CC BY
47
УДК 629.113
Исследование работы многослойных оболочек в оборудовании влажно-тепловой обработки швейных изделий
Татьяна Николаевна Архипова, к.т.н., доцент, e-mail: arhimoda@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Исследованы свойства обтягивающих вязкоупругих материалов объемных швейных изделий; показана роль технологий формообразования данных изделий, находящихся в предварительно деформированном состоянии; рассмотрены требования к обтягивающим материалам и установлен состав материалов для подушек оборудования влажно-тепловой обработки (ВТО); предложена принципиальная схема установки для испытания износостойкости обтягивающих материалов подушек оборудования ВТО, позволяющая реализовать условия их изнашивания.
The author makes the research of the peculiarities of viscoelastic relief tight materials sewing products. The article shows the role of technology of shape forming of the products that are in pre-deformed state. The author discusses the requirements for tight materials. The composition of materials for pads of equipment of wet-heat treatment is set. The author proposed a schematic diagram of apparatus for testing tight materials of equipment bags of WTO which allows creating the conditions for their wear.
Ключевые слова: формообразование, выпуклая оболочка, оборудование ВТО, подушки пресса.
Keywords: shape forming, convex hull, equipment of WTO, press pads.
К изделиям, имеющим многослойные оболочки, можно отнести рабочие органы (подушки) прессового оборудования влажно-тепловой обработки (ВТО) швейных изделий, диваны, кресла, сидения автомашин и многие другие предметы быта, в которых присутствуют элементы конструкции, включающие в себя тканые и нетканые материалы или кожу, и образующие многослойный пакет в виде оболочки. Причем, выпуклые оболочки создаются за счет специальных технологий формообразования. В связи с этим материалы оболочек находятся, как правило, в предварительно деформированном состоянии. Нагрузка же, передаваемая на них в процессе эксплуатации, практически не является очевидной. Таким образом, для оценки эксплуатационных свойств изделий с многослойными оболочками необходимы в каждом конкретном случае специальные исследования.
При этом определенный интерес для исследования представляют условия функционирования подушек прессов оборудования ВТО, которые связаны со сложностью нагружения материалов многослойных оболочек, низкой долговечностью их и широким применением оборудования в швейном производстве.
Для обеспечения необходимых условий выполнения технологических операций прессования (глажения) изделий подушки пресса оборудования ВТО имеют форму выпуклой оболочки. При этом
материалы пакета подушек получают нагрузку в виде распределенного по сложному закону давления со стороны верхней подушки на нижнюю. Многие вопросы механического воздействия на материалы многослойной оболочки подушек оборудования ВТО еще не исследованы. Известно лишь, что ресурс данных рабочих органов весьма ограничен [1]. В условиях массового производства одежды срок службы материала покрытий подушек (обтягивающего материала) составляет 20 - 30 дней.
Согласно проведенным исследованиям [1] перспективным пакетом, например, для нижней подушки пресса можно считать следующий состав материалов:
• амортизирующий слой, состоящий из губчатой резины с закрытыми порами;
• выравнивающий слой из высокообъемной технической ткани;
• обтягивающий слой материала, получаемый из оксалоновых волокон.
На основе анализа условий функционирования оборудования ВТО и рекомендаций по оптимальному использованию свойств материалов рабочих органов прессов [1] к подобным многослойным оболочкам, на взгляд авторов, необходимо предъявлять следующие основные требования:
• упругость для обеспечения релаксации пакета после окончания технологической операции прессования;
• изотропность оболочки при деформации всех слоев пакета для обеспечения равномерности нагрузки как на материалы слоев пакета, так и на обрабатываемое изделие;
• невысокий и одинаковый уровень ползучести слоев пакета оболочки для обеспечения надежного и относительно длительного функционирования при допустимых значениях остаточной деформации;
• совместимость слоев пакета по реологическим свойствам (реологическим моделям) для обеспечения необходимого уровня точности прогнозирования и рационального распределения действующих сил при проектировании оболочки;
• долговечность и износостойкость каждого слоя пакета при сохранении на определенном уровне функциональных параметров;
• достаточная теплостойкость и паростойкость;
• необходимая теплопроводность и гигроскопичность;
• высокая паро- и воздухопроницаемость. Первые пять требований относятся к категории механических требований, предъявляемых к изделиям, работающим при внешнем силовом воздействии. При оценке вопросов функционирования данного вида оборудования наиболее слабо изучены именно эти свойства пакета материалов, входящих в состав многослойных оболочек рабочих органов оборудования ВТО.
