Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблемы проектирования и производства теплозащитной одежды с объемными несвязными наполнителями 11
1.1 Ассортимент теплозащитной одежды с объемными несвязными наполнителями 11
1.2 Систематизация конструкций теплозащитных пакетов 19
1.3 Влияние способов фиксации объемных наполнителей на свойства и стоимость теплозащитных пакетов 24
1.4 Свойства объемных наполнителей, влияющие на качество швейных изделий 27
1.4.1 Ассортимент объемных наполнителей 27
1.4.2 Свойства перо-пуховых композиций, определяющие конструкцию теплозащитных пакетов 41
Глава 2 Аналитические исследования поведения объемных утепли- 48 телей в пакетах различных конструкций
2.1 Влияние геометрии составляющих перо-пуховой композиции на свойства теплозащитных пакетов 48
2.1.1 Общий анализ влияния геометрии составляющих утеплителя на свойства теплозащитных пакетов 48
2.1.2 Описание геометрии составляющих перо-пуховой композиции 55
2.2 Вероятностная оценка возможности фиксации составляющих утеплителя 58
2.3 ' Решение для элементов, размещенных на плоскости 66
Глава 3 Экспериментальное исследование взаимосвязи свойств материалов и конструкции пакетов 78
3.1 Обоснование методики экспериментальных исследований 79
3.1.1 Обоснование способов аналитического описания геометрии отсеков и составляющих перо-пуховой композиции 79
3.1.2 Выбор методики исследования геометрии и массы составляющих перо-пуховых композиций 84
3.2 Исследование геометрии составляющих перопуховых композиций 89
3.3 Обобщение результатов исследований по фиксации составляющих утеплителя строчками простегивания 97
3.4 Исследование геометрии отсеков пакетов с вертикальным простегиванием 104
Глава 4 Разработка комплекта одежды 109
4.1 Характеристика материалов 109
4.2 Обоснование и выбор методики конструирования и исходных данных 112
4.2.1 Термофизиологический расчет теплозащитной одежды 112
4.2.2 Построение базовой конструкции женской куртки 116
4.3 Особенности проектирования теплозащитной одежды с вертикальны простегиванием 117
4,3,1 Моделирование теплозащитной одежды с верти- кальным простегиванием 117
4.3.1 Рекомендации по проектированию теплозащитной одежды с вертикальным простегиванием 124
4.3.2 Выбор методов обработки с перо-пуховым напол- 128
4.4 Оценка доходности инновационного проекта внедрения в производство новой модели 132
Библиографический список 139
Приложения
- Систематизация конструкций теплозащитных пакетов
- Вероятностная оценка возможности фиксации составляющих утеплителя
- Исследование геометрии составляющих перопуховых композиций
- Обоснование и выбор методики конструирования и исходных данных
Введение к работе
Актуальность темы. Современные этапы развития производства, повышение благосостояния россиян предопределяют рост производства и улучшение качества выпускаемой продукции. Различные климатические условия нашей страны требуют создание рациональной одежды с объемными утеплителями для защиты от холода. Применение таких материалов предполагает разработку специальных научно-обоснованых методов проектирования, предопределяющих качество готовой продукции, рациональное использование сырья, расширение ассортимента одежды за счет нового конструктивного решения утепляющих пакетов и совершенствования технологии их изготовления. Проблемам создания теплозащитной одежды посвящены исследования и работы А. Бартона, О. Эдхолма, П.А. Колесникова, Р.Ф. Афанасьевой, З.С. Чубаровой, Л.А. Бекмурзаева, И.Ю. Бринка.
Формирование теплозащитной одежды производят, комплектуя многослойный пакет материалов. Перспективным высококачественным теплозащитным материалом является перо и пух водоплавающих птиц. Структура утеплителя определяет конструкцию деталей одежды, которые разбиваются на отсеки, препятствующие сбиванию перо-пуховой массы вниз изделия. Как правило, в теплозащитной одежде линии скрепления материалов с утепляющим слоем выполняются в горизонтальном направлении, которые зрительно увеличивают объём фигуры. Вертикальное членение позволяет добиться видимой стройности и силуэтного решения теплозащитной одежды.
Традиционные конструкции пакетов с горизонтальным простёгиванием, наряду с рядом преимуществ, имеют существенные недостатки: изменяются продольные и поперечные размеры, увеличивается толщина при придании им объёмно-пространственной формы. На участках деталей с периодически изменяющимися нагрузками наблюдается
4 перемещение перо-пухового утеплителя в сторону участков деталей с меньшими амплитудными значениями давлений. Влияние этих недостатков можно значительно снизить при использовании пакетов с вертикальным простёгиванием.
