Способ оценки жесткости волокна или нити при скользящем изгибе

Изобретение относится к способу оценки жесткости волокна или нити при скользящем изгибе. Техническим результатом является повышение информативности результатов анализа и упрощение процесса испытания. Технический результат достигается способом оценки жесткости волокна или нити при изгибе, включающем испытание образца волокна или нити путем огибания им цилиндра с определенным радиусом, перемещение по цилиндру, измерение силового параметра, связанного с перемещением образца, у которого свободный ведомый участок натянут подвешиваемым к нему грузом постоянной массы, а также расчет оценки жесткости. Причем испытание путем перемещения образца по цилиндру проводят в два этапа, на первом используются цилиндр с большим диаметром, а на втором - с меньшим. После перемещения образца по поверхности цилиндра на каждом этапе оценивают силовой параметр в виде энергии, затрачиваемой на перемещение. Причем затраченную энергию оценивают по разности углов отклонения физического маятника, у которого в зоне между точкой подвеса и центром тяжести крепится конец ведущего участка испытываемого образца, а оценку жесткости производят по совокупности энергий, одна из которых затрачивается на перемещение по цилиндру с малым диаметром, соизмеримым с условным диаметром сечения образца, а другая - на перемещение по цилиндру с большим диаметром, величина которого больше где EI - изгибная жесткость образца Н⋅мм²; Т₀ - сила натяжения ведомого участка образца вследствие подвешивания к нему груза постоянной массы, Н. 1 ил.

 

Изобретение относится к области квалиметрии текстильных волокон и нитей и быть использовано при стандартизации текстильного сырья и материалов.

Известно, что величина жесткости волокон и нитей при изгибе влияет на их технологическую ценность и качество получаемых из них конечных материалов.

Наиболее существенно влияние жесткости при изгибе волокна или нити на их натяжение при огибании поверхности, радиус кривизны которой соизмерим с их толщиной, около которой происходит изгиб. Например, это наблюдается в процессе трепания льняного волокна на льнозаводах [1] или при производстве трикотажа [2]. При этих условиях вызывает трудности определения оценок изгибной жесткости.

Для определения жесткости нити при изгибе используют ряд методов, например, следующие способы: консольный метод под действием собственной силы тяжести без принудительной деформации образца, метод кольца под действием сосредоточенной нагрузки с принудительной деформацией образца, метод трехточечного прогиба [3].

Также известны способы определения жесткости нити при изгибе с огибанием цилиндра известного радиуса нитью [4, 5]. Однако они обладают недостатками, которые заключаются в невозможности получить результаты, сопоставимые с реальными условиями. При них на натяжение волокна или нити существенно влияет радиус закругления кромки рабочих органов вследствие проявления жесткости материала при изгибе.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ оценки жесткости нити (волокна) при изгибе с использованием устройства [6]. Данный способ оценки жесткости волокна или нити при изгибе включает испытание образца волокна или нити путем огибания им цилиндра с определенным радиусом, перемещение по цилиндру, измерение силового параметра, связанного с перемещением образца, у которого свободный ведомый участок натянут подвешиваемым к нему грузом постоянной массы, а также расчет оценки жесткости.

Недостатком данного способа является сложность операций, осуществляемых при его реализации. Это касается перемещения нити, фиксации моментов останова нити и контроля углов обхвата. Существенным недостатком является пониженная информативность метода за счет использования цилиндрической поверхности неизменного диаметра, что затрудняет получение информации о причинах возникновения сил сопротивления перемещению образца по цилиндрической поверхности с разным диаметром.

Несмотря на указанные недостатки способ жесткости нити (волокна) при изгибе с использованием устройства [6] является наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности и достигаемому эффекту.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении информативности результатов анализа и упрощение процесса испытания.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки жесткости волокна или нити при изгибе, включающем испытание образца волокна или нити путем огибания им цилиндра с определенным радиусом, перемещение по цилиндру, измерение силового параметра, связанного с перемещением образца, у которого свободный ведомый участок натянут подвешиваемым к нему грузом постоянной массы, а также расчет оценки жесткости, согласно изобретения, испытание путем перемещения образца по цилиндру проводят в два этапа, на первом используются цилиндр с большим диаметром, а на втором с меньшим, после перемещения образца по поверхности цилиндра на каждом этапе оценивают силовой параметр в виде энергии, затрачиваемой на перемещение, причем затраченную энергию оценивают по разности углов отклонения физического маятника, у которого в зоне между точкой подвеса и центром тяжести крепится конец ведущего участка испытываемого образца, а оценку жесткости производят по совокупности энергий, одна из которых затрачивается на перемещение по цилиндру с малым диаметром, соизмеримым с условным диаметром сечения образца, а другая - на перемещение по цилиндру с большим диаметром, величина которого больше где EI - изгибная жесткость образца Н⋅мм²; Т₀ - сила натяжения ведомого участка образца вследствие подвешивания к нему груза постоянной массы.

