В основе диссертации: В.Ю.Романов - литературный обзор

Введение.

В годы реформирования экономики в текстильной и легкой промышленности России произошло беспрецедентное падение объемов производства, ухудшилось финансово-экономическое положение предприятий, многие из которых оказались на грани банкротства. Кризисное состояние отрасли, в котором она оказалась после 1991г., обусловлено следующими причинами: дефицит оборотных средств у предприятий, связанный с опережающим ростом цен на сырьевые ресурсы, электроэнергию и топливо по сравнению с ростом цен на готовые изделия; технологическая отсталость производства и, как следствие, низкое качество продукции; острая конкуренция со стороны импортных товаров и отсутствие защитных мер по отношению к отечественным производителям; потеря отечественных источников сырья; резкое сокращение потребления отечественной продукции из-за снижения платежеспособного спроса населения; неподготовленность производственных кадров и управленческого персонала к переходу на рыночные отношения; малоэффективная налоговая политика.

В издержках производства текстильных предприятий резко возрос удельный вес топлива - за 1990-1997гг. в 5,4 раза, электроэнергии – в 3,7 раза, а сырья – понизился в 1,9 раза. В результате роста цен отечественные текстильные товары стали неконкурентоспособными.

Снижение роли отрасли на внутреннем рынке обусловило падение объемов текстильной продукции: объем выпуска тканей уменьшился более чем в 5 раз, трикотажных изделий – в 10 раз, чулочно-носочных – в 3,5 раза.

В 1998-2001гг. в текстильной и легкой промышленности сложился ряд положительных тенденций. Так, значительно улучшается качество и расширяется ассортимент выпускаемой продукции. Благодаря этому импортные аналоги вытесняются с отечественного рынка.

Поэтому, на данном этапе развития ткацкого производства особо остро стоит задача выработки ассортимента тканей, отвечающих тенденциям моды и, в то же время, предусматривающего экономный расход сырья. Решение этой задачи достигается посредством применения программных средств на этапе проектирования параметров строения ткани и технологических параметров ее изготовления.

В настоящее время оптимальные технологические параметры изготовления тканей определяются в основном экспериментально. Критериями оптимизации в зависимости от назначения ткани являются: обрывность нитей, параметры строения и свойства тканей. В ряде случаев для определения оптимальных параметров приходится решать компромиссную задачу.

В настоящее время отсутствует метод определения комплекса оптимальных технологических параметров расчетным путем. Используемые для расчета отдельных технологических параметров формулы не позволяют в достаточной степени оценить условия изготовления тканей на ткацком станке. Кроме того, при расчетах не учитывается целый ряд факторов, таких как параметры строения вырабатываемых тканей, свойства используемых нитей.

1.1.4 Анализ работ, посвященных исследованию напряженности заправки основных нитей на ткацких станках

Понятие напряженности заправок ткацких станков введено сравнительно недавно, однако во многих последних работах по технологии ткачества оно устоялось и часто используется.

В настоящее время существует несколько косвенных критериев для оценки напряженности заправок ткацких станков.

Коэффициент связности. Этот критерий рекомендуют использовать ВНИИЛТЕКМАШ и ЦНИХБИ. Формула для расчета коэффициента связности предложена Ереминой Н.С. и имеет следующий вид:

; (2.1)

где плотности ткани по основе и по утку;

средний коэффициент переплетения ткани;

средняя линейная плотность нитей;

Средняя линейная плотность нитей определяется по формуле:

; (2.2)

где линейные плотности основы и утка.

Средний коэффициент переплетения ткани равен:

; (2.3)

где число нитей основы и утка в раппорте переплетения;

число связей основы и утка в раппорте; ;

число связей основы и утка в раппорте в направлении

основы и утка соответственно.

Расчеты по данной формуле не всегда отражают действительной картины. Так, например, формула совершено несправедлива для многих тканей комбинированного класса переплетений. По ней хорошо проводить сравнительные расчета для оценки напряженности заправок ткацких станков при изготовлении тканей одного и того же переплетения но с различными плотностями по основе и по утку и линейными плотностями основных и уточных нитей.

Проф. П.Т.Букаев [5.1] вводит термин "технологичности ткани", а критерий, позволяющий оценить "технологичность ткани" носит название – коэффициент уплотненности (технологичности), который определяется по следующей формуле:

; (2.4)

где С – коэффициент, зависящий от рода волокна, для хлопка он равен 1.25;

плотности ткани по основе и утку;

линейные плотности основных и уточных нитей.

