Предисловие intrduction

В Древности человек искал средства защиты от неблагоприятных условий погоды: холода, жары, дождя, снега. Наиболее доступными оказались стебли различных растений, узкие длинные листья, ЕТС. Для их соединения достаточно было использовать самое простое переплетение: ПОЛОТНЯНОЕ. Именно оно позволило человечеству изготавливать всё первичное: одежду и кровлю помещения для жилья. Затем фантазия человека изобрела другие два переплетения: САРЖЕВОЕ и САТИНОВОЕ. В итоге Человечество продолжает использовать эти три переплетения нитей для формирования тканей различного назначения.

Принципиальные особенности полотняного переплетения состоят (заключаются) в возможности образовать тканое изделие с любой плотностью расположения нитей в ткани: от малой до сверхплотной. При этом можно использовать нити основы и утка различной толщины, крутки, жесткости к изгибу и смятию, любого цвета и сопротивления трению, любых вариантов физического состава (природного происхождения, химические искусственные и синтетические), ЕТС. На базе первичного полотняного переплетения можно создавать множество комбинированных переплетений различного назначения и внешнего эффективного образа.

Именно поэтому ПОЛОТНЯНОЕ ПЕРЕПЛЕТЕНИЕ можно назвать ПЕРВИЧНЫМ, базовым, фундаментальным для изготовления тканей любой заданной воздухопроницаемости, комфортабельности и внешней эстетики.

В реальной жизни рынок диктует условия, определяемые необходимостью продажи изделий для предприятия: либо оно работает нормально, либо объявляется банкротом. Превратить изделие в товар, привлекательный для покупателя, является главной задачей любого производителя. Другой важный фактор: изменчивость запроса покупателя требует немедленной и даже опережающей реакции в изменении ассортимента товаров. Поэтому роль дизайнера-технолога в деятельности предприятий является одной из ведущих (главных, первостепенных).

Современный уровень развития текстильной отрасли, техники предъявляет все более высокие требования к технологии проектирования новых оригинальных структур тканых полотен с уникальными свойствами, отвечающим повышенным запросам человека и техники.

По традиции создание новой структуры ткани бытового назначения начинается с разработки дизайнером её внешнего эстетического образа. Затем следует этап определения вида переплетения и волокнистого состава нитей (хлопок, шерсть, шелк, химические волокна,…), а также толщины, крутки, структуры утка и основы, плотности ткани по основе и утку. Эти исходные данные позволяют перейти к разработке канвового рисунка переплетения фона и кромок ткани, принятию параметров заправочного рисунка: вида проборки нитей основы в бердо, галева ремиз, ламели, определение порядка подъема ремиз (в ремизном ткачестве) применительно к виду зевообразователя. После этого технолог должен рассчитать параметры заправки данного типа ткацкого станка: номер и ширину заправки берда, количество ремиз для фона и кромок, количество ламельных реек (исходя из допустимой плотности расположения галев и ламелей на ткацком станке), необходимый уровень заправочного натяжения нитей основы. На этом предварительный этап создания новой ткани заканчивается.

Затем начинается наиболее трудоемкий и дорогостоящий этап получения образца ткани: наработка паковок пряжи (прядильных початков, бобин, сновальных валиков и ткацких навоев), проборка нитей основы в галева ремиз в проборном отделе, заправка ткацкого станка основой (навой, ремизный прибор, ламели), приработка основы для начала образования ткани (не менее 1.5÷2.0 m). Как правило, задуманную дизайнером структуру ткани можно получить только после проведения дополнительных регулировок параметров заправки ткацкого станка основой и утком, при этом опять нарабатываются лишние метры ткани. В распоряжении дизайнера на ткацком станке остается очень ограниченный арсенал средств обогащения ассортимента данной структуры ткани: толщина, цвет и структура утка, плотность ткани по утку. Смена проборки нитей основы в зубья берда, галева ремиз и ламели на ткацком станке - очень трудоемкая и ответственная операция (нарушение порядка проборки в любом месте требует повторения операции проборки), поэтому она используется только в крайнем случае. В итоге с помощью одной основы можно наработать лишь ограниченное число образцов новой структуры ткани. На это потребуется не менее одной – четырех недель рабочего времени рабочих высокой квалификации, технолога и дизайнера. В случае недостижения желаемого эффекта приходится готовить новую основу и заново повторять дорогостоящую процедуру создания новой ткани с максимальным приближением к замыслу дизайнера, обеспечивающим превращение изделия в товар с высокой конкурентной способностью.

