Разработка методов прогнозирования структуры и эксплуатационных свойств тканей бытового и технического назначения на основе технологических параметров их производства
На правах рукописи
Примаченко Борис Макарович
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТКАНЕЙ БЫТОВОГО И ТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИХ ПРОИЗВОДСТВА
Специальность 05.19.02 – Технология и первичная обработка текстильных
материалов и сырья
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой
степени доктора технических наук
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,
заслуженный деятель науки РФ,
доктор технических наук, профессор
Севостьянов Петр Алексеевич,
доктор технических наук, доцент
Карева Татьяна Юрьевна.
Ведущая организация: ОАО Научно-производственный комплекс
«ЦНИИШЕРСТЬ».
Защита состоится 01 июля 2009 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.236.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна», зал заседаний Ученого Совета (пом.241).
Адрес: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна».
Автореферат разослан 29 мая 2009 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Рудин А.Е.
Общая характеристика работы
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 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 (408 наименований), приложений. Работа изложена на 406 страницах текста, включая 99 рисунков и 123 таблицы.
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 – относительная 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
E() = 5,569 - 330,7 + 15744 2 - 211364 3+ 18424 4, (4)
0 < 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 течение 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.
Предлагаемый механико-аналитичес-кий метод основывается Рисунок 1 - Базовый элемент раппорта ткани
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 (Do = Dy = 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)
A = For, (8)
, 
(9)
U = Fyr, (10)
, 
(11)
где Q - сила взаимного давления между основной и уточной нитью в области контакта; D – диаметр основных и уточных нитей в тканой структуре; Eo, Ey - модуль релаксации, соответственно, основных и уточных нитей; Ioy, Iy - момент инерции сечения, соответственно, основной нити относительно оси y и уточной нити относительно оси ; o, y - коэффициент деформации поперечных размеров, соответственно, основных и уточных нитей; n – расстояние между уточными нитями; l – расстояние между основными нитями; S – площадь поперечного сечения основных и уточных нитей в тканой структуре; Go, Gy – модуль релаксации при сдвиге, соответственно, основных и уточных нитей; For - общая сила растяжения основной нити в зоне формирования ткани на ткацком станке после процесса релаксации напряжений; Fyr - сила растяжения уточной нити перед прибоем на ткацком станке после процесса релаксации напряжений. Например, прогиб основной (c) и уточной () 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 (foi) определяется по формуле
, ni = n + in, (14)
где ni - расстояние между нитями утка на i - ом шаге растяжения, i - число шагов, n – приращение деформации растяжения. Относительная деформация растяжения основных нитей (oi) определяется по формуле
, (15)
где Koi - длина кривой АВ основной нити на i - ом шаге растяжения. Силу растяжения ткани на i - ом шаге (Afxi), приходящуюся на одну нить основы, можно получить из выражения
Afxi = Axi - Ax, (16)
где Axi – сила (реакция) Ax 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 (уточных) нитей.
Разрывное удлинение ткани в направлении основы (for) определяется по формуле
, (17)
где nr – расстояние между нитями утка на r - ом шаге растяжения, при котором выполняется условие разрыва. Разрывную нагрузку ткани (Afxr), приходящуюся на одну нить основы, можно получить из выражения
Afxr = Axr - Ax, (18)
где Axr – сила Ax 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 US уточной нити являются постоянными величинами. Соответственно, при растяжении ткани в направлении утка будем считать постоянными величинами силу растяжения основной нити в структуре и дли-
ну кривой участка AB основной нити.
2. При растяжении ткани в направлении основы можно предположить, что модуль релаксации Eo и модуль релаксации при сдвиге основной нити меняются в зависимости от растягивающих усилий, а модуль релаксации Ey и модуль релаксации при сдвиге уточной нити остаются неизменными. Соответственно, при растяжении ткани в направлении утка модуль релаксации Ey и модуль релаксации при сдвиге уточной нити меняются в зависимости от растягивающих усилий, а модуль релаксации Eo и модуль релаксации при сдвиге основной нити остаются неизменными.
В третьем подразделе выведена формула для определения деформации уточной нити (у) в процессе формирования ткани полотняного переплетения
, (19)
где hy – 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 %. На рисунке 2 представлены прогнозируемая и экспериментальная диаграммы Рисунок 2
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 ради- Рисунок 3 - Продольный разрез раппорта переплете-
альную жесткость мононитей ния сетки СК-1М
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. На рисунке 3 изображен продольный разрез раппорта переплетения основных и уточных нитей сетки СК-1М. Технолого-геометрический метод основан на геометрическом анализе
, 
, Dov = DoCop, (20)
, 
, (21)
где Dov – вертикальный диаметр основных нитей в области контакта с уточными нитями, Cop - коэффициент смятия основных нитей в области контакта, nr - расстояние между рядами уточных нитей в структуре сетки, 1, 2 - структурные углы основных нитей. Длина участка zyvabft оси основной нити (Lo) определяется по формуле
(22)
Относительное приращение длины основных нитей в структуре сетки ( of*) –
(23)
Высоту волны (hfo) и прогиб (c) основных нитей можно найти из выражений
, 
(24)
Коэффициент смятия основных нитей в области контакта с уточными нитями был определен экспериментально, Ceop = 0,70, при этом смятие уточных нитей в области контакта незначительно, Ceyp 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
, 
, Ly = 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)
где Mo, My - масса, соответственно, основных и уточных нитей в одном квадратном метре сетки.
, (28)
где i – шаг продольного растяжения сетки внутри интервала 0 – 8 %, nr - приращение растяжения сетки, os*(i) – относительная деформация основных нитей от растяжения сетки на i-ом шаге, ot*(i) - относительная деформация основных нитей на i-ом шаге растяжения сетки с учетом деформации основных нитей в процессе формирования ткани, os*(For) – относительная деформация основных нитей в процессе формирования ткани, Fot(i) – сила растяжения основных нитей на i-ом шаге растяжения сетки, Fof(i) – сила растяжения сетки на i-ом шаге.
Для расчета усилий в рабочих диапазонах продольной деформации сетки и построении диаграммы растяжений используем геометрический метод, основанный на приращении растяжения сетки (nr). После каждого приращения растяжения сетки рассчитывается деформация основных нитей (ot), их сила растяжения (Fot), сила растяжения сетки (Fof), суммарное (eoy*) и объемное (k*) заполнение, поверхностная (ps) и объемная (pb) пористость. При этом предполагается, что уточные нити продолжают оставаться в двух плоскостях и расстояние между этими плоскостями () не изменяется. Деформация и сила растяжения основных нитей, сила растяжения сетки СК-1М на i-том шаге определяются системой уравнений (28).
