Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,737

НОВЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Шеромова И.А. 1 Старкова Г.П. 1 Железняков А.С. 2
1 Владивостокский государственный университет экономики и сервиса
2 Новосибирский технологический институт (филиал) Московского государственного университета дизайна и технологии
Объектом исследования статьи является метод оценки воздухопроницаемости волокнистых материалов и техническое решение прибора для его реализации. Цель работы – автоматизировать процесс и повысить точность определения показателей воздухопроницаемости волокнистых материалов. Для достижения поставленной цели в работе решен комплекс задач, связанных с анализом существующих технических средств, выявлением потенциально возможных решений поставленной проблемы, разработкой нового патентоспособного технического решения устройства для оценки воздухопроницаемости. В ходе проекта разработано техническое решение прибора для исследования воздухопроницаемости волокнистых материалов, обеспечивающее возможность приблизить условия проведения эксперимента к реальным условиям эксплуатации изделий, автоматизировать процесс исследования и повысить точность получаемых результатов. Кроме того, предлагаемое решение обеспечивает расширение технологических возможностей и повышение гибкости процедуры процесса с возможностью формирования баз данных на электронных носителях информации, а также открывает возможности создания алгоритмических манипуляторов для исследования воздухопроницаемости разного вида легко деформируемых композитных материалов.
воздухопроницаемость
волокнистые материалы
эргономические свойства
прибор для исследования свойств материалов
1 Бузов, Б.А. Материалы для одежды. Ткани / Б.А. Бузов, Г.П. Румянцева. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФРА-М, 2014. – 224 с.
2 Орленко, Л.В. Конфекционирование материалов для одежды / Л.В. Орленко, Н.И. Гаврилова. – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2010. – 288 с.
3 Стельмашенко, В.И. Материалы для одежды и конфекционирования / В.И. Стельмашенко. – М.: ИЦ «Академия», 2010. – 320 с.
4 Бузов, Б.А. Материалы для одежды / Б.А. Бузов, Г. П. Румянцева. – М.: ИЦ «Академия», 2010. – 160 с.
5 Бузов, Б.А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство) / Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова. – М.: Академия, 2004. – 448 с.
6 Шеромова, И.А. Текстильные материалы: получение, строение, свойства / И.А. Шеромова. – Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2006. – 220 с.
7 Савостицкий, Н.А. Материаловедение швейного производства: учебное пособие/ Н.А. Савостицкий, Э.К. Амирова. – М.: Академия; Мастерство; Высшая школа, 2001. – 240с.
8 ГОСТ 12088-77 Материалы текстильные. Метод определения воздухопроницаемости. – Изд-во стандартов, 2003. – 10 с.
9 Кобранова, В.Н. Физические свойства горных пород / В.Н. Кобранова. – М.: Изд-во Госуд. научно-технич. нефтяной и горно-топливной литературы, 1962. – С.138–142.
10 Патент 2165609, Российская Федерация. – Опубл. 1999 г.

Комплекс потребительских требований, предъявляемых к одежде и другим изделиям легкой промышленности, как один из важнейших групповых показателей качества включает эргономические показатели, определяющие комфортность выпускаемого изделия. Гигиенические показатели формируют основную часть данных требований и зависят, прежде всего, от показателей физических свойств материалов, таких как гигроскопичность, воздухо- и паропроницаемость, влагоемкость и других [1, 2]. Причем воздухопроницаемость материалов учитывается в независимости от ассортиментной группы изделия. Для многих одежных материалов воздухопроницаемость относится к нормируемым показателям качества [2–4], а значит, подлежит определению в процессе различных видов контроля качества, в том числе при входном контроле качества материалов на предприятии, при выборе материалов в пакет изделия, при гигиенической оценке свойств материалов и готовых изделий органами Госсанэпиднадзора, при проведении процедуры подтверждения соответствия требованиям безопасности и качества аккредитованными испытательными лабораториями и органами по сертификации. При этом одним из основных требований, предъявляемых к процедуре контроля, является точность и достоверность получаемой информации о фактических значениях показателя воздухопроницаемости, как, впрочем, и других контролируемых свойств. Выполнение указанных требований возможно только при использовании должного уровня технических средств контроля.

Цель статьи заключается в автоматизации процесса и повышении точности определения показателей воздухопроницаемости волокнистых материалов – одного из наиважнейших свойств материалов, обеспечивающих выполнение эргономических требований к швейным изделиям.

