автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.03, диссертация на тему:Тканные полуфабрикаты для получения композиционных термопластов и изделий на их основе

На правах рукописи

Чистова Ирина Николаевна

Тканые полуфабрикаты для получения компошциопиых термопластов и изделии на их осноис

Специальность - 05.19.03 Технология текстильных материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново - 1997

Работа выполнена в Ивановской государственной текстильной академии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Степанов Г.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Юхин С.С.

кандидат технических наук Гаврилов А.П.

Ведущее предприятие: АООТ «Куровской текстиль» Московская область.

Защита состоится 1998г в и. . часов на заседании

диссертационного совета К 063.33.01 в Ивановской государственной текстильной академии

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ивановской арственной текстильной академии, Автореферат разослан ......1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета Кулида Н.А.

АННОТАЦИЯ

Диссертационная работа посвящена вопросам проектирования и получения новых видов технических тканей для производства композиционных термопластов и изделий на их основе.

Разработан алгоритм проектирования ткани, приводятся формулы по ее расчету, получены математические модели строения ткани, произведена оптимизация заправки станка, изготовлена техническая ткань из нитей фенилона, стекла и мононитей капрона.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Производство специальных технических тканей расширяется с каждым годом. Такие ткани можно использовать для получения новых термопластичных композиционных материалов. Изготовление деталей из таких материалов делает их экономически выгодными, а использование термопластов в авиастроении, где необходимо сочетание высокой прочности и небольшого веса изделия, перспективными.

Полуфабрикатом для получения пластиков могут служить тканые армирующие материалы, дублированные пленочным связующим, и ткани, комбинированные из термостойких армирующих и плавких матричных волокон. Эти ткани могут быть изготовлены на обычном ткацком оборудовании и имеют существенные преимущества перед другими ткаными полуфабрикатами: при изготовлении композита отсутствует операция пропитки исходных материалов смолами и токсичными растворителями. Жизнеспособность такого композита определяется долговечностью "матричного" волокна. Она довольно значительна. Создание и проектирование композиционных материалов на основе новых технических тканей открывают большие возможности для авиастроения. В этом заключается актуальность проблемы.

Цель исследований Армированные пластики применяются при создании легконагруженных конструкционных элементов летательных аппаратов. По сравнению с аналогами из алюминиевых сплавов такие конструкционные элементы имеют меньшую массу и трудоемкость изготовления, а также надежны в эксплуатации.

Целью работы является создание и получение новых видов технических тканей для производства композиционных термопластов.

Методы исследований В работе использовались анализ и синтез, методы прикладной математики и механики, математическое моделирование, применялась высокоточная тензометрическая и

электронная аппаратура. Часть задач прикладного характера решалась на ЭВМ.

Научная новизна работы

- разработана методика и алгоритм проектирования новых технических тканей, получены расчетные формулы для нахождения количественного состава компонентов в ткани, определено оптимальное соотношение плавких и армирующих волокон в структуре ткани, что обеспечивает в дальнейшем хорошую смачиваемость армирующих нитей расплавом связующего и получение монолитного конструкционного элемента;

произведен анализ существующих соотношений и получены математические модели строения ткани полотняного переплетения, позволяющие оценить геометрические, структурные и силовые характеристики взаимодействия нитей в ткани; дана оценка силы нормального давления нити на нить; определен характер изменения высоты волны нити в ткани, проанализировано влияние натяжения уточины на фазу строения ткани;

- разработан и опробирован способ прокладывания на станке СТБ2-220 сдвоенных уточных полиамидных (капроновых) мононитей, что значительно повышает его производительность;

проведена оптимизация процессов ткачества, получены и проанализированы математические модели, отражающие влияние параметров заправки станка на обрывность основы и утка.

Практическая ценность.

Спроектирована и получена новая техническая ткань для производства композиционных термопластов и изделий на их основе. Ткань предназначена для изготовления композитов по сокращенной (беспропиточнон) технологии.

Реализация результатов работы.

Опытные образцы термопластов и деталей изготовлены на предприятии "Сотопласт", г. Обнинск.

Апробация ?•:.. . ?учио-исследовательской работы

были доложены:

- на Международной научно-технической конференции "Проблемы развития малоотходных экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности", Иваново, 1995г.

- на Международной научно-технической конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве", Иваново, 1996г.

