CC BY
32
УДК 639.2.081.19
DOI 10.46845/1997-3071-2021-63-11-18
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПО ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЖЕНИЙ НА ПРОЧНОСТЬ РЫБОЛОВНОЙ НИТИ
Д. А. Колотев, А. В. Суконнов
EXPERIMENTAL STUDY ON THE ESTIMATION OF THE EFFECT OF CYCLIC LOADS ON THE FISHING THREAD STRENGTH
D. А. Kolotev, А. V. Sukonnov
Один из путей эффективности лова - повышение износостойкости рыболовных нитевидных материалов. Известно, что в процессе эксплуатации на орудия лова оказывают влияние различные факторы, например, циклические нагру-жения. Работа посвящена экспериментальному исследованию зависимости прочности рыболовных нитевидных материалов от нагружений на примере полиамидных нитей. Проведен обзор и анализ методик такого влияния в области швейного производства и строительства. Отмечено, что эти методики невозможно применить в полной мере в области промышленного рыболовства из-за специфики материала лова - структуры, вида сырья при изготовлении и способа крутки. Разработаны методика проведения испытаний и экспериментальная установка, сконструированная и оснащенная необходимой измерительной аппаратурой. Исследованы факторы, влияющие на прочность рыболовной нити, и диапазон их изменения с учетом методик соседних сфер производства. Применен метод планирования, и составлена матрица для трехфакторного эксперимента на двух уровнях. Получена математическая зависимость остаточной прочности нити, а именно ее диаметра, удлинения, от факторов эксплуатации и количества циклов нагружения.
циклические нагружения, матрица, износ, промышленное рыболовство, диаметр, полиамидная нить, экспериментальная установка
Among the various ways to increase the efficiency of fishing, an important role is given to increasing the wear resistance of fishing filamentous materials that are used in the process of building fishing tools. It is known that in the course of operation, various factors influence fishing gear, one of which is cyclic loading. The work is devoted to an experimental study of the effect of cyclic loading on the residual strength of fishing filamentous materials, on examples of fishing polyamide filaments. In the course of the work, a review and analysis of methods for studying the effect of cyclic loading on the strength of materials in the field of clothing production and in the construction sector were carried out. These methods, which are used in these industries, cannot be fully applied in the field of industrial fishing due to the specifics of fishing materials: the structure of the material, the type of raw materials in the manufacture, the type of twist. To determine the effect of cyclic loading on the residual strength of fishing filamentous materials, an experimental setup and a test procedure for fishing filaments were devel-
oped. Also, the experimental setup developed by the authors was designed and equipped with the necessary measuring equipment. The studied factors affecting the strength of the fishing thread and the range of their changes were determined, taking into account the methods from neighboring production areas. The method of experiment planning is applied and a matrix for a three-factor experiment at two levels is compiled. The mathematical dependence of the residual strength of the thread on the operating factors, namely, the diameter of the thread, the number of loading cycles and the lengthening of the thread, was obtained.
cyclic loading, matrix, wear, commercial fisheries, diameter, nylon, the experimental setup
ВВЕДЕНИЕ
Орудие лова подвержено разного рода износам в процессе использования. Реальные условия эксплуатации демонстрируют, что во время работы в системе судно-трал на все его элементы воздействуют периодические растяжения из-за гидродинамического сопротивления, качки судна и т. д. Это приводит к потере прочности, деформации структуры материала (расслоение, излохмачивание, растяжение) и разрывам. Оценить воздействие циклических нагружений на снижение прочностных характеристик рыболовных изделий и в конечном итоге на орудие лова в целом во время промысла практически невозможно в силу неизученности данного процесса и сложности получения такой оценки [1].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Во многих областях народного хозяйства (строительство, швейное производство, машиностроение) проводились научные исследования о воздействии циклических нагружений на остаточную прочность изделий и материалов. Так, в строительстве при проведении испытаний с бетоном с циклическими нагружени-ями в пределах от 10 до 1000 циклов происходит накопление усталости. В швейном производстве исследованиям подверглись ниточные швы, которые под воздействием нагрузки в диапазоне 70-90 % от предельной разрушались при 10-500 циклах нагружения. С учетом специфических свойств нитевидных рыболовных материалов (структура, вид сырья при изготовлении, крутка и др. ) применить результаты исследований из других областей в промышленном рыболовстве невозможно [2, 3].
