Разработка технологии получения фасонной пряжи на основе изучения механизма поведения нитей при кручении

Решаемая проблема.

Одним из основных технологических процессов при производстве текстильных нитей является кручение. В процессе кручения текстильные нити приобретают необходимые геометрические и механические свойства. В некоторых случаях, например, при производстве креповой, фасонной пряжи кручение позволяет достигать желаемых внешних эффектов. С помощью процессов кручения вырабатываются большинство всех текстурированных нитей.

Равновесность и механическое поведение пряжи в значительной степени определяется уровнем напряжений, накопленных в процессе кручения. Одним из важных следствий наличия в пряже напряжений кручения является ее склонность к образованию сукрутин. Пряжу, сохранившую большие остаточные напряжения кручения после производства, называют неравновесной. Такую пряжу нежелательно использовать для изготовления трикотажа и тканей из-за появления нарушений структуры (дисторсии) полотна [66,104,118,123].

Склонность крученых продуктов к образованию сукрутин является нежелательной в технологических процессах переработки пряжи. Ослабление натяжения может привести к образованию сукрутин [10, 49, 60], которые в свою очередь приводят к повышению обрывности, снижению качества пряжи [56, 67] и даже к поломкам оборудования [70]. Поэтому вопрос о выработке рекомендаций по устранению появления сукрутин в нитях в ходе технологических процессов при перематывании, при прокладывании уточной нити в зев или подаче нити в зону петлеобразования является актуальным.

С другой стороны, образование петель и сукрутин, например, при производстве некоторых видов фасонной пряжи, используется для создания желаемого внешнего эффекта пряжи. При этом неравновесность нити (склонность к образованию петель и сукрутин) является положительным свойством. Неравновесность нити в значительной степени определяет вид, форму петель и сукрутин (как правило, образование петли на нити является начальной стадией образования сукрутинытермин «сукрутина» является общим для обоих случаев, поэтому в дальнейшем будет использоваться термин сукрутина", и лишь там, где это необходимо-термин «петля», рис. 1.1), образующихся в ходе технологического процесса, а поэтому влияет на внешний вид фасонной пряжи [16, 89] и дизайн изделий, произведенных из этой пряжи [139].

Две задачи являются предметом данной работы. Первая задача формулируется как «исследование процессов образования и распускания сукрутин в текстильных нитях». Вторая задача формулируется как «исследование процесса формирования фасонной пряжи с петлями и сукрутинами».

Главным направлением исследования в рамках первой задачи является построение математической модели и алгоритмических средств для моделирования механического поведения нитей при кручении. На основе разработанных алгоритмических средств созданы программные средства для прогнозирования механического поведения нити при образовании и распускании сукрутин.

Исследование деформирования текстильных нитей при образовании сукрутин представляет сложную задачу. Анализ этой задачи в общей постановке требует учета структуры нити. Из-за сложности структуры реальной нити в качестве математической модели практически используется модель упругой нити, лишенной структуры. Будем для краткости называть эту модель -«моделью мононити» (в дальнейшем кавычки будем опускать). При этом механические свойства нити считаются заданными, а вопросы прогнозирования свойств нитей по заданной структуре остаются за пределами работы. Такая математическая модель в большей степени отражает механическое поведение химических нитей, чем нитей со сложной внутренней структурой. Однако, с определенными допущениями модель мононити применима и для нитей со сложной структурой. Этот тезис подтверждается проведенными в работе экспериментальными исследованиями.

Процесс деформирования нити в данной работе рассматривается как квазистатический процесс. Предполагается, что, реально развивающийся во времени, процесс деформирования, можно представить в виде последовательности статических состояний равновесия нити. Нить считается нелинейно-упругой, релаксация напряжений учитывается для исследования устойчивости нити.

Общим подходом к исследованию сложного напряженно-деформированного состояния нити моделируемой мононитью является аппарат механики тонких стержней. Подход на основе механики тонких стержней позволяет на основании изучения одной математической модели рассматривать различные стадии деформирования нити, не делая при этом допущений о форме равновесной конфигурации и учитывая нелинейные механические свойства нигги. Однако аналитическое решение нелинейные уравнения механики стержней имеют в исключительных случаях. Вследствие этого распространены различные численные методы определения напряженно-деформированного состояния механической системы, среди которых наиболее часто применяют метод конечных элементов, различные вариационные методы и прямое решение уравнений равновесия. В данной работе для исследования процессов образования и распускания сукрутин в текстильных нитях применяется аппарат механики стержней с прямым численным решением уравнений равновесия.

