靜態(tài)張力作用下多層經(jīng)紗的懸垂特征

龔小舟， 吳世林， 李 宇， 林富生,2， 王 強(qiáng)

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200; 2. 佛山慈慧通達(dá)科技有限公司， 廣東 佛山 528251)

靜態(tài)張力作用下多層經(jīng)紗的懸垂特征

龔小舟1， 吳世林1， 李 宇1， 林富生1,2， 王 強(qiáng)1

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200; 2. 佛山慈慧通達(dá)科技有限公司， 廣東 佛山 528251)

針對(duì)多層織物織造時(shí)經(jīng)紗易開(kāi)口不清的問(wèn)題，提出一種預(yù)估經(jīng)紗下垂特征的分析模型，為表征經(jīng)紗的懸垂特征提供理論參考。通過(guò)采用芳綸、碳纖維和玻璃纖維這些不同原料的紗線，以及采用不同線密度的碳纖維紗線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，以證實(shí)其與理論模型的相符程度。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)描述線密度較小的紗線在靜態(tài)時(shí)的懸垂程度時(shí)，此經(jīng)紗懸垂理論模型較為準(zhǔn)確。然而，對(duì)于較粗的經(jīng)紗，此模型還需要作進(jìn)一步修正。在進(jìn)行多層織造時(shí)，此研究結(jié)果可為模擬不同品種的紗線靜態(tài)情況下的懸垂形態(tài)提供一定的理論參考。

經(jīng)紗張力； 多層織造； 經(jīng)紗張力模型； 經(jīng)紗懸垂特征

張力的控制在紡織生產(chǎn)工藝中至關(guān)重要，無(wú)論是機(jī)織、針織還是編織生產(chǎn)過(guò)程中都大量使用了專(zhuān)業(yè)的張力控制機(jī)構(gòu)以求獲得合適的上機(jī)張力，使紡織生產(chǎn)順利進(jìn)行[1]。Mouritz等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在紡織生產(chǎn)過(guò)程中張力控制不當(dāng)，紗線的強(qiáng)力將損傷近半。國(guó)內(nèi)外研究表明：在碳纖維三維織物的織造過(guò)程中，引起紗線強(qiáng)力下降的主要原因是纖維間的摩擦，而產(chǎn)生這種摩擦的起因是為了得到合適的張力，有時(shí)會(huì)手工對(duì)紗線進(jìn)行調(diào)整[3-4]。上機(jī)織造過(guò)程中產(chǎn)生摩擦的原因可歸納為纖維與纖維、紗線與紗線間的摩擦，同時(shí)還包括機(jī)器構(gòu)件對(duì)紗線所產(chǎn)生的摩擦，這些構(gòu)件包括后梁、綜眼、鋼筘、停經(jīng)片和載緯器等[5]。如果上機(jī)張力過(guò)大，并且超出了紗線所能承受的彈性回復(fù)范圍，便會(huì)產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性變形，導(dǎo)致紗線的結(jié)構(gòu)破壞。由于織造生產(chǎn)過(guò)程中的隨機(jī)因素眾多，紗線在移動(dòng)過(guò)程中局部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中變形，其上機(jī)張力會(huì)逐漸偏離最佳上機(jī)張力值[6-7]。在傳統(tǒng)織造過(guò)程中，經(jīng)紗和緯紗都會(huì)產(chǎn)生上機(jī)張力的變化，但經(jīng)紗的變化更為頻繁。經(jīng)紗張力的變化取決于織物結(jié)構(gòu)、送經(jīng)速度、初始上機(jī)張力和整經(jīng)過(guò)程中的經(jīng)軸片紗不勻程度。經(jīng)紗張力過(guò)低，紗線下垂，從而造成布面織疵[8]，但過(guò)大的上機(jī)張力又可能損傷紗線，造成織物力學(xué)性能和熱性能上的不足。這種情況在三維織物多梭口織造過(guò)程中更為復(fù)雜。三維織造所用的纖維都是高性能纖維，比如玻璃纖維和碳纖維，這些纖維的共同特點(diǎn)是比較脆、易損傷，即使是非常小的摩擦都會(huì)造成纖維的損壞。這類(lèi)纖維的另一特點(diǎn)是模量較高、紗線較粗，如果缺乏有效的上機(jī)張力，纖維易在質(zhì)量的作用下自然下垂，造成織造過(guò)程中的開(kāi)口不清。通常來(lái)說(shuō)，三維織物織造時(shí)會(huì)將多層經(jīng)紗逐層排列，交匯于織口處,多個(gè)載緯器穿梭于經(jīng)紗層間形成引緯[9-10]。生產(chǎn)厚度大的三維織物時(shí)，經(jīng)紗層數(shù)會(huì)不斷增加，經(jīng)紗層之間需要一定高度以便引緯。為了獲得最優(yōu)化的層間高度，需要賦予經(jīng)紗合適的上機(jī)張力使其下垂程度最小。本文針對(duì)多層經(jīng)紗織造過(guò)程中經(jīng)紗開(kāi)口不清的問(wèn)題，提出了一種較簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)分析模型，用于表征經(jīng)紗張力與其懸垂度的關(guān)系，為獲取合適的上機(jī)張力提供理論參考。