Воздухопроницаемость сеток (Вa) была определена с помощью детерминированно-вероятностных моделей на основе экспериментальных данных. В качестве модели воздухопроницаемости (дм3/(м2с)) для сеток СК-1М и АД-57, структура которых имеет сквозную пористость, была принята модель полученная М.В. Горячевым
, (29)
где Cd – параметр, характеризующий строение сетки, P – перепад давления сетки. В качестве модели воздухопроницаемости для сетки СК-3М, структура которой не имеет сквозную пористость, была принята модель
Ba = 16,784(k*)2 - 1993,3k* + 60020, (30)
где k* - объемное заполнение нитями структуры 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.
В разделе рассматривается также технолого-геометрический 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 доста- Рисунок 4
точно хорошее их совпадение. Для основных параметров структуры сушильных сеток
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 | |
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.
Для основных параметров структуры прессовых сеток ПС-1 и ПС-2 относительная разность результатов не превосходит 9,2 %. Технолого-геометрический метод позволяет также определить зависимость суммарного линейного заполнения основными и уточными нитями поверхности, объемного заполнения нитями и объемной пористости структуры сеток от эксплуатационной деформации растяжения.
Технолого-геометрический метод прогнозирования параметров структуры и характеристик прочностных свойств строительных сеток и геосеток, вырабатываемых перевивочным переплетением, также показал достаточно высокую точность. Для основных параметров структуры относительная разность результатов теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований не превосходит 15 %, для основных характеристик прочностных свойств относительная разность результатов не
превосходит 20 %.
5. Структурно-энергетический метод прогнозирования параметров структуры и характеристик прочностных свойств многослойных тканей компактно-сгруппированных переплетений для одежды и обуви.
Структурно-энергетический метод рассматривается применительно к прогно-
зированию параметров структуры и характеристик прочностных свойств многослойных тканей компактно-сгруппированных переплетений для одежды и обуви.
Многослойные ткани компактно-сгруппированных переплетений были разработаны для решения следующих задач:
- Увеличение толщины и поверхностной плотности тканей.
- Создание внутреннего слоя тканой структуры повышенной плотности и жесткости.
- Создание внешних слоев тканой структуры пониженной плотности и с крупной рельефностью для лучшей адгезии с органическими и неорганическими химическими материалами и для лучшей пропитки различными аппретами.
- Получение тканей высокой прочности и износостойкости.
Ткань компактно-сгруппированного переплетения имеет верхний и нижний каркасные слои, состоящие из основных и уточных нитей. Основные нити разбиты на две группы, одна из которых предназначена для переплетения заполнительных слоев только с верхним каркасным слоем, а другая – только с нижним каркасным слоем. Внутри каждой группы основные нити разделены на две подгруппы, смещенные на половину раппорта по утку и соединенные с соответствующими каркасными слоями одноуточным переплетением. В разделе представлено шесть компактно-сгруппиро-ванных переплетений, имеющих от четырех до семи слоев. Ткани компактно-сгруп-пированных переплетений могут быть выработаны из пряжи и нитей любых составов и видов. Эти ткани обладают высокой технологичностью, - они могут быть выработаны на обычных ткацких станках с ремизоподъемной кареткой любого типа без применения специальных устройств и приспособлений. Ткани имеют высокую прочность и износостойкость. После определенной отделки ткани могут быть использованы для одежды практически любого вида. После соответствующей физико-химической обработки, могут быть использованы вместо дублированных и триплированных материалов при производстве текстильной, текстильно-комбинированной и домашней обуви. Имея высокое объемное заполнение волокнистым материалом, ткани обладают большим сопротивлением для прохождения жидкостей и газов, а после специальной обработки могут быть использованы в качестве изоляционных материалов.
В разделе на основании технических заданий спроектированы две группы тканей: первая группа тканей (8 тканей) – для верха спортивной обуви, вторая группа тканей (22 ткани), повышенной плотности и износостойкости, - для бытовой и производственной одежды. Для первой группы тканей в качестве основной и уточной пряжи были выбраны хлопколавсановая пряжа линейной плотности 25х2 текс (55 % хлопок, 45 % лавсан) и хлопчатобумажная пряжа линейной плотности 72 текс, которые по своим прочностным характеристикам могут обеспечить требуемую прочность тканей. Плотность тканей по основе принималась близкой к максимальной, плотность тканей по утку определялась из расчета требуемой поверхностной плотности В работе исследуется одна ткань из этой группы, спроектированная на основе пятислойного компактно-сгруппированного переплетения. Ткани второй группы имеют базисное и подкладочное переплетения. Базисным переплетением является компактно-сгруппированное переплетение, подкладочным переплетением - главное или производное главного переплетения. В качестве основной пряжи базисного переплетения была выбрана льняная окрашенная пряжа линейной плотности 64 текс, в качестве основной пряжи подкладочного переплетения - хлопчатобумажная пряжа линейной плотности 29,4х3 текс, в качестве уточной - льняная окрашенная пряжа линейной плотности 64 текс. Плотность тканей по основе принималась в интервале (60 – 70) % от максимальной, плотность тканей по утку определялась из расчета требуемой по-верхностной плотности. В работе исследуется одна ткань из этой группы, базисное переплетение которой спроектировано на основе пятислойного компактно-сгруппиро-ванного переплетения. Отличительной особенностью льнохлопковых тканей, наряду с многослойной структурой, является наличие двух переплетений, - базисного и подкладочного. Базисное переплетение выполняет прочностные и эстетические функции, подкладочное – гигиенические и комфортные. В результате работы созданы льнохлопковые многослойные ткани, которые значительно расширяют джинсовую группу тканей. Хлопколавсановые ткани вырабатывались на станке АТ-120-5М в производственных условиях фабрики «Рабочий» г. Санкт-Петер-бурга, льнохлопковые ткани вырабатывались на станке АТ-100-5М в лаборатории кафедры ткачества СПГУТД. При выработке тканей на ткацких станках были проведены экспериментальные исследования процессов их формирования.
Для прогнозирования параметров структуры многослойных тканей был разработан структурно-энергети-ческий метод. Сущность этого метода заключается в следующем: сначала с помощью технолого-геометри-ческого метода определяются возможные расположения основных и уточных нитей в раппорте ткани, затем определяется их оптимальное расположение на основе Рисунок 5
минимизации энергии упругой деформации участков нитей при изгибе. При этом предполагается, что энергия упругой деформации участков нитей при растяжении постоянна и не зависит от расположения нитей в раппорте ткани. Если изгибающий момент выразить через силу нормального давления между основной и уточной нитями (Q), прировнять энергию упругой деформации и работу совершенную силой Q, то можно видеть, что прогиб участка нити (с) во многом определяет энергию упругой деформации при чистом изгибе.
