Содержание к диссертации
Введение
1 Современные подходы к проектированию теплозащитной одежды с п объемными утепляющими материалами
1.1 Теплообмен в системе "человек-одежда-окружающая среда" 10
1.2 Влияние основных свойств материалов на теплозащитные свойства, пакетов одежды
1.2.1 Влияние основных свойств объемных материалов 16
1.2.2 Влияние основных свойств материалов оболочки 24
1.3 Влияние скорости ветра, воздухопроницаемости материалов и « конструкции одежды на ее теплозащитные свойства
1.4 Анализ способов конструктивного решения пакетов теплозащитной одежды с объемными утепляющими материалами
1.5 Анализ возможности учета геометрии отсеков при проектировании изделий с объемными несвязными утеплителями
Выводы 48
2 Аналитическое исследование геометрии теплозащитных пакетов объемно-пространственной формы
2.1 Выбор способов аналитического описания геометрии отсеков теплозащитных пакетов с объёмными несвязными наполнителями
2.1.1 Нахождение кривой регрессии, приближающей границу отсека дугой окружности
2.1.2 Нахождение кривой регрессии, приближающей границу отсека дугой эллипса
2.1.3 Приближение контура поперечного сечения отсека обобщенной цепной линией
56
2.2 Аналитическое исследование геометрии симметричных пакетов объёмно-пространственной формы
2.3 Аналитическое исследование геометрии асимметричных пакетов 65
Выводы 74
3 Экспериментальное исследование основных свойств теплозащитных пакетов с объемными несвязными утеплителями
3.1 Исследование воздухопроницаемости объемных материалов,сформированных в виде отсеков теплозащитных пакетов
3.1.1 Разработка методики эксперимента 77
3.1.2 Экспериментальное исследование воздухопроницаемости и обсуждение результатов
3.2 Исследование геометрии отсеков объемно-пространственной формы
3.2.1 Исследование деформации материалов оболочки 99
3.2.2 Исследование деформации отсеков в направлении, перпендикулярном строчкам простегивания
3.2.3 Исследование геометрии отсеков в направлении, перпендикулярном строчкам простегивания
3.3 Исследование миграции составляющих перо-пуховой массы через швы изделий с объемными утепляющими материалами
3.3.1 Обоснование методики экспериментальных исследований миграции
3.3.2 Экспериментальное исследование миграции и обсуждение результатов
Выводы 132
4 Разработка методики конструирования теплозащитной одежды с объёмными несвязными утепляющими материалами
4.1 Термофизиологический расчет теплозащитной одежды 135
4.2 Разработка базовой конструкции одежды с объемными несвязными утепляющими материалами
4.3 Корректировки лекал швейных изделий с объемными наполнителями
4.4 Внедрение методики проектирования одежды с объемными наполнителями в производство
Выводы 158
Основные результаты работы и выводы 159
Библиографический список 162
Приложения 174
- Влияние основных свойств материалов на теплозащитные свойства, пакетов одежды
- Анализ способов конструктивного решения пакетов теплозащитной одежды с объемными утепляющими материалами
- Нахождение кривой регрессии, приближающей границу отсека дугой окружности
- Экспериментальное исследование воздухопроницаемости и обсуждение результатов
Введение к работе
В настоящее время в нашей стране и за рубежом в результате постоянного расширения сферы деятельности человека возрос интерес к разнообразной спортивной и специальной одежде. Повышаются требования к качеству швейных изделий, их ассортименту. Повышение уровня качества швейных изделий и обновление их ассортимента обеспечивается путем внедрения новых моделей и за счет совершенствования конструкций изделий, использования современной техники и технологии их изготовления, за счет применения новых материалов.
В климатических условиях нашей страны особое значение имеют теплозащитные функции одежды. Правильно подобранная теплозащитная одежда соответствующая своему целевому назначению, способствует сохранению здоровья и повышению работоспособности. Создание одежды для защиты от холода в соответствии с конкретными условиями эксплуатации является сложной задачей. Основные функции теплоизоляции в одежде выполняют слои относительно неподвижного воздуха. С целью создания таких слоев вводятся теплоизоляционные прокладки. Для удобства эксплуатации они могут отстегиваться. В настоящее время выпускаются различные по способу изготовления, сырьевому составу и структуре утепляющие прокладки, расширяется их ассортимент за счет новых химических материалов.
Проблемой создания рациональной одежды для защиты от холода занимались отечественные и зарубежные ученые П.А.Колесников, Р.Ф.Афанасьева, П.П. Кокеткин и З.С. Чубарова, А. Бартон и О. Эдхолм. Вопросам проектирования перо-пуховой одежды посвящены работы Л.А. Бекмурзаева, И.Ю. Бринка, Т.В. Денисовой, Т.Е. Пасековой и др.
