Разработка методов прогнозирования структуры и эксплуатационных свойств тканей бытового и технического назначения на основе технологических параметров их производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Специальность 05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Разработка методов прогнозирования структуры и эксплуатационных свойств тканей бытового и технического назначения на основе технологических параметров их производства

Примаченко Борис Макарович

Санкт-Петербург

2009



Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна».

Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Труевцев Николай Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Михайлов Борис Сергеевич,

доктор технических наук, профессор Юхин Сергей Семенович,

доктор технических наук, профессор Карева Татьяна Юрьевна,

Ведущая организация: ОАО Научно-производственный комплекс «ЦНИИШЕРСТЬ»

Ученый секретарь диссертационного совета Рудин А.Е.



1. Общая характеристика работы

тканый изделие уточный нить

Актуальность. В условиях современной экономики качество выпускаемой продукции является главным фактором успешной работы промышленных предприятий. Ткани и тканые изделия бытового и технического назначения после технологических процессов ткацкого и отделочного производств должны иметь оптимальные параметры структуры и характеристики эксплуатационных свойств, которые позволяют наилучшим образом провести технологические процессы отделки, пропитки тканей специальными растворами и эмульсиями, покрытия тканей синтетическими материалами, дублирование тканей, формирования композиционных материалов на основе тканых армирующих компонентов, и в дальнейшем, позволяют тканям и тканым изделиям качественно, надежно и долговечно выполнять свои рабочие функции. Повышенные требования к оптимизации параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств предъявляются к тканям технического назначения, особенно к тканям высокой и сверхвысокой плотности.

В последние годы все большую часть в ассортименте тканей занимают многослойные ткани. В настоящее время многослойные ткани используются в различных областях жизнедеятельности человека, как бытовые, и во многих отраслях промышленности, транспорта и сельского хозяйства, как технические. Многослойные ткани и тканые изделия можно подразделить на пять основных групп: ткани для одежды, ткани и тканые изделия декоративно-бытового назначения, ткани для обуви, ткани и тканые изделия технического назначения, ткани и тканые изделия для каркасных компонентов композитов. Каждая группа достаточно многочисленна и постоянно пополняется новыми тканями. Для создания новых тканей необходимы многослойные структуры, отвечающие заданным требованиям. Очевидно, что актуальной задачей является разработка многослойных структур на основе новых многослойных переплетений. При создании многослойных тканей еще более важным элементом является оптимизация параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств.

Ткани и тканые изделия из синтетических мононитей широко применяются в промышленности и строительстве. Тканые многослойные сетки используются для работы в формовочной, прессовой, сушильной частях бумагоделательных машин (БДМ). Сетки для строительства зданий и сооружений различного назначения, геосетки для строительства автомобильных и железных дорог используются в качестве крепежного слоя. Сетки для БДМ и строительства работают в тяжелых эксплуатационных условиях. Для того чтобы сетки могли надежно работать в таких условиях, они должны быть сделаны из мононитей или высокомодульных комплексных нитей определенного вида и качества. Строение, структура и эксплуатационные свойства сеток должны быть также оптимальными для заданных условий работы.

По своей структуре и эксплуатационным свойствам особое место среди тканых материалов занимают шерстяные сукна технического назначения. Сукна имеют сложную структуру и многооперационную технологию производства. К настоящему времени не существует научно обоснованных методов проектирования и прогнозирования свойств таких сукон.

При разработке тканей бытового и технического назначения необходимо иметь математические модели их структуры и эксплуатационных свойств. Такие модели позволяют прогнозировать значения параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств, оптимизировать эти параметры и характеристики в соответствии с заданными требованиями. Применение математических моделей существенно сокращает время на разработку тканей, экономит большие финансовые и трудовые ресурсы, позволяет значительно повысить качество тканей. В перспективе математические модели структуры и эксплуатационных свойств тканей должны послужить основой для создания общей компьютерной системы текстильного производства.

Основные разделы работы выполнены в рамках ФЦП «Развитие льняного комплекса России на 1996-2000 г.», общероссийской НТП «Перспективные материалы и изделия легкой промышленности» и в соответствии с тематическими планами госбюджетных НИОКР СПГУТД на 2004-2009 г.

Цель работы и задачи исследований. Цель работы состоит в разработке и научном обосновании математических методов прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей бытового и технического назначения на основе технологических параметров их производства, в построении достоверных математических моделей структуры и эксплуатационных свойств тканей.

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи: выбрать и научно обосновать математико-механический базис методов прогнозирования; разработать методы прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей; на основе разработанных методов построить достоверные математические модели структуры и эксплуатационных свойств тканей; выполнить экспериментальные исследования процессов формирования тканей и тканых изделий; построить модель процесса формирования ткани; определить основной критерий процесса формирования ткани; разработать компьютерные методы и программы решений математических моделей; разработать методику экспериментальных исследований для определения параметров строения и механических характеристик основных и уточных нитей; определить параметры строения и механические характеристики основных и уточных нитей; выполнить прогнозирование параметров структуры и эксплуатационных свойств тканей и тканых изделий; разработать многослойные ткани на основе новых компактно-сгруппированных переплетений; разработать технологию ткачества тканей высокой и сверхвысокой плотности; выработать образцы тканей и тканых изделий; обосновать выбор объектов экспериментальных исследований; получить экспериментальные значения выбранных параметров структуры и эксплуатационных свойств; выполнить анализ полученных результатов; сделать выводы и обобщения; показать пути использования результатов диссертационной работы в промышленности, науке и высшем образовании.