В работе проведено также экспериментальное исследование кручения, образования и распускания сукрутин на нити. Для этого создана экспериментальная аппаратура, представленная двумя установками: а) установка для изучения механического поведения нитей при кручении, б) установка для изучения механического поведения нитей при возникновении слабины. С помощью экспериментальных установок проведены исследования для широкого набора текстильных нитей различной структуры и волокнистого состава. Экспериментальные результаты использовались для оценки применимости математической модели.

Эффекты аналогичные образованию петель и сукрутин в текстильных нитях встречаются во многих других областях, где имеет место нагружение длинных относительно тонких структур осевыми нагрузками. Среди наиболее близких явлений выделим: а) петлеобразование в подводных кабелях и буксировочных спасательных тросов, б) потерю устойчивости длинной штанги бура при бурении, в) спиральность молекул ДНК и протеина, г) устойчивость потока плазмы в плазменных ускорителях. Таким образом, развиваемая в данной работе математическая модель может иметь применение, помимо механики текстильных нитей, во многих областях знаний.

Успешно решенная первая задача позволяет перейти к моделированию образования петель и сукрутин при формировании фасонной пряжи, что является второй задачей решаемой в данной работе. Эта задача является в равной степени материаловедческой и технологической. Здесь наряду с разработкой математической модели формирования фасонной пряжи, исследуются сам технологический процесс производства фасонной пряжи и влияние параметров технологического процесса на внешний вид фасонной пряжи. Задача включает в себя как разработку математической модели, так и разработку алгоритмических средств, реализуемых в виде программ для моделирования внешнего вида фасонной пряжи, получаемой в ходе заданного технологического процесса. Для оценки применимости построенной модели проведен эксперимент по получению некоторых видов фасонной пряжи с непрерывным эффектом.

Цели исследования.

Цели исследований, представленных в диссертации, разделяются на цели в двух направлениях: в теоретическом и практическом. В теоретическом направлении цели исследования формулируются следующим образом:

1. разработка математической модели для описания механического поведения текстильных нитей в процессах образования и распускания сукрутин;

2. математическое моделирование формирования фасонной пряжи с петлями и сукрутинами.

В практическом направлении преследуются следующие цели:

1. оценка неравновесности нити, разработка рекомендаций по устранению сукрутин в технологических процессах производства и переработки крученых продуктов;

2. исследование влияния параметров технологического процесса и механических свойств нитей на внешний вид фасонной пряжипрогнозирование внешнего вида петельчатой фасонной пряжи.

Актуальность работы.

В технологических процессах переработки крученых продуктов образование сукрутин является серьезной проблемой, понижающей качество пряжи, изделий и эффективность производства. Применяемые на практике критерии образования сукрутин носят эмпирический характер или базируются на грубых оценках, в то время как применимость некоторых фундаментальных теоретических результатов ставится под сомнение [16]. Исследование процесса образования сукрутин, предпринятое в данной работе, позволило предложить для использования на практике несколько критериев образования сукрутин. Среди рассмотренных критериев есть критерии для определения критических параметров, как при кручении нити, так и при возникновении слабины. Применение рассмотренных критериев позволяет в зависимости от механических свойств нити предсказать критические параметры нагружения нити, при которых образование сукрутины становится неизбежным. Таким образом, в работе предлагаются теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные критерии образования сукрутин. Выше сказанное дает основу для выработки рекомендаций по выбору параметров технологического процесса переработки крученых продуктов для повышения эффективности производства.

Актуальность данной работы заключается также в рассматриваемой математической модели. В текстильной литературе трудно встретить работы, в которых для решения задач о сложном пространственном деформировании нити применяются развитые механические теории. Часто при рассмотрении задач механики нити пренебрегают использованием современных методов, в частности механики стержней. Использование современных, быстро развивающихся методов механики стержней и теории динамических систем определяет актуальность данной работы. Прежде всего, это заключается в совершенствовании применяемых математических моделей текстильной нити и развития математического аппарата.

