Разработка метода оценки и расчета воздухопроницаемости тканей, выработанных из мононитей

Качество изделий, как технического, так и бытового назначения, изготовленных из текстильных материалов, существенным образом зависит от качества текстильных материалов.

Качество текстильных материалов прежде всего определяется стабильностью физико-механических показателей, характеризуемой минимальными отклонениями от средних значений этих показателей и способностью текстильного материала наиболее полно удовлетворять потребности разработчиков изделий различного назначения.

Одним из таких показателей, определяющим, например качество парашютных тканей, является показатель воздухопроницаемости ткани при перепаде давления ДР=5мм вод.ст.

Парашют, как спасательное средство, стал применяться ещё на заре воздухоплавания для спуска экипажа из аэростата на Землю при аварийных ситуациях.

В дальнейшем парашют получил широкое применение в качестве индивидуального спасательного средства для лётчиков и для десантирования личного состава ВДВ МО и тяжелых грузов, а также для спуска на Землю различных космических аппаратов.

В настоящее время с парашютом можно спускать грузы массой менее 1 кг и в несколько тонн, при этом парашюты можно вводить на скоростях от 5 м/с до 1000 м/с и высотах до 100 км над уровнем моря [ 1 ]. При этом должна быть обеспечена необходимая прочность парашютов, воспринимающих при раскрытии купола парашюта значительные по величине нагрузки, заданная величина перегрузки на спускаемый объект и допустимая скорость приземления объекта.

Как показывают результаты исследований, величина нагрузки, действующей на парашют, перегрузка, скорость приземления объекта существенным образом зависят от воздухопроницаемости ткани при прочих неизменных параметрах, оказывающих влияние на эти характеристики парашюта.

С уменьшением воздухопроницаемости ткани купола парашюта нагрузка на купол парашюта увеличивается и наоборот, с увеличением воздухопроницаемости ткани купола парашюта коэффициент сопротивления купола уменьшается, а следовательно уменьшается и нагрузка на купол парашюта и увеличивается скорость приземления груза.

Для обеспечения заданной скорости приземления, перегрузки, действующей на десантируемый объект и надежности работы парашюта необходимо, чтобы диапазон изменения воздухопроницаемости ткани был минимальным, т. е. величина отношения максимальной воздухопроницаемости ткани к минимальной, определенной при лабораторных испытаниях ткани и перепаде давления АР = 5 мм вод.ст. была близка к единице.

В настоящее время для серийных парашютных тканей, изготовленных в основе и утке из синтетических комплексных нитей, величина этого отношения колеблется от 2 до 4,25 (табл. 1), что создает определенные трудности разработчикам парашютных систем при выполнении высоких требований заказчика к изделию.

Как показывают результаты лабораторных испытаний опытных тканей, выработанных из мононитей в основе и утке, величина этого отношения для них не превышает 1,3 (табл. 2), а поэтому ткани из мононитей представляют существенный интерес для разработчиков современных парашютных систем специального назначения. Широкому внедрению этих материалов препятствует отсутствие в РФ химического производства способного выпускать мононити линейной плотности 1,3 текс и менее, так как создать качественные ткани с воздухопроницаемостью от 200 до 900 дм3/м2с из мононитей линейной плотности 1,67 текс и более, выпускаемых предприятиями химической промышленности РФ, объективно невозможно.

Таблица 1.

Артикул ткани. Воздухопроницаемость ткани при перепаде АР = 5 мм вод.ст., дм /м с Отношение^мах ! Вмин Коэффициент вариации, V, %.

В МИН. ® мах.

56 307 П 450 900 2,0 11,0.

56 004 П 350 750 2,14 12,0.

56 005 П 70 200 2,86 16,0.

56 011 П 300 740 2,47 14,0.

56 009 П 450 900 2,0 11,0.

56 023 П 70 300 4,25 21,0.

Таблица. 2.

Условное обозначение опытных образцов. Воздухопроницаемость ткани при АР = 5 мм вод.ст., дм3/м2с Отношение ®-мах / ®-мин Коэффициент вариации, V, % мин. В мах.

26 090 1510 1655 1,096 2,5.

26 821 1035 1285 1,241 5,3.

25 811 880 1045 1,187 4,2.

25 970 1520 1855 1,220 5,13.

Достижения зарубежных специалистов в области создания качественно нового ассортимента экстратонких мононитей (0,045 текс) и нового технологического оборудования для их переработки в тканый материал, открывают перед разработчиками текстильных материалов перспективы создания качественно новых материалов с широким диапазоном по воздухои водопроницаемости без дополнительной обработки этих материалов.

Широкое международное сотрудничество России с индустриально развитыми странами мира будет способствовать широкому внедрению этих материалов в изделия как бытового, так и технического назначения.

