19
Měření sil v osnovních nitích J. Dvořák Teorie tkaní
Měření sil v osnovních nitích
J. Dvořák
Teorie tkaní
Měření sil v osnovních nitích
Cíl semináře : změřit a vyhodnotit průběh sil v osnovních nitích v intervalu tkacího cyklu
Obsah:
1/ definice pojmů -elastické síly, vnitřní statické účinky, kinematické buzení
2/ adjustovaná síla, buzení sil prošlupním mechanismem, přírazným mechanismem a pohybem svůrky
3/ měření sil v osnovních nitích na tkacím stroji ( vzduchový stroj Vera 220)
4/ analyza výsledků měření a vypracování protokolu
Měření sil v osnovních nitích
Síly v nitích jsou vnitřní statické účinky . K jejich určení používáme metodu myšleného řezu .Vektor síly je totožný s osou niti. Tahová elastická síla je při zanedbání ohybové tuhosti nitě jedinou vnitřní statickou silou. Hodnota síly rezultuje z Hookova zákona, je tedy přímo úměrná prodloužení nitě. Elastické vlastnosti nitě simulujeme pružinami s tuhostí C=E.S/l ( Nm-1 )
Obr.1 :Rovnováha vnějších a vnitřních sil ve vazném bodu Obr.2: nahrazení elasticity nitě pružinami
Jednotlivé složky sil a jejich buzení :Na počátku tkaní je nutno seřídit-adjustovat- nominální hodnotu sil v osnovních nitích tak, aby se nit chovala jako pružné předepnuté těleso .V intervalu jednoho každého pracovního cyklu tkacího stroje je hodnota nominální –adjustované- síly v osnovních nitích ovlivňována pohyby pracovních členů tkaninu formujících mechanismů. V případě adjustace sil a činnosti prošlupního a přírazného mechanismu je okamžitá délka nitě funkcí známých zdvihových závislostí regulátorů ,tkacího listu a tkacího paprsku. Mluvíme o kinematickém buzení sil pohybem mechanismu. Totéž lze říci i v případě nuceně poháněné svůrky .V případě volně uložené svůrky je naopak poloha svůrkového válce odezvou na okamžitou rovnováhu sil osnovních nití.
Adjustace silAdjustovanou sílu, (kterou ne úplně exaktně , ale výstižně ,nazýváme předpětím osnovy), vyvoláme (vybudíme) v obecném případě rotačním pohybem osnovního nebo zbožového regulátoru, eventuálně obou s rozdílnou rychlostí nebo i smyslem otáčení. Současně s prodloužením nití tak můžeme seřídit i polohu čela tkaniny vůči úvrati trajektorie přírazného mechanismu resp přírazného pulzu. Hodnota adjustované síly musí zaručit minimální nenulovou sílu v niti po celý interval tkacího cyklu .Dále je ovlivněna kompromisem mezi požadavkem na snížení deformací a oděru při tvorbě prošlupu a dosažení požadované přírazné síly
Buzení sil prošlupem Zdvihová závislost tkacího listu a výpočet síly jako její funkce je teoreticky (pro případ pevné svůrky) uveden ve skriptech. Pro reálné mechanismy je výpočet obtížný a nepřesný, je nutno nahradit ho měřením.
∆𝐹 = 𝐶 . ∆𝑙 =𝐸 .𝑆
𝑙. ∆𝑙
Hookův zákon
Tyto síly se při tvorbě tkaniny neuplatní, v prohozním intervalu nesmí dojít ke kontaktu útku s osnovou. Nitě jsou zbytečně namáhany, dochází k deformacím a oděru. Je nutné je snížit, kompenzovat pohybem svůrky.
Přírazná sílaPřírazná síla v intervalu přírazného pulzu formuje tkaninu. Touto silou je nutno překonat tkací odpor , působící proti vtlačování útku do tkaniny. Tkací odpor a přírazná síla , dle principu akce a reakce, mají shodnou velikost ale opačný smysl. V důsledku změn rovnováhy sil dochází ke změně polohy a deformacím obou systémů nití a tvorbě vazných bodů. Je potřeba vytvořit podmínky k dosažení potřebné hodnoty přírazné síly ( protažení osnovy, zkrácení tkaniny, poloha svůrky ).
Výpočet přírazné síly je formálně jednoduchý, protože však neznáme velikost přírazného pulzu a protože hodnoty tuhostí osnovy a tkaniny jsou nepřesné a variabilní, je výpočet obtížný.
