編織膠管骨架層編織過程的導(dǎo)程和張力控制研究

曹施展

（南京利德東方橡塑科技有限公司，江蘇 南京 210028）

編織膠管具有承壓高、柔韌性好、對惡劣工況適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已在多個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-5]。骨架層編織是決定編織膠管性能的重要因素[6-9]。研究編織膠管骨架層編織過程中的導(dǎo)程和張力控制，對膠管性能的控制十分重要。

1 編織導(dǎo)程

1.1 編織膠管結(jié)構(gòu)及其受力分析

編織膠管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 編織膠管結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of braided hose

膠管內(nèi)膠層起密封和壓力傳遞作用；外膠層起保護(hù)作用；中間編織線層可為一層或多層，是主要的承壓層，其將內(nèi)膠層牢牢束縛并保持膠管形狀和尺寸穩(wěn)定性[10-11]。編織機(jī)將多頭編織線交叉編織在內(nèi)膠層外表面，形成致密和均勻的菱形編織線層。由于編織線層主要承受內(nèi)膠層傳遞過來的介質(zhì)壓力，可將編織線層視為兩端封閉的圓筒狀薄壁壓力容器[12]，其整體結(jié)構(gòu)和微小單元的應(yīng)力分析如圖2所示[13]，其中σr為環(huán)向應(yīng)力（N），σx為軸向應(yīng)力（N），P為介質(zhì)壓力（Pa），θ為介質(zhì)壓力的水平夾角（rad）。

圖2 編織線層應(yīng)力分析Fig.2 Stress analysis of braided wire layer

根據(jù)圖2，環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力滿足受力平衡條件：

由式（1）和（2）得

式中，D為編織層直徑（m）。

1.2 編織角（編織平衡角）及編織導(dǎo)程計(jì)算

介質(zhì)對膠管做功，導(dǎo)致編織線層拉伸，為使膠管均勻膨脹，并保持膠管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，膠管徑向與軸向受力平衡。編織線受力變形分析如圖3所示，其中F為編織（線）張力（N），F(xiàn)r為編織張力的環(huán)向分力（N），F(xiàn)x為編織張力的軸向分力（N），ΔL為編織線的總拉伸尺寸（m），ΔLr為編織線的環(huán)向拉伸尺寸（m），ΔLx為編織線的軸向拉伸尺寸（m），β為編織角（°）。

圖3 編織線受力變形分析Fig.3 Analysis of force and deformation of braided wire

編織角需滿足下列關(guān)系式：

式中，Wr為介質(zhì)對膠管的徑向功（J），Wx為介質(zhì)對膠管的軸向功（J），Δr為膠管的徑向膨脹尺寸（m），Δx為膠管的軸向膨脹尺寸（m）。

由式（4）—（7），可得：

同時，可推導(dǎo)出編織導(dǎo)程（p，mm）和線長（L，mm）的計(jì)算公式：

由此可見，編織角只與編織層直徑和編織導(dǎo)程有關(guān)，在確定的編織角下，保持編織導(dǎo)程恒定，可使膠管的徑向和軸向膨脹平衡并保持膠管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

2 編織張力

2.1 編織張力作用

編織線具有一定的拉伸性，在一定范圍內(nèi)編織線的拉力與伸長量成正比[14]。編織線在編織過程中保持一定的編織張力，可有效抵抗介質(zhì)壓力，減小膠管的膨脹量[15]。但編織張力過大易使膠管產(chǎn)生疲勞，同時致使編織機(jī)受力抖動而加劇磨損。因此，通常需根據(jù)膠管的性能及實(shí)際生產(chǎn)工藝選取編織張力，并保持編織張力穩(wěn)定。

2.2 編織張力過程控制與分析

編織張力的過程控制是由編織機(jī)錠子的收放線來實(shí)現(xiàn)的。錠子帶著線軸在S形軌道上同步交叉走位，當(dāng)錠子向圓盤內(nèi)圈運(yùn)行時，放線點(diǎn)到編織點(diǎn)的距離不斷減小，編織過程不足以消耗掉多余的線，需要錠子機(jī)構(gòu)彈性元件釋放能量，拉長距離，以拉緊線而保持編織張力；當(dāng)錠子向圓盤外圈運(yùn)行時，放線點(diǎn)到編織點(diǎn)的距離不斷增大，加之編織過程消耗的線長，需要錠子機(jī)構(gòu)彈性元件存儲能量，縮短距離，以放松線而保持編織張力；當(dāng)錠子達(dá)到一定位置時，觸發(fā)線軸棘輪放線，放線后錠子機(jī)構(gòu)彈性元件釋放能量，再以此循環(huán)。由此可見，編織張力在一定范圍內(nèi)周期性波動是必然現(xiàn)象。下面從編織張力波動的理論計(jì)算中分析其變化規(guī)律和影響因素。