В настоящее время полиамидные и полиэфирные мононити иностранного производства линейной плотности 1,3 текс и менее уже используются на предприятиях текстильной промышленности для изготовления ситовых тканей по ГОСТ 4403–91 [2].

В настоящее время, несмотря на усилия ученых, пока не удалось установить объективно существующую зависимость воздухопроницаемости тканей от параметров их структуры и перепада давления. Отсутствие такой зависимости не позволяет разработать научно-обоснованную методику оценки воздухопроницаемости ткани по известным параметрам структуры ткани и заданному перепаду давления, а также методику проектирования ткани заданной воздухопроницаемости.

Как следствие этого положения разработка нового ассортимента тканей ведется методом проб и ошибок, путем выработки большого количества опытных образцов, что крайне неэффективно, т.к. приводит к нерациональному расходованию материальных и людских ресурсов (сырья, рабочей силы и удорожанию услуг предприятий разработчиков).

По этой же причине оценка воздухопроницаемости тканей производится исключительно с использованием приборов / ВГГГМ 2 и др. / или стендов, что создает определенные трудности при принятии оперативных решений в части производства тканей.

В связи с изложенным, работы по установлению зависимости воздухопроницаемости тканей от параметров их структуры и перепада давления представляют как научный, так и практический интерес.

Как отмечают авторы работ [ 3−37 ] важно знать зависимость воздухопроницаемости тканей от их структуры и перепада давления.

Исходя из выше изложенного, диссертационная работа направлена на установление зависимости воздухопроницаемости тканей, выработанных из мононитей в основе и утке, от параметров их структуры и перепада давления, а также на разработку инженерной методики оценки воздухопроницаемости этих тканей по заданным параметрам их структуры.

Для достижения поставленной цели необходимо:

— проанализировать имеющийся фактический экспериментальный материал по данной проблеме и определить независимые параметры, оказывающие существенное влияние на воздухопроницаемость ткани,.

— проанализировать научные работы, проводимые с целью установления зависимости воздухопроницаемости тканей от их структуры и перепада давления, и выбрать направление будущих исследований с целью установления объективно существующей зависимости воздухопроницаемости ткани от параметров её структуры и перепада давления,.

— провести экспериментальные исследования образцов опытных тканей и осуществить обработку результатов экспериментальных исследований,.

— провести сравнительную оценку погрешности полученных зависимостей и определить область их применения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ .

1. Литературный обзор по теме исследования подтвердил актуальность выбранной темы, связанной с разработкой метода оценки воздухопроницаемости тканей, выработанных из мононитей, от параметров их строения и перепада давления АР.

2. Выявлены основные независимые параметры, оказывающие существенное влияние на воздухопроницаемость ткани, а именно: линейные плотности основных и уточных нитей, плотности основных и уточных нитей, вид переплетения, количество элементарных нитей, крутка основных и уточных нитей.

3. Использование методов теории подобия и анализа размерностей позволяет существенно облегчить нахождение функционального вида многопараметрических зависимостей, каковой является зависимость воздухопроницаемости ткани от параметров ее строения.

4. Установлен безразмерный параметр Пс, однозначно характеризующий ткань, выработанную из мононитей, по воздухопроницаемости, позволяющий провести сравнение различных по строению тканей по воздухопроницаемости.

5. Воздухопроницаемость ткани увеличивается с уменьшением параметра строения Пс и уменьшается с его увеличением. Ткани с одинаковым параметром строения Пс имеют одну и ту же воздухопроницаемость.

6. Параметр строения Пс уменьшается с уменьшением плотности нитей, диаметра мононити, увеличением R () и Ry и уменьшением tG и ty. Одна и таже величина Пс может быть получена за счет изменения этих параметров.

7. Установлены эмпирические зависимости воздухопроницаемости тканей, выработанных из мононитей, от параметров их строения и перепада давления, что дает возможность не только оценивать их воздухопроницаемость по известным параметрам строения ткани, но и проектировать ткани с заданной воздухопроницаемостью:

Для оценки воздухопроницаемости тканей рекомендуется использовать эмпирические формулы:

— при перепаде давления ДР от 49,05 до 98,1 Па :

В = 103 ^ 0,5903е ~ 21'297Пс, дм3/м2с где: р = 1,225 — плотность воздуха, кг/м3, л.

АР — перепад давления, Па (кг/мс). Формула справедлива для случая 0,05 < Пс < 0,24, перепада давления 49,05 < АР < 98,1 Па, do = dy. или.

В = 103 (- 1,5331 In [Пс] - 1,8424), дм3/м2с Формула справедлива для 0,05 < Пс < 0,24, АР = 49,05 Па, do = dy. Погрешность эмпирических зависимостей при определении средних значений воздухопроницаемости не превышает 10%.

