Исследование влияния структуры и сырьевого состава шнуров на их разрывную нагрузку

УДК 677.076.75                                        DOI:

В настоящее время во многих отраслях современной техники широко применяются плетеные изделия бытового и технического назначения. Плетение – один из древних способов получения изделий, при котором нити под натяжением подаются в общую рабочую зону с одновременным перемещением в пространстве паковок (Минасян и др., 2020).

Шнуры – универсальные изделия, используемые в различных областях легкой и тяжелой промышленности, строительства, быта и связи, медицине, спорте, военном деле, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и прочих отраслях (Зайцева, Рыклин, 2025). Современное развитие техники для производства шнуров (Min Chen et al., 2022) охватывает целый спектр технологических переходов: от дизайна будущего изделия до высококачественного и высокопроизводительного продукта в конце всего цикла производства.

Специальные эксплуатационные свойства текстильных материалов как правило задаются на первоначальном этапе проектирования изделий, так как на конечный результат будет влиять в первую очередь тип волокна, технология его производства, линейная плотность нити, крутка и прочие технические параметры нити.

Шнуры, как гибкие силовые элементы, являются критически важными компонентами в самых разных отраслях: авиационно-космическая и автомобильная промышленность, судостроение и такелаж, строительство и грузоподъемное оборудование, спорт и туризм, медицина, бытовая техника и электроника, средства индивидуальной защиты, военное обмундирование и прочие. Их многократное использование вызывает потребность в проектировании изделий особых структур для придания шнурам устойчивости к разрыву и истиранию (Baszczyński, 2015).

Актуальность разработок обусловлена постоянным запросом на снижение массы, увеличение прочности, долговечности и надежности этих элементов при одновременном сохранении или снижении их стоимости (Манукян, 2012).

Шнуры технического назначения используется в строительной отрасли, при производстве спортивной одежды и инвентаря, автомобильных тросов и пр., где основным требованием к изделию является его прочность при многократном и длительном использовании. Достичь улучшенных разрывных показателей для шнуров технических помогают правильный подбор нитей, увеличение плотности плетения/вязания, использования в наполнении шнура дополнительных нитей, шнуров, проволоки и прочих материалов (Чарковский, Лобацкая, 2020).

С развитием производства спецодежды для работников опасных производств потребность в тонких, но сверхпрочных шнурах с крайне низким удлинением под нагрузкой только возрастает (Базунов, Родионов, 2013). Наибольшей устойчивостью к истиранию обладают текстильные изделия, которые состоят из нитей, имеющих высокую стойкость к многократным деформаци- ям. Структура шнура так же влияет на износостойкость изделия: рельефные шнуры обладают меньшей устойчивостью к истиранию, чем шнуры, имеющие гладкую структуру.

Несмотря на широкую изученность существующие методики проектирования и производства шнуров не всегда позволяют комплексно и прогнозируемо получать изделия с заранее заданным набором свойств (например, сочетание высокой прочности, гибкости, стойкости к УФ-излучению и низкой массы), особенно когда требования к свойствам противоречивы (Ömer Fırat et al.,2021).

В соответствии с ГОСТ 29231-91, ГОСТ 2297-90, ТУ ВУ 700002794.158-2001 одним из важнейших показателей для выпуска шнуров обувных, бытовых, технических и прочих, характеризующих прочность шнуров, является их разрывная нагрузка.

Для достижения высоких параметров прочности необходимо учитывать свойства исходных нитей, такие как: линейная плотность, удельная разрывная нагрузка, состав исходного волокна и способ его производства. Следствием плохого качества исходной нити или смешанной пряжи [Niles et al.,2017] может являться неров-нота шнура по разрывной нагрузке и неравномерность структуры. Немаловажным фактором влияния на прочностные характеристики конечного продукта является процесс переработки исходных нитей, как на подготовительных этапах производства (например, перематывание), так и непосредственно при изготовлении шнура. Известно, что при повышении натяжения нитей в процессе их переработки их физико-механические показатели свойств могут существенно ухудшаются (Назарова, Трифонова, 2018).

