ДЕНИСОВА ЕКАТЕРИНА ВАЛЕРЬЕВНА РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ НИТЕЙ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
1 На правах рукописи ДЕНИСОВА ЕКАТЕРИНА ВАЛЕРЬЕВНА РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ НИТЕЙ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Специальность «Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья» АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2015
2 2 Работа выполнена на кафедре текстильных технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии». Научный руководитель: Официальные оппоненты: Щербаков Виктор Петрович доктор технических наук, профессор Строганов Борис Борисович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии тканей и трикотажа ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г.Разумовского» Сафонов Павел Евгеньевич кандидат технических наук, научный сотрудник ООО «ТЕКС-ЦЕНТР» (Москва) Ведущая организация: Текстильный институт ФГБОУ ВО «Ивановский государственный политехнический университет» Защита диссертации состоится «24» сентября 2015года в 10:00 часов на заседании диссертационного советад при Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу: , Москва, ул. Садовническая, д.33, стр.1,ауд.156. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет дизайна и технологии» Автореферат разослан 2015 года Ученый секретарь диссертационного совета Д , доктор технических наук, профессор Кирсанова Елена Александровна
3 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы работы. В настоящее время широкое применение находят материалы и изделия технического назначения. Среди изделий технического назначения особого внимания заслуживают защитная одежда и средства индивидуальной защиты. Поскольку области применения подобных изделий различны, на этапе их создания закладывают соответствующие принципиальные свойства: высокую прочность, термо- и огнестойкость, устойчивость к действию химических реагентов и т.д. Планировать и прогнозировать свойства будущей защитной одежды и изделий целесообразно на этапе выбора сырья. С одной стороны, это сокращает количество технологических операций, а с другой удешевляет процесс разработки и исследований. В ряде случаев бывает очень сложно заложить в один вид сырья сразу несколько полезных свойств, поэтому возникает необходимость в разработке новых универсальных вариантов путем комбинирования двух и более материалов. При создании специальной одежды и средств защиты для пожарных, металлургов, спасателей, военнослужащих и т.д. чаще всего используют пара- или метаарамиды, обладающие рядом уникальных свойств. Однако параарамиды плохо поддаются окрашиванию и имеют высокую стоимость, тогда как метаарамиды на фоне хорошей окрашиваемости и невысокой цены оказываются непрочными. В связи с этим наиболее оптимальным вариантом является комбинирование этих двух классов материалов. Цель исследования: разработка структуры и технологии неоднородных нитей со свойствами, обеспечивающими успешную дальнейшую переработку в ткань, а также обладающих высокой прочностью, термо- и огнестойкостью, устойчивостью к действию химических реагентов, легко поддающихся операциям отделки и крашения. В соответствии с указанной целью были поставлены и решены следующие задачи: разработана новая теория прочности комбинированных нитей, основанная на современных теориях разрушения в механике деформируемого твердого тела; на основе теории наматывания и сматывания гибкой нити получены уравнения движения стержневой нити; проведен расчет натяжения, определяющего структуру комбинированных нитей; методами нелинейной механики упругой нити получены уравнения изгиба комбинированной нити; дан корректный способ определения жесткости при изгибе, проведен расчет жесткостных характеристик неоднородных нитей; проведен анализ сырья, используемого при получении тканей технического назначения, главным образом для создания защитной одежды и изделий для работников опасных профессий (пожарных, спасателей, металлургов, военнослужащих и др.);
4 4 рассмотрены и проанализированы существующие технологии для получения комбинированных нитей; показана целесообразность использования комплексных нитей Русар-С в виде основы для выработки неоднородных нитей и пряжи из волокон Арселон-С в качестве дополнительного компонента, схожего по эксплуатационным характеристикам и компенсирующего недостатки нитей Русар-С; разработана структура неоднородной нити, в соответствии с которой стержневая нить Русар-С обкручивается арселоновой пряжей в двух противоположных направлениях; наработаны опытные образцы трех ассортиментных позиций неоднородных нитей пяти вариантов числа обкручиваний; проведено исследование исходных компонентов и готовых неоднородных нитей (трех ассортиментных позиций) с целью оценки их основных свойств; выбраны оптимальные технологические параметры получения неоднородных нитей в соответствии с выявленными зависимостями их основных характеристик от числа обкручиваний; разработана программа для расчета площади поверхности стержневой нити, закрытой обкручивающим компонентом, которая позволяет прогнозировать качество окрашивания готовых нитей. Методы исследования. Задачи, поставленные в работе, решены экспериментальными и теоретическими методами. Наработка образцов выполнена на обкруточной машине Menegatto 1500/270/2003NG (Италия), установленной в ООО«ЮнайТекс» (г.