Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов определения тангенциаьного сопротивления текстильных материалов 9
1.1 Общие сведения о тангенциальном сопротивлении 9
1.2 Методы и приборы для определения тангенциального сопротивления . 13
1.2.1 Методы определения коэффициента тангенциального сопротивления волокон и нитей
1.2.3 Методы определения коэффициента тангенциального сопротивления полотен 22
1.3 Факторы, оказывающие влияние на величину тангенциального сопротивления 34
1.4 Выводы по первой главе и постановка задачи исследования . 41
2. Разработка метода и измерительной системы для определения тангенциального сопротивления текстильных полотен 43
2.1 Обоснование актуальности разработки инструментального метода оценки тангенциального сопротивления полотен
2.2 Разработка метода определения тангенциального сопротивления текстильных полотен
2.3 Разработка измерительной системы для определения тангенциального сопротивления текстильных полотен 45
2.3.1 Выбор принципа действия измерительного преобразователя 45
2.3.2 Разработка механической части измерительной системы . 47
2.3.3 Разработка измерительной части системы измерений . 50
2.4 Метрологическая оценка измерительного канала измерительной системы 57
2.5 Определение тангенциального сопротивления полотен 64
2.6 Выводы по второй главе . 65
3. Разработка методики определения коэффициента тангенциального сопротивления полотен
3.1 Разработка алгоритма определения коэффициента тангенциального 67 сопротивления текстильных полотен
3.2 Подготовка проб для испытаний 68
3.3 Подготовка измерительной системы (наладка оборудования, 69 калибровка датчика) 3.4.Обоснование параметров испытаний 70
3.5 Проведение измерений и обработка результатов 79
3.6 Исследование КТС тканей разного волокнистого состава . 82
3.7 Выводы по третьей главе 83
4. Разработка метода прогнозирования коэффициентов тангенциального сопротивления льняных тканей 84
4.1 Обоснование выбора и характеристики объектов исследований 84
4.2 Исследование взаимосвязи коэффициентов тангенциального сопротивления льнохлопковых тканей с характеристиками их строения.. 88
4.3 Прогнозирование коэффициента тангенциального сопротивления льняных тканей по характеристикам их строения 91
4.4 Выводы по четвертой главе . 97
5. Практическое использование результатов, полученных в диссертационной работе 98
5.1 Прогнозирование КТС тканей по переплетению при выборе материалов для швейных изделий 98
5.2 Разработка рекомендаций по проектированию льняных тканей с заданными свойствами 102
5.3 Выводы по пятой главе 104
Общие выводы 105
Литература 107
- Факторы, оказывающие влияние на величину тангенциального сопротивления
- Разработка измерительной системы для определения тангенциального сопротивления текстильных полотен
- Проведение измерений и обработка результатов
- Прогнозирование коэффициента тангенциального сопротивления льняных тканей по характеристикам их строения
Введение к работе
Актуальность темы. В современных условиях растет степень внедрения информационных технологий и автоматизации в производства текстильной и легкой промышленности. Это обусловлено необходимостью выпуска конкурентоспособной отечественной продукции. Но внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР) одежды на предприятиях России осложняется отсутствием отечественных инструментальных методов оценки технологических и потребительских свойств материалов. За рубежом подобные инструментальные комплексы известны и широко используются.
Задача, решаемая в рамках диссертационного исследования, является одной из составляющих глобальной задачи по созданию инструментального комплекса определения свойств текстильных материалов. Предлагаемый метод определения тангенциального сопротивления позволит решить эту задачу относительно исследования трения полотен.
Тангенциальное сопротивление, как физическое явление, присутствует как во многих технологических операциях, так и в процессе эксплуатации швейных изделий. От тангенциального сопротивления зависят условия выполнения и параметры таких технологических операций как настилание, разрезание и стачивание материалов, выбор конструкции швов, методов обработки.
В зависимости от тангенциального сопротивления определяется назначение материалов. Важно отметить, что величина тангенциального сопротивления крайне важна при выборе и использовании тканей технического назначения. Знание характеристик тангенциального сопротивления позволяет научно обосновано подходить к процессу конфекционирования материалов. Количественной характеристикой тангенциального сопротивления является коэффициент тангенциального сопротивления (КТС).
На сегодняшний день отсутствует регламентированный стандартом метод определения тангенциального сопротивления текстильных полотен. ГОСТ 8495 «Ткани текстильные. Метод определения трения поверхности» отменен сорок лет назад. Таким образом, разработка нового метода оценки тангенциального сопротивления полотен является актуальной.