Методы исследований. Методы моделирования были построены на основе теории упругости, теории вязкоупругости, механики твердого деформируемого тела, аналитической и дифференциальной геометрии, теории вероятности. Математические модели были разработаны с помощью методов дифференциального и интегрального вычисления, теоретической механики, сопротивления материалов, приближенных вычислений. Математические модели были решены с помощью компьютерных программ, разработанных в среде PASCAL, EXCEL и MATHCAD. Ткани и тканые изделия вырабатывались на обычных, тяжелых и сверхтяжелых ткацких станках с применением общепринятых и специальных заправок. Процесс формирования тканей исследовался с помощью электронных измерительных цепей в соответствии с методами планирования экспериментов. Экспериментальные исследования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей были выполнены на современных лабораторных машинах и приборах. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики. Подготовка исходных данных для моделирования осуществлялась как по стандартным методикам, так и по методикам, разработанным автором диссертации.

Научная новизна. Разработаны методы прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей бытового и технического назначения на основе технологических параметров их производства, научно обоснованы области их применения.

Построены достоверные математические модели структуры и эксплуатационных свойств однослойных, двухслойных, многослойных тканей, тканых изделий и шерстяных сукон.

Выведена формула для определения деформации уточной нити в зоне формирования ткани на ткацком станке.

Показана связь между деформацией уточной нити в зоне формирования ткани, усадкой ткани по ширине в процессе формирования и параметрами структуры ткани.

Предложен и экспериментально проверен основной критерий процесса формирования ткани, являющийся основополагающим входным параметром для модели, описывающей структуру и эксплуатационные свойства тканей.

Разработана классификация тканей бытового и технического назначения по линейному и поверхностному заполнению основными и уточными нитями.

Разработан класс компактно-сгруппированных переплетений для нового ассортимента многослойных тканей бытового и технического назначения.

Определены зависимости усадок нестабилизированных сушильных сукон технического назначения по длине, по ширине, по площади и их разрывных характеристик от температуры нагрева.

Исследовано влияние температуры нагрева, скорости движения и относительной силы растяжения сукна в процессе сушки и термостабилизации на его усадку по длине и по ширине, получены формулы для определения усадок.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанные методы прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей бытового и технического назначения на основе технологических параметров их производства и создание достоверных математических моделей структуры и эксплуатационных свойств тканей позволяют получить достаточно точные и экономически обоснованные результаты.

Созданы компьютерные программы в среде PASCAL, EXCEL и MATHCAD для прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств однослойных, двухслойных, многослойных тканей, тканых изделий и сукон.

Спроектированы фильтровально-диафрагментные ткани сверхвысокой плотности из ПЭТФ комплексных нитей и выработаны опытные партии этих тканей.

Разработан новый зевообразовательный механизм для производства тканых сеток из синтетических мононитей и комплексных нитей перевивочными переплетениями (а.с. 1224365 СССР).

Разработаны компактно-сгруппированные переплетения, позволяющие производить многослойные ткани повышенной плотности и износостойкости для одежды и обуви (а.с. 1423645 СССР).

Спроектированы многослойные ткани бытового и технического назначения на основе компактно-сгруппированных переплетений и выработаны опытно-промышленные партии этих тканей.

Показана возможность применения льно-хлопковых и хлопколавсановых многослойных тканей компактно-сгруппированных переплетений для производства одежды и обуви.

Разработаны рекомендации по выбору оптимальных технологических параметров процесса сушки и термостабилизации сушильных сукон.

Предложены три комплексных показателя качества, которые способны достоверно оценивать сукна как одной, так и разных марок.

Результаты работы широко используются автором в учебных курсах читаемых для студентов и аспирантов СПГУТД.

Основные результаты работы внедрены на ООО «Институт технических сукон» (г. Санкт-Петербург), на фабрике технических сукон ОАО «Невская мануфактура» (г. Санкт-Петербург), на ЗАО «НИЦ»СпецТПМ» (г. Санкт-Петербург), на ОАО «Ткачъ» (г. Санкт-Петербург), на ООО «НПФ»Коруна» (г. Санкт-Петербург).

Личный вклад автора состоит в выборе цели исследования, постановке задач, разработке методов прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей и тканых изделий, разработке методики экспериментов и их реализации, разработке математических моделей, обеспечивающих возможность прогнозирования структуры и свойств тканей бытового и технического назначения, анализе полученных результатов, подготовке предложений по практическому использованию и производственному внедрению выводов и рекомендаций работы. Результаты представленные в диссертации отражают самостоятельные исследования автора, его исследования и работы, выполненные в соавторстве.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных, союзных, российских и других научных симпозиумах, конференциях и семинарах, таких как: Научно-практическая конференция «Перспективные материалы и изделия легкой промышленности» (Санкт-Петербург, 1994); Всероссийские научно-технические конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Москва, 23-24 ноября 1999; 26-27 ноября 2002; 25-26 ноября 2003; 22-23 ноября 2005); Международные научно-технические конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2006, Текстиль-2007, Текстиль-2008)» (Москва, 28-29 ноября 2006; 27-28 ноября 2007; 11-12 ноября 2008); Юбилейная международная научно-техническая конференция (Санкт-Петербург, СПГУТД, 23-24 ноября 2000); Международная научная конференция «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» (Витебск, 22-23 ноября 2000); Международные научно-технические конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности (Прогресс - 2004, Прогресс - 2006)» (Иваново, 25-28 мая 2004; 30 мая-1 июня 2006); Международная конференция «Волокнистые материалы XXI век» (Санкт-Петербург, 23-28 мая 2005); Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2005)» (Димитровград, 19-20 октября 2005). А так же на научных семинарах кафедр механической технологии волокнистых материалов, ткачества, сопротивления материалов СПГУТД, текстильных коллоквиумах СПГУТД, технических семинарах ОАО «Невская мануфактура».

Публикация результатов. По материалам диссертации опубликовано 72 печатные работы, в том числе 22 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 разделов, общих выводов, списка литературы (426 наименований), приложений. Работа изложена на 396 страницах текста, включая 84 рисунка и 116 таблиц.

