Delist.ru

Развитие теории формирования и строения ткани на основе нелинейной механики гибких нитей (15.09.2007)

Автор: Степанов Сергей Гаевич

Актуальность проблемы. Одной из основных технологических операций, обеспечивающих процесс формирования ткани заданного строения, является прибой уточной нити на ткацком станке, во время которого при выработке большинства тканей основные и уточные нити испытывают наибольшее напряжение. В связи с этим исследование взаимодействия уточных и основных нитей в процессе прибоя в зависимости от различных факторов представляет научный интерес и имеет большое практическое значение для технологии ткачества, так как позволяет изучить напряженные условия работы нитей на ткацком станке, выбрать рациональные параметры заправки станка в зависимости от типа вырабатываемой ткани, объективно разработать требования к нитям, поступающим в ткачество.

Теоретическое исследование взаимодействия нитей в процессе прибоя имеет также большое значение для создания новых ткацких станков, так как позволяет ещё на стадии их проектирования учесть реальные условия выработки тканей на ткацком станке, разработать обоснованные технологические требования, определить расчётные нагрузки на механизмы станка.

Исследованию процесса формирования ткани на ткацком станке, и в частности наиболее интенсивной фазе этого процесса – прибою уточной нити, в последние десятилетия посвящено много работ. Однако ввиду сложности решения данной задачи фундаментальная, общепризнанная и законченная теория формирования ткани кем-либо из авторов ранее так и не была разработана.

В публикациях по теории формирования ткани для математического описания процесса взаимодействия нитей в зоне формирования при прибое используется формула Эйлера. Однако эта формула получена для случая равновесия идеально гибкой, нерастяжимой нити, охватывающей негладкую цилиндрическую поверхность несопоставимо большего радиуса, чем радиус поперечного сечения самой нити. В тканях нити основы и утка охватывают друг друга не по цилиндрической, а по иной поверхности, а поперечные сечения нитей сопоставимы и малы. Во многих случаях, особенно в тканях повышенной плотности, основа и уток при взаимодействии получают сильный изгиб, и модель идеальной нити этому случаю не соответствует. Ещё в большей степени эта модель не соответствует мононитям (например капроновым) и металлонитям, обладающим сравнительно большой изгибной жёсткостью. Поэтому взаимодействие нитей в ЗФТ не может быть в полной мере учтено формулой Эйлера для идеальной нити.

Учитывая вышеизложенное, в диссертации сделан вывод о необходимости разработки новой теории взаимодействия нитей в ЗФТ при прибое, в основу которой должна быть положена не формула Эйлера для идеальной нити, а нелинейная механика гибких нитей. Данная теория должна обеспечить решение актуальных задач по определению натяжений в нитях основы и утка и других параметров формирования ткани, исследованию влияния на эти параметры различных факторов, прогнозированию значений параметров формирования и выдаче обоснованных рекомендаций по снижению натяжения в нитях с целью уменьшения их обрывности при прибое.

С окончанием прибоя уточной нити завершается лишь наиболее активная стадия процесса формирования ткани, но сам процесс не заканчивается и продолжается на всём пути продвижения ткани по зонам станка вплоть до навивки на товарный валик. Убедительным подтверждением продолжения формирования ткани на участке опушка - товарный валик является изменение строения ткани, основным показателем чего служит изменение ширины и плотности ткани на всём участке от опушки до товарного валика. В связи с этим представляет научный и практический интерес теоретическое исследование и прогнозирование параметров строения ткани в различных зонах станка и суровой ткани, снятой со станка.

В большинстве работ исследование строения и проектирование тканей выполняются на основе геометрического метода, который не учитывает жесткостные характеристики нитей и особенности их силового взаимодействия в ткани. В данном случае это фактически означает использование модели идеальной нити для исследования строения ткани, о недостатках которой уже упоминалось выше.

Анализ опубликованных работ по расчету параметров строения тканей с учетом жесткостных характеристик нитей показал, что в большинстве это работы по расчету тканей полотняного переплетения на основе линейной теории изгиба нитей, которая дает хорошие результаты лишь для тканей малой и средней плотности. Методы расчета параметров строения тканей с высокой плотностью нитей на основе нелинейной теории изгиба развиты недостаточно и не учитывают ряд важных особенностей взаимодействия нитей в ткани и опять же разработаны в основном для тканей полотняного переплетения. С учетом вышеизложенного в диссертации сделан вывод о необходимости разработки новых, универсальных методов расчета и проектирования, основанных на нелинейной механике гибких нитей, которые бы позволяли с достаточной точностью рассчитать параметры строения и спроектировать ткань как малой и средней плотности, так и высокоплотные ткани, причем не только полотняного переплетения, но и ткани саржевого, сатинового и атласного переплетений.

Таким образом, является актуальной решаемая в данной работе проблема развития, углубления и обобщения теории формирования и строения ткани, основанная на нелинейной механике гибких нитей, а также применение разработанной теории к решению практических задач.

Цель и задачи исследования. Главной целью работы является развитие и обобщение теории формирования и строения ткани на основе нелинейной механики гибких нитей и приложение этой теории к решению практических задач.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

- получены математические модели взаимодействия основных и уточных нитей в ЗФТ;

- разработана методика расчета, прогнозирования параметров формирования ткани и исследования влияния на них различных факторов;

- разработаны расчетные модели и на их основе получены математические модели строения тканей полотняного, саржевого, сатинового и атласного переплетений;

- на основе разработанной теории строения тканей с использованием компьютерных технологий решены практические задачи по расчету, прогнозированию параметров строения и проектированию тканей главных переплетений.

