Экспериментальное исследование показателей качества обувных материалов

При производстве обувной продукции основной задачей организации является обеспечение высокого качества продукции, в частности, реализации базовых качественных характеристик: комфорт, долговечность, эстетичный внешний вид обуви [1]. Решение данной задачи в основном обеспечивается грамотным подбором комплектующих материалов – кожевенных материалов.

Современная кожевенная промышленность предлагает пул типов кож животного и искусственного происхождения, различных способов обработки и спектром цветовой гаммы со своими достоинствами и недостатками.

Целью работы является выбор рационального типа кожевенного материала для производства обуви индивидуальных моделей. Для достижения цели необходимо провести исследование физикомеханических показателей различных кожевенных материалов. Выполнить статистический анализ полученных экспериментальных данных.

Важнейшими факторами, влияющими на качество материалов, является сопротивление на разрыв и удлинение кожи. От конкретных значений данных показателей качества зависит сохранение ее внешнего вида и долговечность изделия (модели обуви).

В данной работе нами исследуются материалы для верха обуви, обеспечивающие максимальный уровень прочности и относительного удлинения. Таким образов в задачи исследования входила оценка влияния толщины кожи, типа обработки на прочность и относительное удлинение материала. На основе анализа статистических данных предоставляется возможность формулировки рекомендаций по выбору материалов для производителей обуви на основе приоритетных комбинаций факторов для создания комфортной и надежной обуви.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Для решения данной задачи используется схема «черного ящика» для визуализации процесса оценки значений показателей качества кожевенных материалов (рис.1). Эксперименты проводились для деталей верха обуви.

Исследовались закономерности изменения показателей качества: прочности и относительного удлинения в зависимости от толщины образца.

Испытания образцов проводились на универсальной испытательной машине «Quasar 2.5» (рис. 2). Универсальная испытательная машина Quasar 2.5 позволяет измерять прочность и относитель-

Голубева Олеся Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Управление качеством».

Идентификация множества видов кож

Х={х1,х2,...},

Толщина материалов множества

S={S1,S2,...},

Способы обработки

Процесс испытании на соответствие физико-механических показателей по ГОСТ

Рис. 1. Обобщенная модель процесса оценки показателей качества

Рис. 2. Фрагмент эксперимента «фиксация образцов в машину Quasar 2.5»

ное удлинение материалов. Основными метрологическими характеристиками Quasar 2.5 являются: стабильность показаний: ±0,05% от полной шкалы при изотермических условиях, машина принадлежит классу точности, соответствующему стандарту ISO 7500-1, погрешность измерения силы и деформации при испытаниях не превышает заявленных производителем значений ±0,5% от измеряемой величины.

Важной задачей при проведении экспериментальных исследований является определение необходимого числа повторных опытов. Их количество определяется заданной доверительной вероятностью р и ошибкой, взятой в долях стандарта (среднего квадратического отклонения) S. Следует отметить, чтобы добиться желаемой достоверности, почти всегда выгоднее увеличить точность прибора, а не количество измерений. В литературе по методам проведения экспериментальных исследований приводятся специальные таблицы зависимости между необходимым числом повторных опытов, заданной надежностью и относительной ошибкой (табл. 1) [2].

Таблица 1. Необходимое количество повторных опытов

Ошибка в долях S	Доверительная вероятность
	0,8	0,9	0,95	0,99
3	1	2	3	4
2	2	3	4	5
1	4	5	7	11
0,5	9	13	18	31
0,4	12	19	27	46

Исследовано 15 востребованных типов кож Российских и зарубежных производителей. В ходе исследований вырублено по 8 образцов: из них 4 поперечных и 4 продольных, каждый из которых прошел серию испытаний на прочность и удлинение. Образцы кожевенных материалов для проведения эксперимента вырублены в соответствии с ГОСТ 938.0-75.

