Исследование износостойкости материалов, применяемых для изготовления швейных изделий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 687.053

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ Татьяна Николаевна Архипова, к.т.н., доцент, e-mail: [email protected] ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва

Рассмотрены проблемы повышения износостойкости швейных материалов в некоторых технических системах, в частности в автомобилях; приведена схема установки, которая дает возможность оценивать процесс изнашивания швейных материалов сидения автомобиля при переменных значениях силового воздействия; показано влияние оптимизации технических характеристик механической части техники на эксплуатационные показатели швейных материалов, применяемых в технических средствах.

The author considers the problems of of increasing wear resistance of sewing materials in some technical systems, particularly in automobiles. The article presented a diagram of the installation, which makes it possible to evaluate the process of wearability of sewing materials of a car with variable values offorce impact. The authors showed the impact of optimizing the technical characteristics of mechanical equipment on the operational parameters of sewing materials used in technical facilities.

Ключевые слова: износостойкость и деформирование швейных материалов, сидение автомобиля, жесткость механических систем.

Keywords: wear resistance and deformation of sewing materials, car seat, the rigidity of mechanical systems.

Говоря о роли швейного производства в стране, специалисты ЦНИИШП всегда подчеркивают важность применения своей продукции в народном хозяйстве. Швейные изделия, в частности одежда, представлены от космоса до глубин океана, а при производстве удобных и надежных изделий прикладная наука отрасли использует достижения многих фундаментальных наук.

В данной статье рассмотрены некоторые вопросы износостойкости швейных материалов (тканых, нетканых, кожи и т.п.), которые широко используются в автотранспортных средствах, как для отделки салона автомобиля, так и для сидения (что имеет большое значение для комфортности водителя).

Согласно проведенным исследованиям, правильный подбор швейных материалов для автомобиля не только облагораживает салон, но и создает условия для поддержания

исправного состояния сидения в сложных условиях эксплуатации. Известно, что материалы сидения испытывают значительные и сложные нагрузки, что часто приводит к разрушению структуры материала и разрыву соединительных швов. В связи с этим к материалам сидения автомобиля следует предъявлять повышенные требования, прежде всего, следующие:

• эстетичность (внешний вид) и экологичность (материалы должны быть безопасны, т.е. не должны выделять вредных испарений);

• упругость, обеспечивающая релаксацию пакета после снятия нагрузки;

• изотропность материалов, входящих в пакет сидения, что обеспечивает равномерность распределения нагрузки при эксплуатации;

• невысокий уровень ползучести верхнего слоя материала сидения, что позволяет ему надежно и относительно длительно функционировать при допустимых значениях остаточной деформации;

• совместимость слоев пакета по реологическим свойствам (реологическим моделям), что обеспечивает необходимый уровень точности прогнозирования и рациональное распределение действующих сил при проектировании оболочки сидения;

• долговечность и износостойкость каждого слоя пакета при сохранении определенного уровня функциональных параметров.

Последние пять требований относятся к категории механических требований, предъявляемых к изделиям, работающим при внешнем силовом воздействии.

Для салонов автомобилей, в том числе и для сидений, производители предлагают широкую гамму материалов, которые не всегда отвечают перечисленным выше механическим требованиям. В связи с этим авторами предлагается следующий способ оценки основных характеристик материалов для сидения автомобилей.

При разработке кресла для автомобиля требуется решить как минимум две основные задачи. Первая из них - это подбор материалов для сидения. Материалы должны отвечать определенным механическим требованиям: обладать достаточной износостойкостью и минимальной ползучестью. Второй важной задачей является уменьшение силового воздействия неровностей дороги на сидение водителя.

При решении первой задачи определение устойчивости тканей к истиранию проводят на приборе типа ТИ-1, разработанном в ЦНИИШерсти. Принцип его работы заключается в том, что образцы испытуемого материала закрепляют на рабочих головках (их две). Рабочие головки обтянуты резиной, снизу к ним подается сжатый воздух для

создания давления на испытуемые образцы. При этом сверху на образцы оказывает силовое воздействие диск, обтянутый серошинельным сукном. Диск получает вращательное движение. Испытания проводят до разрушения структуры в испытуемых образцах.

