新型圓軌道法引緯方式的設(shè)計(jì)*

1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海， 201620； 2. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海， 201620；3.上海紡織控股集團(tuán)， 上海， 200336

新型圓軌道法引緯方式的設(shè)計(jì)*

周蕊1， 2馬顏雪1， 2李毓陵1， 2胡吉永1， 2張瑞云1， 2杜衛(wèi)平3

1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海， 201620； 2. 東華大學(xué)產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心， 上海， 201620；3.上海紡織控股集團(tuán)， 上海， 200336

圓軌道法是三維筒狀織物的新型成型方法。分析織物手工織造過程中引緯方式的設(shè)計(jì)，詳細(xì)討論各種方式的特點(diǎn)，并選取適當(dāng)?shù)囊暦绞?，以一種聯(lián)合接結(jié)組織為例，進(jìn)行三維筒狀織物的織制，為實(shí)現(xiàn)圓軌道法的機(jī)械化生產(chǎn)提供借鑒。

圓軌道法， 三維筒狀織物， 聯(lián)合接結(jié)組織， 引緯方式

筒狀結(jié)構(gòu)件是工程中廣泛應(yīng)用的基本構(gòu)件，是由輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料制作的立體筒狀織物，在能源輸送、環(huán)境保護(hù)、化學(xué)化工、航空航天、生物化工、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景[1-3]。多層接結(jié)三維機(jī)織物應(yīng)用廣泛，能夠一次完成與樹脂基體的復(fù)合成型，簡化了復(fù)合材料的后加工工藝，降低了成本，同時(shí)減少了層合板在使用過程中的層間剝離破壞。楊婷婷[4]提出的新型圓軌道法，采用周向開口、徑向引緯和軸向打緯的方式進(jìn)行連續(xù)性織造，可實(shí)現(xiàn)各種三維機(jī)織結(jié)構(gòu)筒狀機(jī)織物的規(guī)?；a(chǎn)。如圖1所示，宮慶雙[5]16-29分析了不同的經(jīng)紗上機(jī)方式對(duì)手工織造時(shí)的效率、織物厚度及力學(xué)性能的影響。

本文將重點(diǎn)討論手工織造時(shí)引緯方式的不同對(duì)加工效率和制品質(zhì)量的影響。

圖1 圓軌道法原理

1 引緯方式

引緯是將緯紗引入到由經(jīng)紗開口所形成的梭口中。通過引緯，緯紗得以和經(jīng)紗實(shí)現(xiàn)交織，形成織物。在圓軌道織機(jī)上，宮慶雙[5]6-7采用的引緯方式是沿圓軌道某一半徑位置，分開各層圓軌道上載紗滑塊，即沿周向開口，形成徑向梭口，然后沿徑向梭口引入緯紗，但此方法的織造效率有待提高。因此，為使手工織造高效無誤地進(jìn)行，引緯時(shí)可直接將經(jīng)紗沿圓軌道直徑方向撥動(dòng)，即沿徑向開口，形成周向梭口，然后沿周向梭口引入緯紗。

同時(shí)，考慮到圓軌道的形狀特殊性，可將單一梭口擴(kuò)展至多梭口引緯，即在手工引緯時(shí)，將一個(gè)操作工位增加至多個(gè)操作工位。而每個(gè)工位所攜帶的引緯器的數(shù)量將直接影響織造的效率，引緯器數(shù)越少，織造效率越高。此外，每個(gè)工位操作時(shí)不同的開口規(guī)律數(shù)也是影響差錯(cuò)率的重要因素，不同開口規(guī)律數(shù)越少，差錯(cuò)率越低。

2 引緯方式的設(shè)計(jì)

經(jīng)分析可以看出，在新型圓軌道法的織物手工織造過程中，操作工位數(shù)、每個(gè)工位所攜帶的引緯器數(shù)和每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)，都是影響手工織造效率和差錯(cuò)率的最主要的因素。為討論這些因素之間的關(guān)系，首先設(shè)Rj為基礎(chǔ)組織經(jīng)紗循環(huán)數(shù)，Rw為基礎(chǔ)組織緯紗循環(huán)數(shù)，Sw為基礎(chǔ)組織緯向飛數(shù)，Z為基礎(chǔ)組織循環(huán)倍數(shù)，M1為單圈軌道上的經(jīng)紗數(shù)，N為軌道圈數(shù)，MN為N圈軌道上的總經(jīng)紗數(shù)。為簡化起見，本文只討論自身接結(jié)中的聯(lián)合接結(jié)方式(圖2)。

圖2 聯(lián)合接結(jié)組織(緯向截面)

條件1：若單層管狀織物的引緯紗線數(shù)，即引緯器數(shù)X=1，則基礎(chǔ)組織緯向飛數(shù)為Sw的單層管狀織物的總經(jīng)紗數(shù)M1[6]：

M1=Rj×Z±Sw

(1)