новомосковск Тульской обл.). Одна из ассортиментных позиций неоднородных нитей получена на опытном стенде обкруточной машины в учебно-технологической лаборатории ФГБОУ ВПО «МГУДТ». Наработка опытной партии с целью переработки в ткань осуществлена на машине Menegatto 1500/270/2003NG, установленной в ЗАО «Клинское производственное текстильногалантерейное объединение» (г. Клин Московской обл.). Образцы ткани наработаны на ткацком бесчелночном станке (ТЛБ), установленном в ООО «Техноткани» (Москва). В ходе исследования механических и эксплуатационных характеристик неоднородных нитей использованы методики, описанные в соответствующих ГОСТах. Результаты проведенных испытаний обработаны методами математической статистики с помощью программ MSExcel и MathCAD. Программа для расчета площади покрытия поверхности стержневой составляющей комбинированной нити обкручивающим компонентом, которая дает представление о возможности ее окрашивания, написана на языке С++. Научная новизна: разработана новая теория прочности неоднородной обкрученной нити с учетом механизма разрушения как отдельных ее компонентов, так и нити в целом, основанная на концепции наислабейшего звена в современных теориях разрушения механики деформируемого твердого тела;
5 5 предложена гипотеза о блокировке слабых мест внутри нити при увеличении контактной нагрузки, в соответствии с которой прочность комбинированной нити носит экстремальный характер; разработана оптимальная в смысле успешной дальнейшей переработки структура неоднородной комбинированной нити; на основе теории наматывания и сматывания гибкой нити получены уравнения движения стержневой нити; проведен расчет натяжения, определяющего структуру комбинированных нитей с прямолинейным расположением внутреннего компонента; методами нелинейной механики упругой нити получены уравнения изгиба комбинированной нити; дан корректный, отличающийся от всех известных, способ определения жесткости при изгибе; проведен расчет жесткостных характеристик неоднородных нитей; получены численные значения жесткости нити при изгибе, необходимые для проектирования ткани и трикотажа; разработана теория вычисления площади поверхности стержневой нити, закрытой обкручивающим компонентом; дан расчет свободной площади поверхности центрального компонента. Практическая значимость заключается: в разработке и реализации технологии комбинированной нити с внутренним прямолинейным сердечником и двумя оплеточными компонентами; определении геометрических, скоростных и силовых факторов, обеспечивающих формирование неоднородной комбинированной нити с заданными свойствами; в разработке структуры и определении оптимальных технологических параметров выработки неоднородных обкрученных нитей, состоящих из комплексных нитей Русар-С и арселоновой пряжи, обкручивающей указанные нити в двух противоположных направлениях; в получении неоднородных нитей, обладающих высокими физико-механическими и эксплуатационными характеристиками и восприимчивых к процессам отделки и крашения, а также имеющих низкий показатель неравновесности, улучшающий ее переработку в ткань; в создании компьютерной программы, позволяющей оценить распределение обкручивающего компонента комбинированной нити по поверхности стержневого компонента, что впоследствии дает возможность прогнозировать качество окрашивания готовых нитей и изделий из них. Получено свидетельство о государственной регистрации от Реализация результатов работы проведена в ООО «Техноткани» (Москва), где полученные неоднородные нити были переработаны в ткань на ткацком бесчелночном станке (ТЛБ), после чего окрашены в зеленый цвет и подвержены испытаниям на светостойкость в ООО«ТЕКС-ЦЕНТР» (Москва). Результаты позволяют реко-
6 6 мендовать исследуемые нити для производства тканей, предназначенных для пошива защитной одежды. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на: 63-ей межвузовской научно-технической конференции «Студенты и молодые ученые КГТУ производству», Кострома, КГТУ, 2011; всероссийской научной конференции молодых ученых «Инновация молодежной науки», Санкт-Петербург, СПГТУД, 2011; научно-практической конференции аспирантов университета на иностранных языках, Москва, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2011; международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ 2011), Москва, ФГБОУ ВПО «МГТУ им.а.н.косыгина», 2011; всероссийской научно-технической конференции «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике», Димитровград, ДИТИ НИЯУ МИФИ, 2012; международной научно-технической конференции «Современные проблемы развития текстильной и легкой промышленности», Москва, МГУТУ им. К.Г. Разумовского, 2012; международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС 2012), Иваново, ИГТА, 2012; международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ 2012), Москва, ФГБОУ ВПО «МГТУ им.а.н.косыгина», 2012; международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии» (ПРОГРЕСС 2013), Иваново, ИГТА, 2013; международной научно-технической конференции «Дизайн, технологии и инновации в текстильной и легкой промышленности», Москва, ФГБОУ ВПО «МГУДТ», Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 статей в зарубежном издании «Fibre Chemistry»; подана заявка на патент РФ на изобретение; зарегистрирована программа для ЭВМ; представлено 10 докладов на научных конференциях. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав с выводами, общих выводов по диссертационной работе, библиографического списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 59 рисунков, 27 таблиц; библиографический список использованных литературных источников включает 98 наименований. Приложения представлены на 35 страницах.
