автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.03, диссертация на тему:Разработка и реализация аналитических методов проектирования иглопробивных нетканых геотекстильных материалов

1 7 1337

На правах рукописи

УДК 677.026.424 : 625.877 ( 043.3 )

ТРЕЩАЛИН МИХАИЛ ЮРЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИГЛОПРОБИВНЫХ НЕТКАНЫХ ГЕОТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.19.03 - " Технология текстильных материалов "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА - 1997 г.

-г -

Работа выполнена в Московской государственной текстильной ака мин им. А.Н. Косыгина.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

В.Л. Щербаков.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

B.Д. Фролов;

- доктор технических наук, профессор П.И. Чередниченко;

- доктор технических наук, доцент

C.С.Юхин.

Ведущая организация - АО " Научно - исследовательский

институт нетканых материалов

заседании диссертационного совета Д 053.25.01 в Московской госуда твенной текстильной академии им. А.Н. Косыгина по адресу: 117918, Москва, ул. М. Калужская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской гс дарственной текстильной академии им. А.Н. Косыгина.

Защита состоится

года в

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., проф.

АННОТАЦИЯ.

В работе проведены исследования, посвященные разработке и реали-4ии аналитических методов проектирования геотекстильных нетканых ма-зиалов на базе уравнений механики и аэромеханики сплошных сред.

С целью определения условий эксплуатации материала произведен ;чет поля давлений по ширине и толщине насыпи, возникающих вследс-1е движения автотранспорта по дорожному покрытию, в результате кото-х> установлено местоположение геотекстильной прослойки и диапазон •¡енения давлений на различных уровнях дорожной насыпи.

Выбор волокнистого состава геотекстильного полотна производился условия сохранения прочностных свойств единичного волокна при мак-■¡альных нагрузках на него, которые обусловлены давлением на дорожное ;рь;тие со стороны автотранспорта и образованием льда в порах матери-1 в результате значительного изменения объема воды при фазовом пере-;е. и различия коэффициентов теплового расширения воды и волокна. При >м в качестве критерия использовались экспериментальные данные по ^делению предельных прочностных характеристик химических волокон. :чет, проведенный с учетом максимального давления на рекомендуемой гбине расположения материала, показал, что для изготовления геотекс-¡ьных полотен наиболее целесообразно использовать полиамидные, поли-¡илонитрильные или политетрафторэтиленовые волокна.

Проведенный анализ условий эксплуатации и выбор вида волокон поз-[или произвести расчет физико-механических характеристик иглопробив-1о нетканого геотекстильного полотна. В результате расчетов опреде-ы требуете значения модуля упругости и плотности материала при заной пористости.

Для уменьшения ориентации волокон в холсте при создании иглопро-ных нетканых геотекстильных полотен целесообразно использовать аэ-инашческий съема волокна с поверхности главного барабана чесальной ины. В связи с этим проведены аналитические исследования воздушных ений, образующихся при работе чесальной машины, с целью использова-энергии этих потоков для осуществления аэродинамического съема, периментальные данные позволяют судить об эффективности применения влагаемого устройства при производстве иглопробивных нетканых мате-лов с неориентированным расположением волокон.

Ка основании результатов расчетов, с использованием предложенного ройства аэродинамического съема изготовлен и прошел лабораторные ытания иглопробивной нетканый материал, выработанный из полиамидных

волокон.

Автор защищает:

- аналитические методы проектирования иглопробивных нетканых геоте тнльных материалов с учетом условий эксплуатации, состава использ шх волокон, физико-механических свойств полотен;

- оптимальные аэродинамические и геометрические параметры устройс ■ для съема прочеса с гарнитуры главного барабана с целью получе полуфабриката с наперед'' заданными свойствами;

- новый иглопробивной-нетканый материал, выработанный по оптималь технологии из полиамидных волокон;

- конструкцию нового устройства аэродинамического съема прочеса;

- рекомендации по получению нетканых полотен заданой пористости и у ройство для определения пористости текстильных материалов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В течении ряда лет в дорожном строительс успешно применяются геотекстильные материалы, позволяющие увелич длительность использования дорожного покрытия. Свойства таких матер лов должны определяться'нагрузками, возникающими в насыпи при экспл тации дороги ( движение автотранспорта, фильтрация грунтовых и дож вых вод, замерзание водь! в порах и т. д.). В настоящее время отсутст ют научно обоснованные рекомендации, где указываются требуемый па метры и волокнистый состав геотекстильных полотен.

Своевременность и актуальность проектирования и создания геоте тильных материалов для дорожного строительства подтверждается поста влением правительства Российской Федерации от 01.12.94 г.И 1310:"О деральной целевой программе совершенствования и развития автомобиль дорог Российской Федерации "Дороги России" на 1995 * 2000 годы".

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ Целью работы является разрабо аналитических методов проектирования иглопробивных нетканых геоте тильных материалов и реализация их в условиях производства.

Достижение указанной цели предусматривает проведение исследова по двум направлениям:

1. Разработка аналитического метода проектирования иглопробивных н каных геотекстильных материалов, используемых в дорожном строительс позволяющего определить требуемые физико-механические свойства и па метры структуры с учетом-условий эксплуатации. Исследование предпс

.ет решение следующих задач:

построение модели, описывающей напряженно-деформированное состояние материала, с учетом условий его последующей эксплуатации; расчет физико-механических свойств и параметров структуры материала, необходимых для обеспечения условий его эксплуатации; определение напряженно-деформированного состояния волокон, обусловленного фазовым переходом воды при замерзании ее в порах материала. Разработка и оптимизация технологии съема прочеса на чесальной мане при изготовлении иглопробивных нетканых материалов. При этом, рель таг может быть получен на основании:

изучения воздушных потоков, возникающих при вращении барабанов чесальной машины, с учетом имеющихся ограждающих поверхностей; исследования действия сил на единичное волокно, находящееся в зазоре между главным барабаном и закладным ножом;

определения и оптимизации аэродинамических и геометрических параметров, при соблюдении которых происходит съем волокна с гарнитуры главного барабана воздушным потоком.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертационной работе: На основании законов механики сплошных сред разработан метод проектирования иглопробивных нетканых геотекстильных полотен с учетом действия нагрузок при его последующей эксплуатации . Произведен расчет на прочность геотекстильного материала с учетом действия реальных напряжений и его размещения в дорожной насыпи. Произведен расчет поля скоростей воздушного потока для оптимизации движения волокон в зазоре между барабаном чесальной машины и ограждающей поверхностью с учетом возмущений, вносимых зубьями гарнитуры. Построена математическая модель движения волокон в воздушном течении, образованном вращающимся барабаном чесальной машины и потоком, подаваемым вентилятором в зазор между главным барабаном и закладным ножом.

Рассчитаны оптимальные геометрические и аэродинамические параметры нового устройства, при помощи которого осуществляется съем прочеса воздушным потоком.

При помощи методов оптимизации определены виды химических волокон, использование которых наиболее эффективно при создании геотекстильных полотен.

Разработан аэродинамический метод определения пористости материалов. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. В результате проведенных исследований:

1. Определеш оптимальные параметры геотекстильного материала с уче-расположения его в дорожной насыпи.

2. Установлено, что в геотекстильных материалах, используемых в дор( ном строительстве, следует применять политетрафторэтиленовые, по-ашдкые или полиакрилонитрильные волокна.

3. Разработана технология и конструкция устройства для аэродинамич* кого съема прочеса, при котором не требуется применение воздухос много устройства типа конденсера, а перемещение волокнистой ма< достигается за счет управления воздушными потоками, возникащ] при вращении главного барабана чесальной машины.

í. Изготовлена по оптимальной технологии опытная партия иглопробивн* нетканого материала, предназначенного для использования в дорозю строительстве.

5. Изготовлен и прошел производственные испытания полупромышленный разец безконденсорной установки аэродинамического съема прочеса поверхности главного барабана чесальной машины; рекомендованы оп1 ыалькые условия его эксплуатации.

