摩擦試驗(yàn)裝置：
用普通的負(fù)荷 - 伸長(zhǎng)測(cè)試儀改造成的織物和皮膚間摩擦性能測(cè)試儀的示意圖. 該儀器原有3個(gè)主要部分 :測(cè)試主機(jī)、控制箱和計(jì)算機(jī)處理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ,主要改造為在測(cè)試主機(jī)上添加了摩擦裝置 ,由摩擦支架、托手和導(dǎo)布輥等組成. 測(cè)試主機(jī)的底座箱體內(nèi)裝有步進(jìn)電機(jī) ,通過(guò)齒形皮帶傳動(dòng)高精度絲杠 ,并由傳動(dòng)桿連接摩擦裝置的基座 ,帶動(dòng)支架上下移動(dòng). 摩擦位移由絲杠上的接近開(kāi)關(guān)控制 ,zui大位移量為 500 mm. 電阻式測(cè)力傳感器連接在上夾持器附近 ,測(cè)試時(shí)保持靜止 ,測(cè)量范圍為 0～30 N,精度為 ±1%. 控制箱面部顯示試驗(yàn)結(jié)果 ,并且有電源、校準(zhǔn)等控制開(kāi)關(guān)以及速度轉(zhuǎn)換盤(pán) ,速度范圍為100～1 000 mm /m in (無(wú)級(jí)調(diào)速 ). 計(jì)算機(jī)處理和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄移動(dòng)距離和與其對(duì)應(yīng)的摩擦力 ,同時(shí)輸出二者的關(guān)系曲線(xiàn). 上海千實(shí)將介紹計(jì)劃探明人體皮膚與織物的摩擦性能以后 ,將嘗試用模擬前臂替換志愿者的前臂 ,進(jìn)一步完善儀器.
一、試驗(yàn)條件和方法：
1、選取測(cè)試者和試驗(yàn)材料
作為初步探索 ,選取年齡在 20～30歲之間的男、女各 10名健康志愿者參加試驗(yàn) ,讓志愿者前臂(手腕與肘關(guān)節(jié)之間 )中部的內(nèi)側(cè)皮膚與織物產(chǎn)生摩擦 ,所有志愿者的受試部位皮膚均無(wú)異常 ,也未進(jìn)行過(guò)涂抹化妝品或外用藥物等人為的干預(yù).
試驗(yàn)材料選用市場(chǎng)上常見(jiàn)的與皮膚經(jīng)常接觸的輕薄機(jī)織物 ,如錦棉交織布、牛仔布、襯里布和雪紡布等 ,把樣品剪成尺寸為 10 cm ×50 cm和 15 cm ×50 cm的待測(cè)試樣.
2、試驗(yàn)條件
試驗(yàn)環(huán)境為溫度 20 ℃ ( ±2 ℃) ,相對(duì)濕度50% ( ±5% ). 試驗(yàn)前請(qǐng)志愿者在該恒定環(huán)境中靜坐 30 m in,保持肌肉松弛 ,心態(tài)平穩(wěn) ,盡量消除歷史因素的影響. 試驗(yàn)過(guò)程中 ,在皮膚的測(cè)試部位作上標(biāo)記 ,每次測(cè)試都從標(biāo)記處開(kāi)始 ,以保證所測(cè)得的數(shù)據(jù)具有可比性.
3、試驗(yàn)方法
測(cè)試前 ,將志愿者的前臂放在摩擦裝置的托手上 ,兩端用夾具固定 ,使其保持與摩擦裝置相對(duì)固定的狀態(tài) ,防止在上下摩擦運(yùn)動(dòng)中 ,由于織物受拉伸力作用而牽動(dòng)前臂同時(shí)運(yùn)動(dòng) ,產(chǎn)生隨機(jī)誤差. 如圖1所示 ,上夾持器夾持織物上端 ,織物的另一端繞過(guò)胳膊和導(dǎo)布輥 ,由下夾持器水平夾持 ,并施加適當(dāng)?shù)膹埩?,使織物下端垂直向下 ,均勻受力. 測(cè)試開(kāi)始后 ,胳膊隨著摩擦裝置向下運(yùn)動(dòng) ,皮膚和織物很快由靜摩擦轉(zhuǎn)入動(dòng)摩擦狀態(tài) ,計(jì)算機(jī)處理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步記錄摩擦力與摩擦位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系.