В последнее время в качестве утеплителей все чаще применяют объемные материалы. Перспективным теплозащитным материалом является натуральный теплоизолирующий наполнитель - перо и пух водоплавающей
5 птицы. Из нетрадиционного материала он превращается в модный и удобный теплозащитный наполнитель, что связано с его преимуществами по целому ряду свойств. Несмотря на глобальное потепление климата, увеличивается спрос на удобные, практичные, теплые, непромокаемые, не продуваемые, невесомые, экологичные пуховики.
При проектировании и изготовлении изделий большое внимание
уделяется снижению массы, повышению формоустойчивости и
теплозащитных свойств при сохранении или снижении себестоимости одежды. Решение этой проблемы возможно за счет введения в перо-пуховую смесь других материалов в оптимальных количествах при сохранении заданного уровня качества.
При производстве теплозащитной одежды с объемными несвязными утеплителем возникают дефекты характерные для этого вида изделий, изменение поперечных размеров при огибании пакетов вокруг тела человека. При проектировании одежды данного вида необходимо учитывать изменение размеров и конфигурации отсеков теплозащитной одежды. Устранение дефектов одежды на стадии проектирования является актуальной задачей.
Производство теплозащитной одежды с объемными несвязными утеплителями требует решения вопросов повышения качества и снижения материалоемкости этой одежды.
Одним из определяющих факторов при оценке теплозащитных свойств одежды является ее воздухонепроницаемость. Она влияет на теплозащитные свойства, снижая тепловое сопротивление. К воздухопроницаемости материалов для зимней одежды предъявляются высокие требования, так воздухопроницаемость основных материалов должна быть в пределах 7-60 дм /(м с) в зависимости от скорости ветра. Материалы, имеющие воздухопроницаемость выше верхнего предела, должны применяться с ветрозащитной прокладкой.
Метод определения воздухопроницаемости текстильных материалов,
регламентируемый ГОСТ 12088-77, не дает точных результатов при
испытании объемных утеплителей. Вследствие этого возникает
необходимость разработки такого способа определения
воздухопроницаемости, который отражает условия работы объёмных материалов в период их эксплуатации. Разработка нового способа позволит получать стабильные, сопоставимые результаты, отражающие поведение теплозащитных пакетов в эксплуатационных условиях.
Существенным недостатком перо-пухового наполнителя является его миграция через покровную ткань и через проколы материала иглой при образовании соединительных швов одежды, что влияет на внешний вид и потребительские свойства изделий. Устранение этих недостатков позволит повысить уровень качества одежды с такими утеплителями и расширит ассортимент подобной одежды.
Следовательно, проектирование рациональной теплозащитной одежды для различных климатических и производственных условий и повышение уровня ее качества являются актуальной задачей. Успешное решение этой задачи возможно только на базе системного подхода, на основе комплексных исследований совокупности свойств материалов, пакетов и конструктивных решений.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - основной целью работы является разработка методики проектирования и методов повышения эксплутационных свойств одежды с объемными несвязными наполнителями, позволяющих расширить ассортимент швейных изделий с утепляющими материалами этого класса заданного уровня качества при сохранении или снижении себестоимости.
Для достижения поставленной цели работа выполнялась по следующим приоритетным направлениям:
- установление взаимосвязи между геометрией теплозащитных пакетов
и размерами тела человека;
- разработка инструментальных способов определения основных
7 свойств материалов, формирующих теплозащитные пакеты, и разработка методов повышения уровня качества теплозащитной одежды;
- разработка аналитических методов оценки показателей уровня
качества теплозащитной одежды с перо-пуховыми утеплителями;
разработка и исследование новых конструкций пакетов теплозащитной одежды с объемными утеплителями, позволяющими снизить материальные затраты при сохранении заданного уровня качества.
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Работа основывается на системном подходе к решению задач проектирования. Исследования выполнялись с привлечением аналитических, абстрактно-логических методов и методов математической статистики. В работе использованы программы Microsoft Word, Microsoft Exel, Maple для операционной системы Windows 2000 и Windows ХР.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА - научная новизна работы заключается в следующем:
Теоретически обоснована методика измерения геометрических размеров асимметричных пакетов объемно-пространственной формы для теплозащитной одежды с объёмными несвязными утеплителями. Обосновано подобие геометрии пакетов, обернутых вокруг цилиндрической поверхности, при изменении шага простёгивания этих пакетов и при изменении радиуса цилиндрической поверхности.