Технические ткани и ткани специального назначения проектируются по той же технологии, что и бытовые, т.е. в значительной мере органо-лептическим способом, что существенно увеличивает время на разработку новой структуры. Кроме того, данные ткани в обязательном порядке подвергаются дополнительным испытаниям, приближенным к реальным условиям эксплуатации. Эта заключительная процедура также существенно увеличивает себестоимость разработки новой ткани.

Однако, главный недостаток традиционного способа проектирования новых структур тканей любого назначения заключается в том, что степень соответствия результатов расчета фактическим параметрам структуры ткани существенно зависит от знания конкретных значений физических величин: толщины нитей, их крутки, способности к деформациям изгиба, смятия и растяжения, модуля упругости, меры сопротивления трению вдоль и поперек нитей основы и утка, выносливости к деформациям в зависимости от количества циклов тканеобразования по мере движения элемента нити от ткацкого навоя до опушки ткани и др. Такого количества тестов на предприятиях в современных условиях не проводится до сих пор, поэтому первичная достоверность результатов расчетов соответственно далека от желаемой.

Целью данной работы является разработка новой интерпретации фазового строения тканей на базе фундаментальной работы проф. Новикова Н.Г. Дизайнерам новых структур тканей бытового и технического назначений предлагается технология глубокого анализа расположения нитей в структуре ткани и строгого соотношения размеров поперечных сечений нитей основы и утка для обеспечения формирования различных фаз строения без чрезмерной напряженности выработки на ткацких санках.

На основе разрабатываемой теории естественной структуры ткани с использованием науки о сопротивлении материалов дизайнеру предлагается практичный метод расчета взаимодействия нитей в естественном состоянии ткани после снятия внешней нагрузки применительно к наиболее трудноформируемому полотняному переплетению.

Вниманию специалистов предлагается ещё и метод анализа особенностей плотных тканей: нормальной, предельной и сверхпредельной плотностей, а также алгоритм расчета конкретных параметров нитей для получения желаемой структуры ткани определенного дизайнером назначения.

Особое внимание специалистов в области проектирования тканей рекомендуется обратить на анализ условий образования пор для «свободного прямого хода воздуха» при различных фазах строения ткани, различных параметрах нитей и плотности их расположения. Дизайнеру предлагается методика глубокого анализа формы поры и формы проникающего потока газа, жидкости или твердых веществ сквозь ткань. На этой основе возможно обеспечить обоснованное проектирование новой структуры ткани заданного назначения для получения наибольшего эффекта проявления заданных качеств при её эксплуатации.

Для обеспечения высокого уровня наглядности использовано цветное изображение принципиальных элементов всех фигур.

Борисевич А.

1. НАЗНАЧЕНИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ ТКАНЕЙ

Потребителями тканых полотен является человек (класс бытовых тканей, «ткань для человека») и техника (класс технических тканей, «ткань для техники»). Поэтому новая структура ткани должна создаваться в максимальном соответствии с назначением и функциями использования.

Класс бытовых тканей ориентируется в первую очередь на её эстетические качества. Функциональные свойства тканей нередко находятся в подчиненном, как бы второстепенном, положении. Класс технических тканей предназначен в обязательном порядке для выполнения конкретных технических задач, содержащих конкретные параметры работы рабочих органов машины при выполнении данной технологии продукта. Поэтому эстетические качества тканых изделий технического назначения отступают на второй план.

