三維間隔機織物的設(shè)計及織機開發(fā)

三維間隔機織物的設(shè)計及織機開發(fā)*

韓斌斌王益軒

(西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院，西安，710048)

摘要：以碳纖維矩形截面間隔機織物為研究對象，介紹其織物結(jié)構(gòu)、織造過程及原理，并進行織機的開發(fā)，為三維間隔機織物復(fù)合材料的開發(fā)、預(yù)成型件織造及織機的開發(fā)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碳纖維，矩形截面間隔機織物，織機，復(fù)合材料，預(yù)成型件

中圖分類號：TS103.3文獻標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-05-16

作者簡介：韓斌斌，男，1985年生，在讀碩士研究生。研究方向為CAD/CAE/CAM及虛擬樣機技術(shù)。

傳統(tǒng)的輕質(zhì)復(fù)合材料多為蜂窩夾心結(jié)構(gòu)和泡沫夾心結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料預(yù)成型件的加工主要是采用鋪層縫制的方法，這種預(yù)成型件在使用過程中通常會因低速沖擊或剪切載荷等原因發(fā)生分層破壞[1]。為了克服這些不足，可采用三維織造方法織造三維間隔織物結(jié)構(gòu)作為復(fù)合材料預(yù)成型件。該結(jié)構(gòu)不僅具有輕質(zhì)高強的特性，還具有良好的整體性、層間性及抗沖擊等性能[2]。

目前關(guān)于針織間隔織物的研究比較成熟，機織間隔織物的報道還比較少[3]。三維編織技術(shù)可生產(chǎn)各種形式的間隔織物，但對復(fù)合材料的損傷較大，不適合生產(chǎn)復(fù)合材料織物。非織造方式生產(chǎn)的間隔織物以短纖維為主，對材料力學(xué)性能的利用率較低。而三維機織間隔織物由于可在普通設(shè)備或稍加改造的普通設(shè)備及專用設(shè)備上生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高，并且容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，因此是所有三維紡織品中最有應(yīng)用前景的產(chǎn)品[4]。

三維間隔機織物的截面形狀有很多種，例如矩形、鋸齒形、六邊形等。我們開發(fā)的三維織機是在傳統(tǒng)織機的基礎(chǔ)上改造而成的，主要針對開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)及打緯機構(gòu)進行改造。開口機構(gòu)中可采用多頁綜框或多眼綜絲；引緯機構(gòu)根據(jù)織機幅寬的不同而有所不同，如織機幅寬為100 cm時，可采用多劍桿剛性引緯和導(dǎo)桿機構(gòu)，幅寬為190 cm時，可采用導(dǎo)桿機構(gòu)和電磁引緯；打緯機構(gòu)主要采用六連桿機構(gòu)，該機構(gòu)有長筘座腳和短筘座腳之分。

*陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目(2013JC17)

通信作者：王益軒，E-mail: wyingping886@126.com

本文所設(shè)計的三維間隔機織物的截面形狀為矩形，該織物具有良好的綜合性能。織機的幅寬為100 cm，開口機構(gòu)采用多頁綜框方式，引緯機構(gòu)采用多劍桿剛性引緯方式，打緯機構(gòu)采用長筘座腳的六連桿機構(gòu)。矩形截面三維間隔機織物的設(shè)計和織機開發(fā)，可為更復(fù)雜織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計及不同幅寬織機的開發(fā)提供參考。

1間隔機織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計

織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計要根據(jù)織物的用途,選擇相應(yīng)性能的材料,確定工藝參數(shù),使織物最終獲得最佳的性能,并具有良好的尺寸穩(wěn)定性、適應(yīng)性和成型性[2]。本文所設(shè)計的矩形截面三維間隔機織物的結(jié)構(gòu)主要由上、下層織物及中間織物組成，如圖1所示。從機織物的主視圖(a)中可以看出，中間織物和上、下層織物連續(xù)交織，使織物在交織處具有較高的強度；中間織物的經(jīng)紗在高度的一半處進行交織，使其具有良好的穩(wěn)定性。

間隔機織物結(jié)構(gòu)的上層和下層織物的結(jié)構(gòu)形式采用緯肋組織，與其他組織結(jié)構(gòu)相比，緯肋組織具有良好的抵抗滑移變形的能力，如圖1(c)所示。采用兩層緯紗織造的方式，減小了經(jīng)向紗線在交織處的卷曲率，大大提高了織物的力學(xué)性能；與此同時，在經(jīng)向加入了非交織的直經(jīng)紗，提高了織物在經(jīng)向的拉伸強度及彈性模量。(經(jīng)向是指供應(yīng)經(jīng)紗的方向，緯向是指供應(yīng)緯紗的方向。)