2.3 編織張力計(jì)算

圖4為一臺24錠臥式編織機(jī)的結(jié)構(gòu)示意，其中編織機(jī)圓盤軌道外圈半徑為R，花盤半徑為r，編織機(jī)轉(zhuǎn)速（錠子繞圓盤大圈旋轉(zhuǎn)）為n1，花盤轉(zhuǎn)速（錠子繞花盤小圈旋轉(zhuǎn)）為n2，花盤角速度為ω，設(shè)時間為t，在任意一個時間段（Δt）內(nèi)錠子到編織點(diǎn)的垂直距離（OA）為l，水平距離（BO）為b，斜線距離（AB）為a，a的變化量為Δa，消耗的編織線長為s，錠子單次旋轉(zhuǎn)放線長度為c，放線機(jī)構(gòu)緩沖長度為d，錠子旋轉(zhuǎn)放線時最大編織張力為Fmax，最小編織張力（放線機(jī)構(gòu)緩沖長度達(dá)到最大時）為Fmin，Δt內(nèi)編織張力的變化量為ΔF，則有如下關(guān)系：

圖4 編織機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure of braiding machine

2.4 編織張力影響因素

由式（17）可知，最大編織張力與最小編織張力差（Fmax-Fmin）越小，放線機(jī)構(gòu)緩沖長度（d）越大，錠子單次旋轉(zhuǎn)放線長度（c）越小，則編織張力波動（ΔF）越小。進(jìn)一步分析，在放線機(jī)構(gòu)緩沖長度不變時，最大編織張力與最小編織張力差取決于彈性元件的彈性系數(shù)，彈性系數(shù)越小，最大編織張力與最小編織張力差越大。放線機(jī)構(gòu)緩沖長度的設(shè)計(jì)受限于錠子機(jī)構(gòu)的空間大小，只能有限增大，且放線機(jī)構(gòu)緩沖長度至少需緩沖錠子從最外圈到最內(nèi)圈所積攢的線長，即d＞（amax-amin），否則會出現(xiàn)拋線現(xiàn)象。錠子單次旋轉(zhuǎn)放線長度取決于錠子放線棘輪的齒數(shù)，齒數(shù)越多，錠子單次旋轉(zhuǎn)放線長度越小，但設(shè)計(jì)時需考慮齒數(shù)增多帶來的強(qiáng)度下降。

對以上參數(shù)進(jìn)行合理的賦值試算，如取R＝270 mm，r＝64 mm，n1＝0.7 rad·s-1，b＝80 mm，p＝16.3 mm，c＝25 mm，d＝150 mm，F(xiàn)max＝25 N，F(xiàn)min=20 N時，編織張力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 編織張力與時間的相關(guān)曲線Fig.5 Correlation curves of braiding tension and time

從圖5可以看出：錠子運(yùn)行到軌道外圈附近時，編織張力最大，運(yùn)行到軌道內(nèi)圈附近時，編織張力最??；錠子旋轉(zhuǎn)放線一般發(fā)生在軌道外圈附近，且放線后編織張力波谷稍低于其他波谷，與實(shí)際相符。

3 結(jié)論

本研究分析編織膠管骨架層編織過程中的結(jié)構(gòu)受力，推導(dǎo)出膠管編織導(dǎo)程和編織張力的計(jì)算公式，以確定膠管骨架層編織過程的重要參數(shù)，從而有效控制膠管性能。結(jié)果表明：在一定的編織角下，保持編織導(dǎo)程恒定，可使膠管的徑向和軸向膨脹平衡并保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；編織張力具有周期性波動特性；錠子運(yùn)行到軌道外圈附近時，編織張力最大，錠子運(yùn)行到軌道內(nèi)圈附近時，編織張力最小；錠子旋轉(zhuǎn)放線一般發(fā)生在軌道外圈附近，放線后的編織張力波谷稍低于其他波谷。