Данный критерий, к сожалению, не учитывает технологические параметры выработки ткани, а, следовательно, и условия ее изготовления на ткацком станке.

При оценке напряженности заправки часто используются коэффициенты заполнения и наполнения ткани [2.13]. Однако, использование этих критериев противоречит физическому смыслу этих показателей; они для большого количества тканей превышают значение в 100%. Это связано с тем, что не учитывается реальное строение ткани, смятие нитей основы и утка в ткани.

В работах [2.10, 2.17] для вышеназванных целей предлагается использовать коэффициент наполнения ткани с учетом смятия нитей в ткани и взаимного расположения нитей основы и утка. Однако, нет расчетных предельных (критических) коэффициентов наполнения ткани, при которых можно вырабатывать те или иные ткани на том или ином ткацком станке.

Коэффициент заполнения ткани, формулы для расчета которого имеют вид:

;

; (2.6)

; (2.7)

где заполнение ткани волокнистым материалом по направлению

основы и утка;

плотности ткани по основе;

диаметры ткани по основе и по утку;

коэффициенты, зависящие от рода волокна, для основы и для утка;

линейные плотности основы и утка.

Коэффициенты наполнения ткани по основе и утку, можно подсчитать по формулам:

;

, (2.8)

где плотности ткани по основе и по утку;

раппорты ткани по основе и по утку;

диаметры основы и утка;

число пересечений утка основой и основы утком.

Коэффициенты наполнения ткани волокнистым материалом. Обычно ткани вырабатываются на станке с фактической плотностью, которая меньше максимальной. Фактическая плотность ткани определяется по максимальной плотности с учетом коэффициентов наполнения ткани волокнистым материалом по основе и утку . Для характеристики наполнения ткани волокнистым материалом по основе и по утку в целом применяется коэффициент наполнения ткани волокнистым материалом:

(2.9)

Приведенный выше коэффициент наиболее полно характеризуют ткань, так как учитывают деформацию и переплетение нитей, а также порядок фазы строения, что принципиально отличает их от применяемых в практике коэффициентов.

При расчете коэффициентов наполнения ткани необходимо рассчитать предельные максимальные плотности ткани по основе и по утку. Под тканью с предельной, максимально возможной плотностью по основе и по утку подразумевают такую ткань, в которой геометрическая плотность ткани по основе равна , а по утку . Если нити в ткани имеют форму поперечного сечения в виде круга, то:

; (2.10)

Если нити в ткани имеют форму поперечного сечения в виде эллипса, то значение предельной плотности ткани, например, для полотняного переплетения, можно рассчитать, зная диаметры основы и утка по горизонтали и :

; (2.11)

Профессор Ташкентского института текстильной и легкой промышленности Н.Х. Уразов предлагает использовать коэффициент строения ткани [2.21] :

; (2.5)

где С – коэффициент связности;

высоты волн изгиба нитей.

Однако этим критерием трудно пользоваться, так как заранее неизвестны высоты волн изгиба нитей, которые как раз и зависят от напряженности заправки станка, от технологических параметров изготовления ткани.

Автор экспериментально установил некоторые критические значения коэффициентов строения ткани для различного ассортимента, но использовать этот критерий весьма затруднительно, так как за ранее неизвестно какой порядок фазы строения имеет ткань.

Существуют различные подходы к решению проблемы напряженности заправки, а, следовательно, и её прочности, что привело к существенному различию методов феноменологического изучения и описания основных закономерностей разрушения и даже к различию в выборе основных параметров, характеризующих прочностные свойства твердых тел.

Для иллюстрации возможности использования данной теории рассматривается классическая сплошная среда, состоящая из системы материальных точек. Здесь положение каждой материальной точки характеризуется ее координатами. В результате предельного перехода получается сплошная среда, кинематика которой описывается тремя функциями положения. Деформация этой среды будет определяться вектором перемещения.

Возможность использования механики сплошных сред при рассмотрении и анализе различных процессов и явлений показали многие крупные российские ученые – механики, такие как академик Работнов Ю.Н. Он отмечает, что механика сплошных сред включает в себя "механику газов, жидкостей, твердых тел и иных возможных сред... С точки зрения приложений, если не считать обработки пластических материалов и некоторых проблем геофизики, данная теория может быть применена в широкой области расчета конструкций". Возможность использования такого подхода также была показана в работах проф. Щербакова В.П., проф. Николаева С.Д. и других ученых [3.60, 4.15].