В этом случае объёмно-пространственная форма теплозащитных пакетов создаётся при их изгибании в области строчек простёгивания. Строчки простёгивания выполняют роль оси, относительно которой происходит угловое смещение смежных отсеков относительно друг друга. При проектировании теплозащитной одежды с вертикальным простегиванием необходимо иметь четкое представление о характере и величине деформации деталей в различных сечениях, взаимосвязи параметров утепляющего пакета и габаритных размеров деталей для достижения высокого уровня качества изделия. Разработка и исследование новых моделей теплозащитной одежды с вертикальным простёгиванием является актуальной задачей.
Цель диссертационного исследования заключается в исследовании и разработке теплозащитной одежды с перо-пуховым утеплителем с вертикальным простегиванием, разработке новых конструкций пакетов теплозащитной одежды с объемными утеплителями.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- установление характерной геометрии составляющих элементов перо-
пуховой композиции, определение удельного веса отдельных групп
элементов в общем объеме композиции.
- выбор и обоснование аналитических зависимостей для описания
формы составляющих элементов перо-пуховой композиции;
аналитическое определение вероятности фиксации отдельных составляющих элементов перо-пуховой композиции характерных форм и размеров;
исследование геометрии отсеков теплозащитных пакетов с
5 вертикальным простегиванием в зависимости от основных факторов, влияющих на этот параметр;
- установление взаимосвязи между размерами участков лекал и
геометрией отсеков, формирующих теплозащитные пакеты с вертикальным
простегиванием.
Основные методы исследования. Работа базируется на комплексном подходе к решению задач проектирования. Исследования теплозащитных пакетов с объемными несвязными утеплителями с вертикальным простегиванием выполнялись с использованием экспериментально-теоретических подходов, позволяющих получить результаты, адекватные действительности, с применением вероятностных методов математического анализа, теории подобия, методов математической статистики. В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, Maple для операционной системы Windows.
Научная новизна диссертационной работы заключается
в теоретическом обосновании методики вероятностной оценки возможности фиксации перо-пуховой массы в зависимости от форм и размеров составляющих элементов этой массы;
в установлении распределения составляющих элементов , перо-пуховой композиции по формам и размерам;
во введении и обосновании новых показателей, определяющих форму составляющих элементов перо-пуховой композиции - коэффициента формы и коэффициента асимметрии;
в теоретическом обосновании методики корректировки лекал деталей теплозащитной одежды с вертикальным простегиванием.
Практическая значимость работы заключается
в расширении модельного ряда теплозащитной одежды с объемными несвязными утеплителями ;
в разработке методики корректировки лекал деталей теплозащитной одежды с объемными несвязными утеплителями с вертикальным
6 простегиванием;
- в разработке художественно-конструктивного решения модели
женской куртки с перо-пуховым несвязным материалом с учетом
особенностей вертикального простегивания и внедрении новой модели в
производство;
- в разработке новых конструкций пакетов теплозащитной одежды,
защищенных двумя патентами Российской Федерации.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-практических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (ЮРГУЭС) г. Шахты в 2004 — 2006 гг., на заседаниях кафедры «ТШИиМ», на заседании научно-технического совета предприятия ООО «БВН инжениринг» г. Новочеркасск, специализирующего на выпуске изделий с перо-пуховым наполнителем.
Достоверность результатов исследования, выводов и рекомендаций подтверждается использованием в качестве теоретической базы фундаментальных работ отечественных и зарубежных ученых; использованием современных методов исследований, применением ПК и пакетов прикладных программ для анализа и обработки результатов; апробацией основных положений на конференциях и предприятиях; публикациями в центральных изданиях, защитой авторских прав двумя патентами Российской Федерации.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, получено 2 патента Российской Федерации.
Структура и объем. Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 122 наименований. Содержит 55 рисунков, 9 таблиц и 4 приложения.
Внедрение результатов исследовании. Результаты диссертационной работы использованы в проектно-конструкторской деятельности ООО «Кордура» при разработке новых моделей теплозащитной одежды.
7 Использование основных положений работы и методики проектирования позволило повысить уровень качества и эффективность производства одежды с перо-пуховым утеплителем; сократить затраты на проведение опытно-конструкторских работ.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс ЮРГУЭС: используются на кафедре ТШИиМ при чтении лекционного курса по дисциплине «Производство теплозащитной одежды», в курсовых и дипломных работах.