Особый интерес для исследования в отмеченных изделиях представляет материал для обтягивания. Обтягивающий материал - это наружный слой покрытия подушек пресса, сшитый по их форме. При пропаривании изделия пар через структуру обтягивающего материала поступает к обрабатываемому изделию (полуфабрикату), пропаривает его, переводя волокна изделия в высокоэластическое состояние. При этом обтягивающий материал испытывает еще и значительные механические воздействия со стороны амортизирующих слоев верхней и нижней подушек, что является, видимо, причиной невысокой долговечности ее. Как отмечалось выше [1], в настоящее время для подушек пресса применяют ткань из оксало-новых волокон, отличающуюся высокой износостойкостью и малоусадочностью, но и она не обеспечивает необходимого качества по критерию долговечности. В связи с этим всестороннее изучение условий работы материалов верхнего слоя подушек прессов является важной и актуальной задачей.
Для изучения механических свойств швейных материалов целесообразно применять известное в механике сплошных сред научное направление, получившее название реология [2 - 3], которая использует более строгий математический аппарат, чем общая теория сопротивления материалов. В общей трактовке реология - это наука о деформациях и текучести сплошных сред, обнаруживающих упругие, пластические и вязкие свойства в различных сочетаниях.
Швейные материалы не являются однородными и изотропными средами. Но, тем не менее, реология позволяет рассматривать такую среду как сплошную. Этот подход в нашем случае дает возможность избежать трудностей, связанных с изучением специфики деформирования различных по структуре швейных материалов, и сравнительно просто описать основные черты поведения их при воздействии заданных нагрузок. Математическая модель механических свойств материала задается уравнением, связывающим напряжения и деформации, причем в это уравнение могут входить и скорости приложения напряжений, и соответствующие деформации, т.е. их производные по времени. Подобные уравнения называются реологическими уравнениями состояния материала и играют с некоторыми допущениями роль, аналогичную роли уравнений состояния идеальной жидкости и твердого тела.
Механические свойства швейных материалов включают, по мнению ряда исследователей [2 - 3], упругую и вязкую составляющие, схематичное изображение которых представлено на рис. 1. Упругая составляющая, как известно, 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 £, т.е. Ов = Я £.
Сочетание в разных вариантах этих элементов позволяет составлять физические модели различных по составу и свойствам швейных материалов и отражать их механические свойства в аналитическом виде.
Наиболее часто исследователи представляют модель швейного материала в виде параллельного их соединения (рис. 2). Такая модель называется моделью Фойгта. Согласно ей предполагается, что деформация обоих элементов одинакова, а напряжения в сумме составляют полное напряжение: о = =оу + ов. Следовательно, о = Е е + Я £ является
Рис. 1. Схема изображения упругого (а) и вязкого (б) элементов в составе структуры швейных материалов
Рис. 2. Физическая модель швейных материалов при параллельном соединении элементов структуры
вающего материала можно сделать заключение, что волокна нитей материала становятся рыхлыми, а нити получают смещение относительно друг друга. Наибольший износ получили нити, расположенные в зонах максимальной кривизны оболочки подушек. Можно предположить, что в процессе эксплуатации подушек нити обтягивающего материала за счет тепла, влаги и повышенной деформации в этих зонах теряют силы сцепления, заданные при производстве еще на ткацких станках, что приводит к их разрушению.
дифференциальным уравнением, решение которого при о = о0 имеет вид
е = о{/Е + Се~Е‘/к. (1)
Если в начальный момент времени ^ = 0 швейный материал получает силовое воздействие, приводящее к возникновению мгновенной деформации е = е0, то С = е0 - о0/Е и уравнение (1) принимает вид
е = 00/Е + (е0 - 00/Е) е^. (2)
С течением времени мгновенная деформация е0 увеличивается и асимптотически приближается к величине о0/ Е.
Снятие силового воздействия, например при ^ = = приводит к моменту разгрузки по зависимости
е = Се-Ет. (3)
Учитывая, что к этому моменту деформация материала достигала значения е1 = о0/Е + (е0 - о0/Е) е-Е/К, для определения значения С в формуле (3) граничные условия при ^ ^ будут е = е1 - о0/ Е.
