棉纤维集合体压缩力传递与密度关系

李 勇， 张 宏， 张有强， 陈晓川， 刘文亮

(1. 塔里木大学 机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300； 2. 东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

棉纤维集合体压缩力传递与密度关系

李 勇1， 张 宏1， 张有强1， 陈晓川2， 刘文亮1

(1. 塔里木大学 机械电气化工程学院， 新疆 阿拉尔 843300； 2. 东华大学 机械工程学院， 上海 201620)

为分析棉纤维集合体的压缩力传递特性，在万能试验机上对棉纤维集合体进行压缩试验，用压力传感系统采集受压棉纤维集合体上、中、下3层的压强，分析传感器采集的压缩强度与棉纤维集合体应变、相对密度的关系。试验结果表明：随着棉纤维集合体应变的增加，其各层压强值均增加; 各层棉纤维集合体压强值由上而下呈降低趋势，层间存在显著压强差。分析棉纤维集合体的密度-力学性能发现，其相对密度与压强之间呈极佳的线性关系，即棉随着纤维集合体相对密度的增加，各层压强均呈线性增加。同时，相对密度与层间压强差之间存在良好的关系，表明棉纤维集合体存在显著的应变率敏感性。

棉纤维集合体； 压缩力； 传递； 相对密度

棉花是新疆地区重要的纺织原料。在储运、生产加工等环节，棉纤维集合体需被反复多次压缩、放松，其压缩性能的优劣与各环节生产效率密切相关。自20世纪50年代以来，国内外学者对各类纤维集合体压缩力学性能开展大量的压缩理论推导、力学模型分析和相关试验研究[1-3]，从力学原理角度分析纤维集合体的压缩性能，也从压缩力与压缩变形力学曲线分析力学特征[4-6]，研究表明，纤维集合体的密度是影响压缩力学参数最重要的指标，且纤维集合体密度与压缩力之间存在着密切关系[7-9]。

目前，棉纤维集合体的压缩力学指标与其压缩密度演化过程分析、棉纤维集合体内部应力分布、传递与密度梯度的建模与理论分析推导等方面的研究鲜有报道。针对此类问题的研究，有助于分析籽棉打垛、原棉打包等压缩环节中棉纤维集合体的压缩压力与其受压缩集合体内部紧密度程度变化以及纤维集合体压力传递之间联系。

基于前人的研究，本文以棉纤维集合体为对象，采用压力传感系统采集棉纤维集合体压缩过程的压强值，分析压缩过程中不同层间棉纤维集合体压强值与密度的关系，建立相应的力学模型，以期为棉纤维集合体的压缩生产环节提供理论参考。

1 试验部分

1.1 材料与仪器

选用新疆阿拉尔市新陆中37手摘原棉，原棉于轧花厂轧花机后端棉道提取。

1.2 压力传感系统原理

从表2可知，经过对四种敏感性指标d’进行折半信度检验后，自我和他人这两部分的内部一致性系数分别为0.438和0.482，分半系数为0.534，说明GNAT测量程序可信[27].

万能材料试验机(上海卓技仪器设备有限公司)、FA1104电子天平(上海安亭科学仪器厂)、FSR400薄膜压力传感器(Interlink Electronics)、有线薄膜压力传感软件(安徽威科电子有线公司)。

压力传感系统由FSR400薄膜压力传感器、彩排线、USB公共接头、笔记本和有线薄膜压力传感软件组成。薄膜压力传感器为力敏电阻式压力传感器，将其置于棉纤维集合体层间，棉纤维集合体压缩压力导致传感器内电阻发生变化(压力越大，电阻值越小)。有线薄膜压力传感器采集电阻信号，将电阻信号转化为力值，并以每50次/s的频率采集压力值并存储压力值。

1.3 压缩试验

称取225 g原棉，装入亚克力管(外径110 mm，内径104 mm，壁厚3 mm)，置于万能试验机平台上，以20 mm/min的加载速度进行压缩试验(室内温度16 ℃，相对湿度27%)。在万能试验机动压头、定压头和定、动压头中间位置放置3个压力传感器。动压头在压缩过程中由有线薄膜压力传感系统采集3路压力数据。3路数据依次由上传感器、中传感器和下传感器采集。上传感器采集万能试验机动压头施加在棉纤维集合体整体的压强；中传感器采集棉纤维集合体中间位置所承受的压强；下传感器采集棉纤维集合体底部所承受的压强。万能试验机压缩压力采集示意图，如图1所示。

