КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ДИЗАЙНУ

ЛИСАКІВСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 677.024: 677.5

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ВИГОТОВЛЕННЯ

БАЗАЛЬТОВИХ ТКАНИН

05.19.03 – технологія текстильних матеріалів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті технологій та дизайну

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор,

Васильченко Василь Миколайович,

Київський національний університет технологій та дизайну,

професор кафедри інженерної механіки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

академік Української Технологічної Академії

Чугін Валерій Віталійович,

Херсонський державний технологічний університет,

кафедра механічної технології волокнистих матеріалів,

професор;

кандидат технічних наук, доцент

Защепкіна Наталія Миколаївна,

Київський національний університет технологій та дизайну,

Кафедра матеріалознавства та технології переробки

текстильних волокон

Провідна установа – Київський державний науково-дослідний інститут

текстильно-галантерейної промисловості

Міністерства промислової політики України

Захист відбудеться “ 9 ” червня 2004 р. о 10-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.102.02 в Київському національному університеті технологій та дизайну за адресою:

01601, МСП, Київ-11, вул. Немировича-Данченка, 2

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету технологій та дизайну за адресою:

01601, МСП, Київ-11, вул. Немировича-Данченка, 2, корпус 1

Автореферат розісланий “ 5 ” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Тарасенко А.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток космонавтики, суднобудування, транспортного машинобудування, радіоелектроніки, хімічної, будівельної й інших галузей промисловості викликав необхідність створення нових матеріалів, що мають комплекс зовсім нових оригінальних характеристик. Одними з таких матеріалів є базальтові волокна, нитки і тканини з них, які мають високу механічну міцність і термостійкість, низьку теплопровідність і гігроскопічність, підвищену стійкість до впливу агресивних середовищ, різких змін температур (від –269 до +700?900оС). Унікальні властивості базальтових тканин дозволили широко їх застосовувати в багатьох галузях промисловості як армуючі, діелектричні, ізоляційні, фільтрувальні та інші матеріали.

Світова тенденція на заборону використання азбесту і виробів з нього, як канцерогенної речовини, що викликає онкологічні захворювання, дозволяє говорити про базальт, як про можливий його замінник (використання азбесту на світовому ринку заборонено постановою ЄЕС 83/478 з другої половини 1988 року). До того ж практично необмежений запас сировини (базальтового каменю) дозволяє знайти ефективну заміну традиційним дорогим натуральним і синтетичним волокнам у загальному обсязі виробів технічного призначення.

Виробництво базальтових тканин відноситься до категорії технологічних процесів високої складності. Світовий досвід їх вироблення поки що незначний, тому і мало вивчений. На практиці, при переробці базальтових ниток, необхідно враховувати жорсткість нитки на розтягування (розривне подовження складає всього 2-3%), її слабку стійкість до стирання і вигину, малу еластичність і при цьому високу міцність на розрив (до 40 сН/текс). У випадку обриву нитки, зв'язати її вузлом не можна, обірвані кінці доводиться склеювати спеціальним клеєм.

З огляду на специфічні властивості базальтових ниток і в зв'язку зі зростанням виробництва базальтових тканин, особливий інтерес і актуальність представляє удосконалення технології їх виробництва. Вирішення питання про масове промислове виробництво базальтових тканин вимагає глибокого вивчення умов їхнього формування і виявлення специфічних вимог до ткацького верстату. Крім того, великий науковий і практичний інтерес представляє дослідження впливу фізико-механічних властивостей базальтових ниток на умови формування тканин.

Враховуючи вищевикладене – тема дисертації є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація відповідає напрямку наукових досліджень Київського національного університету технологій та дизайну (КНУТД). Дослідження проводилися в рамках госпрозрахункових робіт, що виконувалися в Українському науково-дослідному інституті по переробці штучних і синтетичних волокон у 1989?1993 р.р., а також науково-дослідної роботи, що проводилася в КНУТД у 2000?2002 р.р., “Розробка основ теорії акустичних, теплофізичних, реологічних властивостей волокон, плівок, ниток, тканин і різних видів комплексної пряжі”, рег. №0100U003055. Вказані роботи входять у координаційний план КНУТД “Теоретичні і практичні основи створення ресурсозберігаючих екологічно чистих технологій виготовлення товарів широкого вжитку на основі використання сировинних ресурсів України”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є теоретичне й експериментальне дослідження процесу формування тканини з комплексних кручених базальтових ниток, а також виявлення специфічних вимог до ткацького верстату з урахуванням фізико-механічних властивостей ниток, що переробляються. Результати цих досліджень дозволяють розробити теоретично обґрунтовані раціональні технологічні параметри ткацтва, що забезпечують удосконалення процесу формування технічної тканини з базальтових ниток і сприяють розширенню асортиментних можливостей використовуваного устаткування.