Материал и методы исследований

Объектом исследования статьи является метод оценки воздухопроницаемости волокнистых материалов и техническое решение прибора для его реализации. В работе использовались общетеоретические методы научных исследований и общеинженерные подходы к разработке технических решений испытательного оборудования.

Результаты исследования и их обсуждение

В общепринятом классическом варианте физическая воздухопроницаемость принимается как проницаемость пористой среды при истечении через неё однородного газа, количественно оцениваемая коэффициентом проницаемости, устанавливающим пропорциональность скорости истечения воздушной среды через материал, и определяется массовым расходом воздуха при заданном градиенте давления между внешней и внутренней стороной материала, приходящимся на единицу его площади [5].

Анализ существующих приборов для определения показателей воздухопроницаемости [5, 7–10] показал, что их перечень достаточно ограничен. Кроме того, они характеризуются рядом свойств, которые, определяя метрологические характеристики приборов, не обеспечивают требуемый уровень точности и достоверности получаемой информации. Это обуславливает необходимость совершенствования технической базы для исследования воздухопроницаемости.

Задачей разработки является упрощение способа оценки воздухопроницаемости волокнистых материалов посредством аналитических расчётов истечения воздуха в соответствии с законом Менделеева – Клайперона и связанное с этим расширение технологических возможностей и повышение гибкости процедуры процесса с возможностью формирования баз данных на электронных носителях информации.

Решение поставленной задачи достигается тем, что способ оценки воздухопроницаемости, включающий равномерное распределение давления на пробу и истечения воздуха из пневмокамеры с фиксируемым объёмом через площадь пробы, заключается в определении текущего коэффициента расхода воздуха при изменяющемся перепаде давления вплоть до наступления его установившегося значения между двумя пневмокамерами, и непрерывном расчёте показателя воздухопроницаемости с обработкой и записью информации в режиме реального времени на электронный носитель посредством процессора и контроллера, коммутированного с манометрами по заданному алгоритму:

(1)

(2)

ρ2 =, (3)

=, (4)

G=S µ, (5)

где – коэффициент расхода воздуха через пробу; – объём камеры истечения воздуха вследствие градиента перепада давления; – универсальная газовая постоянная;
– температура воздуха в К0; и – соответственно давление в пневмокамерах, фиксируемые в исходном состоянии и считываемые в реальном режиме времени в ходе процесса воздухообмена; t-фиксируемая текущая продолжительность процесса в ходе истечения воздуха из одной пневмокамеры в другую вследствие наличия перепада давления, фиксируемая таймером; S – площадь пробы, через которую происходит истечение воздуха;– скорость истечения воздуха через пробу в пневмокамеру с меньшим давлением; и – плотности воздуха в исходной и приёмной пневмокамерах в ходе процесса; – показатель адиабаты; G – расход воздуха через активную площадь S рабочей части исследуемого образца.

С учётом того, что воздухопроницаемость зависит от коэффициента расхода через исследуемый материал, то фиксируемая таймером продолжительность истечения воздуха из одной камеры в другую вследствие градиента давления является информативным параметром расходной характеристики, т. е. контролируется процесс изменения перепада давления посредством электронных манометров в двух сообщающихся между собой камерах, разделённых исследуемой пробой.

На рисунке 1 представлена структурно-кинематическая схема реализации способа, на рисунке 2 отображён процесс изменения перепада давления в пневмокамерах.

Структурно-кинематическая схема способа (рисунок 1) содержит блокподготовки воздуха 1, редукторы давления 2 и 3, пневмокамеры 4 и 5, опора 6 с шарниром и возможностью поворота пневмокамеры 4 при загрузке и выгрузке пробы, рычажный элемент 7 для фиксации относительного положения пневмокамер 4 и 5 в герметичных условиях их внутреннего пространства, центральный затвор – шторка 8 механического типа с замыкающимися поворотного типа сегментами, цифровые манометры 9 и 10, микроконтроллер 11 и процессор 12. Способ реализуется следующим образом: после установки пробы 13 и фиксирования камеры 4 относительно камеры 5 рычагами 7 срабатывают датчики подтверждения герметичности положения образца между пневмокамерами. При подтверждении герметичности фиксации относительного положения камер процессором 12 через контроллер 11 формируется команда на закрытие затвора – шторки 8 и на заполнение воздухом пневмокамер 4 и 5 по условиям необходимого перепада давления, измеряемого посредством электронных манометров 9 и 10, коммутированных через контроллер 11 с процессором 12.