式(1)中，Sw取“+”號(hào)表示從右向左織第一緯，Sw取“-”號(hào)表示從左向右織第一緯。

由于圓軌道織造是連續(xù)環(huán)繞進(jìn)行的，且每根經(jīng)紗都必須開一次口，故完成單層管狀織物一個(gè)組織循環(huán)總開口數(shù)W1：

W1=M1×Rw

(2)

總經(jīng)紗數(shù)M1中±Sw的存在使得完成一緯織造后，下一緯可完全按照前一緯的開口規(guī)律進(jìn)行下去。所以，完成單層管狀織物的一個(gè)組織循環(huán)，不同開口規(guī)律數(shù)W1d(此時(shí)±Sw忽略不計(jì))：

(3)

對(duì)于N層三維筒狀織物，如果每圈軌道負(fù)責(zé)一層基礎(chǔ)組織織物，則其總經(jīng)根數(shù)MN：

MN=M1×N

(4)

類似地，完成N層三維筒狀織物的一個(gè)組織循環(huán)，總開口數(shù)WN：

WN=W1×N

(5)

不同開口規(guī)律數(shù)WNd：

(6)

采用自身接結(jié)中的聯(lián)合接結(jié)，相當(dāng)于每圈軌道間兩兩連接，則N圈軌道所需引緯器數(shù)X：

X=N-1

(7)

采用手工引緯的方式，對(duì)于任意三維筒狀織物的織造，操作工位數(shù)P可選取整數(shù)1、 2、 3……此條件下，有兩種引緯方式。

則，每個(gè)工位需要的引緯器數(shù)XP：

(8)

每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)WNP：

(9)

此時(shí)，每個(gè)工位負(fù)責(zé)的軌道位置均不相同。

方式2——每個(gè)工位都負(fù)責(zé)N圈軌道的引緯，圖4所示為P=4時(shí)的引緯方式。

圖4 每個(gè)工位都負(fù)責(zé)N圈軌道

則，每個(gè)工位需要的引緯器數(shù)XP：

XP=X=N-1

(10)

每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)WNP：

WNP=WNd=Rj×N

(11)

此時(shí)，每個(gè)工位負(fù)責(zé)的軌道位置均相同。

條件2：若單層管狀織物的引緯紗線數(shù)，即引緯器數(shù)X為Rw，則基礎(chǔ)組織緯向飛數(shù)為Sw的單層管狀織物的總經(jīng)紗數(shù)M1[5]31：

M1=Rj×Z

(12)

由于圓軌道織造是連續(xù)環(huán)繞進(jìn)行的，故完成單層管狀織物一個(gè)組織循環(huán)總開口數(shù)W1：

W1=M1×Rw

(13)

又由于引緯器數(shù)X為Rw，這使得各引緯器都按照各自的開口規(guī)律織造下去，所以完成單層管狀織物的一個(gè)組織循環(huán)，不同開口規(guī)律數(shù)W1d：

W1d=W1=M1×Rw

(14)

對(duì)于N層三維筒狀織物，如果每圈軌道負(fù)責(zé)一層基礎(chǔ)組織織物，則其總經(jīng)根數(shù)MN：

MN=M1×N

(15)

類似地，完成N層三維筒狀織物的一個(gè)組織循環(huán)，總開口數(shù)WN：

WN=M1×N×Rw

(16)

不同開口規(guī)律數(shù)WNd：

(17)

同樣，采用自身接結(jié)中的聯(lián)合接結(jié)，則N圈軌道所需引緯器數(shù)X：

X=(N-1)×Rw

(18)

采取手工引緯的方式，對(duì)于任意三維筒狀織物的織造，操作工位數(shù)P也選取整數(shù)1、 2、 3……此時(shí)，也有兩種引緯方式。

則，每個(gè)工位需要的引緯器數(shù)XP：

(19)

每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)WNP：

(20)

此時(shí)，每個(gè)工位負(fù)責(zé)的軌道位置均不相同。

方式4——每個(gè)工位都負(fù)責(zé)N圈軌道的引緯，如圖4所示的P=4時(shí)的引緯方式。

則，每個(gè)工位需要的引緯器數(shù)XP：

XP=X=(N-1)×Rw

(21)

每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)WNP：

(22)

此時(shí)，每個(gè)工位負(fù)責(zé)的軌道位置均相同。

將上述分析制成如表1所示的對(duì)照表。

表1 引緯方式對(duì)照表

對(duì)比分析可知：

(1) 方式3和方式4的引緯器數(shù)和不同開口規(guī)律數(shù)均多于方式1和方式2，從織造效率和差錯(cuò)率綜合方面考慮，方式1和方式2明顯優(yōu)于方式3和方式4；

(2) 方式1中每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)少，理論上有利于差錯(cuò)率的降低，但多工位操作時(shí)每個(gè)工位負(fù)責(zé)的軌道位置均不相同，實(shí)際手工織造時(shí)差錯(cuò)率可能會(huì)難以控制；但每個(gè)工位所需要的引緯器少，有利于機(jī)械化生產(chǎn)時(shí)織造效率的提高；