, 
(31)
Отсюда следует, что нить, расположенная в раппорте ткани и имеющая минимальное значение суммарного прогиба, будет обладать и минимальной энергией упругой деформации при изгибе. Окончательно, критерий структурно-энергетического метода прогнозирования параметров структуры многослойных тканей формулируется следующим образом, - наиболее вероятно нить занимает в ткани такое положение, при котором ее суммарный прогиб имеет минимальное значение. Если рассматривать многослойные ткани компактно-сгруппированных переплетений, то отличительной особенностью их структуры является почти прямолинейное расположение уточных нитей. В этом случае задача значительно упрощается, так как достаточно рассмотреть в раппорте ткани только изгиб основных нитей.
Рассмотрим переплетение основных и уточных нитей хлопколавсановой пятислойной ткани. Выделим переплетение четвертой основной нити с уточными и представим его на рисунке 5. На рисунке 5 будем обозначать основные нити арабскими цифрами с индексом «о», уточные нити – с индексом «у». На первом этапе с помощью технолого-геометрического метода было определено расположение четвертой основной и уточных нитей, с которыми она переплетается в раппорте ткани. Это расположение показано на рисунке 6. Технолого-геометрический метод прогнозирования параметров структуры хлопколавсановой пятислойной ткани основан на геометрическом анализе (рисунок 7)
u = 5n – m, 
, 
, (32)
k = Dy cos(), = 0,5 –, = –, (33)
= 0,5 –, 
, bc = (Do + Dy) tg, (34)
, hd = Dy, 
, ef = 0,5m (35)
С помощью формул (32) – (35) можно определить координаты точек a, b, g, c, h, d, e, f. Координаты позволяют выполнить аппроксимацию точек плавной непрерывной функцией (z = f(x)). В качестве функции был выбран многочлен четвертой степени. Длина аппроксимированного участка abgchdef оси нити (Lo) и относительное приращение длины основных нитей в структуре ткани ( of*) определяются по формулам
, 
(36)
Толщину ткани можно выразить через прогибы концов аппроксимированного участка оси основной нити af и диаметр основных нитей
Hf = 2c1 + c2 + Do, (37)
где c1, c2 – прогиб, соответственно, переднего (oa) и заднего конца (qf) аппроксимированного участка оси основной нити. Для определения поверхностной и объемной плотности используются формулы (27).
На втором этапе было определено оптимальное расположение четвертой основной и уточных нитей, с которыми она переплетается в раппорте ткани. Оптимизация проводилась по параметру m (рисунок 7), при каждом значении которого вычислялся суммарный прогиб участка основной нити af. Вычисления выполнялись в системе компьютерной математики Mathcad 2001 PRO/Premium и электрон- Рисунок 6
ных таблиц EXCEL. Результаты оптимизации представлены в таблице 3. В результате оптимизации было получено, что наиболее вероятно четвертая основная и уточные нити, с которыми она переплетается, занимают в ткани положение, показанное на рисунке 7 при m = 0,610 мм. Так как остальные основные нити имеют симметричное расположение в структуре относительно четвертой нити, то их положение будет отличаться только на величину сдвига.
Таблица 3 – Суммарный прогиб участка основной нити в зависимости от параметра m
| Параметр m | 0,366 (1,5 n) | 0,488 (2,0 n) | 0,610 (2,5 n) |
| Суммарный прогиб, мм | 0,885 | 0,849 | 0,727 |
Примечание – расстояние между уточными нитями (n) равняется 0,244 мм.
Теоретическое прогнозирование осуществлялось по формулам (36), (37), (27) при оптимальном расположении нитей в структуре ткани. Все расчеты выполнялись в системе компьютерной математики Mathcad 2001 PRO/Premium и электронных таб-
лиц EXCEL.
В разделе рассматривается прогнозирование параметров стру-ктуры и характеристик прочностных свойств хлопколавсановой пятислойной ткани для спортивной обуви и льнохлопковой пятислойной ткани для бытовой и производственной одежды. В результате структурного и энергетического анализа были получены формулы для прогнозирования, с помощью компьютерных программ, было выполнено теоретическое прогнози- Рисунок 7
рование. Экспериментальные исследования структуры и характеристик прочностных свойств многослойных тканей были выполнены по стандартным методикам. На рисунке 8 представлена фотография среза льнохлопковой ткани. В таблице 4 и 5 представлены результаты теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований, их относительная разность для льнохлопковой ткани.
Сравнение результатов теоретического прогнозирования и экспериментальных иссле
дований показало хорошее их совпадение. Для параметров структуры тканей относительная разность результатов не превосходит 14,9 %. При этом структура тканей может содержать базисное и подкладочное переплетения с 4 – 8 основными нитями и 10 – 20 уточными нитями, переплетающимися между собой по достаточно сложному закону. Структурно-энергетический метод позволяет определить такие важные параметры, как абсолютная и относительная длина основных и уточных нитей в ткани, прогибы нитей, толщину ткани, поверхностную и объемную плотность, что в свою очередь позволяет правильно спроектировать Рисунок 8 – Срез вдоль основы льнохлопковой
многослойные ткани и их отделку. пятислойной ткани
С объемной плотностью многослойной ткани хорошо коррелирует воздухопроницаемость. С толщиной и поверхностной плотностью ткани хорошо коррелирует стойкость к истиранию. Для характеристик прочностных свойств относительная разность результатов не превосходит 10,2 %. Структурно-энергетический метод позволяет определить такие характеристики, как разрывная нагрузка ткани по основе и утку, что особенно важно при проектировании тканей по заданной прочности на разрыв.
6. Детерминированно-вероятностный метод прогнозирования технологических параметров, параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств сукон технического назначения.
Детерминированно-вероятностный метод является статистическим методом.
Метод позволяет оценить характеристику продукта, полуфабриката или технологического процесса, которая зависит от многих факторов. При этом характеристика является случайной величиной, а факторы – детерминированными величинами. Детерминированно-вероятностный метод рассматривается применительно к прогнозированию параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств шерстяных сушильных сукон для целлюлозно-бумажной промышленности.