Условия функционирования материалов для сидения кресла автомобиля значительно отличаются от приведенных выше условий испытания материалов на изнашивание. Они заключаются не только в интенсивном изнашивании при относительном скольжении двух материалов (материала сидения и материала одежды водителя) в горизонтальной плоскости, но и в циклическом нагружении в вертикальной плоскости при воздействии вибрации, передаваемой от рельефа дороги на кресло водителя.

Для испытания износостойкости материалов сидения автомобильного кресла авторами предлагается принципиальная схема установки, в которой реализуются отмеченные условия изнашивания (рис.1). Работа установки заключается в следующем.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для испытания материалов сидения на изнашивание

Испытуемый материал 8 закрепляют на столе 9 с помощью планок 7 и прижимают валиками 6, обтянутыми серошинельным сукном. Снизу подводят рабочий орган в виде пуансона 1 полусферической формы. Пуансон с металлическим штоком 2 подпружинен цилиндрической пружиной 3. Свободный конец штока 2 проведен в сердечник 4 катушки 5, которая вместе с пуансоном образует электровибратор.

В процессе испытания пуансон осуществляет циклическое воздействие на материал, имитируя процесс изнашивания материала сидения от действия вибрации,

связанной с неровностями дороги. Одновременно валики 6 в зоне контакта с образцом материала изнашивают его за счет сил трения скольжения, аналогично трению одежды водителя о сидение машины. Установка позволяет оценивать различные материалы по критерию износостойкости, имитируя с большой точностью реальные условия эксплуатации материалов сидения автомобиля.

Данная установка также обеспечивает проведение ускоренных испытаний различных тканей и нетканых материалов, что важно при выборе их по механическим показателям на этапе проектирования кресла. Для этого параметры электровибратора (цикличность) и валиков 6 (усилие прижатия) регулируемы.

В настоящее время для сидений кресла автомобилей применяют различные материалы. Это, например, микрофибра на основе тканых и нетканых материалов. Микрофибра обладает высокой прочностью и износостойкостью. Используют также жаккардовые ткани, вырабатываемые на специальных станках из хлопчатобумажной или смешанной пряжи. Применяются ткани типа «велюр». Это ворсовые ткани, которые характеризуются высокой износостойкостью. Широкое применение находят натуральные и искусственные кожи, например экокожа «Аригон» с полиуретановым покрытием. Толщина ее 1,15 мм, удельный вес 500 г/п.м, цикл истирания 40 000.

Однако такой характеристики, как ползучесть, в описании этих материалов не приводится. А это основная характеристика при механическом воздействии на многие конструкционные материалы. На сидение действует нагрузка сложного вида, состоящая из постоянной статической нагрузки водителя и динамической нагрузки от той же массы водителя при вертикальных колебаниях кресла от профиля дороги. Под действием этой нагрузки материалы сидения накапливают остаточную деформацию, в результате чего сидение теряет форму, верхний слой пакета (обтягивающий материал) удлиняется как вдоль, так и поперек сидения. Считается общепринятым, что ползучесть представляет собой процесс вязкого течения, при котором происходят структурные изменения в материале. Наиболее наглядно этот процесс можно описать с помощью механических моделей.

Механические свойства швейных материалов включают, как правило, упругую и вязкую составляющие. Упругая составляющая подчиняется закону Гука: оу = Е е, где оу -напряжение в материале, пропорциональное его деформации е; Е - модуль упругости материала.

Вязкая же составляющая зависит от параметров внутреннего сопротивления Я и скорости деформирования е, т.е. ов = R е. Вязкая составляющая напряжения ов при высокой скорости деформации (а это происходит постоянно при действии неровностей

дороги) приводит к быстрому разрушению структуры материала и соединительных швов. Установка, схема которой приведена на рис. 1, дает возможность визуально оценивать процесс изнашивания швейных материалов сидения при переменных значениях силового воздействия.