Для реалізації поставленої мети в роботі були вирішені наступні задачі:

- аналітично досліджена напруженість процесу формування тканини полотняного переплетення з комплексних базальтових ниток в залежності від щільності по утоку, з урахуванням основних параметрів будови тканини і фізико-механічних властивостей ниток, що переробляються;

- теоретично досліджено вплив на умови прибивання трьох факторів: тертя, зминальності і жорсткості базальтових ниток на вигин;

- проведені експериментальні дослідження для підтвердження теоретичних висновків, для чого створена спеціальна тензометрична установка, на якій в динамічних умовах роботи човникового ткацького верстату типу АТ вимірювались сила прибивання та натяг групи основних ниток і тканини;

- досліджено вплив основних параметрів заправлення і швидкості ткацького верстату АТ2-120 ШЛ5 на умови прибивання при виробленні тканини полотняного переплетення з жорстких на розтягування і вигин комплексних базальтових ниток;

- досліджені умови формування базальтової тканини в залежності від неврівноваженості по товщині ниток, виду волокна утоку, щільності по утоку і виду переплетення;

- вирішена задача вибору раціональних параметрів заправлення ткацького верстату при виробленні тканини з базальтових комплексних ниток і удосконалення технології виготовлення базальтових тканин.

Об'єкт дослідження – процес формування тканини.

Предмет дослідження – тканина технічна базальтова.

Методи дослідження. Задачі, поставлені в даній роботі, вирішувались з використанням сучасних теоретичних та експериментальних методів досліджень. При теоретичному дослідженні процесу формування базальтової тканини були використані основні положення теоретичної механіки, деякі питання механіки нитки і теорії фронтального прибивання утокової нитки.

Експериментальні дослідження проводилися за допомогою тензометричного методу з застосуванням математичних методів планування експерименту. Обробка результатів експериментальних досліджень і перевірка адекватності отриманих математичних моделей здійснювалася за допомогою математичних методів статистичної обробки результатів досліджень. Фізико-механічні випробування зразків тканин і ниток проводилися відповідно до чинних Держстандартів.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

- виконано комплексне теоретичне й експериментальне дослідження напруженості процесу формування тканини з жорстких на розтягування і вигин базальтових комплексних ниток;

- виведено рівняння, що описує рівновагу основних ниток у зоні формування тканини в момент фронтального прибивання утоку з урахуванням трьох факторів, що характеризують основні фізико-механічні властивості базальтових ниток: тертя, зминальності і жорсткості ниток на вигин;

- виконано урахування спільного і роздільного впливу тертя, зминальності і жорсткості ниток на вигин на умови прибивання утоку при теоретичному дослідженні формування базальтової тканини полотняного переплетення;

- виявлено вплив заправного натягу, величини заступу і положення скала над середнім рівнем, а також частоти обертання головного валу верстату на напруженість процесу формування базальтової тканини;

- визначено вплив неврівноваженості по товщині ниток, виду волокна утоку, щільності по утоку і виду переплетення на умови формування базальтової тканини;

- отримано математичні залежності експериментальних досліджень впливу основних параметрів заправлення ткацького верстату і будови тканини на напруженість процесу формування базальтових тканин різних переплетень .

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що:

- розроблено практичні рекомендації по удосконаленню технології виготовлення базальтових тканин;

- визначено раціональні параметри заправлення ткацького верстату при виготовленні тканини з комплексних базальтових ниток;

- встановлено залежності умов формування базальтових тканин від їхньої будови і виду волокна перероблюваних ниток;

- визначена жорсткість комплексних базальтових ниток на вигин і коефіцієнт А = 0,96, що характеризує вплив виду волокна, і який використовується для розрахунку діаметру нитки і заповнення тканини;

- розроблено методи інженерних розрахунків технологічних зусиль і параметрів, що визначають напруженість процесу формування базальтових тканин на ткацькому верстаті, які можна використовувати як для проектування тканин, так і для виконання розрахунків основних механізмів ткацького верстату, їхньої модернізації, а також для вибору типу ткацького устаткування з урахуванням виду сировини, що переробляється, і структури вироблюваної тканини;

- запропонований теоретичний метод визначення сили прибивання при формуванні тканини з базальтових ниток дозволяє ще на стадії проектування тканини прогнозувати напруженість її вироблення на ткацькому верстаті в залежності від основних параметрів будови тканини;

- отримано математичні залежності запрацьовування ниток від параметрів заправлення верстату і будови тканини, які використовуються при проектуванні базальтових тканин і розрахунку кількості сировини;

- на основі результатів проведених досліджень розроблено параметри ткацтва для технологічного режиму вироблення базальтових тканин на верстатах типу СТБ, що дало можливість здійснити переведення випуску цих тканин з човникових верстатів типу АТ на більш продуктивні верстати типу СТБ, і завдяки цьому розширити асортиментні можливості устаткування і збільшити випуск якісних базальтових тканин різних структур;

- економічний ефект від використання результатів роботи, обумовлений удосконаленням технології виготовлення базальтових тканин і збільшенням обсягів їхнього випуску в ТОВ ІКФ “БЕІМ” АТЗТ “Білицький завод “Теплозвукоізоляція” с.м.т. Коцюбинське Київської обл. склав 67240,0 гривень при обсязі виробництва 150000 м? тканин у 2002?2003 роки.