Результаты испытаний позволяют произвести сравнительную оценку материалов для верха обуви. Результаты работы Quasar 2.5, визуализированы в виде графических кривых. На рис. 3 представлена иллюстрация кривой нарастания нагрузки с сопутствующим удлинением и моментом разрыва образца А. Примечание: оси координат кривой нарастания нагрузки в соответствии с машинным представлением на рис. 3 отличаются от требуемых, в частности, название параметра «прочность» обозначено как «напряжение», его размерность (МПа) обозначена как (kgf/cm²); «относительное удлинение, %» обозначено как «деформация, %».

Рис. 3. Результаты испытаний образца А

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате проведенных исследований получены экспериментальные данные для 15 видов материала кожи. Исследовались параметры качества: «Прочность, МПа» и «Относительное удлинение образцов, %». Рассматривались варианты в виде продольных и поперечных образцов.

В качестве примера рассмотрим 2 образца кож А и Б (Российского производителя), где А - кожа хромового дубления для верха обуви с восковой отделкой (РФ), Б - кожа хромового дубления для верха обуви с восковой отделкой с теснением (РФ). Образцы для исследования вырублены из исходного материала по ГОСТ 938.12. Время проведения испытаний каждого образца рассчитано по удлинению 16,67% за 1 секунду. В соответствии с ГОСТ 939-2021 «Кожа для верха обуви. Технические условия» оба материала соответствуют требованиям нижней границы показателей качества, как по прочности, так и по относительному удлинению [3].

Одной из задач экспериментальных исследований являлось проверка предположения о том, что значения рассматриваемых показателей качества отличаются в зависимости от материала кожи. В табл. 2 и 3 представлены результаты экспериментов.

Таблица 2. Результаты испытаний продольных образцов материалов А и Б (толщина, мм: 1,37 ±0,04)

Статистики	Прочность, (МПа)		Относительное удлинение, %
	Образец А	Образец Б	Образец А	Образец Б
Среднее ( х )	10,1	10,2	53,6	97,9
Дисперсия (S 2 )	0,16	0,11	130,7	68,3
СКО (S)	0,4	0,33	11,4	8,3

Для решения задачи рассмотрим нулевую гипотезу о равенстве средних, при проверке гипотезы об однородности дисперсий для исследуемых материалов.

Проверка однородности дисперсий производилась с помощью критерия Фишера (F-критерий) [3, 4]. Так как проведено по 4 параллельных опыта, то степени свободы определяются как f1 = f2 = 3 и при доверительной вероятности 0,95 табличное значение F-критерия равно 9,28 [4, 5].

Таблица 3. Результаты испытаний поперечных образцов материалов А и Б (толщина, мм: 1,37 ±0,04)

Статистики	Прочность, (МПа)		Относительное удлинение, %
	Образец А	Образец Б	Образец А	Образец Б
Среднее ( х )	11,2	10,3	62,84	73,0
Дисперсия (S2)	0,77	0,03	86,62	298,9
СКО (S)	0,88	0,16	9,30	17,3

Рассмотрим показатель качества – «прочность, мПа» для продольного образца.

В результате экспериментов получено S21 = 0,16 и S22 = 0,11. Расчетное значение критерия Fрасч. равно

F

1 расч.

^ 2 ^ 1

0,16

0,11

1,45.

Рассмотрим показатель качества – «относительное удлинение, %» для продольного образца.

В результате экспериментов получено S21 = 68,3 и S22 = 130,7. В этом случае Fрасч. = 1,91. Так как Fтеор.= 9,28 > Fрасч. = 1,91, то на уровне значимости 0,05 гипотеза об однородности дисперсий истинна; значения данного признака принадлежат одной совокупности.

Данное утверждение для обоих показателей качества позволяет проверить нулевую гипотезу равенства средних.

Рассмотрим показатель качества «прочность». Нулевая гипотеза состоит в том, что параметр Х ₁ не отличается от параметра Х ₂ . Рассматриваемые гипотезы имеют вид:

^ o ^:^ i ^— F i ^ i -F i ^ F z C^- ⁼ 0,0 ⁵X

Проверка данной гипотезы производится на основе критерия Стьюдента:

^ 1-2 —

X1 — %2

где x₁ - среднее значение 1-го параметра; х₂ - среднее значение 2-го параметра; S ^ , S ^ - дисперсии; S_1-2 – среднее квадратическое отклонение; t – расчетное значение критерия Стьюдента.