圖1　矩形截面三維間隔機織物結(jié)構(gòu)

由于上、下層織物上經(jīng)紗和緯紗交織的結(jié)果，使中間織物的經(jīng)密度明顯小于上、下層織物，如圖1(b)所示，降低了中間織物的力學(xué)性能。為了避免在經(jīng)密度上存在較大的差異，選擇平紋組織作為中間織物的結(jié)構(gòu)，因為平紋組織具有最大的經(jīng)緯紗交織點數(shù)，和其他組織結(jié)構(gòu)相比具有最高的強度和硬度。但平紋組織易出現(xiàn)高度卷曲的纖維，與相似的直纖維部分相比，剛度下降可高達15%。

織物中的經(jīng)紗層數(shù)越多，其力學(xué)性能越好，且緯向力學(xué)性能優(yōu)于經(jīng)向[2]。采用兩根緯紗的交織方式，可減小經(jīng)紗的彎曲程度，降低中間織物上經(jīng)紗的卷曲率，提高平紋組織的剛度。中間織物在厚度方向上填充的直經(jīng)紗，使其具有較好的抗壓性能。為了避免由于上、下層織物經(jīng)緯交織率明顯高于中間織物而造成織物之間性能的差異較大，中間織物采用四層緯紗與經(jīng)紗交織的方式。采用這種方式織造的間隔織物，中間織物和上、下層織物的力學(xué)性能相差不多，甚至更優(yōu)于它們，真正實現(xiàn)了對間隔織物結(jié)構(gòu)輕質(zhì)高強的要求。

2間隔機織物的織造過程

矩形截面間隔機織物的結(jié)構(gòu)見圖2，其織造由三個過程組成：①上、下層織物的織造，見圖3；②中間織物的織造，見圖4；③間隔織物的形成，見圖5。箭頭方向代表織物的運動方向。

圖2　矩形截面間隔機織物結(jié)構(gòu)

圖3　上、下層織物的織造

圖4　中間織物的織造

圖5　間隔織物的形成

3間隔機織物的織造原理

矩形截面間隔機織物的織造原理如圖6所示：經(jīng)紗從經(jīng)軸1、2、3、4上退繞下來，通過張力調(diào)節(jié)桿5、6、7、8的調(diào)節(jié)后，使經(jīng)紗保持一定的張力，再經(jīng)過分紗裝置9分紗，進入織造區(qū)域進行織造。經(jīng)軸3、4供應(yīng)的紗線用于中間織物的織造，經(jīng)軸1、2供應(yīng)的紗線用于上、下層織物的織造。在織造上、下層織物(圖3)時，額外卷取輥12保持靜止，卷取裝置15憑借卷取輥14和織物之間的摩擦力驅(qū)動織物向前運動，移動的距離等于中間織物的間距。為了保持間隔織物的形狀，在織物和卷取輥14接觸前將支撐桿16插入到織物中，織物和卷取裝置15完全脫離后才將支撐桿16取出。在織造中間織物(圖4)時，卷取裝置15保持靜止，額外卷取輥12向上運動，移動的距離等于中間織物高度的一半。在形成間隔織物(圖5)時，額外卷取輥12向下運動回到初始位置，同時經(jīng)軸1、2在伺服電機的控制下反轉(zhuǎn)，將在織造中間織物時送出的經(jīng)紗再次卷繞到經(jīng)軸上，形成間隔織物。上述過程的循環(huán)即可織造出間隔機織物。

1、2、3、4——經(jīng)軸；　5、6、7、8——張力調(diào)節(jié)桿； 9——分紗裝置；　　10——綜框；　　11——鋼筘； 12——額外卷取輥；13——導(dǎo)布輥；　14——卷取輥； 15——卷取裝置；　16——支撐桿 圖6　矩形截面間隔織物的織造原理

4織機的開發(fā)

目前我們已經(jīng)完成三維織機虛擬樣機整機模型的建立。為了保證模型的準(zhǔn)確性，各機構(gòu)尤其是開口、引緯及打緯機構(gòu)中連桿的尺寸均是在參照現(xiàn)有織機連桿尺寸的基礎(chǔ)上，在ADAMS中進行仿真及優(yōu)化，并在ANSYS中進行靜、動態(tài)分析后確定的。但是整機的外觀和造型還有待改進，同時尚未進行整機的仿真及調(diào)試。