1 理論模型

本文將對(duì)三維織造多層經(jīng)紗在張力作用下的懸垂特征進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，探索經(jīng)紗上機(jī)張力與下垂程度之間的關(guān)聯(lián)，以期通過(guò)理論模型預(yù)測(cè)在不同張力情況下紗線的下垂程度。

紗線所承受的上機(jī)張力T可定義為沿紗線軸向所受到的力，如圖1所示，則其在水平方向的張力分量為(T′)并滿足關(guān)系式：T′=T×cosθ。

根據(jù)梭口的幾何形狀，對(duì)紗線的下垂情況進(jìn)行幾何分析。為了簡(jiǎn)化分析模型，本文不考慮紗線的彎曲剛度和剪切應(yīng)力，而將紗線的下垂歸結(jié)于2個(gè)因素：紗線線密度和紗線兩端握持點(diǎn)間的距離。根據(jù)非線性彈性理論中的繩索彎曲模型[7]，可將紗線作為柔性繩索進(jìn)行探討研究。紗線在上機(jī)張力的作用下，其彎曲曲線函數(shù)y和自變量x之間可用式(1)進(jìn)行模擬：

(1)

式中：T′為紗線受到的水平方向的張力，N；W為紗線單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量，N/m；C1和C2分別為常數(shù)。

為了更明確地表示紗線懸垂時(shí)的形態(tài)，對(duì)紗線的懸垂形態(tài)進(jìn)行了幾何建模，圖1中H為梭口的開(kāi)口高度， m；L為織口到測(cè)量點(diǎn)的距離，m；θ為紗線下垂角(下垂紗線位于A點(diǎn)處切線方向與水平方向的夾角)。為了求解式(1)中的常量C1和C2，進(jìn)行如下數(shù)學(xué)運(yùn)算：對(duì)公式中的y進(jìn)行一次求導(dǎo)，可得下垂紗線的斜率(tanθ)，利用這個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系，可得：

(2)

取x的值為0時(shí)，可得常量C1的值，即令x→0，則式(2)轉(zhuǎn)化為

C1=arsinh(tanθ)

同理，取x，y的值均為零時(shí)，可得C2的值，即令x→0，y→0，代入式(1)可得

(3)

因此，當(dāng)x→L，y→H, 代入式(1)，則下垂的紗線滿足如下函數(shù)關(guān)系式

(4)

從以上函數(shù)關(guān)系式可以得出結(jié)論：當(dāng)紗線受到上機(jī)張力作用時(shí)，其下垂曲線可以通過(guò)雙曲余弦函數(shù)進(jìn)行模擬。當(dāng)上機(jī)張力(T)、紗線單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量(W)和紗線下垂角(θ)已知時(shí)，可以模擬織口到測(cè)量點(diǎn)的距離(L)與開(kāi)口高度(H)之間的函數(shù)曲線，用于表征紗線的懸垂特征。具體算例如下：

假設(shè)T300碳纖維, 線密度為439 tex在0.05 N的上機(jī)張力作用下分7層進(jìn)行三維織物織造，其每層的紗線下垂角(θ)分別假設(shè)為50°、40°、30°、20°、10°、0°、-10°，當(dāng)紗線下垂角(θ)為50°時(shí)，根據(jù)式(4)計(jì)算所得出的參數(shù)如表1所示(其中：T=0.05 N;W=0.004 N/m；角度為50°；C1=1.01；C2=-18.08)。每層紗線以織口到測(cè)量點(diǎn)的距離(L)為橫坐標(biāo)，梭口開(kāi)口高度(H)為縱坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系圖如圖2所示。