6. Изготовлена и прошла лабораторные испытания установка для опреде. ния пористости ( плотности } аэродинамическим способом.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты работы полу ли подтверждение в производствах СП " ВЕРОТЕКС " и АО " ПОДМОСКОВЫ и внедрены в дорожно-строительных организациях, предприятиях АО " Г ПРОМ ", учебном процессе кафедры МТВМ МГТА им. А.Н.Косыгина.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы д< ладызались на: трех Международных научно-технических кокференц] (Иваново 1995,1996 гг. .Москва 1996 г.); двух Всероссийских научно-Т' нических конференциях ( Москва 1995, 1996 гг.), Межвузовской науч] -технической конференции (Москва 1995 г.), научно-технических ко» ренциях профессорско - преподавательского состава МГТА им. А.Н. Косы: на и ГАСБУ (Москва 1992-5-1997 гг.), на заседании расширенного Уче» совета МГТА им.А.Н.Косыгина (Москва 1995,1996 гг.), заседаниях кафе, МТВМ МГТА иы.А.Н.Косыгина (Москва 1994-1997 гг.), на проблемном сов! механико - технологического факультета МГТА им. А.Н. Косыгина ( Мое] 1994 + 1997 гг.)

ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации имеется 20 печатных раб( в том числе одна монография.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Работа состоит из введения, пяти гл списка литературы и приложения. Работа изложена на 308 страницах ма

зписного текста, иллюстрирована 34 рис., содержит 18 таблиц, вклю-1ет 169 наименований литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и прак-•меская значимость диссертационной работы, формулируются цели и зада-1 исследования.

В первой главе проводится анализ:

- существующих методов проектирования текстильных изделий;

- особенностей аэродинамического способа съема прочеса и конструкций холстсформирующих устройств, применяемых в настоящее время.

Анализ существующих методов проектирования текстильных изделий жазывает, что в основе построения математических моделей лежат осо-5нности макроструктуры полотен и технология их изготовления, т.е.за-ание геометрических и механических характеристик материала производя на основе выбора сочетаний и размеров нитей, рисунков их переп-зтений, возможностях используемого оборудования. Специфической осо-знностью тканых, трикотажных и плетеных изделий является то, что эле-энты изделия ( бесконечные нити ) определенным образом переплетаются зжду собой, образуя множество повторяющихся элементов. Однако, методы эоектирования тканых и трикотажных структур неприемлемы для расчета араметров нетканых полотен, т.к. весьма затруднительно определить гепень взаимодействия составляющих материал волокон.

Теоретический анализ характеристик нетканых текстильных полотен, особенно иглопробивных, не вышел пока на уровень получения числен-ях оценок, что обусловлено спецификой технологического процесса их зг-отовления и свойствами сырья. В настоящее время известны методы зогнозирования свойств нетканого материала на основе свойств волокон данных о распределении волокон в холсте с использованием теории во-жнистой сетки. Исследование ползучести клееных нетканых полотен продалось на основе допущения о том, что структурная модель волокнистой зновы состоит из повторяющихся элементарных ячеек, образованных передающимися волокнами, в узлах которых находится связующее вещество.

При создании иглопробивных нетканых текстильных материалов (ИНТМ) злучил широкое распространение аэродинамический способ съема прочеса поверхности главного барабана, что объясняется отсутствием жестких эебований к ориентации и параллелизации волокон. Анализ конструкций

устройств аэродинамического холстообраэования показывает, что обяз тельным элементом таких устройств, независимо от принципа работы, я ляется конденсер или сочетание перфорированного транспортера и всас вающего вентилятора. Однако, при этом не учитывается возможное вли кие на перемещение волокна воздушными потоками, образованными вращен ем барабанов, а так же центробежной силы. Использование энергии эт потоков особенно актуально в зоне съема волокна. Возможность управл ния воздушным потоком, образованным вращением главного барабана, мож значительно упростить и удешевить конструкцию, в связи с отсутстви необходимости в использовании конденсера.

Б результате анализа литературных источников были определены це и задачи исследования.

Во второй главе проведены аналитические исследования с целью с ределения требуемых параметров и оптимального волокнистого состава г отекстильных материалов, используемых в дорожном строительстве.

Для определения численных значений параметров геотекстильного п лотна, вида волокон, необходимо знать условия эксплуатации материал т. е. рассчитать поля давлений по ширине и толщине насыпи, возника щие вследствие движения автотранспорта по дорожному покрытию.

Учитывая, что уменьшение прочностных свойств геотекстильной прс лейки и отдельных, составляющих материал волокон в условиях эксплу тации ( т.е. при расположении ее в дорожной насыпи ), происходит, основном, в результате нагрузки на материал со стороны грунта и авт транспорта, а также, вследствие внутренних напряжений в волокна обусловленных расширением воды при замерзании ее в порах материал возникает необходимость в решении следующих задач:

- определения напряжений, возникающих в насыпи вследствие нагруг на дорожное покрытие со стороны автотранспорта;

- определения напряженно-деформированного состояния волокон, обусле ленного фазовым переходом воды при замерзании ее в порах матёриг с целью выбора оптимального с точки зрения прочностных характерр тик, вида волокон, используемых для выработки иглопробивных нет? ных геотекстильных полотен.

- построения математической модели, описывающей напряженно-деформщ ванное состояние материала, с учетом требований эксплуатации;

Независимо от глубины расположения, геотекстильный материал { дет испытывать нагрузку в интервале от минимального давления Рю1 обусловленного силой тяжести насыпного грунта, до максимального Риг

вного сумме давлений грунта и проезжающего по дороге автотранспорта, пленные значения минимального и максимального давлений будут опреде-гь соответствующий диапазон деформаций материала ( например, от а до . При этом пористость геотекстильного полотна должна оставаться таЯ, чтобы обеспечивался качественный дренаж грунтовых и дождевых вод насыпи. Из строительных материалов наилучшими дренирующими свойс-эми обладает речной песок (его пористостость 36-40%). Поэтому текс-пьная прослойка, независимо от глубины ее расположения в насыпи, гакна обладать пористостью, равной пористости речного песка. Это ус-вие определяет параметры геотекстильного полотна в рабочем состоянии.

При проведении расчета напряжений, возникающих в насыпи вследс-ие движения автотранспорта по дорожному покрытию, использовались ис-цные данные и конструкции дорог III категории, находящиеся на терри-рии Московской области, а также характеристики дороги Москва -Рига, этветствующие стандартному варианту дорожной одежды II категории.

Критериями оценки выбора глубины расположения геотекстильной эслойки являлись:

выравнивание поля давлений по ширине насыпи;

условия залегания, обеспечивающие минимальную механическую повреждаемость материала ( например, пробои, проколы и т.п.).

При проведении расчета напряжений приняты __ следующие условия и пущения:

учитывая опытные данные, давление на покрытие принято 0.72 МПа. ( для испытаний дорожной одежды применяют автомобиль МАЗ-503А с нагрузкой на ось 54. 9 кН. );

рассматриваются традиционные варианты дорожной одежды и земельного покрытия для автодорог II и III категории;

расчет напряжений производится в условиях статического сжатия на базе уравнений, связывающих напряжения и деформации, смещения и деформации, давление и напряжения;

рассматривается сжатие изотропного тела.. При этом направление сжатия ( по нормали к дорожному покрытию ) является главной осью тензора напряжений: тху = х,п = tv, = xiZ = t,x = tzv = 0 .

Расчет напряженно-деформированного состояния насыпи проводился и помощи метода дискретных математических моделей ( ДММ ). Разност-е схемы метода ДММ реализованы в программном комплексе "TRENER" и зволяют решать широкий круг задач динамики грунтов.

Анализ результатов расчета поля уровней напряжений в насыпи для

конструкций дорожной одежды II и III категорий автодорог показывае что значения 6ER =-6Z2 = Р. Это равенство, обусловленное большим кол чеством тонких слоев разнородных материалов, позволяет утверждат что текстильная прослойка, независимо от глубины ее расположения, б дет испытывать только изотропные нагрузки, т.е. подвергаться деформ ции однородного сжатия. Напряжения по ширине дорожной насыпи выравн ваются, начиная:

- с линии уровня у, =0.9 м. для дороги III категории ;

- с линии уровня У; =1.1 м. для дороги II категории.