Задача в данном случае формулируется следующим образом. Задана какая-то конструкция и условия ее эксплуатации. Следует ответить на вопрос, будет ли данная конструкция функционировать в течение некоторого отрезка времени, либо выйдет из строя сразу. Как известно, ответ на этот вопрос не дает ни теория упругости, ни теория пластичности. Ответ может быть получен только с позиции механики сплошных сред - механики разрушения.

В этом случае используются критерии длительной прочности, которые позволяют оценить напряженно-деформированное состояние нитей основы и утка на ткацком станке.

В последних работах, проводимых на кафедре ткачества МГТУ имени А.Н.Косыгина [4.6, 4.15, 4.19] для оценки работоспособности заправки использовались такие критерии длительной прочности, как критерий Бейли и критерий Москвитина [2.6]. Вообще в механике это самые распространенные и универсальные критерии.

Академик Журков С.Н. [2.24] и его ученики в основу своих исследований поставили учет разрушающей роли теплового движения и тепловых флуктуаций. Экспериментальной основой кинетической теории прочности механического разрушения явились экспериментальные данные по временной и температурной зависимости прочности твердых тел. Основополагающими выводами из этой теории являются:

- долговечность тела под нагрузкой определяется временем, необходимым для "посещения" тепловыми флуктуациями "разрывной величины" значительной доли атомов в сечении нагруженного твердого тела;

- внешняя нагрузка, возмущая межатомные связи, снижает потенциальный барьер и облегчает распад напряженных связей и, кроме того, затрудняет рекомбинацию разорванных связей;

- разрыв межатомных связей (рассоединение атомов) осуществляется фактически не непосредственно внешней силой (что считалось ранее совершенно несомненным), а тепловыми флуктуациями. Использование этой теории предполагает оценку доли времени из долговечности, затрачиваемое на акт разрушения, и доли времени из долговечности, затрачиваемое на деформирование.

Все существующие критерии длительной прочности учитывают тот факт, что задолго до окончания разрушения тела в нем начинают накапливаться микроповреждения. Это доказано многочисленными исследованиями (микроскопическими, акустическими и др.) и не требует особых доказательств. Известно также, что при скоростном нагружении кратковременное нарушение статических критериев прочности не обязательно приводит к разрушению. Это объясняется довольно просто: время действия импульса нагрузки может быть недостаточным для накопления критического количества микроповреждений. Все это очень хорошо объясняется теориями длительной прочности или накопления повреждений, которые служат основой для предсказания времени надежной работы конструкции.

При этом основной характеристикой, используемой в теориях накопления повреждений, является время их разрушения.

Критерий Бейли

Академик С.Н. Журков предложил для расчета времени нагружения t следующую формулу для установления взаимосвязи между временем, величиной и характером нагружения любого полимерного материала:

где T - температура по шкале Кельвина;

R - постоянная Больцмана;

τ_o - период тепловых колебаний атомов в твердом теле около положения равновесия;

U_o - энергия активации при разрушении тела;

σ - напряжение нити;

g - структурный коэффициент.

В уравнении С.Н. Журкова параметрам t_o, g, U_o придается определенный физический смысл.

Для определения повреждаемости нити вводится функция повреждаемости, равная 0 до начала нагружения и 1 при разрушении. При этом целесообразно использовать формулу Бейли, которая может быть представлена в следующем виде

где t[στ - время, в течение которого образец находится под нагрузкой, в случае изменения напряжения по какому-либо закону, экспериментально определяемая величина.

Определить параметры τ_о, U_o ,g можно при испытании нити на растяжение с постоянной скоростью нагружения. Метод определения этих параметров изложен в работах проф. В.П. Щербакова и проф. С.Д.Николаева.