Впервые теоретически обоснована необходимость регулируемой посадки отдельных слоев материалов оболочки вдоль строчек простёгивания. Установлена взаимосвязь между уровнем относительной посадки материалов оболочки и допустимой толщиной теплозащитных пакетов для изделий разных размеров.
- Разработан новый способ определения воздухопроницаемости
объёмных материалов и устройство, реализующее разработанный способ
применительно к пакетам теплозащитной одежды. На разработанные способ
и устройство получено два патента Российской Федерации на изобретение.
Разработан способ снижения миграции составляющих объёмных несвязных утеплителей через швы соединения деталей путём введения термопластических прокладок, доводимых до вязко-текучего состояния в процессе выполнения швов или при окончательной влажно-тепловой обработке готовых изделий. Разработанный способ защищен патентом Российской Федерации.
Разработана конструкция асимметричного пакета теплозащитной одежды. Разработанная конструкция защищена патентом Российской Федерации.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ работы состоит в следующем:
- Установлена взаимосвязь между регулируемой посадкой материалов
оболочки вдоль шва простёгивания и толщиной теплозащитных пакетов;
- Разработаны нормированные показатели сокращения поперечных
размеров отсеков теплозащитных пакетов с объёмными несвязными
утепляющими материалами при формировании объёмно-пространственной
формы швейных изделий в процессе окончательной сборки (монтажа)
изделия;
Разработана методика проектирования теплозащитной одежды, учитывающая конструкцию и изменения геометрии отсеков пакетов при придании им объемно-пространственной формы;
Достигнуто сокращение экспериментальных исследований и повышена воспроизводимость результатов определения воздухопроницаемости отсеков пакетов теплозащитной одежды с объёмными несвязными утепляющими материалами.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ:
Основные результаты работы докладывались на международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов», в г. Новочеркасске в 2000 году, на научно-практических конференциях Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса (г. Шахты) и Северо-Осетинского
9 государственного университета (г. Владикавказ) в 1999-2002 гг.
ПУБЛИКАЦИИ:
По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей, получено 4 патента Российской Федерации.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ:
Диссертационная работа изложена на 173 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 114 наименований. Содержит 59 иллюстраций, 14 таблиц и приложения.
ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ:
Методика проектирования теплозащитной одежды с объемными наполнителями внедрена на АО «Одежда» (г. Владикавказ) с февраля 1999 г. по апрель 2002 г.
Преимущества внедренного мероприятия — повышение качества выпускаемой продукции, экономия перо-пухового утеплителя, сокращение нерациональных остатков материалов, снижение себестоимости изделия.
Основные показатели, характеризующие результаты внедрения: экономический эффект на единицу изделия составил 68 рублей 73 коп., экономия затрат на утеплитель на единицу изделия составила 30 рублей 25 коп.
В соответствии с актом внедрения ЗАО «ПГ ИЛС» методика проектирования теплозащитной одежды с объемными наполнителями позволяет учитывать изменение размеров теплозащитных пакетов при создании окончательной объемной формы изделий. Расчет толщины теплозащитных пакетов позволяет учитывать различную степень уменьшения размеров деталей стана (переда, спинки) и рукавов, что повышает возможности учета этих параметров на стадии разработки конструкции.
Результаты работы внедрены в учебный процесс в ЮРГУЭС и СОГУ.
Влияние основных свойств материалов на теплозащитные свойства, пакетов одежды
Для проектирования теплозащитной одежды с объемными наполнителями большое значение имеет возможность прогнозирования поведения пакетов в процессе эксплуатации. Сохранению стабильных размеров и формы пакетов способствуют показатели физико-механических свойств, величина которых должна обеспечить противодействие влиянию внешних нагрузок. Уровень показателей физико-механических свойств не должен изменяться в значительной степени при изменении факторов внешней среды (повышенная влажность, температура, давление и т.п.).
Основная функция в обеспечении необходимой теплоизоляции одежды принадлежит пакету ее материалов, при формировании которого большую значимость имеют теплофизические характеристики утепляющего слоя (утеплитель). Значительное влияние на теплоизоляцию пакета материалов и комплекта одежды в целом оказывает толщина утепляющего слоя, способность сохранять эту толщину в процессе эксплуатации изделия. В меньшей степени на показатели теплозащитных свойств пакета материалов оказывает влияние природа волокнистого состава утеплителя [1,5].
Ярко выраженным представителем первой группы является перопуховая масса водоплавающих птиц, каждый структурный элемент которой не связан с другим. Отдельные пушины и перья могут легко отделяться друг от друга даже при слабом движении воздуха. К этой группе также можно отнести и оленью шерсть.