Исследование новых технологий, структур и инновационных материалов в области производства шнуров с заданными свойствами из различных нитей и волокон является неотъемлемой частью процесса их проектирования для подбора оптимальных параметров производства данной группы текстильно-галантерейных изделий (Чарковский и др., 2018).

Целью данной работы являлся определение влияния структуры и сырьевого состава на разрывную нагрузку шнуров двух групп – плетеных и вязаных.

Методы и средства исследования

В качестве объектов исследования выбраны 12 образцов шнуров, выработанных на плетельных машинах типа ШПМ и вязальных машинах типа ШВМ-3.

Для этого на ОАО «Лента» наработаны 2 группы обувных шнуров с заданными параметрами. Первая группа выполнена на плетельном оборудовании 40 класса од-нопрядным переплетением с количеством плетений – 4 на 1 сантиметр, использованием нитей линейных плотностей от 25 текс × 2 до 28 текс × 2. Вторая группа шнуров изготавливалась на вязальной машине с 12-иголь-ным цилиндром из нитей линейных плотностей от 25 текс × 2 до 28 текс × 2, однократным переплетением и плотностью вязания 7 петель на 1 сантиметр для всех образцов второй группы.

Заправочные параметры производства шнуров представлены в таблице 1.

Фактическая линейная плотность нити определялась согласно ГОСТ 6611.1-73 путем взвешивания пасмы с погрешностью не более 0,5 % от их общей массы.

Разрывную нагрузку нитей определяли методом разрыва одной нити согласно ГОСТ 6611.2-73. Для проведения испытания применялась разрывная машина маятникового типа, с постоянной скоростью возрастания нагрузки, с постоянной скоростью деформирования, обеспечивающие погрешность измерения разрывной нагрузки ±1 %.

Для определения разрывной нагрузки согласно ГОСТ 16218.5-93 использовалась машина разрывная марка WDW-01 с постоянной скоростью деформирования. Все пробы шнуров перед испытанием выдерживались в свободном состоянии в климатических условиях по ГОСТ 10681-75 не менее 24 часов. Высота рабочего пространства составила 100 мм для вязаных изделий при испытании по направлению петельных столбиков и 200мм для плетеных изделий при испытании по оплетке; заправка шнуров осуществлялась в плоские захваты так, чтобы проба подвергалась равномерному предварительному натяжению по всей ширине.

Для определения коэффициента уработки нити пробы вязаных шнуров длиной 100 см распускалились в сторону, обратную вязанию, тем самым освобождая нити каждого петельного столбика вязаного шнура. Для плетеных шнуров использовался метод поочередного вытягивания нити оплетки плетеного шнура из подготовленной пробы длиной в 100 см. Значение коэффициента уработки нити определяли, как отношение фактической длины нити, извлеченной из пробы, к длине пробы.

Результаты исследований

Результаты испытаний опытных образцов шнуров представлены в таблице 2.

Таблица 1 – Заправочные параметры производства шнуров

Table 1 – Production parameters for cords manufacturing

Номер образца	Наименование сырья	Номинальная линейная плотность нити, текс	Фактическая линейная плотность нити, текс	Удельная разрывная нагрузка нити, сН/текс	Количество нитей на 1 катушке, шт
Плетеные шнуры
1	Нить полиэфирная	25×2	51,2	37,1	1
2	Нить полиэфирная	25×2	51,2	37,1	2
3	Пряжа хлопчатобумажная	25×2	51,7	17,1	2
4	Пряжа хлопчатобумажная	25×2	51,7	17,1	4
5	Пряжа льняная	28×2	56,3	26,4	2
6	Нить полипропиленовая	28×2	55,9	52,1	2
Вязаные шнуры
7	Нить полиэфирная	25×2	51,2	37,1	1
8	Нить полиэфирная	25×2	51,2	37,1	2
9	Пряжа хлопчатобумажная	25×2	51,7	17,1	2
10	Пряжа хлопчатобумажная	25×2	51,7	17,1	4
11	Пряжа льняная	28×2	56,3	26,4	2
12	Пряжа (полиэфирное волокно – 40 %, вискоза – 40 %, лен – 20 %)	25×2	49,5	15	2

