CC BY
66
УДК 687.053
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ ШВЕЙНЫХ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ВЯЗКОУПРУГИХ МАТЕРИАЛОВ
Татьяна Николаевна Архипова, к.т.н., доцент, e-mail: [email protected] ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», Москва
Рассмотрен вероятностный метод оценки надежности соединительных швов и строчек различных швейных изделий на основе определения параметров распределения напряжения и прочности конструкционных материалов или их соединений; отмечено, что качество изделия в целом зависит от надежности соединений отдельных его деталей, и представлено устройство для испытания материалов при циклических нагрузках, имитирующих в лабораторных условиях реальные условия эксплуатации материалов; приведен пример применения данного метода для стачного шва конкретного материала; показана связь параметров механической прочности материалов и действующих на них нагрузок.
The authors considered the probabilistic method of assessing the reliability of connecting joints and lines of various garments on the basis of determining the parameters of the distribution of stresses and strength of structural materials or compounds. It is noted that the quality of the product as a whole depends on the strength of individual connections of its parts, and it is proposed a device for testing materials under cyclic loading, simulating real operating conditions of material under laboratory conditions. The article presented an example of this method for a particular stitching seam of certain material. The relationship of the parameters of the mechanical strength of materials and loads acting on them is shown.
Ключевые слова: механическая прочность материала, циклическая нагрузка, надежность соединения.
Keywords: mechanical strength of the material, the cyclic load, reliability of connection.
Значительную группу изделий бытового назначения, или так называемых изделий повседневного пользования, составляют швейные изделия. Это не только различная одежда, но и многие изделия, в состав которых входят детали и узлы, выполненные из ткани, нетканых материалов, кожи, полимеров, композитов и тому подобных вязкоупругих материалов. К этим изделиям следует отнести, кроме одежды, мягкую мебель, мебель салонов автомобилей и автобусов, изделия для туристов (байдарки, палатки, рюкзаки и др.) и многое другое.
Все эти разнообразные изделия объединяет то, что они создаются на основе принятых в швейном производстве методов. Сборка их осуществляется из отдельных
деталей путем широкого использования ниточных и клеевых соединений, а также соединений с помощью ультразвуковой сварки и токами высокой частоты, горячей плазмы и луча лазера.
Учитывая, что каждое подобное швейное изделие имеет значительное число швов и строчек, качество изделия в целом определяется главным образом показателем надежности соединений отдельных его деталей. Это обусловлено тем, что именно по линиям соединения деталей наблюдаются максимальные напряжения и деформации материала в виде морщин и сбаривания. Кроме того, в зонах швов и строчек отмечается так называемый «краевой эффект», когда материал деталей изделия в прилегающей зоне соединения образует выпуклость. То есть в материале возникает изгибающий момент относительно более жесткой линии шва или строчки. В этом случае выпуклая часть детали повышенно изнашивается от действия сил трения в процессе эксплуатации изделия. Особенно наглядно это наблюдается в изделиях, выполненных из многослойных пакетов материалов, так как жесткость их выше, а проявление «краевого эффекта» значительнее.
Вопросам оценки качества швов и строчек швейных изделий в прошлые годы уделялось много внимания. Так, в известных работах [1, 2] приведены описания методик и технических средств, применяемых для исследования качества ниточных, клеевых и сварных соединений, сущность которых состоит в определении прочности швов и строчек образцов различных материалов при действии одноосных растягивающих усилий. При этом использовались как оригинальные тензометрические установки, так и стандартные разрывные машины типа РТ-250.
В то же время в [1, 2] недостаточно внимания уделено вопросам, связанным с условиями эксплуатации швейных изделий и реальными нагрузками, действующими на детали и их соединения. Известно, что в процессе эксплуатации практически любого швейного изделия, будь это одежда, мягкая мебель или сидение автомобиля, действуют, как правило, статические нагрузки в виде растягивающих (сжимающих) напряжений и динамические нагрузки - при действии циклических периодических и непериодических нагрузок, распределенных по нескольким осям изделия (многоосные напряжения).
В связи с этим оценка качества соединений подобных изделий должна проводиться в условиях близких к их реальной эксплуатации. В РГУТиС разработана установка [3], позволяющая оценивать многоосные деформации, возникающие в деталях и соединениях швейных изделий, и, следовательно, надежность практически всех перечисленных выше соединительных швов и строчек изделий из вязкоупругих материалов.