織造間隔機織物的織機主要由開口機構(gòu)、引緯機構(gòu)、打緯機構(gòu)、送經(jīng)機構(gòu)、卷取機構(gòu)及控制系統(tǒng)組成，下面分別進行介紹。

4.1　開口機構(gòu)

4.1.1開口裝置

三維矩形截面間隔機織物的織造需要配備20頁綜框，其中8頁綜框用于中間織物的織造，處于3個位置；其余12頁綜框用于上、下層織物的織造，處于2個位置。

開口機構(gòu)是織機的五大機構(gòu)之一，是形成織物所必需的重要機構(gòu)。開口機構(gòu)采用電子開口裝置，最多可安裝32頁綜框，每頁綜框單獨由一臺伺服電機驅(qū)動,即在電子開口機構(gòu)上安裝多少頁綜框,就能產(chǎn)生多少種不同的運動軌跡,不僅可以織造矩形截面間隔機織物，還可以織造更加復(fù)雜的三維織物。綜框間距為12 mm，整個開口裝置只占384 mm的空間，使機構(gòu)更加緊湊。最大開口量為157 mm，較大的開口量增加了織造織物品種的適應(yīng)性。

4.1.2綜框

綜框是開口機構(gòu)中最重要的部件，同時也是最薄弱的部件。綜框動態(tài)特性的好壞不僅影響織物的質(zhì)量，也影響織造效率，因此選用哪種材質(zhì)的綜框很重要。碳纖維復(fù)合材料綜框比碳纖維與鋁合金復(fù)合綜框及鋁合金綜框的動態(tài)特性好，但是碳纖維復(fù)合材料綜框的價格昂貴；碳纖維與鋁合金復(fù)合綜框的動態(tài)特性介于兩者之間，而價格僅比同規(guī)格的鋁合金綜框高30%左右。相比之下，碳纖維與鋁合金復(fù)合綜框的性價比較高，因此選用這種材質(zhì)的綜框。

4.2　引緯機構(gòu)

針對不同幅寬的織物，采用不同的引緯方式，如剛性劍桿引緯、導(dǎo)桿機構(gòu)引緯、電磁引緯等。本文僅介紹織造幅寬為100 cm織物的引緯方式，可以使用剛性劍桿引緯和導(dǎo)桿機構(gòu)引緯，這里著重介紹前者。

采用PL-SSRR型剛性劍桿引緯機構(gòu)(但是打緯機構(gòu)并未采用圖7中的四連桿打緯機構(gòu)，即四連桿機構(gòu)O5GIO4)，雙側(cè)布置，送緯劍裝于供緯側(cè)，接緯劍裝于另一側(cè)，每側(cè)同時引4支劍，采用中央交接的引緯方式。該機構(gòu)主要由平面四連桿機構(gòu)O5GIO4和O6EHO7、搖桿滑塊機構(gòu)O1CDF及空間連桿AB組成。W平面是指XO4Y平面，代表兩組平面四連桿機構(gòu)的運動平面；V平面是指YO4Z平面；V’平面是指搖桿滑塊機構(gòu)O1CDF相對于搖桿(筘座)O4NM的運動平面，且該平面始終垂直于平面W,V’的鉛垂位置是V平面，如圖7所示。

W平面——XO 4Y平面；V平面——YO 4Z平面； V’平面——Y’NZ’平面；O 5GIO 4——W平面曲柄搖桿機構(gòu)； O 6EHO 7——W平面曲柄搖桿機構(gòu)； O 1CDF——V’平面搖桿滑塊機構(gòu)； AB——連接W平面的連桿EHB和V’平面的搖桿O 1A空間運動的連桿 圖7　PL-SSRR型剛性劍桿引緯機構(gòu)

引緯機構(gòu)的工作原理：主軸O5通過曲柄搖桿機構(gòu)O5GIO4使搖桿O4NM相對于O4點擺動，同時借助帶傳動方式傳動軸O6。軸O6通過曲柄搖桿機構(gòu)O6EHO7帶動連桿EHB作平面運動?？臻g連桿AB通過球面副A和B將連桿EHB與角形擺臂CO1A連接起來，并將連桿運動傳遞給角形擺臂。角形擺臂CO1A的短臂O1A繞O1點上下擺動時，角形擺臂的長臂O1C就帶動投劍桿FD左右擺動，驅(qū)動劍桿FK往復(fù)擺動，投劍桿的D點則在滑槽內(nèi)上下運動[5-6]。

