Исследования по анализу натяжения нитей основы и утка на ткацких станках

Натяжение нитей основы и утка - важнейший технологический показатель. От правильной установки натяжения нитей зависит стабильность технологического процесса, качество вырабатываемых тканей. Исследованиям по изучению работы системы заправки ткацкого станка, и прежде всего упругой системы, посвящено значительное количество работ.

 При рассмотрении данного вопроса начинают практически всегда с анализа фундаментальных исследований проф. Гордеева В.А. [2.16, 3.5]. Он заложил основы исследования упругой системы заправки, создал довольно стройную теорию жесткости, которая позволяла объяснить многие вопросы тканеформирования и решить многочисленные проблемы в ткачестве. Автор справедливо считает, что тканеформирование носит циклический характер, изменение натяжения основы, утка и ткани также является циклическим. "Продольная деформация растяжения, возникающая вследствие процесса зевообразования, прибоя уточной нити к опушке ткани, отвода наработанной ткани и сматывания основы с навоя в рабочей зоне ткацкого станка, вызывает изменение натяжения основы". Причем изменение натяжения нитей и ткани происходит пропорционально изменению ее деформации. Он предложил для этих целей использовать коэффициенты жесткости нитей и ткани и методы их экспериментального определения.

Профессор Гордеев В.А. первым создал теорию, позволяющую провести анализ напряженно-деформированного состояния нитей. И это, безусловно, является ценным и важным. Принципиально важным является то, что при изучении явлений, происходящих на ткацком станке, он рассматривает динамику работы механизмов отпуска основы и навивания ткани.

На основе многочисленных разработок в последние годы проф.Гордеев В.А. и его ученики создали ряд уникальных тканей и тканых конструкций специального назначения.

Резкое увеличение скоростных режимов работы ткацких станков, использование современных быстроходных ткацких станков требует корректировки теории проф.Гордеева В.А. Ряд возникающих вопросов с помощью его теории решить невозможно. Так, на первый план при быстроходном ткачестве встают вопросы, связанные с неоднородностью свойств используемых нитей, неравномерностью натяжения основы и утка по глубине и ширине заправки, релаксационный характер поведения текстильных материалов.

Кроме того, при рассмотрении своей теории автор не учитывает реальные свойства используемых нитей.

В ряде случаев математические зависимости трудно объяснить. Так, например, известно, что при увеличении заправочного натяжения основы сила прибоя всегда увеличивается, а величина прибойной полоски уменьшается. Но формула взаимосвязи силы прибоя и прибойной полоски имеет прямую линейную зависимость. Конечно, очевидно, что коэффициенты жесткости при изменении натяжения основы также изменяются, но теория профессора Гордеева В.А. не дает зависимостей для подобных расчетов. Из-за этого расчеты, проводимые по формулам проф. Гордеева В.А., значительно расходятся с экспериментальными данными.

Интересны исследования, проводимые проф. Е.Д.Ефремовым [2.19-2.21]. Проф. Ефремов Е.В. по ряду вопросов углубил и обогатил теорию проф.Гордеева В.А., использовав в основном геометрический подход к решению многих вопросов. Им получены достаточно удобные формулы для расчета натяжения и деформации нитей. Однако, использование коэффициентов жесткости нитей и ткани дает весьма приближенную картину рассматриваемых явлений.

Представляют существенный интерес работы, проводимые в последние годы на кафедре ткачества Московского государственного текстильного университета А.Н.Косыгина [1.4, 1.20, 2.36, 2.37, 2.40, 2.57-2.59, 3.1, 3.3, 3.4, 3.7, 3.9-3.11, 3.13, 3.15, 3.17, 3.19, 4.5]. При рассмотрении напряженно-деформированного состояния нитей основы и утка на ткацком станке предлагается использовать вязкоупругую природу текстильных материалов.  При этом используется наследственная теория вязкоупругости, основанная на предпосылках Больцмана и Вольтерра. Разработаны различные автоматизированные методы расчета натяжения нитей основы и утка с учетом свойств используемых нитей, конструктивных особенностей и скоростного режима оборудования в любой момент тканеформирования и любой зоне ткацкого станка. Это особенно важно, так как есть зоны ткацкого станка, недоступные для экспериментирования. Например, зона “опушка ткани - ремиз” для основы, зона внутри зева при прокладывании утка. Расчеты натяжения нитей основы и утка по разработанным методам дают весьма высокую точность. Вопрос здесь стоит только в точном определении вязкоупругих параметров нитей, что можно сделать при проведении испытаний на обычных разрывных машинах с постоянной скоростью деформирования нитей. Уже имеется достаточно большая статистика вязкоупругих параметров для текстильных нитей различного волокнистого состава.

