CC BY
0https://doi.org/10.36038/2307-3497-2024-198-123-129 УДК 639.2.081
ТРУДЫ ВНИРО. 2024 г. Т. 198. С. 123-129 TRUDY VNIRO. 2024. V. 198. P. 123-129
ШЖ2
Рыболовство
Экспериментальные исследования характеристик кручёных рыболовных материалов
А.А. Недоступ, П.В. Насенков
Калининградский государственный технический университет (ФГБОУ ВО «КГТУ»), Советский пр-т, д. 1, г. Калининград, 236022
E-mail: [email protected]
SPIN-код: А.А. Недоступ 7035-5279, П.В. Насенков 7434-6253
Целью работы является разработка математических зависимостей физико-механических характеристик кручёных рыболовных материалов. Создание математического аппарата по моделированию геометрических и силовых параметров кручёных рыболовных материалов является приоритетной задачей для разработки новых материалов для промышленного рыболовства и аквакультуры. Используемые методы: математический анализ полученных опытных данных относительного удлинения и разрывной нагрузки рыболовных материалов с целью определения зависимостей силовых от конструктивных и геометрических характеристик кручёных рыболовных материалов. Новизна: по результатам экспериментальных исследований впервые были получены аппроксимирующие зависимости относительного удлинения и относительной разрывной нагрузки от сплошности изделия, а также от отношения поверхностного и продольного натяжений кручёных рыболовных материалов, изготовленных из полиамида, полипропилена и полиэфира. Результат: математические зависимости позволяют рассчитать относительное удлинение и разрывную нагрузку кручёных рыболовных ниток и верёвок, изготовленных из полиамида, полипропилена и полиэфира в пределе точности 90%. Практическая значимость: математическое моделирование физико-механических характеристик кручёных рыболовных материалов позволяет при проектировании орудий промышленного рыболовства задавать, с учётом запаса прочности, проектные характеристики рыболовных изделий, которые изготовлены из полиамида, полипропилена и полиэфира.
Ключевые слова: математическое моделирование, физико-механические характеристики, кручёные материалы, относительное удлинение, разрывная нагрузка.
Experimental studies of the characteristics of twisted fishing materials
Alexander A. Nedostup, Pavel V. Nasenkov
Kaliningrad State Technical University («KSTY»), 1, Sovetsky Prospekt, Kaliningrad, 236022, Russia
The purpose of the work is to develop mathematical dependencies of the physical and mechanical characteristics of twisted fishing materials. The creation of a mathematical apparatus for modeling the geometric and force parameters of twisted fishing materials is a priority task for the development of new materials for industrial fishing and aquaculture. Methods used: Mathematical analysis of the obtained experimental data on the relative elongation and breaking load of fishing materials in order to determine the dependence of the forces on the structural and geometric characteristics of twisted fishing materials. Novelty: Based on the results of experimental studies, approximating dependences of relative elongation and relative breaking load on the continuity of the product, as well as on the ratio of surface and longitudinal tension of twisted fishing materials made of polyamide, polypropylene and polyester, were obtained for the first time. Result: Mathematical dependencies make it possible to calculate the relative elongation and breaking load of twisted fishing threads and ropes made of polyamide, polypropylene and polyester within an accuracy of 90%. Practical significance: Mathematical modeling of the physical and mechanical characteristics of twisted fishing materials allows, when designing industrial fishing tools, to set, taking into account the safety margin, the design characteristics of fishing products that are made of polyamide, polypropylene and polyester.
Keywords: mathematical modeling, physical and mechanical characteristics, polyamide, polypropylene, polyester, relative elongation, relative breaking load, continuity.