Особистий внесок здобувача полягає в рішенні основних теоретичних і експериментальних задач дисертації. При особистій участі автора розроблено основні ідеї теоретичного дослідження процесу формування тканини з урахуванням тертя, зминальності і жорсткості ниток на вигин, а також виконані теоретичні й експериментальні дослідження. Автором створена тензометрична установка, на якій у динамічних умовах роботи ткацького верстату вироблено дослідні зразки базальтових тканин і досліджено їхні фізико-механічні властивості. Здобувачеві належать основні ідеї, узагальнення і висновки за результатами досліджень.

В роботах, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в постановці і рішенні теоретичних і експериментальних задач [1, 2], в плануванні і виконанні досліджень, математичній обробці і науковому поясненні отриманих результатів, формулюванні висновків і написанні статей [3?5, 7ч10], ?озробці структур тканин і раціональних технологічних параметрів ткацтва [11?20], а також рекомендаціях по удосконаленню технології виготовлення базальтових тканин [6].

Апробація дисертації. Основні положення і результати роботи доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на:

- науковій конференції КНУТД (м. Київ, 2003 р.);

- засіданнях кафедри інженерної механіки КНУТД (м. Київ, 2001?2003 р.р.).

Дисертація доповідалась повністю і одержала позитивну оцінку на:

- науковому семінарі кафедри механічної технології волокнистих матеріалів Херсонського державного технічного університету (м. Херсон, 2003 р.);

- міжкафедральному науковому семінарі КНУТД (м. Київ, 2003 р.);

- розширеному науковому семінарі Українського науково-дослідного інституту переробки штучних і синтетичних волокон (м. Київ, 2004 р.);

- розширеному науковому семінарі Київського державного науково-дослідного інституту текстильно-галантерейної промисловості (м. Київ, 2004 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 20 робіт, серед яких 10 наукових статей у спеціалізованих журналах, 1 тези доповіді на науковій конференції, 5 звітів про науково-дослідну роботу і 4 патенти на винаходи і промислові зразки.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, рекомендацій, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 234 сторінки, із них 14 сторінок ілюстрацій, 13 сторінок – таблиці, 28 сторінок - додатки, 14 сторінок – список використаних джерел із 148 назв.

Обсяг основної частини дисертації становить 159 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі дослідження, показані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі виконано огляд і короткий аналіз робіт, присвячених питанням технології ткацтва, вивчення яких допомагає більш глибоко розібратися в процесі формування тканини на ткацькому верстаті з жорстких на розтягування і вигин комплексних базальтових ниток. Представлено аналіз робіт з дослідження будови тканини М.Г. Новікова, Ф.М. Розанова, К.Г. Алексєєва, О.С. Кутєпова, В.П. Скляннікова та інших авторів, необхідність якого викликана тим, що параметри будови вироблюваної тканини в першу чергу визначають напруженість процесу формування тканини на верстаті. Істотне значення при цьому робить заповнення тканини і фізико-механічні властивості ниток, що переробляються. Дослідження цієї групи дають можливість теоретично обґрунтувати значення сили прибивання, необхідної для формування тканини заданої будови.

Процес формування тканини на ткацькому верстаті відбувається в зоні, що є частиною пружної системи заправлення верстату і називається зоною формування тканини. Представлено огляд робіт В.А. Гордєєва, його учнів і послідовників по дослідженню пружної системи заправлення ткацького верстату. Основні висновки і результати досліджень у цьому напрямку були використані для визначення раціональних параметрів заправлення ткацького верстату при виробленні базальтових тканин.

Питанням теоретичного й експериментального дослідження прибивання утокової нитки присвячені роботи В.М. Васильченко, С.О. Динніка, В.М. Лєготіна, Р.З. Бурнашева, К.Г. Нюбікової, Л.П. Міхліної і інших авторів. Роботи в цьому напрямі ставлять завдання визначення сили прибивання в залежності від будови вироблюваної тканини і параметрів заправлення верстату. Дослідження прибивання утокової нитки являє собою завдання надзвичайної складності через велику кількість факторів, що обумовлюють досліджуване явище. В умовах багатофакторної залежності позитивні результати досліджень досягалися при успішному поєднанні математичних методів планування експерименту і традиційних експериментальних методів досліджень. Установлено, що такі дослідження з базальтовими нитками не проводилися і виконуються вперше.

Процес формування тканини багато в чому залежить від вибору заправних параметрів вироблення тканини на ткацькому верстаті, що визначають силову взаємодію ниток у процесі прибивання, якість тканини і продуктивність верстату. Завдання вибору раціональних параметрів заправлення ткацького верстату зрештою зводиться до забезпечення оптимальних умов формування тканини заданої будови і має велике значення для технології виробництва. Нормалізації процесу формування тканини присвячені роботи П.В. Власова, Г.М. Расовського, Н.В. Лустгартен, В.О. Сініцина, Т.В. Сірбиладзе, С.О. Кошеля й інших авторів. При цьому за критерій оптимізації приймалися різні показники, серед яких найбільш розповсюдженими є: прибивна смужка, натяг і обривність ниток.