Měření přírazné síly je ovšem též obtížné. Pro měření je potřeba zároveň určit sílu v osnově i ve tkanině. Měření sil osnovy tenzometrickým snimačem je jednoduché. Umístění snimače a následné měření sil ve tkanině je však obtížné . Proto se spokojujeme jen
s měřením síly v osnově. V intervalu přírazného pulzu její průběh
koresponduje s příraznou silou, jejíž hodnoty je však menší.
Pozn.: Hodnoty přírazné síly a síly v osnovní niti by se shodovaly pouze v případě, že síla v tkanině je nulová. Tato situace je však pro tkaní nevhodná resp nepřípustná- bubnování tkaniny.
Přírazný pulz
Přírazná síla
Volná svůrka : Volná svůrka není členem mechanismu s definovanou zdvihovou závislostí, její pohyb je vybuzen elastickými silami nití . Okamžitá poloha svůrky je dána rovnicí rovnováhy všech působících sil. Její kompenzační schopnosti jsou velmi omezené – viz skripta.Svůrka by se měla svou zadní polohou v přírazu (00) podílet na zajištění přírazného pulzu a svou přední polohou snížit síly při maximálně otevřeném prošlupu (1800 ) Omezení efektu volné svůrky z hlediska technologie tkaní, z hlediska statického výpočtu tuhosti direkční pružiny a z hlediska dynamického chování ( rezonanční efekt) – viz skripta.Stroj Vera není vybaven volnou svůrkou, její vlastnosti nebudeme dále zkoumat.
Nuceně poháněná svůrka-její zdvihová závislost je exaktně určena a pohyb realizován mechanismem, vyhovující kompenzační funkce je však omezená jen pro plátno.Tkací stroj Vera je vybaven nuceně poháněnou svůrkou. Zdvihová závislost 4-kloubového aproximuje pohyb tkacích listů jen přibližně a jen pro plátnovou vazbu.
Složení – superpozice- jednotlivých složek sil
Typický příklad záznamu signálu tenzometrického snimače sil osnovní nitě
Cíle a smysl měření:Cílem měření je ověření – verifikace- vztahů popisovaných exaktními modely a stanovení obtížně zjistitelných parametrů, sloužících jako vstupní data do výpočtů ( např. hodnoty tlumení, tření atd).Dalším cílem je zkoumání závislostí hodnot sil na vybraných parametrech tkacího procesu, textilního materiálu a tkacího stroje.
Výsledný výstupní signál tenzometrického snímače je superpozicí signálů sil buzených jednotlivými mechanismy. Obsahuje statickou složku adjustačního předpětí, dynamickou složku sil buzených prošlupním mechanismem, dynamickou složku přírazného pulzu buzeného tkacím paprskem a dynamickou složku kompenzace sil polohou svůrky. Dynamické síly buzené v niti kinematicky považujeme za elastické, jejich amplituda je závislá pouze na velikosti zdvihu budících mechanismů, ne na jejich rychlosti a zrychlení. Nejsou tudíž závislé ani na úhlové rychlosti stroje. Výjimku tvoří volná silově buzená svůrka se svou amplitudově frekvenční charakteristikou. Její pohyb je naopak silně závislý na úhlové rychlosti tkacího stroje.Signál snímače je třeba analyzovat s cílem poznat jednotlivé složky a zkoumat závislosti hodnot jednotlivých sil na vybraných parametrech stroje a procesu.
Vybrané parametry :A/ textilní materiál ( osnova-tkanina)A1 / tuhost nití a tkaniny : má vliv na FP , na F0 , na vlastní frekvenci svůrky ΩA2 / jemnost útkových nití a dostava tkaniny : má vliv na tkací odpor R a FP
B / parametry stroj B1/ zdvih tkacích listů : má vliv na maximální hodnotu F0
B2/ zdvih nucené svůrky : má vliv na kompenzaci F0
B3/ úhlová rychlost stroje : má vliv na rezonanční jev ω/ΩB4/ tuhost direkční pružiny volné svůrky : má vliv na hodnotu kompenzace a vlastní frekvenci svůrky
Měření závislosti sil v osnovních nitích na parametrech osnovy a tkaniny je v podmínkách laboratoře VUTS Liberec nerealizovatelné. Máme k dispozici jedinou osnovu, jejíž parametry měnit nelze. Rovněž máme k dispozici jediný stroj . Změny důležitých parametrů stroje jsou sice možné a pro praxi dostatečně flexibilní, v laboratoři však nefektivní. Disponibilní tkací stroj Vega je založen sklovláknitou osnovou . Vysoká tuhost osnovy , jemnost kapilár a způsob lubrikace neumožňují měnit optimální seřízení zdvihu listů a zdvihu nuceně poháněné svůrky bez negativních vlivů na kvalitu tkaní. Kromě toho některé závislosti sil na parametrech jsou dostatečně teoreticky definovány.