棉纤维集合体传感器采集的压强与亚克力管内棉纤维集合体平均密度计算公式见式(1)、(2)。棉纤维集合体压缩数据采用Orgin8.5软件进行绘图与分析。

通过对河源及泛珠三角电子信息企业高技能人才需求的调研与分析; 对相关专业方向毕业生进行跟踪调查；对嵌入式技术与应用专业职业岗位的工作过程与工作任务系统化分析，形成了以职业能力为导向的课程体系，并在人才培养模式改革方面初步形成了以“项目引导、学训交替”为特征的人才培养模式，如图1所示，将校企合作、能力层次培养、创新能力及职业素质教育贯穿整个人才培养过程。

(1)

式中：P为棉纤维集合体压强，0.1 MPa；F为传感器采集的压力值，N；d为传感器压力采集区直径，mm。P1为上传感器压强；P2为中传感器压强；P3为下传感器压强。△P13为上下传感器压强差；△P12为上中传感器压强差；△P23为中下传感器压强差。

(2)

式中：ρ为棉纤维集合体平均密度，g/cm3；m为亚克力管内棉纤维集合体质量，g；D为亚克力管内径，mm；H为亚克力管内棉纤维集合体初始高度，mm，亚克力管内可装棉纤维集合体有效高度为255 mm；x为万能试验机动压头下行位移量，mm。

2 结果分析

式中：σ*为泡沫材料的塑性塌陷强度；ρ*为泡沫材料的塑性塌陷密度；σs为基体材料的屈服强度；ρs为基体材料的密度；A、B为材料的常数。

3个压力传感器采集的棉纤维集合体压强与应变曲线，如图2所示。

图3～5中，棉纤维相对密度的b(b分别取1、2、3、4、5、6)次幂与3路传感器采集的压强之间分别进行线性拟合，得出二者之间的拟合曲线和回归方程，如表1、2、3所示。由图3、4、5可知，不同b次幂值下，b次幂相对密度与3路传感器所采集的压强数据线与拟合线均相近。比较表1、2、3中相对密度与压强之间相关系数R2发现，R2值均大于0.85，表明二者之间存在较好的线性关系。故建立相对密度与压强两者之间的相关解析方程是可行的。随b值的增加，3路传感器的数据线与拟合线之间吻合程度呈先加强后减弱的变化趋势。当b取4时，3路传感器采集的压强与相对密度之间的相关系数均为最大，其R2值分别为0.998、0.998和0.994。可见4次解析方程表征3路传感器采集的压强与相对密度效果最佳，即P=c(ρ/ρ0,)4+d(d为修正量)可作为表征棉纤维集合体相对密度与压强之间关系的最佳解析方程。

2.2 棉纤维集合体密度-力学模型

1.2.2 脐动脉血流监测 采用三瑞SRF-608胎儿脐动脉血流检测仪(武胜阳光康健医疗器械有限公司)对所有孕产妇进行脐动脉血流监测，产妇取平卧位，确认胎位后将探头置于胎儿腹部处，通过探寻其上、下脐动脉血流情况，冻结稳定的血流成像图，根据电脑将各监测数值进行技术，可自动生成正常或异常报告。

压缩过程中棉纤维间的空隙压缩、纤维体的变形引起的压强与应变曲线，与泡沫材料泡孔压缩变形或塌陷的压强与应变曲线相类似。可见，棉纤维集合体的压缩性与聚氨酯多孔泡沫、泡沫铝等材料的压缩性极类似，可以使用泡沫材料压缩性能的研究方法分析棉纤维集合体的压缩性能。

此外，还有学者从契约融合的角度进行分析.如Xiong等 [10-11]在回购契约的基础上考虑了数量弹性契约，Chung等[12]将价格折扣激励契约融入数量弹性契约之中，Lumsakul等[13]设计了一组收益共享契约与数量弹性契约的复合式契约，朱海波和胡文[14]研究了期权与数量柔性契约的融合.也有研究从不同行业为对象，如Li等[15]以化妆品行业供应链为对象，构建了数量弹性契约下的两阶段动态模型，求解零售商和制造商的最优订货和定价策略.

