Проектирование прочности гребенной шерстяной пряжи

Высокое качество изделий при минимальных затратах на их производство зависит от многих факторов — от свойств сырья, совершенства технологии, отдельных видов затрат, квалификации персонала и ряда других.

Свойства изделий во многом определяются свойствами пряжи, у которой одним из основных показателей качества являются прочностные характеристики при ее растяжении. Известен ряд характеристик этого вида деформации [1], но показатели относительной разрывной нагрузки на растяжение и относительного удлинения пряжи имеют особо важное значение, так как их роль при получении пряжи, ее переработке и эксплуатации изделий весьма велика.

При выработке пряжа испытывает натяжение в зоне формирования на кольцевой прядильной машине. Известно [2], что обусловленное круткой, упрочнение пряжи вдоль зоны ее формирования не является равномерным. Пряжа в наибольшей мере упрочнена в зоне действия бегунка, прочность снижается: вблизи нитепроводника и уменьшается до нуля в треугольнике кручения. В этой последней зоне крутка практически отсутствует, и хотя размеры треугольника кручения невелики, здесь возможен разрыв пряжи, так как ее прочность обусловлена только силами скольжения волокон, что ведет к повышению вероятности разрыва продукта. Усугубляет положение структурная неравномерность мычки, заключающаяся в том, что в ее отдельных местах сконцентрированы короткие волокна, велика плотность передних кончиков и при формировании пряжи имеет место утоненный участок. Известно [3], что основная доля обрывов пряжи происходит по неизвестным (визуально не определяемым) причинам. Можно предполагать, что среди этих причин важную роль играет недостаточные силы трения между волокнами.

Недостаточная прочность пряжи при ее получении ведет к обрывности, возникновению в зоне обрыва, утолщенного участка, к затратам труда прядильщиц, к дополнительным отходам, к снижению производительности прядильного оборудования. Недопустимо большая обрывность пряжи не дает возможности автоматизировать процесс, требует дополнительных средств для обеспечения его нормального протекания.

Выработка пряжи малой линейной плотности является одной из главных задач технологии прядения, учитывая дефицит сырьевых ресурсов и растущие потребности в текстильных изделиях. При выработке такой пряжи прочностные характеристики являются главными. В случае пряжи большой линейной плотности колебания абсолютной разрывной нагрузки и относительного разрывного удлинения играют менее важную роль, чем при выработке пряжи малой линейной плотности.

Получению пряжи повышенной прочности препятствуют следующие факторы:

— низкое качество шерсти (доля репейной и сорной шерсти за последние десятилетия резко возросла и составляет около 90%);

— скоростные параметры машин растут (за последние 30 лет скорости выросли в 2−3 раза);

— растут требования к качеству пряжи и связанная с этим конкурентоспособность изделий из нее.

Известно [4], что абсолютная разрывная нагрузка и относительное разрывное удлинение связаны корреляционными связями с другими * ее свойствами.

При переработке пряжи она испытывает деформации растяжения на разных стадиях технологических процессов ткачества и трикотажного производства. В ткачестве (при перематывании, сновании, шлихтовании, при выработке суровья на ткацком станке) деформация растяжения обусловлена существом технологического процесса и часто протекает при наличии других видов деформации. При перематывании, сновании и шлихтовании имеют место высокие скорости (сотни метров в минуту). Известно [5], что величина скорости предопределяет величину растягивающей силы, действующей на пряжу, и ведет к усталостным явлениям. Деформация растяжения имеет место как на относительно коротких (мотальные автоматы), так и на относительно длинных (сновальные машины) участках. Нагрузка может прикладываться циклически и сопровождается многократными изгибами пряжи (при воздействии глазков галев ремизок на пряжу на ткацком станке). Надежность пряжи с позиций сохранности ее целостности должна быть очень высокой, так как обрыв одной из тысяч нитей приводит к останову машины. Аналогичные требования предъявляются к уточной нити. В связи с недостаточной прочностью нитей, вводятся специальные операции шлихтования с последующим удалением шлихты при отделке ткани. Большая обрывность основных и уточных нитей ухудшает качество продукции и снижает производительность труда. Значительная часть рабочего времени ткача затрачивается на ликвидацию обрыва.

