三維網(wǎng)眼機織物結(jié)構(gòu)與雙向開口機構(gòu)的設(shè)計研究*

劉　瑋　　王益軒

西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048

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三維網(wǎng)眼機織物結(jié)構(gòu)與雙向開口機構(gòu)的設(shè)計研究*

劉瑋王益軒

西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048

摘要：分析三維網(wǎng)眼機織物的組織結(jié)構(gòu)、模型及織造工藝過程，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計出新型雙向開口機構(gòu)，重點介紹配有雙向開口機構(gòu)的三維織機的開口工藝，以期為三維網(wǎng)眼機織物的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：三維網(wǎng)眼機織物，組織結(jié)構(gòu)，雙向開口，三維織機

在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，先進紡織復(fù)合材料預(yù)制件已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，人們對紡織復(fù)合材料預(yù)制件的力學(xué)性能及形狀要求也越來越高。因此，研制性能更優(yōu)的三維紡織復(fù)合材料預(yù)制件己成為眾多研究者的共同目標。

目前，國內(nèi)外研究者在三維織造技術(shù)方面取得了一些豐碩成果，如已能制作出多種復(fù)雜形狀或有特殊要求的預(yù)制件等，但三維織機中的開口機構(gòu)會使經(jīng)紗在開口過程中受到過多摩擦，進而影響引緯過程和織物質(zhì)量[1-5]。故開口機構(gòu)是三維織機上影響織物結(jié)構(gòu)和織造效率的重要機構(gòu)，因此推出了三維織機雙向開口方式。

本文設(shè)計了一種新型雙向開口機構(gòu)，即在多層經(jīng)紗的縱向和橫向分別形成開口，使多層經(jīng)紗與兩組正交緯紗相互交織。其中，部分多層經(jīng)紗呈直線形，而與兩組正交緯紗交織的經(jīng)紗則呈螺旋形。由這種交織方式形成的網(wǎng)格狀織物，在其寬度及厚度方向上具有一定的抗分裂性能。當然，這種網(wǎng)格狀織物中還包含有非交織的填充紗線，它們可以提高織物的整體性。

本文將詳細介紹在織造過程中非常重要的開口運動，而諸如引緯、卷取和打緯等其他織造后續(xù)運動將不做具體介紹。

1三維網(wǎng)眼機織物結(jié)構(gòu)

1.1簡單三維網(wǎng)眼機織物

圖1為簡單三維網(wǎng)眼機織物的三維圖及內(nèi)部單元圖。主動經(jīng)紗與兩組緯紗以螺旋起伏非直線的方式交織。兩組緯紗都采用同樣的劍桿引緯裝置，緯紗通過其引入各自的梭口，并與主動經(jīng)紗交織、與被動經(jīng)紗接觸。

(a) 三維圖　　(b) 內(nèi)部單元圖

圖2為簡單三維網(wǎng)眼機織物結(jié)構(gòu)正視圖。圖3和圖4分別顯示了簡單三維網(wǎng)眼機織物中主動經(jīng)紗在織物邊緣(或表面)和內(nèi)部的典型路徑。

1—主動經(jīng)紗；2—被動經(jīng)紗；3c—列向緯紗；3r—行向緯紗圖2　簡單三維網(wǎng)眼機織物結(jié)構(gòu)正視圖

(a) 頂視圖　　(b)側(cè)視圖

(a) 頂視圖　　(b)側(cè)視圖

綜上可以看出：簡單三維網(wǎng)眼機織物的重要特征是，主動經(jīng)紗以螺旋起伏非直線的方式與緯紗發(fā)生交織，雖未形成環(huán)形路徑，但其在織物的邊緣(或表面)形成了一個三角螺旋結(jié)構(gòu)，且該結(jié)構(gòu)不含被動經(jīng)紗。

1.2開口順序改變的新三維網(wǎng)眼機織物

以簡單三維網(wǎng)眼機織物為基礎(chǔ)，改變開口順序，可得到三種不同于簡單三維網(wǎng)眼機織物的新三維網(wǎng)眼機織物。圖5僅示出了主動經(jīng)紗在新三維網(wǎng)眼機織物內(nèi)部的一般路徑。

1—主動經(jīng)紗；2—被動經(jīng)紗；3c—列向緯紗；3r—行向緯紗圖5　新三維網(wǎng)眼機織物

1.3含填充紗線的三維網(wǎng)眼機織物

可根據(jù)需要在織物寬度、厚度及對角線方向的橫截面內(nèi)，適當加入填充紗線，以改善織物機械性能。如圖6所示，在圖1簡單三維網(wǎng)眼機織物的基礎(chǔ)上，通過在織造過程中引入非交織的紗線，獲得含填充紗線的三維網(wǎng)眼機織物。