7 7 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении представлено обоснование выбора темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, указаны методы исследования, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы, перечислены публикации по теме диссертации. В первой главе показана актуальность задачи получения защитных материалов с универсальными свойствами. Указаны требования и критерии, которым должны соответствовать такие материалы применительно к защитной одежде. Проведен обзор сырья, используемого при производстве защитных изделий для работников опасных профессий (военнослужащих, оперативных сотрудников МЧС и др.). Анализ сырья показал, что самыми востребованными для получения защитных изделий выбранного назначения являются нити на основе пара- и метаарамидов, обладающие рядом уникальных физико-механических и эксплуатационных свойств (термо- и огнестойкостью, устойчивостью к действию химических реагентов, биостойкостью и др.). Основным преимуществом параарамидных материалов является повышенная прочность. Однако есть и недостатки: высокая цена и затруднительное окрашивание. Метаарамидные материалы не обладают высокой прочностью, но легко окрашиваются и имеют меньшую стоимость. Таким образом, поставлена задача получения нового материала путем комбинирования пара- и метаарамидного сырья. В главе также дано обоснование выбора приблизительной структуры проектируемого материала, какой в упрощенном виде является неоднородная комбинированная нить. Кроме того, рассмотрены известные технологии получения комбинированных армированных нитей. В заключительном разделе первой главы приведен обзор методов расчета прочности нитей различной структуры. Однако расчет прочности армированной нити требует особого подхода. Вторая глава посвящена разработке структуры и технологии получения неоднородных комбинированных нитей. Выбрано и обосновано сырье для получения комбинированных нитей: за высокопрочную основу взята комплексная нить Русар-С производства ОАО «Каменскволокно» (г. Каменск-Шахтинский) (линейной плотности 14,3 и 29,4текс), в качестве обкручивающего компонента арселоновая пряжа производства ОАО «Кобринская прядильно-ткацкая фабрика Ручайка» (республика Беларусь) (линейной плотности 29,4текс), имеющая схожие эксплуатационные характеристики. Нить Русар-С, обладая большим количеством положительных свойств, практически не восприимчива к операциям крашения; арселоновая пряжа, не имея высокой прочности, окрашивается хорошо. Совместное использование способствует удешевлению готовой нити, поскольку стоимость арселоновой пряжи, составляющей 80-90% от состава комбинированной нити, значительно ниже, чем у нитей Русар-С.