Международной научно-технической конференции "Теория и гика разработки оптимальных технологических процессов и грукций в текстильном производстве", Иваново, 1997г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть

г.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, дов и рекомендаций. Она содержит 166 страниц текста, 14 таблиц, 25 нков, список литературы включает 95 наименований, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, мулированы цель и задачи исследования.

Первый раздел посвящен обзору источников иформации, анализу ических тканей специального назначения и отдельным вопросам гния и проектирования ткани.

Технические ткани имеют разнообразное применение, например, в ительстве зданий и дорог, при производстве композиционных опластов. Анализу производства различных технических тканей иального назначения посвящена первая часть обзора. Он показал, что е ткани выпускаются не только в России, но и в многих зарубежных яах. Но разработка тканей, где в качестве исходных материалов льзуются высокомодульные армирующие нити и плавкие мононити, ует новых подходов. Кроме того целесообразно создать тканые ктуры, где бы армирующий компонент находился в обеих системах й, то есть в основе и утке.

Во второй части рассматриваются отдельные вопросы строения и ктирования ткани.

Из анализа источников третьей части следует, что наиболее пективным направлением получения композиционных термопластов ется создание тканей и тканых полуфабрикатов, содержащих в своей ктуре плавкие и армирующие компоненты. Такие ткани или 'фабрикаты позволяют получать термопласты по сокращенной пропиточной)технологии.

Второй раздел посвящен вопросу проектирования ткани, диальные технические ткани должны отвечать определенным ованиям. В частности, для получения композиционных термопластов

анизотропной структуры ткань из волокон фенилона, капрона комплексной скрученой стеклонити должна иметь армирующ компонент как в утке, так и в основе. Плавкий компонент дол» находиться в обеих системах нитей или в одной из них. Для получен подвижного полуфабриката плотность нитей по основе или утку дол» быть минимальной. При этом необходимо сохранять целостность тка при ее раскрое и выкладке. Учитывая, что основную нагрузку в пласп воспринимают армирующие нити, при формировании ткани нити долж иметь наименьшее число перегибов. Это повышает сопротивляемо< пластика внешним нагрузкам.

При получении тканого полуфабриката возможны различи комбинации с изменением как толщины нитей, так и волокнистого сост; , а также сочетание нитей в технической ткани. В первом вариа] проектирование ведется по заданной поверхностной плотное Начальным этапом является обоснование варианта ткани. Вторым этапо выбор армирующего и плавкого компонентов. Третий э' проектирования заключается в обосновании долей в ткани составляюц ее компонентов. Доля армирующего компонента должна быть 60-7С доля плавкого - 30-40%. Четвертым этапом проектирования ткани являе определение количества нитей плавкой и армирующей систем в квадратном метре ткани. Для этого используются формулы (2)-| представленные далее.

Распределению нитей по основе и утку посвящен пятый э проектирования ткани. Шестой связан с определением технологичес] плотностей ткани по основе и утку. Здесь надо учитывать то, что одна систем нитей(основа или уток) содержит плавкий и армируюи компоненты. Завершающей стадией является технический (заправочн] расчет ткани, выполняемый по стандартной методике и извести формулам.

Второй вариант проектирования ведется по заданной прочно ткани на разрыв, и первые три позиции алгоритма иденти1 предыдущему варианту. Различие начинается с четвертой позиции, соответствует распределение армирующих и плавких нитей в систе: основы и утка. Данное распределение носит предварительный характе необходимо для проведения расчета плотности ткани по основе и утку.

В основу определения необходимых характеристик полож прочность на разрыв, полоски ткани шириной 50 мм. Зная разрыв] прочность полоски, а также разрывные прочности соответствую! нитей, число последних находим по формуле

Пк

Л.

РкЧ

(1)

где пк - число нитей;

Рх - прочность полоски ткани на разрыв;

Рк - прочность одиночной нити на разрыв;

г] - коэффициент неравномерности восприятия нитями нагрузки (0,7-0,95).

Формулу (1) используют в начальной стадии расчета ткани. Далее определяются технологические плотности соответствующих армирующих нитей, находится их масса, а затем, исходя из последней, подсчитывается доля плавкого компонента в ткани.

Завершающей стадией проектирования, как и в первом варианте, является технический (заправочный) расчет ткани.