Если испытывать нить на растяжение с постоянной скоростью нагружения, то закон нагружения имеет вид σ(t)= t dσ/dt=tV_s. Скорость нагружения нити при этом dσ/dt =cоnst. Интеграл Бейли в условиях растяжения с постоянной скоростью нагружения будет иметь вид:

На разрывной машине с постоянной скоростью нагружения проводятся отдельные опыты при различных скоростях изменения напряжения. Тогда:

При расчете повреждаемости не учитывается неравномерность натяжения нитей основы по глубине и ширине заправки и предыстория нагружения. Исследования, проведенные на кафедре ткачества МГТУ им. А.Н.Косыгина показали, что:

1) при η<0,25 – процесс тканеформирования протекает в спокойных условиях (такие ткани легко вырабатывать на станках АТПР);

2) при η = 0,25-0,5 - процесс образования ткани проходит в довольно напряженных условиях (целесообразно выбирать станки СТБ или АТПР);

3) при η = 0,5 - 0,75 - процесс тканеформирования возможен, но наблюдается повышенная обрывность основных нитей (примерно в 2 раза);

4) при η = 0,75 – 1 – процесс тканеформирования возможен, но резко увеличивается обрывность основных нитей (примерно в 5 раз);

5) при η > 1 - процесс тканеформирования практически невозможен.

Однако, как справедливо отмечают авторы этой работы, данная теория, хорошо вскрывающая физику рассматриваемого явления, не всегда может правильно количественно оценить уровень разрушения, особенно для сложных процессов.

В ткачестве эта теория применена в работах Т.П. Баталко [4.2], С.Д. Николаева [4.15], Е.В. Евсюковой [4.7], Р.Ю. Ахмедова [4.1], Денисенко Т.Н. [4.5], Юхина С.С. [4.19].

Проф. Щербаков В.П. [3.60] для оценки напряженности заправок на трикотажных машинах и проф. Николаев С.Д. [4.15] для оценки напряженности заправок на ткацких станках использовали критерий В.В. Москвитина, учитывающий предысторию нагружения.

Коэффициент повреждаемости нити основы по критерию В.В. Москвитина применяется для описания сложного напряженного состояния заправки и имеет следующий вид:

(2.18)

где t – время до разрушения;

m – экспериментально определяемая постоянная, характеризующая предысторию нагружения;

t[σ(τ)] – экспериментально определяемая функция эквивалентного напряжения σ.

Смысл коэффициента повреждаемости заключается в том, что до начала процесса он равен 0, а при разрушении 1.

В работах Щербакова В.П. и Николаева С.Д. использован степенной закон, связывающий напряжение нити и время разрушения нити в виде:

(2.19)

где B и b – эмпирически определяемые величины.

Здесь степенную зависимость следует интерпретировать не как физическую закономерность, а лишь как удобную для расчетов аппроксимацию. При использовании критерия Москвитина приходится формулировать условия разрушения в терминах и понятиях сплошной среды, не учитывая природы разрушения. В этом случае подход к решению задачи является чисто механическим. Физический смысл величин и неясен, так как они просто являются эмпирическими коэффициентами.

С учетом степенной зависимости коэффициент повреждаемости нити основы по критерию В.В. Москвитина принимает следующий вид:

. (2.20)

При различных законах нагружения коэффициент повреждаемости может быть рассчитан по следующим формулам:

- при постоянном напряжении

; (2.21)

- при постоянной скорости нагружения

, (2.22)

где Г[А] – гамма-функция аргумента [А].

Проведенные ранее на кафедре ткачества исследования показали, что:

1. при η<0,5 – процесс тканеформирования протекает в нормальных спокойных условиях (ткани можно вырабатывать на станках АТПР);

2. при η=0,5 – 0,75 – процесс тканеформирования проходит в более напряженных условиях (ткани целесообразно вырабатывать на станках СТБ и рапирных);

3. при η=0,75 – 1 –процесс тканеформирования протекает с обрывностью в 2-5 раз больше обычного;

4. при η>1 – процесс тканеформирования практически невозможен.

Проф. Лустгартен Н.В. для оценки напряженности заправок использовала эмпирические коэффициенты, полученные на основе обработки экспериментальных данных [3.27, 3.30].

ВЫВОДЫ

- при анализе напряженно-деформированного состояния нитей на ткацком станке следует рассчитывать напряженность заправки, наиболее универсальным критерием для этого является критерий длительной прочности.

- напряженность заправки ткацкого станка предопределяется строением вырабатываемой ткани, свойствами используемых нитей, технологическими параметрами изготовления ткани, типом оборудования, его скоростным режимом;

- при анализе напряженно-деформированного состояния заправки ткацкого станка целесообразно исследовать физику рассматриваемого явления, выявлять факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс разрушения нитей с целью уменьшения интенсивности их воздействия.