Таблица 2 – Результаты испытаний опытных образцов шнуров

Table 2 – Results of experimental cords samples testing

Номер образца	Наименование сырья	Коэффициент уработки нитей	Линейная плотность шнура, г/п.м, Т 0	Разрывная нагрузка шнура, Н, R 0
Плетеные шнуры (зажимная длина – 20 см)
1	Нить полиэфирная	1,3	2,6	377
2	Нить полиэфирная	1,35	5,4	657
3	Пряжа хлопчатобумажная	1,3	5,2	452
4	Пряжа хлопчатобумажная	1,35	11,5	911
5	Пряжа льняная	1,2	5,5	779
6	Нить полипропиленовая	1,25	4,8	1404
Вязаные шнуры (зажимная длина – 10 см)
7	Нить полиэфирная	4,4	2,6	216
8	Нить полиэфирная	4,6	5,2	523
9	Пряжа хлопчатобумажная	5,1	6,2	309
10	Пряжа хлопчатобумажная	4,9	12,6	612
11	Пряжа льняная	4,6	6,7	524
12	Пряжа (полиэфирное волокно – 40 %, вискоза – 40 %, лен – 20 %)	5,2	7	391

Как показали результаты исследования, шнур № 6 из нити полипропиленовой имеет самую высокую разрывную нагрузку в 1404 Н, что обусловлено самой высокой удельной разрывной нагрузкой нити в 45 сН/текс.

На примере образцов 1, 2, 7 и 8 из полиэфирной нити 25 текс × 2 заметно, что разрывная нагрузка шнура повышается с увеличением его линейной плотности при одинаковой технологии изготовления.

В случае использования разных технологий одинаковая линейная плотность шнура не гарантирует близкие значения их прочности. При этом плетеные шнуры характеризуются существенно большей прочностью. Так, значения разрывной нагрузки образцов 1 и 7, изготовленных из одного и того же вида сырья и имеющих одинаковую линейную плотность, отличаются приблизительно на 75 %, а для шнуров 2 и 8 разница снижается до 25 %.

Аналогичная закономерность выявлена и для образцов 3, 4, 9 и 10 из хлопчатобумажной пряжи 25 текс × 2.

Очевидно и то, что с увеличением удельной разрывной нагрузки исходной пряжи повышается прочность шнуров близкой линейной плотности, изготовленных по одной технологии. Так шнур 11 из льняной пряжи имеет всего на 4 % меньшую линейную плотность по сравнению с шнуром 11 из смешанной пряжи. Но из-за превышения удельной разрывной нагрузки льняной пряжи на 76 % соответствующего показателя смешанной пряжи соотношение прочностей шнуров составляет 1,34.

Однако необходимо обратить внимание на то, что при сопоставлении значений разрывной нагрузки шнуров из пряжи и комплексных химических нитей данная закономерность не подтверждается. Например, сопоставляя данные о шнурах 2 и 5, можно отметить, что они характеризуются практически одинаковой линейной плотностью. При этом исходная комплексная полиэфирная нить была прочнее льняной пряжи на 40 %. Но шнуры из нее оказались на 18,5 % менее прочными по сравнению с льняными.

Таким образом, полученные экспериментальные данные требуют более глубокого анализа с выявлением факторов, оказывающих влияние на разрывную нагрузку шнуров.

Анализ полученных результатов

Анализ влияния разрывной нагрузки исходных компонентов шнура и его структуры можно осуществить на основе коэффициента использования прочности нитей в шнуре, который по аналогии с пряжей (Рыклин, 2022), состоящей из штапельных волокон, рассчитывается по формуле

Ки = ^ ,                    (1)

“]I где RН – удельная разрывная нагрузка нити, сН/текс; RШ – удельная разрывная нагрузка шнура, сН/текс.

С учетом того, что разрывная нагрузка шнура P _Ш определяется в ньютонах, а его линейная плотность Т _Ш – в килотексах (г/м) формула (1) приобретает следующий вид

Ки = м^ШГйН .               (2)

Если для крученых изделий и канатов сквозного плетения существует методика по определению разрывной нагрузки с использованием значения коэффициента использования прочности для прядей или каболок, по которой значения коэффициента использования прочности более или менее легко определяются, то для шнуров такой путь не разработан (Сукконова, 2011).