В разделе разработана методика исследований и выполнены исследования технологических процессов ткацкого производства. Исследованы параметры строения и структуры полуфабрикатов ткацкого производства, которые оказывают значительное влияние на качество готовых сукон. Одним из таких параметров является натяжение упругой системы заправки (УСЗ) ткацкого станка. Увеличение натяжения основы и всей УСЗ приводит к повышению усадки ткани в направлении основы и к увеличению плотности суровой ткани по утку. Если шерстяные суровые тканые изделия имеют уточнозаполненное строение и в процессе отделки будут подвергнуты валке, то структура готовых изделий может значительно отличаться от требуемой. Особенно
Таблица 4 – Результаты теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований
параметров структуры льнохлопковой пятислойной ткани
| Параметр структуры | Значение параметра | |
| Относительная длина основной льняной нити в ткани, % | Прогнозируемая | 16,41 |
| Экспериментальная | 17,6 | |
| Относительная разность, % | 6,8 | |
| Относительная длина основной хлопчатобумажной нити в ткани, % | Прогнозируемая | 7,47 |
| Экспериментальная | 6,5 | |
| Относительная разность, % | 14,9 | |
| Толщина, мм | Прогнозируемая | 1,753 |
| Экспериментальная | 1,68 | |
| Относительная разность, % | 4,3 | |
| Поверхностная плотность, г/м2 | Прогнозируемая | 575,6 |
| Экспериментальная | 645,0 | |
| Относительная разность, % | 10,8 | |
| Объемная плотность, г/м3 | Прогнозируемая | 328432 |
| Экспериментальная | 383929 | |
| Относительная разность, % | 14,5 | |
Таблица 5 – Результаты теоретического прогнозирования и экспериментальных исследований
характеристик прочностных свойств льнохлопковой пятислойной ткани
| Характеристика свойств | Значение характеристики | |
| Разрывная нагрузка по основе, Н | Прогнозируемая | 1203,3 |
| Экспериментальная | 1092,0 | |
| Относительная разность, % | 10,2 | |
| Разрывная нагрузка по утку, Н | Прогнозируемая | 2038,5 |
| Экспериментальная | 1890,0 | |
| Относительная разность, % | 7,9 | |
| Удлинение при разрыве в направлении основы, % | Прогнозируемое | 18,70 |
| Экспериментальное | 19,0 | |
| Относительная разность, % | 1,6 | |
| Стойкость к истиранию, число циклов | Прогнозируемая | - |
| Экспериментальная | Более 20000 | |
| Относительная разность, % | - | |
| Воздухопроницаемость, дм3/м2с | Прогнозируемая | - |
| Экспериментальная | 253,0 | |
| Относительная разность, % | - | |
сильно могут отличаться такие свойства изделий как прочность, толщина, стойкость к истиранию, тепловая усадка. В суровом товаре уточное заполнение составляет приблизительно 70 %. Увеличение плотности сурового товара по утку может привести к значительному изменению эксплуатационных свойств и качества готовых сушильных сукон в целом. Для определения зависимости плотности сурового товара по утку от статического натяжения основы в момент заступа были выполнены экспериментальные исследования. Диаметр намотки ткацкого навоя был разбит на два участка, - от 360 до 280 мм и от 262 до 250 мм. Для первого и для второго участков с достоверностью 0,99 и 0,96 были получены детерминированно-вероятностные зависимости плотности сурового товара (Ру1, Py11) от заправочного натяжения основы (Fhs)
, 
(38)
При увеличении заправочного натяжения на первом участке от 248 до 291 сН/нить плотность товара по утку возрастает от 276 до 288 нит/дм, при увеличении заправочного натяжения на втором участке – от 309 до 385 сН/нить плотность возрастает от 292 до 309 нит/дм.
Толщина сушильных сукон оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства сукон. Толщина сукна в основном зависит от вида сырья, характеристик строения и механических свойств смеси волокон, количества волокон в единице объема и от технологических параметров валки. Объем сушильных сукон в основном заполнен уточными нитями, а основные нити выполняют функцию каркасных стержней. Поэтому среди параметров строения сурового товара линейная плотность уточных нитей и число уточных нитей на 10 см будут оказывать наибольшее влияние на толщину готового сукна. На основании этого, толщину готового сукна можно прогнозировать исходя из толщины сурового товара, количества волокнистого состава уточных нитей в единице объема сукна и технологических параметров валки. Если предположить, что технологические параметры валки поддерживаются постоянными, то толщина готового сукна во многом определяется толщиной сурового товара и его плотностью по утку. Толщину сурового товара можно найти из рассмотрения его сечения вдоль утка. Результаты теоретических расчетов показывают, что толщина сурового товара для производства сукна марки СШ-2М равна 6,11; 6,18; 6,24; 6,30 и 6,35 мм при его плотности по утку равной, соответственно, 270, 280, 290, 300 и 310 нит/дм. Экспериментальные исследования толщины сурового товара выполнялись по следующей методике: были отобраны пять суровых товаров со средней уточной плотностью 276, 284, 291, 298 и 307 нитей на 10 см, затем были определены средние значения толщины товаров. Значения средней толщины сурового товара (Нe), среднего квадратического отклонения ((Нe)) представлены в таблице 6.
Таблица 6 - Результаты экспериментальных исследований толщины сурового товара и готового сукна
| Руe, нит/дм | Нe, мм | (Нe), мм | eу*e, % | eoy*e, % | Нсe, мм | (Нсe), мм |
| 276 | 6,07 | 0,21 | 223,6 | 316,4 | 6,97 | 0,22 |
| 284 | 6,22 | 0,22 | 230,0 | 322,8 | 7,25 | 0,2 |
| 291 | 6,42 | 0,24 | 235,7 | 328,5 | 7,64 | 0,25 |
| 298 | 6,58 | 0,26 | 241,4 | 334,2 | 8,05 | 0,31 |
| 307 | 6,84 | 0,31 | 248,7 | 341,5 | 8,66 | 0,42 |
Суровый товар всех сушильных сукон относится к высокоплотному со степенью заполнения по утку больше 100 %. Степень заполнения по основе сурового товара сушильного сукна СШ-2М равняется 92,8 %, а степень заполнения по утку - 234,9 %. Анализ показывает, при оценке заполнения высокоплотных тканых структур вместо степени поверхностного заполнения следует использовать суммарную степень заполнения товара нитями (eoy* = eо* + eу*). После отделки пяти выбранных суровых товаров и получения готовых сукон были выполнены измерения их толщины. Определялась средняя толщина сукна (Нсe) и среднее квадратическое отклонение ((Нсe)). Значения этих параметров представлены в таблице 6. Кроме этого в таблице приведены степень заполнения товаров по утку (eу*e) и суммарная степень заполнения (eoy*e). В работе была определена с достоверностью 0,99 детерминированно-вероятностная зависимость толщины сукна от суммарной степени заполнения сурового товара
(39)
Полученные данные показывают, что уравнение (39) аппроксимирует с высокой точностью толщину сукна СШ- 2М в рассматриваемой области значений суммарной степени заполнения. Результаты исследований говорят о существенном влиянии степени заполнения на толщину сукон. Например, для сушильного сукна марки СШГК-М увеличение суммарной степени заполнения от 387,8 до 420,2 % приводит к увеличению средней толщины сукна с 8,4 до 10,6 мм.
