Прибор для определения фрикционных свойств волокон

Фрикционные свойства текстильных материалов были интересны текстильным технологам на протяжении многих лет в технологических процессах переработки волокна, таких как прочесывание, вытягивание и прядение. Все технологические процессы получения пряжи осуществляются за счет сил трения и сцепления волокон. Трение определяет возможность получения из отдельных волокон равномерной ленты, ровницы и пряжи, а также стабильность технологических процессов и физико-механических свойства пряжи.

Очень велико значение трения волокон в процессе вытягивания волокнистого продукта. Закономерность движения волокон в вытяжном приборе во многом зависит от величины и характера применения напряженности и протяженности поля сил трения. Последнее определяется заправочными параметрами и конструкцией вытяжного прибора, а также поверхностными свойствами волокон. Поверхностные свойства волокон можно изменять в широких пределах применением различных замасливателей или авиважей [1].

Приборы, которые были использованы для измерения фрикционных свойств текстильных волокон, были основанны главным образом на четырех понятиях. Это были: (1) пучок волокон метод, (2) метод скручивания волокна, (3) принцип крутящего момента и (4) техника скольжения [2,3].

Однако, все эти приборы для измерения трения были построены с использованием старых методов и аналоговых способов интеграции и усреднения данных. В настоящее время появились современные устройства, которые можно применить для изготовления приборов измерения коэффициентов трения, проводить измерения как в статике, так и в динамике, а также применить современные компьютеры для оценки сил трения и автоматической обработки получаемых данных, что позволит упростить конструкцию прибора, автоматизировать сам процесс измерения, повысить точность измерений и снизить время испытаний.

Материалы исследований: натуральные и химические волокна.

Методы исследований: определение фрикционных свойств текстильных волокон с помощью прибора.

Результаты и обсуждение

Прибор, разработанный и построенный нами, используется для определения силы трения волокон и сдвига их в пучке. Цель устройства: получение достоверных результатов статической и динамической сил трения. Разработанное устройство состоит из основания 1, на котором смонтирована стойка 2, кронштейна 3, упругой пластины ( с тензодатчиком) 4, на конце которой установлена движующая деревянная плита 8 с пластиной 5, электродвигатель 9 .

Рисунок 1 - Схема прибора для определения фрикционных свойств волокна

Тензоустановка состоит из тензодатчика, аналогово-цифрового преобразователя с усилителем сигнала HX 711, микроконтроллера ATmega2560, блока питания. В качестве тензодатчиков были использованы тонкоплёночные резисторы, которые изменяют своё сопротивление при деформации. Данные резисторы объединены в мост, который подключается непосредственно к АЦП, который фиксирует изменения значений резисторов. Датчик выполнен из алюминия, имеет форму бруска с 4 отверстиями на одной плоскости и особым сдвоенным отверстием на другой (рис.2). Тензодатчик с данными параметрами рассчитан на усилие максимум 10 Ньтонов.

Образец укладывается между деревянной плитой и верхней пластиной. Нижняя плита и верхняя пластина обклеены очень мелкой наждачной бумагой, имеющей очень высокий коэффициент трения с испытуемыми волокнами. Деревянная плита двигается с помощью электродвигателя. В процессе движения нижней плиты волокна происходит дви- жение части волокон, находящейся в нижней части относительно волокон, находящихся у верхней пластины. При этом возникает сила, действующая на верхнюю пластину, направленную в обратном направлении движению нижней пластины, величина которой пропорциональна коэффициенту трения волокон между собой. Пластина 5 закреплена неподвижно через упругий элемент – балочку, второй конец которой жестко закреплен на рычаге. Величина изгиба изменяет омическое сопротивление тензодатчиков, которое регистрируется разработанным авторами прибором. Движение верхней пластины в динамике во время испытаний приводит к движению пластину 4 с тензодатчиками, сигнал из которых записывается на компьютере. Данный способ позволяет измерить статический и динамический коэффициент трения в зависимости от силы нормального давления, скорости движения волокон и изменения силы трения волокон в динамике.

Рисунок 2 – Схема тензодатчика

Для преобразования сигнала в цифровой сигнал использовали Модуль HX711

(рис.3), его электрическая схема представлена на рис.4.

Рисунок 3. Вид и размеры Модуля HX711

Рисунок 4 - Электрическая схема аналого-цифрового преобразователя.