1—主動經(jīng)紗；2—被動經(jīng)紗；3c—列向緯紗；3r—行向緯紗n1~n8—填充紗線圖6　含填充紗線的三維網(wǎng)眼機織物

2雙向開口機構(gòu)

為織造出不同結(jié)構(gòu)的三維網(wǎng)眼機織物，本文在研究簡單三維網(wǎng)眼機織物開口工藝的基礎(chǔ)上，提出了兩種不同的雙向開口機構(gòu)方案。

2.1設(shè)計要求

為實現(xiàn)雙向完全交織，織造出更為復(fù)雜的織物，雙向開口機構(gòu)應(yīng)滿足：

——既能完成行開口(即水平)運動，又能完成列開口(即垂直)運動；

——既可多行同時開口，也可多列同時開口；

——既可整體控制，也可分行控制。

2.2設(shè)計方案

2.2.1整體控制雙向開口機構(gòu)

整體控制雙向開口機構(gòu)的概念化仿真模型如圖9所示。利用由伺服電機提供動力的曲柄滑塊機構(gòu)和曲柄搖桿機構(gòu)直接控制綜框，分別實現(xiàn)綜框的水平運動和旋轉(zhuǎn)擺動，完成列向和行向開口。綜框左右側(cè)板的中部安裝有花鍵軸，可確保綜框在完成水平運動和旋轉(zhuǎn)擺動時互不影響。

4—綜絲；5—綜導(dǎo)；6—開口軸；7—綜框；8—曲柄搖桿機構(gòu)；9—曲柄滑塊機構(gòu)； 11—底座圖9　整體控制雙向開口機構(gòu)的概念化仿真模型

2.2.2分行控制雙向開口機構(gòu)

分行控制雙向開口機構(gòu)的概念化仿真模型如圖10 所示。通過分別控制每一行的開口軸，使綜框獨立完成水平運動和旋轉(zhuǎn)擺動。每根開口軸上都安裝有花鍵軸，可確保綜框在完成水平運動和旋轉(zhuǎn)擺動時互不影響?？蛇x用曲柄滑塊機構(gòu)和凸輪機構(gòu)作為該機構(gòu)水平直線運動和旋轉(zhuǎn)擺動的驅(qū)動部件。

9—曲柄滑塊機構(gòu)；10—凸輪機構(gòu)圖10　分行控制雙向開口機構(gòu)的概念化仿真模型

3三維網(wǎng)眼機織物的開口工藝

3.1紗線預(yù)處理

織造前，需根據(jù)所織織物的組織結(jié)構(gòu)對多層經(jīng)紗進行預(yù)處理，即穿綜。紗線預(yù)處理可使三維網(wǎng)眼機織物表面(但不包括側(cè)表面)及內(nèi)部的紗線分布均衡。圖11為經(jīng)紗預(yù)布置示意，其中每根被動經(jīng)紗都被均勻排列的主動經(jīng)紗所包圍。每根主動經(jīng)紗穿過扁平綜絲上相應(yīng)的綜眼和引導(dǎo)孔后被拉伸，而給定行(列)的被動經(jīng)紗只能通過相鄰兩綜框之間形成的開放空間進行拉伸(圖12)。

1—主動經(jīng)紗；2—被動經(jīng)紗圖11　經(jīng)紗預(yù)布置示意

1—主動經(jīng)紗；2—被動經(jīng)紗；4—綜絲；6—開口軸圖12　開口水平位置示意

經(jīng)紗預(yù)處理后，綜框開口軸所處的位置即為該開口系統(tǒng)的初始位置。從初始位置開始，穿過綜眼的主動經(jīng)紗會隨綜框開口軸沿其軸線方向做線性移動或往復(fù)擺動，而未穿過綜眼的被動經(jīng)紗則相對固定不動。

3.2開口過程

綜框開口軸帶動主動經(jīng)紗從初始位置開始線性移動一段距離或旋轉(zhuǎn)擺動一個角度，以形成右(左)側(cè)縱列開口或下(上)側(cè)橫行開口。需注意的是，各開口是按特定的順序形成。開口機構(gòu)每完成一個開口動作，便會在相應(yīng)的方向上形成一個特定的梭口，然后進行引緯等動作。

3.2.1縱列開口的形成

縱列開口的形成過程如圖13所示：在織物寬度方向上，綜框開口軸從初始位置開始沿其軸線方向線性移動一段距離，帶動主動經(jīng)紗一起移動，從而與固定的被動經(jīng)紗形成右側(cè)或左側(cè)的縱列開口。

(a) 初始位置　　(b) 右側(cè)縱列開口　　(c) 左側(cè)縱列開口

3.2.2橫行開口的形成

橫行開口的形成過程如圖14所示：自初始位置開始，綜框開口軸繞其軸線方向順(逆)時針旋轉(zhuǎn)擺動一個角度，帶動主動經(jīng)紗在織物的厚度方向上擺動，從而與固定的被動經(jīng)紗形成下(上)側(cè)橫行開口。