Основные методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, теории дифференциальных уравнений, теоретической механики и нелинейной механики жесткой на изгиб, кручение и растяжение нити, сопротивления материалов и теории упругости, текстильного материаловедения, численные математические методы. Численная реализация математической модели взаимодействия основных и уточных нитей в ЗФТ и математических моделей строения тканей главных переплетений выполнялась методом конечных разностей с использованием компьютерной математической системы MathCAD.

Достоверность разработанной теории формирования и строения ткани подтверждена путем сравнения результатов, полученных на её основе, с экспериментальными данными, обработка которых выполнена с применением методов математической статистики.

Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке нелинейной теории формирования и строения ткани, в рамках которой на основе положений нелинейной механики жесткой на изгиб, кручение и растяжение нити выполнено следующее:

1) получена обобщенная математическая модель взаимодействия основных и уточных нитей в ЗФТ, которая включает как составные части математические модели равновесия основной нити и уточных нитей (в том числе и прибиваемой уточины) в зоне формирования ткани, а также интегральные и геометрические соотношения, их связывающие;

2) получена упрощенная математическая модель взаимодействия нитей в ЗФТ, являющаяся частным случаем обобщенной модели при обоснованном введении для последней некоторых упрощающих допущений;

3) разработан экспериментально-теоретический метод определения изгибной жесткости текстильных нитей;

4) разработана методика расчета, прогнозирования параметров формирования ткани и исследования влияния на них различных факторов, на основе которой для момента крайнего переднего положения берда впервые теоретическими методами построены деформированные оси основы и прибиваемой уточины в ЗФТ, получены расчетные значения натяжений в нитях (в том числе и в прибиваемой уточине) и другие параметры формирования ткани, исследовано влияние таких факторов, как сила прибоя, коэффициент трения между нитями, жесткостные характеристики нитей, дозировка на параметры формирования ткани, даны объяснения и вскрыты причины поведения этих параметров при изменении указанных факторов, построены кривые, характеризующие поведение параметров формирования ткани в течение времени прибоя;

5) получено обобщенное геометрическое соотношение (условие совместности прогибов) для тканей саржевого, сатинового и атласного переплетений, из которого следует как частный случай известное геометрическое соотношение Н.Г. Новикова для тканей полотняного переплетения – сумма высот волн изгиба основы и утка равна сумме их диаметров;

6) разработаны расчетные модели и на их основе математические модели строения тканей полотняного, саржевого, сатинового и атласного переплетений с одинаковой линейной плотностью и структурой нитей в пределах каждой из систем (основная и уточная системы нитей);

7) разработаны расчетная модель и на её основе математическая модель строения ткани полотняного переплетения с разными по линейной плотности и структуре уточными нитями (техническая ткань типа ТОПАС – ткань ориентированная, полиамидная, армированная стеклонитью, для изготовления термопластичных композиционных материалов), получен патент РФ на данную ткань;

8) на основе разработанной теории строения тканей с использованием компьютерных технологий исследовано строение ткани бязь арт. 222 в различных зонах станка (в том числе впервые теоретически определена усадка ткани при её выходе из зоны действия шпаруток), выполнены расчет и проектирование новых технических тканей, построены кривые, характеризующие деформированные оси основы и утка в ткани саржевого и сатинового переплетений.

Помимо этого разработана новая конструкция тормоза навоя ткацкого станка для обеспечения необходимого режима отпуска и натяжения основы при выработке тяжелых тканей, на которую получен патент РФ.

Практическая значимость и реализация результатов работы

На основе математической модели взаимодействия нитей в ЗФТ при прибое, полученной в диссертации, разработаны методика и пакеты программ для автоматизированного расчета и прогнозирования параметров формирования ткани.

Математические модели строения тканей главных переплетений положены в основу пакета программ для автоматизированного расчета параметров строения и проектирования тканей.

Указанные методики и пакеты программ прошли опытно-промышленную апробацию и внедрены на научно-производственном объединении «КОНВЕРСИПОЛ», г. Иваново, где использованы при создании новых специальных технических тканей (высокопрочных тканей на основе сверхвысокомодульных нитей, тканей с большим наполнением волокнистым материалом, термостойких тканей на основе стеклонитей и др.) для оборонного комплекса.

В условиях НПО «КОНВЕРСИПОЛ» внедрение разработок, полученных в рамках настоящей диссертационной работы, привело к существенному сокращению времени на расчет и проектирование новых тканей, увеличению точности расчета и проектирования этих тканей.

На основе патента РФ на техническую ткань была произведена новая стеклокапроновая ткань (ткань ТОПАС-2), из которой в дальнейшем на предприятиях оборонного комплекса получены термопластичные композиционные материалы, используемые в настоящее время в авиастроении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку:

- на международной научно-технической конференции «Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов в текстильном производстве», г. Иваново, ИГТА, 1996г.;

- на международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», г. Иваново, ИГТА, 1998 г., 1999 г., 2000 г., 2001 г., 2005 г., 2006 г., 2007 г.;

- на всероссийском семинаре по теории машин и механизмов Российской академии наук (Костромской филиал), г. Кострома, 2005 г., 2007 г.;

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 40 работ, в том числе 1 монография, 21 статья в журнале «Известия вузов. Технология текстильной промышленности», 2 патента РФ, 3 статьи в других изданиях. Остальные публикации представлены в сборниках материалов и тезисах докладов международных научно-технических конференций.

Структура и объём работы. Диссертационная работа включает введение, семь глав, общие выводы и рекомендации, список используемой литературы, приложение. Основное содержание работы изложено на 443 страницах машинописного текста, включая 115 рисунков, 10 таблиц, список используемой литературы из 240 наименований. В приложении на 509 страницах приведены программы для расчета параметров формирования и строения тканей, акт внедрения результатов диссертационной работы и др.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

загрузка...