Систематизация конструкций теплозащитных пакетов
Теплозащитные свойства пакетов зависят от свойств материалов и конструкции пакетов теплозащитной одежды, которые уже на начальном этапе проектирования в основном определяют качество готового изделия, соответствие этого изделия предъявленным требованиям. Создание определенной толщины пакета материалов по участкам изделия может быть достигнуто путем соответствующего распределения перо-пуховой массы по поверхности, а также за счет применения пакетов различных конструкций.
В качестве конструкций пакетов теплозащитной одежды обычно используются двух-, трехслойные и комбинированные пакеты, которые формируются из двух, трех или большего количества слоев материалов [32, 93, 94, 104].
К недостаткам перечисленных конструкций пакетов теплозащитной одежды относятся ограниченные возможности регулирования теплозащитных свойств готового изделия, большой расход ценного утеплителя на единицу площади теплозащитного пакета, снижение термического сопротивления за счет высокой воздухопроницаемости пакета в области скрепления материалов оболочки. Так, толщина и расстояние между строчками простегивания находятся в тесной взаимосвязи. Изменение расстояния между строчками простегивания ведет к изменению эффективной толщины пакета, которая влияет на теплозащитные свойства готовых изделий и расход утеплителя [23].
Американские ученые предлагают использовать в пакете одновременно два вида утеплителя: синтетический и перо-пуховой. Такой утепляющий пакет включает внешнюю и внутреннюю ткань оболочки, два слоя прокладки между внутренними и внешними тканями. Первый слой прокладки, смежный с внешней тканью заполнен синтетическим утеплителем, второй слой прокладки смежный с внутренней тканью заполнен перо-пуховой смесью (нижний слой пакета). Соединение внутренних и внешних тканей со слоями изоляции расположено так, чтобы линии соединения одного из слоев прокладки располагались посередине между соединением второго слоя прокладки [96].
Представляет интерес конструкция универсального теплоизоляционного пакета, предложенного в [90], где предлагается использовать "П» - образные карманы по всей поверхности детали. На дно каждого кармана размещают емкость с перо-пуховой смесью, скрепляют ткани поперек карманов с образованием ряда клеток, после чего емкости разрушают. Данное конструктивное решение позволяет варьировать теплозащитные свойства в пределах одной детали, из которых собирается изделие.
В [6] предлагается использовать в многослойном теплозащитном пакете элемент теплоносителя из сплава, обладающего обратимой памятью формы. При изменении температуры окружающей среды, например при охлаждении, элементы разжимаются и увеличивают воздушный промежуток между верхним и нижним слоями наполнителя, что уменьшает теплоотдачу. При нормальной температуре элементы возвращаются в исходное состояние, увеличивая теплоотдачу. Элементы выполняют из сплава Си Al Zn, Си Al Ni, подвергнутого предварительной термообработке.
Современные дизайнеры предлагают теплозащитную одежду, выполненную из внешнего и внутреннего воздухонепроницаемых слоев и расположенного между ними слоя наполнителя. Конструкция содержит патрубки для подачи и отвода газа в зоне между воздухонепроницаемыми слоями, отличающаяся тем, что с целью улучшения эксплуатационных характеристик, слой наполнителя выполнен из материала, имеющего сообщающиеся между собой поры, соединён по всей поверхности с воздухонепроницаемыми слоями. Гигиеничность одежды обеспечивается крупным рельефом внутренней стороны. Рельеф образует сообщающиеся каналы, служащие для выведения наружу (при помощи рельефа горловины) углекислоты и влаги. При помощи микро-компрессора устанавливается необходимая толщина одежды в зависимости от прогноза температуры на день. Авторы [91] предлагают применять для швейных изделий особый текстильный материал для отвода и локализации продуктов кожного дыхания.
В [34] предлагается конструкция теплозащитного пакета с «ленточным креплением утеплителя», когда поочередно крепятся поперечные части деталей кроя утеплителя к лицевой и изнаночной сторонам изделия. Предлагаемые пакеты расширяют возможности регулирования физико-механических и теплозащитных свойств пакетов одежды, но обладают малой сопротивляемостью механическим нагрузкам (рисунок 1.6).