2. Содержание работы

Во введении изложены положения работы, характеризующие ее актуальность, научную новизну, практическую значимость, определены объекты моделирования и обоснованы диапазоны применимости разрабатываемых моделей.

В первом разделе рассмотрены опубликованные к настоящему времени работы, посвященные разработке методов моделирования, моделей структуры и физико-механических свойств тканей, процессу формирования ткани на ткацких станках, исследованию структур и физико-механических свойств тканей, исследованию строения и характеристик механических свойств пряжи и нитей различного сырьевого состава.

Моделированию структуры ткани с помощью геометрических методов посвящено большое количество работ (работы F.T. Peirce'a, Н.Г. Новикова, S. Backer'a, Ф.М. Розанова, В.М. Милашюса, Н.Ф.Сурниной, Г.И. Селиванова, В.П. Склянникова, А.А. Мартыновой, и других ученых). Многие авторы отмечали, что геометрические методы моделирования имеют невысокую точность и невозможность моделирования напряженно-деформированного состояния тканой структуры. До настоящего времени нет обоснованных рекомендаций по возможности применения геометрических методов моделирования с учетом точности получаемых результатов.

Моделированию структуры ткани с помощью механико-геометрических методов посвящены работы F.T. Peirce'a, S. Nosek'a, С.Д. Николаева, Г.В. Степанова, В.В. Чугина, H. Hahn'a, J.W.S. Hearle'a, M. Konopasek'a, G.A.V. Leaf'a, M. Zako, С.В. Ломова, С.С. Юхина, С.Г. Степанова и других ученых. Энергетический подход к выводу уравнений деформирования изложены в работах J.W.S. Hearl'a, S. De Jong'a, R. Postl'a, С.В Ломова. Их анализ показывает, что для описания структуры ткани должны быть использованы различные методы построения модели структуры однослойных, двухслойных и многослойных тканей, должны учитываться изменения формы и размеры сечений нитей, их упругие и вязкоупругие свойства, модель должна основываться на описании механики взаимодействия контактирующих в ткани нитей, обязательно должна прослеживаться связь с процессом формирования тканей. Наиболее достоверные механико-геометрические методы моделирования были разработаны С.Д. Николаевым, M. Zako, С.В. Ломовым, но и в их методах присутствуют опытные коэффициенты, учитывающие структурные и технологические особенности тканей.

Моделированию физико-механических свойств тканей посвящены работы F.T. Peirce'a, Н.Г. Новикова, О.С. N.K. Ghosh'a, N.C. Huang'a, S. Kawabata, M. Konopasek'a, B. Olofsson'a, R.D. Reauman'a, С.В. Ломова, С.Г. Степанова и других ученых. Однако они не решают задачу моделирования тканей с учетом комплекса нелинейных деформационных свойств нитей при растяжении, сжатии и изгибе, связи с процессом формирования ткани на ткацком станке.

В последние годы появились работы, в которых прогнозирование структур и физико-механических свойств тканей или тканых изделий выполняется с помощью метода конечных элементов. Большая часть этих работ посвящена прогнозированию физико-механических свойств композитов и моделированию структуры их тканых каркасных компонентов. Серьезные исследования в этом направлении выполнили M. Zako, С.В Ломов, J.D. Whitcomb, V. Carvelli, C. Poggi. Однако применение этого метода сильно ограничено существующей лабораторной базой для получения исходных данных.

Практически не изучен вопрос о методах моделирования структуры и физико-механических свойств бытовых и технических сукон с учетом технологии их производства.

Раздел 2. Параметры строения и характеристики механических свойств пряжи и нитей различного сырьевого состава.

Для прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей основным параметром строения пряжи и нитей является их диаметр или размеры поперечного сечения. Для определения диаметра нитей был применен метод микроскопии. Из экспериментальных исследований следует, что при увеличении деформации растяжения (силы растяжения) диаметр нитей существенно уменьшается. Уменьшение диаметра удобно представить с помощью детерминированно-вероятностного уравнения. Уравнения зависимости диаметра нити (D) от силы растяжения (G) были построены с помощью электронных таблиц Excel. Качество уравнений проверялось с помощью множественного коэффициента детерминации (R²). В работе представлены уравнения для пряжи и нитей 21 вида, которые были использованы в дальнейших исследованиях. Например, для хлопчатобумажной уточной пряжи гребенной системы прядения линейной плотности 7,52 текс используемой в ткани «Перкаль» диаметр уменьшается от 0,112 до 0,089 мм при увеличении силы растяжения от 0,98 до 107,8 сН. Уравнение зависимости диаметра от силы растяжения имеет вид

D = - 0,005 ln(G) + 0,112, 0,98 G 107,8, R² = 0,907 (1)



Диаграмма растяжения нити является важной частью феноменологической модели материала. Диаграмма растяжения, как часть модели материала, позволяет изучить механические свойства материала, в частности напряженно-деформированное состояние. Существует несколько вариантов задания напряженно-деформированного состояния. Для теоретического прогнозирования характеристик эксплуатационных свойств тканей наиболее удобным вариантом является задание напряженно-деформированного состояния в виде аппроксимационного многочлена. Достаточной точностью аппроксимации экспериментальной зависимости напряжения от деформации растяжения нити обладает многочлен четвертой степени. Диаграммы растяжения были получены на измерительных комплексах «Instron 1122», «Strograph R» и «Statigraph L» при скорости деформации (dе/dt) равной 0,0083 с^-1. Экспериментальные данные были обработаны с помощью электронных таблиц Excel. В работе представлены диаграммы растяжения для пряжи и нитей 20 видов.