Основою теоретичного дослідження технології ткацтва є механіка нитки. У зоні формування тканини основні й утокові нитки згинаються, мнуться і труться між собою, при цьому неабияке значення для процесу формування тканини мають фізико-механічні властивості ниток, що переробляються. Дослідженням у цій галузі з урахуванням реальних властивостей ниток присвячені роботи Е.Д. Єфремова, І.І. Мігушова, В.М. Васильченко, В.М. Кагана, М.О. Зака, В.Ю. Щербаня, К.С. Суркова, Г.П. Зубащенко та інших. Аналіз досліджень процесу формування тканини методами механіки нитки свідчить про складність цього явища.

Здійснений огляд і аналіз досліджень з технології ткацтва дозволяє зробити висновок, що робота з теоретичного й експериментального дослідження технологічної переробки ниток ще далека до свого завершення. Фізико-механічні властивості базальтових ниток ще мало вивчені, а дослідження процесу формування тканин з комплексних базальтових ниток з урахуванням їхніх фрикційних властивостей, зминальності і жорсткості на вигин не проводились.

Виробництво технічних тканин з комплексних базальтових ниток є складним технологічним процесом. Ця складність визначається специфічними фізико-механічними властивостями ниток, що переробляються.

Другий розділ присвячено теоретичному дослідженню умов формування базальтової одношарової тканини. Теоретичне дослідження процесу формування тканини має на меті, зокрема, визначення натягу основних ниток на ділянці “опушка-реміз”. Рішення цього питання зв'язано з використанням рівняння рівноваги опушки тканини і визначенням натягу основних ниток у зоні формування тканини при прибиванні, що являє собою дуже складне завдання через багатофакторність досліджуваного явища. Відомо, що на технологічні зусилля, що виникають у процесі фронтального прибивання утокової нитки бердом, впливають параметри будови тканини, фактори, зв'язані з технологією вироблення тканини на верстаті, фізико-механічні властивості ниток, що переробляються. При цьому необхідно враховувати складний рух нитки в зоні формування тканини.

Побудова фізичної моделі зони формування тканини з комплексних базальтових ниток була проведена з урахуванням реальних фізико-механічних властивостей ниток, що переробляються: їх зминальності, жорсткості на вигин, фрикційних властивостей. При виведенні рівняння рівноваги базальтових ниток у зоні формування одношарових тканин було враховано і ряд технологічних факторів: заправний натяг, величину заступу, щільність тканини по утоку, фізико-механічні параметри основних і утокових ниток.

З рівняння рівноваги опушки тканини силу прибивання утокової нитки з урахуванням рівнонатягнутого зіву можна записати:

Рпр = Qсум·cosбо – Qт , (1)

де Рпр – сила прибивання, сН/нитку;

Qсум – “сумарний” (враховує вплив трьох факторів) натяг нитки, сН/нитку;

бо – половина кута зіву при прибиванні;

Qт – натяг тканини при прибиванні, сН/нитку.

З робіт Єфремова Е.Д., Мігушова І.І., Васильченко В.М., Щербаня В.Ю. і інших авторів відомо, що на натяг основних ниток у зоні формування тканини впливають три основні фактори, що відображають специфічні властивості матеріалу, що переробляється: тертя, зминальність і жорсткість ниток на вигин.

Сумарний натяг основної нитки, з урахуванням розглянутих факторів, можна розглядати як суму трьох доданків:

Qсум = Qo(тр) + Qo(зм) + Qo(виг), (2)

де Qo(тр) – натяг основної нитки біля опушки тканини при прибиванні

внаслідок тертя між нитками;

Qo(зм) – -//- внаслідок зминальності обох систем ниток;

Qo(виг) – -//- внаслідок впливу жорсткості на вигин основних і утокових ниток.

Вплив перших двох факторів (тертя і зминальності нитки) на її натяг вивчено проф. Васильченко В.М. і представлено у вигляді рівняння рівноваги:

Qo(тр+зм) = Qn·(1+С1)·(1+С2)n-1[µ·rу·ц/(rу+rо)], (3)

де С1 = k·do/dy?(sinбo + sinб); (4)

С2 = 2k·do/dy?sinб ; (5)

ц = б1 + 2?б?(n –1). (6)

Qn – натяг основної нитки за межами зони формування тканини, сН/нитку;

k – коефіцієнт зминальності ниток;

n – розрахункове число утокових ниток зони формування тканини;

µ – коефіцієнт тертя між нитками;

do, dy, ry, ro – розрахункові діаметри і радіуси основної й утокової ниток, мм;

ц – ?озрахункова величина сумарного кута обхвату утокових ниток

основними у зоні формування тканини, рад;

б1, б – ?ут нахилу першої і n-ої основних ниток, рад;

2?б – ?ут обхвату утоку основною ниткою, рад.

Третю складову натягу основної нитки біля опушки тканини, що враховує її опір жорсткості на вигин, можна визначити, розглядаючи рух жорсткої нитки на вигин по нерухомому циліндру сумірному з діаметром нитки. Цей натяг викликаний силою тертя на дузі обхвату між контактуючими поверхнями основної й утокової ниток Qo(виг1) і додатково силою тертя в точках входу і сходу Qo(виг2)

Qo(виг) = Qo(виг1) + Qo(виг2). (7)

Натяг Qo(виг1), викликаний силою тертя на дузі обхвату, може бути враховано формулою Єфремова Е.Д. з урахуванням впливу товщини нитки:

Qo(виг1) = Qn·exp[µ·в·rу·ц/(rу+rо)·sinв], (8)

де в – ?ут нахилу утокової нитки в тканині.