Учитывая конструкцию дорожной одежды, геотекстильную прослой целесообразно расположить:

- для автодороги III категории - на расстоянии не менее 0.53 м. поверхности покрытия (( Р^щ/Р^ах ) =0.11, условия залегания - п сок или мелкий пылеватый суглинок );

- ДЛя ■Автодороги II категории - на расстоянии не менее 0.8 м. от п верхности покрытия (( Pcin/Pmax ) = 0.10, условия залегания - ко диционный песок ).

Помимо внешних нагрузок на материал, возникающих в период экспл атации автодороги, необходимо учесть внутренние напряжения, обусло ленные фазовым переходом воды в лед в порах геотекстильного полотна.

Изменение фазового состояния воды при замерзании приводит к изм кению ее теплофизических и механических свойств, а также существенн ыу увеличению объема. Если процесс фазового перехода происходит в п pax текстильного материала, можно предположить возникновение дополн тельных напряжений в волокнах, что в свою очередь обуславливает изм нение физико-механических свойств материала.

Целью расчета напряжений, возникающих в волокне и, как следстви деформации волокна при образовании льда в пространстве вокруг него, .результате значительного изменения объема воды при фазовом переходе различия коэффициентов теплового расширения воды и волокна, являет выбор вида волокон, которые в этих условиях не теряют своих про ностных свойств. При этом в качестве критерия использовались экспер ментальные данные по определению предельных прочностных характерист химических волокон.

Анализ возникающих напряжений производится на модели среды, со тоящей из отдельных волокон, образующих ортогональную сетку по главн осям, и замерзшей воды. При этом предполагается, что волокна непосре ственно друг с другом не взаимодействуют и имеют одинаковый диаметр.

Так как ортогонально направленные волокна равноправны во всех от-ошениях ( по плотности расположения, свойствам, геометрическим разме-аы и т.п ) то для единичного волокна Е} = Е2 = Е3 , = У1з = у21 =

= 1 = = V.

Вследствие того, что волокна не взаимодействуют между собой (т.е. :ри деформации волокон одного семейства не происходит деформации воло-:он другого семейства ), можно считать коэффициент Пуассона волокон 1 = 0. Связь напряжений и деформаций, обусловленных термическим расши-»ением, имеет вид :

- для волокнистой структуры:

/

с-, = ( б( / Ев ) + «Н;

<

с2 = со = ( б2 / Ев ) + = 0.

- для льда ( предполагается, что б£' = б3' ):

с,'= [( 6г ' - 2 V'* б2') / Е'] + а'*ъ

| £?.' = е3" = ([ б2' ~ у'*( бх' + бг' )1 / Е*> + А = 0.

где:' Е3, Е* - соответственно модули упругости волокна и льда;

а - температурный коэффициент линейного расширения волокна; Ь = - ^ - интервал температур;

V' - коэффициент Пуассона льда; к = (0.09 - 0.1)/3 - линейная деформация, обусловленная фазовым переходом "вода - лед". На основании уравнения равновесия, которое для геотекстильного материала, расположенного в дорожной насыпи имеет вид:

6, * Г + 6-/* ( 1 - Г) = Р. получены зависимости для расчета напряжений:

[ 2У'*А / ( 1 - V')] + А - «П - ( Т»Р / Е )

б:' = —-:- ; ( 1 )

( № ) - ( 1/Е') + [ 2*(Г)г / ( 1 - ч')*Е' ]

£*{[ 2v'*A / ( 1 - V')] + А - йП - ( ?*Р / Е )} -:-+ у,р. ( 2 )

( е/Е ) - ( 1/Е') + [ 2*(ч')2 / ( 1 - у')*Е']

где: 6Х ,6Х' - напряжения, возникающие в замерзшей воде и волокнах;

с = -[(з-гМ/!М = 1 - [ 3 / ( 1 - г. )];

? = 1 / Г = 3 / * = 3 / ( V ) = 3 / ( 1 - Ё, }; - пористость материала;

^ = Уь / Уэ0ск - коэффициент объешого содержания волокон;

Р - давление на материал со стороны насыпи и автотранспорта.

•Выражения для б2 и б-2' имеют вид;

б2' = [ V'* б1' / ( 1- V')] - [А*Е'/( 1 - V')]; б2 = - <х*ь*Е.

Характеристики льда в интервале температур от 0 до (- 10) 0 имеют следующие значения: Е'= 4*103 МПа., у' = 0.34 - 0.36.

Тогда формулы (1) и (2) преобразуются к виду; 6'/= [10 * « + 0.06884 - ( / Е )] / [( 6/Е ) - 0.1557692*10"9 ];

б!=(<;*[10*й + 0.06В84 - (?*Р/Е )] / [( С./Е ) - 0.155769*10"9]} + ¥*Р б2' = ( 0.53846 * 6г' ) - 0.203077*10"9 .

Анализ результатов расчета напряжений и деформаций волокна, про веденный при помощи программного комплекса " МАТСАБ " с учетом давле ния Р;„ах на рекомендуемой глубине расположения материала, позволяе сделать следующие выводы:

- возникающие в волокнах напряжения, а также деформация волокон прак тически не зависят от температурного коэффициента линейного расши рения 'волокна и внешнего давления на материал ( варьируя а при оди наковых значениях прочих параметров, абсолютные величины напряже ний и деформаций волокна изменяются не более чем на 1 % );

- напряженно-деформированное состояние волокон в основном определяет ся их модулем упругости и пористостью материала ( с увеличением по ристости от 0.1 до 0.9 деформация волокон возрастает).

По результатам расчетов следует рекомендовать для использования геотекстильных материалах, используемых в дорожном строительстве, по, литетрафторэтиленовые. полиамидные и полиакрилоннтрильные волокна

Определение условий эксплуатации, выбор вида волокон позволяю произвести расчет физико-механических характеристик иглопробивног нетканого геотекстильного полотна.

Напряженно-деформированное состояние высокопористых сред, к кото рым принадлежит рассматриваемый материал, можно с достаточной дг практических расчетов точностью описать при помощи степенной завися

юсти вида :

Р ( £ > = К * £П ' (3)

\це: Р( с ), с - приложенная нагрузка и объемная деформация;

К,п - параметры модели.

Связь объемной деформации и пористости материала в нагруженном юстоянии выражается следующим образом:

е - С Со - )/( 1 - е. ), ■де: г,0, г; - начальная и текущая пористость материала соответственно.

Считая, что значение пористости £тах соответствует деформации ; = а при Р = Рт1п, и пористость ,п имеет место в случае с = Ь при э = Ртах- граничные условия запишутся: а < с < Ь

( 4 )

£цип ^ ^ ^яах

С целью определения неизвестных Кип необходимо минимизировать разность между искомой функцией (3), которую можно представить в виде К * 2Г' = К * е1п*1§(2) 3 , и некоторой штрафной Ш). Для обеспечения положительной разности между указанными функциями в каждой точке по Ъ используется метод средних квадратичных отклонений:

А

5 [ К*2П - Ш) ]2 <Ц - К К.п ).

о

где: КХ) - штрафная функция, выбранная из физических соображений, т.е.

в рабочем диапазоне ( например, от а до Ь ) Ш) = 0, а за пределами этого диапазона ГИ) возрастает. Условие экстремума функции двух переменных в общем виде запишется: 9 I А

-= г I [ к*гп - кг) ] гп йг = о ( 5 )

д к о

д I А

-= 2 X [ к*2п - г(2) ] к»гМп(г) (12 = о ( в )

Э П о

После пребразований (5) и (6) имеем трансцендентное уравнение для определения п:

*{ Ь(п+2) * [ 1 - (п + 1)»1п(Ь) 1-й - а(пП) * [(п + 1) *

( п + 1 )г

*ln(a) - ID + - *{ ain + 2) * [( n + 2 )*In(a) - 1] - bin + 2)

( n + 1 )2

1

»[ i - ( n + 2 ) * m(b)] + i }--*

( 2n + 1 )*( n + 1 )*( n + 2 )

* [ a£n"£) + n*( 1 - b ) + ( 1 - 2b ) + b(r, + £) =0 ( 7 )

Значения К вычисляются по следующей формуле: ( 2n + 1 )

К = - „(■ + _ ь) + (1 _ 2b)+ bin + 2)3 ( g J

(П + 1)*(П + 2)

Решение уравнений (7) и (8) проводится с учетом (3), записанное для максимального и минимального давлений:

1п( Рва2 ) = 1п( К ) + n*ln( Ь ) ( 9 )

1п( Pfflltt ) - 1п( К ) + n*ln( а ) ( 10 )

Численные значения п. К, а и Ь вычисляются при совместном решении ура] нений (7) - (10) при известных Ртах и Р^^, определенных из поля да) лений на текстильный материал при расположении его в дорожной насыпи.

