Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Принципы проектирования специальной одежды для защиты от холода и ветра 8
1.1 Специальная одежда для защиты от холода 9
1.2 Человек в условиях холода и ветра 16
1.3 Формирование рационального пакета специальной одежды для защиты от пониженных температур и ветра 28
1.3.1 Анализ свойств материалов теплозащитного пакета специальной одежды 28
1.3.2 Анализ конструкции теплозащитных пакетов с несвязным утеплителем 44
1.3.3 Влияние ветра на тепловое сопротивление пакета одежды 48 Выводы и постановка задачи исследований 57
Глава 2 Разработка математической модели воздействия ветра на пакет одежды с объемным утеплителем 59
2.1 Обоснование модельного представления воздействия ветра на теплозащитный пакет одежды 59
2.2 Расчет сил, действующих на элемент системы «Человек - одежда - среда» в условиях ветра 62
Выводы 74
Глава 3 Исследование деформации теплозащитных пакетов одежды в условиях ветра 75
3.1 Разработка методики экспериментального исследования деформации теплозащитных пакетов одежды в условиях ветра 75
3.1.1 Разработка экспериментального комплекса 75
3.1.2 Расчет оптимальных параметров образца 80
3.1.3 Разработка программы для ЭВМ для обработки экспериментальных данных 85
3.2 Экспериментальное исследование деформации теплозащитных пакетов в потоке воздуха 89
Выводы 105
Глава 4 Расчет оптимальной конструкции специальной одежды с учетом заданной ветровой нагрузки 108
4.1 Разработка имитационной математической модели теплообмена в системе «Человек - одежда - среда» 109
4.1.1 Разработка математической основы моделирования процесса теплообмена в системе «Человек - одежда - среда» 109
4.1.2 Аналитическое решение математической модели теплообмена системы «Человек - теплозащитная одежда - среда» 112
4.1.3 Алгоритмизация задачи и разработка программы 127
4.1.4 Проверка адекватности математической модели реальным условиям 129
4.1.5 Исследования на математической модели 136
4.2 Разработка конструкции пакета специальной одежды с несвязным утеплителем с повышенной устойчивостью к ветру 140
4.3 Разработка специальной мужской куртки для защиты от пониженных температур и ветра 149
4.3.1 Расчет рациональной величины прибавки 151
4.3.2 Разработка конструкции 153
4.4 Исследование проектного решения 157
Выводы 158
Основные результаты и выводы 160
Библиографический список 162
Приложения 180
- Формирование рационального пакета специальной одежды для защиты от пониженных температур и ветра
- Расчет сил, действующих на элемент системы «Человек - одежда - среда» в условиях ветра
- Экспериментальное исследование деформации теплозащитных пакетов в потоке воздуха
- Разработка конструкции пакета специальной одежды с несвязным утеплителем с повышенной устойчивостью к ветру
Введение к работе
На севере России сосредоточены уникальные месторождения полезных ископаемых - никеля, газа, нефти. Суровые климатические условия Крайнего Севера осложняют производственную деятельность человека на этой территории. Зимой здесь столбик термометра может опускаться до -40 С и дует сильный ветер, средняя скорость которого составляет 6-11 м/с, с порывами до 25 м/с.
. В основу отечественного проектирования спецодежды для защиты от пониженных температур положены рекомендации Р.Ф. Афанасьевой [9], [11], [16], П.А. Колесникова [1], З.С. Чубаровой [10], Ю.В. Вадковской [27], Р.А. Делль [9], Витте [13]. В настоящее время исследования в этой области представлены трудами Е.Х. Меликова [114], П.П. Кокеткина [21], И.Ю. Бринка [81], Л.А. Бекмурзаева [82], А.И. Жаворонкова [143], Л.Н. Расторгуевой [24]. Теоретические и методологические основы проектирования специальной одежды в соответствии с условиями труда и климата базируются на данных физиологии теплообмена человека, теплофизических свойствах материалов одежды их пакета и одежды в целом.