Разработчик новой ткани для быта человека попадает каждый раз в сложную ситуацию, требующую решения задачи по обеспечению различных, нередко трудно совместимых, качественных характеристик эстетики и функциональности. В связи с этим обстоятельством актуальной становится необходимость интегрирования знаний по основам дизайна текстиля и технологии изделия в лице дизайнера-технолога. Современная подготовка дизайнера во всем мире имеет существенный недостаток: недостаточно глубокое изучение, вернее освоение, тонкостей технологии ткани. В качестве иллюстрации рассмотрим ряд примеров. Ткань для жаркого времени года, например, брюк, должна иметь хорошую воздухопроницаемость. Для этого нужно изготавливать ткань малой плотности из тонких нитей. Однако, такие брюки будут обладать малой стойкостью к смятию и износостойкости. С целью повышения уровня этих качеств на практике подобную ткань подвергают обработке химическими веществами, что не всегда полезно для человека. Есть другой путь повышения стойкости к смятию: создать рациональную структуру ткани из нитей различной толщины, в которой переплетение и расположение нитей обеспечивают сочетание нужной жесткости к изгибу и достаточную воздухопроницаемость (особенно из натуральной пряжи). Наоборот, брюки для зимнего времени года необходимо шить из ткани с малой воздухопроницаемостью, что достаточно просто достигается увеличением толщины нитей и повышением плотности ткани. Следует отметить, что стойкость ткани к смятию можно обеспечить и соответствующими параметрами её структуры. Для создания таких тканей одних знаний художника недостаточно, здесь требуются знание законов возможных вариантов взаимозависимого расположения нитей в структуре ткани. Но и этого недостаточно. На практике «чистые» технологи нередко встречаются с тупиковой ситуацией, когда спроектированное дизайнером переплетение невозможно выработать на ткацком станке. Поэтому разработчик новой ткани должен быть вооружен (обладать) комплексом знаний в трех областях: методах проектирования структур ткани и тонкостях её технологии в соответствии с основами создания дизайнерского образа, направленного на обеспечение условий гарантированной продажи изделия.

С появлением компьютеров ускоренными темпами стало создаваться их программное обеспечение, позволяющее просматривать на мониторе многие варианты переплетений на первой стадии проектирования до наработки образцов новой ткани. В связи с этим резко возросло значение разработки способов проектирования новых структур ткани, существенно повышающих информативность и связь исходных и конечных параметров структуры ткани в соответствии с её назначением.