Коэффициент использования прочности показывает во сколько раз разрывная нагрузка шнура меньше по сравнению со значением соответствующего показателя пучка исходных нитей той же линейной плотности.

Основными причинами снижения прочности шнура являются следующие:

• 1.    Потеря прочности исходных компонентов в процессе переработки.

• 2.    Сложное пространственное расположение нитей в шнуре, в результате чего их участки не параллельны оси шнура.

В последующих расчетах коэффициенты, влияющие на снижение разрывной нагрузки шнура по указанным причинам будут обозначаться, соответственно, К ₁ и К ₂ .

Кроме того, дополнительным фактором, оказывающим влияние на изменение разрывной нагрузки шнура является масштабный фактор, так как зажимная длина нити ( l _Н = 50 см) при ее испытаниях на растяжение отличается от длины участка нити в образце шнура.

Зажимная длина l _Ш , устанавливаемая при испытании шнуров, зависит от способа их получения. Согласно ГОСТ 16218.5-93 для тканых, плетеных, витых изделий при испытании по основе и оплетке зажимная длина l _Ш = 20 см, а для вязаных изделий при испытании по направлению петельных столбиков l _Ш = 10 см. Длина участка нити в образце шнура между зажимами составляет l _Ш k _У , где k _У – коэффициент уработки нитей.

Если величина l _Ш k _У меньше 50 см, то с учетом масштабного фактора, как правило, разрывная нагрузка, определенная на таком участке, может быть несколько больше по сравнению со значением, полученным при испытаниях нитей по стандартным методикам (Кузнецов, 2009). В связи с этим при анализе причин снижения разрывной нагрузки шнура по сравнению с разрывной нагрузкой нити целесообразно вводить коэффициент

ченных из шнуров, и исходных нитей при стандартной зажимной длине l _Н , равной 50 см.

Коэффициент k _М , учитывающий масштабный фактор, определялся на основе допущения о линейной зависимости разрывной нагрузки нити от зажимной длины на участке от l _Ш до l _Н . В этом случае разрывная нагрузка нити на участке длиной l _Ш k _У может быть рассчитана по формуле

P i/

— ^Р Н(50) + (^Р Н(1ш) - ^Р Н(50) )

⁵⁰ - ! ш • к у 50-' ш

Тогда для плетеных шнуров формула (5) с учетом зажимной длины участке l _Ш = 20 см приобретает следующий вид

/             ,                 . 50 - 20к У

^РН = ^РН(50) + ( ^РН(20) ^{— Р}Н(50))    эд      .          ⁽⁶⁾

Аналогично для нити, извлеченной из вязаного шнура, испытываемого при зажимной длине l _Ш = 10 см

Р /

= ^РН(50)

, Гп       п л 50-10^ У

+ ^(РН(10) ^{- Р}Н(50) )    70

к

pH

М р , рН(50)

где P _Н(50) – разрывная нагрузка нити, определенная при стандартной зажимной длине, сН; P _Н ’ – разрывная нагрузка нити, определенная для участка нити, соответствующего ее длине в образце шнура между зажимами ( l _Ш k _У ).

Таким образом, коэффициент использования прочности нитей в шнуре можно представить, как произведение коэффициентов, определяемых каждой из указанных причин:

к _и = К 1 • к ₂ • fc_M . (4)

После расчетов значений коэффициентов К _И , К ₁ и k _М можно рассчитать значение коэффициента К ₂ , зависящего от пространственного расположения нити в

шнуре

К2 =

К И

К 1 • ^р м .

Для определения значений коэффициентов К ₁ и k _М из образцов шнуров были извлечены отрезки исходных нитей, которые были подвергнуты испытаниям на разрывной машине.

Испытания нитей проводились при двух значениях зажимной длины:

– 50 см – соответствует зажимной длине при испытаниях исходных нитей;

– 10 и 20 см – соответствует зажимной длине при испытаниях плетеного и вязаного шнура, соответственно.

