автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Разработка автоматизированных методов оценки стеклянных комплексных нитей при сложных деформациях растяжения-изгиба

На правах рукописи

0'

^ Руденко Татьяна Дмитриевна

УДК 677.521.017.44:681.3(043.3)

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ОДЕНКИ СТЕКЛЯННЫХ КОМПЛЕКСНЫХ НИТЕЙ ПРИ СЛОЖНЫХ ДЕФОРМАЦИЯХ РАСТЯЖЕНИЯ-ИЗГИБА.

Специальность 05.19.01 Материаловедение (текстильное, кожевенно-мехоЕое, обувное, швейное)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московской Государственной текстильно] академии имени А.Н.Косыгина.

Научный руководитель - доктор технических наук

КИСЕЛЕВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ

Официальные оппоненты - ц.т.н., проф. Щербаков В.П.

к.т.н., доц. Давыдов А.Ф.

Ведущая организация - Акционерное общество "Научно-проивводе-

твенное объединение "Стеклопластик".

Защита состоится "^ММ^Шс. 1995 гола ъ^О часов на заседании диссертационного совета /К 053.25.02 в Московской государственной текстильной академии имени А.Н.Косыгина го адресу. 117918 Москва, М.Калужская, д.1.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотек Московской государственной текстильной академии имени А.Н.Косыгина.

Автореферат разослан ИМЛ^ЙЛ 1995 года

Ученый секретарь диссертационного согета К 053.25.02

к.т.н.,доц.Осьмин Н.А

Аннотация.

В диссертационной работе решаются актуальные для производства стеклянных комплексных нитей задачи оценки изгибоустойчивости, удельной энергии отслоения при сложных деформациях растяжения-изгиба жестких на изгиб нитей.

Разработано автоматизированное устройство для оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей, разработана методика оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей, показано влияние замасливателей на изгибоустойчивость комплексной нити.

Проведен анализ возникновения внутренних напряжений в стеклян- -ной комплексной нити в процессе сушки нанесённого замаеливателя.

Проведен анализ сложнонапряженного состояния стеклянной комплексной нити при расслоении и разработана методика определения удельной энергии отслоения нити от паковки.

В результате экспериментальных исследований поведения стеклянных комплексных нитей в процессе сложной деформации растяжения-изгиба показано, что показатели изгибоустойчивости, удельную энергию отслоения необходимо учитывать при подборе и оптимизации технологических параметров, вида замаеливателя и дальнейшей переработке нитей.

Результаты работы внедрены в АО М1Ц "Метротекс" (г. Зеленоград), в производственном объединении "Стекловолокно" (г. Полоцк).

Автор защищает:

- автоматизированное устройство для оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей;

- методику оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей на автоматизированном приборе для оценки изгибоустойчивости комплексных нитей;

- экспериментальные данные исследования возникновения внутрен-ййх напряжений в стеклянной комплексной нити в процессе сушки на-

несенного замасливателя

- методику оценки удельной анергии отслоения нити от паковки.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. При производстве компс зиционных материалов на основе стеклянных волокон и тканей необхс димо использовать высококачественное сырье: стеклянные нити с не поврежденной структурой, без ворсообравования и пуховыделения Стеклянные волокна и нити имеют специфические свойства: высоке разрывная прочность, малые удлинения при разрыве, повышенная жест кость на изгиб, хрупкость, малая энергоемкость разрушения, некотс рые нити требуют предварительной обработки поверхности замаелиьг телями, аппретами или шлихтой.

Обработка поверхности позволяет защищать стеклянные комплекс ные ниги от разрушения во время текстильной переработки, повышае показатели физических и механических свойств, уменьшает повреждав мость при трении, защищает комплексную нить от расслоения и абрг зивного истирания, снижает электризуемость.

В ходе технологического процесса стеклянные комплексные нич испытывают действие растягивающих и изгибающих нагрузок, которь при неправильном подборе технологических режимов разрушают целое1] ность структуры комплексной нити. Действие изгибающих нагрузок, отличие от действия растягивающих нагрузок, изучено мало в связи отсутствием необходимой аппаратуры.