(a) 初始位置　　　　(b) 下側(cè)橫行開口　　　　(c) 上側(cè)橫行開口

3.3開口順序

以圖2所示的簡單三維網(wǎng)眼機織物為例，從開口裝置后方觀察到的綜框開口軸一個周期的運動順序：

(1)綜框開口軸順時針旋轉(zhuǎn)一個角度，于織物寬度方向上形成上側(cè)橫行開口，然后進行引緯；

(2)綜框開口軸復(fù)歸到初始位置；

(3)綜框開口軸向右線性移動一段距離，在織物厚度方向上形成右側(cè)縱列開口，然后進行引緯；

(4)綜框開口軸復(fù)歸到初始位置；

(5)綜框開口軸逆時針旋轉(zhuǎn)一個角度，于織物寬度方向上形成下側(cè)橫行開口，然后進行引緯；

(6)綜框開口軸復(fù)歸到初始位置；

(7)綜框開口軸向左線性移動一段距離，在織物厚度方向上形成左側(cè)縱列開口，然后進行引緯；

(8)綜框開口軸復(fù)歸到初始位置。

按照上述的開口順序，并在適當?shù)臅r刻加上織造過程中必要的補充操作，如引緯、打緯等，構(gòu)成完整的織造過程。

4結(jié)論

采用雙向開口機構(gòu)后：

(1)所有縱列或橫行，既可整體同時形成開口，又可單獨形成開口，以提高生產(chǎn)效率；

(2)引緯裝置無特殊要求，如梭子、劍桿等都可以，引入的緯紗既可以是單根紗線也可以是發(fā)夾般的折疊紗線；

(3)控制好開口順序，主動經(jīng)紗既可在織物長度方向螺旋交織，也可在織物寬度和厚度方向進行交織；

(4)在主動經(jīng)紗形成螺旋結(jié)構(gòu)過程中，兩組緯紗的交織及兩組緯紗與被動經(jīng)紗的交織，為織物提供了唯一的整體網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；

(5)應(yīng)在織物厚度和寬度方向上提供合適的開口位移，若位移過大則會引起緯紗和主動經(jīng)紗在織物表面形成不必要的干擾，導(dǎo)致織物表面不均勻，影響織物質(zhì)量；

(6)可獨立或有選擇性地在織物寬度和厚度方向上移動或旋轉(zhuǎn)綜框開口軸，以形成不同的編織圖案；

(7)橫截面無論是正方形還是長方形的管狀織物，亦或是其他異形(如L、T、C型等截面)的實體織物，都可根據(jù)具體的截面輪廓，以合適的離散方式布置經(jīng)紗層，并配以適當?shù)拈_口、引緯等，織出所需的三維網(wǎng)眼機織物。

采用雙向開口機構(gòu)的三維織機可織出完全交織的三維網(wǎng)眼機織物。所得織物可以很容易地進行切割，且不會引起分裂，織物力學(xué)性能大幅提高，可滿足工程織物的要求。

參考文獻

[1] 王美紅．三維機織預(yù)型件的織造技術(shù)[J]．產(chǎn)業(yè)用紡織品，2013，31(4)：1-9．

[2] 比蒂姆股份公司．網(wǎng)格狀織造的3D織物材料：CN97181940.8[P]．2000-03-15．

[3] NANDAN K， Woven 3D anbric material： US6338367[P]．2002-06-15．

[3] NANDA K， Network-like woven 3D fabric material： US6431222[P]．2002-08-13．

[4] MOHAMED M H， BILISIK A K．Multi-layer three-dimensional fabric and method for producing：US5465760[P]．1995-11-14．

[5] QIU Haifei， WANG Yixuan， WU Songlin． The study on dynamic characteristics for heald frame designed by new type composite of carbon-fibre[J]．Advanced Materials Research，2013， 804：353-357．

Structure of three-dimensional net woven fabric and design research of dual-directional shedding machanism

LiuWei,WangYixuan

College of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048, China

Abstract:The pattern structures, models and weaving processes of three-dimensional net woven fabrics were analyzed,and new dual-directional shedding mechanisms were designed on these basis. The shedding process of three-dimensional loom with the dual-directional shedding mechanism was focused on, in order to provide a reference for the development of three-dimensional net woven fabric.

Keywords:three-dimensional net woven fabric, pattern structure, dual-directional shedding, three-dimensional weaving machine

中圖分類號：TS105.1

文獻標志碼:A

文章編號：1004-7093(2016)01-0034-05

作者簡介：劉瑋，男，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為CAD/CAE/CAM、虛擬樣機技術(shù)

收稿日期：2015-01-17

* 陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項目(2013JC17)