УДК 677.021
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВОЛОКНИСТОГО МАТЕРИАЛА
В МАССЕ ПРИ СЖАТИИ И СНЯТИИ НАГРУЗКИ С УЧЕТОМ РЕЛАКСАЦИИ
В статье описана методика проведения испытаний для исследования напряженного состояния волокнистого материала в массе. Приводятся диаграммы напряжений, которые могут быть использованы для усовершенствования имитационной модели бункерного питателя.
Волокнистый материал, деформация, диаграмма напряжений, бункерный питатель.
Актуальность проблемы бункерного питания текстильных машин волокнистым материалом заключается в том, что несмотря на все достоинства системы бункерного питания вопрос о стабильности линейной плотности по длинным отрезкам формируемого слоя остается нерешенным. Требуется изучение механических свойств волокна, находящегося в бункере, в частности деформационных характеристик.
Волокнистый материал (ВМ) в массе всегда принимает форму объекта, в котором находится, т. е. при прохождении через бункерный питатель принимает его форму. Напряженное состояние волокна в шахте бункерного питателя ВМ в массе объясняется постоянно действующей нагрузкой на ВМ от веса вышележащей массы волокна и сил со стороны стенок бункера. Рассмотрим проходящий через бункер ВМ как множество элементарных порций. Сжимаясь в продольном направлении, порции должны увеличивать свой размер в поперечном направлении, но возникает препятствие в виде стенок бункера, при этом возникающие силы создают напряженное состояние. В нижней части вертикального бункера может существовать особая зона, где ВМ дополнительно испытывает на себе влияние выводного устройства – выводных валиков, транспортеров и т. п. Следовательно, данный ВМ, проходя через бункер, испытывает деформации сжатия и растяжения.
Вопрос связи напряжения и деформации порции ВМ с учетом времени на данный момент не решен. Была разработана методика испытаний, чтобы выявить зависимость напряжения от относительной деформации с учетом релаксации.
1. На подготовительном этапе исследуемому образцу придается первоначальная форма (рис. 1). Для этого на нижнем диске из пенопласта устанавливаются в соединенном состоянии два полых полуцилиндра, образующих вертикальный полый цилиндр диаметром около 300 и высотой 300мм.
Рис. 1. Формирование порции ВМ
2. Образовавшееся внутреннее пространство заполняется порцией разрыхленного волокна определенной массы.
3. Для индикации верхнего уровня волокна накладывается нажимной диск из пенопласта малой массы. Полые полуцилиндры разъединяются и удаляются.
4. Производится измерение высоты волокна без нагрузки.
5. К верхней поверхности образца через накладной диск поэтапно устанавливаются грузики различной массы, и производится измерение высоты образца под нагрузкой. Эта операция повторяется через каждые 15(25) мин до массы груза 500–600 г (масса каждого груза 50 г).
6. Производится разгружение волокна путем поэтапного снятия грузиков через 15 и через 25 мин, и осуществляется измерение высоты образца.
Эксперименты проведены на льняном очесе №6 с влажностью W = 3%.
Относительная деформация
,
где h0 – начальная высота образца, м;
hi – текущая высота образца, м.
Напряжение, возникающее в сечениях образца, Па
,
где 
– сила веса, возникающая от массы груза, давящего на порцию ВМ;
m – масса груза, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2;
S – площадь сечения образца, м2: 
,
D – диаметр образца (0,03 м).
Полученные расчетные данные о величине напряжения и относительной деформации порции ВМ, позволяют построить график зависимости величины напряжения от относительной деформации e.
На рис. 2 представлены диаграммы напряжений при сжатии порции ВМ и при снятии сжимающей силы для разных временных интервалов. Из графиков видно, что относительная деформация при временном интервале в 15 мин больше, чем при временном интервале 25 мин. Это можно объяснить тем, что образец при длительном ожидании несколько восстанавливает свои размеры.
Существует мгновенная функция напряжения от относительной деформации при сжатии порции ВМ [2]:
, (1)
где s – напряжение, Па;
К – коэффициент пропорциональности, характеризующий механические свойства порции определенного вида ВМ при сжатии, Па;
eпр – предельная относительная деформация;
e – относительная деформация.
|
а
|
б
Рис. 2. Диаграмма напряжений при сжатии
и снятии нагрузки:
а – время 15 мин, б – время 25 мин:
´ – экспериментальные точки при сжатии порции ВМ;
ÿ – экспериментальные точки при снятии нагрузки с порции ВМ;
сплошные линии – аппроксимированные кривые
В данной функции не учитывается зависимость напряжения от времени. Следовательно, диаграммы напряжений требуют выявления аналитической зависимости напряжения от относительной деформации уже с учетом временного интервала. Тогда имитационно-статистическую модель бункерного питателя [2] можно дополнить новыми решениями для ее усовершенствования.
Построенные диаграммы напряжений были успешно аппроксимированы функциями (корреляционное отношение 0,925–0,997).
При сжатии порции ВМ
, (2)
- для интервала 15 мин
,
коэффициент корреляции h = 0,997.
- для интервала 25 мин
,
коэффициент корреляции h = 0,964.
Коэффициенты К1 и К2 требуют дальнейшего исследования. Вероятно, коэффициент К1 – аналогичен коэффициенту К в формуле (1), а К2 учитывает время испытания.
При снятии нагрузки
, (3)
- для интервала 15 мин
,
коэффициент корреляции h = 0,925;
- для интервала 25 мин
,
коэффициент корреляции h=0,992.
Коэффициенты Кsn1 и Кsn2 также требуют дальнейшего исследования. Предполагается, что коэффициент Кsn1 связан с К1 в функции сжатия (2), Кsn2 учитывает время испытания.
Выводы
1. Разработана методика проведения испытаний для исследования напряженного состояния ВМ в массе, аналогичного тому, которое наблюдается в шахте бункерного питателя.
2. Получены диаграммы напряжений, которые проанализированы и аппроксимированы. Данные зависимости могут быть использованы для усовершенствования имитационно-статистической модели бункерного питателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнецова деформации и напряжения порции волокнистого материала при сжатии и снятии нагрузки / // Вестник Костромского государственного технологического университета. – 2005.– №11.
2. Жуков теории и технологии бункерного питания волокном текстильных машин льняной промышленности : дис. … д-ра техн. наук / . – Кострома, 2001. – 254 с.
3. Кузнецова влияния релаксации на процесс сжатия волокнистого материала / , // Научные труды молодых ученых. В 2 ч. Ч. 1. – Вып. 7. – Кострома : КГТУ, 2006. – 195 с.
In this article methodology of carrying out tests for research of fibre material stressed state in mass is described. Stress diagrams that can be used for bin feeder imitation model improvement.
Words: fibre material, deformation, stress diagram, bin feeder.
N. S. Kuznetsova
RESEARCH OF MASS FIBRE MATERIAL DEFORMATION PROPERTIES DURING
COMPRESSION AND LOAD REMOVAL TAKING INTO ACCOUNT RELAXATION