Для показателя качества – «прочность» расчетное значение S1-2 = 0,9. Число степеней свободы для критерия Стьюдента определялась как n1 + n2 – 2 (значения n1 и n2 соответственно размеры 1 и 2 выборок). Табличное значение t-критерия t4; 0,05 = 2,447. Расчетное значение статиcтики t определяется по формуле (1) |t1-2| = 0,16. Так как 2,447 > 0,16 то гипотезу о равенстве средних – принимаем.

Рассмотрим проверку данной гипотезы для показателя качества – «относительное удлинение». Расчетное значение S1-2 = 1,55 Табличное значение критерия t4; 0,05 = 2,447. Расчетное значение |t1-2| = 40,3. Так как 40,3 > 2,447, то гипотезу о равенстве средних H0 – отвергаем.

Данная методика использовалась и для обработки экспериментальных данных для поперечных образцов рассматриваемых материалов.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В результате проведенных исследований получены значения экспериментальных данных для кож хромового дубления с восковым покрытием двух показателей качества «прочности» и «относительного удлинения».

Для решения задачи о выборе материала кожи, имеющего наиболее лучшие показатели качества, использовался статистический метод проверки нулевых гипотез об однородности дисперсий и средних значений полученных экспериментальных данных для продольных и поперечных образцов материалов кожи.

Анализ данных для показателя «прочность» для продольных образцов показал, что Fтеор. = 9,28 > Fрасч. = 1,91, это означает что на уровне значимости 0,05 гипотеза об однородности дисперсий принимается; значения данного признака принадлежат одной совокупности. При 5%-ом уровне значимости существует различие между средними значениями параметра качества – «прочность» для материалов А и Б.

Проверка нулевых гипотез на уровне значимости 0,05 подтверждает гипотезу об однородности дисперсий как по показателю качества – «прочность», так и показателю «относительное удлинение». При 5%-ом уровне значимости существует различие между средними значениями параметра качества – «относительное удлинение» для рассматриваемых материалов (|t_1-2| = 8,75 > t 4; 0,05 = 2,447).

Результаты исследований подтверждают факт изначальной асимметрии структуры волокон, т.е. вариабельность статистических данных для продольных и поперечных образцов.

Проверка гипотез о равенстве средних значений в выборках говорит о том, что материал образца А превосходит по изучаемым показателям качества материал Б. Таким образом можно сделать вывод что образец А подойдет для холодных районов, так там нужна высокая прочность и устойчивость к деформации, а образец Б использовать в жарком климатическом секторе, так как кожи подвергаются растрескиванию, поэтому лучшие прочностные показатели в поперечном сечении будут преимущественными. Кожа имеет неоднородную структура и несмотря на то, что хромовое дубление позволяет сгладить кожи, ее волокна расположены неравномерно, в зависимости от участка тела и направления мышечных волокон именно поэтому образуется нестабильность показателей несмотря что кожи в образцах А и Б были одинаковые по методу дубления и обработкой покрытия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кожевенная промышленность нуждается в изменениях в области цифровизации технологических процессов обработки кож. Разработанная программная система «Qulitycom» [6] содержит блок статистической обработки экспериментальных данных, который позволяет оперативно получать результаты анализа и интерпретировать их в соответствии с рассматриваемой методикой.

Проведенные исследования подтверждают превосходство материала образца А кожи хромового дубления для верха обуви с восковой отделкой (РФ).

В качестве рекомендаций: необходимо во время подготовки к производству материалов сформировать вид, род, сезон носки модели и преимущественные качественные характеристики для места реализации. После чего скомплектовать запрос для поставщиков и изучить ценовой диапазон, для осуществления выбора образца для запуска на модель. Методику подбора материалов с использованием экспериментального и статистического подхода можно использовать для выбора качественных комплектующих.

В качестве перспективы исследования необходимо провести дополнительное испытание выбранных материалов в реальных условиях эксплуатации обуви в готовой продукции.