Полученные в результате решения численные значения Р(х) для различных уровней возможного расположения текстильной прослойки, позволяют произвести оценку сжатия проектируемого геотекстильного материала с учетом Pj,)n=p*g*yi дорожной насыпи и нагрузки на дорожное покрытие со стороны автотранспорта Р3 ( Pr„az = Р;г1; г. + Ра ) при условии сохранения общей пористости волокнистого полотна в пределах 0, 36-0. 40.

Решение уравнений (7) - (10) проводилось численными методами с применением программного комплекса "MATCAD".

Основываясь на результатах расчета, можно рекомендовать для проектирования текстильных материалов, работающих под нагрузкой, определяемой 0.1 < ( Ря¡п/Рта* ) < 0.95, следующие диапазоны значений:

- параметров модели: 1.7 < п < 3.0 ; 0.5 < К ( 0.8, МПа.;

- отношения деформаций а/b = ( 0.25 - 0.95 );

- модулей упругости: 0.28 < Еь < 0.46, МПа.; 0.18 < Еа < 0.28, МПа.;

С учетом указанного выше места расположения в дорожной насыпи, характеристики геотекстильного материала должны изменяться в пределах:

- модули упругости Еь = (0.44 - 0.45) МПа.; Еа = (0.16 - 0.17) МПа.;

- минимальная начальная пористость = (0.65-0.67 );

- параметры модели: п = ( 1.7 - 2.0 ); К = ( 0. 5 - 0.6 ) МПа.;

- минимальное соотношение плотностей ( рмо / рв) = = ( 0.33 - 0.35 ).

Следует отметить, что значения модуля упругости нетканых материа-ов, используемых в настоящее время в дорожном строительстве, в 1.5-2.О раза меньше приведенных расчетных значений при равных нагрузках.

Для определения параметров проектируемого материала можно вос-ользоваться нижеследующими формулами, полученными путем аппроксимации езультатов расчета:

п = 7.38729 - 11.97112 * X + 12.7022 * (X)2 - 5.20304 * со >< +

+ 2.15015 * 1п(Х) + 0.0276 / X ;

к = 0.03615 + 2.62903 * X - 3.317 * ( X )2 + 1.48808 * (X)3 -

- 0.09543 * 1п(Х); (X)3

а/Ь 2.12860-2.99974 *Х + 3.22641 * (X)2 - 1.39277 * +

+ 0.802 * 1п(Х) + 0.02378 / X ; * (X)2

Еь = 1.71735 - 3.12778 * X + 2.59669 - 0.94636 * (X)3 +

+ 0.53443 * 1п(Х) + 0.02599 / X;

Еа = 1.24834 - 1.72208 * X + 0.80388 * (X)2 - 0.11062 ч (X)3 +

+ 0.66514 * 1п(Х) + 0.06545 / X;

^ ^лип / Ртах-

В третьей главе проведены теоретические исследования воздушных течений, образующихся при работе чесальной машины, с целью использова-тя энергии этих потоков для осуществления аэродинамического съема золокон.

С целью уменьшения ориентации волокон в холсте, что принципиально зажно для создания иглопробивных нетканых полотен, используемых в качестве геотекстильных прослоек, т.к. их прочностные характеристики должны быть приблизительно одинаковыми в продольном и поперечном нал-эавлениях, следует использовать аэродинамический способ съема волокон 2 поверхности главного барабана чесальной машины. В связи с этим про-зедены аналитические исследования воздушных течений, образующихся при работе машины, с целью использования энергии этих потоков для осуществления аэродинамического съема прочеса, что позволит уменьшить производственные площади, занимаемые чесальной машиной, и ее металлоемкость, снизить трудозатраты на обслуживание, не применять дополнительные воздухосъемные устройства ( например, конденсер или сочетание всасывающего вентилятора и перфорированной решетки ), имещие место на существующих аэродинамических холстоформирующих устройствах.

Техническое решение в виде конструкции устройства предусматривг ет проведение:

- анализа воздушных потоков, возникающих вследствие вращения барабане чесальной машины, с учетом имеющихся ограждающих поверхностей;

- анализа действия сил на единичное волокно, находящееся в зазоре меа ду главным барабаном и закладным ножом;

- анализа аэродинамических и геометрических условий, обеспечивают* съем прочеса с поверхности главного барабана.

Анализ поля скоростей воздушного потока в зазоре между ограждая щими элементами и вращающимся барабаном проводится на модели коаксу альных цилиндров, из которых внутренний вращается, а внешний неподв* жен. При решении задачи приняты допущения о том, что воздушное течеш установившееся и плоское; воздух движется по окружности с центром и оси барабана; характеристики движения потока не зависят от полярног угла <р в силу симметрии: Vz = Vr = 0; Vq> =Vq> (г); P = P (г).

С учетом принятых допущений уравнения движения и неразрывной принимают вид:

р * (V<f)2 d Р d2 Vq> 1 d Vq> Vv

- _ - . - + - t---- 0.

9 P

г dr d г" г dr.r

Граничные условия при определении поля скоростей будут: г Щ = vt * an при г = rt - на поверхности вращающегося барабана;

^ V<p = О при г = гг - на неподвижной поверхности.

Напряжение вязкого трения при сделанных допущениях:

d V

t = д * г * - ( — ). ( 11 )

d г г

Поскольку в дальнейшем рассматривается только окружная составляю ¡цая скорости Уц>,то в дальнейших расчетах индекс ф опускается.

Зубья гарнитуры целесообразно представлять как шероховатость равномерно распределенную по площади. Следует отметить, что при силь ной степени шероховатости (значительная высота элементов и болыпа плотность их распределения по поверхности стенки) переход ламинарное течения в турбулентное может происходить непосредственно около элемен тов шероховатости.

Как показал расчет, зубья гарнитур приемного и главного барабано; выступают за пределы ламинарного подслоя, что обуславливает наличие w

ламинарного течения в зазорах между указанными выше барабанами и ограждающими поверхностями.

В основе способов расчета турбулентных полей течений лежат эмпирические гипотезы, связывающие силы " кажущейся " вязкости, вызываемой турбулентным перемешиванием с осреднениями по времени скоростями.

Для определения касательного напряжения при турбулентном течении жидкости используется обобщение уравнения (И) путем введения кинематического коэффициента "кажущейся" вязкости е, соответствующего кинематическому коэффициенту вязкости v = ц / р при ламинарном течении:

d V

I х | = - г * р * е * - ( — ), ( 12 )

d г г

где: V - осредненная по времени скорость потока, м/с.

Дальнейший анализ распределения скоростей проводится в соответствии с гипотезой подобия Кармана, основанной на том, что поля пульсалонных скоростей во всех точках потока подобны одно другому, т.е. отличаются одно от другого только масштабами для скорости и длины. Длиной, характерной для турбулентного движения, является длина пути перевешивания, определяемая из уравнения:

d V / d у

Lt = с / V» = Н * - ; ( 13 )

d2 V / d у2

■\це: Н = 0.4 - универсальная постоянная турбулентного течения;

у = г * sin <р - расстояние от стенки.

С учетом ранее принятых допущений, а также при сохранении момента сил трения, который можно выразить F * г = Ft * rj ши V, = VS1 * Г] /г, уравнение (12) с учетом (13) запишется:

Н * г i V 1 d2 V / d г2

- * - ( — ) - - — * - . ( 14 )

Vn * rt d г г г dV/dr

сражение (14) позволяет рассчитать значения скоростей воздуха в зазо->е между соосными гладкими цилиндрами в турбулентной области потока.