Как было отмечено выше, второй важной задачей при разработке кресла водителя является снижение этих силовых воздействий, т.е. уменьшение вибрационного влияния неровностей дороги на сидение водителя. Известно, что одной и той же конструкцией кресла могут пользоваться люди с различным весом. В этом случае параметры виброзащиты кресла становятся неоднозначными. Добиваться одинаковых эргономических условий при этом можно путем адаптации кресла к переменной статической нагрузке. Эти задачи в целом решены на многих современных легковых машинах. Конструктивные решения различны, иногда весьма сложны и не надежны. Известна принципиальная схема решения данной задачи [1] преимущественно для грузового автотранспорта, в которой для автоматической настройки кресла на изменение статической нагрузки в структуре кресла имеются источник энергии, следящая система и исполнительный механизм.

Данная схема кресла (рис. 2) модернизирована авторами и включает в себя упругий элемент 5, состоящий из плоских пружин, которые соединены крестообразно и опираются на корпус машины, резиновую пневмокамеру 6 с обоймой 7. Высота пневмокамеры и давление автоматически меняются при изменении статической нагрузки на кресло. Сидение кресла покрыто губчатой резиной 1, выравнивающим слоем 2 и обтяжкой 3, которые совместно входят в ложе 4 кресла. При действии повышенной статической нагрузки сидение кресла перемещается вниз, связанные с ним плоские пружины 5 деформируются, перемещая вниз стойку 9, опирающуюся на обойму 7. Стойка замыкает подвижный 10 и неподвижный 11 контакты в электрическую цепь малого напряжения. От этого срабатывает клапан ресивера (на схеме не показан), и сжатый воздух поступает в камеру 6. Давление в камере повышается, чем и обеспечивается необходимый уровень виброзащиты. При этом вместе с сидением перемещается вверх и стойка 9, размыкая контакты 10 и 11, что приводит к прекращению подачи сжатого воздуха в камеру 6.

Рис. 2. Принципиальная схема кресла, адаптированного к статической нагрузке

В данном случае резиновая камера 6, выполняющая роль следящей системы и корректора жесткости виброзащиты кресла, выполнена в виде эллиптического тора, что позволяет гасить упругие колебания по нелинейному закону, устраняя тем самым возможность появления резонансных колебаний в предложенной системе кресла автомобиля. Проектировать этот элемент кресла целесообразно компьютерными средствами. Данную поверхность получают вращением эллипса вокруг оси 0Z, что описывается зависимостями Х = Х (у) = J + 008 V,

Z = Z (у) = г зту,

. . сЬ

где г = г (V) =

(1)

sjb2 sin2 ¡3 + c2 cos2 ft Здесь в = v - в (в = const - угол наклона полуоси эллипса к плоскости X0Y; c, b, J, r -параметры эллипса и его положения (рис. 3).

Рис. 3. Схема эллипса, образующего открытый эллиптический тор

Удобно задавать форму эллиптического тора параметрически: х = х(и,у); у = у(и,\); 2 = г(у) в системе Mathcad, где и - угол, отсчитываемый от оси 0Х в сторону оси

07 (на схеме не показан). Причем в данном случае 0 < и < 2п.

В матричном виде это будет:

V л

М (и, V) =

сЬ

гСОБ V

СОБ и

\

J + -

сЬ

гСОБ V

п

п

сЬ

/Ь28т I V --I + С2 СОБI V - :

У

(2)

а реализация матрицы дает вышеупомянутый тор (рис.4).

Рис. 4. Форма поверхности упругого элемента в виде открытого

эллиптического тора Важна также форма поверхности обоймы 7 амортизатора, работающего совместно с камерой 6 и обеспечивающего наилучшие условия рассеивания вредных силовых воздействий от рельефа дороги. Из конструктивных соображений была выбрана форма поверхности обоймы амортизатора в виде глобоида (рис. 5). Поверхность глобоида образуется вращением дуги окружности вокруг оси 0Z, лежащей в плоскости этой дуги, где q - радиус этой окружности; g - радиусы центров образующих окружностей.

Параметрическая форма задания данной поверхности в матричном виде (3):

g + ( q cos v ) cos u

М(u,v) = g + (qcosv)sinu , (3)

q sin v

а реализация матрицы в системе Mathcad была представлена соответственно на рис 5.