Вторая группа представляется волокнами шерсти и хлопка и некоторые синтетические материалы. Волокна утеплителей этой группы имеют способность связываться между собой с образованием устойчивых "комков" неопределенной формы. Массе волокон утеплителей второй группы можно придать устойчивые формы путем свойлачивания.
К группе сформированных объемных утепляющих материалов можно отнести различные нетканые материалы, которые получены искусственным путем. Такие материалы получают скреплением между собой отдельных структурных элементов различных утеплителей. Скрепление может быть выполнено различными способами: иглопробивной, свойлачивание, гидроструйный, вязально-прошивной, склеивание, сваривание и т. п.
Анализ утепляющих материалов показал, что в настоящее время имеется широкий выбор объемных утеплителей на базе синтетических материалов. Так, для выработки новых утепляющих объемных материалов используется гидроструйная экологичная технология. Особенность гидроструйной технологии состоит в том, что скрепление волокнистой массы производится с помощью водяных струй без применения каких-либо химических связующих. Водяные струи под большим давлением по заданной схеме-траектории пронизывают волокнистую массу, сближают волокна, перепутывают их и прочно связывают в зонах их прохождения. Особенно прочное связывание волокон происходит в направлениях швов, образованных с помощью водяных струй, и в узлах пересечения этих швов [7].
Утепляющий материал содержит волокнистый холст, состоящий из смеси полиэфирных волокон и скрепленный рядами швов, образованных от воздействия водяных струй. Швы расположены в диагональных направлениях под определенным углом (в пределах от 45 до 89 градусов) к долевому направлению полотна, что существенно повышает прочность. Расстояние между рядами швов составляет не более 1,6 10" м. Материал имеет перфорацию - отверстия, размер которых не превышает 1 10 3 м. Материал обладает высокими прочностными и теплоизоляционными свойствами без использования дополнительных связующих и дублирующих материалов. Регулярная перфорация в материале обеспечивает хорошую воздухопроницаемость и отвод от тела испарений.
В настоящее время в качестве утепляющих материалов используются отечественный клееный утеплитель "сентипон", а также зарубежные аналоги: "Termolite" фирмы "Дюпон" (США), "Thinsulate" фирмы "ЗМ" (США)[5,6,7,8,9]. "Termolite" изготавливается методом экструзии расплава полиолефина и состоит из тонких невытянутых полиолефиновых волокон толщиной (1-2) 1СГб м, которые имеют аморфную структуру, вследствие чего они непрочны, а это приводит, при воздействии переменных нагрузок, возникающих при носке изделий, к их смятию, свойлачиванию и потере формы. Кроме того, полиолефиновые волокна неустойчивы при химической чистке.
Материал "Thinsulate" изготавливают способом скрепления волокнистых холстов, содержащих термопластичные компоненты (термопластичные волокна, порошки, бикомпонентные волокна), продувом через них горячего воздуха. Внутренние слои таких материалов всегда скреплены хуже, чем наружные. Это приводит при носке изделий к сдвигу наружных слоев относительно внутренних и миграции волокон через наружный слой одежды. Наличие связующих в материале нежелательно с точки зрения гигиены, а выделение из термопластичных волокон низкомолекулярных фракций опасно.
В США разработан [95] двухслойный утепляющий нетканый материал, состоящий из волокнистого холста из полиэфирных волокон, скрепленного в долевом направлении швами, полученными с помощью водяных струй, и сдублированного с дополнительным материалом, состоящим из непрерывных полиэфирных нитей.
Необходимость соединения волокнистого холста с готовым легким нетканым полотном из непрерывных полиэфирных нитей, по утверждению авторов [95], обусловлено тем, что при скреплении волокнистого холста продольными швами, полученными с помощью водяных струй, не обеспечивается достаточная прочность материала.
Представляет интерес теплозащитный материал, предлагаемый в [10]. Теплозащитный материал содержит термостойкую волокнистую основу, слой влагозащитного материала с нанесенным на него слоем металлизированного покрытия. В качестве влагозащитного материала используют пористый материал, выбранный из класса полиолефинов, фтор-, хлор-, кремнийсодержащих полимеров с размером пор (0,01 - 1,0) 10" м, а в качестве металлизированного покрытия - алюминий, медь, нитрид титана с толщиной слоя (0,05 - 0,25) 10" м. Авторы [10] считают, что использование данного материала позволит повысить комфортность защитной одежды за счет создания условий, обеспечивающих отвод паров избыточной влаги тела непосредственно через теплозащитный материал, упрощение конструкции пакета материалов для пошива одежды, повышение ее эксплуатационных свойств и эффективности защитного действия.