表1 理論計(jì)算所得式(4)的參數(shù)值 Tab.1 Calculated value from equation(4) m

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用芳綸、碳纖維和玻璃纖維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，分析在三維織物織造中經(jīng)紗的變形情況，以及多層經(jīng)紗排列時(shí)每層經(jīng)紗下垂與上機(jī)張力間的關(guān)系。纖維規(guī)格如表2所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步實(shí)施了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)裝置搭建如圖3所示。在搭建的實(shí)驗(yàn)裝置上，每層的紗線被擺放在裝置的兩端，其中一端織口處被一套螺絲/螺栓組成的壓板壓實(shí)，另一端通過(guò)一個(gè)分層架固定，紗線的后端掛有小鐵錘，以模擬紗線所受的的上機(jī)張力?？椏谂c分層架之間的距離可以調(diào)節(jié)，本文設(shè)定為1.0 m，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用尺子沿著織口到分層架(即沿著L)每隔0.1 m記錄每層經(jīng)紗開(kāi)口高度(H)。也可以通過(guò)增減紗線后端小鐵錘的方式模擬上機(jī)張力的情況，本文實(shí)驗(yàn)采取的上機(jī)張力為0.05 N。

表2 原材料技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indexes for raw materials

3 結(jié)果與討論

以芳綸1414的測(cè)試結(jié)果為例，圖4示出理論模擬的紗線下垂曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)。在圖3所示的23層三維織物多層織造中，從上至下，分別選取了第1、3、5、7和9層的紗線作為上半部分測(cè)量其紗線懸垂特征，其所對(duì)應(yīng)的紗線下垂角分別為10°、20°、30°、40°和50°(見(jiàn)圖4(a))；同理可得下半部分的紗線懸垂特征(見(jiàn)圖4(b))。對(duì)比圖3及參考所測(cè)得的L-H值，可以看出：本文建立的理論模型比較好地模擬了實(shí)際多層紗線的開(kāi)口情況，并獲得實(shí)測(cè)值的驗(yàn)證，但是從圖4(b)所得到的織物下半部分理論與實(shí)際的對(duì)比情況來(lái)看，理論值與實(shí)測(cè)值有所偏差，特別是最下面第20層(對(duì)應(yīng)圖中紗線下垂角-50°)和第18層(對(duì)應(yīng)圖中紗線下垂角-40°)的紗線理論計(jì)算值均高于實(shí)際測(cè)量值。究其原因主要是在測(cè)量的過(guò)程中對(duì)紗線下垂角(θ)的表征缺乏可靠的測(cè)量方法，僅僅是依靠目測(cè)來(lái)定義紗線的正切線與水平線的夾角，從而得到一個(gè)預(yù)估值。這個(gè)角度與理論設(shè)定的紗線下垂角(θ)還不完全吻合。在未來(lái)的研究工作中，希望能解決這個(gè)問(wèn)題。

表3 不同種類(lèi)纖維的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與理論計(jì)算值之間的偏離程度Tab.3 Variation between testing results and theoretical results

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了使用較細(xì)紗線織造的情況下，多層經(jīng)紗織造過(guò)程中每層經(jīng)紗開(kāi)口高度與紗線兩端握持點(diǎn)之間的距離、紗線下垂角、紗線上機(jī)張力和紗線單位長(zhǎng)度上的質(zhì)量之間的函數(shù)關(guān)系，有效地模擬了每層紗線的懸垂特征。將柔性繩索大變形所建立的理論模型應(yīng)用于多層經(jīng)紗織造中，符合實(shí)測(cè)結(jié)果，從而驗(yàn)證了此模型在分析多層經(jīng)紗織造時(shí)的有效性。通過(guò)對(duì)理論模型的進(jìn)一步討論，在其他參數(shù)保持不變的情況下，紗線線密度的變化也會(huì)影響紗線在多層織造中的懸垂情況。另外，紗線的上機(jī)張力與紗線兩端握持點(diǎn)之間的距離嚴(yán)重影響紗線的下垂程度。過(guò)大的上機(jī)張力會(huì)損傷紗線，從而嚴(yán)重降低紗線在最終應(yīng)用時(shí)的力學(xué)性能。因此，為了在多層織物織造過(guò)程中獲得良好的開(kāi)口清晰度，影響紗線下垂的各參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化，從而保證在紗線性能保持優(yōu)良的情況下，促使三維織物多層織造的順利進(jìn)行。

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《紡織學(xué)報(bào)》第九屆編輯委員會(huì)成立