В разделе была разработана методика исследований и выполнены исследования технологических процессов отделочного производства. Исследована деформация сушильных сукон в процессе термостабилизации. Нагрев сушильных сукон является основной составляющей процесса термостабилизации. Температура нагрева и его продолжительность являются важными факторами, оказывающими большое влияние на усадку сукон и изменение их эксплуатационных свойств. Выбор температуры нагрева при термостабилизации сукон должен удовлетворять нескольким условиям. Первое, - температура нагрева не должна превышать величину, после которой наступает резкое ухудшение физико-механических свойств волокон. Для шерсти – эта величина составляет 170 оС. Второе, - температура нагрева не должна быть меньше максимальной температуры сушки бумажного полотна. В этом случае изменение структуры отдельных звеньев макромолекул полимеров, структуры волокон и структуры сукна в целом в процессе его работы не происходит, дестабилизации размеров сукна и его эксплуатационных свойств не наблюдается. Для различных сортов бумаги максимальная температура сушки составляет 120-130 оС, для различных сортов картона – 130-140 оС. Принимая во внимание тот факт, что тепловое сопротивление бумажного полотна понижает температуру нагрева сукна, можно принять температуру термостабилизации для сукон СШ-2М, СШ-3М, СШК-М и СпрШ-М не ниже 120 оС, а для сукна СШГК-М – не ниже 130 оС. Третье, - температура нагрева сукна должна быть технологически осуществимой. Четвертое, - выбор температуры должен учитывать экономические аспекты процесса термостабилизации. Для прогнозирования температуры нагрева сукон при термостабилизации были выполнены лабораторные исследования по следующей методике: было отобрано сушильное сукно СШ-2М прошедшее технологические операции валки, промывки и стекания; из сукна было вырезано двенадцать групп полосок размером 300х40 мм, шесть групп в направлении основы и шесть групп в направлении утка, в каждой группе было по три полоски; перед дальнейшими исследованиями две группы полосок высушивались на лабораторном столе при температуре 22-24 оС и влажности воздуха 60-65 %, а остальные десять групп полосок были помещены в таз с водой и выдерживались там 24 часа; на следующем этапе эти группы высушивались в сушильном шкафу при температуре 130, 140, 150, 160, 170 оС в течении шести часов; после высушивания на всех полосках были выполнены измерения длины, ширины и площади, на последнем этапе были определены их разрывные характеристики. Результаты исследований усадок представлены на рисунке 9. После обработки экспериментальных значений разрывной нагрузки по основе (Acr) и по утку (Ucr), разрывного удлинения по основе (cor) и по утку (cyr) полосок сукна с достоверностью 0,99 были получены следующие уравнения
, 
, (40)
, 
(41)
Усадка сукон определяется двумя основными причинами: большой теплоемкостью шерстяных волокон и изменениями в структуре шерстяных и синтетических волокон. Известно, что при нагревании макромолекулы биополимера шерсти приобретают повышенную свободу движения вследствие ослабления межмолекулярных связей. Стремясь к более выгодному состоянию макромолекулы сокращаются по длине, в результате чего уменьшаются их внутренние напряжения. Сокращение длины макромолекул приводит к усадке волокон шерсти. Чем выше температура нагрева, тем больше сокращается их длина. Механизм усадки полиамидных и полиэфирных волокон работает приблизительно таким же образом, но имеются некоторые особенности. Одной из главных особенностей является предистория получения синтетических волокон, главным образом при формовании и вытягивании. Усадка шерстяных и синтетических волокон приводит к усадке пряжи и, в конечном итоге, к усадке всего сушильного сукна в целом. Разрывная нагрузка сукна по основе и по утку при повышении температуры нагрева от 130 до 170 оС уменьшается, соответственно, от 3,496 до 3,025 кН и от 2,43 до 1,851 кН, а разрывное удлинение уменьшается, соответственно, от 32,2 до 21,5 % и от 82,1 до 53,8 %. Снижение разрывных характеристик сукон при нагревании достаточно хорошо объясняется кинетической теорией разрушения твердых тел.
Наибольшее влияние на деформирование сукна оказывают: температура горячего воздуха внутри камеры сушильно-поли-меризационной печи, скорость движения сукна и деформация растяжения сукна в продольном направлении на цилиндрах печи. В результате действия этих факторов сукно усаживается в продоль Рисунок 9
ном (u3o) и поперечном (u3y) направлении до требуемых размеров. Для исследования
влияния температуры нагрева (х1), скорости движения (х2) и относительной силы растяжения (х3) сукна на его усадку был выполнен полный факторный эксперимент с добавлением двух центральных точек. Эксперимент проводился на сушильно-полиме-ризационной печи фирмы «L.Cretin» при термостабилизации сукон СШ-2М. С достоверностью 0,87 и 0,95 были получены следующие уравнения
, (42)
(43)
Результаты экспериментальных исследований показывают, что при увеличении температуры нагрева и скорости движения сукна усадка по длине и по ширине сукна возрастает за счет уменьшения размеров волокон при повышении количества теплоты поглощенной сукном. Усадка по длине растет несколько медленнее, чем по ширине.
Последний подраздел посвящен оценке качества сушильных сукон. Научно обоснованы и определены параметры структуры и характеристики эксплуатационных свойств сушильных сукон, которые имеют наибольшую значимость при определении их качества. На основе детерминированно-вероятностного метода предложены три комплексных показателя качества, которые способны достоверно оценивать сукна как одной, так и разных марок.
Общие выводы и рекомендации
1. Выбран и научно обоснован математико-механический базис прогнозирования структуры и свойств тканей с учетом их строения, технологии выработки и назначения. Математико-механический базис состоит из теоретической механики, механики твердого деформированного тела, аналитической геометрии и теории вероятностей.
2. Разработаны методы прогнозирования параметров структуры и характеристик эксплуатационных свойств тканей бытового и технического назначения на основе технологических параметров их производства: механико-аналитический, технолого-геометрический, структурно-энергетический, детерминированно-вероятностный.
3. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования процессов формирования тканей бытового и технического назначения на ткацких станках различных конструкций.