Сильный ветер усиливает влияние холода, вызывая дискомфорт и снижение работоспособности человека. Для защиты человека в экстремально холодных условиях хорошо себя зарекомендовала легкая и удобная специальная одежда с объемными несвязными утеплителями - перо и пух водоплавающих птиц и его синтетические аналоги. Но, в условиях сильного ветра, из-за создаваемого им напора, пакет одежды с объемными несвязными утеплителями сжимается с наветренной стороны, теряется его толщина и уменьшается тепловое сопротивление.
На сегодняшний день вопрос о деформации пакета одежды с объемными несвязными утеплителями под воздействием воздушного напора и, как результата, изменении его теплового сопротивления практически не изучен. Отсутствие точных сведений о динамике и характеристиках деформации пакета одежды не позволяет точно прогнозировать снижение его теплозащит-
5 ных свойств. Поэтому актуальной является задача теоретических и экспериментальных исследований пакетов одежды с объемными несвязными утеплителями в условиях обдува.
Цель работы: исследование деформации пакетов теплозащитной одежды в условиях сильного ветра и разработка конструкции пакета специальной одежды с объемными несвязными утеплителями с повышенной устойчивостью к действию ветровой нагрузки.
Задачи работы:
теоретическое исследование воздействия ветровой нагрузки на пакет одежды с объемными несвязными утеплителями;
разработка методики эксперимента по определению деформации теплозащитных пакетов одежды при обдувании потоком воздуха;
определение влияния аэродинамической деформации теплозащитных пакетов одежды на снижение теплового сопротивления;
разработка математической модели процесса теплообмена в системе «Человек - теплозащитная одежда - среда» с учетом повышенной ветровой нагрузки на пакет одежды;
разработка конструкции пакета специальной одежды с несвязными объемными утеплителями с повышенной устойчивостью к ветру.
Основные методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с использованием теории функций комплексной переменной, математического моделирования, основных законов аэродинамики, теории теплопередачи. Экспериментальные исследования выполнялись на базе экспериментально-теоретических подходов, позволяющих получить результаты, адекватные действительности, с применением статистической обработки результатов экспериментов, математического анализа, теории подобия, теории алгоритмизации и программирования. В работе использованы средства векторной и растровой компьютерной графики. Работа реализована с применением программных продуктов Microsoft Word, Microsoft Excel, Corel Draw 11, Visio 6.0.
Научная новизна работы определяется следующими положениями:
впервые теоретически, с использованием теории функций комплексной переменной, получено распределение аэродинамических сил, деформирующих наветренную сторону пакета одежды с объемными несвязными утеплителями;
впервые обоснована и разработана методика экспериментального исследования деформации пакетов одежды с объемными утеплителями при обдувании и оценки их теплозащитных свойств;
получены дифференциальные данные о фактической деформации пакетов одежды с объемными утеплителями под воздействием ветровой нагрузки и закономерности изменения теплового сопротивления деформированных пакетов;
- разработана математическая модель теплообмена элемента системы
«Человек - теплозащитная одежда - среда», учитывающая деформацию па
кета одежды при ветре.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
результаты исследования взаимосвязи между изменением толщины теплозащитных пакетов одежды и скоростью ветра являются основой для расчета теплового сопротивления специальной одежды для защиты от холода и ветра;
разработана конструкция и технология изготовления пакета специальной одежды с объемными несвязными утеплителями с повышенной устойчивостью к ветровой нагрузке;
в результате проведенных исследований разработана конструкция специальной одежды с использованием ветроустойчивого пакета с объемными несвязными утеплителями.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:
Международной конференции «Производство. Технология. Экология. ПРОТЭК - 2001» в 2001 году в г. Москва;
Межрегиональной конференции «Наука XXI века - Индустрии Сервиса» в 2004 году в г. Ростов-на-Дону;
Межвузовских научно-технических конференциях ЮРГУЭС в 2001, 2002 и 2005 гг. в г. Шахты;
Межвузовской научно-технической конференции РИС ЮРГУЭС в 2005 г. в г. Ростов-на-Дону.
Внедрение результатов исследований.