ВВЕДЕНИЕ
Сетные орудия промышленного рыболовства представляют собой сложные инженерные конструкции, состоящие из множества элементов. Каждый элемент, это нитка, верёвка, шнур могут быть кручёные, плетёные, изготовленные из различных материалов,
таких как полиамид (ПА), полипропилен (ПП), полиэфир (ПЭФ), полиэтилен (ПЭ), также могут быть сме-сенные между собой. Сетные орудия промышленного рыболовства в процессе эксплуатации испытывают большие нагрузки, которые воздействуют на каждый элемент, а каждый элемент в данном случае подвержен растяжению, удлинению, в аварийных ситуациях,
когда прочность уменьшается, нитки, верёвки, канаты рвутся. Данные изменения в конструкциях ведут к аварийным ситуациям, к потере промыслового времени, потере улова и к неоправданным экономическим затратам, что является проблемой для предприятий рыбохозяйственного комплекса и «Росрыболовства» [Войниканис-Мирский, 1985; Розенштейн, 2000; Пе-репелкин, 2008]. Для прогнозирования таких физико-механических свойств как относительное удлинение и разрывная нагрузка рыболовных кручёных материалов необходим математический аппарат1. В нашем случае это математические модели, которые описывают относительное удлинение рыболовных кручёных материалов и разрывную нагрузку. Они необходимы для того, чтобы избежать аварийных ситуаций, предсказать какой требуется диаметр и материал для того или иного орудия промышленного рыболовства, для тех или иных условий эксплуатации, причём, за-
пас прочности того или иного элемента можно будет задавать с учётом этих математических зависимостей. Таким образом, данные математические зависимости можно использовать не только для прогнозирования физико-механических свойств рыболовных кручёных материалов, но и использовать для моделирования орудий промышленного рыболовства в процессе их эксплуатации [Недоступ и др., 2020 а, б, в].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для разработки математических моделей необходимо обработать экспериментальные данные, которые получены опытным путём [Насенков и др., 2020]. Эксперименты проводились с образцами нитевидных рыболовных ниток и верёвок, изготовленных из полиамида (ПА), полипропилена (ПП) и полиэфира (ПЭФ) диаметрами 1,1 мм, 2,0 мм, 3,1 мм и 4,0 мм. В табл. 1 представлены входные параметры, получен-
Таблица 1. Экспериментальные данные Table 1. Experimental data
Диаметр нити, d, мм Площадь сечения нити, S=nd2/4 10-6 м2 Кол-во волокон, n Диаметр волокна, dB, мм Сплошность нити, nd] п- 4 Длина нити, L, мм Скорость разрыва нити, v, см/мин Разрывная прочность нити, P, Н Относительное удлинение нити, e
ПП 187 Текс (в сухом виде)
100 10 300,8 0,64
100 50 309,6 0,65
100 100 315,6 0,64
175 10 302,2 0,46
1,1 0,95 737 0,102 175 50 304,9 0,45
175 100 312,5 0,46
250 10 294,5 0,38
250 50 305,4 0,39
0,013 250 100 307,6 0,38
100 10 684,5 0,86
100 50 716,2 0,79
100 100 730,3 0,76
175 10 696,8 0,61
2,0 3,14 2214 0,093 175 50 708,7 0,59
175 100 724,3 0,58
250 10 678,6 0,51
250 50 694,8 0,49
250 100 717,2 0,48
1 https://digitechlab.ru/cad-fg.html
Окончание табл. 1
Диаметр нити, d, мм Площадь сечения нити, S=nd2/4 10-6 м2 Кол-во волокон, n Диаметр волокна, d„ мм Сплошность нити, „"Л 4 Длина нити, L, мм Скорость разрыва нити, v, см/мин Разрывная прочность нити, P, Н Относительное удлинение нити, e
100 10 1339 0,82
100 50 1410,2 0,80
100 100 1447,1 0,77
175 10 1348,3 0,61
3,1 7,54 3715 0,065 175 50 1411,6 0,57
175 100 1425,5 0,53
250 10 1313,4 0,51
250 50 1373,6 0,48
250 100 1414,5 0,45
0,013 100 10 2367,1 0,97
100 50 2406,7 0,94
100 100 2507,7 0,94
175 10 2386,4 0,68
4,0 12,57 7812 0,082 175 50 2457,9 0,66
175 100 2379,7 0,61
250 10 2384,1 0,55
250 50 2387,3 0,52
250 100 2380,7 0,51
ные экспериментальным путём. Более подробно данные представлены в научной статье [Насенков и др., 2020].