二、結(jié)果與分析：
織物摩擦測(cè)試儀作為在紗線(xiàn)強(qiáng)力儀上改裝的摩擦性能測(cè)試裝置 ,從理論上可以有效地測(cè)試織物與皮膚間的動(dòng)態(tài)摩擦 ,但為證實(shí)該儀器的可行性 ,需要進(jìn)行重現(xiàn)性和可比性試驗(yàn). 同時(shí)為了歸納出相對(duì)穩(wěn)定的測(cè)試參數(shù) ,還需要對(duì)在測(cè)試中可能造成影響的因素進(jìn)行逐一分析 ,主要從張力、儀器的運(yùn)動(dòng)速度以及試樣的寬度幾個(gè)方面入手. 初步探索發(fā)現(xiàn) , 20名志愿者與同一織物的摩擦力大小有一定差異 ,其差異將在后續(xù)文章中討論。本文選定一名摩擦力居中的志愿者 ,該志愿者為 24歲女性 ,身高 1. 67 m,體重60 kg,與待測(cè)樣品組成摩擦副進(jìn)行下述試驗(yàn). 其中每對(duì)摩擦副的試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試 10次 ,計(jì)算 10次摩擦信號(hào)在其有效區(qū)間內(nèi)的平均摩擦力值 ,得到該織物樣品與皮膚的摩擦力測(cè)試結(jié)果 ,并計(jì)算出 10條摩擦曲線(xiàn)上摩擦力變異系數(shù) (CV )值的大小 ,根據(jù)實(shí)際測(cè)試條件 ,對(duì)比圖像的穩(wěn)定性 ,確定該儀器的測(cè)試參數(shù).
1、皮膚的應(yīng)力史特性與摩擦試驗(yàn)次數(shù)
研究資料指出皮膚具有應(yīng)力史現(xiàn)象 ,即皮膚受應(yīng)力后*階段迅速伸展 ,以后就很少伸展 ,若先后相繼加以應(yīng)力并去除之 ,則皮膚對(duì)以后所加應(yīng)力的*階段反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)。 所以 ,我們首先考察了織物與皮膚的連續(xù)多次摩擦特性，結(jié)果表明 ,對(duì)織物與皮膚的同一對(duì)摩擦組合 ,連續(xù)重復(fù)多次摩擦試驗(yàn) ,*次摩擦曲線(xiàn)總是明顯低于以后各根摩擦曲線(xiàn) ,并且*次摩擦曲線(xiàn)的波動(dòng)較大 ,即從第二次摩擦試驗(yàn)開(kāi)始 ,摩擦力才開(kāi)始趨于穩(wěn)定 ,摩擦力的轉(zhuǎn)折點(diǎn)即zui大靜摩擦力的起始位置也較*根摩擦曲線(xiàn)略微延遲. 分析原因是 ,在張力作用下 ,當(dāng)皮膚*次接觸織物并與之進(jìn)行摩擦?xí)r ,皮膚還沒(méi)有適應(yīng)張力的拉伸作用 ,皮膚也沒(méi)有*伸展開(kāi) ,因此*階段的反應(yīng)時(shí)間短 ,摩擦力也相對(duì)較低.在實(shí)際穿著中織物與皮膚間往往是重復(fù)多次摩擦 ,而且較大的摩擦力容易引起各種危害或不利 ,我們認(rèn)為第二次及以后的摩擦曲線(xiàn)更具實(shí)用價(jià)值. 為保證數(shù)據(jù)的有效性和客觀(guān)性 ,本文中同一對(duì)機(jī)織物和皮膚的摩擦組合需要有效測(cè)試 10次 ,因此每對(duì)摩擦組合均需要從第 2次測(cè)試結(jié)果起重復(fù)測(cè) 10次.