Учитывая, что жесткость разрабатываемой системы кресла будет определять условия функционирования и изнашивания его швейных материалов, составим

эквивалентную расчетную схему упругой системы кресла (рис. 6), где с5 и с6 - жесткость горизонтальных пружин 5 и резинового баллона 6 (см. рис. 2).

Рис. 6. Эквивалентная схема для определения жесткости амортизирующей системы кресла

Жесткость, Н/м, амортизирующей системы кресла определяется как производная от Г - силы действия неровностей дороги на упругие элементы.

Исходя из известных положений [1, 2], силовая реакция (жесткость)

амортизирующей системы кресла при смещении его на некоторую величину вверх (по оси Т) под воздействием неровностей дороги на упругие элементы выражается в виде формулы

F = евЪ + 2С5г(1 —,а + ^° ), (4)

4г2+а2

где ¿0 - деформация пружин 5 по оси Т от действия силы Г, Н; а - длина пружин 5.

Продифференцировав выражение (4) по Т, найдем жесткость амортизирующей системы:

гх2)=С(5+2с5 (1 —а+д°)+2с^(1 —а+до)'=

47+ а2

47+ а2

- С6 + 2С5(1 -

а + Зп

1

-) + 2с52(-(а + 30)22(-^)(г2 + а2) 2 =

47+ а2' ...........2"

3

а + ¿о (а + )2 \ о л -(а + ^)(2 + а ) + (а + ^0)2 )

= С6 + 2С5(1 I ■ \ = С6 + 2С5(1 + ' 3

*2 + а (22 + а2)2 (22 + а2)2

^О 4^2

(а + ^о)а» „ а(1 + 7)й

= С6 + 2С5 (1 - ----^Т) = С6 + 2С5 (1-----------------------^-Г")'

(22 + а2)2 а3 (1 + 2 )2

а

Отнесем жесткость системы к жесткости вертикальной пружины Сб.:

С5 2 ¿0

— = с ;_ = 2 ; — = а

2с ’ с ’ с 5

с6 а а

и получаем удобную для исследования зависимость жесткости системы кресла:

Сс = 1 + 2С2с

(5)

(1 + 22)3/2

Из этого выражения видно, что в положении статического равновесия (2 = 0) жесткость амортизирующей системы кресла зависит только от параметров с2с и ас, задаваемых на этапе проектирования с учетом особенности функционирования тех технических средств, для которых разрабатывается данная амортизирующая система. При этом обеспечивается несущая способность упругой системы, а параметры системы приобретают свойство нелинейности.

Данная амортизирующая система удобна для применения при гашении значительных возмущающих колебаний, передаваемых на сидение водителя автотранспортного средства. Преимущественное назначение системы - это грузовой автотранспорт, для которого кресло не только усложняется структурно, но и становится более тяжелым, что нежелательно для легковых машин.

При разработке установки, схема которой представлена на рис.1, предусматривается использование положений теории подобия на основе ряда безразмерных п-переменных [4], в частности: материал для испытания на установке будет тот же, что и на реальном сидении автомобиля; размерные параметры обтягивающего

материала для сидения и обтягивающего материала рабочего органа установки берутся в определенной пропорции; величины давления на обтягивающие материалы сидения и установки также устанавливаются пропорционально друг относительно друга.

Литература

1. Виброзащитные системы с квазинулевой жесткостью / П.М. Алабужаев, А.А.Гритчин, Л.И. Ким и др. / Под ред. К.М. Рагулькиса. Л.: Машиностроение. 1986.

2. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти томах / Ред. В. Н. Челомей (пред.). Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов / Под ред. Ф. М. Диментберга и К. С. Колесникова. М.: Машиностроение. 1980.

3. Сучилин В.А. Демпфер. А.с. № 1726867.МКИ^ 16 F 13/00,1992.

4. Кобаяси А. Экспериментальная механика. Т. 2 / Под ред. Б.И.Ушакова. М.: Мир.

1990.

Поступила 09.07.2011 г.