Целью диссертационной работы является разработка автоматизирс ванного устройства для оценки изгибоустойчивости стеклянных кош лексных нитей, разработка методики для оценки изгибоустойчивос^ стеклянных комплексных нитей на предложенном приборе, анализ пр1 чин возникновения внутренних напряжений в стеклянной комплекс»: нити в процессе сушки нанесенного замасливателя, исследование отс лоения нити от паковки, разработка методики для оценки удельне энергии отслоения нити от паковки.

Общая методика исследован и й. Для решения поставленных в работе задач проведены теоретические и экспериментальные исследования оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей. Экспериментальные исследования по оценки изгибоустойчивости проводились на специально разработанном автоматизированном устройстве, экспериментальные исследования анализа схода нити с паковки проводились на автоматизированном стенде.

Научная новизне. Научная новизна заключается в следующих теоретических и практических положениях, полученных автором:

- разработана математическая модель для оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей;

- разработано автоматизированное устройство оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей при сложных деформациях (растяжение-изгиб), подтвержденное A.C. N 1665273. Киселев В.И., Кобляков А.И., Васина Т.Д. "Способ оценки механических свойств образца волокнистого материала при совместных растяжении и изгибе и устройство для его осуществления";

- экспериментально подтверждено соответствие выбранной математической модели практическим результатам;

- экспериментально подтверждена теория возникновения внутренних напряжений в стеклянной комплексной нити при обработке ее замасливателями и различных режимах сушки;

- разработана методика оценки удельной энергии отслоения стеклянных комплексных нитей от паковки.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

- разработано автоматизированное устройство для оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей при сложных видах деформации растяжения-изгиба;

- разработана методика для оценки изгибоустойчиовсти стеклянных комплексных нитей при сложных видах деформации (растяжение-изгиб) на автоматизированном устройстве, которая необходима в лабо-

раториях заводов по производству стеклянных комплексных нитей дл. контроля качества производимой продукции, а также при раэработк нового ассаортимента;

- разработана методика оценки удельной энергии отслоения стек лянной комплексной нити от паковки.

- на разработанном устройстве по предложенной методике прове ден анализ нитей при отслоении от паковки нитей, обработанных раз личными видами аамаеливателей;

Апробация работы. Основные результаты ра боты докладывались на научной конференции профессорско-преподава тельского состава, аспирантов и сотрудников МТИ (январь 1990 г.) на заседании научно-технического совета АО "Стеклотекс" 20 феврал 1995 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликован 3 работы.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, общи выводов, списка литературы, включающего 85 наименований, 5 прилс жений, представленных на 60 страницах. Работа изложена на 16 страницах, включая таблицы, содержит 44 рисунка. Общий объем рабе ты 248 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.:

Вовведении показана актуальность темы диссег тационкой работы, сформулированы цель и задачи исследований, пр> ведены основные сведения о результатах работы.

В первой главе диссертационной работы

приводится обзор современного состояния вопроса оценки изгибоус-тойчивости стеклянных комплексных нитей при сложных видах деформации (растяжение-изгкб), дается анализ практических проблем в исследуемой области.

Обзор литературы показал, что при производстве и эксплуатации стеклянные комплексные нити испытывают действие сложных видов деформации, как правило, растяжение и изгиб, что, в свою очередь приводит к нарушению целостности структуры нити, разрушению составляющих ее элементарных нитей. Это вызывает необходимость искать способ оценки воздействия одновременно сразу нескольких видов деформации. Однако, изучение публикаций по данной теме показало, что известные приборы для оценки деформационных характеристик нитей позволяют оценивать лишь один вид деформации (растяжение, изгиб, т.д.). В работе показано, что внутренние напряжения, возникающие в комплексной нити в процессе высыхания нанесенного замасливателя, также влияют на ее качество.