4.3　打緯機構(gòu)

織機的打緯機構(gòu)一般采用四連桿、六連桿及共軛凸輪打緯機構(gòu)。四連桿打緯機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,但不能保證在打緯后死心位置有較長的停頓時間;共扼凸輪打緯機構(gòu)可使筘座在后死心位置處完全靜止，并且根據(jù)需要靜止時間可達200°以上，較長的靜止時間非常有利于引緯，但凸輪的安裝及制造精度很高；六連桿打緯機構(gòu)既能保證筘座在打緯后死心位置附近有較長的停頓時間，又具有良好的機構(gòu)動態(tài)性能及制造安裝性能[7-8]。

六連桿打緯機構(gòu)的筘座腳又有長短之分，對于長筘座腳的六連桿打緯機構(gòu)與四連桿機構(gòu)相比優(yōu)勢并不是非常明顯，但是短筘座腳的六連桿打緯機構(gòu)的性能明顯地優(yōu)于四連桿機構(gòu)，該機構(gòu)的筘座在后死心位置處的靜止時間可達160°，同時機構(gòu)運動較為平衡，具有良好的動態(tài)特性。

引緯機構(gòu)采用導(dǎo)桿機構(gòu)和電磁引緯方式時，可以使用短筘座腳的六連桿打緯機構(gòu)。本文采用PL-SSRR型剛性劍桿引緯機構(gòu)，因此可以使用長筘座腳的六連桿或四連桿打緯機構(gòu)。

4.4　送經(jīng)機構(gòu)

采用積極式送經(jīng)方式，經(jīng)軸通過伺服電機的控制將經(jīng)紗順利地退繞下來，然后借助張力桿的調(diào)節(jié)作用達到織造過程中對經(jīng)紗張力的要求后進入織造區(qū)域。采用4個經(jīng)軸供應(yīng)紗線，保證織造時充足的紗線供應(yīng)。每個經(jīng)軸由單獨的伺服電機控制，有利于對每個經(jīng)軸靈活地控制?？椩焐稀⑾聦涌椢锏慕?jīng)紗張力大于織造中間織物的經(jīng)紗張力，為了滿足不同的經(jīng)紗張力要求，在每個經(jīng)軸上配置一個張力裝置。

4.5　卷取機構(gòu)

4.5.1卷取裝置

由于織物具有一定的厚度，相比較而言織物的重量增大，如果采用常規(guī)的卷取輥進行卷取，可能會出現(xiàn)織物和卷取輥之間出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象(即織物的牽引力不能克服織物的阻力，此牽引力由卷取輥和織物之間的摩擦力提供)，不僅不能將織物順利地引離，而且還會損傷織物表面。

為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，我們開發(fā)了一種卷取裝置，見圖6中的15。該裝置由三對卷取輥14組成，上、下一對卷取輥由一臺伺服電機驅(qū)動，該裝置安裝3臺相同的伺服電機，既保證了每排卷取輥運動的同步，又保證了每對卷取輥運動的同步，有利于織物平整、順利地引離。在卷取過程中為了保持織物的形狀，在織物和卷取輥接觸前插入支撐桿16，等織物與卷取裝置完全脫離后再將支撐桿16取出。還可以在織物卷取前涂上樹脂，在卷取的同時對織物進行加熱固化，直接制成預(yù)制件。

4.5.2額外卷取機構(gòu)

額外卷取機構(gòu)也是織造間隔織物所必需的機構(gòu)，見圖6。該機構(gòu)主要由額外卷取輥12和導(dǎo)向輥13組成。額外卷取輥12由伺服電機控制在豎直方向上移動，其動程等于中間織物高度的一半。在織造中間織物時額外卷取輥向上運動，在形成間隔織物時額外卷取輥向下運動回到初始位置。

4.6　控制系統(tǒng)

三維織機上共配備了44臺伺服電機，每臺電機在不同的時段運動情況有所不同。為了保證織機準(zhǔn)確的時序控制，以及織造過程的順利進行，控制系統(tǒng)采用了貝加萊伺服器。貝加萊伺服控制器采用模塊化設(shè)計，擁有強大的多軸控制功能及強大的集成軟件平臺Automation Studio的支持等優(yōu)點[9]。