Экспериментальные исследования на определение разрывной нагрузки и относительного удлинения проводились на универсальной разрывной машине Shimadzu Аи№дга№ AGS-X10 настольного типа с программным обеспечением. Данная разрывная машина имеет возможность проведения стандартных испытаний по контролю качества, механических испытаний как для общего назначения, так и для проведения научно-исследовательских работ. Испытания проводились по стандартным методикам определения прочностных характеристик, но с различными длинами образцов и различными скоростями разрыва.
Оценка точности проводимых испытаний соответствует точности измерения усилия разрывной машины при высокоточном типе в пределах ±0,5% от значения силы номинальной мощности нагрузки (согласно паспортным данным разрывной машины Shimadzu Аи№дга№ AGS-X10). Калибровка усилия проводилась перед каждым испытанием в автоматическом режиме.
Диаметр волокна определялся при помощи автоматизированной системы измерения толщины волокна МТ-580. Система предназначена для автоматизации определения геометрических размеров волокна под микроскопом.
В табл. 2 представлен ряд расчётных данных испытываемых образцов в сухом виде при номинальной влажности ПП - 1,0%, ПА - 5,0%, ПЭФ - 1,0% [РД 31.03.03-90, 1990] 2.
На основании данных табл. 2 построены графики аппроксимирующих зависимостей е =/(а) (рис. 1) и е =/(Х) (рис. 2) для всех материалов. Аппроксимация была проведена методом наименьших квадратов.
Ошибка аппроксимирующих зависимостей составляет не более 7%.
Относительное удлинение можно представить расчётным значением (1) и (2):
2 РД 31.03.03-90, 1990. Применение синтетических канатов на судах министерства морского флота. С. 55.
-1/2
=кЛХ~т. (1)
Таблица 2. Расчётные данные Table 2. Calculated data
d, мм L, мм Масса нити, m, 10-3 кг Вес нити, p=mg, 10-3 Н Л=L/d s=P/S 108 Н/м2 (Па) а=p/P 10-6 E = s/e 108 Н/м2 (Па) и = e/Л 10-3 X = s/Л 106 Н/м2 (Па) H = P(v2/eL) Вт/с
ПП 187 Текс (в сухом виде)
100 3,16 1,6 4,92 7,07 3,48 0,01
100 0,05 0,49 90,9 3,25 1,5 4,94 7,24 3,58 0,32
100 3,32 1,5 5,13 7,11 3,65 1,35
175 3,18 2,9 6,82 2,92 1,99 0,01
1,1 175 0,09 0,88 159,1 3,20 2,8 7,11 2,83 2,01 0,26
175 3,28 2,8 7,16 2,88 2,06 1,08
250 3,09 3,9 8,15 1,67 1,36 0,008
250 0,12 1,17 227,3 3,21 3,8 8,24 1,71 1,41 0,21
250 3,23 3,8 8,38 1,69 1,42 0,88
100 2,17 2,4 2,51 17 4,35 0,02
100 0,17 1,66 50 2,28 2,3 2,88 16 4,55 0,62
100 2,32 2,2 3,03 15 4,64 2,64
175 2,21 4,0 3,63 6,98 2,53 0,01
2,0 175 0,29 2,84 87,5 2,25 4,0 3,83 6,72 2,57 0,47
175 2,30 3,9 3,97 6,62 2,63 1,98
250 2,16 5,7 4,21 4,10 1,72 0,01
250 0,40 3,92 125 2,21 5,6 4,53 3,90 1,76 0,39
250 2,28 5,4 4,78 3,81 1,82 1,67
100 1,77 2,3 2,15 25,54 5,50 0,04
100 0,32 3,13 32,2 1,86 2,2 2,33 24,86 5,79 1,22
100 1,91 2,1 2,48 23,9 5,94 5,21
175 1,78 3,9 2,93 10,79 3,16 0,03
3,1 175 0,55 5,39 56,4 1,87 3,8 3,28 10,08 3,31 0,98
175 1,88 3,7 3,57 9,37 3,34 4,27
250 1,74 5,8 3,43 6,27 2,15 0,02
250 0,78 7,64 80,6 1,82 5,5 3,78 5,96 2,25 0,79
250 1,87 5,4 4,15 5,59 2,32 3,48
100 1,88 2,7 1,93 38,88 7,53 0,06
100 0,66 6,47 25 1,91 2,6 2,03 37,64 7,66 1,77
100 1,99 2,5 2,12 37,64 7,98 7,40
175 1,89 4,5 2,76 15,68 4,34 0,05
4,0 175 1,10 10,78 43,7 1,95 4,3 2,96 15,09 4,47 1,47
175 1,89 4,5 3,09 13,99 4,32 6,17
250 1,89 6,3 3,46 8,76 3,03 0,05
250 1,55 15,19 62,5 1,90 6,3 3,63 8,35 3,04 1,27
250 1,89 6,3 3,70 8,17 3,03 5,17
ПП ПА ПЭФ
Рис. 1. График аппроксимирующей зависимости относительного удлинения от отношения веса нити к разрывной прочности Fig. 1. Graph of approximating dependence of relative elongation on the ratio of thread weight to tensile strength
1 ПП 4,0 мм
V
\ 12,0 мг.