Технология изготовления пакета специальной одежды с несвязными утеплителями с повышенной устойчивостью к ветровой нагрузке и специальная мужская куртка с ее использованием внедрены в производственный процесс на ООО «БВН инжениринг» г. Новочеркасска и ООО «Ростпрод-транс» г. Ростов-на-Дону. Разработанная методика определения деформации пакетов теплозащитной одежды при обдувании и программный продукт для обработки экспериментальных данных используются в учебном процессе на кафедре МКТШИ РИС ЮРГУЭС в лабораторном курсе по дисциплинам «Гигиена одежды», «Методы и средства исследований», «Проектирование специальной одежды», а также при выполнении курсовых работ научно-исследовательского характера для студентов специальности 260902 «Конструирование швейных изделий» и 260901 «Технология швейных изделий».
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 179 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, библиографического списка, насчитывающего 157 наименований. Содержит 54 рисунка, 21 таблицу, 35 страниц приложений.
Формирование рационального пакета специальной одежды для защиты от пониженных температур и ветра
Отсутствие универсальных защитных материалов ставит задачу рациональной комплектации утепляющего пакета спецодежды из основного материала, утепляющей прокладки и подкладки. Каждый слой такого пакета выполняет определенные функции, а материалы, составляющие пакет, должны удовлетворять нормируемым показателям качества, исходя из классификации спецодежды [6], [10]. Нельзя оставлять без внимания и такие аспекты как: невысокую стоимость материалов для одежды специального назначения, малую подверженность загрязнениям и легкий уход, сохранение цвета при стирке, удобство в ремонте [44].
При подборе материалов для спецодежды, может возникнуть ситуация, когда их гигиенические свойства противоречат защитным. В этом случае в обязательном порядке обеспечиваются защитные свойства, а гигиенические регулируются временем эксплуатации спецодежды и режимом отдыха [3].
Основой оптимального выбора материалов для специальной одежды может служить методика, разработанная В.Е. Романовым [4]. Создание же автоматизированной системы управления выбором материалов (АСУВМ) позволяет быстро и качественно подобрать материалы в пакет одежды при постоянном обновлении ее ассортимента и появлении новых материалов и технологий [45], [46].
Отдельные слои пакета спецодежды находятся в разных условиях по степени воздействия на них факторов среды. В наиболее суровых условиях находится материал верха. Основной материал специальной одежды для защиты от холода и ветра должен обладать: незначительной воздухопроницае-мостью: до 10 дм /(м -с) - для особой, II и I климатических зон, и до 40 дм /(м -с) - для IV и III климатических зон [23], паропроницаемостью более 3,5 мг/см ч, водонепроницаемостью 3000-8000 мм. вод. ст. [10], сохранять линейные размеры и окраску после чистки одежды [2], быть прочным, износостойким, легким, отличаться малой сминаемостью и водопоглощаемостью, сохранять эластичность на морозе, соответствовать художественно-эстетическим показателям [47].
Высокими гигиеническими свойствами обладают хлопчатобумажные ткани. Они гигроскопичны, воздухо- и паропроницаемы, что создает благоприятные условия для теплообмена между человеком и внешней средой. Но они неустойчивы к воздействию повышенных температур, кислот, солнечного света, имеют низкие прочностные показатели. Синтетические ткани, напротив, имеют низкие гигиенические характеристики, но обладают хорошими показателями по прочности и истираемости и значительно легче тканей из натуральных волокон [47], [48]. При оценке свойств текстильных материалов весьма важным является их «поведение» на морозе. Неоспоримое преимущество синтетических тканей заключается в их высокой устойчивости к воздействию влаги и многократному охлаждению-нагреванию. Ткани, выработанные из полиэфирных текстурированных нитей, даже в очень холодных условиях остаются мягкими, износостойкими, отличаются легкостью, сохраняют теплоту и необходимый влагообмен с окружающей средой. Традиционные хлопчатобумажные ткани при действии холода в сочетании с влагой грубе ют, теряют формоустойчивость, быстро изнашиваются, одежда из них не подлежит повторной эксплуатации [47]. Комбинацией же натуральных и синтетических волокон достигаются свойства, необходимые для удовлетворения требований к спецодежде. Поэтому доля смесовых тканей постоянно растет и в настоящее время достигает 60% в ассортименте материалов, используемых для одежды специального назначения.