— при перепаде давления АР менее 49,05 Па (5 мм вод. ст.):

В = 103 х (406,23 Пс2 — 75,532 Пс + 5,4784) х (0,0288 АР + 0,0431), дм3/м2с Формула справедлива для 0,0066 < Пс < 0,0834 и 0,2 < АР < 50 Па. Погрешность формулы не превышает 10%.

— при перепаде давления АР от 98,1 до 608,2 Па :

В = 22 283 е -7−8347Пс х (0,0018 АР + 0,0287), дм3/м2с Формула справедлива для 0,099 < Пс < 0,2073 Погрешность формулы не превышает 7%.

8. Установлен безразмерный параметр nonydody, однозначно характеризующий ткань, выработанную из мононитей, одного переплетения по воздухопроницаемости. Воздухопроницаемость ткани увеличивается с уменьшением параметра nonydody и уменьшается с его увеличением.

Ткани с одинаковым параметром riollydody при неизменном переплетении имеют одну и туже воздухопроницаемость.

9. Установлена эмпирическая зависимость воздухопроницаемости ткани полотняного переплетения от параметра rioITydody, а именно:

В = 9388,9 е-10'747ПоП^, дм3/м2с.

Формула справедлива для 0,1122 < nollydody < 0.1971 и перепада АР = 49,05 Па.

10.Установлена эмпирическая зависимость воздухопроницаемости тканей, выработанных из мононитей полотняным переплетением, от коэффициента живого сечения Fc.

В = 22 487 Fc2″ 541, дм3/м2с Формула справедлива для 0,309 < Fc < 0,4422 и АР = 49,05 Па.

11.Установлена эмпирическая зависимость коэффициента живого сечения Fc от параметра nonydody для тканей полотняного переплете ния, а именно:

Fc = 0,7128 e^2509n°nydody, дол. ед.

Формула справедлива для 0,1122 < nonydody <0.1971.

12. Параметр nonydody также, как и коэффициент живого сечения Fc, не может быть использован в качестве единственного параметра, характе ризующего ткани различного переплетения по воздухопроницаемости.

13. Установлена аналитическая зависимость коэффициента живого сече ния Fc от параметра строения ткани, а именно:

Fc = (l-dyny)(l-dono) 100, % Формулу рекомендуется использовать для тканей полотняного переплетения. Погрешность формулы не превышает 3%.

14. Установлена эмпирическая зависимость коэффициента живого сече ния от параметра строения Пс, а именно:

Fc = - 11,521 In [ Пс ] + 8,1758, % Формула справедлива для 0,0095 < Пс < 0,21 Погрешность формулы при определении Fc для тканей полотняного переплетения не превышает 3%, для тканей саржевого переплетения не более 10%.

15. Установлена аналитическая зависимость размеров сквозных пор в ткани от параметров ее строения :

1 — d П 1-d П р У У р о о п у п у о.

Погрешность формул не превышает 3%.

16. Установлена аналитическая зависимость для определения количества отверстий на 1 см² поверхности ткани:

П = Ц, ПУ.

17. Предложена методика расчетного определения размеров отверстия, количества отверстий и коэффициента живого сечения ткани, выработанной из мононитей по известным параметрам строения ткани.

18. Установлена эмпирическая зависимость воздухопроницаемости мало плотных шелковых сеток от параметров их строения и перепада давле ния:

В = (- 3445,4 lnllc + 182,1) (0,0334 АР0'5485), дм3/м2с Формула справедлива для 49,05 < АР < 490,5 и 0,009 < Ц, < 0,135Па Погрешность формулы не превышает 9,6%.

19. Установлена эмпирическая зависимость для расчета средней воздухопроницаемости пакета, составленного из тканей одной воздухопроницаемости, при перепаде давления АР = 49,05 Па., а именно: f.

В =B.

0,9959 N.

— 0.9799 дм3/м2с.

Формула справедлива для 2.

20. Установлена эмпирическая зависимость для определения средней воздухопроницаемости двухслойного пакета, состоящего из тканей раз личной воздухопроницаемости при перепаде давления АР = 49,05 Па., а именно:

Вп д = В, (0,2462 In + 0.4987), дм3 / м2с.

Bi.

В,.

Формула справедлива для 1< —- <3,4.

Bi.

Погрешность формулы не превышает 8%.

21. Эмпирические зависимости для предварительной оценки воздухопроницаемости пакетов тканей, выработанных из мононитей, могут также применяться для тканей, выработанных из комплексных нитей, при перепаде давления АР = 49,05 Па.

22. Предложена методика определения воздухопроницаемости многослойного пакета, составленного из тканей различной воздухопроницаемости, при перепаде давления АР = 49,05 Па.

23. Разработана инженерная методика оценки воздухопроницаемости тканей, выработанных из мононитей, по известным параметрам строения тканей.

24. Разработана инженерная методика проектирования тканей по заданной воздухопроницаемости.