2、重現(xiàn)性評(píng)價(jià)
為了保證在相同測(cè)試條件下 ,同一對(duì)摩擦副每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以保持一致 ,需要進(jìn)行重現(xiàn)性試驗(yàn)。相同的測(cè)試條件 (張力、摩擦速度、試樣寬度 )下 ,同一測(cè)試者和同一塊織物在兩次摩擦試驗(yàn)中的摩擦力信號(hào). 對(duì)比2次試驗(yàn)的信號(hào)基本上一致 ,摩擦力大小和離散度也大致相近 , 2組試驗(yàn)中 10根摩擦曲線(xiàn)上摩擦力變異系數(shù)分別為 3. 51%和 3. 69% ,平均動(dòng)摩擦力的分別為 2. 57和 2. 56 N. 由此證明該儀器所測(cè)的數(shù)據(jù)是客觀(guān)有效的 ,具有較好的重復(fù)性.
3、可比性評(píng)價(jià)
相同的測(cè)試條件 (張力、摩擦速度、試樣寬度 )下 ,同一測(cè)試者皮膚與輕薄型牛仔布、滌綸襯里布、錦棉交織布和雪紡綢四種機(jī)織物構(gòu)成摩擦副進(jìn)行摩擦試驗(yàn)的信號(hào) ,對(duì)比可以看出 ,不同織物與皮膚間的摩擦力大小并不相同 , 4組試驗(yàn)的平均動(dòng)摩擦力分別為 3. 07、2. 60、3. 48和 1. 90 N. 對(duì)于織紋明顯的牛仔布 ,由于其表面相對(duì)比較粗糙 ,測(cè)得的摩擦力就比較大 ,而對(duì)于紗支細(xì) ,布面光滑的雪紡綢 ,其摩擦力則比較小. 由此證明該儀器在不同的織物表面狀況下所測(cè)得的摩擦力大小具有可比性.
4、張力對(duì)平均動(dòng)摩擦力的影響
為了使織物和皮膚實(shí)現(xiàn)有效接觸并產(chǎn)生摩擦作用 ,在試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)織物施加一定的張力. 在保證織物伸直而不伸長(zhǎng) ,或略有伸長(zhǎng)但不至于發(fā)生嚴(yán)重頸縮的前提下 ,試驗(yàn)中對(duì)織物分別施加 1. 3、1. 6、2. 0和 2. 3 N等不同的張力 ,進(jìn)行摩擦對(duì)比測(cè)試. 不同張力下 ,同一受試者皮膚與同種織物的 4組摩擦信號(hào) ,在圖中的 4種張力條件下 ,每組試驗(yàn)中 10根摩擦曲線(xiàn)上摩擦力的變異系數(shù)分別為10. 78%、16. 59%、3. 57%和 5. 97% ,這表明張力為2 N條件下測(cè)得的摩擦曲線(xiàn)的離散性較小 ,摩擦曲線(xiàn)zui為穩(wěn)定. 另外發(fā)現(xiàn)在不同張力下 ,同一受試者的皮膚與不同類(lèi)型織物間的摩擦力隨張力的增大而增大.
研究發(fā)現(xiàn) ,張力過(guò)小時(shí) ,被測(cè)織物未被充分伸直 ,皮膚與織物不能有效接觸 ,對(duì)摩擦信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響. 而張力越大 ,肌肉被拉伸及擠壓變形越嚴(yán)重 ,皮下彈性波動(dòng)大 ,并且織物發(fā)生頸縮 ,接觸面積不斷減小 ,造成信號(hào)波動(dòng). 2 N的張力能夠使常見(jiàn)的機(jī)織物充分伸直 ,即使某些織物略有伸長(zhǎng) ,也不至于發(fā)生頸縮 ,偏離實(shí)際穿著情況 ,而且 2 N張力下的測(cè)得的摩擦曲線(xiàn)zui為穩(wěn)定 ,因此在測(cè)試常見(jiàn)貼身穿著的機(jī)織物時(shí) ,推薦設(shè)定本儀器的張力為 2 N.