Уравнение (14) несправедливо для пристеночных областей. Поэтому юобходимо принять новые граничные условия с учетом ламинарных подсло-:в на стенках. Толщина ламинарного подслоя на шероховатой стенке, ка-:ой является поверхность барабана, вычисляется по формуле:

Дд1 ='«! * V / V»! = 3.3 * V / . Для гладкой поверхности неподвижного цилиндра толщина ламинарного подслоя определится из соотношения:

4яг = а2 * V * Г2 / ( V«! *Г! ) = 5.0 * V * Г2 / ( V*! * Г] ) . В данном случае элементы шероховатости выступают за пределы лами нарного подслоя, сопротивление перестает зависеть от числа Ке, и ос новным параметром становится относительная шероховатость. Для вращаю щегося шероховатого цилиндра справедлив следующий закон сопротивления

С 1 / ЛГэ = 2.12 + 4.07 * 1ё ( т1 / К ), (15

где: Сг = х / (0.5 * р * (г4)г * <ог) - коэффициент сопротивления;

К - высота элементов шероховатости

С учетом (15) уравнение (14) примет вид :

1.4142*Н*[2.12+4.07*1§(г1 / К)] ¿1 V с1гУ / с1гг - , - (-) ---# ( 16

V! с1г г г * ((IV / аг)

Уравнение (16) позволяет учесть шероховатость поверхности вращаю щегося цилиндра и справедливо при следующих граничных условиях:

/ V = Ул1 ■ при г = ( Г! + Дл1 );

* V = Ул£ при г - ( г2 - Дл2 ). На основании уравнения (16) проведен расчет поля скоростей в з< зоре между главным барабаном и закладным ножом (т.к. в этой зоне моя» осуществить аэродинамический съем прочеса).

Анализ результатов расчета распределения скоростей по высоте ук; занного зазора показывает, что воздух, находящийся между зубьями, гак ет практически такую же окружную скорость, что и сами зубья. Э-подтверждает предположение о том, что гарнитуру, с точки зрения аэр( динамики, можно рассматривать как шероховатость, равномерно распред! ленную по поверхности. В верхней части зазора между концами зубьев внутренней поверхностью закладного ножа скорость потока резко сни® ется. Подобное неустойчивое расслоение течения объясняется действи центробежной силы на частицы воздуха, которые стремятся переместить к внешней неподвижной стенке. Торможение воздушного потока у выпукл поверхности закладного ножа связано с вихреобразованиями, влияющими распрямленность (извитость) волокон, подводимых к съемному барабану.

Зависимость (16) позволяет более точно учесть влияние аэродинамической силы на расположение и конфигурацию волокна в рассматривае-юм зазоре, что в свою очередь' дает возможность определить минималь-шй размер щели в плоскости закладного ножа, через которую предполагайся удалять волокно, снятое с гарнитуры барабана, воздушным потоком.

На одиночное волокно, одним концом закрепленное на поверхности ¡арабана, оказывает влияние сила аэродинамического сопротивления W [ центробежная сила F.

Считая, что ось ординат Y расположена по радиусу барабана, а ось .бсцисс X совпадает с его образующей и направлена в сторону вращения арабана, уравнения равновесия для элемента волокна запишутся: f da dT

IX = Т * - - cos (оО *--[ w / sin(cO ] = 0.

dy dy

( 17 )

dot

EY = T * cos(ci) * -+ sin(ct) * [ f / sln(tf)] = 0.

dy

де: T - сила натяжения волокна;

= [C(oO*p*V2*dB*dl]/2 - сила аэродинамического сопротивления, отнесенная к элементу длины волокна dl; = it*pB *r*to2 * (гв)г* dl - центробежная сила, отнесенная к элементу

длины волокна dl ; (сО = Cd*sin2(c0 + jt*Cf *cos" (сО - коэффициент аэродинамического сопротивления волокна; I = 12.1 / Re0'650 - коэффициент аэродинамического сопротивления при поперечной ориентации волокна в потоке; = 1.757 /Re0-925 - коэффициент аэродинамического сопротивления при продольной ориентации волокна в потоке; з = V * г / v - критерий Рейнольдса; = [ Vj (г) - Vj ] - текущее значение скорости воздуха; Vi(г) /Vi ] = 0.92665 - 0.16030*х - 1.62856*х2 - распределение скоростей в зазоре для машины ЧМ - 450- 7; Vi (г) / Vj ] = 0.67959 + 0.07031#х - 5.03655*х5 + 0.02004/х - распределение скоростей в зазоре для машины ЧММ - 14; = ш * г - окружная скорость вращения барабана; , рв, I - радиус, плотность и длина волокна;

v - плотность и кинематический коэффициент вязкости воздуха;

х = ( г - rt ) / ( r2 - Tj ).

Исключая ( dT / dy ) из полученшх уравнений, получим: dtf

-= [ w - f * ctg(oi) ) 1 T

dy

или в конечноразностном виде:

tfi + 1 - cij w - f * Tj * ctg( a )

Д Tj

где: i - индекс, указывающий, в какой точке зазора ( г2 - п ) опрсде

ляется значение рассматриваемой величины; Д=(гг-г1 )/( п - 1 )- шаг конечноразностного разбиения по радиус} ( п - 1 ) - количество частей, на которое равномерно разбивается уча<

ток от Г1 до г2 ; w = vr( й ); f = V* г .

Выразив (dT / dy) из (17), исключив при этом (dtf / dy), имеем: dT

- = - [ f + w * ctg(tf) ]

ЙУ

или конечноразностном виде: T1 + 1 - Т.

- = - Г f * rj-+ w * ctg( a ) ] .

Д

Начальное приближение для силы натяжения Tt на поверхности враи ющегося барабана ( т.е. при г = гг ) имеет вид: V = [f«( r2 + ) / 21 М г2 - г, ) - i'* [ (г2)2 - (г,)2 ] / 2 Уточняя значение Tj , получим: ri

г П-1 П-1

Тг = f'*|[r*dr/sln(d)3 * f'* Е Cri *Д / sin(d)] * Г*Д* Е [r^/slnicOJ j 1=1 1=1

гг

Последнее выражение для определения Tj предназначено для hotoj зования в качестве критерия сходимости при решении задачи мето; последовательных приближений.

Определение конфигурации волокна в зазоре в пределах 90° < i < 180° (значение а = 90° тлеет место при у = г, , а величина угла i = 180° соответствует начальному моменту принятия волокном положен:

жвидистантного поверхности главного барабана ) проводилось численным штодом. При этом длина волокна равнялась 30 мм.

Анализ результатов расчета показывает, что расположение различных юлокон в рассматриваемом зазоре принципиально одинаково и отличает-:я, в зависимости от плотности ( вида химического волокна ), длиной [згибакщейся части, которая минимальна у политетрафторэтиленовых -

_ О о

.440346*10 м , а максимальна у полиамидных - 1.454183*10 м.

Учитывая реальные условия зацепления волокон зубьями гарнитуры ■лавного барабана, а также значительное влияние центробежной силы, :ирину щели в плоскости закладного нова для осуществления аэродинами-еского съема прочеса необходимо принимать не менее 25 мм.

Результаты расчета воздушного течения, образованного вращением лавного барабана, показывают, что вследствие незначительного давления скорости движения, этот поток не способен переместить волокнистую ассу с поверхности барабана в атмосферу через щель в плоскости западного ножа. Следовательно, необходимо создать некоторый затвор, рас-оложенный ниже щели в сторону движения барабана, обеспечивающий выход оздуха и волокна через щель в окружающую среду, т.е. существенно уве-ичить давление воздуха в зазоре между главным барабаном и закладным ожом. В качестве такого затвора предлагается использовать воздушный оток. истекающий из воздуховода, расположенного на внешней поверхнос-и закладного ножа, со щелью постоянной ширины, длина которой равна ирине главного барабана. С точки зрения технологии изготовления во-окнистых материалов, результатом исследований является выбор такого ечения. при котором:

- происходит выход воздуха из зазора в среду с атмосферным давлением по всей длине щели;

- средняя скорость воздуха в плоскости щели была бы не меньше скорости трогания прочеса, т.е. не менее 1.70 м / с;

- воздушный поток, выходящий из воздуховода, не оказывает влияния на движение волокнистой среды выше щели.

Аналитическое исследование предлагаемого способа съема прочеса доводится на основании уравнений движения и неразрывности. Решение <азанных уравнений проводится с помощью конечно-разностного метода, зализованного в системной задаче "FLOW 2ХХ", представляющей собой па-эт прикладных программ для решения широкого класса двумерных эллипти-зских задач гидродинамики, теплообмена, химической кинетики.