8 8 В главе также показаны результаты испытаний нитей Русар-С и арселоновой пряжи по основным характеристикам. Исходные нити и пряжа имеют высокую неравновесность, что затрудняет их дальнейшую переработку в ткань. Проведен анализ изобретений, относящихся к структуре существующих комбинированных нитей. Выявлены близкие прототипы и определены их недостатки. Предложена оптимальная структура неоднородной комбинированной нити, согласно которой стержневая нить Русар-С обкручивается арселоновой пряжей в двух противоположных направлениях с равным числом обкручиваний. Выбранная структура способствует достижению наилучших значений показателя неравновесности и хорошей окрашиваемости. Представлен анализ оборудования, предназначенного для производства нитей предложенной структуры. Для наработки образцов выбрана машина Menegatto 1500/270/2003NG (Италия), установленная на ООО«ЮнайТекс» (г.новомосковск Тульской обл.). Поскольку данная машина рассчитана на работу с эластомерным компонентом в качестве стержня, схема заправки была изменена. В заключительном разделе второй главы проведен расчет натяжения, сообщаемого стержневому компоненту в процессе выработки комбинированных нитей (рис.1). Указанный технологический параметр является одним из ключевых, поскольку именно он определяет структуру обкрученных нитей с прямолинейным расположением внутреннего компонента. Рис.1 Схема баллона сматывания На основе теории наматывания и сматывания гибкой нити получены уравнения движения стержневой нити. Постоянные интегрирования определяются из следующих уравнений: R 1 CC C C C sin h, l 1 h sin2 h C1 4 8 C1. (1)
9 9 Найдены минимальное и максимальное значения натяжения, приведенные ниже. 2 1 Tmin C1 1 C2 cos h, (2) 2 C 1 1 Tmax C 1 1 C2 2. (3) Tmin 54,313 сн, Tmax 259,177 сн Максимальное натяжение нити при сматывании почти линейно возрастает с увеличением частоты вращения веретен. Третья глава посвящена исследованию неоднородных комбинированных нитей и анализу результатов эксперимента. Сначала были наработаны образцы комбинированных нитей двух ассортиментных позиций КР14,3+2ПА29,4 (комплексная нить Русар-С 14,3текс и арселоновая пряжа 29,4текс) и КР29,4+2ПА29,4 (комплексная нить Русар-С 29,4текс и арселоновая пряжа 29,4текс). Обкручивание производилось в двух противоположных направлениях в соответствии с пятью вариантами числа обкручиваний: 220, 290, 360, 430, 500 (обкр/м). Структура исследуемых нитей представлена на рис.2: центральное положение занимает комплексная нить Русар-С (1), которую обкручивает арселоновая пряжа сначала в направлении по часовой стрелке Z (2), образуя внутренний слой обмотки, а затем в противоположном направлении S (3), образуя внешний слой обмотки. Рис.2 Структура комбинированной нити Полученные образцы были подвергнуты испытаниям по основным показателям в соответствии с методиками, приведенными в ГОСТах. Результаты показали, что оптимальное число обкручиваний, при котором наблюдаются наилучшие показатели неравновесности 360обкр/м. Определив оптимальное число обкручиваний, наработали образцы тканых лент (с использованием позиции КР29,4+2ПА29,4) трех вариантов плотности по утку (90, 95 и 100 нитей/10 см) на ткацком ленточном бесчелночном станке (ТЛБ), установленном на ООО «Техноткани» (Москва). Полученные образцы окрасили в
10 10 зеленый цвет, после чего провели испытание на устойчивость окраски к свету. Результат оценили в 3-4 балла, что является удовлетворительным. Устойчивость тканых лент к истиранию по плоскости находится в следующих пределах: циклов в зависимости от плотности ткани по утку (плотность по основе была одинаковой); чем больше плотность, тем выше исследуемый показатель. Оказалось, что тканые ленты истираются преимущественно по основе, уточные нити повреждаются меньше. Связано это с тем, что в процессе выработки нити утка натянуты больше, и уработка ткани происходит за счет нитей основы, которые, выступая на поверхность ленты, истираются быстрее. Для образца тканой ленты с плотностью по утку 90нитей/10см были проведены испытания на прочность на разрывной машине TIRAtest-2200, установленной в ОАО «Инновационный научно-производственный центр текстильной и легкой промышленности». Средние значения разрывной нагрузки составили 1870,4 и 1311,1Н по основе и по утку соответственно; средние значения удлинения при разрыве 29,28 и 11,56% по основе и по утку соответственно. В