к ч (л
к ■ ПП1,
ппз
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
\ Д. 2,0 мм
ч
\
ПАЗ / 1мм ч
\ ч ПА 1 1«ы
■
100 125 150 175
V пэф; ,1 мм
/V /
пэф 4 ) • 0 мм к ч
■ пэ ф 1,1 ml
пэф
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
ПП
ПА
ПЭФ
Рис. 2. График аппроксимирующей зависимости относительного удлинения от конструктивного удлинения Fig. 2. Graph of approximating dependence of relative elongation on structural elongation
где е - относительное удлинение; кх - коэффициент, зависящий от вида материала, диаметра и сплошности; X - конструктивное удлинение.
-1/2
£=к _
а\р
=каа
-1/2
(2)
где ка - коэффициент, зависящий от вида материала, диаметра и сплошности; а - отношение веса нити к разрывной прочности. Приравняем (1) и (2)
к,Л~т=к а~112
А а
или
«П-
VH
PL '
(3)
(4)
при условии, что напряжение ст = P/S, длина окружности нитки 1окр=nd и площадь поверхности нитки
Snoe =
LloKp, получим:
pS _ 4р _ 4р _4стпов ' nd\ oLnd crS„„„ о '
** ПОв
. 4
PL
где апое=р/Бпое - напряжение поверхности нити. Тогда выражение (4) представим в виде:
4а.
=0,5.
(5)
Умножим в скобках верхнюю и нижнюю части выражения на отношение ^/4, получим:
Представим коэффициенты kx и ka, зависящими от сплошности нитки Fn.
(6)
где а - коэффициент, зависящий от материала нитки. Приравняем отношения кх/ ка
аГ = 0,5,—
или
£^¿=0,25 Из (7) получим:
o=Aa2F2no .
0 пов
Введём коэффициент а1:
а1=4а2,
тогда выражение (8) представим в виде:
a=a,F,a .
1 0 пов
(7)
(8) (9)
(10)
Так как ст = P/S, то выражение (10) представим в виде:
1 0 пов 10с 5
пов пов
При условии, что отношение площадей: пё2
Б пй1 4Л
пов
получим выражение (11) в виде:
Обозначим величину р через выражение:
(11)
(12)
(13)
р=Ы. (14)
где Ь - коэффициент, зависящий от материала нитки (вес одного метра нитки) или характеристика материала волокна нитки.
Тогда выражение (13) представим в виде:
P=a2F2bL—=a2F2bd
у и
или в виде:
Р=
bd.
(15)
(16)
Сравнение разрывной нагрузки, полученной экспериментальным путём, и разрывной нагрузки, полученной по математической модели, представлено в табл. 3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложенные математические зависимости (116) позволяют рассчитать относительное удлинение и разрывную нагрузку кручёных рыболовных ниток и верёвок, изготовленных из ПА, ПП и ПЭФ, в пределе точности 90%.
Математическое моделирование физико-механических характеристик кручёных рыболовных материалов позволит при проектировании орудий промышленного рыболовства задавать, с учётом запаса прочности, проектные характеристики рыболовных изделий, которые изготовлены из ПА, ПП и ПЭФ. Дальнейшие исследования будут направлены на определение математических зависимостей расчёта относительного удлинения и разрывной нагрузки для влажных кручёных рыболовных материалов.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Все применимые этические нормы соблюдены.