При проведении расчета было рассмотрено более ста вариантов раз-

личного сочетания переменных величин, которыми являются:

- средняя скорость вдува и ширина щели воздушного затвора ( фактичес ки. количество вдуваемого воздуха в канал между поверхностями глав ного барабана и закладного ножа );

- расстояние между осями вдува и выхода воздуха через щель в поверх носги закладного ножа;

- ширина щели, через которую воздух выходит в окружающую среду;

- длина патрубка, размещенного на внешней поверхности закладного но жа и направляющего выходящий поток.

Анализ результатов расчетных данных показывает, что наибольпш эффект достигается при следующих условиях:

- расстояние между местами расположения вдува ( воздушного затвора

и щели, через которую удаляется воздух, должно быть максимальь возможным для конкретной конструкции чесальной машины;

- среднюю скорость течения в плоскости щели воздушного затвора целе сообразно поддерживать в пределах 2.0 - 3.5 м/с. при ширине ще; 0.020 - 0.025 м;

- длину направляющего патрубка при выходе воздуха из основного кана; следует принимать не менее 0.40 м;

- оптимальный размер щели в плоскости закладного ножа, обеспечивающ] перемещение волокна посредством воздушного потока на транспорте] находится в диапазоне 0.04 - 0.08 м.

Четвертая глава посвящена разработке конструкции и проведем производственных испытаний опытного образца устройства аэродинамиче кого съема прочеса, установленного на чесальной машине ЧМ-450-7.

Как отмечалось ранее, принципиальное отличие разрабатываемого в рианта холстоформирующего устройства от существующих заключается использовании энергии воздушного потока для снятия прочеса с гарниту главного барабана и перемещения его к месту укладки в помещении цеха

Предлагаемое устройство включает следующие основные элемент центробежный вентилятор, воздухораспределитель воздушного затвора, с единенный с вентилятором при помощи подводящего воздуховода, и отвод щий патрубок.

Учитывая конструктивные особенности чесальной машины, целесос разно нагнетать воздух в зазор между главным барабаном и закладным 1-жом через плоский диффузор прямоугольного поперечного сечения. Прш, нительно к чесальной машине ЧМ-450-7 размеры диффузора в месте е крепления определяются шириной главного барабана - 1000 мм и щел1

юверхности закладного ножа, через которую подается воздух в зазор. Зсновываясь на рекомендациях, данных в главе 3, ширина щели принята жвной 25 мм. Во избежание выхода за пределы габаритных размеров маши-№i длина диффузора не должна превышать 1000 мм. Ширина входного сече-шя диффузора была задана равной 200 мм.

Для улучшения условий протекания воздуха в коротких диффузорах с юльшими углами расширения (в данном случае - 54 0 ) внутри диффузора остановлены четыре разделительные стенки.

Отводящий патрубок следует расположить горизонтально, в диамет->альной плоскости, проходящей через ось барабана, на откидной крышке, 5TO позволит, при необходимости, легко его демонтировать ( например, уш очистки гарнитуры валиком ).

Целью проведения экспериментальных исследований является :

- изучение воздушных течений, возникающих вследствие вращения главного барабана;

- изучение движения воздуха в зазоре между главным барабаном и закладным ножом в зависимости от расстояния между расположением воздушного затвора и отводящего патрубка;

- определение минимального количества подаваемого в зазор воздуха, при котором происходит съем и перемещение волокна воздушным потоком к месту укладки ( например, ленточный транспортер ).

Влияние вращающегося главного барабана на возникновение движения юздушных масс определялось непосредственными измерениями скорости потока на выходе из отводящего патрубка. При этом патрубок по ширине )ыл разделен на девять вертикальных сечений, через каждые 100 мм. За-геры проводились термоанемометром ТА-9, имеющим диапазон измерения жорости потока 0-5 м/с с погрешностью 0.05 м/с , в четырех точках ;ечения, расстояние между которыми составляло 10 мм. Длина, ширина и ¡ысота патрубка равнялись соответственно 300, 1000 и 50 мм.

Размещение диффузора воздушного затвора изменялось в диапазоне от (аксимально возможного удаления-от патрубка по ходу вращения барабана • 280 мм до минимального расстояния - 120 мм. Указанные численные ¡начения объясняются конструкцией чесальной машины ЧМ-450-7.

.Контроль выхода воздуха из отводящего патрубка, как с точки зре-1ия общего количества, так и с позиции равномерности распределения по-■ока по ширине выходного сечения, осуществлялся путем измерения ско-юстей термоанемометром ТА-9 согласно изложенной выше методике. При фоведении эксперимента использовался вентилятор Ц7-40 N3.

В процессе испытаний были получены следующие результаты.

Измерение скоростей воздуха в выходном сечении патрубка при отключенном вентиляторе воздушного затвора показывает, что вращающийся барабан интенсивно подсасывает воздух из окружающей среды. При этом средняя скорость потока по сечению патрубка (при его ширине 50 мм ) составляет 0.116 м/с.

Изменение местоположения диффузора по отношению к размещению отводящего патрубка, показало, что при удалении диффузора на 280 мм от патрубка только 24-25 % от общего количества подаваемого в зазор воздуха выходит из патрубка в помещение цеха. Уход большей части потока (~70.%) в нижнюю часть машины объясняется увеличением размера зазора между барабаном и решеткой (по отношению к разводке главный барабан -- закладной нож) и, следовательно, уменьшением аэродинамического сопротивления канала проходу воздуха.

Сокращение расстояния до 200 мм не привело к существенному увеличению количества выходящего из патрубка воздуха ( 34 % от нагнетаемого вентилятором ).

Размещение диффузора воздушного затвора на минимально возможном расстоянии от патрубка - 120 мм - позволило существенно увеличить выход воздуха ( 57 % от количества подаваемого в зазор). При этом значения скоростей превышают рекомендуемые скорости трогания волокна.

. Определение, минимального количества подаваемого вентилятором воздуха, при котором происходил съем прочеса с гарнитуры, осуществлялось путем, визуальных наблюдений. Момент, когда волокна подхватывались воздушным потоком и выходили из патрубка в атмосферу, фиксировался шибером, после чего измерялась скорость воздуха в подводящем канале. Из проведенных испытаний следует, что искомое минимальное количество нагнетаемого вентилятором воздуха составляет 503 м3/ч. При этом замеры скоростей в выходном сечении отводящего патрубка ( последний вариант размещения воздушного затвора ) показали, что: отсутствует подсос воздуха из окружающей среды; величины скоростей воздуха соответствуют требуемым значениям, обеспечивающим транспортирование волокон; поле скоростей стабилизируется, и неравномерность выхода потока по ширине патрубка снижается до 11,3 %.

Попытка уменьшить ширину отводящего патрубка до 20 мм не принесла удовлетворительного результата, т.к. в начальных, по ходу движения воздуха,. сечениях, патрубок забивался волокном.

Сопоставляя результаты теоретических расчетов и экспериментальные

данные, можно сделать вывод о правомерности использования принятой математической модели для описания физических процессов, связанных с аэ-эодинамикой чесальных машин ( в частности, вопросов аэродинаического :ъема прочеса ). Некоторые расхождения в рекомендациях по размещению зоздушного затвора объясняются тем, что при проведении расчетов было 1ринято допущение о постоянстве величины зазора между главным бараба-там и закладным ножом, а также но учитывалось аэродинамическое сопротивление зубьев гарнитуры по отношению к потоку, нагнетаемому в зазор.

В целом, результаты экспериментальных исследований доказывают юзможность использования предложенного устройства для аэродинамичес-сого съема прочеса,с гарнитуры главного барабана и перемещения волокнистой массы воздушным потоком к месту укладки.

В пятой главе описываются экспериментальные исследования изготов-кзнного иглопробивного нетканого материала в лабораторных условиях с |елыо определения соответствия его модуля упругости и пористости рас-гетным значениям.