ходе исследований заказчиком было отмечено, что полученные тканые ленты обладают повышенной жесткостью и плохой драпируемостью, в связи с чем встал вопрос о снижении линейной плотности комбинированных нитей. В качестве нового обкручивающего компонента была взята пряжа (также из волокон Арселон-С) линейной плотности 25 текс производства VÚB a.s. (Чехия), а в качестве стержневого нить Русар-С линейной плотности 14,3 текс. Полученная комбинированная нить имеет меньшую жесткость, чем предыдущие две позиции, что позволяет прогнозировать меньшую жесткость и лучшую драпируемость ткани, вырабатываемой из нее. Поскольку для защитной одежды важен показатель износостойкости, были проведены испытания комбинированных нитей на устойчивость к самоистиранию. Исследования показали, что сначала разрушается стержневой компонент, а затем обкручивающий. Объясняется это тем, что нить Русар-С находится под большим натяжением, чем арселоновая пряжа, при этом истирание происходит в поперечном направлении, в котором комплексная нить оказывается хрупкой. В то же время обкручивающий компонент благодаря своей структуре и углу, под которым он истирается, оказывается более устойчивым. Отмечено, что с увеличением числа обкручиваний, исследуемый показатель возрастает. Одной из важнейших характеристик нитей, применяемых для изготовления тканей, является жесткость при изгибе. Данный показатель оказывает существенное влияние на процесс выработки тканых полотен и дальнейшую эксплуатацию изделий из них. В заключительном разделе третьей главы проведено исследование жесткости при изгибе H неоднородных комбинированных нитей (рис.3). Методами нелинейной механики упругой нити получены уравнения изгиба комбинированной нити; дан корректный, отличающийся от всех известных, способ определения жесткости при изгибе, проведен расчет жесткостных характеристик неоднородных нитей.
11 11 Рис.3 Изгиб нити двумя сосредоточенными силами k1 sin01 0,707, (4) d d P1 P2 l k1 sin 0 1k1 sin H, (5) d d Pl k2sin 0 1k2sin H, (6) k cos k cos, (7) k sin k sin, (8) , k параметры эллиптических интегралов 1-го и 2-го рода. Жесткость комбинированной нити Н1 8,087 2 сн мм. Четвертая глава посвящена разработке теории прочности неоднородных обкрученных нитей, а также исследованию распределения обкручивающего компонента комбинированной нити по поверхности стержневого компонента. При разработке технических тканей, в частности для изготовления защитной одежды, ведущая роль отводится проектированию прочности составляющих ее нитей. Обозначим деформацию центрального прямолинейного высокомодульного компонента Русар-С неоднородной нити 0. Угол подъема винтовой линии (оси арселоновой пряжи 1), т.е. угол между касательной к винтовой линии и образующей цилиндра, равен. Тогда деформация осевой линии 1 запишется в виде:
12 12 cos 2. (9) 1 0 Диаметры обеих арселоновых пряж одинаковы; при обкручивании они располагаются под одинаковыми углами к оси нити, поэтому. 1 2 Выразим деформации через силы. На испытательной машине STATIGRAPHL записаны диаграммы растяжения обоих компонентов (рис. 4 и 5) Force in cn 4000 Force in cn Strain in % Strain in % Рис.4 Диаграмма растяжения нити Русар-С 29,4 текс Рис.5 Диаграмма растяжения арселоновой пряжи 29,4 текс Из рис. 4 и 5 видно, что кривые растяжения нелинейны. При этом у высокомодульного компонента Русар-С небольшая нелинейность наблюдается лишь в области разрушения в отличие от пряжи, где отклонения от линейности возникают уже после деформации, равной 2%. В работе показано, что в момент разрыва деформация арселоновой пряжи 1 0,021. В этих условиях и для низкомодульного компонента можно принять закон Гука. Если обозначить EF жесткость нити при растяжении и T i натяжение, можно записать: T0 0 и T1 1. EF EF Тогда в соответствии с (9) имеем: T EF EF 0 T cos. Введем обозначения: отношение жесткостей i EF 1 EF 0 e, натяжение нити в момент обрыва, т.е. прочность, P. Теперь напишем уравнение равновесия системы