Количество нитей в одном квадратном метре ткани находят по формулам

В =

С?; • 10

тхух+туГу + т1у

(2)

тхУх „

пг = —В

1<Л

(3)

' V,

(4)

п _ ЧЫл-.в 1

(5)

где пх,пу,пг - количество нитей систем X, У и 2; й] - поверхностная плотность ткани; тх,ту,тг- доли волокон систем X, УиZвoбъeмe ткани; Ух'Уу'Уг' объемные массы нитей;

Ьх,Ьу,Ь1- длины нитей систем Л", У и Z заработанных в ткань; Тх,Ту,Тг- линейные плотности нитей систем X, У и X. Показатели расчета ткани приводятся в таблице 1.

8

Показатели расчета ткани

Таблица 1

Наименова- т, п, ш, У , а, N6 в6, втк, с, РФ, Рк Рс,

ние текс нитей доли мг % см см кг г н н н

в 1 м2 вол-н мм3 м2 дм дм дм

ткани вУ

ткан.

фенилон 29 600 0,14 1,0 3 60 102,4 100 1,829 129,2 60 1/4

капрон 7 5280 0,32 0,9 1 3,882 528

стеклонить 52 1320 0,54 1,0 1 7,209 132

пс - стеклонить; пк - нить капрона.

В третьем разделе представлены результаты теоретических исследований, посвященных вопросу взаимодействия нитей в ткани. Анализ существующих положений показал, что в основном при изучении строения ткани используется геометрическая теория профессора Н.Г. Новикова. Однако он делает известные допущения. Для построения простой геометрической модели положения нитей в ткани, эти допущения могут быть приняты. Однако в случаях, когда надо сделать точный расчет ткани, а также при нахождении ее геометрических, структурных и прочностных характеристик, подобные допущения могут привести к значительным ошибкам, что недопустимо. Поэтому возникла необходимость в получении новых расчетных соотношений. Взаимодействие сил в элементе ткани описывается следующим дифференциальным уравнением

где А(х) = -Н(Х -Х,)~ Н(Х - Х2) + Н(Х -Х3) + Н(Х -Х4);

У - прогиб нити; А0- жесткость нити на изгиб; N д - натяжение основной нити; q0 - распределенная нагрузка; X - текущая координата;

X¡,Х2,Х3,Х4- координаты действия распределенных нагрузок; Н(Х-Х^- функция Хевисайда.

В результате преобразований, а также допущений, что решение задачи сводится к малому прогибу нити, получена следующая математическая модель строения ткани:

ЛХ

О

—^+Чо11 + А(х)] = 0

(6)

3 л2Аа п1 (—я2-+ N о) К

Л

(7)

К + 11 у = ¿оЛое +(1уП

уЧув

. . , . пЛ.

где )10,11у- высоты волн основной и уточной нитей; 10,1у - геометрические плотности; А0,Ау- жесткость нитей основы и утка на изгиб; АГ0,УУ}, - натяжение нитей;

Г}м, т)ув - коэффициенты вертикального смятия нитей; Чо>Чу- распределенные нагрузки, действующие на нити основы и утка.

Учитывая, что при малом прогибе нити вЬкряср, систему (7) запишем так;

А = Чо1уаУ

а I (I

„ у °

2 Л АУ

ч

(8)

К + 1*у = ¿оЛс + <1уЛу, Чо<*у ~ ЧуЛо = 0

Системы (7) и (8) позволяют найти высоту волны нити в элемент ткани с учетом ее натяжения, изгибной жесткости и геометрическо плотности, а также смятия нити в вертикальном направлении. Из системы (7) следует:

/ к2А я2 А N,=J-(—ГL+N.)k--(9)

где к - коэффициент фазы строения ткани.

Равенство (9) позволяет при известном натяжении основной нити и заданном к определить необходимое натяжение уточной нити, чтобы получить на станке ткань нужной фазы строения.

Предложены методы оценки жесткостных характеристик нити на изгиб. Жести>££Ь нити можно найти, если представить ее в виде консольнойV защемленной на левом конце и несущей равномерно распределенную нагрузку. Под действием собственного веса нить изогнется, а ее перемещение можно зафиксировать. Зная массу отрезка нити, его длину, изгибную жесткость нити найдем по формуле:

где q - распределенная масса нити;

I - длина нити;

5- величина перемещения конца нити.