Установка постоянно совершенствуется с учетом требований к надежности
различных швейных изделий. Например, авторами разработан метод оценки качества соединений швейных деталей из вязкоупругих материалов при циклическом характере нагрузок. Для этого выполнено дополнительное устройство (поз. 6 на рис. 1) к указанной установке. Установка в комплекте с устройством, изображенная на этом рисунке, включает в себя пуансон 1 полусферической формы, который передает на испытуемый материал 8 циклическую нагрузку от электровибратора, состоящего из сердечника 4 и катушки 5. Сердечник связан с пуансоном через шток 2 и пружину 3. Испытуемый материал закрепляют на столе 9 с помощью планок 7 и прижимают валиками 6, обтянутыми серо-шинельным сукном. Усилие, передаваемое на образец материала, регулируется пружиной 3. Образец 8, например, может быть сшит из двух деталей прямолинейной или зигзагообразной ниточной строчкой, или с помощью клеевой паутинки, или любым другим способом, характерным для технологии швейных изделий.
Рис.1. Принципиальная схема устройства для испытания материалов
и соединений деталей
В процессе испытания пуансон осуществляет циклическое воздействие на испытуемый материал, имитируя процесс изнашивания материала, например 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 чехла для сидения автомобиля.
Как отмечалось выше, на любое швейное изделие в процессе эксплуатации действует множество негативных факторов, поэтому оценивать надежность
соединительных швов и строчек целесообразно не детерминистическими [1, 2], а вероятностными методами. Оценку безотказности соединения швейных деталей на определенном этапе эксплуатации от действия нагрузок, распределенных случайным образом, необходимо проводить с учетом их дисперсии.
В основу метода положено определение параметров распределения напряжения и прочности конструкционных материалов или их соединений, применяемых в швейных изделиях. В частности, рассмотрен вероятностный метод оценки безотказной работы чехла для сидения автомобиля, имеющего ряд швов, которые рассматриваются как слабое звено всей конструкции.
Вероятность безотказности работы швов Рв в этом случае определяется формулой
где Рп - прочность материала в швах, заданная через плотность распределения /( Рп ); Рн -нагрузка на материал шва в процессе испытаний (или эксплуатации), заданная также через плотность распределения /( Рн).
Теоретической базой метода является известное положение [4] по определению показателей работоспособности механических систем или материалов путем сравнения характеристик их функционирования с предельными прочностными значениями. Причем данные характеристики берутся с учетом их возможных дисперсий, характеризующих случайные процессы, которые протекают как при функционировании изделия, так и при определении показателей предельных значений прочности материалов.
Схематически представив, что распределения усилий в материале шва, заданные как плотность распределения нагрузки на материал /( Рн) и плотность распределения
прочности /( Рп), имеют общую зону - область перекрытия (рис. 2), можно определить
показатели работоспособности изделия в процессе эксплуатации или при лабораторных испытаниях.
(1)
/(Рп),/(Рн)
/(Рн)
]/(рн)
Рис. 2. Область перекрытия/( Рн) и/( Рп)
Вероятность того, что прочность шва Рп превышает некоторое значение напряжения в нем Рн, задается выражением
ад
Р(Р„ > Рн. ) = | / ( Рп ) <Р,. (2)
Рн
но
Значение напряжения Рн заключено в интервале йРн, где Рн - среднее значение малого интервала йРн (см. рис. 2). Прочность Рп превышает напряжение, определяемое этим интервалом. При таких условиях вероятность прочности шва Рп будет определяться как
ад
/(Рн, Ж =\ /(Рп Ж . (3)
рн
но
Вероятность безотказности изделия в случае, когда прочность Рп материала (шва) превышает его напряжение Рн для всех возможных значений данного распределения, будет равна
+ад (+ад Л
Рв = { /(Рн ) { /(Рп X
Из сказанного ясно, что главным в данном методе является определение функции /(Рн), которая зависит от условий эксплуатации изделий, и функции /(Рп),
характеризующей прочность материала. Этот метод можно одинаково успешно использовать при различных законах распределения параметров нагружения и прочности материалов.
Ниже представлен метод оценки надежности стачного шва на примере конкретного материала, выполненного на образцах экокожи «Аригон», широко применяемой для салона легковых автомобилей. Экокожа «Аригон» - это вид искусственной кожи, изготовленной путем нанесения на хлопчатобумажную ткань пленочного покрытия из полиуретана. Это мягкая, ровная структура, которая хорошо шьется и клеится. По данным производителя, толщина экокожи составляет 1,05 - 1,15 мм; удельный вес - 500г/п.м; истираемость свыше 40 000 циклов.
Априори известно, что механические параметры швейных материалов подчиняются нормальному закону распределения. Для экокожи среднее квадратическое отклонение механических характеристик находится в пределах 10 - 25%.
Методика определения вероятности безотказной работы данных изделий при нормальном распределении параметров прочности и нагрузки может быть следующей. Плотность нормального распределения нагрузки Рн имеет вид
I (Рн ) =■
1
4Рж
ехр
Рн ~^Р„
(5)
Плотность нормального распределения прочности Рп будет определяться как
I (Рп ) = ■
л/р^
ехр
Рп ~^Р„
(6)
где /ир - математическое ожидание нагрузки; ир - среднее квадратическое отклонение нагрузки; /лр - математическое ожидание прочности; <гр - среднее квадратическое
отклонение прочности.