В соответствии с техническим заданием, разработанным на основании юзультатов исследований, проведенных в главе 2, была изготовлена »пытная партия иглопробивного нетканого полотна в количестве 100 пог. I , имеющего поверхностную плотность 400 ± 50 г / м2, ка линии " БЕФА-[А - Д№0 ". Материал выработан из полиамидных волокон, имеющих линей-[ую плотность 270 мтекс, длину 28 - 35 мм, неравномерность по длине :0 % в соответствии с техническими условиями ТУ 1867888-90 ОП-2 "Нет-:акые конструкционные материалы кратной ширины".

При определении модуля упругости была использована наследственная ■еория упругости. Для описания комплекса релаксационных явлений в вяз-:оупругих телах при одноосном растяжении или сжатии используется выра-:ение:

Ь

6Ш = Е*еШ - Е * x С( Ъ - г )*г(х) йХ, ( 5.1 )

О

де: еШ = •

е*^ . I < Ь» ; е = const.

- закон изменения деформации; ( 5.2 )

t > и

с

£ =--:— .

d х

х - предшествующее моменту наблюдения время;

1;0 - длительность процесса приложения нагрузки;

С( I - х ) - ядро уравнения, представляющее собой монотонно убывающ;

Функцию, учитывающую механическую предысторию материала, Ядро уравнения'предлагается в виде:

G(t) =

А » е("ь*и

td-a)

6(t) =

где: 0 < а < 1; 0 < b < 1.

Тогда изменение напряжений во времени определяется: . t-

E*£*t - Е*£*§ G( t - X )*Х àx, t < t(

0

(5.3

• ' . to t

E*e0 - E*c*S G( t - t )*t dt - E*z0*î G(t - t ) dt, t > t, - 0 t0

Приведенная система уравнений позволяет рассчитать напряжени возникающие в текстильном материале в рассматриваемом случае.

Модуль упругости материала вычисляется следующим образом:

t0 ba е"15*^

Е = ( бзэ- * to ) / i с0 * ^ t0 - S (-M-)*( t0 - t ) dt ]

О Г(а) t(1"a)

где: A - ba / Г(а);

C\)

Г(a) = S e(~1' * j(a~1) dj - гамма функция Эйлера.

О

Используя необходимые для проведения расчетов экспериментальн данные, полученые при испытании материала с помощью универсальной ра рывной машины "INSTR0N 1185", были определены искомые значения ней вестных a, b и Е.

Анализ результатов расчета показывает, что зависимость модуля у ругости от величин а и b крайне незначительна ( погрешность вычисле ных а и Ь, взятых в пределах от 0 до 1, по отношению к получение

оптимальному варианту не превышает 7 % ). Кроме того, можно предположить, что у испытуемого материала напряжения при релаксации стремятся к некоторому не нулевому значению. Значение модуля упругости образцов, полученное экспериментальным путем, в интервале нагрузок 5.90 * 6.20 Ша, составляет 8.32 1 0.42 Hila.

Сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных показывает, что модуль упругости разработанного геотекстильного полотна соответствует требованиям эксплуатации его в дорожном строительстве, погрешность величины модуля упругости рассматриваемого материала по отношению к рекомендуемым расчетным значениям, полученным в главе 2, три одинаковых нагрузках не превышает 9.0 %.

Для определения пористости ( или плотности ) гетекстильных материалов был предложен новый метод, основанный на различии скоростей зитания образцов, помещенных в вертикально направленный поток воздуха.

Уравнение равновесия образца в воздушном потоке имеет вид:

G = F или m*g = Cf *p*V2 *S/2 ' ( 18 )

-■дс: F = Cf*p*V2* S/2 - аэродинамическая сила;

Cf - коэффициент аэродинамического сопротивления,

определяемый опытным путем; р, V - плотность и скорость воздушного потока;

d, m, h, S = rt*d*h - диаметр, масса, толщина и площадь образца;

Выражая из (18 ) Cf и преобразуя, получим:

Cf = m*g*d / 2*p*\ñ *W, ( 19 )

7ie: W = it*d2*h / 4 - объем образца.

Пористость образца, с учетом (19), можно выразить: í, - 1 - [ рм / рв 1 = 1 - [ V2 *p*Cf / 0,5*g*d*pB ], ( 20 ) 'де: рм = m / W, рв - плотность образца и волокон соответственно.

Из (20) следует, что пористость любого материала зависит от коэффициента аэродинамического сопротивления, геометрических размеров )бразца, а также, от основных параметров воздушного потока V и р. Ука-¡анные параметры связывает критерий Рейнольдса Re = V*d / v.

Экспериментальные исследования проводились на установке, состоя-;ей из вентилятора с электродвигателем и прозрачной трубы длиной 1500 [м и диаметром 60 мм , смонтированной на выходном отверстии вентилятора. В нижней части трубы закреплялись металлические сетки с ячейкой * 1 мм, служащие для выравнивания воздушного потока.

Испытаниям подвергались нетканые текстильные материалы. Диаметр >бразца составлял 50 мм. Толщина его измерялась толщиномером типа

БВ-7214. Образцы взвешивались на лабораторных весах ВЛР-200.

Единичный эксперимент проводился следующим образом. Образец и< пытуемого материала помещался в трубу, после чего включался вентил; тор. Постепенно увеличивая расход воздуха, визуально определялся м< мент зависания образца в потоке. При этом термоанемометром ТА-9 фиш ровались скорость и температура воздушного потока в трубе.

Результаты измерений для некоторых нетканых материалов приведи в табл. 1.

Зависимость пористости £, от числа Ие.

Таблица 1.

Наименование нетканого материала. V, м/с. 16 Ие 4

ПЭ 0. 257 2.933 0. 930

ПП 0.271 2.956 0.926

ПВХ 0. 303 3.004 0.916

Дорнит - 2Д 0.316 3.023 0.891

Разработанный геотекстильный материал 0.338 3.082 0.814

Из опытных данных следует, что зная число Ие с учетом принят! геометрических размеров трубы и образца, довольно легко по тарирово1 ному графику определить пористость любого материала. При этом не тр< буется знать плотность волокон и проводить взвешивание и измерен) толщины образцов.

Пористость разработанного иглопробивного нетканого геотекстил ного материала, равная 81.4 %, соответствует рекомендациям, приведе: ным в главе 2 (расчетная пористость должна быть не менее 65 67 %).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Разработан аналитический метод проектирования, позволяющий рассч; тать физико-механические свойства геотекстильного полотна, котор| обеспечат нормальную эксплуатацию материала при действующих на него |

стороны дорожной насыпи внешних нагрузок.

2. На основании методов оптимизации проведен сравнительный анализ раз-гшчных видов химических волокон, в результате которого установлено, •¡то в геотекстильных материалах, используемых в дорожном строительстве, следует применять политетрафгорэтиленовые, полиамидные или поли-акрилонитрильные волокна.

3. Расчетные характеристики геотекстильного материала имеют следующие численные значения:

- модулей упругости Еь = (0.44 - 0.45) МПа.; Еа = (0.16 - 0.17) МПа.;

- минимальная начальная пористость = ( 0.65 - 0.67 );

- параметры модели: п = ( 1.7-2.0); К = (0.5-0.6) МПа.;

- минимальное отношение плотностей ( рмо / рг) = ( 0.33 - 0.35 ).

I. На основе модели коаксиальных цилиндров, из которых внутренний вращается, а внешний неподвижен с учетом возмущений, вносимых зубьями . "арнитуры проведен расчет и получены численные значения скоростей ; деикения воздуха в зазоре между барабаном чесальной машины и ограждающей поверхностью для обеспечения оптимального движения волокон. 5. Проведен расчет конфигурации различных видов химических волокон в зазоре между главным барабаном и закладным ножом. Расчетные зависимости, позволяющие определить расположение единичного волокна в указанном ¡азоре получены с учетом действия на его аэродинамических и центробеж-шх сил, а также, силы натяжения.

3. Построена математическая модель аэродинамического холстоформирующэ-то устройства, учитывающая движение волокон в воздушном потоке, обра-юванном вращающимся барабаном чесальной машины и потоком, подаваемым ¡ентилятором в зазор между главным барабаном и закладным ножом. '. С помощью указанной модели методами оптимизации установлены геомет-)ические и аэродинамические параметры устройства, при помощи которого юуществляется съем прочеса воздушным потоком.