В производственных условиях не всегда есть возможность проведения экспериментальных исследований, поэтому актуальной является разработка метода прогнозирования КТС.
Цель диссертационного исследования - обеспечение качества изделий и создание автоматизированного измерительного комплекса для реализации САПР одежды на базе разработки нового метода определения коэффициента тангенциального сопротивления полотен.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих научных и технических задач:
систематизация существующих методов для определения тангенциального сопротивления текстильных нитей, волокон и полотен;
разработка метода определения тангенциального сопротивления текстильных полотен, приближенного к условиям эксплуатации;
разработка автоматизированной измерительной системы для реализации метода;
разработка методики определения коэффициента тангенциального сопротивления, обоснование параметров испытаний;
исследование взаимосвязи коэффициента тангенциального сопротивления с характеристиками строения льняных тканей;
разработка метода прогнозирования КТС льняных тканей;
разработка рекомендаций по практическому использованию результатов исследований.
Общая характеристика методов исследования. Для решения поставленных задач, в рамках работы применены разработанные методы оценки и прогнозирования тангенциального сопротивления текстильных полотен, и методы, используемые в материаловедении производств текстильной и легкой промышленности. Обработка результатов, построение моделей, проведение корреляционно-регрессионного анализа осуществлялись на ПЭВМ с применением пакетов прикладных программ: MS Excel, MathCad, MatLab. Для визуального отображения графика экспериментальной зависимости использовалось лицензионное программное обеспечение LGraph 2 версия 2.34.19.
Область исследования. Работа выполнена в соответствии с п. 6,8,10 Паспорта специальности 05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности (технические науки).
Научная новизна результатов работы заключается в том, что впервые:
Разработан метод определения тангенциального сопротивления текстильных полотен, в котором две цилиндрические поверхности соприкасаются при их относительном перемещении, тем самым условия испытаний приближаются к реальным условиям изготовления и эксплуатации одежды. Новизна метода подтверждена патентом РФ на изобретение № 2502982.
Разработана автоматизированная измерительная система для определения тангенциального сопротивления текстильных полотен.
Разработана методика определения коэффициента тангенциального сопротивления и обоснованы параметры испытаний.
Разработан метод прогнозирования КТС льняных тканей.
Разработана градация тканей по КТС.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
Разработанный новый экспериментальный метод позволяет повысить объективность оценки КТС текстильных полотен в условиях производства и эксплуатации швейных изделий и может служить основой для разработки нового стандарта.
Разработанный метод прогнозирования позволяет определять КТС льняных тканей по характеристикам их строения.
Разработанный метод прогнозирования позволяет проектировать льняные ткани с заданным КТС.
Разработанный метод прогнозирования позволяет научно обоснованно осуществлять выбор льняных тканей для изделий и формировать пакеты материалов с заданными свойствами без проведения эксперимента.
Сформированы новые справочные данные по характеристикам тангенциального сопротивления льнохлопковых костюмно-платьевых тканей.
Разработанные в работе рекомендации используются на швейных предприятиях г. Переславля-Залесского (ЗАО «Новый мир»), г. Судиславля (ООО «Лада»). Разработанные методы используются в учебном процессе КГТУ в рамках проведения курсового и дипломного проектирования.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации были доложены:
на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий (Лен-2012)», Костромской государственный технологический университет, 2012 г.;
на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС - 2013), Ивановская государственная текстильная академия, 2013 г.;
на пятнадцатой областной научной конференции молодых исследователей «Шаг в будущее», Костромской энергетический техникум имени Ф.В. Чижо-ва, 2012 г.;
на научных семинарах кафедры технологии и материаловедения швейного производства ФГБОУ ВПО «КГТУ».
Публикации. По теме исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен патент РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованных источников, включающего 129 наименований. Работа изложена на 106 страницах, включает 49 рисунков, 20 таблиц, 3 приложения.
Факторы, оказывающие влияние на величину тангенциального сопротивления
Тангенциальное сопротивление имеет сложную природу [32], поэтому необходимо не только выбрать метод его количественной оценки, но и выявить факторы, влияющие на результат эксперимента. Такими факторами являются: скорость приложения нагрузки, продолжительность соприкосновения двух тел, давление, скорость относительного перемещения, давление, контакт и размер поверхности, температура и влажность[5].