МАТЕРИАЛЫ И ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Для исследований были определены следующие образцы полиамидных рыболовных нитей:
- ПА-187 тексх2*3 (полиамидная рыболовная нить, d = 1,8 мм);
- ПА-187 тексх4*3 (полиамидная рыболовная нить, d = 2,5 мм).
Экспертиза с ними по РД 15-191-91 проводилась на оборудовании:
• круткомер КУ-500-2М (для обозначения структуры нити);
• окулярный микроскоп (для измерения диаметра, цена деления микроскопа 0,01 мм);
• разрывные машины Р-0,5 и ИР-5061 (для измерения разрывной прочности).
Чтобы подтвердить достоверность полученных данных, проведены расчеты относительной погрешности определения диаметра и разрывной нагрузки. Расчеты показали, что исследования выполнены с точностью более 95 % [4, 5].
Далее была сконструирована экспериментальная установка (рис.), которая позволяет имитировать воздействие циклических нагружений на закрепленный в ней образец рыболовной нити. Также авторами разработана методика пользования установкой [6].
6 5
Рис. Экспериментальная установка, имитирующая циклические нагружения: 1- электродвигатель; 2 - соединительная муфта; 3 - червячный редуктор;
4 - маховик; 5 - кривошипно-шатунный механизм; 6 - каретка; 7 - неподвижная
траверса
Fig. Experimental installation simulating cyclic loading: 1 - electric motor; 2 - coupling; 3 - worm gear; 4 - flywheel; 5 - crank mechanism; 6 - carriage;
7 - fixed traverse
ВЫБОР ВЛИЯЮЩИХ ФАКТОРОВ
Для определения степени влияния циклических нагружений на сопротивление износу полиамидных рыболовных нитей выбраны следующие факторы: диаметр, количество циклов нагружения и удлинение образца.
Характеристика факторов:
1. Диаметр образца (d) определен в диапазоне 1,8-2,5 мм (часто используемый в производстве орудий лова);
2. Количество циклов нагружения (N) составило от 100 до 1000. Анализируя данные в швейном производстве, отмечено, что максимальное количество было 1000 при удлинении образца на 75 %. Из вышеизложенного можно заключить: диапазон изменения принимается от 100 до 1000 циклов нагружения;
3. Удлинение (Al) задано в пределах 25-75 % от максимального разрывного удлинения образца.
ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для уменьшения количества экспериментов, дальнейшей их систематизации и определения вида зависимости остаточной прочности рыболовных нитей от исследуемых факторов при циклических нагружениях применен метод планирования экспериментов. Так, была составлена матрица (табл. 1) для проведения трехфакторного эксперимента на двух уровнях [7], и даны определения:
- х1: зашифрованное значение d в пределах 1,8-2,5 мм;
- х2: зашифрованное значение N в диапазоне 100-1000 циклов;
- х3: зашифрованное значение Д1 в диапазоне изменения 25-75 % от максимального разрывного удлинения.
Расшифровка кода
1: максимальное значение факторов в диапазоне их изменений, заданных в кодированном виде;
-1: минимальное значение факторов в диапазоне их изменений, заданных в кодированном виде.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения эксперимента, правильной работы установки, имитирующей циклические нагружения, и получения верных данных необходимо выполнять установленную последовательность действий:
1. Определяем разрывную прочность образца и его удлинение при помощи разрывной машины;
2. Собранные в первом пункте данные по удлинению образца распределяем в процентном соотношении - 25, 50, 75 %;
3. Устанавливаем на маховике необходимое начальное удлинение образца при помощи шатунного механизма;
4. Подготовленные четыре образца с одинаковым диаметром и длиной закрепляем на неподвижной траверсе и каретке;
5. Экспериментальные исследования проводим в соответствии со строками матрицы (табл. 1) при заданных значениях количества циклов, диаметра образцов, начального удлинения;
6. Запускаем двигатель, приводя в работу подвижную траверсу, с помощью которой проходит удлинение образцов. При выполнении эксперимента для каждой строки матрицы после прохождения образцом необходимого количества циклов нагружения он помещается в разрывную машину и устанавливается его остаточная разрывная прочность. Все полученные результаты заносим в таблицу в соответствующую строку.
7. Обрабатываем данные.