Таблица 3. Сравнительные данные Table 3. Comparative data
Диаметр нити, d, мм Длина нити, L, мм Скорость разрыва нити, v, см/мин Экспериментальна разрывная прочность нити, Рэкс,, Н Расчётная разрывная прочность нити, Ррас, Н
ПП 187 Текс (в сухом виде)
1,1 100 10 300,8 303,5
2,0 100 10 684,5 691,7
3,1 100 10 1339 1361
4,0 100 10 2367,1 2488
Финансирование
Исследование выполнено в рамках выполнения государственного задания по теме «Разработка физических, математических и предсказательных моделей процессов эксплуатации донного и разноглубинного траловых комплексов».
ЛИТЕРАТУРА
Войниканис-Мирский В.Н. 1985. Рыболовные материалы, сетные и такелажные работы. М.: Агропромиздат. 183 с.
Насенков П.В, Недоступ А.А, Наумов В.А. 2020. Экспериментальные исследования разрывного усилия и относительного удлинения рыболовных верёвочной-нитевидных изделий с различной скоростью разрыва и длиной исследуемых образцов // Известия КГТУ. № 58. С. 35-48.
Недоступ А.А, Насенков П. В., Ражев А. О, Коновалова К. В., Федоров С.В. 2020 а. Обоснование правил подобия разрывной нагрузки рыболовных кручёных изделий // Вестник АГТУ. Серия: Рыбное хозяйство. № 1. С. 38-45.
Недоступ А. А., Коновалова К. В., Насенков П. В., Ражев А. О, Альтшуль Б. А., Федоров С. В. 2020 б. Относительная жёсткость рыболовных кручёных изделий // Вестник АГТУ. Серия: Рыбное хозяйство. № 1. С. 46-60.
Недоступ А.А, Ражев А. О, Наумов В.А, Дятченко С. В., Коновалова К.В, Соколова Е.В. 2020 в. Расчёт прогиба композитного ваера численным методом точечных масс при компьютерном моделировании // Морские интеллектуальные технологии. № 2. Т. 1. С. 210-215.
Перепелкин К.Е 2008. Химические волокна: развитие производства, методы получения, свойства, перспективы. Санкт-Петербург: РИО СПГУТД. 315 с.
Розенштейн М.М. 2000. Механика орудий рыболовств. Калининград: Изд-во КГТУ. 362 с.
REFERENCES
Voynikanis-Mirsky V.N. 1985. Fishing materials, netting and rigging. Moscow: Agropromizdat. 183 p. (In Russ.)
Nasenkov P.V., Nedostup A.A, Naumov V.A. 2020 a. Experimental studies of breaking force and relative elongation of fishing rope-thread products with different breaking speeds and lengths of the studied samples // News of KSTU. No. 58. P. 35-48. (In Russ.)
Nedostup A. A., Nasenkov P. V., Razhev A. O., Konovalova K. V., FedorovS.V. 2020 б. Justification of the rules for similarity of breaking load of fishing twisted products // Bulletin of the Astrakhan State Technical University. Series: Fisheries. Astrakhan. ASTU. No. 1. P. 38-45. (In Russ.)
Nedostup A. A., Konovalova K. V., Nasenkov P. V., Razhev A. O., Altshul B. A, Fedorov S. V. 2020 в. Relative rigidity of fishing twisted products // Bulletin of the Astrakhan State Technical University. Series: Fisheries. Astrakhan. ASTU. No. 1. P. 46-60. (In Russ.)
Nedostup A. A., Razhev A. O., Naumov V.A., Dyatchenko S. V., Konovalova K. V., Sokolova E. V. 2020. Calculation of the deflection of a composite warp using the numerical method of point masses in computer modeling // Marine intelligent technologies. No. 2. T. 1. P. 210-215. (In Russ.)
Perepelkin K.E. 2008. Chemical fibers: production development, production methods, properties, prospects. St. Petersburg: RIO SPGUTD. 315 pp. (In Russ.)
Rosenshtein M.M. 2000. Mechanics of fishing gear. Kaliningrad: Publishing house KSTU. 362 p. (In Russ.)
Поступила в редакцию 07.07.2024 г.
Принята после рецензии 01.10.2024 г.