Смесовые ткани российского производства групп «Грета», «Диорит», «Лидер» с содержанием хлопка и полиэфира, ставшие уже традиционными [49-51], сочетают в себе высокие эксплуатационные и гигиенические свойства. Несомненным преимуществом является их ценовая доступность по сравнению с зарубежными аналогами. При выработке тканей группы «Грета» с переплетением саржа 2/1, 3/1 полиэфирные нити расположены по одной системе нитей (основе) и выходят на поверхность, а хлопчатобумажные по другой (утку) и расположены на изнанке. Такая «несимметричная» структура наряду с повышенной прочностью обеспечивает высокие гигиенические показатели. Для защитной одежды от пониженных температур используются: «Грета-Т» 03с40-кв с поверхностной плотностью 246 г/м (54% хлопка, 46% полиэстера), имеющая повышенную стойкость к механическим воздействиям и высокие прочностные характеристики; «Грета-Пум» 4с5-кв с поверхност-ной плотностью 292 г/м (50% хлопка, 50% полиэстера) со специальным микропористым полиуретановым покрытием ПлПУМ, которое обеспечивает комбинацию свойств: водоупорность (до 10000 мм. вод. ст.), ветрозащиту (ветронепроницаема), паропроницаемость (3,5 мг/см ч); «Грета-М», «Диорит-М» со встроенной эластичной металлизированной нитью, способствующей стеканию электрических зарядов по поверхности ткани и препятствующей его накоплению, имеют удельное поверхностное электрическое сопротивление не более 9,0 107 Ом [51].
Несколько иной способ производства используется при изготовлении тканей группы «Лидер». Технология смешивания волокон разного вида в пряже и последующей выработки ткани из смешанной однородной пряжи позволяет получить «симметричную» структуру ткани с выровненными показателями по обеим системам нитей. Ткани группы «Лидер-Комфорт-А» выпускаются со встроенной особым образом - «клеткой» антистатической углеродной нитью, за счет чего при механическом повреждении одежды не нарушается цепь, по которой распределяется статическое электричество.
Улучшение защитных свойств тканей и придание новых достигается при их пропитывании различными веществами: смолами, эмульсиями, растворами минеральных солей.
Для защиты человека и обеспечения его комфортного состояния в условиях холода и ветра, очень важно, чтобы пакет одежды блокировал внешние негативные факторы - ветер, влагу и в то же время обеспечил вентилируе-мость пододежного пространства. Это становится возможным при использовании современных высокотехнологичных материалов.
Расчет сил, действующих на элемент системы «Человек - одежда - среда» в условиях ветра
Допускаем, что на наветренную сторону ламинарно набегает воздушный поток. Для поля вектора ветра, ламинарно набегающего на наветренную часть цилиндра, можно написать математическое условие ламинарности [135]: где V - вектор скорости воздуха. Мы считаем, что в набегающем потоке воздуха не происходит изменения скорости потока, в результате которого происходит сжатие воздуха. Это небесспорно, но аналитическое решение задачи возможно только с этим допущением. Это допущение характеризуется уравнением: Для того, чтобы решить эти уравнения необходимо добавить краевые условия. Для этого примем допущение о том, что вектор скорости ветра каса-телен к границе обтекаемого тела: где V„ - перпендикулярная составляющая вектора ветра к поверхности сечения цилиндра. Вектор ветра везде постоянен на абсолютной величине и строго касате-лен у поверхности цилиндра (рисунок 2.2). Уравнения (2.1) и (2.2) с условиями (2.3) и (2.4) представляют собой классическую задачу обтекания твердого тела установившимся потоком идеальной жидкости, для решения которой используем метод конформных отображений [135], [136]. Конформное преобразование, это преобразование, сохраняющее углы по величине и направление отсчета [136]. В качестве модели тела рассматриваем круговой цилиндр с радиусом R с центром в начале координат, сечение которого показано на рисунке 2.1.