В результате данных многих работ по исследованию обрывности нитей в ткачестве установлено, что снижение обрывности в ткачестве в 2−3 раза повышает производительность труда ткача на 60−80%. Все это приводит к дополнительным затратам трудовых, энергетических и временны’х ресурсов. Обрывность пряжи в ткачестве ведет к понижению сортности суровья, возникающий дефект относится к категории грубых и недопустимых в готовой ткани.

В трикотажном производстве условия переработки пряжи в части перематывания аналогичны отмеченным выше условиям при ткачестве. При вязании пряжа подвергается кратковременным изгибу и растяжению на относительно небольших участках (в пределах длины петли). Многие трикотажные машины многосистемны (например, кругловязальные) и это, как и в случае ткачества, требует высокой надежности пряжи. Обрывность пряжи ведет к дополнительным отходам, понижению сортности полотен и полурегулярных изделий, сопровождается поломами игл, снижению производительности труда и оборудования.

Для нивелирования отрицательных факторов, снижающих прочность пряжи и адекватности уровня этого свойства растущим требованиям к качеству изделий, должны быть разработаны соответствующие методы проектирования ее минимальной прочности и меры технологического обеспечения последней.

Цель данного исследования — разработка метода проектирования повышенной прочности пряжи и мер ее технологического обеспечения.

Для решения этой задачи выполнено следующее.

1. Проведен анализ (глава 1) состояния исследуемой проблемы, изучению которой посвящены работы Синицына А. А., Березиной О. Я., Фей-мана Н. И, Усенко В. А., Корицкого К. И-, Биренбаума С. И., Комарова В. Г., Позднякова Б. П-, Гусева B.E., Ванчикова А. Н., КононенкоТ.В., Соловьева А. Н., Щербакова В. П., Николаева С. Д., Разумеева К. Э., ШустоваЮ.С., Stunbury J. R., MattHes Mi, Kewokian A H., Rebenfeld L., Holdaway W. и других исследователей.

Целью анализа являлось обоснование существа дальнейших исследований по изучаемой проблеме.

В результате анализа установлено: пряжа при ее получении и переработке подвергается разрушению в результате воздействия неодинаковых для разных машин механических факторов;

— эмпирические зависимости, полученные в ряде исследований, позволяют обосновать прочность пряжи лишь для той технологии, по которой она получена, использование результатов для других вариантов технологии требует доказательства применимости полученных зависимостей;

— формулы ряда исследователей содержат поправочные коэффициенты, определение которых требует дополнительных экспериментов-, для различных видов полушерстяной и шерстяной пряжи эти данные разработаны недостаточно и не могут быть выбраны с достаточной степенью обоснованности;

— ряд методов предусматривает предварительную выработку опытных, партий пряжи из каждого компонента предполагаемой смеси;

— в некоторых математических моделях не учитывается влияние ряда физико-механических показателей волокон (длина, удлинение и прочность, тонина и неровнота по этим свойствам и др.), что приводит к недостаточному отражению их роли в формировании прочности пряжи;

— целью многих исследований является расчет средней абсолютной разрывной нагрузки, что огрубляет прогноз будущего поведения пряжи, разрывающейся в слабом месте;

— многие авторы предлагают многофакторные эмпирические модели абсолютной разрывной нагрузки, разрывного удлинения и обрывности в прядении шерстяной гребенной пряжи в зависимости от характеристик шерсти и параметров технологического процесса;

— в настоящее время методы проектирования свойств пряжи, в частности абсолютной и относительной разрывной нагрузки гребенной пряжи разработаны недостаточно, при этом фрикционная природа взаимодействия волокон учитывается недостаточно;

— в качестве проектируемой характеристики прочности целесообразно использовать показатель абсолютной разрывной нагрузки, соответствующей допустимо малой (например, в 0,05) вероятности этой величины;

— технологические меры обеспечения прочности направлены главным образом на оптимизацию составов сырья, сохранности длины волокна и оптимизацию величины крутки.

Из этих результатов следуют задачи исследования.