Проведение испытания путем перемещения образца волокна или нити по цилиндру в два этапа, на первом из которых используются цилиндр с большим диаметром, а на втором - с меньшим, а также оценивание после перемещения образца по поверхности цилиндра на каждом этапе силового параметра в виде энергии, затрачиваемой на перемещение, позволяет повысить информативность результатов испытаний за счет учета всех компонентов жесткости образца при огибании цилиндра. Это касается сдвиговой жесткости и изгибной жесткости. Сдвиговая жесткость G⋅F⋅k (где: G - модуль сдвига; F - площадь сечения образца; k - коэффициент формы сечения) может проявляться при возникновении касательных напряжений в зоне взаимодействия образца с поверхностью цилиндра. Согласно положений курса сопротивления материалов, величина этих напряжений прямо пропорциональна толщине образца и обратно пропорциональна радиусу цилиндра. Иными словами, чем меньше радиус, тем в большей степени проявляется влияние сдвиговой жесткости при огибании цилиндра. При использовании цилиндра большого диаметра появление касательных напряжений минимально, что позволяет оценивать только жесткость на изгиб. При таком положении дел, определение энергии, затраченной при огибании испытываемым образцом цилиндров разного диаметра, позволяет учесть две оценки, связанных со сдвиговой и изгибной жесткостью. Так, при огибании малого диаметра, соизмеримым с условным диаметром сечения образца, затрачиваемая энергия А_мд будет определяться суммарным влиянием обоих видов жесткости. Энергия А_бд, затраченная при огибании образцом цилиндра большого диаметра D, величина которого больше , связана только с проявлением изгибной жесткости. Условие обозначено в [7] и определяет исключение эффектов, возникаемых при огибании образцом цилиндрической поверхности, связанных депланацией сечения из-за возникновения сдвигов материала.

Тогда, разность (А_мд - А_бд) будет оценкой проявления сдвиговой жесткости.

Оценка затраченной энергии по разности углов отклонения физического маятника, у которого в зоне между точкой подвеса и центром тяжести крепится конец ведущего участка испытываемого образца, позволяет исключить использование сложной аппаратуры. Определение разности углов отклонения маятника, жестко скрепленного с осью его подвеса, возможно на основе контроля угла поворота оси посредством применения серийно выпускаемых энкодеров. Такое решение упрощает процесс испытания.

Оценка жесткости волокна или нити при скользящем изгибе по совокупности энергий А_мд и А_бд возможна по разным вариантам. Например, по таким: А_бд и (А_мд -А_бд) или А_бд и (А_мд - А_бд)/ А_бд. Такие варианты оценки также обеспечивают информативность результатов испытания и упрощают его.

На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа оценки жесткости волокна или нити при скользящем изгибе.

Способ оценки жесткости волокна или нити при скользящем изгибе реализуется следующим образом. Для испытания волокна или нити готовят образцы определенной стандартной длины. Если испытывают волокно, то стандартной длины и массы. К одному концу образца подвешивают груз 1 определенной массы m для формирования постоянной силы Т₀, равной m⋅g (g - ускорение свободного падения). Далее испытания проводят поэтапно. Вначале используют цилиндр 2 большого диаметра, поверхность которого огибает образец при постоянном угле обхвата. После этого последующий участок образца располагают на свободно вращающемся ролике 3 для обеспечения равенства углов обхвата цилиндра 2 при испытании. Конец ведущего участка закрепляют на предварительно отклоненном на угол зарядки ϕ₀ маятнике 4. Крепление образца осуществляют в определенном месте О в зоне между точкой подвеса и центром тяжести Ц.Т., расположенном на маятнике от точки подвеса на расстоянии L.

После закрепления образца маятник освобождают от зацепления и он по действием своей силы тяжести начинает перемещаться по часовой стрелке. Вместе с ним перемещается образец, огибая цилиндр 2. В некоторый момент времени перемещение маятника прекращается и он занимает положение, определяемое величиной угла ϕ₁. При скользящем изгибе совершается работа А_бд, зависимая от изгибной жесткости образца. Ее величину оценивают по углам отклонения ϕ₀, ϕ₁ маятника 4, используя формулу:

После этого приступают ко второму этапу испытания. Для этого цилиндр с большим диаметром заменяют цилиндром с малым диаметром. Далее испытания проводят в том же порядке. После его реализации маятник 4 после окончания движения занимает положения при угле ϕ₁. С учетом этого аналогично, указанному выше, определяют работу, совершенную при перемещении образца, но при использовании цилиндра с малым диаметром.