При прогнозировании структуры и прочностных свойств ткани важное значение имеет радиально-осевой коэффициент деформации нитей при растяжении (коэффициент поперечного сжатия нитей при растяжении) и их модуль жесткости. Радиально-осевой коэффициент деформации нитей (м_rx) вычисляется по формулам

м_rx = - е_r / е_x, е_r = (D_е - D₀) / D₀, (2)

где е_r - относительная деформация пряжи в радиальном направлении, е_x - относительная деформация пряжи в осевом направлении, D₀ - диаметр пряжи при начальной деформации в осевом направлении, D_е - диаметр пряжи при деформации е_x.

Радиально-осевые коэффициенты деформации нитей определяли экспериментально одновременно с определением их диаметров. Результаты исследований показывают, что радиально-осевые коэффициенты существенно изменяются при увеличении силы растяжения. Изменение коэффициента деформации удобно представить с помощью детерминированно-вероятностного уравнения. Уравнения зависимости коэффициентов деформации от силы растяжения были построены с помощью электронных таблиц Excel. В работе представлены радиально-осевые коэффициенты деформации пряжи и нитей 18 видов. Например, для хлопчатобумажной уточной пряжи линейной плотности 7,52 текс радиально-осевой коэффициент деформации уменьшается от 22,38 до 6,70 при увеличении силы растяжения от 1,96 до 107,8 сН. Уравнение зависимости диаметра от силы растяжения имеет вид

м_rx(G) = - 3,932 ln(G) + 25,104, 1,96 G 107,8 , R² = 0,939 (3)

Значения модулей жесткости (ГПа) в зависимости от относительной деформации были определены путем графического дифференцирования диаграмм растяжения нитей. Уравнения зависимости модулей жесткости (E) от относительной деформации растяжения (е) были построены с помощью электронных таблиц Excel. В работе представлены модули жесткости пряжи и нитей 15 видов. Например, модуль жесткости хлопчатобумажной уточной пряжи линейной плотности 7,52 текс имеет следующую зависимость

E(е) = 5,569 - 330,7 е + 15744 е² - 211364 е³+ 18424 е⁴, (4)

0 < е 0,042, R² = 0,953

В деформированных пряжах и нитях с течением времени развиваются процессы релаксации напряжений. Релаксация напряжений уменьшает значение модулей жесткости нитей в тканой структуре, что в свою очередь приводит к изменению всех ее внутренних сил и напряжений. Изменение внутренних сил и напряжений приводит к изменению самой структуры. Для определения изменения модуля жесткости нитей при растяжении (ГПа) с течением времени и нахождения модуля релаксации были выполнены экспериментальные исследования на измерительном комплексе «Instron 1122». Образцы нитей деформировались на предварительно определенную величину со скоростью 0,00417 с^-1, например, для хлопчатобумажной пряжи эта величина составляла 1,5-2,5 %, а для ПЭТФ нитей 8 %. После этого, в течении 6-10 минут измерялось изменение силы растяжения образца. Экспериментальные данные были обработаны с помощью электронных таблиц Excel. После обработки были получены уравнения для определения модуля релаксации. Первая цифра в обозначении модуля показывает начальную относительную деформацию нити. В работе представлены модули релаксации пряжи и нитей 17 видов. Например, для хлопчатобумажной уточной пряжи линейной плотности 7,52 текс

E(0,02;t) = - 0,111 ln(t) + 2,501, 0 < t 10, R² = 0,977 (5)

Результаты исследований диаметра нитей показали, что сила растяжения оказывает на него значительное влияние. При повышении силы до 100-200 сН диаметр может уменьшиться на 25-30 %. Такое уменьшение диаметра особенно сильно сказывается на размере площади поперечного сечения и величине момента инерции сечения нити. Построенные диаграммы растяжения нитей различного сырьевого состава, строения и структуры показывают существенные различия между их механическими свойствами. Полученные детерминированно-вероятностные уравнения достаточно точно описывают зависимость силы растяжения от относительной деформации. Модуль жесткости нитей при растяжении является основной характеристикой их механических свойств. Закон изменения модуля жесткости оказывает большое влияние на структуру и эксплуатационные свойства тканей. Результаты исследований показывают, что при изменении деформации от 0 до 2,5 %, модуль жесткости для хлопчатобумажной пряжи изменяется в 2-3 раза, а для ПЭТФ нитей - в 2,5-3,5 раза. Релаксация напряжений в нитях оказывает заметное влияние на величину модуля жесткости. Например, при времени релаксации 6-10 минут, модуль жесткости для хлопчатобумажной пряжи уменьшается на 25-30 %; для ПЭТФ нитей - на 20-25 %.

Раздел 3. Механико-аналитический метод прогнозирования параметров структуры и характеристик прочностных свойств тканей бытового и технического назначения.

Механико-аналитический метод рассматривается применительно к прогнозированию параметров структуры и характеристик прочностных свойств тканей бытового и технического назначения, вырабатываемых из одиночной и крученой хлопчатобумажной и хлопкольняной пряжи, из одиночных и крученых ПЭТФ комплексных нитей.