(3) 方式2中每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)雖多于方式1，但每個(gè)工位負(fù)責(zé)的軌道位置均相同，實(shí)際手工織造時(shí)可將差錯(cuò)率盡可能地降到最低，而且增加、減少或更換操作工所造成的負(fù)面影響也很小。

3 聯(lián)合接結(jié)組織織物的上機(jī)設(shè)計(jì)

依據(jù)對(duì)比分析結(jié)果，本文采用方式2的引緯方法，對(duì)經(jīng)密為3根/cm、直徑為30 cm、基礎(chǔ)組織為斜紋的聯(lián)合接結(jié)組織、軌道圈數(shù)為20的三維筒狀織物，設(shè)計(jì)出操作工位數(shù)P=4的上機(jī)方法。基本設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

表2 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

圖5為方式2的引緯過程及局部放大照片，可見其中一個(gè)操作工位的引緯過程，引緯時(shí)差錯(cuò)率較低、效率較高。由局部放大圖可見19把引緯器所攜帶的19根緯紗緊密整齊地排列，且處于同一平面，緯紗在織物中的位置關(guān)系與理論設(shè)計(jì)的緯向截面(圖2)相符，同時(shí)層層緊密排列的緯紗使織物的厚度和強(qiáng)度得以實(shí)現(xiàn)。

圖5 方式2引緯過程及局部放大照片

圖6所示為聯(lián)合接結(jié)組織的基礎(chǔ)組織圖。

圖6 基礎(chǔ)組織圖

圖7所示為采用碳纖維試織的樣品及局部放大照片?？椢镌嚳椷^程順利，試樣成型良好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面外觀平整光滑，織物表面與基礎(chǔ)組織圖表面形態(tài)一致。

圖7 試織樣品及局部放大照片

4 結(jié)語

(1) 新型圓軌道法中，對(duì)于同一種組織的手工織造，不同的引緯方式的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生不同的織造過程。操作工位數(shù)、每個(gè)工位所攜帶的引緯器數(shù)，以及每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)，都是影響手工織造效率和差錯(cuò)率的重要因素。

(2) 每個(gè)工位的不同開口規(guī)律數(shù)少，理論上有利于差錯(cuò)率的降低，但多工位操作時(shí)，若每個(gè)工位負(fù)責(zé)的軌道位置均相同，實(shí)際手工織造時(shí)才能將差錯(cuò)率盡可能地降到最低，而且增加、減少或更換操作工所造成的負(fù)面影響也很小。每個(gè)工位所需要的引緯器少，則更有利于機(jī)械化生產(chǎn)時(shí)織造效率的提高。

(3) 實(shí)際織造時(shí)，結(jié)合試織要求和目的，織物組織和引緯方式需謹(jǐn)慎選取。

[1] 易洪雷，丁辛.三維紡織預(yù)型件織物[J].高科技纖維與應(yīng)用，2001，26(3)：32-34.

[2] 黃新樂，林富生，孟光.三維紡織復(fù)合材料力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，18(4)：11-15.

[3] 車劍飛，黃潔雯，楊娟.復(fù)合材料及其工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：138-195.

[4] 楊婷婷.三維筒狀織物的織造技術(shù)研究[D].上海：東華大學(xué)，2015.

[5] 宮慶雙.三維筒狀織物的結(jié)構(gòu)與上機(jī)設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2016.

[6] 白燕.管狀織物新設(shè)計(jì)方法[J].上海紡織科技，2004，32(3)：28-29.

Design of the weft insertion methods in new circular orbit weaving

ZhouRui1， 2,MaYanxue1， 2,LiYuling1， 2,HuJiyong1， 2,ZhangRuiyun1， 2,DuWeiping3

1. Key Laboratory of Textile Science & Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China； 2. Engineering Research Center of Technical Textiles， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China； 3. Shanghai Textile Holding Co.， Ltd.， Shanghai 200336， China

Circular orbit weaving was a new shaping method to weave three-dimensional(3D) woven tubular fabrics. The design of weft insertion methods in the manual weaving process of fabrics was analyzed， respective characteristics of each methods were discussed in detail， and then taken a kind of joint junction weaving as an example， the appropriate weft insertion method was selected to weave the 3D woven tubular fabrics， which could provide some references for the mechanization of circular orbit weaving.

circular orbit weaving， 3D tubular woven fabric， joint junction weave， weft insertion method

*上海市自然基金項(xiàng)目(14ZR1401000)；上海市浦江人才計(jì)劃(2015PJC0002)

2016-10-18

周蕊，女，1992年生，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槿S機(jī)織物的設(shè)計(jì)與制備

馬顏雪，E-mail：yxma@dhu.edu.cn

TS105

：A

1004-7093(2017)07-0037-05