Натяг Qo(виг2) викликаний місцевим тертям у точках входу і сходу нитки і залежить від кута жорсткості нитки на вигин, що визначається формулою:

cosго = 1- EI / 2·Qo(rу+rо)І, (9)

де EI - жорсткість нитки на вигин, сН·мм?; го – кут жорсткості нитки, рад.

Якщо комплексну кручену базальтову нитку розглядати як механічну систему, що складається з окремих філаментів (елементарних волокон), то величина коефіцієнту жорсткості нитки на вигин буде визначена за формулою

|

де - момент інерції перерізу окремого філаменту;

- діаметр перерізу окремого філаменту;

n - число філаментів, з яких складається комплексна нитка.

Цей натяг Qo(виг2) можна визначити так:

Qo(виг2) = Т0 + 2Т1 + 2Т2 + ? ? ? + 2ТК + 2ТК+1 + ? ? ? + 2Тn-1 + Тn (11)

де Т0 ?n - місцеві сили тертя в точках входу і сходу ниток.

У свою чергу: Т = µ?Р??/sinв = µ'? = µ'·sinго, (12)

де µ' = µ·?/sinв - ?риведений коефіцієнт тертя, з урахуванням прогину утоку;

Р – перерізуюча сила, що визначає в точках входу і сходу ниток величину

місцевої нормальної реакції N.

Тоді натяг Qo(виг2) можна записати як:

Qo(виг2) = (Qo + 2Q1 + 2Q2 + ? ? ? + 2Qк + 2Qк+1 + ? ? ? + 2Qn-1 + Qn)·µ'·sinг. (13)

Або Qo(виг2) = [Qo + 2(Q1 + Q2 + ? ? ? + Qк + Qк+1 + ? ? ? + Qn-1 + Qn) - Qn]·µ'·sinг. (14)

Якщо Qк = Qк+1 [1 + 2·k?(do/dy)·sinб]·exp[2·µ'·ry·б/(ry+ro)],

тоді Qк / Qк+1 = [1 + 2·k?(do/dy)·sinб]·exp[2·µ'·ry·б/(ry+ro)] = q, (15)

де q - знаменник геометричної прогресії.

Суму членів геометричної прогресії визначимо як:

?Q1чn = Qn (qn – 1)/(q – 1). (16)

Підставивши (16) у (14) і зробивши деякі перетворення, одержимо:

Qo(виг2) = [Qo + Qn ·qn – 1)/(q – 1) – 1}]·µ'·sinг. (17)

З урахуванням (17), (8) і (3) рівняння (2) після деяких перетворень одержимо у вигляді:

Qсум = Qn·[(1+С1)·(1+С2)n-1·(1+С3)+1]·exp[µ’·rу·ц/(rу+rо)] + Qn {(2·qn – 1)/(q – 1) – 1}·С3 (18)

де С3 = µ'·sinг . (19)

Задаючись мінімально-необхідним натягом тканини при прибиванні і розрахувавши за допомогою отриманої формули сумарний натяг основної нитки біля опушки тканини, можна визначити силу прибивання з рівняння (1).

За допомогою виведеної формули виконано розрахунок сили прибивання при формуванні базальтової тканини полотняного переплетення в залежності від щільності тканини по утоку з урахуванням всіх трьох розглянутих факторів. Встановлено ступінь впливу тертя, зминальності і жорсткості ниток на вигин на умови прибивання. Результати розрахунків приведені у вигляді кривих на рис.1, де крива 1 представляє залежність сили прибивання від щільності тканини по утоку з урахуванням тертя між нитками, крива 2 – з урахуванням тертя і жорсткості ниток на вигин, крива 3 – з урахуванням тертя і зминальності ниток, 4 – з урахуванням усіх трьох факторів: тертя, зминальності і жорсткості ниток на вигин, 5 – експериментальна крива.

Рис. 1. Графік залежності сили прибивання від щільності тканини по утоку.

Для підтвердження правильності теоретичних досліджень і для більш глибокого вивчення процесу формування тканини з жорстких на розтягування і вигин базальтових ниток були проведені експериментальні дослідження.

У третьому розділі викладена методика проведення експериментальних досліджень процесу формування базальтової тканини і конструкції приладів спеціально створеної електротензометричної установки, за допомогою якої в динамічних умовах роботи ткацького верстату здійснювався запис виникаючих у нитках і тканині технологічних зусиль. Через те, що виробництво базальтових тканин відноситься до категорії технологічних процесів високої складності і ще мало вивчено, вибір устаткування (ткацького верстату АТ2-120 ШЛ5) був визначений актуальністю завдання удосконалення технологічного процесу ткацтва базальтових тканин, а також обсягом проведеного експерименту. При виконанні експерименту для основи використовувалися комплексні базальтові нитки лінійної щільності 330 текс х 1, а для утоку використовувалися базальтові нитки різних лінійних щільностей і нитки з інших видів волокон.