Далее сигнал регистрируется на программируемом контроле Ардуино Мега (рис.5)

Рисунок 5 - Контролер Ардуино Мега

Данный программный продукт позволяет осуществлять измерение и регистрацию коэффициента скольжения материалов. Также tenzo v0.1 осуществляет обработку результатов исследований (расчет среднего значения, вывод графика).

Данный программный продукт предназначен для работы только в семействе опера- ционных систем Microsoft Windows версии от Windows XP до Windows10.

Программы tenzo v0.1 представляют собой один файл для автоматической установки (в данной версии это около 4-х мегабайт).

При запуске программы открывается главное окно (рис. 6).

Выберите порт

|СОМЗ           v|

| Выбрать | Текущий порт COM3 Текущий отступ О Текущий фактор 1

Калибровка

Уберите все нагрузки и нажмите кнопку

Обнулить

Ожидание

Установите известную массу и нажмите кнопку

Среднее значение: 0

Итерация            :

Найти среднее

Очистить

Старт

Известная масса: 50       *

Найти Фактор

Ожидание

Рисунок 6 - Главное окно программы tenzo v0.1

Справа сверху расположено окно выбора порта, нужно выбрать порт com1-3. В окне выбора порта нужно выбрать активный порт, куда подключен тензодатчик.

Тензодатчик

Выберите порт f |иимз *]

Текущий порт COM3

Текущий отступ О

ТКУЩИЙ ЩПК Н1|) 1

Калибровка

Уберите нее негрулки

И IІДЖМИТС KI юпку

Обнулить

Ожидание

Установите известную массу И НПЖМИІГ ннешку

Сред юс значение: U

Итерашя         О

Ннй іи нцндннн

Очистить

Новостная масса: |50       [^

I Іайти Фактор

Ожидание

Рисунок 7 - Калибровки тензодатчика

Ниже расположено окно калибровки показаний тензодатчика (рис. 7)

Рисунок 8 – Программное окно калибровки

В окне калибровки нужно произвести калибровку тензодатчика, для этого нужно вначале обнулить показания датчика, нажав кнопку «Обнулить» (рис. 8).

Появится окно «подождите..».

После обнуления показания датчика программа вернется в прежнее окно.

После обнуления датчика нужно на тензодатчик приложить усилие известной вели- чины и внести значение в окно «Известная масса»: и нажать кнопку «Найти фактор».

Появится окно «Подождите...» после окончания калибровки вновь вернемся в главное окно. Теперь можно начинать измерения. Для запуска программы нужно нажать кнопку «Старт» (рис. 9).

Рисунок 9 – Окно калибровки тензодатчика

Нажав кнопку Старт, включаем систему На главном экране появляется график и по-протягивания материала под тензодатчиком. казания тензодатчика (рис. 10).

Рисунок 10 – Графические показатели тензодатчика

Измерение производится по максималь ному значению: в окно вносится максималь- ное значение и прибор переходит в состояние ожидания следующего измерения.

Рисунок 11 – Среднее значение измерении

Измерение можно произвести несколько раз, все показания будут появляться в окне показания в столбец. В конце измерения нажав кнопку «Найти среднее» определяем среднее значение измерения (рис. 11).

Авторами статьи разработан и изготовлен прибор, построенный на современной элементной базе с применением компьютерной обработки получаемых результатов. Прибор очень простой в применении, достаточно положить образец волокнистого материала между пластинами и приложить соответствующую требуемую нормальную нагрузку за счет изменения массы дополнительного веса на горизонтальном рычаге и включить прибор на измерение. На компьютере можно будет видеть динамику изменения сил статического и динамического трения и считать на мониторе значения коэффициентов трения. В течение нескольких минут можно провести достаточное количество повторностей для получения коэффициентов трения с большой точностью. Компьютерная программа достаточна проста и легко осваивается.

Прибор, разработанный нами, обладает многими преимуществами: конструкция аппарата проста, время измерения очень малое, не требуется сложной подготовки образцов, можно использовать для всех видов, как длинных, так и коротких текстильных волокон.

Заключение, выводы

• 1.    Разработан и изготовлен прибор для измерения трения текстильных волокон с применением современных элементной базы и компьютерного измерения.

• 2.    Прибор позволяет определить статический и динамический коэффициенты трения.

• 3.    На приборе можно проводить измерения сил трения в динамике, исследовать как длинные, так и короткие текстильные волокна.

• 4.    Применение прибора позволит ускорить процесс подбора требуемых замасли-вателей и авиважей для оптимизиции процессов вытягивания текстильных материалов.