13 или 13 P T 2T cos cos. P T e (10) При числе обкручиваний от 220 до 360 обкр/м наблюдается увеличение прочности, далее следует ее уменьшение. Расчеты по формуле (10) дают монотонное уменьшение прочности от максимума при 0. В работе предлагается гипотеза о блокировке слабых мест при увеличении контактной нагрузки. В основе одной из статистических теорий прочности лежит гипотеза слабого звена. Элементарная нить предполагается составленной из большого числа структурных элементов, каждый из которых имеет свою прочность. Разрушение элементарной нити в целом происходит тогда, когда выходит из строя хотя бы один структурный элемент. Разрыв элементарной нити отождествляется с разрушением цепи, звенья которой имеют различную прочность. Прочность цепи равна прочности наислабейшего звена. Прочность элементарной нити длины l определяется прочностью ее наиболее слабого дефектного места. Так как дефекты в элементарной нити располагаются случайным образом, то и прочность элементарной нити является случайной величиной. Для расчета на прочность основной интерес представляет возможность надежной экстраполяции кривых в сторону низких значений прочности с очень малой вероятностью появления. Для того чтобы с достаточной достоверностью получить отрезки кривой распределения, относящиеся к малым вероятностям, нужно располагать числом испытаний, во много раз превышающим реальные возможности эксперимента. Тогда реальная надежная экстраполяция эмпирических данных в область малых вероятностей возможна лишь при условии, если из каких-либо теоретических соображений известны асимптотические свойства распределения. К таким статистическим теориям прочности принадлежит теория, в основе которой лежит гипотеза слабого звена. Распределение нити по прочности записывается в виде: l 0 1 exp. (11) l0 w Формула (11) обычно называется распределением Вейбулла. Фактически она содержит три константы, а выделение характерной длины l 0 предоставляет определенные удобства для решения конкретных задач; это может быть длина стандартного образца при испытаниях. Параметр распределения w характеризует модальное значение прочности, а параметр определяет структурные особенности материала. В действительности определение трех констант по данным эксперимента приводит к неустойчивым результатам. В этом случае после дифференцирования (11) находим плотность распределения
14 14 1 l l l, exp. l0 w w l0 w Среднюю прочность определяем по формуле l l exp d. l 0 0 w l0 w В результате преобразований для средней прочности получаем: l w 1. l Выражение для дисперсии прочности имеет вид: 2/ 2 l 2 w D 1 1. l Коэффициент вариации находим по формуле C 12 / / Вычислим параметры распределения Вейбулла для стержневой нити Русар-С линейной плотности 29,4текс. Среднее значение и дисперсия равны 66,72 и 2,60Н соответственно. В формулах (14) и (15) заменим напряжения на силу P, соответственно параметр w на P w. Решая систему (14), (15), получим Pw 72,775 и 4,871. Формула (13) при указанной замене символов l0 1 P Pw 1 l позволяет определить среднюю прочность при любой длине l при известной зажимной длине образца l0 500,2 мм. Расчеты с учетом гипотезы о блокировке слабых мест внутри нити при увеличении контактной нагрузки обнаруживают экстремальный характер прочности комбинированной нити. Для выявления возможности окрашивания комбинированной нити, обкручивающий компонент которой окрашивается хорошо, а стержень затруднительно, целесообразно применять два подхода. Первый позволяет оценить площадь, занимаемую обкручивающим компонентом на проекции комбинированной нити на плоскость (например, на фотографии). Такой расчет можно выполнить с помощью графической компьютерной программы. Использование данного способа дает представление о том, насколько комбинированная нить окрасится количественно. 1 (12) (13) (14) (15)
15 15 Второй подход заключается в геометрическом подсчете той площади поверхности стержневого компонента (нити Русар-С), которая закрыта обкручивающим компонентом (арселоновой пряжей) по всей поверхности комбинированной нити (рис. 6). Рис.6 Модель расположения стержневого и обкручивающего компонентов друг относительно друга В результате работы над данным подходом была выведена формула для расчета указанной площади: d арс ( H 4 rрус ) Sпокр 2 Sарс 2 Sпер 2 dарс 4 rрус H, (16) 4 r H арс где S покр площадь поверхности нити Русар-С, закрытая арселоновой пряжей в пределах одного шага, мм 2 ; S площадь поверхности нити Русар-С, закрытая арселоновой пряжей в рамках одного шага (при одинарном обкручивании), мм 2 ; S площадь одного перекрытия витков внешнего и внутреннего слоев обкру- пер чивающего компонента (в пределах одного шага таких перекрытий два), мм 2 ; d диаметр обкручивающего компонента (арселоновой пряжи), мм; арс r радиус стержневого компонента (комплексной нити Русар-С), мм; рус H шаг обкручивания (расстояние между соседними витками арселоновой пряжи), мм. Для того чтобы узнать, какой процент от общей площади поверхности нити Русар-С составляет рассчитанная площадь покрытия, используется следующее отношение: рус