Исследования, проведенные в последние годы, по вопросам изги-боустойчивости стеклянных комплексных нитей определили следующие направления в проведении работ:

- разработка аппаратуры для оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей при сложных видах деформации (растяжение-изгиб);

- разработка методики оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей при сложных видах деформации (растяжение-изгиб);

- разработка методики для оценки отслоения нити от паковки.

Во второй главе проведено теорети-

ческое исследование для выбора математической модели, позволяющей описать поведение стеклянной комплексной нити при действии сложных видов деформации растяжения-изгиба.

Рассматривая стеклянную комплексную нить как упругое тело для выбора метаматической модели можно применить к ней теорию упругого изгиба тонких стершей малой жесткости.

В малом элементе жесткой на изгиб нити имеют место малые деформации, Это позволяет со всей строгостью применить к ним соответс-

твующие уравнения теории упругости.

Жесткость нити на изгиб в произвольном сечении

В = Ехи" (1)

где Е - модуль упругости (модуль Юнга);

3 - осевой момент инерции площади поперечного сечения. Точное уравнение упругого равновесия при плоском изгибе криволинейного стержня

ае - аео = М/В (2)

где М - внутренний изгибающий момент в данном сечении стержня (нити);

к, аео - кривизна в данной точке соответственно упруго изогнутой продольной оси стержня и начального очертания ее. В качестве базовой математической модели для оценки изгибоус-тойчивости стеклянной комплексной нити в процессе действия сложно! деформации выбрана модель "полукольца".

При растяжении кольца, согласно условиям симметрии, упругук линию можно разбить на четыре части. Так как концевая точка является, точкой растяжения, то упругая линия принимает форму беспере-гибного рода. Решение задачи растяжения полукольца в соответствш с теорией Попова Д.Е. можно представить в виде уравнений:

(3)

ха

2

/] - к"ззггф - (/¡"-"к®)

1 К0

У1 2 2

— " Г" " 1}--ге(к) ~Е(фо)]- •

1 кЕ кб

В

Мо = /ГВ -/1 - к551пгФо -

к

к

В

2

Ма = - (--)/£ё — Л - к"),

К

к

где XI, Уг - координаты концевой точки;

Мо, Ма - изгибающие моменты в начальной и конечной точках.

Для исследования изгибоуетойчивости стеклянной комплексной нити при сложной деформации разработано автоматизированное устройство, которое позволяет оценивать жесткость нити на изгиб, поперечное усилие, изгибающий момент, возникающие в стеклянной комплексной нити в результате действия сложной деформации, энергию при нагружении и разгружении образца. Уникальная программа, разработанная для ЭВМ, позволяет оценивать эти характеристики в процессе перемещения нижнего зажима.

В ходе эксперимента установлено, что для образца стеклянной комплексной нити необработанной замасливателем поперечное усилие и изгибающий момент плавно нарастают вплоть до точки, в которой наблюдается разрушение всей структуры стеклянной комплексной нити. При сложных видах деформации (растяжение-изгиб) стеклянных комплексных нитей, обработанных замасливателями, на графиках поперечного усилия, изгибающего момента и энергии наблюдаются характерные изломы, соответствующие различным стадиям разрушения образца: моменту расслоения комплексной нити на элементарные, происходящее с образованием новой поверхности; моменту разрушения элементарных нитей.

Проведенные эксперименты позволили выявить качественные отличия в поведении стеклянных комплексных нитей, обработанных различными замасливателями при сложных деформациях растяжения-изгиба.

Для стеклянных комплексных нитей 52 текс, обработанных замасливателем парафиновая эмульсия образование новой поверхности в результате расслоения элементарных нитей в комплексной происходит

при поперечном усилии порядка 0.5*10-3 Н. Образование новой п верхности при достижении максимальной внутренней энергии сопрово дается резким падением поперечного усилия и замедлением роста и гибавдего момента. Наблюдается, так называемое, явление гистереа са. При этом стеклянная комплексная нить переходит из режима упр того деформирования в режим пластического деформирования, котор; сопровождается необратимыми дочерями анергии на расслоение. Обр ботка полученных результатов позволяет количественно определи величину необратимой энергии, расходуемой на трение между элеме: тарными нитями 2,2x10-7 Дж), на увеличение эффективной повер: ностной энергии нити при расслоении 4*1СГ7 Дж), высвобовдаюцу! ся энергию при разрушении элементарных нитей 7х10-7 Дж).