В первом подразделе выполнен анализ деформационного состояния основных и уточных нитей в тканой структуре и разработана классификация тканей по линейному и поверхностному заполнению. В предлагаемой классификации все ткани разделены на четыре группы: ткани низкого, среднего, высокого и сверхвысокого заполнения. Во втором подразделе на основе классификации тканей разработан механико-аналитический метод прогнозирования параметров их структуры и характеристик прочностных свойств. Тканая структура является единым целым за счет наличия многочисленных контактов между нитями. В области контактов основных и уточных нити создаются силы взаимного давления, которые скрепляют их между собой. Чем больше силы взаимного давления, тем выше прочность тканой структуры. Сила взаимного давления зависит от деформации изгиба и растяжения основной и уточной нити. Сила взаимного давления деформирует основную и уточную нити в области контакта и устанавливает их смятие. Тканая структура становится определенной, если известны следующие параметры: размеры поперечного сечения нитей; расположение нитей в структуре; силы растяжения нитей внутри структуры; силы взаимного давления между основными и уточными нитями в области контактов; длины, прогибы и смятия нитей; фаза строения, толщина структуры; линейное, поверхностное и объемное заполнение нитями; поверхностная и объемная пористость; поверхностная и объемная плотность. Прочность для большинства тканей является основной составляющей комплексного показателя качества. В процессе эксплуатации ткани подвергаются нагрузкам и деформациям значительно меньшим, чем разрушающие, поэтому прогнозирование характеристик прочностных свойств во всем диапазоне нагружений и деформаций, получение диаграмм растяжения позволяет предсказать поведение и оптимальный режим при их эксплуатации. Важными характеристиками прочности являются: разрывные усилия и деформации; усилия в рабочих диапазонах деформаций; диаграммы растяжения в различных направлениях; работы сил разрыва; работы сил растяжения в рабочих диапазонах деформаций.

Рисунок 1

Предлагаемый механико-аналитический метод основывается на следующих предположениях:

1. Считаем нити изотропной средой.

2. Принимаем модуль жесткости среды равным расчетному модулю жесткости, полученному как среднее геометрическое из модуля жесткости реальной нити при осевом растяжении и модулей жесткости при радиальном сжатии.

3. Так как почти все пряжи из натуральных и химических волокон, все текстильные комплексные нити и синтетические мононити являются полимерными материалами, необходимо учитывать релаксацию напряжений, возникающую в нитях с течением времени.

4. Принимаем коэффициент деформации среды (коэффициент Пуассона) равным расчетному коэффициенту деформации полученному как среднее геометрическое из радиально-осевого коэффициента деформации реальной нити при осевом растяжении и осе-радиальных коэффициентов деформации при радиальном сжатии.

5. При взаимном изгибе основной и уточной нити в области контакта напряжение вызывается только упругой деформацией, пластическая деформация не влияет на это напряжение. Из этого предположения следует, что для расчета перемещений и растяжений можно использовать методы теории упругости и вязкоупругости.

6. Будем рассматривать ткани, у которых толщина основных нитей равняется толщине уточных нитей (D_o = D_y = D).

Рассмотрим ткань полотняного переплетения. Выделим базовый элемент, заменив отброшенные части реакциями связи (рисунок 1). В результате реализации механико-аналитического метода получена система уравнений, позволяющая рассчитать параметры структуры и характеристики прочностных свойств ткани:

, (6)



, (7)

, (8)

, (9)

, (10)

, (11)

где Q - сила взаимного давления между основной и уточной нитью в области контакта; D - диаметр основных и уточных нитей в тканой структуре; E_o, E_y - модуль жесткости, соответственно, основных и уточных нитей; I_oy, I_yо - момент инерции сечения, соответственно, основной нити относительно оси y и уточной нити относительно оси о; м_o, м_y - коэффициент деформации поперечных размеров, соответственно, основных и уточных нитей; n - расстояние между уточными нитями; l - расстояние между основными нитями; l_y - длина уточной нити, приходящаяся на расстояние l; S - площадь поперечного сечения основных и уточных нитей в тканой структуре; G_o, G_y - модуль жесткости при сдвиге, соответственно, основных и уточных нитей; F_h - сила растяжения основных нитей в момент заступа; F_s - сила растяжения основных нитей от зевообразования в момент прибоя. Например, прогиб основной (c) и уточной (н) нити в области контакта, их смятие (w) определяются по следующим формулам:

, , (12)

, (13)

В основе метода построения диаграммы растяжения ткани в направлении основы или утка лежит последовательное увеличение растяжения ткани (пошаговое изменение расстояния между нитями противоположной системы) с одновременным вычислением деформации растяжения нитей основы или утка и сил их растяжения. Относительная деформация растяжения ткани, например, в направлении основы на i - ом шаге (е^f_oi) определяется по формуле

, n_i = n + iДn, (14)

где n_i - расстояние между нитями утка на i - ом шаге растяжения, i - число шагов, Дn - приращение деформации растяжения. Относительная деформация растяжения основных нитей (е_oi) определяется по формуле

, (15)

где K_oi - длина кривой участка АВ основной нити на i - ом шаге растяжения. Силу растяжения ткани на i-ом шаге (A^f_xi), приходящуюся на одну нить основы, можно получить из выражения

A^f_xi = A_xi - A_x, (16)

где A_xi - сила (реакция) A_x на i - ом шаге растяжения.

Анализ процесса растяжения ткани в направлении основы (утка) показал, что этот процесс можно разделить на два этапа. На первом этапе происходит распрямление изогнутых нитей основы (утка) и дополнительный изгиб нитей утка (основы). На втором этапе происходит растяжение нитей основы (утка) вплоть до разрыва. Таким образом, приращение деформации растяжения ткани продолжается до тех пор, пока на r-ом шаге не будет выполнено условие разрыва основных нитей.

Разрывное удлинение ткани в направлении основы (е^f_or) определяется по формуле

, (17)

где n_r - расстояние между нитями утка на r - ом шаге растяжения, при котором выполняется условие разрыва. Разрывную нагрузку ткани (A^f_xr), приходящуюся на одну нить основы, можно получить из выражения

A^f_xr = A_xr - A_x, (18)

где A_xr - сила A_x на r - ом шаге растяжения.

При построении диаграммы растяжения ткани вводятся дополнительные предположения:

1. Будем считать, что при растяжении ткани в направлении основы сила растяжения уточной нити в структуре и длина кривой участка US уточной нити являются постоянными величинами. Соответственно, при растяжении ткани в направлении утка будем считать постоянными величинами силу растяжения основной нити в структуре и длину кривой участка AB основной нити.