16 S d покр арс 4 rрус H dарс (4 rрус H ) , Sрус rрус H 4 rрус H (17) где S рус площадь поверхности комплексной нити Русар-С, мм 2. Для оценки распределения обкручивающего компонента комбинированной нити по поверхности стержневого написана программа на языкес++ (объем 35Кб). Пример работы программы представлен на рис. 7. Рис.7 Пример расчета для позиции КР14,3+2ПА29,4 Данная программа позволяет вычислять площадь поверхности стержневого компонента, закрытую обкручивающим, в зависимости от основных характеристик сырья (линейная плотность комплексной нити (пряжи), линейная плотность элементарной нити в составе комплексной, плотность вещества) и выбранного числа обкручиваний. Кроме того, программа визуализирует комбинированную нить и рассчитывает по проекции нити на плоскость, какой процент от общей площади готовой нити занимает обкручивающий компонент, что соответствует реализации первого подхода к оценке окрашиваемости. Рассматриваемый показатель очень важен, поскольку стержневой компонент исследуемых нитей не окрашивается общеизвестными доступными красителями, а обкручивающий компонент хорошо поддается отделочным операциям. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Разработана и реализована технология комбинированной нити с внутренним прямолинейным сердечником и двумя оплеточными компонентами; определены геометрические, скоростные и силовые факторы, обеспечивающие формирование неоднородной комбинированной нити с заданными свойствами.
17 17 2. Разработана новая теория прочности неоднородной обкрученной нити с учетом механизма разрушения как отдельных ее компонентов, так и нити в целом, основанная на концепции наислабейшего звена в современных теориях механики деформируемого твердого тела. 3. Предложена гипотеза о блокировке слабых мест стержневой нити возрастающей контактной нагрузкой при нагружении комбинированной нити, в соответствии с которой прочность нити носит экстремальный характер. 4. Разработана оптимальная в смысле успешной дальнейшей переработки структура неоднородной комбинированной нити. 5. На основе теории наматывания и сматывания гибкой нити получены уравнения движения стержневой нити; проведен расчет натяжения, определяющего структуру комбинированных нитей с прямолинейным расположением внутреннего компонента. 6. Методами нелинейной механики упругой нити получены уравнения изгиба комбинированной нити; дан корректный, отличающийся от всех известных, способ определения жесткости при изгибе, проведен расчет жесткостных характеристик неоднородных нитей. 7. На ткацком бесчелночном станке выработаны ленты ткани с заданными свойствами из исследуемых комбинированных нитей в качестве основы и утка. 8. Основные свойства комбинированных нитей: высокая прочность, термо- и огнестойкость, устойчивость к действию химических реагентов, устойчивость окраски к свету, оцениваемая в 3 и более баллов, возможность беспроблемной отделки и крашения являются достаточными для проектируемого материала. 9. Для исследуемых неоднородных комбинированных нитей разработан проект технических условий ТУ (Нити обкрученные комбинированные); подана заявка от на патент РФ на изобретение (Комбинированная нить и способ ее получения). 10. Для вычисления площади поверхности стержневой нити, закрытой обкручивающим компонентом, написана программа для ЭВМ (свидетельство о государственной регистрации от ). СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ 1. Благушина, Е.В. Разработка структуры и технологии получения неоднородных нитей для технических изделий / Е.В. Благушина // 63-я межвузовская научнотехническая конференция «Студенты и молодые ученые КГТУ производству»: матер. конф. Кострома, ч.2, С Благушина, Е.В. Новый вид нитей технического назначения / Е.В Благушина // Всероссийская научная конференция молодых ученых «Инновация молодежной науки»: матер. конф. СПб., ч.4, С Благушина, Е.В. Structure and technology of complex threads for technical applications / Е.В. Благушина, Л.Н. Селезнева // Научно-практическая конференция аспирантов университета (МГТУ им. А.Н. Косыгина) на иностранных языках: матер. конф. М., С.12.