Вводим дополнительную независимую случайную величину К = р — Рн. Известно, что данная случайная величина также будет иметь нормальное распределение с математическим ожиданием /лк=ур — /лр (рис. 3) и средним квадратическим
отклонением -а2р .
Рис. 3. Плотность распределения случайной величины К: область 1 - вероятность безотказной работы; область 2 - вероятность отказа
Теперь вероятность безотказной работы изделий можно выразить через К как
ад 1
Р. = Р(К > 0) = Г ----------------------_
0 р^
ехр
1 ( К -£кЛ 1
V ак у
dК .
(7)
Если г = (К — ^к)/^, то акйг = йК. При К = 0 нижний предел случайной величины г имеет вид
н
п
°К л!°2 + °2
' р I р
а при К ^ ю верхний предел г ^ ю . Следовательно,
1 ю
Р. =-тГ I ■ (9)
■*2ж /ч-.-Р.
4°Р п+аРи
Ясно, что г = (К _ )/° является нормированной случайной величиной,
распределенной по нормальному закону. Следовательно, вероятность безотказной работы изделия можно найти с помощью таблиц функции нормального распределения.
Соотношение (8), используемое для определения нижнего предела нормированной случайной величины г, распределенной по нормальному закону, обычно называется уравнением связи. Формулу (9) можно записать в следующем виде:
Р = 1 _ Ф
( \ _Мр„
£
(10)
По полученным зависимостям (7) - (10) определены характеристики качества материала экокожи в процессе истирания на установке, изображенной на рис.1.
Установка с достаточной точностью может имитировать условия нагружения данного материала, обтягивающего сидение автомобиля. В процессе исследования было выполнено 25 000 циклов нагружения. При этом визуально выявлялись изменения внешнего вида материала (цвета) и появление мелких трещин и отслоений в пленочном покрытии основы материала. Всего испытывались 50 образцов. Среднее квадратическое отклонение составило 3 000 циклов.
В случае разрушения материала нижний предел интеграла для вычисления Рв
40000 _ 25000 15000
определится как г = —. =--------= _3, и, следовательно, из таблицы для
л/40002 + 30002 5000
нормального распределения находим, что Рв = 0,99.
Для других материалов параметры их прочности могут быть иные. Поэтому при изготовлении подобных изделий необходимо использовать материал с более высоким значением математического ожидания прочности и меньшим значением среднего квадратического отклонения. Иллюстрацией этому может служить такой расчет: при средней прочности 40 000 циклов и ар = 20% будут вычислены следующие значения: г =
1,78, а Р = 0,96.
Исследовался также процесс изнашивания ниточного шва, соединяющего образцы экокожи. Предполагалось, что швы - это более слабые места в подобных изделиях. В результате были получены следующие данные: математическое ожидание 20 000 циклов при среднем квадратическом отклонении 2 500. Учитывая, что для данных швейных изделий Р = 0,95 является допустимым значением, величина 2 =1,55. При ±10%-ном
среднем квадратичном отклонении, подставляя полученные значения математического
ожидания и среднего квадратического отклонения в (9), можно найти:
X - 20 000 2 =---■ = 1,65.
л/2 5002 + 2 5002 Тогда х = 25 770 [циклов].
Исследование показало, что ниточные швы теряют прочность значительно раньше, чем сам материал чехлов. Разработанный метод позволит приступить к созданию эффективных способов соединения деталей изделий и тем самым повысить их качество и конкурентоспособность. Аналогичным образом можно оценивать соединения, выполненные с помощью ультразвука, плазмы, луча лазера и других способов, широко применяемых в швейном производстве.
Таким образом, впервые разработан метод исследования ниточных соединений деталей швейных изделий, который позволит обеспечить их надежность и долговечность, и, кроме того, будет способствовать более быстрой реализации продукции, что является актуальным для малых швейных предприятий.
Литература
1. Шаньгина В.Ф. Соединение деталей одежды. М.: Легкая промышленность.
1976.
2. Верховец Л.Я. Исследование свойств соединительных швов в готовой одежде. Автореф. дис. канд. техн. наук. ЛИТЛП., 1979.
3. Сучилин В.А., Архипова Т.Н., Лунюшкина Т.В. Устройство для механических испытаний швейных материалов и соединений. Патент РФ №.2336517. Опубл. 20.10.2008. Бюл. № 29.
4. Капур К., Ламберсен Л. Надежность и проектирование систем. М.: Мир. 1980.
5. Сучилин В.А., Архипова Т.Н., Голиков С.А., Лунюшкина Т.В. Влияние климатических факторов на эксплуатационные показатели конструкционных узлов и материалов автомобилей // Вестник ассоциации вузов туризма и сервиса. М.: РГУТиС. 2010. № 4(15). С. 50 - 56.
Поступила 10.07.2011 г.