В этом случае решение задачи дает комплексный потенциал: где R - радиус цилиндра; z - комплексная координата точки на поверхности цилиндра; V- вектор скорости воздуха. Компоненты скорости связаны с ним формулой: Величина давления в установившемся безвихревом течении идеальной несжимаемой жидкости (в данном случае воздуха) определяется из уравнения Бернулли [135], [136]: где A - некоторая постоянная; Рвозд - плотность воздуха, кг/м3; величина скорости течения (действием сил тяжести можно пренебречь), м/с. Из равенства (2.6) получим: V2 = V] + V) = Re2 / (z) + bna/ ( ) = / ( )2 Далее рассматривались только точки, лежащие на поверхности цилиндра. Учитывая, что для этих точек z=Re1(p (здесь и далее / = лРТ), имеем: fl{z) = VK{\-e-2lf) = Va {\-cos2(p + mn2cp), откуда Это выражение необходимо подставить в формулу Бернулли: Константа А определена из следующих соображений. Интересующая нас деформация пакета под действием ветра определяется не абсолютным значением давлением воздуха на поверхности пакета, а разностью давлений снаружи и внутри. Практически достоверно [128], что воздух внутри пакета перемещается с бесконечно малой скоростью, поэтому давление воздуха внутри пакета, по закону Паскаля, можно с большой точностью считать постоянным по всему его объему. Следовательно, если величину, определяемую формулой (2.8), считать разностью давлений, то константу А нужно связать с искомым давлением воздуха внутри пакета. Найти эту константу можно из нормирующего уравнения: 65 Это условие может быть получено следующим образом. Рассмотрим фильтрацию воздуха через ткань пакета. Так как внутри пакета нет ни источников, ни поглотителей воздуха, то суммарный поток фильтрующегося воздуха равен нулю. Если считать, что скорость фильтрации в каждой точке ткани пропорциональна разности давлений воздуха с одной и другой стороны ткани, то справедливо уравнение (2.9). Подстановкой в него равенства (2.8) получаем:
Представление зависимости величины давления на пакет одежды с объемными утеплителями в декартовых координатах представлено на рисунке 2.4. Анализируя график (рисунок 2.4) и картину поля сил (рисунок 2.3) можно прийти к выводу о том, что утонение пакета будет происходить в секторе =±7г/4, то есть там, где величина давления будет положительной. Можно записать формулу для определения среднего давления на этом участке сечения от -я/4 до +л;/4, которое прямо получается из интегрирования выражения 2.9:
Экспериментальное исследование деформации теплозащитных пакетов в потоке воздуха
Планирование эксперимента осуществлено методом полного факторного эксперимента второго порядка [140]. В качестве оптимизируемого параметра у принята толщина теплозащитных пакетов. На основе предварительного анализа выделены три фактора, оказывающие наибольшее влияние на изменение толщины теплозащитного пакета при ветре: X] - скорость ветра; Х.2 — плотность объемного утеплителя; Хз - воздухопроницаемость материала оболочки теплозащитного пакета. Таким образом, исследуемый процесс возможно описать уравнением регрессии для к=3, где к - количество определяющих факторов эксперимента. Уровни варьирования факторов представлены в таблице 3.2. Согласно теории ротатабельного планирования второго порядка для трех факторов количество экспериментов составляет 20. Матрица центрального композиционного ротатабельного планирования второго порядка представлена в таблице 3.3. В результате математической обработки результатов эксперимента было получено общее уравнение регрессии, которое имеет следующий вид: у = 13,11 -10,74 + 1,92JC2 - 0,23х3 + 0,25х,х2 + + 0,50x 3 + 0,25х2х3 + 2,86х2 + 0,1 Зх22 - 1,45х32 (3 6) 93 Значимость коэффициентов регрессии определяется с учетом величины дисперсии воспроизводимости в нулевой точке где уОІ - результат отдельного наблюдения в нулевой точке; у0 - результат опыта в нулевой точке (среднее арифметическое); п0 - число наблюдений в нулевой точке. После исключения незначимых коэффициентов уравнение регрессии приняло следующий вид: Адекватность полученной модели проверяем по критерию Фишера. Проведенный статистический анализ полученного уравнения регрессии показал, что расчетное значение критерия Фишера Fpac4 =2,371.