Анализ способов конструктивного решения пакетов теплозащитной одежды с объемными утепляющими материалами
Качество готового изделия и его соответствие предъявляемым требованиям в основном определяет конструкция объемных пакетов. В работах [6,52,83,84] приводятся различные классификации объемных пакетов для теплозащитной одежды. Но приводимые классификации не включают всего многообразия конструкций пакетов и требуют дополнения в связи с разработкой новых пакетов. Введение классификации позволяет систематизировать терминологию в области производства теплозащитных изделий и конкретизировать требования к различным утепляющим пакетам.
Так как свойства объемных пакетов в основном определяются свойствами материалов оболочки и утепляющего слоя, в [6,83] предлагается в качестве первого уровня классификации принять вид утепляющего слоя. По виду утепляющего слоя пакеты делятся на три класса..
На втором уровне рассматривается количество слоев материалов оболочки, непосредственно скрепленных с утепляющим слоем (сквозным простегиванием, сваркой, склеиванием и т. п.). По этому принципу классификации пакеты с объемными несвязными утеплителями делятся на двух -, трехслойные и комбинированные. Комбинированные пакеты состоят из двух или трех перечисленных пакетов.
В зависимости от свойств и размеров материалов, формирующих "лицевую" и "изнаночную" стороны пакета, они делятся на симметричные и асимметричные. При изготовлении асимметричных пакетов, ширина материалов оболочки с разных сторон пакета различна. Разница в ширине позволяет получить объемную форму при меньшей плотности утеплителя, так как в этом случае происходит предварительная деформация слоя материала с той стороны, с которой больше размер оболочки. Использование материалов с меньшими показателями жесткости с любой стороны пакета ведет к снижению затрат объемного несвязного утеплителя. На рисунке 1.7 показаны различные конструкции пакетов с объемными несвязными утеплителями. Как следует из формул (1.22-1.24), геометрия отсеков пакетов зависит от физико-механических свойств материалов оболочки и утеплителей. Чем больше Еут и меньше EJy, тем меньше будет деформироваться объем утепляющего слоя. Следовательно, будет меньше расходоваться утеплителя для получения заданной толщины.
При подборе физико-механических свойств материалов на этапе проектирования теплозащитных изделий необходимо учесть условия эксплуатации этих изделий и топографию расположения утепляющего слоя. На опорных участках и на участках изделий, подверженных воздействию статических и динамических сжимающих напряжений следует увеличить плотность заполнения отсеков. Но эта плотность может быть значительно снижена на участках, на которых отсутствуют сжимающие напряжения.
Для изделий, которые предполагается эксплуатировать в периодически меняющихся условиях, необходимо предусмотреть комбинированные пакеты -симметричный с асимметричным, два двухслойных пакета с различной плотностью заполнения и т. п.
При эксплуатации изделий в районах с сильным ветром необходимо подбирать материалы пакетов таким образом, чтобы давление ветра не изменяло в значительной степени размеров (толщины) теплозащитных пакетов. Эффекта сохранения толщины можно также добиться увеличением удельного веса теплоизоляционных прокладок, увеличивая плотность заполнения отсеков. Такое решение вопроса приводит к увеличению веса всего изделия.
Наиболее эффективным направлением повышения теплозащитных свойств пакетов без существенного увеличения их веса следует считать такое направление, когда происходит армирование теплозащитного слоя различными элементами повышенной жесткости. К такому решению можно отнести применение ячеистых наполнителей на базе пенополиуретана или других полимеров.
Представляет интерес конструкции теплозащитных пакетов, предложенные в [84] и показанные на рисунке 1.8, где предлагается использовать жесткость нетканых материалов на изгиб для сохранения толщины пакетов. Это предложение требует дополнительной проработки, потому что желаемый результат может быть получен только в определенном интервале изменения величин показателей физико-механических характеристик материалов оболочки и объемных нетканых полотен.
При расчете теплового сопротивления пакетов одежды с объемными несвязными утепляющими материалами рассчитывается средневзвешенная толщина, которая является исходной для детального расчета формы и геометрических параметров отсеков. В дальнейшем производится перераспределение этой средневзвешенной толщины по участкам тела человека. Эффективность утепления локальных участков тела определяется коэффициентом эффективности утепления, определяемым как КЭФФ=КСУМ.ЛОК /КСУМ.СР.ВЗВ , (1 -6) где КЭФФ - коэффициент эффективности утепления участков тела; RCYMJIOK -суммарное термическое сопротивление утепляющего слоя конкретного локального участка тела; ЯСУМ.СР.ВЗВ - суммарное средневзвешенное термическое сопротивление утепляющего слоя на всей поверхности тела, покрытого одеждой.