Влияние скорости приложения нагрузки. Согласно теории упруго-вязкого контакта Крагельского И.В., сила трения – является функцией, зависящей от времени. В табл. 1.2 представлены результаты испытаний по исследованию влияния скорости приложения нагрузки на величину коэффициента трения [5]. В качестве взаимодействующих образцов взята газетная бумага, размеры поверхности 160-260 мм, причем опыты проводились при трех различных давлениях 6, 24, 62 кг. Экспериментально полученные данные по влиянию скорости приложения нагрузки на коэффициент трения (табл.1.2) подтверждают данную теорию: Анализ таблицы 1.2. показывает, что при малых давлениях фактор приложения скорости наиболее значим при малых давлениях. Данный факт следует учитывать и для текстильных полотен, поскольку при оценке их тангенциального сопротивления, в большинстве случаев, используются небольшие давления.
Влияние продолжительности соприкосновения двух тел. Рост коэффициента трения при увеличении продолжительности контакта экспериментально установлен еще Ш. Кулоном. Теория трения, предложенная Крагельским И.В, дает следующее объяснение данному явлению. При соприкосновения тел, на границе взаимодействия образуются конструкции. В зависимости от величины давления, образование конструкций будет протекать с разной интенсивности во времени. В подтверждении этого, автор теории дает результаты эксперимента: для пары сталь – кожа с площадью соприкосновения 320 см2 (табл. 1.3)[5]:
Влияние давления. Давление является наиболее весомым фактором, который влияет на тангенциальное сопротивление. На рис. 1.23 представлены кривые изменения коэффициента тангенциального сопротивления тканей [27]. Вид кривых подтверждают вышеприведенные формулы Амонтона(1.1) и Кулона (1.2), согласно которым, рост давления приводит к снижению коэффициента тангенциального сопротивления:
В табл. 1.4 приведены результаты опытов Морроу на приборе Эдерлея. Испытания проводились для чесаного хлопка (площадью 0.52 см, скорость движения зажима30 см/мин) [125].
Факт влияния скорости скольжения взаимодействующих тел подтверждается и экспериментальными данными, примером могут являться исследования Крагельского И.В. трения льняной пряжи по коже на дисковом приборе (табл. 1.5) [5]
Влияние контакта и размера поверхности. Возникновение силы тангенциального сопротивления возможно лишь в местах фактического контакта соприкасающихся поверхностей. Площадь фактического контакта в большинстве случаев меньше номинальной площади контакта (Sн), которая определяется по внешнему контуру касания взаимодействующих поверхностей. Фактическая площадь контакта зависит от целого ряда факторов, среди которых соотношения деформаций в зоне контакта, вид деформации, величина давления и других факторов
В табл. 1.6 приведены сведения о зависимости коэффициента трения от размера поверхности для хлопчатобумажной пряжи по бархату и по стали [5].
Влияние влажности и температуры. Кроме влажности самой поверхности на величину тангенциального сопротивления оказывают влияние факторы окружающей среды, среди которых влажность и температура.
Далее приведены таблицы, в которых отражается влияние влажности пряжи (табл. 1.7) и относительной влажности воздуха (табл. 1.8) на коэффициент трения хлопчатобумажной ткани из американского хлопка №34 при движении её по стали со скоростью 594 м/мин. Температура изменяется в пределах 20—21 С [129].
Разработка измерительной системы для определения тангенциального сопротивления текстильных полотен
Проведение инструментальных измерений физических величин сегодня невозможно представить без использования ЭВМ для обработки измерительной информации. Говоря о количественной оценке тангенциального сопротивления надо понимать, что при взаимодействии материалов возникает некое усилие, препятствующее их взаимному перемещению. Усилие пропорционально силе тангенциального сопротивления. Для того чтобы передать в канал данных ЭВМ информацию об усилии, необходим преобразователь механического сигнала в электрический. С этой целью на практике обычно применяются упругие элементы.
Необходимо осуществить выбор физического принципа преобразования механической величины в пропорциональную ей электрическую. Существует ряд физических явлений, которые заложены в основу принципа действия датчиков силы [34-37]:
1. Эффект изменения электрической емкости при изменении геометрических размеров промежутка между электродами или диэлектрической проницаемости вещества, которое заполняет этот промежуток. В таких преобразователях упругий элемент под действием силы деформируется, следовательно, изменяется электрическая емкость между ним и электродами. Преимущество - высокая точность. Недостаток - высокие требования к функциональным узлам.
2. Пьезоэлектрический эффект, который заключается в возникновении поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. Преимуществом пьезоэлектрических чувствительных элементов является то, что отсутствует необходимость в источнике питания для получения выходного сигнала. Недостаток - высокая чувствительность к факторам окружающей среды.