《紡織學(xué)報(bào)》第九屆編輯委員會(huì)成立大會(huì)于2016年10月23日在上海松江召開(kāi)。中國(guó)工程院蔣士成院士、姚穆院士，來(lái)自海內(nèi)外各領(lǐng)域知名學(xué)者和技術(shù)專(zhuān)家，中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)伏廣偉常務(wù)副理事長(zhǎng)、尹耐冬秘書(shū)長(zhǎng)、劉軍副秘書(shū)長(zhǎng)共52名編委出席會(huì)議。學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)處張洪玲副處長(zhǎng)主持會(huì)議?！都徔棇W(xué)報(bào)》第九屆編輯委員會(huì)共聘請(qǐng)69名委員，分別來(lái)自高等院校、科研院所和企業(yè)，詳情見(jiàn)本刊封三。

《紡織學(xué)報(bào)》是中國(guó)紡織工程學(xué)會(huì)主辦的中文紡織學(xué)術(shù)期刊，由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主管。是全國(guó)中文核心期刊、中國(guó)科技核心期刊，2016年新被《工程索引》(Ei Compendex)收錄。編委會(huì)是《紡織學(xué)報(bào)》編輯出版工作的學(xué)術(shù)指導(dǎo)機(jī)構(gòu)，對(duì)期刊的編輯出版起指導(dǎo)、監(jiān)督和促進(jìn)作用。

會(huì)上，各位編委接受了聘書(shū)并討論通過(guò)了《紡織學(xué)報(bào)》編輯委員會(huì)章程(修改稿)。編委會(huì)常務(wù)副主任伏廣偉肯定了《紡織學(xué)報(bào)》在促進(jìn)學(xué)科建設(shè)、培養(yǎng)學(xué)術(shù)人才等方面的重要作用，希望編委們珍視榮譽(yù)，履行職責(zé)，充分發(fā)揮作用，辦出高水平、高影響力的世界一流的刊物。劉軍主編代表編輯部匯報(bào)了《紡織學(xué)報(bào)》近幾年編輯出版工作情況。

編委會(huì)各位副主任高衛(wèi)東副校長(zhǎng)、程博聞副校長(zhǎng)、陳文興校長(zhǎng)、周華堂院長(zhǎng)、莊小雄院長(zhǎng)在期刊定位、審稿、選題策劃、吸收優(yōu)質(zhì)稿源等方面提出了建設(shè)性意見(jiàn)。香港理工大學(xué)胡金蓮教授、美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校潘寧教授、澳大利亞迪肯大學(xué)王訓(xùn)該教授作為海外編委代表發(fā)言，希望《紡織學(xué)報(bào)》進(jìn)一步加強(qiáng)宣傳，提高文章時(shí)效性和審稿速度，積極擴(kuò)大國(guó)際影響力。

最后，蔣士成院士、姚穆院士分別做了總結(jié)性發(fā)言。二位院士對(duì)《紡織學(xué)報(bào)》近年來(lái)取得的成績(jī)給予肯定并寄予殷切的希望，強(qiáng)調(diào)《紡織學(xué)報(bào)》一定要引領(lǐng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，匯聚優(yōu)秀研究成果，爭(zhēng)取早日辦成國(guó)際名刊。

Characteristics of warp yarn hanging path under weaving tension

GONG Xiaozhou1, WU Shilin1, LI Yu1, LIN Fusheng1,2, WANG Qiang1

(1. School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan, Hubei 430200, China; 2. Foshan Cihuitongda Tech. Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528251, China)

During the multi-layer weaving process, aiming at difficulties in creating a clear shed opening passage for each warp layer, an analytical model to characterize the hanging path of each layer′s warp yarn are propsed. Experiments have also been conducted to evaluate the accurancy of this analytical model by using different yarns such as kevlar, carbon and glass fiber or by using various carbon fiber yarns such as in fineness. After the comparisons, it is found that this model suits better to describe finer yarns, however, with coarse yarns, the model lost its efficiency and need to be further modified. The outcomes from this work is to provide a useful reference to characterise the warp yarn hanging path during multi-layer weaving under statistic conditions.

warp tension； multi-shed weaving； warp analytical model； warp hanging characteristic

10.13475/j.fzxb.20150604705

2015-06-23

2016-05-01

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51502209)；湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015CFB553)；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(201513240001)

龔小舟(1980—)，女，副教授，博士。主要研究方向?yàn)槿S紡織品織造工藝及產(chǎn)品性能。E-mail：xiaozhou.gong@wtu.edu.cn。

TS 131.9

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