Z těchto důvodů měření omezíme pouze na bod A2 . Předmětem měření bude síla v osnovní niti , proměnným parametrem útková dostava tkaniny. Cílem je ověřit předpoklad, že hodnota tkacího odporu je funkcí útkové dostavy tkaniny a s rostoucí dostavou stoupá. (Z principu akce a reakce je velikost přírazné síly a tkacího odporu stejná. ) Naměřené hodnoty sil je třeba získat z několika tkacích cyklů a zpracovat regresní analýzou.
silový polygon: tahová síla niti S
ohybová síla nosníku F
S S
F
Měření sil v niti odporovým tenzometrickým snimačem
Převod mechanické deformace y na elektrické napětí U ( Wheastonův můstek) + kompenzace vlivu teploty ( horní a dolní strana nosníku)
Zadání úlohy :Na základě analyzy datových souborů měření určete závislost maximální přírazné síly a maximální síly buzené prošlupem v závislosti na útkové dostavě.
Protokol o měření
1/ klimatické podmínky v laboratoři ( T, p, relativní vlhkost)2/ parametry textilně –technologické : útek , osnova, tkanina3/ popis tkacího stroje : systém, šíře, prošlupní zařízení, svůrka, regulátory, řízení4/ vybrané parametry seřízení stroje ( mající vztah k měření sil v osnově)5/ měřící aparatura : snimače, analyzátor, konfigurace přístrojů6/ výsledky jednotlivých měření7/ analyza grafů : perioda, amplitudy, trendy
Výsledkem měření jsou 4 soubory dat hodnot sil v osnovních nitích pro 4 různé útkové dostavy ( 30 – 60 /cm ). Každý soubor obsahuje data z 5 tkacích cyklů ( otáček stroje ) . Přesto, že počet dat v souborech je omezený, je možné regresní anlyzou určit trend závislosti průměrné maximální osnovní síly v intervalu přírazného pulzu a průměrné maximální síly buzené prošlupem na útkové dostavě.
1/ klimatické podmínky v laboratoři :Teplota , tlak , relativní vlhkost
2/ parametry textilně –technologické : útek : sklo EC 11 204 tex Z 28osnova : sklo EC11 204 tex Z 28 tkanina : sklo , vazba plátno , dostava osnovy 140/10cm, dostava útku 30-60 / 10cm
3/ popis tkacího stroje :vzduchový tkací stroj Vera 220 , VUTS Liberec, rok výroby 2013max šíře 220 cm, max otáčky 500 min-1
listový stroj Staubli S 3000 , , nuceně poháněna svůrka, elektronický osnovní a zbožový regulátor , tenzometrický snimač sil osnovy, pohony řízené elektronicky
4/ vybrané parametry seřízení stroje ( mající vztah k měření sil v osnově)
zdvih 1. listu : změřitvzdálenost příraz-1. list : změřitúhel prošlupu : vypočítatzdvih svůrky : změřitotáčky stroje :umístění snimače : mezi svůrkovým válečkem a osnovní zarážkou, rovina osnovních nití horizontální, vnější síla Q je
v rovnováze s vnitřní F ,nedochází k překřižování nití. Síla v předním prošlupu bude větší než naměřená síla v zadním dle Eulerova vtahu pro vlákenné tření
Analyzátor signálů DEWETRON DEWE 3020
• 1x analogový zesilovač DAQP-HV – měření stroboskopického signálu stroje , nastaven na 0° hlavního hřídele stroje (náběžná hrana), vzorkovací frekvence 10 kHz
• 1x tenzometrický zesilovač DAQP-STG – měření napětí v osnovních nitích ,plný můstek ,vzorkovací frekvence 1 KHz
Použité snímače• 1x tenzometrický snímač VUTS 210-01-1000-KTS (1 000cN)
5. Měřící zařízení
Fourierův řada a analyza
𝑓 𝑡 =𝑎𝑜
2+ 𝑖=1
∞ ( 𝑎𝑘 cos 𝑘𝜔𝑡 + 𝑏𝑘 𝑠𝑖𝑛𝑘𝜔𝑡)
Každá periodická funkce se dá nahradit řadou harmonických funkcí s definovanými amplitudami a s frekvencemi danými násobky harmonické
Sudé funkce (cos) reprezentují reálnou část, Liché funkce (sin) imaginární.