3. Эффекты, основанные на электромагнитных явлениях. Примером могут служить индуктивные преобразователи. Взаимное смещение сердечника и катушки приводит к изменению индуктивности. Преимущества и недостатки аналогичны емкостным преобразователям.
4. Тензорезистивный эффект, заключающийся в том, что под действием механического воздействия проводник изменяет свое электрическое сопротивление. Преобразователи, работающие по такому принципу, имеют следующие преимущества:
возможность получения широкого диапазона измерений; простота конструкции (нет необходимости в дополнительных устройствах, как например, для индуктивных датчиков);
высокая надежность, относительно невысокая стоимость составляющих преобразователя;
малая инерционность;
обладают линейной характеристикой;
Наиболее подходящим в данном случае является тензорезистивный эффект.
Разработана механическая часть автоматизированной измерительной системы для реализации метода.
Механическая конструкция представлена на рис. 2.2. Механика системы позволяет приводить во вращательное движение барабан 6, с помощью электродвигателя 8 постоянного тока Д-5ТР. Такие двигатели имеют небольшие массу и габариты, низкое энергопотребление, что немало важно для лабораторного оборудования [38]. Для приближения условий эксперимента к повседневным условиям эксплуатации одежды, необходимо снизить частоту вращения барабана. С этой целью используется понижающий редуктор 9. C целью расширения диапазона скоростей, на которых возможно проведение испытаний, в систему внедрен регулятор скорости вращения электродвигателя 8 (на рис. 2.2 не показан).
Конструкция позволяет перемещать вдоль вертикальных направляющих каретку 1. К каретке с помощью кронштейнов крепится заделка датчика усилия, который представляет из себя металлическую пластину – балку 3 с наклеенными тензорезисторами 2.
В данной механической конструкции (рис. 2.1) одна из исследуемых проб 4 (далее нижняя проба) закрепляется на барабане 6, а вторая проба 5 (далее верхняя проба) охватывает нижнюю пробу под некоторым углом. Один конец верхней пробы закрепляется с помощью зажима к свободному краю балки 3, а ко второму ее концу крепится груз 7.
На рис. 2.3 представлена конструкция заделки датчика. Особенностью заделки 4 является то, что она позволяет изменять угол балки с тензорезисторами 3, закрепленной благодаря винту 5, относительно вертикально движущейся каретки 1, к которой она крепится с помощью кронштейнов 2 и шпильки 6.
Проведение измерений и обработка результатов
Для проведения измерений необходимо произвести следующую последовательность операций:
1. Нижнюю пробу равномерно уложить и надежно закрепить на барабане устройства с помощью хомутов.
2. Установить необходимую скорость вращения барабана на плате регулятора скорости.
3. Зафиксировать каретку с тензобалкой в определенном положении, соответствующему заданному углу охвата.
4. Один из концов верхней пробы закрепить в зажиме на конце тензобалки.
5. К свободному концу верхней пробы прикрепить с помощью зажима груз массой 0.2 кг.
6. Повернуть вокруг оси заделку с датчиком таким образом, чтобы край верхней пробы был перпендикулярен датчику усилия.
7. Аккуратно наложить верхнюю пробу на нижнюю пробу.
8. Запустить приложение «L-Graph 2».
9. Нажать кнопку «Запись» в приложении.
10. Запустить двигатель, нажав на кнопку «Питание» на источнике питания двигателя.
11. Дождаться режима автоколебаний. 12. Нажать кнопку «Пауза» и повторить действия, начиная с п./п. 7.
13. Повторить эксперимент 20 раз.
14. После окончания эксперимента нажать кнопку «Стоп» и сохранить проект нажатием сочетания клавиш «Ctrl» + «s».
Обработка данных осуществляется следующим образом: по графику зависимости усилия действующего на датчик от времени Т(t) определяются значения Т1_i (максимальное значение усилия) и Т2_i (среднее значение усилия в режиме автоколебаний), необходимые для нахождения статического КТС и динамического КТС соответственно (рис. 3.9)
Расчет статического КТС и динамического КТС осуществляется по формуле Эйлера: где fСТ_i – статический КТС i-го испытания, fД_i – динамический КТС i-го испытания, a - угол охвата полотен в радианах, т - масса груза (0,2 кг), Ті І - максимальное значение усилия для i-го испытания, Т2 І - среднее значение усилия в режиме автоколебаний для i-го испытания. Первые 15 замеров КТС не учитывают, по последним пяти вычисляют КТС как среднее арифметическое:
В качестве испытуемых проб могут использоваться полотна различного волокнистого состава. Проведенные исследования показали, что метод оценки тангенциального сопротивления является универсальным и может быть рекомендован в качестве основы проекта к разработке ГОСТа по определению тангенциального сопротивления текстильных полотен. 3.7. Выводы по третьей главе
Определен алгоритм проведения испытаний для определения коэффициента тангенциального сопротивления поотен. Применение алгоритма позволяет оптимально уменьшить время на проведение эксперимента, за счет регламентирования действий исследователя.
