Инструментальная система контроля разрывных характеристик льняного волокна

УДК 677.014/017.42                                     

Для эффективного контроля параметров качества льняного волокна (длинного трёпаного или короткого неориентированного) требуется определение его разрывных характеристик, обеспечивающих прогнозирование условий разрушения волокон при разрыве, возникающих при его переработке [1, 2]. Однако существующие методы по ГОСТ 10330-76 и ГОСТ 9394-76 не обеспечивают соответствия скоростных параметров испытаний реальным, имеющим место на перерабатывающих предприятиях. Характерные скорости деформирования текстильных волокон и нитей при переработке составляют более 3 м/с, а при испытании по стандартным методам – не более 0,02 м/с [3]. Такое несоответствие приводит к ошибочному выбору рациональных режимов обработки льноволокон по результатам лабораторного анализа.

Поэтому выявлена необходимость использования высокоскоростных нагружений волокна при определении его разрывных характеристик. На начальных этапах была поставлена задача по определению в указанных условиях разрывной нагрузки волокна.

В результате поиска аналогов технических средств для подобных испытаний было обращено внимание, что первые работы по изучению особенностей высокоскоростных испытаний текстильных материалов проводились с применением копров (Великобритания, Германия) [4]. В нашей стране приоритетные изыскания связаны с И. В. Крагельским. Указанные исследователи предложили конструкции устройств для высокоскоростного нагружения при скоростях деформирования образца до 4…7 м/с [5]. Например, представленный на рисунке 1 копер Гудбрандта обеспечивал скоростной разрыв волокон, изначально закрепленных в зажимах. Преимущества такого испытания очевидны: простота конструкции, отсутствие электропривода и обеспечение различной скорости нагружения в зависимости от начального угла наклона маятника.

Рисунок 1 ‒ Схема испытания волокна с использованием копра Гудбрандта [5, c. 242]

Однако рассмотренные системы испытаний имели один недостаток. Они обеспечивали возможность учета только работы разрыва волокон, определяемой при прочих равных условиях конструкции, по разности углов отклонения оси маятника от вертикали. С целью устранения этого недостатка был предложен новый вариант контроля величины разрывного усилия.

Основой нового предложения являлось использование общеизвестного уравнения динамики для вращательного движения твердого тела [6]. Согласно ему, произведение момента инерции тела J у на его угловое ускорение ε равно сумме моментов всех сил ∑ M _i относительно оси вращения. К числу формирующихся моментов при предлагаемой схеме испытания относим: момент от действия силы натяжения испытываемого образца M = R ⋅ L , момент от суммарного действия сил сопротивления перемещению маятника М С (без учёта R РАЗ ), момент от действия силы тяжести M = mg ⋅ L ⋅ sin ϕ . В указанных выражениях R – разрывное усилие; L – расстояние от оси вращения маятника до зажима на нём волокна; mg – сила тяжести; ϕ – угол отклонения маятника;      – расстояние от центра тяжести

Ц . Т .

маятника до оси его вращения.

Применив упомянутое уравнение динамики, в период разрыва образца возможно определение R РАЗ с использованием выражения:

J _у ε - M _С - mg ⋅ L _{Ц . Т .} ⋅ sin ϕ

R _РАЗ =                                .       (1)

L РАЗ

Величину момента инерции маятника J у предложено определять с использованием метода малых колебаний [6].

Нашим инновационным решением является определение углового ускорения ε , реализованное следующим образом. К оси маятника закрепляется высокоточный датчик угла её поворота (разрешение 10000 имп/об). В ходе его работы происходит контроль времени посредством ЭВМ. Так формируется зависимость изменения во времени угловой координаты. Далее методом численного дифференцирования вначале рассчитывается угловая скорость маятника, а затем – требуемое ускорение ε. Таким образом, была решена задача контроля разрывного усилия R на протяжении всего процесса разрыва образца.

На данной основе были разработаны алгоритм расчетов и реализующая его программа для ЭВМ, которые использовали при получении значений разрывного усилия по результатам испытания по предложенному инструментальному методу. В итоге была создана инструментальная система контроля, включающая модуль для разрыва волокна и модуль обработки результатов испытания (рис. 2).

После всесторонней проверки инструментальная система была рекомендована для испытания на разрыв трепаного льняного и короткого волокна, соответственно, при межзажимном расстоянии 0,1 и 0,07 м. При испытании короткого волокна предусмотрена возможность скручивания волокнистых проб перед их разрывом с учётом требований ГОСТ 9394-76.

Последовательность операций при проведении анализов следующая. Маятник определённой массы устанавливают в исходное вертикальное положение. Подготовленные по массе и длине пробы волокон закрепляют в зажимах. После этого маятник отклоняют на угол φ и фиксируют в этом положении. Далее включают программу ЭВМ и освобождают маятник от фиксации. В результате перемещения маятника происходит разрыв волокнистой пробы, а на мониторе ЭВМ фиксируется значение R . Согласно ГОСТ 10330-76 и ГОСТ 9394-76 предусмотрена по- вторность испытания, а также расчет среднего арифметического и коэффициента вариации.

ВЫВОДЫ

• 1.    При испытании льняного волокна требуется определение его разрывной нагрузки в условиях нагружения, сходных с таковыми при их переработке по характеру натяжения волокон и полуфабрикатов. Поэтому здесь также необходимы режимы высокоскоростного растяжения. Разрывные машины для стандартных испытаний волокон и нитей не обеспечивают такой возможности.

• 2.    Для высокоскоростного растяжения целесообразно использовать технические решения, основанные на применении копров с обеспечением возможности определения разрывных характеристик волокон.

• 3.    Создана инструментальная система контроля разрывного усилия льняного волокна, особенностью которой является контроль времени и угловой координаты перемещения маятника копра для расчёта углового ускорения, а по его величине – усилия натяжения образца в процессе испытания.

  

  Рисунок 2 ‒ Опытный образец инструментальной системы контроля разрывного усилия льняного волокна