4. Построены и экспериментально проверены математические модели структуры и эксплуатационных свойств однослойных, двухслойных, многослойных тканей и шерстяных сукон. Модели позволяют рассчитать такие параметры и характеристики, как 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; разрывные усилия и деформации; усилия в рабочих диапазонах деформаций; диаграммы растяжения в различных направлениях; работы сил разрыва; работы сил растяжения в рабочих диапазонах деформаций.
5. Разработана классификация тканей бытового и технического назначения по линейному и поверхностному заполнению основными и уточными нитями.
6. Построена механико-аналитическая модель для тканей с высоким, средним, низким линейным заполнением основными и уточными нитями и механико-аналити-ческая модель для тканей со сверхвысоким линейным заполнением. Показано существенное различие в построении этих моделей.
7. Механико-аналитические модели структуры и эксплуатационных свойств хлопчатобумажных и полиэфирных тканей технического назначения рекомендованы ЗАО «НИЦ»СпецТПМ» (г. Санкт-Петербург) и ОАО «Ткачъ» (г. Санкт-Петербург) для использования при проектировании новых видов тканей, дублированных тканей, тканепленочных материалов и модернизации существующих.
8. Экспериментально доказано значительное влияние больших контактных напряжений на величину поверхностной плотности для тканей со сверхвысоким поверхностным заполнением. Даны рекомендации по учету этого влияния.
9. При разработке механико-аналитического метода выведены функциональные зависимости между параметрами структуры и характеристиками прочностных свойств ткани, с одной стороны, и параметрами строения основных и уточных нитей, их механическими характеристиками, параметрами строения ткани и технологическими параметрами выработки ткани, с другой стороны.
10. С помощью методов дифференциального исчисления выведена достаточно простая формула для определения деформации уточной нити в зоне формирования ткани на ткацком станке. На основании этой формулы показана связь между деформацией уточной нити в зоне формирования ткани, усадкой ткани по ширине в процессе ее формирования и параметрами структуры ткани.
11. Построены технолого-геометрические модели структуры и эксплуатационных свойств сушильных и прессовых сеток для целлюлозно-бумажной промышленности, крепежных сеток для строительной промышленности. Построенные модели рекомендованы ООО «Институт технических сукон» (г. Санкт-Петербург) для использования при проектировании новых видов сеток и модернизации существующих.
12. Разработаны компактно-сгруппированные переплетения, позволяющие производить многослойные ткани повышенной плотности и износостойкости, и на их основе спроектированы хлопколавсановые и льнохлопковые многослойные ткани для одежды и обуви. Выработаны опытно-промышленные партии этих тканей. Спроектированы и изготовлены опытные образцы производственной одежды и обуви.
13. Построены структурно-энергетические модели для хлопколавсановых и льнохлопковых многослойных тканей компактно-сгруппированных переплетений. Модели позволили выполнить прогнозирование параметров структур и характеристик прочностных свойств многослойных тканей сложного строения.
14. Построены детерминированно-вероятностные модели структуры и прочностных свойств сушильных сукон для целлюлозно-бумажной промышленности. Построенные модели рекомендованы ООО «Институт технических сукон» (г. Санкт-Петербург) для использования при проектировании новых видов сукон технического назначения и модернизации существующих.
Основные результаты диссертации опубликованы в 72 работах:
(Статьи в журналах рекомендованных ВАК)
1. Гордеев В.А., Примаченко Б.М. Влияние длины уточной нити, зарабатываемой в ткань, на процесс прибоя // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти. - 1987, № 1. - С.51-54.
2. Примаченко Б.М., Прохорова И.А. Влияние параметров строения на жесткость хлопчатобумажной ткани при растяжении // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти. – 1987, № 2. - С.106-108.
3. Примаченко Б.М., Прохорова И.А. Зависимость между начальным натяжением и модулем жесткости хлопчатобумажной пряжи // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти.- 1987, № 3. - С.8-9.
4. Примаченко Б.М., Разживин А.В., Иванов Г.Б., Кувайкова О.Н. Исследование процесса формирования ткани полотняного переплетения с целью его оптимизации. - Текстильная пром-сть // 1989, № 1. - С.41-42.
5. Примаченко Б.М., Труевцев Н.Н., Браславский В.А., Ханик А.Л. Выработка многослойных тканей с повышенным заполнением по утку // Текстильная пром-сть. – 1990, № 3. - С.57-58.
6. Ломов С.В., Примаченко Б.М. Математическое моделирование процесса растяжения двухслойной ткани с учетом нелинейности деформирования нити // Изв. вузов. Технология текстильной пром-сти. - 1992, № 1. -С.49-53.
7. Примаченко Б.М. Исследование влияния конструкции ткацкого станка на обрывность основных нитей // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти. - 1992, № 3. - С.38-40.
8. Примаченко Б.М., Ломов С.В., Лемешков В.В. Проектирование сушильных сеток. // Текстильная пром-сть. - 1992, № 6. - С.38-41.
9. Примаченко Б.М., Ломов С.В. Автоматизированный расчет строения многослойных тканых структур // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти. - 1993, № 3, - С.42-45.
10. Примаченко Б.М., Труевцев Н.Н., Жураев А.Т. Экспериментальное исследование процесса формирования и физико-механических свойств многослойных льнохлопковых тканей. Часть I // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти. - 1995, № 4. - С.34-36.
11. Примаченко Б.М., Труевцев Н.Н., Жураев А.Т. Экспериментальное исследование процесса фор-
мирования и физико-механических свойств многослойных льнохлопковых тканей. Часть II // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти. - 1995, № 5. - С.7-9.
12. Примаченко Б.М., Яровая Л.В., Суркова В.М. Влияние степени заполнения по основе и утку высокоплотных технических тканей на их поверхностную плотность // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти. - 1999, № 4. - С.52-55.
13. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А., Яровая Л.В. Исследование технологии выработки высокоплотных тканей на ткацком станке марки Dornier // Текстильная пром-сть. - 2001, № 2. - С.22-24.
14. Примаченко Б.М., Привалов С.Ф., Агамов Ф.Н. Выбор критерия оптимизации при оценке качества шерстяной пряжи для технических сукон // Текстильная пром-сть. – 2001, № 5. - С.47-48.
15. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А. Прогнозирование параметров структуры тканей из химических нитей. Часть I. Теоретические методы прогнозирования параметров структуры тканей из химических нитей // Химические волокна. – 2001, № 4. - С.62-66.
16. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А. Прогнозирование параметров структуры тканей из химических нитей. Часть II. Определение параметров строения и механических характеристик химических нитей // Химические волокна. – 2001, № 5. - С.68-71.
17. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А. Прогнозирование параметров структуры тканей из химических нитей. Часть III. Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметров структуры // Химические волокна. – 2002, № 1. - С.63-66.
18. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А. Прогнозирование параметров структуры тканей из химических нитей. Часть IV. Анализ результатов прогнозирования параметров структуры // Химические волокна. – 2002, № 1. - С.67-69.
19. Полякова Л.П., Примаченко Б.М. Метод отображения однослойного переплетения на ось действительных чисел // Изв.вузов. Технология текстильной пром-сти. - 2002, № 1. - С.44-49.
20. Примаченко Б.М., Привалов С.Ф., Агамов Ф.Н. Анализ состава шерстяных смесей для аппаратной пряжи технического назначения // Текстильная пром-сть. - 2002, № 12. - С.34-36.
21. Полякова Л.П., Примаченко Б.М. Исследование влияния переплетения на процесс формирования ткани на ткацком станке // Изв. вузов. Технология текстильной пром-сти. - 2003, № 1. - С.69-72.
22. Полякова Л.П., Примаченко Б.М. Исследование влияния переплетения основных и уточных нитей на прочностные и гигиенические свойства однослойных тканей // Изв. вузов. Технология текстильной пром-сти. - 2007, № 1С (300). - С.77-82.
(Основные статьи в журналах и сборниках)
23. Примаченко Б.М. Влияние типа ткацкого станка и скоростного режима на величину прибойной полоски и обрывность основных нитей // Интенсификация технологических процессов текстильного производства: межвуз. сб. науч. тр. – Л., 1987. - С.60-64.
24. Примаченко Б.М., Труевцев Н.Н., Могильный А.Н. Анализ состава шерстяных смесей для аппаратной пряжи с целью его оптимизации // Эффективность производства и ресурсосберегающие технологии в текстильной и легкой пром-сти: материалы науч.-техн. семинара, 24-25 апреля 1987 г. – Л., 1987. – С.60-65.
25. Примаченко Б.М., Труевцев Н.Н., Браславский В.А., Молочков Г.А. Mitmekihilised kangad ialatsipealseks / Многослойные ткани для верха обуви // KERGETSTUS. - 1988, № 8. - С.17-19.
26. Примаченко Б.М. Исследование влияния конструкции ткацкого станка на процесс прибоя уточной нити // Оптимизация технологического процесса ткачества: межвуз. сб. науч. тр. – М., 1991. - С.17-23.
27. Примаченко Б.М., Ломов С.В., Жураев А.Т. Разработка и исследование многослойных тканей с высокой плотностью заполнения // Современные проблемы экономики и технологии текстильной и легкой пром-ти: межвуз. сб. науч. тр. – СПб., 1994. - С.145-152.
28. Lomov S.V., Primachenko B.M., Truevtzev N.N. Two-component multilayred woven fabrics: weaves, properties and computer simulation // Clothing science and tecnology. – 1997, Vol. 9, № 2. – P.98-112.
29. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А., Яровая Л.В. Разработка теоретической модели для расчета силовых характеристик и параметров структуры тканей // Сборник статей аспирантов и докторантов / СПГУТД. – СПБ., 1999. – С.57-60.
30. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А., Яровая Л.В. Исследование технологической возможности ткацкого станка Dornier HS при выработке технических тканей / СПГУТД. – СПБ., 2000. – Деп. в ВИНИТИ 24.04.00, № 1167 –ВОО.
31. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А. Проектирование тканей из химических нитей по прочностным характеристикам // Текстиль, одежда, обувь: дизайн и производство: сб. ст. межд. науч. конф. / ВГТУ. – Витебск, 2002. – С.61-63.
32. Примаченко Б.М. Влияние механических характеристик нитей и параметров строения цилиндри-
ческой намотки на ее плотность // Вестник СПб государственного университета технологии и дизайна. - 2004, № 10. - С.61-69.
33. Примаченко Б.М. Разработка многослойных тканых изделий технического назначения и прогнозирование их технологических и эксплуатационных свойств // Современные полимерные волокна и нетканые материалы – инновационные технологии и продукция для ТЭК: сб. докл. межд. форума «Топливно-энергетический комплекс России: региональные аспекты», 4-7 апреля 2005 г. - СПб, 2005. – С.332-334.
34. Примаченко Б.М. Исследование нелинейности дифференциального уравнения изгиба участка текстильной нити // Вестник СПГУТД. – 2005, № 11. - С.10-14.
35. Примаченко Б.М. Теоретическое исследование процесса прибоя уточной нити на ткацком стенке // Вестник СПГУТД. – 2006, № 12. - С.56-64.
36. Примаченко Б.М. Деформация уточной нити и ее связь с параметрами структуры ткани // Науч.-прак. конф. посв.100-тию Розанова Ф.М.: сб. науч. тр. по ткачеству / МГТУ. - М., 2006. - С.115-125.
37. Примаченко Б.М. Численное моделирование процесса прибоя уточной нити на ткацком станке // Вестник СПГУТД. – 2007, № 13. - С.36-47.
(Основные доклады и тезисы докладов на симпозиумах, конференциях и семинарах)
38. Примаченко Б.М. Исследование выработки ткани «Поплин» на станках АТ и АТПР // Пути развития науч.-техн. прогресса в текст. пром-сти: тез. докл. Респ. науч.-техн. конф., 9-10 октября 1986 г. – Тбилиси, 1986. – С.54-55.
39. Примаченко Б.М., Иванов Г.Б., Молочков Г.А. Многослойные ткани // Технический прогресс в развитии ассортимента и качества изделий легкой пром-сти: тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. молодых ученых, 13-15 мая 1987 г. – Иваново, 1987. – С.50.
40. Примаченко Б.М., Жураев А.Т., Труевцев Н.Н. Разработка и исследование новых многослойных тканей одежно-обувного ассортимента // Теория и практика бесчелночного ткачества: тез. докл. Рос. Респ. науч. конф., 24-26 ноября 1992 г. – М., 1992. – С.6-7.
41. Примаченко Б.М. Исследование процесса формирования ткани на ткацком станке // Теория и практика бесчелночного ткачества: тез. докл. Рос. науч. конф., 24-26 ноября 1992 г. – М., 1992. – С.33.
42. Примаченко Б.М., Жураев А.Т. Разработка многослойных тканей для верха обуви // Мухандислар тайрлаш олийгохига асос солинганлигининг 25 йиллигига багишлаб ўтказилатган проф.-ўкит. Ил-мийамалий конф.: тез. – Наманган, 1994 йил. – С.62.
43. Примаченко Б.М. Разработка двухкомпонентных многослойных тканей и материалов одежно-обувного ассортимента // Перспективные материалы и изделия легкой пром-сти: материалы науч.-прак. конф. - СПб, 1994. – С.26-27.