Вимірювання параметрів процесу прибивання проводилося тензометричним методом із застосуванням 8-ми канального підсилювача 8АНЧ-7М і осцилографа Н-700. У приладах, що безпосередньо сприймають навантаження, застосовувалися дротяні датчики опору типу КФ4П1. При створенні електротензометричної установки були удосконалені конструкції приладів для вимірювання сили прибивання утоку і натягу тканини, які прості в експлуатації і не створюють труднощів при перезаправленні і налагодженні ткацького верстату. Щоб мати у своєму розпорядженні об'єктивні дані про характер і величину натягу основи за цикл роботи ткацького верстату, було визнано доцільним робити вимірювання натягу групи основних ниток, протягнутих у передні і задні ремізи (що належать різним гілкам зіву). Конструкції приладів для визначення натягу групи основних ниток помістили в розділові прутки, застосовувані на верстаті як цінові, що не створювало незручностей при роботі і виконанні експериментальних досліджень.

Одночасно з записом основних технологічних зусиль за допомогою спеціально створених пристроїв на осцилограмах фотоелектричним методом робилися відмітки часу через 0,1 секунди й положення головного валу верстату через кожні 15? його повороту. Використання створеної тензометричної установки для виміру параметрів, що швидко змінюються і які характеризують процес формування тканини, показало достатню її чутливість і високу надійність при експлуатації.

Удосконалення технології виготовлення тканин з комплексних кручених базальтових ниток неможливо без визначення раціональних параметрів заправлення технологічного устаткування, відхилення яких від оптимальних величин впливає на напруженість процесу формування тканини, що у свою чергу впливає на якість виробленої продукції.

У четвертому розділі викладено дослідження впливу основних параметрів заправлення (заправного натягу ниток основи, величини заступу, положення скала щодо середнього рівня) і швидкості ткацького верстату на технологічні зусилля при виробленні базальтової тканини полотняного переплетення. Експеримент було виконано при виробленні тканини, в основі й утоку якої застосовувалися комплексні нитки базальтові КНБ-9-330 (ТУ У 509-92) лінійної щільності 330 текс х 1. Ширина тканини по берду складала 100 см, кількість основних ниток у заправленні 900, номер берда NБ = 45 із пробиранням по дві нитки в зуб, щільність тканини по основі ПО = 90 ниток на 10 см і по утоку ПУ = 80 ниток на 10 см.

Для даного дослідження був розроблений план експерименту, у якому традиційні методи досліджень (при визначенні впливу заправного натягу і швидкості ткацького верстату на умови прибивання) поєднувались з математичним методом планування експерименту (при дослідженні спільного впливу величини заступу і положення скала на величину технологічних зусиль).

Одним з основних параметрів заправлення ткацького верстату є заправний натяг, тобто натяг основних ниток у статичному заступі. Встановлено, що мала величина заправного натягу приводить до зносу жорстких на розтягування і вигин основних ниток, підвищена ж величина цього натягу викликає ріст їхніх руйнувань від утоми. У зв'язку з цим необхідно знаходити раціональну величину заправного натягу, при якій буде найменша кількість обривностей основних ниток. При виробленні базальтових тканин варто підбирати такий заправний натяг, при якому натяг тканини під час прибивання був би мінімальним, але не доходив до нуля.

Результати дослідження впливу заправного натягу основи на технологічні зусилля, що виникають на верстаті при виробленні базальтової тканини, представлені графічно на рис. 2.

Рис.2. Вплив заправного натягу (маси вантажу основного гальма) на умови прибивання.

Можна відзначити, що збільшення маси вантажу основного гальма (m) від 3 до 8 кг визначило ріст заправного натягу (QЗ), при цьому збільшилась сила прибивання (РПР) і натяг основних ниток біля опушки тканини (QО). З ростом заправного натягу величина прибивної смужки в статичних (?ПС) і в динамічних (?ПД) умовах істотно зменшилась. Зміна роботи прибивання (АПР), що визначає руйнування нитки в процесі ткацтва, носить екстремальний характер. У 1-му варіанті досліджень, прийнятому нами за раціональний, ця робота досягає мінімуму. З аналізу отриманої залежності роботи сили прибивання від величини заправного натягу видно, що з відхиленням заправного натягу від раціонального умови роботи базальтових ниток на верстаті погіршуються. На основі аналізу результатів експерименту була встановлена раціональна величина заправного натягу для базальтової тканини полотняного переплетення при даних параметрах заправлення, що склала близько 80 сН/нитку.

У цьому розділі одержані емпіричні рівняння запрацьовування ниток основи й утоку в залежності від заправного натягу, а також представлені результати випробувань фізико-механічних властивостей тканини і ниток, вийнятих із неї.

Не менш важливими параметрами заправлення ткацького верстату є величина заступу (?З, град) і різнонатягнутість зіву, що обумовлена положенням скала над його середнім рівнем (h, мм). Спільний вплив даних параметрів заправлення на напруженість процесу формування базальтової тканини досліджувався за допомогою математичних методів планування експерименту. Був спланований і реалізований ортогональний план експерименту другого порядку, обробка результатів якого дозволила одержати наступне рівняння регресії:

РПР = 1157,8 + 4,73·цЗ + 2,26·h , (20)

де РПР – сумарна сила прибивання, Н.