Расчет геометрии отсеков связан с физико-механическими свойствами материалов оболочки и утепляющей прокладки. Физико-механические свойства материалов оболочки входят в расчет в виде жесткости. Свойства материалов утеплителя учитываются в виде модуля упругости при сжатии, удельного веса и способности восстановления первоначального объема.
В случае теплозащитных пакетов с объемными несвязными утепляющими материалами средневзвешенная толщина не отражает неравномерность распределения толщины по площади пакета. Максимальная толщина пакета может значительно отличаться от величины средневзвешенной толщины.
Такая неравномерность должна учитываться при проектировании изделий с объемными несвязными утепляющими материалами. Так, при расчете конструкции необходимо оперировать максимальной толщиной пакетов, а при тепловом расчете необходимо учитывать геометрию отсеков этих пакетов и величину воздушных прослоек.
Подобная неравномерность распределения толщины наблюдается и в теплозащитной одежде, в качестве утепляющего слоя которой применяют нетканые полотна. В работе [94] приводятся сравнительные показатели свойств материалов, слои которых не скреплены друг с другом или скреплены ниточным и клеевым способами. Суммарное тепловое сопротивление пакетов определяли на приборе ПТС-225. Испытания проводили в условиях спокойного воздуха и прилегания пакета к поверхности прибора. Характеристика пакетов и результаты испытаний приведены в таблице 1.3.
Авторы рассматриваемой работы обращают внимание на то, что при скреплении слоев нетканых материалов происходит снижение суммарного термического сопротивления. Это снижение значительно при увеличении общей толщины пакета. Термическое сопротивление простеганного пакета с тремя слоями ватина приблизительно равно термическому сопротивлению пакета, полученного без скрепления слоев. Простегивание практически исключает вклад одного слоя в суммарное термическое сопротивление пакета. Строчки простегивания объемных пакетов снижают эффективность утепления на локальных участках, расположенных вдоль этих строчек.
Нахождение кривой регрессии, приближающей границу отсека дугой окружности
В результате аналитического обзора литературных источников установлено, что увеличение доли пера в композиции перо-пуховой массы повышает уровень физико-механических свойств, увеличивает коэффициент восстановления первоначального объема. Вместе с тем снижаются эксплутационные свойства смеси, изделия с подобным утеплителем обладают повышенной жесткостью и миграцией составляющих через материалы оболочки.
Для определения воздухопроницаемости композиций пух+перо была проведена серия экспериментальных исследований. Исследования проводились на точечных образцах (навесках) в состав которых входили пух, мелкое и среднее перо. Сортировку (сепарацию) составляющих смеси выполняли с использованием специального портативного сортировочного аппарата, разработанного в процессе выполнения настоящей работы. Сортировка пера пуха производится по парусности в потоке восходящего воздуха. В разработанном однокамерном сортировочном аппарате условия сортировки задаются скорость воздушного потока, которая регулируется специальной задвижкой.
Результаты экспериментальных исследований воздухопроницаемости перопуховой массы пересчитаны в показатели удельной воздухопроницаемости по формуле (3.1). На рисунке 3.5 показана зависимость удельной воздухопроницаемости композиций объемных утепляющих материалов от процентного содержания пера в точечных пробах. Плотность точечных проб в процессе испытания на воздухопроницаемость изменялась путем изменения давления на эти пробы.
Как видно из рисунка, увеличение процентного содержания пера в композиции ведет к повышению показателя удельной воздухопроницаемости. Угол наклона кривых Byfli=f(%nepo, р) растет при увеличении %перо- Абсолютные значения показателя удельной воздухопроницаемости выше у тех проб, плотность которых ниже. Аналогичные результаты получены и при исследовании удельной воздухопроницаемости композиции с процентным соотношением пера и пуха 50/50 при изменении процентного содержания синтетического утеплителя. Варьирование процентным содержанием утеплителя в пределах (0-30)% не оказывает существенного влияния на показатель удельной воздухопроницаемости.
Воздухопроницаемость материалов одежды определяется влиянием тех факторов, которые связаны с пористостью и величиной удельной поверхности материалов [73]. Чем больше удельная поверхность, тем больше трение, возникающее на поверхности волокон, и сопротивление материала движению воздуха. Основное влияние на воздухопроницаемость текстильных материалов оказывают следующие факторы: число нитей по основе и утку на 100 мм, характер переплетения нитей, линейная плотность и величина крутки текстильных нитей.