В каждом опыте испытания проводились по 10 раз, все данные записывались для последующего расчета погрешностей и ошибок (табл. 2)[8].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Экспериментальная деятельность проходила согласно строкам матрицы планирования эксперимента.
Таблица 1. Матрица планирования эксперимента с учетом эффектов взаимодействия
Table 1. Experiment planning matrix taking into account interaction effects_
Номер опыта х1 х2 х3 y
1 -1 -1 -1 -
2 1 -1 -1 -
3 -1 1 -1 -
4 1 1 -1 -
5 -1 -1 1 -
6 1 -1 1 -
7 -1 1 1 -
8 1 1 1 -
Таблица 2. Матрица выполненного эксперимента
Table 2. Experiment matrix
Номер опыта dcp, мм N Alcp% TCPokc, Н
1 1.8 100 25 564,3
2 2.5 100 25 910,2
3 1.8 1000 25 353,1
4 2.5 1000 25 854,4
5 1.8 100 75 456,8
6 2.5 100 75 896,7
7 1.8 1000 75 186,3
8 2.5 1000 75 761,6
Установлена зависимость остаточной прочности полиамидной рыболовной нити от факторов реальных условий эксплуатации, которая имеет вид: Т = 622.5 + 232.75 х Х1 - 84 х - 47.75 хХ3 + 36.25 х Х12 + 21 х Х13 - 17.25 х Я23, где Т - остаточная прочность [Н]; х1 - зашифрованное значение диаметра полиамидной нити в диапазоне 1,8-2,5 мм; х2 - зашифрованное значение количества циклов нагружения в пределах 100-1000; х3 - зашифрованное значение удлинения полиамидной нити (25-75 %).
С целью проверки точности проведенных измерений, а именно диаметра полиамидной рыболовной нити, вычислены относительные погрешности измерения диаметра образцов и составлена таблица с полученными данными (табл. 3). Все измерения выполнены по стандартной методике с использованием электронного микроскопа.
Таблица 3. Расчетные данные для диаметра полиамидных рыболовных нитей
Table 3. Calculated data for t he diameter of polyamide fishing threads
Среднее арифметическое Коэффициент вариации Относительная погреш-
значение диаметра d, мм по диаметру С, % ность измерения edi, %
1,803 0,021 3,283
2,505 0,021 2,364
Для проверки адекватности полученной зависимости сравнили расчетные и экспериментальные значения остаточного разрывного усилия. Численные значения разрывных усилий занесены в табл. 4.
Таблица 4. Сравнение разрывных усилий Table 4. Comparison of breaking forces
Тэкс(Н) Трас(Н) AT%
564.3 561.3 1.01
910.2 912.2 0.99
353.1 355.5 0.99
854.4 851.4 1.01
456.8 458.2 0.99
896.7 893.8 1.01
761.6 763.5 0.99
Тср 1,0125%
Расчеты показывают потерю прочности полиамидной рыболовной нити в результате воздействия циклических нагружений, так как отклонения расчетных величин и экспериментальных данных не превышают 2 %.
Анализ полученной зависимости позволяет установить приоритет воздействия исследуемых факторов на остаточную прочность образца. В частности, наибольшее влияние на прочность оказывает диаметр нити, наименьшее - количество циклов нагружения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:
- полиамидная нить диаметром 1,8 мм при 100 циклах циклических нагружений в диапазоне изменения удлинения от 25 до 75 % от первоначального теряет 19 % прочности, а при 1000 циклах потеря прочности составляет 47,2 %, т. е. увеличение количества циклов нагружений в 10 раз приводит к снижению прочности в 2,5 раза;
- полиамидная нить диаметром 2,5 мм при тех же условиях нагружений теряет прочность в 7,3 раза;
- нити, имеющие меньший диаметр, более устойчивы к воздействию циклических нагружений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Берг, О. Я. Физические основы теории прочности бетона и железобетона / О. Я. Берг. - Москва: Госстройиздат, 1962. - 98 с.
2. Львова, Е. Е. Обоснование и разработка методов экспериментальной оценки износостойкости рыболовных нитевидных материалов от факторов механического износа: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.17 / Львова Екатерина Евгеньевна; КГТУ. - Калининград, 2020. - 154 с.