Поскольку всякий новый метод требует конкретных описаний условий эксперимента, то проведено обоснование параметров испытаний. Учтено влияние на КТС таких факторов как масса груза, угол охвата, размеры, скорость перемещения проб.
Получена математическая модель, описывающая влияния угла охвата полотен на КТС.
Предлагаемый метод является основой для разработки нового стандарта по определению КТС полотен. Метод является универсальным, так как работает на тканях разного волокнистого состава.
Прогнозирование коэффициента тангенциального сопротивления льняных тканей по характеристикам их строения
Осуществлен и обоснован выбор объектов исследований. Выбор обусловлен политикой страны и региона по развитию легкой промышленности, поскольку наблюдается ежегодное увеличение спроса на льняные ткани. При этом отсутствуют данные о коэффициентах тангенциального сопротивлении льняных тканей. Сведения о КТС являются необходимыми, поскольку на этапе проектирования и изготовления одежды, знание свойств материала позволяет выпускать более качественную, конкурентоспособную продукцию.
Исследованы характеристики строения тканей, среди которых выделен коэффициент переплетения по Ереминой Н.С., а также коэффициент связности нитей в переплетении и коэффициент неподвижности нитей в переплетении, которые могут быть использованы для изыскания взаимосвязи КТС и характеристик строения льняных тканей.
Методом наименьших квадратов получена математическая модель, описывающая взаимосвязь коэффициентов тангенциального сопротивления и коэффициентов переплетения. Модель представляет собой степенную функцию. Проведена проверка модели на адекватность, которая позволила утверждать, что модель может быть использована для прогнозирования КТС льнохлопковых тканей по переплетению.
Проведена проверка работоспособности модели применительно к чистольняным тканям. Подтверждена возможность применения модели не только для льнохлопковых тканей, но и чистольняных.
Показана возможность проектирования тканей с заданным значением КТС путем варьирования переплетением, плотностью тканей (число нитей на 10 см) и линейной плотностью нитей по установленным зависимостям коэффициентов тангенциального сопротивления от коэффициента связности нитей в переплетении и коэффициента неподвижности нитей в переплетении. 5. Практическое использование результатов, полученных в диссертационной работе
Актуальность широкого внедрения САПР одежды на предприятиях России не вызывает сомнения, но сдерживается отсутствием автоматизированных методов оценки технологических и потребительских свойств материалов, которые уже разработаны и широко используются за рубежом. Известен комплекс Kawabata, Япония [31], применяемый за рубежом. Среди физико-механических свойств материалов, которые комплекс позволяет оценивать, присутствует трение. Отечественного аналога данного комплекса не существует. Проблема, решаемая в рамках диссертационной работы, является одной из составных частей решения глобальной задачи по созданию инструментального комплекса оценки технологических и эксплуатационных свойств текстильных материалов в отечественном материаловедении.
Однако, в условиях производства не всегда возможно проведение экспериментов по определению КТС. Очевидно, для таких случаев целесообразно использовать экспрессные методы определения КТС. В третьей главе предложен метод прогнозирования КТС по переплетению [90]. Разработанный метод прогнозирования позволяет определять КТС льняных тканей по коэффициенту переплетения, без проведения испытаний.
Для практического использования удобен в использовании график зависимости КТС от коэффициента переплетения (рис. 5.1): j = 0.97 Fn . (5.1) Разработанный метод прогнозирования позволяет определять КТС льняных тканей по коэффициенту переплетения без проведения экспериментов. Например, необходимо оценить КТС для льнохлопковой ткани саржевого переплетения (саржа 2/2). КТС можно определить расчетным способом - в формулу 5.1 подставить значение коэффициента переплетения, Fn=4: В условиях производства более удобно использовать графическую зависимость КТС от коэффициента переплетения (см. рис. 5.1). На оси абсцисс отмечается точка с известным коэффициентом переплетения, к которой восстанавливается перпендикуляр до кривой зависимости f(Fn). Из точки пересечения отпускается перпендикуляр на ось ординат и определяется значение КТС, равное 0.