Gibson等[12]基于单胞体模型的压缩变形研究，推导出泡沫材料力学性能与密度关系的解析方程，并提出了泡沫材料的塌陷强度理论。泡沫材料压缩解析方程为

(3)

2.1 棉纤维集合体压缩力传递过程

诸多学者基于此理论对聚氨酯多孔泡沫或泡沫铝的压缩性能进行研究，研究结果均表明材料的压强与其胞体相对密度的幂指数之间呈良好的线性关系[13]。

式中：P0为棉纤维集合体的压溃强度，取定值；ρ0为棉纤维集合体的压溃密度，取1g/cm3；P为棉纤维集合体的压缩强度；ρ为棉纤维集合体的密度；a、b为常数。因P0取定值，故相对密度与压强解析方程简化为

(4)

(3)实现通过系统数据展现功能形成房间内外环境数据分析报告，实时获取居室环境情况，提供给人们进行实时管理居室环境。

(5)

上传感器采集压强与棉纤维集合体相对密度的关系见图3所示。中传感器采集压强与棉纤维集合体相对密度的关系见图4。下传感器采集压强与棉纤维集合体相对密度的关系见图5。

在压缩过程中，3路传感器采集的压强与棉纤维集合体应变曲线均呈下凹状况，即随着棉纤维集合体整体应变的增加，被压缩的压强均呈增加趋势。按压强与应变比值变化率的高低，将此压缩曲线分为平缓区和致密区。在压缩平缓区，棉纤维集合体内纤维间空隙受挤压排空，同时伴有集合体内纤维间滑移与穿插作用，其应变量增加而压强增幅极缓慢。此期间动压头施加于棉纤维集合体的能量以纤维间孔隙挤压排空、纤维间摩擦等形式耗散掉，存在明显的吸能现象[10]。在致密区棉纤维集合体受挤压发生弹塑性形变，其应变量增加而压强增幅极快速。棉纤维集合体刚度快速增加，呈现较为显著的应变量硬化特征[11]。将同等应变时3个传感器采集的压强相比，发现P1>P2>P3。在压缩过程中，3个传感器采集的压强与应变曲线呈现明显的滞后现象，表明万能试验机的动压头所施加的压力由上向下发生了降低。

肿头龙的外表看上去虽然有些狰狞，但它们属于植食性恐龙。在通常情况下，它们是很温顺的，除非遭到攻击。突然，负责警戒任务的肿头龙发现了“敌情”——几只冥河盗龙正从远处跑来，虽然冥河盗龙身上的绿色条纹很好地融入了周围的环境当中，但还是被机警的肿头龙发现了。“警卫员”发出了报警声，肿头龙群立即紧张起来，并迅速朝森林深处跑去。

表1 上传感器采集压强与棉纤维集合体相对密度的关系Tab.1 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from upper transducer

注：x为ρ/ρ0,无量纲；P1为上传感器采集棉纤维集合体压强。

表2 中传感器采集压强与棉纤维集合体相对密度的关系Tab.2 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from middle transducer

注：P2为中传感器采集棉纤维集合体压强。

表3 下传感器采集压强与棉纤维集合体相对密度的关系Tab.3 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure intensity from lower transducer

注：p3为下传感器采集棉纤维集合体压强。

2.3 棉纤维集合体层间密度-力学模型

在压缩过程中，3路传感器采集的棉纤维集合体两两之间的压差与整体应变关系如图6所示。由图可知，棉纤维集合体压缩应变量的增加，△P13和△P12逐渐增加，△P23先增后降。棉纤维集合体整体应变量在0～0.28范围时，△P12基本保持恒定，△P23持续增加；在0.28～0.42范围时，△P12与△P23相近；在0.42～0.56范围时，△P12快速增加至与△P13相接近，△P23则呈下降趋势。采用2.2所述相对密度与压强的方法，分析相对密度与压强差的关系，结果如图7所示。

完善的土地流转机制和竹农之间的利益协调机制，是推行雷竹林规模经营的首要条件。竹林适度规模经营往往以竹林地利用规模为主要的衡量标准，在保证双方利益的基础上，只有通过建立相应的土地流转机制才能实现土地的流转和集中。在85户受访者中，有36.8%的农户愿意流进竹林，希望竹林的面积能达1.20～1.33 hm2，有13.1%的农户希望达到2.00 hm2及以上。

