碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

李丹丹，楊建成

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387；2.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

李丹丹1，2，楊建成1，2

（1.天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300387；2.天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究對(duì)現(xiàn)代三維織造設(shè)備發(fā)展具有重大意義。根據(jù)碳纖維多層織物特殊織造要求，設(shè)計(jì)了一套附帶尋位裝置的多層引緯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)引緯機(jī)構(gòu)按照開口位置的變換和不同層數(shù)的引緯。為了滿足劍帶和升降裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，對(duì)所建模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析和靜力學(xué)仿真，分析結(jié)果表明機(jī)構(gòu)滿足各項(xiàng)工作要求。

碳纖維；多層織機(jī)；引緯機(jī)構(gòu)；劍帶

工程技術(shù)和材料科學(xué)的發(fā)展，對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高。對(duì)于先進(jìn)復(fù)合材料，其研究、發(fā)展及應(yīng)用逐步成為高科技材料技術(shù)的核心內(nèi)容之一，而碳纖維及其復(fù)合材料在該領(lǐng)域占有非常重要的地位［1-3］。

碳纖維多層立體織物是目前迅速發(fā)展的一種新型的纖維織物結(jié)構(gòu)。它是一種由連續(xù)纖維在三維空間按照一定規(guī)律相互交織而形成的整體纖維增強(qiáng)骨架，貫穿空間各個(gè)方向的纖維，克服了傳統(tǒng)織物疊層結(jié)構(gòu)骨架的層間結(jié)合薄弱的缺點(diǎn)，成為高性能復(fù)合材料制備的技術(shù)關(guān)鍵和產(chǎn)業(yè)用紡織品的前沿發(fā)展方向。利用機(jī)織的方法可織造出三維骨架，如圖1所示，為了適應(yīng)高性能碳纖維機(jī)器碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展，亟待需要完成碳纖維多層織機(jī)的研制，這將成為當(dāng)下紡織行業(yè)一個(gè)共同目標(biāo)。而碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)是織機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，對(duì)該機(jī)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)及分析將為碳纖維多層織機(jī)的研制奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和仿真基礎(chǔ)，并為關(guān)鍵構(gòu)件的材料屬性選擇提供了理論依據(jù)。

圖1　多層角聯(lián)鎖織物結(jié)構(gòu)圖

1　引緯機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

對(duì)于碳纖維多層織機(jī)的核心技術(shù)是開口引緯關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用，因此對(duì)碳纖維多層織機(jī)引緯技術(shù)的研究顯得尤為重要。引緯機(jī)構(gòu)的作用就是在開口機(jī)構(gòu)將經(jīng)紗分成上下兩層形成梭口后，將緯紗及時(shí)引入梭口，使緯紗與經(jīng)紗形成交織。

在多層織物的織造過(guò)程中，多層經(jīng)紗排列具有一定的厚度，導(dǎo)致不同紗層之間的開口位置在不斷的變化，這給緯紗的引入帶來(lái)一定的困擾，引緯機(jī)構(gòu)需要隨著開口位置的不同而自動(dòng)進(jìn)行適應(yīng)行調(diào)整，同時(shí)由于經(jīng)紗層數(shù)較多，為了提高織造效率，采用雙劍桿雙線引緯方式，兩側(cè)左右各一個(gè)劍桿，分別獨(dú)立完成一次引緯。

為滿足上述要求，碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)主要包括升降裝置、劍帶傳動(dòng)裝置?？梢詫⒕暭喴胨罂?，使之能與經(jīng)紗交織成織物，同時(shí)能根據(jù)實(shí)際碳纖維層數(shù)的變化而引起梭口位置的變化，而使得引緯機(jī)構(gòu)需要上下運(yùn)動(dòng)來(lái)滿足梭口在縱向上的運(yùn)動(dòng)。

控制部分的功能要求是：采用伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)通過(guò)一組同步帶輪減速后帶動(dòng)齒輪齒條往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剛性劍帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制伺服電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)任意形式的引緯曲線；同時(shí)采用伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)帶動(dòng)一組同步帶輪然后帶動(dòng)一組齒輪裝置經(jīng)過(guò)減速后帶動(dòng)滾珠絲杠來(lái)完成引緯機(jī)構(gòu)的升降。如圖2和圖3所示。

圖2　劍帶傳動(dòng)裝置示意圖

圖3　升降裝置示意圖

2　引緯機(jī)構(gòu)Solidworks三維建模

基于Solidworks軟件對(duì)碳纖維多層織機(jī)的引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維模型的建立和利用其仿真模塊對(duì)其分析，在Solidworks環(huán)境下建立碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體造型如圖4所示。

圖4　碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體造型

3　主要部件動(dòng)力學(xué)分析

該碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)最主要的機(jī)械機(jī)構(gòu)就是升降機(jī)構(gòu)、劍帶往復(fù)機(jī)構(gòu)，劍帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng)規(guī)律選取的不同，對(duì)引緯質(zhì)量的好壞起著重要的作用。