2. При растяжении ткани в направлении основы можно предположить, что модуль жесткости E_o и модуль жесткости при сдвиге основной нити меняются в зависимости от растягивающих усилий, а модуль жесткости E_y и модуль жесткости при сдвиге уточной нити остаются неизменными. Соответственно, при растяжении ткани в направлении утка модуль жесткости E_y и модуль жесткости при сдвиге уточной нити меняются в зависимости от растягивающих усилий, а модуль жесткости E_o и модуль жесткости при сдвиге основной нити остаются неизменными.

В третьем подразделе выведена формула для определения деформации уточной нити (е_у) в процессе формирования ткани полотняного переплетения

, (19)

где h_y - высота волны уточной нити в зоне формирования ткани при переднем положении берда. Выполнено исследование влияния вида переплетения уточной и основных нитей на абсолютную и относительную деформацию уточной нити, рассмотрена возможность применения формулы (19) для расчета параметров структуры суровой и готовой ткани.

Четвертый подраздел посвящен производству и исследованию технологических процессов ткачества тканей из пряжи и нитей различного сырьевого состава. Ткани вырабатывались на фабриках «Рабочий», «Октябрьская», объединении «Возрождение» г. Санкт-Петербурга, в научно-производственном центре и в лаборатории кафедры ткачества СПГУТД. При выработке исследован процесс формирования следующих тканей: перкаль, поплин, бязь, костюмная хлопчатобумажная, костюмно-плательная хлопчатобумажная, костюмно-плательная хлопкольняная, полиэфирные для спецодежды, полиэфирные для обуви специального назначения, фильтровальные полиэфирные. Процесс формирования ткани оценивался с помощью общей силы растяжения основных нитей в зоне формирования ткани. Общая сила растяжения основных нитей определяется силой растяжения в момент прибоя. В ходе экспериментальных исследований были определены силы растяжения нитей основы в момент прибоя и их составляющие: сила растяжения нитей в момент заступа, сила растяжения нитей от зевообразования в момент прибоя, сила растяжения нитей от прибоя в момент прибоя, а также определена сила растяжения уточной нити перед прибоем. Для отдельных тканей в ходе экспериментальных исследований было определено влияние технологических параметров на силы растяжения нитей основы в момент прибоя и силы растяжения уточных нитей перед прибоем. В результате исследований были построены уравнения зависимости силы растяжения основных и уточных нитей от технологических параметров процесса ткачества и проведена их оптимизация. Исследования позволили определить, что общая сила растяжения основных нитей является основным критерием процесса формирования ткани и основополагающим входным параметром для модели, описывающей ее структуру и эксплуатационные свойства.

В разделе выполнены исследования поверхностной плотности технических тканей с высоким и сверхвысоким заполнением структуры основными и уточными нитями.

Сравнение результатов теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований параметров структуры тканей показало достаточно хорошее их совпадение. Например, относительная разность для длины основных и уточных нитей в структуре, для их прогибов в области контактов, для толщины тканей находится в интервале 10-20 %, для фазы строения ткани - в интервале 5-15 %, для поверхностной плотности тканей - в интервале 1-10 %, для объемной плотности - в интервале 10-25 %. Строение, структура, механические свойства нитей оказывают большое влияние на результаты прогнозирования параметров структуры ткани. Например, относительная разность результатов для тканей, состоящих из одиночных нитей значительно меньше, чем для тканей, состоящих из крученых нитей.

Сравнение результатов теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований характеристик прочностных свойств тканей показало достаточно высокую точность разработанного метода. Например, относительная разность для разрывных усилий и деформаций хлопчатобумажных тканей находится в интервале 5-20 %, полиэфирных тканей - в интервале 10-25 %.

Рисунок 2

На рисунке 2 представлены прогнозируемая и экспериментальная диаграммы растяжения вдоль основы, полученные при исследовании образцов ткани «Бязь», арт. 142. Разность между прогнозируемыми и экспериментальными значениями работ сил разрыва при растяжении тканей вдоль основы находится в интервале от 19,6 до 38,0 % при среднем значении 24,2 %.

При сравнение результатов теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований необходимо учитывать то, что на точность прогнозирования оказывают влияние причины случайного характера: неоднородность параметров строения и структуры нитей, неоднородность характеристик механических свойств нитей, отклонение параметров строения тканей от их номинальных значений, изменение структуры и характеристик механических свойств нитей (особенно основных) под действием технологических операций ткачества.

Раздел 4. Технолого-геометрический метод прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей и тканых изделий технического назначения.

Технолого-геометрический метод рассматривается применительно к прогнозированию параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканых сеток технического назначения: сушильных, прессовых, строительных и геосеток.

Сушильные и прессовые сетки для БДМ и картоноделательных машин (КДМ) вырабатывают из ПЭТФ мононитей или ПЭТФ комплексных нитей в полиамидной оболочке на тяжелых ткацких станках сложным переплетением. После снятия со станка суровые сетки проходят термофиксацию. В результате термообработки происходит получение необходимых размеров сеток и их фиксация, разглаживание лицевой поверхности сеток, стабилизация оптимальной структуры и оптимальных эксплуатационных свойств. Для сушильных и прессовых сеток наиболее важными являются следующие параметры структуры: форма и размеры поперечного сечения нитей; расположение нитей в структуре; длины, прогибы и смятия нитей; толщина структуры; линейное, поверхностное и объемное заполнение нитями; поверхностная и объемная пористость; сквозная пористость под углом к поверхности сетки; поверхностная и объемная плотность. В процессе работы сетки должны надежно выдерживать технологические нагрузки и деформации, пропускать через свою структуру большие объемы воздуха, тепла и воды. Отсюда наиболее важными характеристиками эксплуатационных свойств сеток являются усилия в рабочих диапазонах деформаций; диаграммы эксплуатационных растяжений в продольном направлении; работы сил растяжения в рабочих диапазонах деформаций и воздухопроницаемость. В разделе рассматривается прогнозирование структуры и эксплуатационных свойств сушильных сеток марок СК-1М, СК-3М и АД-57, вырабатываемых на фабрике технических сукон ОАО «Невская мануфактура».