Значение коэффициента К ₁ рассчитывалось, как отношение разрывных нагрузок образцов нитей, извле-

Результаты испытаний нитей после переработки представлены в таблице 3.

На основании данных таблиц 1–3 по формулам (1)– (8) проведены расчеты коэффициентов, характеризующих использование разрывной нагрузки нити в шнуре. Заключительные результаты расчетов представлены в таблице 4.

Результаты измерений и проведенные расчеты показали, что в процессе переработки разрывная нагрузка падает, как у комплексных химических нитей, так и у пряжи. Снижение разрывной нагрузки составляет от 18 до 40 %. Исключением явилась только полипропиленовая нить, прочность которой в процессе переработки на плетельном оборудовании не снизилась.

Корреляционный анализ показал, что коэффициент K ₂ имеет достаточно заметную отрицательную взаимосвязь с коэффициентом уработки. Коэффициент корреляции этих показателей составил -0,75. Однако можно отметить, что для комплексных нитей, переработанных

Таблица 3 – Результаты испытаний нитей после переработки

Table 3 – Results of yarns testing after their processing

Номер образца	Удельная разрывная нагрузка исходной нити, сН/текс, Rн(50)	Разрывная нагрузка нити после переработки, Н, Pн' (lЗ)	Удельная разрывная нагрузка нити после переработки, сН/текс, Rн'	Разрывная нагрузка нити после переработки, Н, Pн'(50)	Удельная разрывная нагрузка нити после переработки, сН/текс, Rн'(50)
Плетеные шнуры (зажимная длина при испытании шнуров – lЗ = 20 см)
1	37,1	16,6	33,2	15	30
2	37,1	16,8	33,6	15,6	31,2
3	17,1	6,7	13,4	5,7	11,4
4	17,1	6,8	13,6	6,4	12,8
5	26,4	11,6	20,7	11,2	20
6	52,1	26,9	53,8	26,7	53,4
Вязаные шнуры (зажимная длина при испытании шнуров – lЗ = 10 см)
7	37,1	15,4	30,8	14,4	28,8
8	37,1	15,7	31,4	15,1	30,2
9	17,1	6,9	13,8	6,8	13,6
10	17,1	6,8	13,6	6,6	13,2
11	26,4	13	23,2	13,1	23,4
12	23,9	8,2	16,4	7,2	14,4

Таблица 4 – Результаты расчета коэффициентов, характеризующих использование разрывной нагрузки нити в шнурах разного состава и структуры

Table 4 – Results of calculation of coefficients quantitatively determining the load characteristics of yarns in the cords of different compositions and structures

Номер образца	Наименование сырья	К И	К 1	К 2	k м
Плетеные шнуры
1	Нить полиэфирная	0,39	0,81	0,45	1,09
2	Нить полиэфирная	0,33	0,84	0,37	1,06
3	Пряжа хлопчатобумажная	0,51	0,67	0,67	1,14
4	Пряжа хлопчатобумажная	0,46	0,75	0,59	1,05
5	Пряжа льняная	0,54	0,76	0,69	1,03
6	Нить полипропиленовая	0,56	1,03	0,54	1,01
Вязаные шнуры
7	Нить полиэфирная	0,22	0,78	0,29	1,01
8	Нить полиэфирная	0,27	0,81	0,33	1
9	Пряжа хлопчатобумажная	0,29	0,8	0,37	1
10	Пряжа хлопчатобумажная	0,28	0,77	0,37	1
11	Пряжа льняная	0,29	0,89	0,34	1
12	Пряжа (полиэфирное волокно – 40 %, вискоза – 40 %, лен – 20 %)	0,23	0,6	0,39	0,99

Полученные результаты позволяют ориентировочно прогнозировать разрывную нагрузку шнуров, получаемых разными способами из исследованных видов исходного сырья, а предложенный подход может быть использован в процессе разработки новых видов шнуров для анализа причин изменения их прочности. Дальнейший подбор технологических требований, предъявляемых к разработке шнуров и параметров заправки изделия на машине будет влиять на эффективную работу оборудования, качество готового изделия и ценообразование.