. Для установления зависимости поверхностной плотности ткани от указанных параметров воспользуемся методом теории подобия и анализа размерностей. В данном случае поверхностная плотность ткани есть функция следующих величин: Представим это функциональное соотношение через безразмерные комбинации величин, используя анализ размерностей: где M = M/ (TJIo + ТуПу) - безразмерный параметр; ТуПу/ТоПо - безразмерный параметр, характеризующий отношение массы уточных нитей в ткани, к массе основных нитей; toty/RoRy -безразмерный параметр, характеризующий строение ткани. Для нахождения эмпирической зависимости поверхностной плотности ткани от параметров ее структуры были выработаны опытные образцы хлопчатобумажной ткани с различным переплетением и соотношением ТуПу/ТоПо ( табл. 4.3).
Для определения влияния каждого из параметров TyTly/TJI0 и t0t/RoRy на рис.4.5 и 4.6 построены графические зависимости Mi=j(TyTly/TJl0) и M2=f(t0ty /RoRy) при усредненных значениях соответственно t0ty/RoRy и ТуПу/TJIo По методу наименьших квадратов при усредненных значениях ТуПу/ТоПо находим аппроксимирующую зависимость Mi j(t0ty/RoRy): Используя эту зависимость, производим перерасчет исходных данных для значения t0t/RoRy=l (табл.4.3) и определяем зависимость M2=f (ТуПу/TJIo) для t0ty/RJly =1. Данная аппроксимирующая зависимость примет вид: Формула справедлива для 0,25 t0t/RoRy 1 и 0,48 ТуП/ТМо 1,19. Для оценки погрешности полученной зависимости проведено сравнение средних фактических значений поверхностной плотности хлопчатобумажной ткани, выработанной на ОАО «Глуховский текстиль», с расчетными значениями поверхностной плотности (табл.4.3), определенными по формуле (4.17). На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы: полученная эмпирическая зависимость позволяет определять поверхностную плотность хлопчатобумажной ткани с достаточно высокой точностью. Отклонение не превышает 3,5%; на поверхностную плотность сильное влияние оказывают линейная плотность нитей по основе и утку, плотность нитей обеих систем, а также вид переплетения; использование методов теории подобия и анализа размерностей позволяет существенно облегчить нахождение вида функциональной зависимости текстильного материала от параметров его строения.