Предлагаемая технолого-геометрическая модель сушильных и прессовых сеток основывается на следующих предположениях:

1. Считаем нити сплошной средой.

2. Учитывая структуру сеток, предполагаем уточные нити абсолютно жесткими на изгиб.

3. Будем считать радиальную жесткость мононитей во много раз больше радиальной жесткости комплексных нитей в оболочке.

4. Принимаем во внимание изменение формы, размеров и механических свойств основных и уточных нитей в результате технологических процессов производства сеток.

Расположение основных и уточных нитей в структуре сетки зависит от параметров строения и механических характеристик нитей, параметров строения и технологических параметров ее выработки. Расположение нити в раппорте определяется координатами точек ее оси относительно выбранной системы координат. Расположение нитей, например, в структуре сетки СК-1М двулицевого переплетения с дополнительным утком на базе четырехремизного сатина может быть получено только из анализа структуры.

Рисунок 3



На рисунке 3 изображен продольный разрез раппорта переплетения основных и уточных нитей сетки СК-1М. Технолого-геометрический метод прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств сетки основан на геометрическом анализе

, , D_ov = D_oC_op, (20)

, , (21)

где D_o, D_y - диаметр основных и уточных нитей в структуре сетки, F_o - сила растяжения основных нитей в процессе формирования сетки на ткацком станке, D_ov - вертикальный диаметр основных нитей в области контакта с уточными нитями, C_op - коэффициент смятия основных нитей в области контакта, n_r - расстояние между рядами уточных нитей в структуре сетки, б₁, б₂ - структурные углы основных нитей. Длина участка zyvabft оси основной нити (L_o) определяется по формуле

(22)

Относительное приращение длины основных нитей в структуре сетки (е _of^*) -

(23)

Высоту волны (h_fo) и прогиб (c) основных нитей можно найти из выражений



, (24)

Коэффициент смятия основных нитей в области контакта с уточными нитями был определен экспериментально, C^e_op = 0,70, при этом смятие уточных нитей в области контакта незначительно, C^e_yp ? 1,0. Толщина сетки определяется через высоту волны и диаметр основных нитей

(25)

Линейное заполнение основными и уточными нитями, суммарное линейное заполнение нитями поверхности структуры сетки определяются по общеизвестным формулам. Объемное заполнение нитями - по формулам

, , L_y = 2l, , (26)

где l - расстояние между основными нитями в структуре сетки. Объемная пористость может быть найдена через объемное заполнение. Для определения поверхностной и объемной плотности используются формулы

, , (27)

, , a_o = е _of^* - е _os^*(F_o), a_y ? 0,

где T_o, T_y - линейная плотность, соответственно, основных и уточных нитей, P_o,P_y - плотность сетки, соответственно, по основе и по утку, е _os^*(F_o) - относительная деформация основных нитей от силы растяжения основных нитей в момент прибоя.

Для расчета усилий в рабочих диапазонах продольной деформации сетки и построении диаграммы растяжений используем геометрический метод, основанный на приращении растяжения сетки (Дn_r). После каждого приращения растяжения сетки рассчитывается деформация основных нитей (е_ot), их сила растяжения (F_ot), сила растяжения сетки (F_of), суммарное (e_oy^*) и объемное (k^*) заполнение, поверхностная (p_s) и объемная (p_b) пористость. При этом предполагается, что уточные нити продолжают оставаться в двух плоскостях и расстояние между этими плоскостями (Д) не изменяется. Деформация и сила растяжения основных нитей, сила растяжения сетки СК-1М на i-том шаге определяются системой уравнений

, (28)

где i - шаг продольного растяжения сетки внутри интервала 0 - 8 %, Дn_r - приращение растяжения сетки, е_os^*(i) - относительная деформация основных нитей от растяжения сетки на i-ом шаге, е_ot^*(i) - относительная деформация основных нитей на i-ом шаге растяжения сетки с учетом деформации основных нитей в процессе формирования ткани, е_os^*(F_o) - относительная деформация основных нитей в процессе формирования ткани, F_ot(i) - сила растяжения основных нитей на i-ом шаге растяжения сетки, F_of(i) - сила растяжения сетки на i-ом шаге.

Воздухопроницаемость сетки (В_a) СК-1М, структура которой имеет сквозную пористость, была определена с помощью детерминированно-вероятностной модели воздухопроницаемости на основе экспериментальных данных. В качестве модели воздухопроницаемости (дм³/(м²с)) была принята модель, полученная М.В. Горячевым

, (29)

где C_d - параметр, характеризующий строение сетки, ДP - перепад давления сетки.

В результате технологического и геометрического анализа были получены формулы для прогнозирования и, с помощью компьютерных программ, выполнено прогнозирование параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств сушильных сеток марок СК-1М, СК-3М и АД-57. Экспериментальные исследования структуры и эксплуатационных свойств сеток были выполнены как по стандартным методикам, так и по методикам, разработанным автором диссертации. В таблице 1 и 2 представлены результаты теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований основных параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств термофиксированных сушильных сеток, их относительная разность. На рисунке 4 представлена прогнозируемая и экспериментальная диаграмма продольного растяжения сетки АД-57 в рабочем диапазоне деформаций.

В разделе рассматривается прогнозирование параметров структуры экспериментальных прессовых сеток (ПС-1, ПС-2), разработанных сотрудниками кафедры ткачества ЛИТЛП и выработанных в экспериментально-опытном производстве института. В результате технологического и геометрического анализа были получены формулы для прогнозирования и, с помощью компьютерных программ, было выполнено теоретическое прогнозирование параметров структуры прессовых сеток. Экспериментальные исследования структуры прессовых сеток были выполнены как по стандартным методикам, так и по методикам, разработанным автором диссертации.