Разработкой методов проектирования новых структур тканей и исследованием условий их выработки занималась большая группа ученых. Чтобы отдать (проявить) должное уважение научно-практическим трудам исследователей различных стран мира считаем целесообразным указать большинство их фамилий: Voucanson (1745), Cartwright (1784), D.Merphy (1827), B.Bona (1878), T.R.Ashenhurst (1892), W.H.Greenwood, W.E.Ayrton, M.E.Perry, A.G.Payne, D.H.Parry, F.Barret, T.G.Bonney, Bitner, L.Low, N.Reiser (1900), J.Reintgen, Ermietedg, А.Г.Лаписов (1903), A.F.Barker, E.Midgley (1914), R.Beaumont (1916), Н.П.Ланговой (1925), С.А.Ганешин, H.Repenning (1926), F.Stein (1927), Клейн К.Д., Н.Г.Новиков, A.Hamman (1929), Л.Г.Лейтес (1930), A.Kemp (1931), А.А.Синицын (1932), R.Hunlich (1934), Н.К.Бакун, F.T.Peirse (1937), Posselt, W.Watson, S.Brayerley, A.Jauman (1938), С.О.Доброгурский, Е.К.Зворыкина (1940), Н.А.Архангельский, A.B.D.Cassie (1944), S.Bazter, Ф.Ф.Васильев (1946), Н.С.Федоров, А.М.Кузнецов, Н.С.Храмова (1947), О.С.Кутепов, П.А.Колесников (1948), Н.Ф.Бафструк (1951), В.Ф.Белов, В.А.Воробьев, Д.Л.Парфенов, E.Painter (1952), И.Г.Чарухин, Н.С.Еремина, Kaswell (1953), В.А.Гордеев, С.А.Дынник, Г.И.Медведева, М.Бородовский (1954), А.К.Клейн, Г.И.Селиванов, П.К.Лебедев (1955), K.Greenwood (1956), W.T.Cowhing, G.N.Vaughan, К.Г.Алексеев (1957), Г.Б.Дамянов, В.Н.Васильченко (1959) и после 1960: И.В.Ильин, Ц.З.Бачев, M.A.Hann, X.Lin, G.M.Thomson, S.C.Harlock, Z.Liu, M.P.Bandara, B.Hepworth, K.Blackburn, Testore, Н.Г.Стрясков, В.И.Смирнов, В.П.Склянников, W.F.Kilby, M.Allford, D.Hamilton, Э.А.Оников, А.И.Скорикова, Н.Ф.Сурнина, Г.В.Юденич, W.F.Polfus, F.Koler, Р.З.Бурнашев, В.Б.Корсакова, А.К.Киселев, S.Kawabata, M.Niwa, H.Kawai, Н.В.Васильчикова, С.Г.Керимов, Л.А.Черникина, А.А.Мартынова, П.Т.Букаев, В.В.Чугин, B.Lund-Iversen, Г.В.Степанов, С.Д.Николаев, R.D.Reuman, С.В.Ломов, Б.М.Примаченко, Н.Н.Труевцев, В.Ю.Щербань, J.E.Ruckman, А.Г.Разуваев, П.Ф.Ерченко, С.А.Федоров, Ф.Ф.Бобров, Е.В.Чепелюк, Н.С.Храмова и др.

Подробный анализ работ вышеперечисленных авторов приведен во многих современных публикациях, поэтому ограничимся лишь одним примером высокого уровня исследований структуры ткани.

Ещё в 1914 году A.F.Barker и E.Midgley в классической работе “Analysis of Woven fabric” [1] привели схемы двух крайних альтернативных вариантов продольной формы нитей основы и утка в структуре ткани полотняного переплетения нормальной (средней) плотности (Фиг.1,(а),(b)). Контрастность продольной формы нитей предложено достигнуть за счет использования волокон хлопка и шерсти. На схеме (а) уточины имеют прямолинейную форму, а нити основы значительно изогнуты. На схеме (b) изображена альтернатива: нити основы имеют прямолинейную форму, а нити утка существенно изогнуты. Интересно отметить, что прямолинейность нитей утка (а) создается значительно более высоким уровнем жесткости к изгибу нитей из хлопка по сравнению с малой жесткостью к изгибу нитей основы из шерсти. Прямолинейная форма нитей основы и существенно изогнутая форма уточин (b) могут быть достигнуты за счет более высокой жесткости к изгибу основных нитей из хлопка по сравнению с уточными нитями из шерсти даже при относительно большей толщине утка. Здесь проявилось влияние еще одного фактора: нити основы в большинстве структуры тканей имеют более высокий уровень крутки волокон.

Такая трактовка возможности существенного приближения к реальности двух крайних вариантов взаимного расположения нитей основы и утка в ткани свидетельствует о глубоком анализе авторами условий реализации предельно возможных вариантов продольной формы нитей основы и утка в структуре ткани полотняного переплетения.

ФИГ.1

В совокупности работы различных авторов в период 1745 -1929 годы заложили фундамент для дальнейшего интенсивного развития теорий строения ткани.

Следует отметить, что большинство авторов посвятили свои работы формированию структуры ткани в условиях внешних воздействий на нити рабочими органами ткацкого станка.