О наличии релаксационных процессов, происходящих на ткацком станке свидетельствуют работы проф. Милашюса В.М. [3.14], проф. Щербакова В.П. [2.60], проф. Кукина Г.Н., проф. Соловьева А.Н. и проф. Коблякова А.И. [1.15, 2.24], проф. Склянникова В.П. [1.30], проф. В.Г.Тиранова [2.53, 2.54], д.т.н. Ямщикова С.В. [2.63] и др. Эти релаксационные процессы в значительной степени предопределяют поведение нитей основы и утка на ткацком станке. Однако, в большинстве случаев при исследованиях процессов релаксации не учитывается реальное поведение текстильных нитей при малом и большом времени. Исключение составляют исследования проф.Щербакова В.П., который для исследования напряженнно-деформированного состояния нитей на трикотажных и вязальных машинах использует слабосингулярное ядро А.Р.Ржаницына и его резальвенту, полученную М.А.Колтуновым. Эти функции отражают реальную картину напряженно-деформированного состояния нитей в любой промежуток времени.

На основе исследований проф.Щербакова В.П. проф. Николаев С.Д. получил соответствующие зависимости для исследования натяжения нитей на ткацких станках различных конструкций.

Представляют интерес работы проф. Юхина С.С. [2.62, 3.19, 4.5], в которых приводятся удобные для инженерных расчета формулы. Расчет натяжения нитей проводится с учетом свойств используемых нитей, параметров строения тканей, геометрии заправки ткацкого станка.

Оригинальными выглядят результаты работы проф. В.М. Миляшюса [3.14], который с учетом вязкоупругих свойств нити установил зависимости, позволяющие рассчитать необходимое натяжение нитей для получения тканей заданного строения. При этом, что ценно, в полученных формулах учитывается и вторая составляющая напряженно-деформированного состояния нитей - деформация. Результаты работы были бы еще более ценными, если бы расчет параметров напряженно-деформированного состояния был для различного ассортимента тканей.

 Заслуживают большого внимания работы проф.Ерохина Ю.Ф. и его многочисленных учеников по исследованию заправок ткацких станков, созданию новых конструкций основных регуляторов для бесчелночных ткацких станков [2.9, 3.8]. Им подробно изучен вопрос изготовления тканей на широких ткацких станках СТБ с двумя навоями. Последние работы проф.Ерохина Ю.Ф. посвящены установлению зависимостей для расчета технологических параметров изготовления тканей заданного строения.

Особый интерес представляют последние работы, проводимые под руководством проф.Ерохина Ю.Ф - д.т.н. Синицыным В.А. и к.т.н.Каревой Т.Ю. [2.18, 2.48, 2.49]. В этих работах приводятся математические зависимости для расчета технологических параметров в зависимости от параметров строения тканей. При этом преобладает геометрический подход при рассмотрении строения тканей.

 При формировании тканей большое значение на условия работы нитей и качество получаемых тканей играет натяжение утка. Об этом еще 50 лет назад говорил проф. Новиков Н.Г. [2.41], основоположник теории ткачества, организатор кафедр ткачесства Московского и Ивановского текстильных институтов. Выводы, сделанные проф.Новиковым Н.Г., актуальны и справедливы на настоящий момента.

Из последних работ по изучению натяжения утка являются исследования д.т.н. Малафеева Р.М. [3.12]. В своей докторской диссертации он решил следующие задачи: определение усилий и деформаций уточных нитей в их зависимости от скоростного режима станка в различных зонах конструктивно-заправочной линии; оценка скоростных возможностей ткацких станков, нахождние условий устойчивости прокладывания уточных нитей на станках различных конструкций, разработка новых механизмов прокладывания утка. При анализе прокладывания утка используется модель вязкоупругого тела по Кельвину-Фойгту. В связи с тем, что эта модель при времени близком к нулю не работает, достоверность результатов несколько снижается. Весьма неубедителен вывод автора о том, что при увеличении скоростного режима ткацкого станка натяжение нити уменьшается и при значительном увеличении скорости натяжение станет равным нулю. Поэтому это накладывает ограничение на повышение скорости ткацкого станка. Большинство же работ наоборот подтверждают тезис об обратной картине: при увеличении скоростного режима ткацкого станка натяжение нитей основы и утка увеличивается. Интересны, в этом плане, исследования проф. Мартынова И.А. [1.16, 2.34], в которых изучается влияние работы отдельных механизмов на условия работы заправки ткацкого станка.