Рисунок 4

В разделе рассматривается также технолого-геомет-рический метод прогнозирования параметров структуры и характеристик прочностных свойств строительных сеток и геосеток. Описаны особенности эксплуатации этих сеток и технология их производства, сформулированы задачи прогнозирования, выполнен технологический и геометрический анализ структур сеток, выведены формулы для прогнозирования и выполнено теоретическое прогнозирование параметров структуры и характеристик прочностных свойств. Были выполнены экспериментальные исследования для сеток двух типов, проведен сравнительный анализ результатов теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований.

Сравнение результатов теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств для всех типов сеток показало достаточно хорошее их совпадение.

Таблица 1. Результаты теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований основных параметров структуры сушильных сеток

Параметр структуры	СК-1М	СК-3М	АД-57
Толщина, мм	Прогнозируемая	2,32	2,30	1,91
	Экспериментальная	2,23	2,41	1,77
Относительная разность, %	4,0	4,6	7,9
Структурный угол, град	Прогнозируемый	36,17	34,98	37,87
	Экспериментальный	36,5	31,5	39,3
Относительная разность, %	0,9	11,0	3,6
Относительная длина основной нити в сетке, %	Прогнозируемая	24,41	22,94	16,43
	Экспериментальная	21,1	19,9	14,1
Относительная разность, %	15,7	15,3	16,5
Объемное заполнение нитями структуры сетки, %	Прогнозируемое	36,23	53,03	41,37
	Экспериментальное	39,2	53,6	46,1
Относительная разность, %	7,6	1,1	10,3
Объемная пористость, %	Прогнозируемая	63,77	46,97	58,63
	Экспериментальная	60,8	46,4	53,9
Относительная разность, %	4,9	1,2	8,8
Поверхностная плотность, г/м2	Прогнозируемая	1091,7	1308,6	1097,2
	Экспериментальная	1135	1357	1126
Относительная разность, %	3,8	3,6	2,6
Объемная плотность, г/м3	Прогнозируемая	470500	567700	575600
	Экспериментальная	509000	563100	636200
Относительная разность, %	7,6	0,8	9,5

Таблица 2. Результаты теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований основных характеристик эксплуатационных свойств сушильных сеток

Характеристика физико-механических свойств	СК-1М	СК-3М	АД-57
Сила растяжения при деформации 5 %, Н/нить	Прогнозируемая	10,2	10,5	22,8
	Экспериментальная	11,9	12,2	26,8
Относительная разность, %	14,3	13,9	14,9
Работа силы растяжения при деформации 5 %, Н*м/нить	Прогнозируемая	0,0559	0,0577	0,1217
	Экспериментальная	0,0632	0,0642	0,1551
Относительная разность, %	11,6	10,1	21,5
Воздухопроницаемость, дм3/(м2*с)	Прогнозируемая	3784	1515	2650
	Экспериментальная	3240	1520	2170
Относительная разность, %	16,8	0,3	22,1

Для основных пара-метров структуры сушильных сеток СК-1М, СК-3М и АД-57 относительная разность результатов не превосходит 16,5 %. Технолого-геометрический метод прогнозирования параметров структуры сушильных сеток позволяет определить зависимость суммарного линейного заполнения основными и уточными нитями поверхности, объемного заполнения нитями и объемной пористости структуры сеток от эксплуатационной деформации растяжения. Например, при увеличении продольной деформации растяжения от 0 до 8 % объемная пористость сетки СК-1М увеличивается от 63,8 до 66,2 %, сетки СК-3М - от 44,7 до 50,5 %, сетки АД-57 - от 58,6 до 61,4 %. Такое увеличение объемной пористости сеток может привести к существенному изменению количества влаги удаляемого из бумажного полотна в процессе сушки на БДМ или КДМ. Для основных характеристик эксплуатационных свойств сеток СК-1М, СК-3М и АД-57 относительная разность результатов не превосходит 22,1 %. Для большинства характеристик относительная разность не превосходит 20 %. Наибольшее расхождение результатов (22,1 %) наблюдается при исследовании воздухопроницаемости, особенно для сеток сложного строения, использующих несколько видов основных и уточных нитей. Технолого-геометрический метод прогнозирования диаграммы эксплуатационных растяжений позволяет определить зависимость силы растяжения сеток в продольном направлении от относительной деформации. Например, при увеличении деформации растяжения от 0 до 8 % сила растяжения сетки СК-1М (на одну нить основы) увеличивается от 0 до 13,9 Н, сетки СК-3М - от 0 до 14,3 Н, а сетки АД-57 - от 0 до 32,3 Н. Такое увеличение силы растяжения приводит к существенному повышению нагрузки на натяжные валы в сушильных секциях машины и, как следствие, к значительному увеличению энергии, расходуемой электроприводами сушильных секций. Так для сеток СК-1М и СК-3М при увеличении деформации на 1 % средняя сила растяжения повышается на 1,8 Н, что при числе основных нитей на один метр сетки, соответственно, 1880 и 1884, в сумме составляет 3384,0 и 3391,2 Н. Если принять, что на БДМ и КДМ последнего поколения ширина сеток составляет 8-10 метров, то применительно ко всей сетке повышение силы растяжения составит 27072-33840 Н для сетки СК-1М и 27130-33124 Н для сетки СК-3М. Для сетки АД-57 при увеличении деформации на 1 % средняя сила растяжения повышается на 4,0 Н, что при числе основных нитей на один метр сетки 1250, в сумме составит 5000 Н. Применительно ко всей сетке, повышение силы растяжения составит 40000-50000 Н.

...