Чтобы оценить взаимодействие нитей в ткани, воспользуемся соотношением:

^.»-Ч+ЗУ, (11)

и, ¡и«'А* 1,^.1

которое позволяет проанализировать влияние на фазу строения ткани величин: ЫмМу,1т1у,Л0 и Ау

В элементе ткани нити основы и утка в местах их соприкосновения давят друг на друга. Если положить в основу первое равенство системы (8) и записать его так

ч = = +пв1\), (12)

у

то можно оценить влияние на величину распределенной нагрузки ц значений 1УъАо, Л^ и И0.

Четвертый раздел посвящен получению ткани. В качестве утка использовались комплексные скрученные стеклянные нити и полиамидные мононити, в основе - комплексные скрученные фенилоновые нити. Ткань получали на станках СТБ2-220, заправленных на два полотна.

Произведена оптимизация параметров заправки основы. К переменным параметрам отнесены:

X, - величина заступа, град;

Х2 - высота зева, мм;

Х3 - длина зева, мм.

Получено следующее уравнение регрессии:

Г = 0,1419 + 0,0039587X, - 0,0045837Х2 + 0,0083837Х3 ,(13)

^де У - обрывность основы на один метр ткани. Уравнение адекватно.

Из анализа модели следует, что наибольшее воздействие на эбрывность основы оказывает Х3 - длина зева. Чтобы снизить обрывность, величину зева надо уменьшать. Остальные два фактора оказывают меньшее влияние на обрывность основы, но .чтобы ее снизить, фактор X, должен принимать минимальное значение, а Х2 - максимальное.

Приняты следующие показатели параметров заправки станка: величина заступа - 15 град; высота зева - 60 мм; длина зева - 430 мм. Проведена оптимизация параметров заправки утка. В качестве изменяемых факторов в эксперименте типа 2" были лриняты:

X, - расстояние от нитепроводника до паковки, мм; Х2 - сила сжатия нити губками прокладчика,Н; Х3 - глубина прогиба пластины уточного тормоза. Получено уравнение регрессии:

V = 0,718 - 0,0288X2 + 0,045Х}, (14)

~де У- потери прокладчиком капроновой мононити на 1 м ткани. Уравнение (14) адекватно.

Из анализа (14) следует, что наибольшее воздействие на потери нити трокладчиком оказывает Х} - глубина прогиба пластины уточного тормоза. Чтобы снизить потери нити прокладчиком, глубину прогиба надо брать минимальной. Что же касается Х2, то здесь для снижения потерь нити силу :жатия губок надо увеличивать. Значение Х1 существенного влияния на потерю уточины прокладчиком не оказывает.

Приняты следующие параметры заправки утка:

расстояние от нитепроводника до паковки - 200 мм; сила сжатия нити губками прокладчика - ЗОН; глубина прогиба уточного тормоза - 1 мм. Оптимизация параметров заправки станка позволила снизить эбрывность и увеличить его производительность.

Особенностью получения спроектированной ткани является то, что при ее выработке одновременно вводятся в зев две уточины плавкого компонента. Нити утка, сматываясь с паковок, проходят отдельно через направляющие нитепрводники, а затем соединяются в глазке одного из экранов. При этом наблюдались случаи потери прокладчиком одной из уточин, но станок не останавливался, так как левая и правая уточные вилочки отклонялись той нитью, которая полностью прокладывалась в зеве. Для увеличения надежности контроля за процессом прокладывания утка сделано следующее: нитепроводники, установленные на дуге экранов, были переделаны на электроконтактные вилочки по типу станка АТПР.

Для анализа работы вилочки необходимо получить уравнение, которое бы позволяло подсчитать время ее срабатывания. Получено следующее соотношение:

где () - сила тяжести левой части вилочки;

Р - сила тяжести правой части вилочки;

I - момент инерции вилочки относительно оси вращения;

<р - угол поворота вилочки.

Из анализа работы вилочки следует, что она обеспечит подачу сигнала об обрыве нити за меньший интервал времени, чем время движения прокладчика. Это в свою очередь гарантирует своевременное выключение станка и предупреждает появление брака ткани.

В пятом разделе представлен расчет экономического эффекта.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы в производство составит 377512780 рублей

1. Из анализа источников информации следует, что наиболее перспективным направлением получения композиционных термопластов является создание тканей и тканых полуфабрикатов, содержащих в своей структуре плавкий и армирующий компоненты. Такие ткани и полуфабрикаты позволяют получать термопласты по сокращенной (беспропиточной) технологии, что намного повышает производительность труда и улучшает его условия.