Актуальность задачи о моделировании внешнего вида фасонной пряжи следует из отсутствия в литературе математических моделей фасонной пряжи, которые одновременно теоретически обоснованы и обеспечивают достаточное внешнее сходство моделируемой пряжи с экспериментально полученными образцами. Создание программного пакета, позволяющего по входным характеристикам нити и параметрам технологического процесса моделировать конечный вид фасонной пряжи, дает экономическую выгоду. В этом случае нет необходимости в проведении большого числа натурных экспериментов для определения ассортимента продукции. Основная работа по определению ассортимента ложится на программные средства, приводя к экономии средств и времени. Успех практического применения методов моделирования при этом во многом определяется «дружественностью» программ, реализующих эти методы, и их сервисными возможностями. Разработанные программные средства имеют развитое графическое обеспечение, которые позволяют быстро оценивать результаты численного эксперимента и моделирования.

Научная ценность и новизна.

В работе проведено широкое экспериментальное исследование критериев образования сукрутин для объектов различной структуры и волокнистого состава. Результаты исследования показали инженерную применимость рассматриваемых критериев для определения критических параметров на момент образования сукрутин в текстильных нитях.

Один из распространенных подходов к описанию процессов образования и распускания сукрутин заключается в использовании метода сил или энергетического метода для определения условий образования сукрутин и приближенной формы равновесия нити в сукрутине. Многие авторы обращались к исследованию неравновесности пряжи, образования сукрутин в текстильных нитях именно с этих позиций {10, 94, 103, 105, 106, 135]. Недостатком такого подхода является использование допущений о форме равновесного состояния нити (сукрутины). Кроме того, этот подход применим только для изучения отдельных стадий образования или распускания сукрутин. В данной работе рассматривается математическая модель, позволяющая с единых позиций описать все стадии деформирования пряжи в процессе образования и распускания сукрутин без допущений на форму равновесного состояния нити. Особенностью рассматриваемой математической модели также является учет нелинейных свойств нити.

Научная ценность и новизна в задаче о моделировании фасонной пряжи с непрерывным эффектом заключается в создании математической модели фасонной пряжи, базирующейся на реалистичном представлении о деформированном состоянии нитей. Математическая модель формирования спиральной и петельчатой фасонной пряжи реализована в виде программного комплекса, что позволяет применять результаты исследований на практике для прогнозирования внешнего вида фасонной пряжи.

Структура диссертации.

Структура диссертации определяется последовательным решением поставленных задач исследования. Сначала решается задача математического моделирования механического поведения нити в процессах образования и распускания сукрутин, затем рассматривается задача моделирования внешнего вида фасонной пряжи. Рассмотрение обеих проблем начинается с накопления, обобщения и обсуждения экспериментальных данных. При этом используются как результаты специально поставленных опытов и экспериментов, так и литературные данные.

В главе 1 представлен литературный обзор теоретических и экспериментальных исследований процессов образования петель в кабелях и канатах, сукрутин в текстильных нитях. Отдельно рассматривается состояние вопроса о моделировании внешнего вида фасонной пряжи (раздел 1.4.). Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию процесса образования и распускания сукрутинобсуждаются принципы работы и особенности специально разработанной экспериментальной аппаратурыописываются исследованные образцы, методика и план экспериментовсобраны и обработаны результаты исследований. В главе 3 представлен используемый математический аппаратрассмотрены устойчивость нити и условия образования петель и сукрутинрассмотрена математическая модель для описания поведения нити в процессах образования и распускания сукрутинвыведена полная система уравнений. Далее исследуются критические параметры образования сукрутин и описываются стадии деформирования нити в процессах образования и распускания сукрутин. В заключение главы 3 дается сравнение экспериментальных и теоретических данных. Описание программных средств для расчета, компьютерного моделирования и визуализации процесса образования и распускания петель в текстильных нитях содержится в главе 4. Экспериментальное исследование формирование петельчатой фасонной пряжи представлено в главе 5. Там же рассматривается математическая модель для прогнозирования внешнего вида фасонной пряжи и дается оценка ее применимости. Завершают работу общие выводы о результатах исследования и приложения.

Практическая реализация работы.

Разработанная экспериментальная аппаратура и методика исследования неравновесности были использованы при сотрудничестве с Krengolm LTD (Эстония, Нарва). Были проведены исследования неравновесности хлопковой пряжи пневмо-механического способа прядения, проявляющей повышенную склонность к образованию сукрутин. Были даны рекомендации по снижению неравновесности пряжи для выработки текстильных полотен (Приложение А-1).

С использованием разработанной экспериментальной аппаратуры были проведено исследование влияния волокнистого состава пряжи на характеристики жесткости. Исследованию подвергалась пряжа для трикотажа, в состав которой входят хлопок, ПАН, лен с различным процентным содержанием. В результате проведенных исследований сделан вывод о применимости тех или иных смесок для выработки пряжи для трикотажа.