Необходимо: а) разработать теоретические зависимости для проектирования абсолютной разрывной нагрузки пряжи с учетом фрикционной природы взаимодействия волокон в пряже при ее разрушении. б) выполнить экспериментальные и расчетные работы для прогнозирования прочности пряжи. в) разработать технологические меры с целью повышения прочности пряжи на основе целенаправленного совершенствования процесса ее получения.

2. Разработаны теоретические модели для определения абсолютной разрывной нагрузки пряжи (2-я глава).

Использованы методы и результаты исследований по теории выбросов случайных функцийтрибологии волокон, их контактирования, текстильному материаловедению, теории вероятностей и математической статистике. В результате этого этапа исследования:

— получена аналитическая зависимость для определения абсолютной разрывной нагрузки пряжи, учитывающая фрикционную составляющую процесса разрыва;

— разработана теоретическая база метода определения числа фрикционных контактов между волокнами;

— предложены аналитические зависимости для оценки сопротивления сжатию единицы длины волокна в пряже, числа скользящих и рвущихся волокон, средней длины скольжения волокон при ее разрыве.

Из этих результатов следует необходимость определения параметров, использование которых в полученных моделях позволяет прогнозировать абсолютную разрывную нагрузку пряжи. К ним относятся: а) число контактов на единицу длины волокна в пряже, для определения которых необходимо знание:

— среднего квадратического отклонения проекции конфигурации волокна;

— среднего квадратического отклонения производной проекции конфигурации волокна;

— коэффициента распрямленности волокна;

— диаметра и крутки пряжи. б) сопротивление сжатию единицы длины волокна в пряже, для определения которого необходимо знание зависимости напряжения поперечного сжатия пряжи от ее плотностив) число обрывающихся, скользящих волокон и средней длины их скольжения, для чего необходимо знать распределения волокон по длине в пряже до разрыва и после ее разрушения в зоне разрыва.

Идентификация факторов, определяющих прочность пряжи, обосновывает целесообразность увеличения коэффициента трения и удельного сцепления волокон, а также снижения неровноты по толщине пряжи, что достигается технологическими мерами.

3. Выполнены экспериментальные и расчетные работы с целью оценки параметров, указанных выше, осуществлен расчет абсолютной разрывной нагрузки и сопоставлены расчетные и фактические значения ее величины (глава 3).

Использованные методы:

— оптический метод определения характеристик конфигурации волокна (усовершенствован) — расчетный метод определения характеристик конфигурации волокна (среднего квадратического отклонения проекции конфигурации волокна, среднего квадратического отклонения производной проекции конфигурации волокна);

— оптический метод определения диаметра пряжи;

— расчетный метод определения числа контактов в пряже между волокнами (разработан впервые);

— метод определения напряжения сжатия пряжи (разработан впервые);

— методы определения абсолютной разрывной нагрузки, линейной плотности волокон и пряжи, крутки пряжи (стандартные).

Объектом исследования была пряжа гребенного прядения 22 текс, состава: шерсть тонкая — 70%, лавсановое волокон — 30%. Установлено:

— изменение характеристик конфигурации волокна при различной степени поперечного сжатия продукта;

— влияние статических характеристик конфигурации волокна, амплитуды, частоты и длины волны витка, зависимых от крутки, а также диаметра пряжи и числа волокон в сечении на число контактов между волокнами;

— зависимость напряжения сжатия пряжи от ее объемной плотности;

— распределения волокон по длине в пряже до и после разрыва.

В результате исследования обоснованы количественно все параметры, необходимые для расчета минимальной абсолютной разрывной нагрузки, проведен ее расчет и составление с фактическим значением. Проектируемая минимальная абсолютная разрывная нагрузка пряжи составляет 100,5 сН, что по полученному распределению разрывной нагрузки соответствует вероятности 0,04 показывая, экспериментальная разрывная нагрузка с вероятностью 0,994 превысит расчетную величину.

Эти результаты подтверждают возможность применения разработанного метода для проектирования абсолютной разрывной нагрузки пряжи.

Все расчетные работы выполнены с использованием ПЭВМ и стандартных и вновь разработанных на кафедре технологии шерсти МГТУ им. А. Н. Косыгина программ.