5間隔織物與織機的特點

本文設(shè)計的矩形截面間隔機織物的材料為碳纖維，上、下兩層織物之間的距離為30 mm，中間織物的間距為45 mm。

5.1　間隔織物與織機的優(yōu)點

(1)在間隔機織物結(jié)構(gòu)設(shè)計上，中間織物和上、下層織物連續(xù)交織，使織物在交織處具有較高的強度；中間織物的經(jīng)紗在高度的一半處進行交織，使其具有良好的穩(wěn)定性；整個織物都填充了直經(jīng)紗，提高了上、下層織物在經(jīng)向的拉伸強度和中間織物在厚度方向的抗壓強度；織物上采用了雙緯紗與經(jīng)紗交織的方式，既降低了經(jīng)紗的卷曲率，又大大提高了織物的力學(xué)性能；中間織物的緯紗數(shù)量是上、下層織物的2倍，克服了以往間隔織物厚度方向強度低的缺陷；織物的經(jīng)緯密度都比較大?？傊?，該織物結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的性能。

(2)采用4個經(jīng)軸送經(jīng)的方式，為織造過程提供大量充足的紗線，克服了2個經(jīng)軸分紗困難的缺陷。每個經(jīng)軸上退繞下來紗線的張力分別由單獨的張力桿控制，容易實現(xiàn)織造時對紗線張力的要求，即上、下層織物的經(jīng)紗張力較中間織物的經(jīng)紗強力大。

(3)采用最多可安裝32頁綜框的電子開口裝置，保證了開口的清晰度、機構(gòu)的緊湊性，以及織物品種的適應(yīng)性。較多的綜框頁數(shù)足以保證矩形截面間隔機織物的順利織造，但為了提高開口的清晰程度以及滿足織造更復(fù)雜織物的需要，在經(jīng)紗進入織造區(qū)域前安裝了分紗裝置。

(4)織機的引緯機構(gòu)上不僅僅只能安裝4支劍，還可以安裝更多的劍，同時配合32頁綜框的電子開口機構(gòu)，織造的織物緯密度更大、組織結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、力學(xué)性能更加優(yōu)良。

(5)卷取過程中為了保持織物的形狀，在織物和卷取輥接觸前插入支撐桿，等織物與卷取裝置完全脫離后將支撐桿取出。也可以在織物卷取前涂上樹脂，在卷取的同時對織物進行加熱固化，直接進行預(yù)成型。

(6)獨特的額外卷取機構(gòu)是織造間隔織物的關(guān)鍵機構(gòu)。

(7)開發(fā)了卷取裝置，采用3對卷取輥進行卷取，并且各個卷取輥的運動同步，保證了織物順利、平整地引離。

(8)選用性價比較高的碳纖維與鋁合金復(fù)合綜框，為減少碳纖維在綜框中的磨損，采用德國生產(chǎn)的適織碳纖維的綜絲。

(9)控制系統(tǒng)采用了貝加萊伺服器，保證織機準(zhǔn)確的時序控制，以及織造過程的順利進行。

5.2　存在的不足

(1)當(dāng)織物的幅寬為100 cm時，采用剛性劍桿引緯方式。如果織物的幅寬增大，則必須考慮采用其他引緯方式，如導(dǎo)桿引緯、電磁引緯等。

(2)織機的運動配合復(fù)雜，紗線之間的交織摩擦力大，而且碳纖維的脆性較大，在織造過程中纖維極易被損傷，因此極大地限制了織造的效率。

(3)適織碳纖維綜絲的價格昂貴。

(4)支撐桿在間隔織物中要能順利地插入和取出且不損傷織物，因此要合理設(shè)計支撐桿的外形、插入端的形狀以及支撐桿的運動控制機構(gòu)。

(5)整機運動的時序控制比較復(fù)雜，進行虛擬樣機仿真時費時、費力。

參考文獻

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The design of three-dimensional spacer fabrics and

the development of related loom

HanBinbin,WangYixuan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University)

Abstract:The rectangular spacer woven fabric of carbon fiber was studied and its structure, weaving process and principle were also introduced. Meanwhile, the research and development of related loom were discussed mainly to provide the references for the development of three-dimensional spacer fabric composite and the weaving of preform in future.

Keywords:carbon fiber, rectangular spacer fabric, loom, composite material, preform