2. Разработка тканей, где в качестве исходных материалов используются высокомодульные и плавкие мононити, требует новых

(15)

ОБОБЩЕННЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

разработок в области проектирования ткани. Кроме того целесообразно создать тканые структуры, где бы армирующий компонент находился в обеих системах нитей, то есть в основе и утке. В этом случае термопласт будет выдерживать значительные нагрузки не в одном, а в двух направлениях, что расширит его использование в авиастроении.

3. Разработан алгоритм проектирования ткани для двух вариантов: в первом варианте проектирование ведется по заданной поверхностной плотности, во втором - по заданной прочности ткани; получены формулы по определению количественного состава нитей армирующего и плавкого компонентов в одном квадратном метре ткани.

4. Спроектирована и получена техническая ткань для производстза композиционных термопластов и изделий на их основе; в утке используются комплексные стеклонити и полиамидные мононити, в основе - нити фенилона; ткань предназначена для получения композитов по сокращенной (беспропиточной) технологии.

5. Сделан анализ существующих расчетных соотношений по определению высоты волны нити в тканях полотняного переплетения и доказано, что их применение не всегда приводит к достоверным результатам.

6. Получены математические системы, позволяющие оценить геометрические, структурные и силовые характеристики взаимодействия основных и уточных нитей в тканях полотняного переплетения; найдена взаимосвязь между натяжением нитей и коэффициентом фазы строения ткани.

7. Предложены методы оценки жесткостных характеристик нити на изгиб, проанализировано взаимодействие основных и уточных нитей в ткани.

8. Произведена оптимизация параметров заправки основы и утка на станке СТБ-2-220, что позволило снизить обрывность и увеличить его производительность.

9. Расчет критерия Фишера показал, что полученные линейные уравнения регрессии адекватны и на основании их следует: для снижения обрывности основы нужно уменьшать длину зева и величину заступа, а высота зева должна быть максимальной; для снижения обрывности утка глубину прогиба пластины уточного тормоза надо брать минимальной, силу сжатия губок прокладчика нужно увеличивать или использовать прокладчики с фигурными губками. Приняты следующие параметры заправки станка

для основы:

величина заступа - 15

высота зева - 60 мм;

длина зева - 430 мм;

для утка:

расстояние от нитепроводника до паковки - 200 мм ;

сила сжатия нити губками прокладчика - 30 Н;

глубина прогиба пластины уточного тормоза - 1 мм.

10.Разработан и осуществлен способ питания станка СТБ-2-220 сдвоенными уточинами; проанализирована работа дополнительных уточных вилочек и доказано, что они обеспечивают подачу сигнала об обрыве нити за меньший интервал времени, чем время движения прокладчика. Это гарантирует своевременное выключение станка и предупреждает появление брака ткани.

11. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы в производство составит: 377512780 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

!. Чистова И.Н., Степанов Г.В. Стеклокапроновая ткань и особенности ее получения // Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности: Тез. докл. Международной научн.-техн. конф.-Иваново: ИГТА, 1995 г.- С.82-83.(70%)

2. Чистова И.Н., Степанов С.Г. Взаимодействие нитей в элементе тканей // Теория и практика разработки оптимальных процессов и конструкций в текстильном производстве: Тез. докл. Международной научн.-техн. конф. - Иваново: ИГТА, ¡996 г.- С.122-123.(равное участие авторов)

3. Чистова И.Н. К вопросу о фазе строения ткани // Теория и практика разработки оптимальных процессов и конструкций в текстильном производстве: Тез. докл. Международной научн.-техн. конф. - Иваново: ИГТА, 1996 г.- С. 135.

4. Чистова И.Н., Степанов Г.В. Техническая ткань для производства композиционных термопластов // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - Иваново 1996 - №3 - С. 108-109.(70%)

5. Чистова И.Н., Степанов Г. В. Оптимизация прокладывания сдвоенных уточин при получении трехкомпонентной технической ткани // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - Иваново 1996 -№5 - С.39-40.(70%)

6. Чистова И.Н., Степанов С.Г. Взаимодействие нитей основы и утка в тканях полотняного переплетения // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - Иваново 1997 - №1 - С.44-48.(равное участие авторов)