Для разработанного автоматизированного устройства предложе1 методика, позволяющая проводить испытания и контролировать механ! ческие характеристики обработанных замасливателями стекдянш комплексных нитей в исходном состоянии и при различных видах раг рушения (расслоении, изломе) в процессе сложной деформации раст> жения и изгиба.

В третьей главе представлены результг исследования сложных видов деформации растяжения-изгиба стекляннь комплексных нитей, вовникающие в процессе сушки нанесенного замас ливателя и дальнейшей технологической переработке.

Процесс сушки аамасливателя, нанесенного на комплексную нет происходит непосредственно на бобине. Наматывание нити на бобин без предварительного натяжения, приводит к искривлению составляю щих элементарных нитей. Это явление связано с тем, что термообра ботка и сушка нити вызывает её усадку и неравномерное распределе ние натяжения в витках паковки и, как следствие этого, значитель ный числовой разброс. В главе рассмотрен механизм действия попе речных сил поверхностного натяжения в стеклянной комплексной нит в процессе сушки. Предварительное натяжение повышает прочность ни ти и предохраняет её от потери устойчивости. Усадочные й прочноет ные свойства комплексной нити зависят также от разнодлинности сос тавлшдах ее злементарных нитей.

Решение дифференциального уравнения упругой линии и последу

щее двойное дифференцирование показывает, что искривление стержня вдоль длины происходит по синусоиде, так как для всякой другой искривленной формы элементарной нити требуется большая сжимающая сила.

у = Атп5т(шЛ'Х/1) (б)

где Ат - амплитуда изгибания, т - периодов на длине нити 1.

Для нитей большей длины, при большом количестве извитков решение дифференциального уравнения дает значение величины нагрузки Г = 2

Г = 2 /ЕЛ» (6)

которое не зависит от длины элементарной нити и определяется поперечными размерами, упругими свойствами и поверхностными свойствами замасливателя.

Для исследования внутренних напряжений, возникающих в стеклянной комплексной нити в процессе сушки замасливателя, предложен способ оценки натяжений, предполагающий сушку замасленного образца под определенным натяжением и последующую запись диграмм растяжения. Экспериментальное исследование стеклянной комплексной нити, замасленной парафиновой эмульсией, позволило выявить зависимость длины волны от величины нагрузки, при которой происходила сушка. Результаты экспериментальных исследований совладают с теоретическими расчетами.

В процессе размотки стеклянные комплексные нити также испытывают действие сложных деформаций растяжения-изгиба. На этом этапе наблюдается наибольший процент брака (свыше 20%) в производстве стеклянных комплексных нитей.

Характер отслоения стеклянных комплексных нитей от паковки в процессе размотки может быть различным и зависит от многих факторов. В работе даны примеры отслоения стеклянных комплексных нитей от паковки. Бри отслоении от паковки информационными являются показатели величины угла отслоения нити а и усилия отслоения. Для

жестких на изгиб нитей, при сходе с паковки характерно колебан координаты точки отслоения, и как следствие этого, изменение уг отслоения. В точке отслоения угол отслоения равен нулю и постепе но увеличивается по мере удаления нити от паковки. Это наблюдает в случаях склеивания витков на паковке в процессе сушки замаслив теля, о последующим отслоением жестких на изгиб нитей от паковк В этих случаях координаты точки отслоения и длина нити в зоне от< лоения - величины переменные. При переменном угле отслоения ни теряют смысл формулы и, практически повсеместно используемые д. гибких нитей, критерии определения усилия скяеенности по углу от! лоения.