Представляют интерес работы проф.Васильченко В.Н. [2.10] по изучения влияния технологических параметров на натяжение нитей. При этом он учитывает и параметры строения тканей. Но ряд формул имеет ограниченный круг использования в связи с тем, что они является эмпирическими и выведены для конкретных тканей в результате экспериментальных исследований.

Исследованием натяжения нитей основы и утка на ткацких станках различных конструкций занимались многие зарубежные исследователи.

Проф. Й. Люненшлосс [2.31,2.32], один из самых видных ученых-текстильщиков провел важные исследования в области изучения натяжения и деформации нитей основы и утка при использовании различного сырья. Им получен большой материал по распределению натяжения нитей основы и утка и найдены эффективные пути управления натяжением нитей на ткацком станке.

Ценными с практической точки зрения являются работы доктора Лодзинского политехнического института Х.Сушека [2.52] по эффективному управлению натяжением утка на бесчелночных ткацких станках типа Sulzer-Ruti. На основе обработки большого экспериментального материала им разработаны рекомендации по наладке устройств, обеспечивающих оптимальное изменение натяжения утка на ткацких станках СТБ при выработке различных тканей.

1.1.2.   Исследования по оценке напряженности заправок ткацких станков

  

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

Существуют различные подходы к оценке напряженности заправок. Ряд отраслевых институтов используют для этого коэффициент связности предложенный Н.С.Ереминой. Под коэффициентом связности понимается степень сцепления точками перекрещивания основных и уточных нитей. Он определяется по формуле:

,

где Р_o, Р_у - плотности ткани на 1 см. по основе и утку, нит/см

    Т_ср - средняя линейная плотность нитей в ткани, текс

     F - коэффициент переплетения, характеризующий степень его  рыхлости.

Расчеты по данной формуле не всегда отражают действительной картины. Так, например, формула совершено, несправедлива для многих тканей комбинированного класса переплетений. Однако так как расчеты проводятся для тканей одного и того же переплетения, но с различными плотностями по основе и по утку и разными линейными плотностями основных и уточных нитей то использование формулы оправдано.

Проф. П.Т.Букаев [4.1] вводит термин "технологичности ткани" и критерий, позволяющий оценить "технологичность ткани", - коэффициент уплотненности:

,

Однако коэффициент уплотненности не позволяет оценить ткань с точки зрения силовых характеристик, так как он не учитывает суммарной жесткости нитей, которая определяет силовые характеристики процесса формирования ткани, обусловленные деформацией нитей основы и утка.

Методы расчета коэффициента уплотненности переплетений не распространяются на все однослойные переплетения с разной величиной основных и уточных перекрытий, используемые преимущественно в шерстоткачестве. Поэтому авторами работы [4.1] разработан метод расчета коэффициента уплотненности учитывающий разницу в величине основных и уточных перекрытий. После анализа формулы определяющей коэффициент наполнения ткани выяснено, что напряженность переплетений по одной системе нитей определяется только числом пересечением противоположной системы нитей. Однако на примере тканей с равным числом пересечений основой утка, таких как репс уточный 2/2 и 4/4, которые выражаются в различных условиях, видно, что на напряженность переплетений влияет длина перекрытий двух систем нитей. Кроме того, авторы замечают, что напряженность переплетений не может полностью характеризоваться срдней длиной перекрытий так как с увеличением длины перекрытий увеличивается их прогиб, вследствии чего нити уплотняются.

Из вышеперечисленного авторы считают целесообразнее учитывать длину перекрытий на обеих сторонах ткани отдельно, а переплетение с любым соотношением средней длины основных и уточных перекрытий характеризовать средним числом нитей в перекрытии на одной и другой сторонах ткани. С учетом дополнений на изменение порядка фазы строения получены формулы коэффициентов уплотненности однослойных переплетений, в том числе имеющих разницу в величине основных и уточных перекрытий.

При оценке напряженности заправки часто используется заполнение и наполнение ткани. Расчет коэффициента наполнения ткани производится отношением фактической плотности ткани к максимальной. Он рассчитывается как по каждой системе нитей в отдельности, так и для ткани в целом. В частности объемное заполнение ткани зависящее от плотности и плотноемкости переплетения. М.Б.Бородовский в своей работе приводит значения плотноемкости некоторых переплетений. Однако, не приведен метод расчета данного параметра. В результате расчетов значения коэффициентов наполнения для большого количества тканей превышают 100%. Это связано с тем, что не учитывается реальное строение ткани, смятие нитей основы и утка в ткани.