После завершения процесса подготовки и проверки показаний цифровых манометров 9 и 10 и записи информации в процессор подаётся команда подачи через блок подготовки воздуха 1 и редукторы давления 2 и 3 в пневмокамеры 4 и 5 до достижения задаваемого исходного перепада давления как по условию обеспечения требований ГОСТ 12088-77, так и с возможностью варьирования перепадами давления, что обеспечивается предварительной настройкой редукторов давления 2 и 3.

воздухопроницаемость27

Рисунок 1. Структурно-кинематическая схема реализации способа

график

Рисунок 2. Процесс изменения перепада давления в пневмокамерах

Следовательно, в предлагаемом способе не обязательно устанавливать значения перепадов давления только в соответствии с требованиями ГОСТ12088-77, так как воздухопроницаемость того или иного материала при прочих равных условиях зависит от коэффициента расхода воздуха через исследуемый образец и соответственно от скорости истечения воздуха из камеры с повышенным избыточным давлением в камеру с более низким исходным давлением воздуха, например, не равным атмосферному значению.

Для обеспечения более высокой чувствительности и точности оценки коэффициента расхода и сокращении продолжительности процесса требуемый и допустимый перепад давления может устанавливаться и отличаться относительно других первоначальных значений истечения воздуха до достижения задаваемого или требуемого баланса (например, равенства давлений) в обеих пневмокамерах.

При достижении требуемого или полного баланса давлений в обеих камерах, сообщающихся через материал образца, сигналы поступают через микроконтроллер 11 в процессор 12.

Посредством таймера определяется и фиксируется продолжительность истечения воздуха через исследуемую пробу, формируются показания воздухопроницаемости в единицах продолжительности процесса истечения воздуха для конкретных видов материала и значений перепада давления в пневмокамерах, а также информация в текущем режиме процесса от цифровых манометров 9 и 10.

Процессор 12 непрерывно в реальном режиме времени фиксирует продолжительность (t), изменение перепада давления и выполняет расчёт расхода воздуха через единицу площади образца по формулам (1–5), как общепринятый показатель оценки воздухопроницаемости, определяемый прямым методом в соответствии с рекомендациями ГОСТ 12088-77.

Таким способом формируется база данных расходных характеристик и воздухопроницаемости на электронных носителях информации для разных видов материалов в режиме реального времени и динамические характеристики расхода для разных перепадов давления. При достижении в пневмокамерах заданного перепада давления информация о расходе воздуха через образец фиксируется в процессоре с выделением в виде отдельной информационной строки, и необходимые данные поступают на рабочую панель интерфейса оператору для контроля и дальнейшего использования.

После проведения измерительной процедуры по заданным условиям процессор 12 формирует команду на закрытие затвора-шторки 8 для повторения процедуры исследований.

Заключение

Таким образом, преимущества разработанного способа исследования одного из наиболее значимых эргономических свойств волокнистых материалов по сравнению с разработками аналогичного назначения определяются тем, что он раскрывает новые перспективы в сфере совершенствования процесса исследования физических свойств волокнистых материалов, что позволит повысить качество получаемой информации и, в конечном итоге, повысить качество и безопасность отечественной продукции легкой промышленности. По сравнению с аналогами предложенный способ оценки воздухопроницаемости обеспечивает не только точность и достоверность получаемых данных, но и облегчает процесс испытаний за счет его автоматизации при расширении технологических возможностей.

Рецензенты:

Бойцова Т.М., д.т.н., профессор, директор института сервиса, технологий и дизайна Владивостокского государственного университета экономики и сервиса (ВГУЭС), заведующая лабораторией мониторинга и экспертизы ВГУЭС, г. Владивосток.

Мансуров Ю.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой материаловедения и технологии материалов инженерной школы Дальневосточного федерального университета, г. Владивосток.


Библиографическая ссылка

Шеромова И.А., Старкова Г.П., Железняков А.С. НОВЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ВОЗДУХОПРОНИЦАЕМОСТИ ВОЛОКНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=16870 (дата обращения: 24.08.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252