5、運(yùn)動(dòng)速度對(duì)平均動(dòng)摩擦力的影響
在摩擦測(cè)試過(guò)程中 ,我們發(fā)現(xiàn)摩擦速度對(duì)摩擦信號(hào)的穩(wěn)定性也有影響 ,因此 ,在張力已經(jīng)確定的前提下 , 針 對(duì) 同 一 試 樣 , 選 擇 在 200、300、500 和700 mm /m in等幾種不同的摩擦速度下進(jìn)行測(cè)試 ,摩擦速度對(duì)摩擦力的大小影響不明顯 ,對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性則有較大的影響. 4種速度條件下 ,每組試驗(yàn)中 10條摩擦曲線(xiàn)上摩擦力變異系數(shù)分別為 14168%、11. 84%、4. 25%和 9. 18% ,表明在500 mm /m in的摩擦速度下 ,摩擦曲線(xiàn)的離散度zui小 ,摩擦信號(hào)zui穩(wěn)定.
摩擦速度過(guò)小 ,織物牽伸產(chǎn)生的肌肉變形不能夠及時(shí)得到回復(fù) ,容易產(chǎn)生黏滑現(xiàn)象 ,導(dǎo)致信號(hào)波動(dòng). 速度過(guò)大 ,織物表面的一些微觀(guān)摩擦信息會(huì)被忽略掉 ,儀器本身也會(huì)發(fā)生振動(dòng) ,這些都對(duì)摩擦信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響. 因此 ,織物與皮膚的摩擦速度推薦為適中的 500 mm /m in.
6、樣品寬度對(duì)平均動(dòng)摩擦力的影響
同樣對(duì)于試樣寬度的影響 ,也做了對(duì)比分析. 由于人體前臂的測(cè)試長(zhǎng)度大約為 20 cm,根據(jù)實(shí)際情況 ,為了確保織物不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重傾斜 ,以至于發(fā)生剪切作用 ,在樣品寬度對(duì)比試驗(yàn)中選擇 10和 15 cm.同一樣品在摩擦速度為 500 mm /m in,張力為 2 N的測(cè)試條件下 , 5種織物分別以 10和 15 cm的試樣寬度與同一志愿者的皮膚進(jìn)行摩擦測(cè)試時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的摩擦性能的差異. 由圖 7可以明顯看出 ,10 cm的樣品寬度得到的摩擦力曲線(xiàn)zui為穩(wěn)定 , 2組摩擦曲線(xiàn)的摩擦力變異系數(shù)值分別為 3. 57%和9137% ,因此在今后的試驗(yàn)中 ,統(tǒng)一制定試樣的寬度為 10 cm.試樣規(guī)格尺寸的大小 ,以能反映一個(gè)完整的織物組織特點(diǎn)為準(zhǔn). 尺寸規(guī)格過(guò)大 ,摩擦負(fù)荷大 ,需要大功率傳感器 ,而且易造成動(dòng)態(tài)影響 ,試驗(yàn)誤差大 ;而規(guī)格過(guò)小 ,則無(wú)法反映試樣表面所具有的真實(shí)特性 ,失去了測(cè)試的意義. 理論上 ,對(duì)于本試驗(yàn) ,織物與皮膚的接觸面積越大 ,越能真實(shí)的模擬實(shí)際穿著情況. 然而 ,實(shí)際上由于人體前臂兩端粗細(xì)不均 ,試樣越寬 ,織物傾斜越明顯 ,誤差越大. 因此 ,依照多次對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 ,認(rèn)為針對(duì)該試驗(yàn)條件 ,推薦選用規(guī)格為 10 cm寬的試樣為好.
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李先生