Так как расчетное значение критерия Фишера меньше табличного FTa6j] = 8,64 при соответствующих числах степеней свободы (фі=3, ф2=24) и выбранном 5%-ном уровне значимости, то гипотеза об адекватности модели принимается. Анализ величин коэффициентов регрессии дает основание расположить факторы по степени их влияния на толщину теплозащитных пакетов при ветре в следующей последовательности: Х\ - скорость ветра; Х2 - плотность объемного утеплителя; Хз - воздухопроницаемость материала оболочки теплозащитного пакета. Отрицательные знаки при коэффициентах регрессии Ь и Ьз показывают, что увеличение факторов Xi и Хз приводит к снижению параметра оптимизации. Положительный знак при коэффициенте регрессии Ь2 способствуют росту критерия оптимизации при увеличении соответствующего фактора Х2. Иными словами, чем больше скорость ветра и воздухопроницаемость ткани оболочки пакета, тем меньше толщина пакета, чем выше плотность заполнения пакетов несвязными утеплителями (при фиксированном ветре), тем стабильней его толщина.
В результате экспериментальных исследований получены фотоснимки деформации боковой и торцевой поверхности пакетов с различными утеплителями в условиях обдува в аэродинамической трубе. Через 30 с после прекращения обдува образец снимался повторно для того, чтобы пронаблюдать степень восстановления его формы. Для получения снимков использовался цифровой фотоаппарат Olympus С-770 Ultra Zoom RM-2, диагональ 1/2,5 дюймов, ПЗС-матрица, 4110000 пикселов, с максимальным разрешением снимков 3200x2400. В проводимом экспериментальном исследовании расположение переборок в образцах Б (рисунок 3.5) по отношению к направлению потока менялось в двух позициях: в первом случае переборка располагалась вдоль оси направления потока, а во втором - под углом 45 . Следует отметить, что существенной разницы в характере деформации не произошло. Поэтому расположение пакетов с переборками было таким, что одна переборка находилась вдоль направления потока на наветренной стороне, соответственно и на подветренной, и две - в миделевом сечении пакета. Анализ фотоснимков деформации боковой стороны пакетов показал, что линейный размер его высоты с наветренной и подветренной сторон меняется незначительно, так как воздушный поток набегает перпендикулярно оси пакета. Поэтому, в расчетах можно принять величину высоты пакета неизменной. Наибольший интерес представляет деформация торцевой поверхности пакетов, то есть их утонение при ветровой нагрузке. Фотоснимки деформации торцевой поверхности пакетов представлены в приложении Г (рисунки Г.1-Г.9). Расчет основных геометрических параметров образцов проводился по фотоснимкам с использованием разработанной программы (п. 3.1.3). Результаты вычислений использованы в дальнейших расчетах.
Разработка конструкции пакета специальной одежды с несвязным утеплителем с повышенной устойчивостью к ветру
Одно из главных качеств пакетов для специальной одежды заключается в их способности сохранять и восстанавливать свою расчетную теплозащиту. Исследования по обдуванию пакетов с несвязными утеплителями в аэродинамической трубе показали, что наличие в пакетах дополнительных переборок из объемного клееного нетканого полотна способствует повышению устойчивости к ветровой нагрузке их наветренной части и, как следствие, увеличению расчетного теплового сопротивления. Переборки с одной стороны препятствуют миграции утеплителя по объему пакета, с другой - создают некое ребро жесткости в пакете.
Пакеты одежды с несвязными утеплителями могут иметь различные варианты решений, рассмотренных в п. 1.3.2 настоящей работы. Конструкция пакетов специальной теплозащитной одежды уже на начальном этапе проектирования в основном определяет ее качество и соответствие предъявляемым к ней требованиям. От конструкции пакетов зависят их теплозащитные свойства. Известно [82], что в результате простегивания двухслойного пакета, толщина отсека непостоянна (рисунок 1.8 А). Как было отмечено ранее, наибольшей стабильностью по толщине отличается двухслойный пакет с переборками (рисунок 1.8 Б). Поэтому, при разработке конструкции пакета одежды с несвязным утеплителем в качестве основы используем именно эту конструкцию пакета.