!. Для оптимального движения волокон разработана конструкция воздухо-»аспределителя, посредством которого осуществляется подача воздуха от ¡ентилятора в зазор между главным барабаном и закладным ножом, предс-■авляющего собой плоский диффузор с углом расширения 54°, длиной 1000 !м, высотой 25 мм, шириной на входе воздуха 200 мм, шириной на выходе • 1000 мм.

Изготовлен и установлен на чесальной машине ЧМ-450-7 опытный обра-¡ец предлагаемого устройства аэродинамического съема прочеса. Испыта-[ия указанного устройства в производственных условиях показали, что

съем прочеса с главного барабана чесальной машины необходимо проводит: при следующих оптимальных параметрах:

- ширина щели воздушного затвора - 0.025 м.

- количество нагнетаемого в зазор воздуха - 503 м3 /ч.;

- ширина щели в плоскости закладного ножа при выходе волокна -0.05 м.

- расстояние между отводящим патрубком и щелью

воздушного 3aTBopá - 0.12 м.

10.Изготовлена опытная партия иглопробивного нетканого геотекстильноп полотна, имеющего поверхностную плотность 400 - 50 г / м2. Материа выработан из полиамидных волокон линейной плотностью 270 мтекс и дли ной 28 * 35 мм. Проведенные испытания показали, что величина пористое ти изготовленного иглопробивного нетканого геотекстильного материал, превышает минимальное расчетное значение и равняется 81.4 %.

11.Величина модуля упругости изготовленного иглопробивного нетканог геотекстильного материала соответствует расчетной при одинаковых дав лениях с относительной погрешностью, не превышающей 9 %;

12.Исследовано напряженно-деформированное состояние нетканого иглопро бивного материала в условиях его эксплуатации и установлено, что наи более эффективно располагать геотекстильное полотно в дорожной насыпи

- для автодороги III категории - на расстоянии не менее 0.53 м. о поверхности покрытия, условия залегания - песок или мелкий пылева тый суглинок;

- для автодороги II категории - на расстоянии не менее 0.8 м. от по верхности покрытия, условия залегания - кондиционный песок.

33.Разработан аэродинамический метод оценки пористости ( плотности текстильных материалов. Изготовлена и прошла лабораторные испытани установка для определения пористости ( плотности ) текстильных матери алов.

14.Разработанный иглопробивной нетканый материал прошел апробацию в С " BEP0TEKC ". АО - ПОДМОСКОВЬЕ ". АО " ГАЗПРОМ ".

Основное содержание работы отражено в публикациях:

1. Трещалин М.Ю. Аналитические методы проектирования геотекстильны материалов и их реализация в промышленности.-Монография,МЭИ,1996.-128

2. Трещалин М.Ю. Анализ воздушного потока, образованного вращение рабочих органов чесальной машины. Известия ВУЗов. Технология текстиль ной промышленности, N 3, 1996 г., с. 82-86.

3. Щербаков В.П., Трещалин М.Ю. Анализ аэродинамических условий

обеспечивающих съем прочеса с поверхности главного барабана. Известия 5УЗов. Технология текстильной промышленности, N 4, 1996 г., с. 56-59.

4. Трещалин М.Ю. Технология съема прочеса аэродинамическим способом.-■ Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции "Совре-юнные технологии текстильной промышленности". М., МГТА, 1996, с. 41.

5. Трещалин М.Ю. Описание напряженно-деформированного состояния воло-;он, возникающего в результате замерзания воды в порах геотекстильного ¡атериала. - Теисы докладов Международной научно-технической конферен-;ии " Теория и практика разработки оптимальных технологических процес-ов и конструций в текстильном производстве ". Иваново, ИГТА, 1996, с. 47 - 248.

6. Трещалин М.Ю. Анализ напряженно-деформированного состояния гео-екстильшго материала, обусловленного внешними нагрузками.- Тезисы окладов Международной научно-технической конференции "Проблемы разви-ия малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в екстильной и легкой промышленности". Иваново, ИГТА, 1995, с. 84-85.

7. Трещалин М.Ю.,Соколов Н.В., Павелков М.Ю. Экспериментальное опре-еление теплофизических характеристик нетканых текстильных полотен.-Межвузовский сборник научных трудов "Разработка новых технологических роцессов, оборудования и материалов для текстильной и легкой промыш-енности". М. ,МТИ, 1989, с. 31.

8. Трещалин М. Ю. Аэродинамический способ определения пористости мате-иалов. - Сборник научных трудов."Внедрение результатов научных иссле-эваний при создании техники по программе "Отраслевая комплексная сис-ема машин" для отрасли бытового обслуживания". М., Московский техно-огический инст-т, 1991, с. 62-65.

Э. Трещалин М.Ю. Анализ напряженно-деформированного состояния волокон ри замерзании воды в порах геотекстильного материала.- Тезисы докла-эв Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологи текстильной промышленности". М., МГТА, 1995, с. 72-73. 3. Трещалин М.Ю. Определение температурных полей в геотекстильном ма-эриале. - Сборник научных трудов "Вопросы инженерного проектирования технологий сервиса с применением ЭВМ". М., ГАСБУ, 1995, с. 70-73. 1. Трещалин М.Ю. Деформация единичного волокна вследствие замерзания эды в порах геотекстильного материала при атмосферном давлении. -зорник научных трудов "Вопросы инженерного проектирования техники и гхнологий сервиса с применением ЭВМ". М., ГАСБУ, 1995, с. 83-85. I. Трещалин М.Ю. Силовые взаимодействия на единичное волокно, распо-

ложенное в зазоре между главным барабаном и закладным ножом. - Сбор! научных трудов "Вопросы инженерного проектирования техники и техно, гий сервиса с применением ЭВМ". М., ГАСБУ, 1995, с. 119-122.

13. Трещалин М. Ю. Определение напряжений, возникающих при замерза! воды в порах материала. - Сборник научных трудов "Вопросы инженерн» проектирования техники и технологий сервиса с применением ЭВМ". ] ГАСБУ, 1995, с. 159-160.

14. Трещалин М.Ю., Майоров М.А. Исследование возможности управле] процессом формирования волокнистого холста в производстве нетканых ] отекстильных материалов. - Тезисы докладов межвузовской научно-тех! ческой конференции "От фундаментальных исследований до практически внедрения в условиях рыночной экономики". М.,ГАСБУ, 1995, с. 87.

15. Трещалин М.Ю. Оценка теплоизоляционных свойств нетканых геоти тильных материалов, используемых в дорожном строительстве. - Тез] докладов межвузовской научно-технической конференции "От фундамента ных исследований до практического внедрения в условиях рыночной эко] мики". М., ГАСБУ, 1995, с. 88.

16. Трещалин М.Ю.. Щербатюк В.П. Определение поля уровня напряжени: дорожной насыпи. Тезисы докладов межвузовской научно-технической № ференции "От фундаментальных исследований до практического внедрени; условиях рыночной экономики". М., ГАСБУ, 1995, с. 89.

17. Трещалин М.Ю. Определение характеристик геотекстильного материа исходя из условий его эксплуатации.-Тезисы докладов межвузовской на но-технической конференции "От фундаментальных исследований до прак ческого внедрения в условиях рыночной экономики". М.,ГАСБУ, 1995, с.'

18. Трещалин М.Ю. Анализ результатов расчета поля скоростей в заз! между вращающимся барабаном и коаксиальной ограждающей поверхностью

- Тезисы докладов международной научно-технической конференции "На

- сервису". М., ГАСБУ, 1996, с. 28.

19. Трещалин М.Ю. Описание математической модели расчета воздушн течения, образованного вращением барабана чесальной машины. - Тез докладов международной научно-технической конференции "Наука - сер су". М., ГАСБУ, 1996, с. 29.

20. Трещалин М.Ю. Анализ релаксационных свойств геотекстильных мате алов.- Тезисы докладов Международной научно-технической конферен "Наука - сервису". М., ГАСБУ, 1996, с. 30.

ЛР N 020753 от 04.03.93 Подписано в печать 14.02.97 Сдано в производство 14.02.97 Формат бумаги 60x84/16 Бумага мнозк. Усл.печ. л. 2.0 Уч.-изд. л. 1,5 Заказ 78 Тираж 100

Электронный набор МГТА, 117918, Малая Калужская,1