Как правило, все авторы методов проектирования структур ткани в первую очередь в обязательном порядке рассматривали различную степень связности нитей в полотняном переплетении ткани.

Наша работа на данном этапе также посвящена исследованию наиболее трудноформируемой структуры однослойных тканей 2D полотняного переплетения с нормальной (средней), предельной и сверхпредельной плотностью расположения нитей в ткани в естественном состоянии без внешней нагрузки.

Наиболее фундаментальной и значимой теорией является геометрический метод проектирования и анализа структуры ткани проф. Н.Г.Новикова, опубликованной в 1946 году [2,3,4]. Этот труд по праву считается классическим. Рассмотрим основные положения этой теории в качестве исходной позиции для наших исследований.

2. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕОРИИ ФАЗОВОГО СТРОЕНИЯ ОДНОСЛОЙНОЙ ТКАНИ ПРОФ. НОВИКОВА Н.Г.

Согласно теории фазового строения ткани проф. Новикова Н.Г. [2÷4] расположение нитей круглого сечения в однослойной ткани полотняного переплетения может быть (определено) обозначено в пределах девяти фаз строения. К первой фазе относится крайний случай: основа располагается в ткани прямолинейно, а изгибается только уток. При девятой фазе наоборот: уток прямолинеен, а основа максимально изогнута. Между первой и девятой фазами основа и уток изогнуты в различной степени. Пятая фаза соответствует равенству высот волн изгиба основы h_wp и утка h_wft в ткани (здесь и далее используются наши обозначения). В качестве основной характеристики структуры ткани проф. Новиков Н.Г. предложил отношение высот волн изгиба основы h_wp и утка h_wft. Разницу порядка соседних фаз автор предложил определять в размере 1/4 диаметра нитей основы и утка.

Сурнина Н.Ф. [5] предложила выразить отношение волн изгиба нитей основы и утка коэффициентом K_h (у нас обозначено как К_h^N).

В Табл.1 для всех девяти фаз представлены значения коэффициента K_h^N = h_wp / h_wft [2÷4]. Следует обратить внимание: для первой фазы K_h^N = 0/8 = 0, а для девятой K_h^N= 8/0 = ¥. Теоретически при первой фазе нити основы могут занимать положение одна над другой, а при девятой – нити утка. Как отмечает сам автор, эти положения нитей практически получить невозможно. Существенным недостатком является также обозначение номера фазы целым числом. На практике вынуждены использовать малоинформативные выражения (обозначения) типа: «данная ткань имеет строение между третьей и четвертой фазами, ближе к третьей». Поэтому ряд последующих исследователей предложили характеризовать фазу строения ткани в виде дробного числа. Например, проф. К.Г.Алексеев в своей работе [6] предложил обозначать фазу строения ткани как Ф = h_wp /h_wft. В соответствии с этим обозначением, например, число 5,6 более информативно указывает на принадлежность структуры ткани к промежуточной фазе: между пятой и шестой, ближе к шестой.

Таблица 1

Величина коэффициента K_h^N отношения высот волн изгиба нитей в ткани по Новикову Н.Г.

Порядок фазы строения ткани NF
KhN = hwp/hwft	0:8 = =0,000	1:7 = =0,143	1:3 = =0,333	3:5 = =0,600	1:1 =1,0	5:3= =1,666	3:1= =3,00	7:1= =7,000	8:0 = ¥

Необходимость компьютеризации всех видов деятельности во всех областях знаний заставляет исследователей при разработке новых современных технологий в первую очередь ориентироваться на особенности построения алгоритмов программного продукта: простоту вычислений, логичность, определенность искомого значения реального объекта в границах варьирования фактора при желательной непрерывности его изменения и др. Отсутствие четкой математической модели изменения порядка фазы в теории строения ткани проф. Новикова Н.Г. и невозможность использования на практике обозначенных им первой и девятой фаз привели к необходимости разработки нового метода расчета фаз структуры однослойных тканей.