Вероятностная оценка возможности фиксации составляющих утеплителя
Точки, лежащие на выпуклой части замкнутого контура ABCD попадут под строчки простегивания при соответствующем позиционировании рассматриваемой фигуры. Но точки, лежащие на отрезке ABC могут попасть под строчки простегивания только после пересечения этими строчками контура фигуры на выпуклом участке ADC. Поэтому кривую ABC можно заменить прямой АС, что не изменит условий вероятностной задачи попадания рассматриваемого элемента под строчки простегивания. Если рассматривать возможность фиксации составляющих утеплителя в общем виде, то необходимо описать объемно-пространственную форму отдельных элементов, задать и описать аналитически возможные положения рассматриваемых составляющих в пространстве. Предварительные исследования показали, что форма отдельной пушины близка к форме шара, а форма среднего пера представляет собой изогнутый эллипс. В составе перо-пуховой композиции геометрия составляющих может деформироваться, действие внутренних сил и сила тяжести способствуют определенной ориентации этих элементов относительно материалов оболочки в процессе простегивания. Незначительное изменение геометрии при эксплуатации готовых изделий не оказывает влияния на фиксацию. Возможны случаи освобождения перьев и пушин из-под строчек простегивания или попадания новых элементов под строчки простегивания за счет естественной миграции. Рассмотрим возможность фиксации составляющих объемного несвязного утеплителя строчками простегивания. Представим один из элементов утеплителя в виде эллипса. Пусть в пространстве Oxyz задано семейство у параллельных плоскостей х = пб, п = 0,±1,±2... (6 0 - постоянная величина, равная расстоянию между строчками простегивания или линиями сварки). Эллипс с полуосями a b 0 занимает случайное положение в указанном координатном пространстве. При этом соблюдаются следующие условия: - дробная часть случайной величины Х/5 (X - абсцисса центра эллипса А, имеет равномерное распределение в промежутке [0; 1)); - конец единичного вектора нормали щ =(x;y;z) (z 0) к плоскости эллипса равномерно распределен на верхней полусфере о единичной сферы с центром в начале координат О; - после установления положения центра А и вектора UQ угол поворота эллипса вокруг А равномерно распределен в промежутке длины 2я. Определим вероятность того, что рассматриваемый эллипс не пересечет ни одну из плоскостей семейства у (событие S). Не ограничивая общности, можно считать, что Рассмотрим произвольный единичный вектор no=(x;y;z), где Очевидно, что пі = 1,пі ±П0, следовательно, по,п ,П2 есть ортонормированная система векторов. Зафиксируем произвольное действительное ф, тогда уравнения Pl = щ cos ф + n2 sin ф, р2 = -n i sin ф + n2 cos ф задают произвольную ортонормированную пару векторов в плоскости эллипса. Считая р , р2 направляющими векторами осей эллипса, найдем радиус-вектор, а затем и абсциссу текущей точки эллипса - угол, не зависящий от t (величина 0 в данном случае не имеет значения). В силу (2.1), если эллипс пересекается хотя бы с одной плоскостью семейства у, то он пересекается с плоскостью х = 0. Очевидно, что этого не происходит в том и только в том случае, если min (X + q((p)sin(t + 9)) =
Исследование геометрии составляющих перопуховых композиций
Для отбора проб исследуемых фракций перо-пуховая композиция несколько раз пропускается через установку разделения смеси УРС. Количество циклов сепарации определяется визуально по наличию в пуховой смеси перьев или по наличию пуха в перьевой смеси.
Отдельные перья или пушины из соответствующих смесей удаляются вручную. Из разных мест, полученной таким образом смеси, отбирается не менее трех проб.
В каждой пробе производится подсчет одинаковых по размеру составляющих. На основе распределения составляющих по характерным размерам строится гистофамма и выдвигается гипотеза о законе распределения.
Характерные размеры составляющих определены на основе анализа геометрии перьев и пуха. Так как форма пушин может быть описана дугой окружности, то в качестве определяющего размера выбран радиус. Перья хорошо описываются дугами эллипсов, что позволяет выбрать в качестве характерных размеров величины полуосей эллипсов. На рисунках 3.6, 3.7 и 3.8 приведены фотографии составляющих перо-пуховой смеси, описанные дугами окружностей и эллипсов.
Сложная структура пера может быть описана симметричным (классическим) эллипсом (см. рис. 3.6). При описании полупуха необходимо использовать комбинированные эллипсы. Для плавного описания контура полупуха полуоси «а» верхнего и нижнего эллипсов приняты равными между собой.
У нормально развитого пера увеличивается коэффициент формы относительно этого показателя полупуха (КА = — -), который определяется v 2а как отношение суммы полуосей , к удвоенной величине полуоси а. Так же изменяется коэффициент асимметрии комбинированного эллипса (Касэл. = /(+ )) Коэффициент асимметрии пера зависит от вида птицы. Утиное перо обычно имеет величину коэффициента асимметрии больше 0,5, а гусиное перо - меньше 0,5. Это связано со строением пера - если у утиного пера относительно острое опахало, то у гусиного - тупое.
Как было показано во второй главе, область определения коэффициента асимметрии находится в пределах 0-1,0. На возможность фиксации влияет отклонение коэффициента асимметрии от величины 0,5.