𝑎𝑘 =1
𝜋
−𝜋
𝜋
𝑓 𝑡 𝑐𝑜𝑠𝑘𝜔𝑡𝑑𝑡
𝑏𝑘 =
−𝜋
𝜋
𝑓 𝑡 𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡𝑑𝑡
Analyzátor signálů: DEWETRON DEWE 3020
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
00
,01
0,0
20
,03
0,0
40
,05
0,0
60
,07
0,0
80
,09
0,1
0,1
10
,12
0,1
30
,14
0,1
50
,16
0,1
70
,18
0,1
90
,20
,21
0,2
20
,23
0,2
40
,25
0,2
60
,27
0,2
80
,29
0,3
0,3
10
,32
0,3
30
,34
0,3
50
,36
0,3
70
,38
0,3
90
,40
,41
0,4
20
,43
0,4
40
,45
0,4
60
,47
0,4
80
,49
0,5
0,5
10
,52
0,5
30
,54
0,5
50
,56
0,5
70
,58
0,5
90
,60
,61
0,6
20
,63
0,6
40
,65
0,6
6
NAPĚTÍ OSNOVNÍCH NITÍ - 2 NITĚ , 450 rpm , DOSTAVA 30 ÚTKŮ/10CM
Napětí Osnovních Nití [N] 0° hl.hřídele (náběžná hrana) [-] čas [s]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
00
,01
0,0
20
,03
0,0
40
,05
0,0
60
,07
0,0
80
,09
0,1
0,1
10
,12
0,1
30
,14
0,1
50
,16
0,1
70
,18
0,1
90
,20
,21
0,2
20
,23
0,2
40
,25
0,2
60
,27
0,2
80
,29
0,3
0,3
10
,32
0,3
30
,34
0,3
50
,36
0,3
70
,38
0,3
90
,40
,41
0,4
20
,43
0,4
40
,45
0,4
60
,47
0,4
80
,49
0,5
0,5
10
,52
0,5
30
,54
0,5
50
,56
0,5
70
,58
0,5
90
,60
,61
0,6
20
,63
0,6
40
,65
0,6
6
NAPĚTÍ OSNOVNÍCH NITÍ - 2 NITĚ , 450 rpm , DOSTAVA 40 ÚTKŮ/10CM
Napětí Osnovních Nití [N] 0° hl.hřídele (náběžná hrana) [-]čas [s]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
00
,01
0,0
20
,03
0,0
40
,05
0,0
60
,07
0,0
80
,09
0,1
0,1
10
,12
0,1
30
,14
0,1
50
,16
0,1
70
,18
0,1
90
,20
,21
0,2
20
,23
0,2
40
,25
0,2
60
,27
0,2
80
,29
0,3
0,3
10
,32
0,3
30
,34
0,3
50
,36
0,3
70
,38
0,3
90
,40
,41
0,4
20
,43
0,4
40
,45
0,4
60
,47
0,4
80
,49
0,5
0,5
10
,52
0,5
30
,54
0,5
50
,56
0,5
70
,58
0,5
90
,60
,61
0,6
20
,63
0,6
40
,65
0,6
6
NAPĚTÍ OSNOVNÍCH NITÍ - 2 NITĚ , 450 rpm , DOSTAVA 50 ÚTKŮ/10CM
Napětí Osnovních Nití [N] 0° hl.hřídele (náběžná hrana) [-] čas [s]
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
00
,01
0,0
20
,03
0,0
40
,05
0,0
60
,07
0,0
80
,09
0,1
0,1
10
,12
0,1
30
,14
0,1
50
,16
0,1
70
,18
0,1
90
,20
,21
0,2
20
,23
0,2
40
,25
0,2
60
,27
0,2
80
,29
0,3
0,3
10
,32
0,3
30
,34
0,3
50
,36
0,3
70
,38
0,3
90
,40
,41
0,4
20
,43
0,4
40
,45
0,4
60
,47
0,4
80
,49
0,5
0,5
10
,52
0,5
30
,54
0,5
50
,56
0,5
70
,58
0,5
90
,60
,61
0,6
20
,63
0,6
40
,65
0,6
6
NAPĚTÍ OSNOVNÍCH NITÍ - 2 NITĚ , 450 rpm , DOSTAVA 60 ÚTKŮ/10CM
Napětí Osnovních Nití [N] 0° hl.hřídele (náběžná hrana) [-] čas [s]
Literatura
Zpracováno využitím publikací a zdrojů:Dvořák, J., Bílek, M., Tumajer, P.: Mechanické modely tkaní. 2016Tumajer, P., Bílek, M., Dvořák, J.: Základy tkaní a tkací stroje. 2015
http:tkani.tul.cz