4. Разработаны технологические меры для повышения абсолютной разрывной нагрузки пряжи (глава 4). Использованы методы:

— нормализации технологического процесса гребенного прядения шерсти и химических волокон;

— химический метод повышения гидрофильности волокон (разработан впервые).

Первый из этих методов направлен на снижение неровноты пряжи по толщине, второй — на изменение фрикционных характеристик волокон пряжи.

На этапе нормализации технологического процесса подтверждены:

— целесообразность использования трех переходов ленточных машин до 1-го гребнечесания и двух переходов ленточных машин после штапелирования жгутовых химических волокон;

— целесообразность запаривания ровницы вместо технологического вылеживания;

— эффективность нормализации процессов, прядильного производства и возможность снижения неровноты полуфабрикатов и пряжи по толщине.

На этапе разработки химического способа повышения гидрофильности волокон, как метода повышения сил трения между волокнами в пряже:

— обоснован выбор химического метода повышения гидрофильности волокон;

— выбран оксиалкиленорганосилоксановый блоксополимер для обработки волокон смеси (шерсть -70%, лавсановое волокно -30%);

— исследована кинетика сушки обработанных и необработанных образцов смеси волокон в зависимости от температуры, времени сушки, концентрации и количества препарата, наносимого на волокна;

— определены коэффициенты трения волокон при различных технологиях их обработки.

Полученные результаты позволяют:

— повысить гидрофильность волокон путем использования разработанного рецепта и режима их обработки;

— рекомендовать следующий рецепт раствор кремнейорганической жидкости Пента -483 в количестве 10 весовых процентов, режим: нанесение раствора, вылеживание в течение суток с целью пропитки волокон веществомтермофиксация в сушильном шкафу при температуре 110 °C в течение 10 минчто обеспечивает увеличение абсолютной разрывной нагрузки пряжи в результате применения разработанного метода на 29,4 процентоврекомендовать к апробации на существующей технологии и оборудовании разработанный способ повышения гидрофильности, фрикционных свойств волокон и абсолютной разрывной нагрузки пряжи.

Автор особую благодарность выражает д.т.н., проф. В. А. Протасовой и д.т.н., проф. А. Ф. Капитанову за неоценимую помощь в работе над диссертацией.

Теоретические и расчетные работы выполнены в лабораториях кафедр технологии шерстианалитической, физической и коллоидной химиитехнологии химических волокон. Автор признателен их руководителям к.т.н., доц. Б. Е. Белышеву, к.х.н., проф. Б. А. Измайлову, к.х.н., проф. JI.C. Гальбрайху и сотрудникам кафедр за оказанное содействие.

Автор выражает благодарность д.т.н., проф. С. Д. Николаеву за оказанное внимание и поддержку.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Разработанные технологические меры, основанные на нормализации технологического процесса и методе повышения гидрофильных свойств волокон, обеспечивают повышение прочности пряжи.

2. В рамках нормализации технологии рекомендовано восстановить использование: трех переходов ленточных машин в Iом гребнечесаниидвух переходов ленточных машин после штапелирующей машиныжгутового химического волокна, крашенного в массеоптимального сочетания вытяжек и разводок на машинах ровничного ассортиментазапаривание ровницы взамен ее технологического вылеживания. Эти меры позволяют снизить неровноту крученой пряжи на 17 отн. %, повысить абсолютную разрывную нагрузку на 8 отн. %.

3. Метод повышения гидрофильности волокон шерстолавсановой смеси обеспечивает повышение фрикционных свойств волокон, при этом прочность пряжи (по показателю минимальной абсолютной разрывной нагрузки) повышается на 29,4%.

4. Повышение гидрофильности волокон и снижение влагоотдачи достигнуто при следующем режиме: нанесение спиртового раствора Пента -483 в количестве 10%, вылеживание в течение суток с целью пропитки волокон веществом и высыхания спирта, термофиксация в сушильном шкафу при температуре 110 °C в течение 10 мин.

5. Предложена технология повышения гидрофильности волокон на существующем оборудовании, предусматривающая а) нанесение препарата (раствора Пента-483) в процессе эмульсирования лент на I-Ом переходе ленточных машин, б) перераспределение препарата в процессах обработки лент на Г — IV переходах ленточных машин ровничного ассортимента, в) запаривание ровницы.