Разработка методов прогнозирования структуры и эксплуатационных свойств тканей бытового и технического назначения на основе технологических параметров их производства (27.04.2009)

Автор: Примаченко Борис Макарович

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 льнохлопковых и хлопколавсановых многослойных тканей компактно-сгруппированных переплетений для производства одеж-ды и обуви.

Разработаны рекомендации по выбору оптимальных технологических парамет-

ров 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.

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 эксплуатацион-

ных 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-деформи-рованного 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 (d?/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 (?rx) вычисляется по формулам

?rx = - ?r / ?x , ?r = (D? – D0) / D0 , (2)

где ?r – относительная деформация пряжи в радиальном направлении, ?x – относитель-ная деформация пряжи в осевом направлении, D0 – диаметр пряжи при начальной деформации в осевом направлении, D? - диаметр пряжи при деформации ?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

?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 (?) 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


загрузка...