При возрастании плотности исследуемого материала за счет изменения объемной плотности происходит изменение удельной поверхности объемных материалов и изменяются условия движения воздушного потока через объемный материал. Возрастание величины удельной поверхности приводит к повышению затрат удельной энергии на трение воздуха об эту поверхность, воздушный поток также тратит энергию на изменение направления движения. Взаимосвязь между удельной воздухопроницаемостью и объемной плотностью, приведенная на рис. 3.5, хорошо согласуется с результатами работ [65,73], где показано, что влияние числа нитей по основе и утку на воздухопроницаемость тканей возрастает по мере их уменьшения. При высоких значениях суммарного числа нитей по основе и утку степень их влияния на скорость течения воздушного потока резко снижается.
Показатель удельной воздухопроницаемости для объемных материалов, предлагаемый в настоящей работе, является универсальной величиной, которая позволяет существенно сократить экспериментальные исследования при проектировании теплозащитной одежды.
Экспериментальные исследования воздухопроницаемости перо-пуховой смеси проводились на приборе ВПТМ-2, в котором камера разрежения и система нагружения объемных утеплителей были заменены на разработанное испытательное устройство — универсальный рабочий столик.
Предварительно подготовленные компоненты пуха и пера в течение двух суток выдерживались при влажности окружающего воздуха 65 % и температуре 20 С. Плотность композиции в процессе экспериментальных исследований изменялась путем варьирования давления на точечную пробу. Максимальная величина плотности, при которой проводились исследования, было принято равным 20 кг/м3, что дает возможность проследить изменение воздухопроницаемости в широком диапазоне. Выбранная величина максимальной плотности обосновывается тем, что это значение может быть получено в области строчек простегивания, которые прокладываются по предварительно заполненному теплозащитному пакету.
Для расчета необходимого количества смеси объемного утеплителя в каждом опыте выполнены исследования по определению взаимосвязи между плотностью и давлением. Исследования проводились путем помещения навески композиции перо-пуховой массы в вертикальный цилиндрический стакан и нагружения этой навески различными давлениями. Давление создавалось вертикальным трубчатым штоком со сменными грузами и насадкой. Трубчатая конструкция штока и использование сменных насадок и грузов позволяют изменять давление в широком диапазоне. Так, общий вес штока с насадкой 0,0245 кг обеспечивает минимальное давление 49 Па. На рисунке 3.6 показана механическая характеристика перо-пуховой смеси, в состав которой входит 30% пера и 70% гусиного пуха.
Предварительный анализ и экспертная оценка позволили выявить три фактора, оказывающих наиболее значительное влияние на воздухопроницаемость объемных материалов, сформированных в виде части отсека теплозащитного пакета: Xi - плотность объемного утеплителя; Х2 -половина центрального угла, опирающегося на выпуклую часть оболочки между строчками простегивания; Хз - толщина пакета в области строчек простегивания.
Отрицательные знаки при коэффициентах регрессии показывают, что увеличение значения каждого фактора приводит к снижению воздухопроницаемости. Анализ влияния каждой пары факторов на показатель воздухопроницаемости показывает увеличение параметра оптимизации при совместном увеличении значений рассматриваемых факторов. Для детального представления влияния рассматриваемых факторов на характер изменения воздухопроницаемости построены поверхности отклика при фиксированных величинах одного из этих параметров. Для статистической обработки результатов и их графического воспроизведения использован пакет прикладных математических программ Maple 7.0.
На рисунках (3.8-3.10) показано парное влияние факторов на величину воздухопроницаемости объемных материалов, сформированных в виде части отсека теплозащитного пакета. На рисунке 3.11 показаны поверхности фиксированных значений воздухопроницаемости в области варьирования рассматриваемых параметров.
Как видно из поверхностей и сечений, показанных на рисунках, увеличение значений показателей толщины h, плотности перопуховой массы р и угла ф ведет к снижению величины воздухопроницаемости. Наибольшее влияние на воздухопроницаемость оказывает толщина. При возрастании толщины происходит резкое снижение воздухопроницаемости.
Экспериментальное исследование воздухопроницаемости и обсуждение результатов
Измерительный стенд представляет собой жесткую металлическую раму 1, удерживаемую » вертикальном положении боковыми стойками 8. По верхней и нижней горизонтальным направляющим 2 и 12 передвигаются роликовые каретки 13 и 15. К этим кареткам прикреплены вертикальные направляющие 4, жестко соединённые между собой. По вертикальным направляющим перемещается блок 6 узла для измерения толщины отсека. Непосредственно измерение толщины производится измерительным щупом 16, который может перемещаться ручкой 14 в плоскости, перпендикулярной плоскости образца.