 В работе [1.10] 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.

Профессор Ташкентского института текстильной и легкой промышленности С.Г. Уразов предлагает использовать коэффициент строения ткани:

.

Автор экспериментально установил критические значения коэффициентов строения ткани для различного ассортимента. В результате расчетов исследователь приходит к выводу, что критическое значение коэффициента строения ткани различно в зависимости от фазы строения ткани так как заранее неизвестна фаза строения полученной ткани, то этот коэффициент не позволяет получить и точно определить напряженность заправки ткацкого станка. Кроме того, данный коэффициент не учитывает технологические параметры, влияющие на фазу строения ткани и он неудобен при сравнении напряженности заправок разных фаз строения ткани.

 Одним из важнейших факторов определяющих напряженность заправки является напряжение и деформация нитей. М.А.Колтунов рассматривает систему зависимости между напряжением и деформацией как нелинейную. Если теория упругости исследует тела из материалов не следующих закону Гука или перемещения точек не пропорциональны действующим нагрузкам, или имеется и то и другое, то она называется нелинейной. Материалы называются вязкоупругими, если в зависимость между напряжением и деформацией включается время. Автор характеризует такие материалы следующими релаксационными свойствами: изменением напряжений во времени в теле при постоянной деформации (релаксация) и изменением пластической деформации материала при силовых воздействиях, меньше, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности (ползучесть). Так как нить можно отнести к вязкоупругим материалам, то становится применимой к ткачеству и теория наследственной вязкоупругости Больцмана, основанная на принципе суперпозиции.

В теории были использованы две основные гипотезы. Смысл первой заключается в зависимости упругих сил не только от мгновенно полученных деформаций, но и от предшествующих, которые оказывают те меньшее влияние на упругие силы, чем больше времени прошло с момента предшествующих деформаций. Если начиная с момента времени s тело в течение времени ∆ s получило деформацию ε(s), то изменение силы, которая производит это растяжение во времени t, пропорционально ε(s)ds и функции времени t-s. Смысл второй гипотезы - влияние полученных в разное время деформаций объединяются путем непосредственного сложения.

Математическая запись зависимости напряжений от деформации, основанная на этих гипотезах, имеет вид

где σ - напряжение; ε - деформация; E- модуль упругости; F(t- s)- функция влияния, убывающая при возрастании t- s; t - время наблюдения; s ‑ время, предшествующее моменту наблюдения.

Если проводить простейшее испытания вязкоупругих образцов при постоянных нагрузках, то принцип Больцмана можно трактовать следующим образом: деформация в момент времени t, возникшая в результате действия напряжений в предыдущие моменты времени, является суммой деформаций, которые наблюдались бы в рассматриваемый момент времени t, если бы каждое из постоянных напряжений действовало независимо от других. Это означает, что если нагрузка прикладывается ступенчато в моменты s₁, s₂, …,s_R, то деформацию в момент времени t можно определить по формуле

 

  

Еще Кальрауш исследуя законы упругого последействия на стеклянные нити, предложил эмпирическую формулу, описывающую процесс релаксации приводящую к хорошему количественному описанию этого процесса:

,

где σ₀, σ₁, a, k - параметры, характерезующие свойства материала.

В течение всего последующего времени вплоть до настоящего предполагались различные аналитические соотношения между деформацией, натяжением и времени дающие хорошие опытные данные. Характерной особенностью этих соотношений является обязательное наличие в них степеней времени.

В последних работах, проводимых на кафедре ткачества МГТУ имени А.Н.Косыгина [3.6, 3.15, 3.19], для оценки работоспособности заправки используются критерии длительной прочности. Вообще в механике это самый распространенный и универсальный критерий. Среди критериев, которые использованы в ткачестве, отметим критерии Бейли и Москвитина [1.6].

Академик Журков С.Н. [1.24] 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 (рас соединение 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. 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 [3.2], С.Д.Николаева [3.15], Е.В.Евсюковой [3.7], Р.Ю.Ахмедова [3.1], Денисенко Т.Н. [3.5], Юхина С.С. [3.19].

Проф. Щербаков В.П. [3.60] и проф. Николаев С.Д. [3.15] для оценки напряженности соответственно заправок на трикотажных машинах и ткацких станках использовали критерий В.В.Москвитина, учитывающего предысторию нагружения.

Проф. Лустгартен Н.В. для оценки напряженности заправок использовала эмпирические коэффициенты, полученные на основе обработки экспериментальных данных [2.27, 2.30].