18 18 4. Благушина, Е.В. Получение неоднородных нитей для создания материалов с набором специальных свойств / Е.В. Благушина, В.А. Родионов // Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ 2011): матер. конф. М., С Благушина, Е.В. К вопросу о тенденциях развития технологии получения защитных материалов / Е.В. Благушина, В.А. Родионов // Всероссийская научнотехническая конференция «Современные тенденции развития информационных технологий в текстильной науке и практике»: матер. конф. Димитровград, С Благушина, Е.В. Исследование устойчивости нитей технического назначения к истирающим нагрузкам / Е.В. Благушина, В.А. Родионов, В.Л. Тарасов // Международная научно-техническая конференция «Современные проблемы развития текстильной и легкой промышленности»: матер. конф. М., кн.1, С Благушина, Е.В. Исследование истираемости неоднородных нитей для специальных изделий / Е.В. Благушина, В.А. Родионов // Международная научнотехническая конференция «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС 2012): матер. конф. Иваново, ч.1, С Благушина, Е.В. Использование комбинированных нитей для изготовления высокопрочных тканей / Е.В. Благушина, В.А. Родионов // Международная научнотехническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ 2012): матер. конф. М., ч.1, С Благушина, Е.В. Получение оптимальной структуры комбинированной нити специального назначения / Е.В. Благушина // Международная научнотехническая конференция «Современные наукоемкие технологии» (ПРОГРЕСС 2013): матер. конф. Иваново, ч.1, С Благушина, Е.В. Исследование механических свойств комбинированных нитей технического назначения / Е.В. Благушина, В.А. Родионов // Международная научно-техническая конференция «Дизайн, технологии и инновации в текстильной и легкой промышленности»: матер. конф. М., С Родионов, В.А. Разработка оптимальных технологических параметров получения комбинированных обкрученных нитей / В.А. Родионов, Е.В.Благушина // Химические волокна С Родионов, В.А. Оценка прочностных характеристик шовного соединения технических изделий, выполненного комбинированными швейными нитками / В.А. Родионов, Е.В. Благушина, М.С. Дориомедов // Химические волокна С Родионов, В.А. Влияние натяжения на прочностные характеристики швейных ниток / В.А. Родионов, Е.В. Благушина, М.С. Дориомедов // Химические волокна С Благушина, Е.В. Оптимизация структуры и технологии получения комбинированных обкрученных нитей / Е.В. Благушина, В.А. Родионов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности С
19 Благушина, Е.В. Расчет прочности комбинированных нитей / Е.В. Благушина, В.А. Родионов, А.Б. Сидоров // Химические волокна С Благушина, Е.В. Расчет площади поверхности стержневого компонента комбинированной нити, занимаемой обкручивающим компонентом / Е.В. Благушина, В.А. Родионов, А.Б. Сидоров, Б.Ю. Денисов, М.В. Шаблыгин // Химические волокна С Благушина, Е.В. Расчет линейной плотности обкрученных комбинированных нитей / Е.В. Благушина, В.А. Родионов, А.Б. Сидоров, Г.Б. Склярова // Химические волокна С Rodionov, V. A. Developing optimum process parameters for the production of twisted combination fibers / V. A. Rodionov, E. V. Blagushina // Fibre Chemistry Vol P Rodionov, V. A. Determination of strength properties of sewing seams in technical articles produced by combined sewing threads / V. A. Rodionov, E. V. Blagushina, M. S. Doriomedov // Fibre Chemistry Vol P Rodionov, V. A. Effect of Tension on Strength Characteristics of Sewing Threads / V. A. Rodionov, E. V. Blagushina, M. S. Doriomedov // Fibre Chemistry Vol P Blagushina, E. V. Calculation of the Strength of Combined Filaments / E. V. Blagushina, V. A. Rodionov, A. B. Sidorov // Fibre Chemistry Vol P Blagushina, E. V. Calculation of the Area That the Enveloping Component of a Combination Fiber Occupies on the Surface of the Rod-Shaped Component / E.V. Blagushina, V. A. Rodionov, A. B. Sidorov, B. Yu. Denisov, M.V. Shablygin // Fibre Chemistry Vol P
20 20 Денисова Екатерина Валерьевна РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НЕОДНОРОДНЫХ НИТЕЙ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Усл.-печ. 1,0 п.л. Тираж 80 экз. Заказ Информационно-издательский центр МГУДТ , г. Москва, ул. Садовническая, 33, стр. 1 Тел/факс (495) Отпечатано в ИИЦ МГУДТ