Рівняння (20) свідчить про те, що зі збільшенням величини заступу і підйомом скала над його середнім рівнем, сила прибивання зростає. Аналізуючи результати проведених експериментальних досліджень і приймаючи до уваги аналіз випробувань фізико-механічних властивостей тканини і ниток, вийнятих з неї, зауважуємо, що найменша напруженість технологічного процесу формування базальтової тканини виникає при мінімальному заступі і рівнонатягнутому зіві.

Значний інтерес представляє дослідження впливу швидкості ткацького верстату (частоти обертання головного валу) на умови прибивання в процесі формування базальтової тканини для підвищення продуктивності устаткування. Зі збільшенням частоти обертання головного валу верстату скорочується тривалість прибивання, тобто зменшується час перебування ниток основи під дією максимальних технологічних зусиль. Тому зі збільшенням швидкості верстату натяг основних ниток біля опушки тканини досягає необхідної для здійснення операції прибивання величини при меншому переміщенні опушки тканини бердом. Цією обставиною пояснюється необхідність зменшення заправного натягу зі збільшенням швидкості верстату, при цьому величина прибивної смужки повинна залишатися постійною. Експериментом встановлено, що в цих умовах зі збільшенням швидкості ткацького верстату при одночасному зменшенні заправного натягу, спостерігається незначне зростання сили прибивання. Властивості виробленої тканини при цьому не погіршуються, а умови прибивання трохи поліпшуються в результаті деякого зменшення натягу основи й істотного зниження руйнувань від утоми основних ниток. Останнє приводить до зменшення обривності основних ниток. Отже, підвищення швидкості ткацького верстату не погіршує умови формування і якості виробленої базальтової тканини.

У п'ятому розділі приведено дослідження впливу будови тканини з комплексних базальтових ниток на процес її формування. До параметрів будови тканини, вплив яких на умови прибивання утоку досліджувався, відносяться:

1) неврівноваженість тканини по товщині ниток, що оцінюється коефіцієнтом неврівноваженості тканини по товщині ниток і визначається за формулою:

nТ = (ТУ – ТО) / ТС, (тут ТС = (ТУ + ТО) / 2) (21)

де ТО, ТУ - товщина відповідно ниток основи й утоку, текс;

2) види переплетень, з яких вибрано полотняне, що характеризується найбільшою напруженістю технологічного процесу і саржа 2/2, що найбільш часто використовується у виробництві базальтових фільтрувальних тканин;

3) види сировини ниток і їхня структура (пряжа і комплексні нитки);

4) відносна щільність (лінійне заповнення, %) по основі і утоку, визначені як:

ЗО = 0,0316·А·ПО·vТО, ЗУ = 0,0316·А·ПУ·vТУ, (22)

де А – дослідний коефіцієнт, що залежить від виду волокна, будови і

питомої ваги ниток, що переробляються;

ПО, ПУ – щільність тканини по основі й утоку, н/дм.

Для дійсного дослідження був розроблений і реалізований план експерименту. Встановлено вплив неврівноваженості тканини по товщині базальтових комплексних ниток на умови формування тканини полотняного і саржевого 2/2 переплетень. При постійній лінійній щільності основних ниток ТО = 330 текс х 1 товщина утокових ниток змінювалась в межах від 150 до 650 текс. В усіх варіантах цієї серії досліджень щільність тканини по основі зберігалась постійною ПО = 90 н/дм, (при цьому заповнення по основі ЗО = 49,6%), а щільність по утоку підбиралась в залежності від товщини утокової нитки так, щоб заповнення по утоку було незмінним і складало ЗУ = 38,6% для тканини полотняного переплетення і ЗУ = 66,1% для саржевого 2/2 переплетення.

Результати експерименту представлені графічно й емпіричними формулами. Отримано рівняння залежності сили прибивання і роботи прибивання від коефіцієнту неврівноваженості тканини по товщині ниток

для полотна: РД = 154,5 – 46,58·nТІ – 48,87·nТ; АПР = 61,1 – 18,6·nТІ – 23,9·nТ; (23)

для саржі 2/2: РД = 84,8 – 18,0·nТ– 32,47·nТ; АПР = 27,95 – 4,32·nТ– 13,78·nТ. (24)

Аналіз отриманих рівнянь показує, що найбільш напружені умови прибивання виникають при формуванні базальтової тканини полотняного переплетення близької до врівноваженої по товщині ниток. Це викликано одержанням V-го порядку фази будови тканини, при якому умови формування тканини є найбільш напруженими. Робота сили прибивання витрачається одночасно на вигин і зминання ниток, з яких формується тканина, а також на подолання сил тертя між ними. Відносно низька напруженість має місце при формуванні тканини, в якої товщина утокових ниток більше товщини основних ниток. Зі збільшенням коефіцієнту неврівноваженості тканини по товщині ниток, тобто збільшенням товщини утокової нитки, спостерігається істотне зниження сили прибивання і полегшення умов формування тканини.