Для жестких на изгиб нитей нами введено понятие эффективно] угла отслоения

«эфо = ¿1- СО

где £>о - угол наклона усилия в точке отслоения (рад),

- угол наклона касательной составляющей усилия в зоне ш тенаправителя (рад).

Для исследования склеенности нити в работе предложено испод! зевать удельную энергию расслоения с помощью которой можно пол\ чить энергетические кривые, характеризующие интенсивность межвич ковых взаимодействий при отслоении нити от паковки в процесс размотки.

Определение удельной энергии отслоения жестких на изгиб ните проводилось с использованием метода эллиптических интегралов теории расчета упругих стержней.

Длина нити в зоне отслоения для жестких на изгиб нитей опреде ляется по формуле:

1 = - (8)

/и /ВС05£,0 »

где я - силовой критерий подобия.

Удельная энергия отслоения от паковки жестких на изгиб нитей определяется по формуле:

I = - Б^СС,! - Со) (9)

СОБСо

По результатам вычислений строятся зависимости 1=1(«эфф), I =

3 («Эфф) •

Указанная модель заложена в виде алгоритма вычисления в ПЗВМ при экспериментальном вычислении удельной энергии отслоения нити при размотке паковки и позволяет существенно повысить точность оценки угла отслоения (на 14%), длины нити в зоне отсления (на 8%), энергии отслоения (на 25л) нити.

Б ходе экспериментов, проведенных на автоматизированном стенде, ПЭВМ фиксирует и обрабатывает значения переменных величин: ■

- угол схода нити с паковки X;

- сопротивление размотке;

- сила натяжения нити после отслоения от паковки;

- гистерезисная энергия V.

Автоматизированная система позволяет задавать различное время проведения испытаний (от нескольких десятков секунд до десятков минут).

Уникальная программа ПЭВМ по сбору и обработки данных позволяет в качестве выходного документа получать следующие данные:

- исходные данные: изменения сигналов, поступающих с датчика контролирующего угол А, датчика контролирующего натяжение, датчика, контролирующего сопротивление размотки по всей длине исследуемой нити, гистерезисная энергия М;

- обработанные данные: изменения удельной энергии расслоения Л, угла схода нити с паковки А, гистерезисной энергии V» разрушения структуры комплексной нити на нитепроводнике, эффективного угла отслоения чЭф с учетом градуировочных коэффициентов, также по всей длине исследуемой нити;

- гистограммы удельной энергии расслоения, угла схода нити с

паковки, гиотерезисной энергии, эффекгивного угла отслоена

Для проведения эксперимента была выбрана стеклянная комплекс ная нить линейной плотности 36 текс, выработанная без замаслив* теля. Сравнительный анализ проводился для 3-х видов замасливать лей: крахмальный, и/, В-15К, нанесенных на исходную нить.

Анализ полученных результатов и гистограмм показал, что ма* симадьное значение удельной энергии расслоения соответствус стеклянной комплексной нити, обработанной крахмальным замасливг телем - 0,0037Дж/м (коэффициент вариации У=49,6%), минимальнс значение соответствует нити, обработанной аамасливателем IV 0,0012 Дк/м (У=47,1%), для нити, обработанной замасливателе В-15К, - 0,0025 Дли'м (У=532). Из рассмотренных замасливателей не иболыаим клеящим эффектом обладает крахмальный замасливатель, наименьшим - замасливатель Ш.

Гиотерезисная энергия позволяет оценить необратимые потер энергии (разрушение составляющих элементарных нитей) в комплекс ной нити в цикле сгиба-разгиба (при поступлении на нитепроводни нить испытывает действие деформации сгиба, а при сходе - разги ба).

Результаты исследований показывают, что для стеклянной комп лексной нити, обработанной замасливатедем В* величина гистерезис ной энергии равна 0,4752 Дж (\ЧЭ,4%), нити, обработанной замасли вателем В-15К, - 0,4737 Дж (У=0,8%), нити, обработанной крахмаль ным вамаслшватедем, - 0,4322 Дж (У=2,8%).