3. Колотев, Д. А. Экспериментальная установка и оборудование по исследованию влияния циклических нагружений на износ рыболовных ниток / Д. А. Колотев, А. В. Суконнов // Вестник молодежной науки. - 2018. - № 1 (13). [Электронный ресурс]. - URL: http://vestnikmolnauki.ru/wp-content/uploads/2018/03/Kolotev-113.pdf (дата обращения: 19 декабря 2020).
4. Лапина, Е. А. Рыболовные материалы: Методические указания к лабораторным работам для студентов специальности 311800 «Промышленное рыболовство» / Е. А. Лапина. - Петропавловск-Камчатский: КамчатГТУ, 2004. - 60 с.
5. Ломакина, Л. М. Технология постройки орудий лова / Л. М. Ломакина. -Москва, 1984. - 207 с.
6. Шейнблит, А. Е. Курсовое проектирование деталей машин / А. Е. Шейнблит. - Москва, 1991. - 454 с.
7. Долин, Г. М. Планирование экспериментов в промышленном рыболовстве: учеб. пособие / Г. М. Долин. - Калининград: КГТУ, 1996. - 120 с.
8. Степин, П. А. Сопротивление материалов: учеб. для машиностроительных спец. вузов / П. А. Степин. - 7-е изд. - Москва: Высшая школа, 1983. -303 с.
REFERENCES
1. Berg O. Ya. Fizicheskie osnovy teorii prochnosti betona i zhelezobetona [Physical foundations of the theory of strength of concrete and reinforced concrete]. Moscow, Gosstroyizdat, 1962, 98 p.
2. Lvova E. E. Obosnovanie i razrabotka metodov eksperimental'noy otsenki iznosostoykosti rybolovnykh nitevidnykh materialov ot faktorov mekhanicheskogo izno-sa. Diss. kand. tekhn. nauk [Substantiation and development of methods for experimental evaluation of the wear resistance of fishing thread-like materials from mechanical wear factors. Dis. cand. tech. sci.]. Kaliningrad, 2020, 154 p.
3. Kolotev D. A., Sukonnov A. V. Eksperimental'naya ustanovka i oborudo-vanie po issledovaniyu vliyaniya tsiklicheskikh nagruzheniy na iznos rybolovnykh nitok [Experimental installation and equipment for the study of the effect of cyclic loading on the wear of fishing threads]. Vestnik molodezhnoy nauki, 2018, no. 1(13), available at: http://vestnikmolnauki.ru/wp-content/uploads/2018/03/Kolotev-113.pdf (Accessed 19 December 2020).
4. Lapina E. A. Rybolovnye materialy: metodicheskie ukazaniya k labora-tornym rabotam dlya studentov spetsial'nosti 311800 "Promyshlennoe rybolovstvo" [Fishing materials: guidelines for laboratory work for students mastering degree program 311800 "Industrial fishing"]. Petropavlovsk-Kamchatskiy, KamchatGTU, 2004, 60 p.
5. Lomakina L. M. Tekhnologiya postroyki orudiy lova [Technology of fishing gear construction]. Moscow, 1984, 207 p.
6. Sheynblit A. E. Kursovoe proektirovanie detaley mashin [Course design of machine parts]. Moscow, 1991, 454 p.
7. Dolin G. M. Planirovanie eksperimentov v promyshlennom rybolovstve: uchebnoe posobie [Planning of experiments in industrial fishing: textbook]. Kaliningrad, KGTU, 1996, 120 p.
8. Styopin P. A. Soprotivlenie materialov: ucheb. dlya mashinostroitelnykh spets. vuzov [Material resistance. Textbook for degree programs in engineering]. Moscow, Vysshaya shkola, 1983, 303 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Колотев Дмитрий Александрович - Калининградский государственный технический университет; аспирант факультета промышленного рыболовства;
E-mail: newsosed039@mail.ru
Kolotev Dmitriy Aleksandrovich - Kaliningrad State Technical University; Post-graduate student of the Faculty of Industrial Fisheries; E-mail: newsosed039@mail.ru
Суконнов Анатолий Владимирович - Калининградский государственный технический университет; кандидат технических наук, доцент кафедры промышленного рыболовства; зав. лабораториями
Sukonnov Anatoliy Vladimirovich - Kaliningrad State Technical University; PhD in Engineering, Associate Professor of the Department of Industrial Fisheries;
Head of Laboratories