Имея значения А_бд и А_мд, проводят оценку жесткости образца при скользящем изгибе по совокупности энергий А_мд и А_бд. Это возможно по разным вариантам. Например, по следующим: [А_бд и (А_мд - А_бд)] или [А_бд и (А_мд - А_бд)/А_бд]. Такие варианты оценки обеспечивают информативность результатов испытания и упрощают его. Например, по величине А_бд можно судить (оценивать), как себя проявляет изгибная жесткость образца, а по величине (А_мд - А_бд) - сдвиговая жесткость.

Пример конкретного выполнения.

Испытания проводили с использованием льняной пряжи линейной плотности 46 текс. Скользящий изгиб производили относительно стальных цилиндрических стержней длинной 15 мм и с радиусом r₂=0,5 и r₁=15,0 мм. Угол обхвата нитью был одинаковым и составлял 2,36 рад. Начальное натяжение постоянное Т₀=0,618 Н. Значения радиусов цилиндров выбирали из следующих условий. Величина r₂ принималась из сходства этой величины с условным сечением пряжи. Величина r₁ вытекала из условия , где для испытываемой пряжи EI=0.066 Н⋅мм².

По результатам испытания на первом этапе была определена работа А_бд, равная 50 мДж, а на втором этапе совершенная при скользящем изгибе, но при использовании цилиндра с малым диаметром - 59 мдж.

Оценивали жесткость испытываемой пряжи при скользящем изгибе по параметрам: А_бд и (А_мд - А_бд). Они оказались соответственно равными, 50 мДж и 9 мДж.

Был сделан вывод путем сравнения оценок изгибной и сдвиговой жесткости. В качестве оценок использовали совершенную при скользящем изгибе нити работу. Эти оценки (в абсолютных или относительных значениях) становятся полезными в условиях практики при сравнительных испытаниях разной пряжи (по составу, по геометрическим параметрам и линейной плотности).

Предлагаемый способ обеспечивает повышение информативности результатов анализа и упрощает процесс испытания. Он не требует значительных затрат при его реализации и поэтому может быть использован в условиях практики.

Список используемых источников

1. Платов A.M. Теоретические основы механической обработки стеблей лубяных культур: Учеб. пособие для вузов. - М.: Легпромбытиздат, 1989. - 143.

2. Щербаков В.П. Научные основы переработки нитей в трикотажном производстве: дисс… д.т.н., спец. 05.19.03. - Москва, 1983. - 342 с.

3. Лапшин В.В. Разработка методологических основ и автоматизированного измерительного комплекса для оценки свойств текстильных материалов: дисс… д.т.н., спец. 05.19.01. - Кострома, 2020. - 318 с.

4. Способ определения жесткости нити при изгибе: патент на изобретение РФ №2535133. Опубл. 8.10. 2014.

5. Способ определения жесткости нити при изгибе: патент на изобретение РФ №2219544. Опубл. 20.12. 2003.

6. Устройство для определения жеткости нити на изгиб: патент на полезную модель РФ №29374. Опубл. 10. 05. 2003.

7. Огибалов П.М., Рабинович А.Л., Федотов Н.М. О силах взаимодействия между тросом и шкивом. / Прикладная математика и механика. 1939. т.3. Вып.3. С.111-123.

Способ оценки жесткости волокна или нити при скользящем изгибе, включающий испытание образца волокна или нити путем огибания им цилиндра с определенным радиусом, перемещение по цилиндру, измерение силового параметра, связанного с перемещением образца, у которого свободный ведомый участок натянут подвешиваемым к нему грузом постоянной массы, а также расчет оценки жесткости, отличающийся тем, что испытание путем перемещения образца по цилиндру проводят в два этапа, на первом используются цилиндр с большим диаметром, а на втором - с меньшим, после перемещения образца по поверхности цилиндра на каждом этапе оценивают силовой параметр в виде энергии, затрачиваемой на перемещение, причем затраченную энергию оценивают по разности углов отклонения физического маятника, у которого в зоне между точкой подвеса и центром тяжести крепится конец ведущего участка испытываемого образца, а оценку жесткости производят по совокупности энергий, одна из которых затрачивается на перемещение по цилиндру с малым диаметром, соизмеримым с условным диаметром сечения образца, а другая - на перемещение по цилиндру с большим диаметром, величина которого больше , мм, где EI - изгибная жесткость образца, Н⋅мм²; Т₀ - сила натяжения ведомого участка образца вследствие подвешивания к нему груза постоянной массы, Н.