Як і очікувалось, розглянутий фактор виявляє для саржі 2/2 менш істотний вплив ніж для полотна. У цьому параграфі розділу отримано рівняння запрацьовування ниток основи й утоку в залежності від коефіцієнту неврівноваженості тканини по товщині ниток, представлено результати випробувань фізико-механічних властивостей тканини і ниток, вийнятих з неї.

Науковий і практичний інтерес представляє дослідження впливу виду волокна на процес формування базальтової тканини. Досліджено вплив виду волокна утокових ниток на умови прибивання для тканин полотняного і саржевого 2/2 переплетень. При незмінній базальтовій основі як уток використовувалися базальтові, скляні, поліпропіленові, поліамідні комплексні нитки, а також бавовняна і поліефірна пряжі різної товщини. За допомогою мікроскопу МБС-9 були проведені спеціальні лабораторні дослідження для визначення фактичного видимого діаметру використаних ниток. Діаметри ниток визначалися при натязі, близькому до їхнього заправного натягу на ткацькому верстаті.

У залежності від виду переплетення експеримент виконувався з постійним заповненням по утоку підбором відповідної щільності тканини по утоку. При використанні як уток ниток із різного виду волокна, щільність по утоку в значній мірі залежить від правильно прийнятої величини константи А. За розрахункову формулу цієї константи був прийнятий вираз:

А = 1,13/v?·г , (25)

де е = д/г - ?тупінь заповнення волокном об'єму, зайнятого ниткою;

д - ?ередня щільність нитки, г/см?; г - ?ільність волокна, г/см?.

Для кожного виду волокна були визначені константи А, (для базальтового волокна А = 0,96). З урахуванням товщини ниток розраховані щільності по утоку.

Встановлено, що найбільш напружені умови прибивання характерні для тканини, в основі й утоку яких використовувались більш жорсткі на вигин базальтові нитки. Про напруженість процесу формування тканини з урахуванням виду волокна утоку можна судити по величині коефіцієнту сУ, значення якого прийнято за одиницю для сили прибивання при виробленні базальтової тканини. У всіх інших випадках величина коефіцієнту сУ виявилася меншою одиниці.

сУ = РД/РДр , (26)

де РД – сила прибивання, отримана дослідним шляхом при використанні в утоку

ниток з різних волокон;

РДр – розраховане значення сили прибивання з урахуванням фактичного

заповнення тканини.

Коефіцієнти dУ, бУ, вУ – відповідно оцінюють вплив виду волокна утокової нитки на величину роботи прибивання АПР, запрацьовування основних аО й утокових аУ ниток. Зокрема, для утоку з бавовняної пряжі dУ = 0,50, тобто робота прибивання в цьому випадку в два рази менша, ніж для утоку з комплексної базальтової нитки. Пояснюється це тим, що робота сили прибивання в основному витрачається на вигин утокової нитки і на подолання сил тертя між утоковою й основною нитками. Якщо врахувати, що жорсткість базальтової комплексної нитки, у порівнянні з іншими досліджуваними видами ниток значна, і сила тертя між контактуючими нитками велика, то стають з'ясовними максимальні технологічні зусилля, що виникають при прибиванні утоку з базальтових ниток. Для тканин саржевого 2/2 переплетення характер впливу виду волокна утоку на умови прибивання аналогічний тканинам полотняного переплетення, однак ступінь цього впливу істотно менший.

Експериментально досліджено вплив щільності тканини по утоку і виду переплетення на процес формування базальтової тканини. Товщина утокових ниток для всієї розглянутої серії експериментів була постійною і дорівнювала товщині основних ниток ТУ = ТО = 330 текс х1, а з видів переплетення були обрані ті, котрі найбільш часто використовуються у виробництві базальтових тканин і рапорт яких дорівнює 2 і 4. Результати цього дослідження представлені графічно й емпіричними формулами на рис. 3.

Аналіз цих залежностей дає можливість стверджувати що зі збільшенням щільності тканини по утоку збільшується сила прибивання, при цьому в залежності від виду переплетення спостерігається різна інтенсивність росту сили прибивання від щільності тканини по утоку.

Рис.3. Залежність сили прибивання від щільності тканини по утоку і виду переплетення.

Як видно з графіку, виробництво базальтової тканини полотняного переплетення відрізняється найбільш напруженими умовами прибивання. Для кожного виду переплетення були визначені максимальні щільності тканини по утоку, що вдалося досягти в умовах проведеного експерименту. Перевищення цих щільностей приводило до появи масової обривності основних ниток.

При порівнянні результатів експериментального дослідження впливу щільності тканини по утоку на величину сили прибивання з результатами аналогічного дослідження, проведеного теоретичним методом для тканини полотняного переплетення з використанням виведеного рівняння рівноваги основної нитки в зоні формування тканини з урахуванням тертя, зминальності і жорсткості нитки на вигин, є підстава відмітити практичний збіг результатів теоретичного й експериментального досліджень (див. рис. 1). Розбіжність результатів склало менше 7%, що є експериментальним підтвердженням правильності запропонованої методики теоретичного визначення сили прибивання