從圖5、圖6和圖7中可以看出，多項(xiàng)式劍帶運(yùn)動(dòng)規(guī)律位移曲線變化都比較平緩光滑，且都能在時(shí)刻內(nèi)使劍頭到達(dá)指定位置，完成引緯；該運(yùn)動(dòng)規(guī)律可實(shí)現(xiàn)速度在引緯開始和結(jié)束時(shí)速度為零，余弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律也可實(shí)現(xiàn)速度在引緯開始和結(jié)束時(shí)速度為零但余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律的加速度變化在引緯開始和終止的瞬時(shí)都很大，對(duì)劍帶和緯線沖擊很大，并非理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)律［4］。綜上對(duì)比可知，多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律可很好滿足引緯要求，且對(duì)機(jī)器的沖擊較小，故應(yīng)采用多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律來(lái)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)引緯。

圖5　劍頭在豎直方向上位移曲線

圖6　劍頭在水平和豎直方向上速度曲線

圖7　劍頭在水平和豎直方向上加速度曲線

4　碳纖維劍帶傳動(dòng)裝置靜力學(xué)分析

劍帶傳動(dòng)裝置在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)可簡(jiǎn)化成懸臂梁進(jìn)行變形分析和模態(tài)分析，因其敏感方向?yàn)樨Q直方向的變形和震動(dòng)，故在進(jìn)行應(yīng)變分析和震動(dòng)分析時(shí)主要分析其豎直方向，以便判斷其變形量和震動(dòng)大小是否滿足工作要求。由于劍帶在引緯方向需要伸出長(zhǎng)度1.277 m，懸臂長(zhǎng)度大，所以此時(shí)劍帶的材料的選取及劍頭材料的選取顯得尤為重要。為了減輕重量劍帶材料選擇碳纖維，下面分析碳纖維材料下，劍帶的應(yīng)力和變形。碳纖維材料楊氏模量為E=2.5e11 Pa，密度為2 520 kg/m3.

從圖8和圖9中可以得出最大應(yīng)力不變，最大變形量為0.026 1 mm.可以看出，當(dāng)采用碳纖維時(shí)劍帶的最大變形量較小，且相較于鋼結(jié)構(gòu)其剛度較大且質(zhì)量較小，所以碳纖維材料的劍帶更適用于此機(jī)構(gòu)，但在實(shí)際加工生產(chǎn)過(guò)程中，劍帶甚少使用碳纖維復(fù)合材料，原因在于碳纖維材料價(jià)格昂貴。

圖8　碳纖維復(fù)合材料劍帶應(yīng)力云圖

圖9　碳纖維復(fù)合材料劍帶變形圖

5　結(jié)束語(yǔ)

（1）運(yùn)用Pro/E和ADAMS對(duì)引緯機(jī)構(gòu)中的劍帶裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和機(jī)構(gòu)分析，仿真出的結(jié)果說(shuō)明了該劍帶結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)干涉等現(xiàn)象，該結(jié)果為碳纖維及其復(fù)合材料織物的織造奠定了良好的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

（2）用ANSYS軟件分析碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)中的劍帶裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果表明了該裝置在最大負(fù)載工作過(guò)程中，劍帶的變形量非常小，可以忽略不計(jì)，劍帶完全能夠承受緯紗引緯工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)載荷，能夠使其在工作過(guò)程中平穩(wěn)運(yùn)行，振動(dòng)小。對(duì)鋼和碳纖維材料的劍帶進(jìn)行對(duì)比可知選用碳纖維材料的劍帶性能更好，但出于鋼材其物美價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中使用鋼材更多。

［1］Schulze Martin H，Meyendorf Norbert，Heuer Henning.Anal ysis techniques for eddy current imaging of carbon fiber mate rials［J］.Materialpruefung/MaterialsTesting，2010，52（9）: 603-609.

［2］Yang Feiyu，Zhang Xinghong，Han Jiecai，Diu Shanyi.Analysis of the mechanical properties in short carbon fiber-toughened ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic［J］.Journal of Com posite Materials，2010，44（8）:953-961.

［3］Liao Shaohuai，Lu Yiyan.Test on seismic behaviors of rein forced concrete beams composite rehabilitation with bonded Carbon FiberReinforced polymer and steel plate［J］.Tumu Jianzhu yu Huanjing Gongcheng，2010，32（6）:14-21.

［4］魏展，金國(guó)光，暢博彥，等.基于有限元法的高速平面凸輪機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2012，31（8）: 1363-1368.

Design and Analysis of Weft Insertion Mechanism of Carbon Fiber Multi-Layer Loom

LI Dan-dan1，2，YANG Jian-cheng1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin 300387，China）

The design and research of weft insertion mechanism of carbon fiber multi-layer loom which has the great significance for the development of modern 3D weaving equipment.According to the special requirements of carbon fiber multi-layer weaving fabric，a multilayer weft insertion system incidental finding device is designed，which can be satisfied with multi-layer weft insertion according to the change of shedding position and different layers.In order to meet the sword belt and lifting gear running smooth，dynamic analysis and static simulation have been done，analysis results show that institutions satisfy all work requirements.

carbon fibers；multi-layer diagonal loom；weft insertion mechanism；sword belt

TH112

A

1672-545X（2016）07-0016-04

2016-04-23

國(guó)家十二五科技支撐重點(diǎn)項(xiàng)目:碳纖維多層織造裝備及技術(shù)研發(fā)（2011BAF08B02）

李丹丹（1986-），女，江西人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械設(shè)計(jì)。