44. Примаченко Б.М., Суркова В.М., Мальгунова Н.А. Разработка и производство льняных джинсовых тканей для одежды и обуви // Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях: тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 21-23 октября 1998 г. - Кострома, 1998. - С.79-80.
45. Примаченко Б.М., Яровая Л.В., Абакшина Н.Е. Технология выработки высокоплотных тканей технического назначения из полиэфирных нитей // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти: тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., 23-24 ноября 1999 г. - М., 1999. – С.38.
46. Примаченко Б.М., Полякова Л.П., Комаров А.А. Влияние переплетения основных и уточных нитей на параметры структуры и прочностные свойства ремизных тканей // Материалы юбилейной науч.-техн. межвуз. конф., 23-24 ноября 2000 г. - СПб: СПГУТД., 2000. – С.31-33.
47. Примаченко Б.М., Ковалева Н.А. Прогнозирование параметров структуры вискозных тканей // Материалы юбилейной науч.-техн. межвуз. конф., 23-24 ноября 2000 г. - СПб: СПГУТД., 2000. – С.54-56.
48. Примаченко Б.М. Разработка льнохлопковых многослойных тканей для текстильной обуви // Обувь. Изделия из кожи: тез. докл. науч.-прак. семинара: каталог второй Северо-Западной ярмарки товаров текстильной и легкой пром-сти, 13-14 сентября 2000 г. - СПб, 2000. – С.18.
49. Полякова Л.П., Примаченко Б.М. Исследование влияния переплетения на физико-механические и гигиенические свойства льнохлопковых тканей // Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях (Лен-2002): тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 17-18 октября 2002 г. - Кострома: КГТУ, 2002. – С.61.
50. Примаченко Б.М., Суркова В.М., Мальгунова Н.А. Разработка и исследование новых льняных тканей джинсового ассортимента // Наука - льняному комплексу: тез. докл. науч.-прак. конф., 2-4 марта 1999 г. - Вологда, 1999. – С.48-49.
51. Примаченко Б.М., Привалов С.Ф., Агамов Ф.Н. Оптимизация технологии производства сушильных сукон для бумажной промышленности с целью улучшения их эксплуатационных свойств // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти (Текстиль-2002): тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., 26-27 ноября 2002 г. - М: МГТУ, 2002. – С.44.
52. Примаченко Б.М. Исследование механических характеристик нитей различного сырьевого состава и параметров строения // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти (Текстиль-2003): тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., 25-26 ноября 2003 г. – М.: МГТУ, 2003. – С.56.
53. Примаченко Б.М. Привалов С.Ф., Агамов Ф.Н. Влияние параметров процесса сушки и термостабилизации на усадку и прочностные характеристики сукон технического назначения // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти (Текстиль-2003): тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., 25-26 ноября 2003 г. - М: МГТУ, 2003. – С.79-80.
54. Примаченко Б.М. Прогнозирование величин критериев характеризующих процесс прибоя уточ-
ной нити на ткацком станке // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой пром-сти (Прогресс-2004): тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 25-28 мая 2004 г. - Иваново: ИГТА, 2004. – С.42.
55. Примаченко Б.М. Исследование механических характеристик синтетических нитей для производства сеток используемых в целлюлозно-бумажной промышленности // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой пром-сти (Прогресс-2004): тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 25-28 мая 2004 г. - Иваново: ИГТА, 2004. – С.58.
56. Примаченко Б.М. Разработка методов моделирования прочностных характеристик тканей при растяжении // Волокнистые материалы XXI век: тез. докл. межд. конф. и выст., 23-28 мая 2005 г. - СПб: СПГУТД, 2005. – С.179 (CD-диск: доклад).
57. Примаченко Б.М. Исследование влияния технологических параметров производства синтетических сеток на механические характеристики основных и уточных нитей // Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2005): тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., 19-20 октября 2005 г. - Димитровград: ДИТУДУТУ, 2005. – С.87-89.
58. Примаченко Б.М. Исследование структуры и эксплуатационных свойств тканых изделий статистическими методами // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти (Текстиль-2005): тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф., 22-23 ноября 2005 г. - М: МГТУ, 2005. – С.47-48.
59. Примаченко Б.М. Прогнозирование параметров структуры и характеристик прочностных свойств высокоплотных тканей бытового и технического назначения // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой пром-сти (Прогресс-2006): тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 30 мая-1 июня 2006 г. - Иваново: ИГТА, 2006. – С.64.
60. Примаченко Б.М., Васильев Д.А., Труевцев Н.Н., Гусаков А.В. Разработка технологии производства и исследование тканей технического назначения из плоских полипропиленовых нитей // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти (Текстиль-2006): тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 28-29 ноября 2006 г. - М: МГТУ, 2006. – С.45-46.
61. Примаченко Б.М. Влияние параметров строения и характеристик механических свойств основных и уточных нитей на структуру и физико-механические свойства тканей // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти (Текстиль-2007): тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 27-28 ноября 2007 г. - М: МГТУ, 2007. – С.69-70.
62. Примаченко Б.М. Структурно-энергетический метод прогнозирования параметров структуры многослойных тканей бытового и технического назначения // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти (Текстиль-2008): тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 11-12 ноября 2008 г. - М: МГТУ, 2008. – С.60-61.
63. Примаченко Б.М. Комплексные экспериментальные исследования сушильных сеток для целлюлозно-бумажной промышленности // Современные технологии и оборудование текстильной пром-сти (Текстиль-2008): тез. докл. межд. науч.-техн. конф., 11-12 ноября 2008 г. - М: МГТУ, 2008. – С.91-92.
(Авторские свидетельства)
64. А.с. 1224365 СССР, МКИ Д 03 С 7/06 Устройство для выработки ажурной ткани к ткацкому станку / В.А. Гордеев, Б.М. Примаченко, В.М. Лейзина, Э.М. Белавадзе, Г.Г. Сафонова. - № 3686112/28-12; заявл. 05.01.84; опубл. 15.04.86, Бюл. № 14. – 1 с. : ил.
65. А.с. 1423645 СССР, МКИ Д 03 Д 11/00. Многослойная ткань / Б.М. Примаченко, Н.Н. Труевцев, В.А. Браславский. - № 4175556/31-12; заявл. 05.01.87; опубл. 15.09.88, Бюл. № 34. – 1 с. : ил.
(Учебное пособие)
66. Труевцев Н.Н., Штут И.И., Примаченко Б.М. и другие. Механическая технология текстильных материалов. – СПб: Изд-во Санкт-Петербургского университета, 1993. – 212 с.