Анализ фотографий пушин, приведенных на рисунке 3.8, показывает, что они хорошо описываются дугами окружностей. Приведенные фотографии и многочисленные экспериментальные исследования доказывают возможность применения в качестве определяющего размера пушины радиуса окружности (г), описывающей контур. С целью систематизации формы и размеров составляющих перо-пуховой композиции проанализирована композиция, состоящая из 70 % пуха и 30 % пера (процентное соотношение определялось по массе составляющих).
В качестве примера рассмотрим распределение пушин по определяющему размеру (радиусу описанной окружности г).
На основании результатов экспериментального исследования геометрии и частоты встречаемости пушин различных размеров построена гистограмма, приведенная на рисунке 3.9. На гистограмме показана относительная частота встречаемости пушин в зависимости от радиуса окружности, описанной вокруг ее контура.
В результате статистической обработки экспериментальных данных установлено, что средний радиус пушин составляет 16,5 мм, среднее квадратическое отклонение составляет 4,65.
Обоснование и выбор методики конструирования и исходных данных
Термофизиологический расчет производят с учетом теплотворных особенностей организма человека (зависят от половозрастных признаков человека), степени физической нагрузки, воздействия охлаждающих факторов окружающей среды, воздухопроницаемости пакета материалов. При проектировании теплозащитной одежды бытового назначения, определяя конкретные условия эксплуатации, исходят из климатического районирования территории бывшего СССР, проведенного для целей гигиены одежды, ориентируясь на средние показатели метеорологических условий различных климатических зон. Термофизиологический расчет теплозащитной одежды производится на основе данных о метеорологических условиях, интенсивности физической деятельности человека и продолжительности пребывания его на холоде [47]. Изделиям с перо-пуховым наполнителем с вертикальным простегиванием свойственна универсальность применения в различных климатических условиях за счет свойств утеплителя и конструктивного построения утепляющего пакета. При упаковке изделий происходит смещение смежных отсеков теплозащитного пакета относительно друг друга по строчкам простегивания, что обеспечивает малый транспортный объем. Это свойство открывает широкое практическое применение для людей, образ жизни которых связан с командировками, путешествиями, вахтовым методом работы. В настоящем разделе произведен термофизиологический расчет женской куртки с перо-пуховым наполнителем с вертикальным простегиванием для двух климатических зон. Для расчета приняты следующие исходные данные: - климатическая зона - 3; -температура воздуха tB=-12C; -скорость ветра v=l 0 м/с. -время непрерывного пребывания человека на холоде т=1час (3600с); - скорость передвижения человека около 3,2 км/ч; - энергозатраты человека Q3.T= 209 Вт; -средневзвешенная температура кожи tc.K = 30±l,3 С; -дефицит тепла на один килограмм массы человека Dyn= 2,72 кДж/кг. Расчет суммарного теплового сопротивления одежды и её толщины выполняется в следующей последовательности: 1. Определяется теплопродукция организма человека: QT.II. = Оэ.т." Ч ( Q3.T- Qo), где т - термический коэффициент полезного действия, при ходьбе по ровной местности г) =0; Q3T.- энергозатраты человека, Вт; Q0 - основной обмен, Вт. Для рассматриваемых условий л =0, тогда QT.n= Q3.T 2. Общие теплопотери составят: Вуд - дефицит тепла на кг массы тела человек; М - вес человека, кг ( для расчета принята типовая фигура женщины М=65 кг, рост Р= 1,64м, площадь поверхности тела S l,72 м2). 3. Затраты тепла на нагревание вдыхаемого воздуха равны: 4. Потери тепла испарением влаги с поверхности тела и верхних дыха тельных путей: 5. Радиационно-конвективные теплопотери со всей поверхности тела человека: Средневзвешенный тепловой поток с единицы поверхности тела: 6. Используя исходные показания температуры кожи человека tCK =31,1 С и температуры воздуха tB= -12С, рассчитывается необходимое суммарное (средневзвешенное) тепловое сопротивление одежды: 7. Определяется тепловой поток с поверхности туловища, который со ставляет 21,5% общего теплового потока: где S /S=0,34 - доля поверхности туловища. Рассчитывается тепловое сопротивление одежды в области туловища где Цл = 32.3 С - температура в области туловища, соответствующая допустимой степени охлаждения организма. 8.Далее выполняется расчет исходного теплового сопротивления для реальных условий эксплуатации (при движении человека и воздействии ветра
Похожие диссертации на Исследование и разработка теплозащитной одежды с перо-пуховым утеплителем с вертикальным простегиванием