Обработка комплексной нити крахмальным аамасливателем позволя ет свести к минимуму разрушение элементарных составляющих нитей цикле сгиб-разгиб благодаря объединению элементарных нитей сильн клеящим вамаслквателем. Число разрушений элементарных нитей : цикле сгиб-разгиб возрастает при обработке замасливателем В-15К : имеет максимальное значение для нитей, обработанных замасливателем IV.

С точки зрения уменьшения взаимодействия между элементарным; нитями в комплексной и улучшения качества отслоения нити от паковки целесообразно использовать замасливатель и/, которому соответствует минимальное значение удельной энергии расслоения, однако при этом возрастает средний эффективный угол отслоения.

Для увеличения компактности стеклянной комплексной нити целесообразно использовать крахмальный замасливатель, имеющий наибольшую энергию отслоения,и минимальную гистерезисную энергию в цикле сгиба-разгиба нити.

Использование разработанного метода на автоматизированной системе сравнительного анализа стеклянных комплексных нитей, обработанных различными замасливателями позволяет делать выводы о целесообразности использования того или иного замасливателя с точки зрения придания комплексной нити определенных свойств.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Предложена математическая модель для оценки изгибоустойчи-вости стеклянных комплексных нитей.

2. Разработан метод оценки показателей изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей в процессе сложной деформации растяжения-изгиба.

3. Разработана автоматизированная установка для оценки изгибоустойчивости стеклянных комплексных нитей в процессе сложной деформации, позволяющая определять: жесткость нити на изгиб, максимальные и минимальные значения энергии изгиба, поперечного усилия, изгибающего момента при расслоении нити и разрушении элементарных мононитей в комплексной нити, а также оценивать гистерезисные потери энергии на различных этапах сложной деформации растяжения-изгиба (A.C. N 1665273).

4. Предложен метод для оценки внутренних напряжений в стеклянной комплексной нити в процессе сушки.

5. Разработана методика для оценки удельной энергии отслоения стеклянной комплексной нити в процессе размотки паковки на базе автоматизированной системы оценки качества стеклянных комплексных нитей.

6. Проведен сравнительный анализ стеклянных комплексных нитей, обработанных различными замасливателями на автоматизированной системе с помощью предложенного метода.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАБОТЕ

1. Для изучения сложных видов деформации (растяжение-изгиб) возникающих в процессе технологической переработки стекляннс комплексной нити предлагается использовать разработанный автомать зированное устройство для оценки изгибоустойчивости нити (глаЕ II).

?,. При подборе режимов сушки замасливателя на стеклянной комг лексной нити целесообразно учитывать действие натяжения и тага образом его подбирать, чтобы снизить появление внутренних напряже ний в комплексной нити.

3. При исследовании процесса схода стеклянной комплексной нт с паковки целесообразно использовать понятие эффективного угi отслоения Яэф (глава III).

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. A.C. N 1665273. Киселев В.И., Кобляков А.И., Васина 1.J "Способ оценки механических свойств образца волокнистого матер! ала при совместных растяжении и изгибе и устройство для его ос> ществления";

2. Васина Т.Д. Разработка метода оценки поведения комплексш нитей при сложных деформациях растяжения-изгиба. Межвузовсга сборник научных трудов МТИ им. А.Н.Косыгина, М.: 1990, с. 15-25

3. Киселев В.И., Руденко Т.Д., Иванов Д.Г.Оценка межслоево! адгезионного взаимодействия жестких на изгиб нитей при отслоеш от цилиндрического тела (паковки). Часть 1. // Химические волен на, N 3, 1995. с. 49-52.

ЛР № 020753 от 04.03.93

Подписано в печать 20.XI.95 Сдано в производство 20.XI.95 Формат бум. 60 х 84/16 Бумага множ.

Уел печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 0,75 Заказ 479 Тираж 80

Электронный набор МГТА, II79I8, Москва, Малая Калужская,!