Тогда С = (е1 - о0/ Е) е-ЕМг, и при подстановке этого выражения в формулу (3) получаем закон изменения деформации материала при разгрузке: е = (е1 - 00/ Е) е-Е(-Ук. (4)
Закон деформирования швейного материала по формуле (2) с последующей разгрузкой по формуле (4) показан на рис. 3.
Приведенная известная теория работы швейных материалов при нагружении [2 - 3] в целом отражает условия работы многослойной оболочки подушек пресса, однако результат процесса изнашивания верхнего слоя подушек пресса значительно превышает ожидаемый. Наблюдать этот процесс в реальных условиях не представляется возможным, так как обтягивающий материал подушки закрыт ее металлическим каркасом. Но по внешнему виду предельно изношенного обтяги-
Рис. 3. Деформация швейного материала, соответствующая физической модели Фойгта
Видимо, на этапе проектирования механических свойств подобных материалов необходимо включать в физическую модель еще и элемент с заданным трением нитей, представленный в виде двух пластин с возможностью определенного относительного скольжения - реологический элемент Сен-Венана (рис. 4).
Определение износостойкости тканей проводят на приборе типа ТИ-1, разработанном в ЦНИИШерсти. Принцип его работы заключается в том, что образцы испытуемого материала
закрепляют на двух рабочих головках, которые обтянуты резиной, и снизу к ним подается сжатый воздух для создания давления на испытуемые образцы. При этом сверху на образцы оказывает силовое воздействие диск, об- „ . ,,
’ Рис. 4. Схема изо-
тянутый серошинельным сукном. бражения пластично-
Диск получает вращательное го элемента в составе
движение. Испытания проводят структуры гейтам
материалов
до разрушения структуры в испытуемых образцах, что соответствует примерно 25 000 оборотам диска.
Условия функционирования обтягивающих материалов подушек пресса значительно отлича-
ются от приведенных выше условий испытания материалов на изнашивание. Они заключаются как в интенсивном изнашивании при относительном скольжении обрабатываемого полуфабриката и верхнего слоя (обтягивающего материала) подушки при оказании механических воздействий в ходе выполнения технологической операции прессовании, так и в ослаблении структуры переплетения обтягивающего материала при прохождении через нее пара, что приводит к дополнительному снижению срока действия данного слоя материала.
В связи с этим авторами предлагается принципиальная схема установки для испытания износостойкости обтягивающих материалов оборудования ВТО, где реализуются отмеченные условия изнашивания [4]. Работа установки заключается в следующем (рис. 5): 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 1 с металлическим штоком 2 подпружинен цилиндрической пружиной 3. Свободный конец штока 2 проведен в сердечник 4 катушки 5, образующий с ней электровибратор. Параметры электровибратора (цикличность) и валиков 6 (усилие прижатия) регулируемы.
В процессе испытания пуансон 1 осуществляет циклическое воздействие на материал 8, который деформируется и истирается в зоне взаимодействия с валиками 6, имитируя процесс изнашивания обтягивающего материала от действия обрабатываемого полуфабриката, располагаемого между верхней и нижней подушками. Одновременно в зону действия валиков 6 подается пар от парогенератора (на рис. 5 не показано). Установка позволяет оценивать различные обтягивающие материалы по критерию износостойкости, имитируя
Рис. 5. Принципиальная схема установки для испытания обтягивающих материалов подушек прессов ВТО на изнашивание
с большой точностью реальные условия эксплуатации обтягивающих материалов рабочих органов оборудования ВТО.
Таким образом, с помощью приведенной установки можно визуально прослеживать процесс изнашивания верхнего слоя подушки пресса и осуществлять проведение ускоренных испытаний различных тканей и нетканых материалов. Это позволит осуществлять оценку ресурса материалов еще на этапе выбора их по механическим показателям и, следовательно, проектировать более надежное оборудование ВТО.
ЛИТЕРАТУРА
1. Черепенько А.П. и др. Влажно-тепловая обработка швейных изделий. Учеб. пособие. Орел: Орловский государственный технический университет. 1995.
2. Самуль В. И. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа. 1982.
3. Абрамов В. Ф., Костылева В. В. и др. Технологические процессы производства изделий легкой промышленности. М.: МГУДТ. 2003.
4. Патент РФ №2 336 517. Устройство для механических испытаний швейных материалов и соединений / Сучилин В. А., Архипова Т. Н., Лунюшкина Т. В. Бюл. № 29, 2008.
Поступила 07.07.2011 г.