Материал для изготовления переборок должен обладать малой массой, небольшой поверхностной плотностью и высокими упругими свойствами при изгибе. В качестве материала для переборки можно использовать нетканые клееные объемные полотна. Учитывая их многообразие, необходимо решить задачу оптимального выбора конкретного вида. Исходя из того, что переборка должна быть упругой, необходимо оценить жесткость и упругость нетканых объемных клееных полотен при изгибе.
Применительно к текстильным материалам жесткость — это их сопротивляемость условно-упругой деформации (состоящей из упругой и высокоэластической частей с быстрым периодом релаксации), вызванной действием приложенных сил. Жесткостью при изгибе называют способность материала сопротивляться изменению формы при действии внешней изгибающей силы.
Среди факторов, влияющих на жесткость нетканых материалов, в группу основных можно выделить: волокнистый состав, толщину и поверхностную плотность, структуру, которая определяется строением волокнистых слоев и структурой их скрепления [151]. В теории упругости жесткость при изгибе В выражается произведением модуля продольной упругости Е на момент инерции сечения тела относительно нейтральной оси /:
Момент инерции характеризует способность тела сопротивляться изгибу в зависимости от размеров и формы поперечного сечения. Модулем продольной упругости определяется способность тела изгибаться, но уже в зависимости от материала тела. Модуль продольной упругости Е= у/е, характеризуя упругие свойства твердых тел, находится в прямолинейной зависимости от напряжения о и деформации є. Однако, текстильные материалы, деформируясь, не подчиняются закону Гука, а упругие деформации их являются лишь частью полной деформации, соответствующей данному напряжению. Поэтому большинство методов оценки жесткости при изгибе текстильных материалов основано на экспериментальном определении некоторых параметров материала при изгибе, а рассчитываемые значения жесткости имеют условный характер [47].
Стандарт [152] устанавливает следующие методы определения жесткости текстильных материалов: 1 - определение жесткости при изгибе под действием собственной силы тяжести без принудительной деформации пробы консольный бесконтактный метод и метод переменной длины (на приборе ТП-2); 2 - определение жесткости под действием сосредоточенной нагрузки с принудительной деформацией пробы -метод кольца (на приборе ПЖУ-12М). Жесткость и упругость объемных нетканых полотен определяли в соответствии с ГОСТ 8977-74 [153] методом кольца на приборе ПЖУ-12М, схема которого представлена на рисунке 4.13 (фото в Приложении К). Заготовленные пробы согласно [154], размером 20x160 мм, в продольном и поперечном направлениях перед испытанием выдержали в лабораторном помещении 24 часа при климатических условиях для умеренной зоны [155]: относительная влажность воздуха - (65±2) %, температура воздуха - (20±2) С. Испытания проводили в тех же условиях.
Согласно определению ГОСТ 8977-74 [153]: жесткость - нагрузка, необходимая для прогиба согнутого в кольцо образца на /з диаметра; упругость -отношение величины распрямления согнутого в форме кольца образца после снятия нагрузки к заданной величине прогиба при определении жесткости. Жесткость (гс) рассчитывается умножением количества шариков на массу одного шарика (0, 88 г). Упругость У вычисляется по формуле: где So - величина прогиба образца, мм; S/ - величина прогиба образца после распрямления, мм.
Результаты каждого измерения рассчитываются с погрешностью не более 0,1 гс для значений жесткости и не более 0,1% для упругости. За окончательный результат испытания принимают среднее арифметическое результатов испытания трех проб.
Для исследований были отобраны образцы объемных клееных нетканых полотен с различной поверхностной плотностью и структурой. Результаты по определению жесткости и упругости представлены в таблице КЛ в приложении К.
По результатам исследований по определению жесткости и упругости объемных клееных нетканых полотен можно сказать, что для переборок целесообразно использовать полоски из образца №1. При минимальной поверхностной плотности, он обладает наибольшими значениями жесткости и упругости в продольном направлении. Такие свойства ему придают лавсановые волокна в его составе и их направленная ориентация вдоль холста. Сравнение полученных значений жесткости образца с нормативными [156], отно сит его ко второй группе жесткости.