Разработанные методы моделирования позволили создать реализующие их программные средства — систему автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния нити в процессах образования и распускания сукрутин «SNARL» (Приложение Г). Результаты выполненных с ее помощью расчетов приведены в 3 главе диссертационной работы. Программа «SNARL» используется Университетом De Montfort (Англия, Лейстер) в программе компьютерного моделирования пряжи и ткани YamCAD. Результаты испытания и использования программного комплекса отражены в прилагаемом акте внедрения (Приложение А-2).

Настоящая работа выполнена в период 1996;1999 гг. Она проводилась на кафедре Механической Технологии Волокнистых Материалов Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна и в DMU (научные руководители работы в DMU-Dr. Ray J. Harwood, Dr. Mark S. Bradshaw). Отдельные этапы работы проводились в рамках федеральных госбюджетных программ (тема: «Разработка математических моделей для прогнозирования свойств текстильных материалов и исследования технологических процессов получения и контроля льносодержащих материалов», Лентек 1.23, Гос. Бюджет, Министерство Образования РФ) и по грантам на поисковый проект Министерство.

Образования РФ и администрации Санкт-Петербурга на проведение исследований (тема: «Исследование процессов образования и распускания сукрутин»).

Апробация работы и публикации.

Результаты работы докладывались на:

• Международных, Всероссийских научных конференциях: «Прогресс-97» (Иваново, октябрь, 1997), «ЛЕН-98» (Кострома, октябрь, 1998), «Наука льняному комплексу» (Вологда, март 1999);

• конференциях студентов и аспирантов в СПГУТД (1997, 1998, 1999);

• НТК «Динамика и прочность судовых конструкций» в Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом Университете (май, 1999);

• научных семинарах университета йе Мопетог! (г. Лейстер, Великобритания, 1996, 1997, 1998);

• научных семинарах Научно-технического Общества Судостроителей «Механика, Материаловедение и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций» (1998,1999).

• научном совете АО «Петронить», Санкт-Петербург, 1999;

• техническом совете ОАО «Невская мануфактура», Санкт-Петербург, 1999.

Результаты работы опубликованы в 8 печатных работах [2−8, 73].

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Установлено, что процессы образования и распускания сукрутин, диаграмм деформирования при кручении для нитей различной структуры и волокнистого состава подчиняются общим закономерностям.

2. На специальной установке получены экспериментальные данные о критических величинах момента кручения, натяжения, крутки нити, ее слабины на момент потери устойчивости, сопровождающейся образованием петель и сукрутин.

3. Показана применимость условий Greenhill, Ross с учетом физической нелинейности для оценки критической величины крутки.

4. Предложена математическая модель, позволяющая описать стадии образования и распускания петель на нити. Построена траектория равновесных состояний нити в процессе образования и распускания петельразработан алгоритм для определения условий образования сукрутин и напряженно-деформированного состояния нити при образовании и распускании петель.

5. На основе исследования неравновесности хлопковой уточной пряжи пневмомеханического способа прядения показана целесообразность ее перематывания для снижения неравновесности и склонности к образованию сукрутин в ткацком производстве.

6. Получены и экспериментально проверены соотношения для определения технологических параметров, исключающих образование сукрутин в технологических процессах производства и переработки крученых продуктов.

7. Созданы программные средства для расчета, компьютерного моделирования и визуализации механического поведения нити при образовании и распускании петель. Использование программных средств позволяет получить наглядное представление о механическом поведении нити на всех стадиях процесса образования и распускания петель. Разработанная математическая модель и алгоритмические средства создают основу для решения задачи моделирования процесса формирования и внешних эффектов некоторых видов фасонной пряжи.

8. Построена математическая модель формирования петлистой пряжи на машине PL-31-A, учитывающая влияние величин крутки и нагона на форму Щ и характер распределения эффектов вдоль фасонной нити. Эта модель хорошо описывает влияние технологических параметров на процесс формирования петлистой пряжи и может быть использована для прогнозирования внешнего вида петлистой пряжи по заданным технологическим параметрам без проведения натурных экспериментов.

Э. Получены соотношения, позволяющие осуществлять выбор технологических параметров для выработки петлистой пряжи с желаемой линейной плотностью и геометрическими характеристиками. Разработанные программные средства позволяют прогнозировать внешней вид фасонной пряжи по заданным технологическим параметрам и определять технологические параметры по заданным геометрическим характеристикам фасонной пряжи.