При измерении внутренних размеров объемно-пространственных пакетов используется длинный щуп. На горизонтальных и вертикальных направляющих расположены измерительные линейки 9 снабжённые нониусами. Блок измерения толщины снабжен соответствующей линейкой с нониусом для установки блока 6 в начальной точке измерения. После установки точки отсчёта перемещение измерительного щупа производится микрометрическим винтом с автономной шкалой. Микрометрический винт перемещения измерительного щупа 16 связан с ручкой 14. Измерительный щуп может быть включён в электрическую цепь, что позволяет фиксировать момент соприкосновения щупа с поверхностью.
Измерение геометрических размеров плоских пакетов проводится в следующей последовательности. Верхний срез исследуемого образца расправляется и свободно фиксируется на нижней рейке верхнего зажима 3. Эта рейка снабжена иглами, фиксирующими срез исследуемого образца. Нижний срез образца пропускается в технологический зазор между рейками нижнего зажима 10 и к нему прикрепляется груз для создания равномерной растягивающей нагрузки (на рисунке показана распределенная нагрузка). В таком положении образец выдерживается 10 минут для релаксации напряжений. Далее верхний и нижний срезы образца фиксируются соответствующими зажимами с прорезиненными губками. Блок измерения толщины отсека устанавливается и фиксируется в начальном положении.
Измерительный щуп перемещается микрометрическим винтом до соприкосновения с поверхностью исследуемого образца. Измеряемые координаты отсчитываются по соответствующим шкалам. Для измерения координат новой точки измерительный блок перемещается на заданную величину Ah по горизонтальным и вертикальным направляющим. Величину перемещения Ah выбирают таким образом, чтобы между крайними точками исследуемого сечения получить не менее 10 результатов. Шаг измерения может быть изменен в зависимости от кривизны исследуемого участка сечения. Рисунок 3.16 — Принципиальная схема специального трехкоординатного измерительного стенда (1- жесткая вертикальная рама; 2 - верхняя горизонтальная направляющая; 3 -верхний зажим; 4 - вертикальные направляющие; 5 - пакет с объемным утеплителем; 6 - блок измерения толщины отсека; 7 - каретка для перемещения в вертикальной плоскости; 8 - боковая стойка; 9 - линейка с нониусом; 10 - нижний зажим; 11 - равномерная нагрузка для предварительного натяжения; 12 - нижняя горизонтальная направляющая; 13 - нижняя каретка для перемещения в горизонтальной плоскости; 14 - ручка микроскопического винта; 15 - верхняя каретка; 16 - измерительный щуп)
Для исследования геометрии отсеков объемно-пространственной формы вместо верхнего зажима 3 используется диск диаметром 0,3 м, который крепится на жестком коромысле. Диск может вращаться в горизонтальной плоскости вместе с образцом относительно центра (см. рис. 3.15).
Образцы для исследования плоской и объемно-пространственной формы обрабатывались на универсальной стачивающей машине, частота строчки составляла 3-4 стежка на 10 мм. Для обработки применялись иглы №(90-100), хлопчатобумажные и армированные нитки. В качестве объемного утепляющего материала применялась перо-пуховая масса водоплавающих птиц (гусь). Объемный утеплитель выдерживался в нормальных климатических условиях в течение трех суток. Образцы прикрепляются по периметру диска специальными кнопками (см. рис. 3.13, 3.15). Расстояние между точками крепления кнопками равно 0,05 м. Для равномерного натяжения образцов используется металлическое кольцо, которое прикрепляется к нижней свободной части образцов булавками. Расстояние между точками прикрепления (шаг) равно 0,05 м. Для измерения внутренних размеров пакетов объемно-пространственной формы используется удлиненный щуп. На рисунке 3.17 показано расположение пакета в процессе измерения внутренних размеров.
В главе 2 теоретически обоснована величина деформации, которая возникает в процессе создания объемно-пространственной формы пакетов при огибании цилиндра (тела человека). В настоящем разделе проведена серия экспериментов, которая практически определяет влияние огибания на дополнительную деформацию.
Для исследования степени влияния огибания отсеков вокруг цилиндра на геометрию этих отсеков были подготовлены образцы следующих размеров: длина 0.98 м, ширина 2 +0,04 м. Размеры образцов определены из средневзвешенных размеров отсеков, встречающихся в готовой одежде с объемными несвязными утепляющими материалами. Расстояние между строчками простегивания принято равным і — 0,1-0,2 м. Свободные концы для крепления к круговому диску и к подвешиванию груза равны 0,5 +0,02 м (0,02 м — технический припуск для крепления к круговому диску и к грузу).
Серия экспериментов по исследованию объемно-пространственной формы отсеков позволила выявить факторы, оказывающие существенное влияние на исследуемые параметры. Было установлено три таких фактора: максимальная толщина отсека, расстояние между строчками простегивания до заполнения пакета и жесткость материалов оболочки.