图中解析方程中常数取4，对棉纤维集合体相对密度与压强差进行拟合。棉纤维集合体相对密度与△P13、△P12均呈线性关系，与△P23呈非线性(抛物线)关系，且其相互间相关系数均达0.9以上，拟合效果极佳，结果如表4所示。

考虑到该沥青混凝土路面施工工程的作业跨度相对较大，拥有较长的运输距离，因此在结合现有施工条件的基础上，工程选择配置两座强制间隙式沥青混凝土拌和楼负责完成沥青混凝土的拌和工作。在对其进行选型配套的过程中，需要运用公式：

表4 层间压强差与棉纤维集合体相对密度的关系Tab.4 Relationship between relative density of cotton fiber assembly and pressure difference from cotton interlayer

注：△P13为上下传感器压强差；△P12为上中传感器压强差；△P23为中下传感器压强差。

棉纤维集合体受压，其内部由上而下逐渐变致密，上层棉纤维集合体致密速度远快于下层棉纤维集合体致密速度，即棉纤维集合体的局部密度远大于其平均密度，棉纤维密实化过程中纤维体弯曲变形，纤维体内部越密实，纤维体之间相互接触、挤压产生的局部应力越大。据此，棉纤维集合体相对密度属应变敏感材料，其压缩过程中局部变形、致密是其应变敏感的根本原因。

2.1 队列人群基线特征 基线时用MS诊断标准将队列人群分成两组，MS组467人，非MS组867人。基本体格特征和实验室特征比较，除年龄、总胆固醇（TC）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）外，MS组的体质指数（BMI）、腰围（WC）、收缩压（SBP）、舒张压（SBP）、空腹血糖（FPG）、TG、HDL-C测量均值均高于非MS组，两组之间差异均有统计学意义（P＜0.001）。见表1。

3 结 论

1)以棉纤维集合体为原料，在万能试验机上进行压缩试验，分析棉纤维集合体的应变与压力传感系统采集压强之间关系。试验结果表明：棉纤维集合体应变增加，各层压强值均呈下凹抛物线增加。各层棉纤维集合体压强值由上而下降低，层间存在压强差。

2)建立棉纤维集合体的密度-力学模型，相对密度与压强之间的最佳关系表达式为P=c(ρ/ρ0)4+d。可见，棉纤维集合体相对密度增加，各层压强均呈线性增加。分析棉纤维集合体相对密度与层间压强差关系，发现相对密度与层间压强差之间存在良好的关系，表明棉纤维集合体存在应变率敏感性。

FZXB

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Research on compressive force transmission properties and densities-mechanical properties model of cotton fiber assembly

LI Yong1， ZHANG Hong1， ZHANG Youqiang1， CHEN Xiaochuan2， LIU Wenliang1

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300, China; 2. College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

In order to analyze compressive force transmission properties of the cotton fiber assembly, the compression test of cotton fiber assembly was carried out in the universal test machine, pressure was acquired in the pressure sensing system form the upper,middle and lower cotton layer.This paper analyzed the relationship between pressure and strain, and relative density of cotton fiber assembly.The results showed that various cotton layers of pressure increased with increasing strain of the cotton fiber assembly during compressing process. And various cotton layers of pressure became lower in turn from top to bottom, the interlayer pressures showed obvious differences. By subsequent analysis on the cotton fiber assembly density with mechanics, it was found that the relationship between relative density and pressure could be expressed in best linearity.Namely, various cotton layers of pressure was in the linear increasing in the compression process with relative density increasing.The R-square of regression function between relative density and presuure difference of various cotton layers of pressure for testing sample was close to 1. It is shown that the cotton fiber assembly has significant strain-rate sensitivity.

cotton fiber assembly; compressive force; transmission; relative density

10.13475/j.fzxb.20160201707

2016-02-17

2016-06-09

新疆生产建设兵团支疆计划项目(2012AB008)；国家质检总局项目(201310107)

李勇(1986—)，男，讲师，硕士。主要研究方向为纺织功能材料研究与应用。张宏，通信作者，E-mail:deyuzhijia@163.com。

TS 102.2

A