新型三維筒狀織物設(shè)計(jì)與織機(jī)開發(fā)

王 瑤，王益軒，劉 育，姚 超，劉婷婷

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

新型三維筒狀織物設(shè)計(jì)與織機(jī)開發(fā)

王 瑤，王益軒，劉 育，姚 超，劉婷婷

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

為了改善現(xiàn)有三維筒狀織物成型方法不能解決增強(qiáng)體質(zhì)量的問題，設(shè)計(jì)一種新型三維筒狀織物，分析其結(jié)構(gòu)并對織造這種織物的三維圓織機(jī)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹織機(jī)主要組成機(jī)構(gòu)、織造原理和主要技術(shù)特征，以及其優(yōu)點(diǎn)和不足。指出：采用無交織三維結(jié)構(gòu)固結(jié)緯紗法織造三維筒狀織物，織物致密且?guī)缀尉雀?、質(zhì)量好，穩(wěn)定性好；并在此設(shè)計(jì)與織造原理基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研制其它纖維和構(gòu)造的三維織物。

三維筒狀織物；三維圓織機(jī)；無交織；Noobing織造法；固結(jié)緯紗法；打緊；打結(jié)

0 引言

采用樹脂基高強(qiáng)度纖維(如碳纖維、芳綸等)制成的三維筒狀結(jié)構(gòu)件具有質(zhì)量輕、比剛度與比強(qiáng)度高、耐疲勞性優(yōu)異、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，可用于制作各種結(jié)構(gòu)支架、輸送管道、襯套、罩殼、超耐高溫隔熱管等產(chǎn)品。在能源輸送、環(huán)境保護(hù)、化學(xué)化工、航空航天、生物化工、土木建筑、體育文娛等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]；因此，三維筒狀復(fù)合材料作為三維機(jī)織復(fù)合材料的子類，在工程應(yīng)用中有舉足輕重的地位。

由于三維結(jié)構(gòu)的筒狀預(yù)成型件有非常大的需求，因此三維筒狀織物織造技術(shù)的研發(fā)受到高度重視。如何提高織造效率，如何控制產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)品穩(wěn)定性都是科技人員研究的重點(diǎn)[3]?，F(xiàn)有筒狀織物成型的方法較多，且各具特色；但是，這些方法均無法控制增強(qiáng)體質(zhì)量。事實(shí)上，質(zhì)量取決于織造部分的纖維含量和織造過程中的打緊作用?，F(xiàn)有成形法的打緊力要么是人力，要么是通過周向紗張力引起的綁縛力形成的。由綁縛力形成的打緊力隨著卷繞直徑的變化而變化，最終導(dǎo)致織物厚度不均勻，且有改變紗線層直徑的傾向，導(dǎo)致纖維的滑動(dòng)和位移，從而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。為彌補(bǔ)不足，筆者介紹一種織造三維筒狀織物的新型方法，使織造的織物高度致密、穩(wěn)定性良好，且不影響產(chǎn)品的幾何形狀和質(zhì)量。

1 三維筒狀織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維筒狀織物，是指外形輪廓為圓筒狀、內(nèi)部中空、有一定壁厚的復(fù)雜多層三維織物，也稱為無縫管狀織物。為減少織造過程中增強(qiáng)纖維過量磨損引起復(fù)合材料性能的下降，筆者設(shè)計(jì)的筒狀織物，采用無交織的三維正交結(jié)構(gòu)，見圖1。

該三維筒狀織物采用類似于Noobing織造法織出的織物Noobed。Noobing是無交織、垂直取向與接結(jié)的英文縮寫，是一種三維無交織織物的生產(chǎn)方法[5]。圖2所示的Noobed織物，由三組互相垂直的紗線，即多層經(jīng)紗、緯紗和固接經(jīng)紗，通過固接經(jīng)紗將多層排列的經(jīng)、緯紗連接成相互不交織的整體結(jié)構(gòu)的三維織物。因其織造過程中紗線間無交織，不符合常規(guī)的織造原理，在織造織物過程中并無傳統(tǒng)二維織機(jī)的開口運(yùn)動(dòng)?？椢镏腥齻€(gè)方向的紗線相互正交而不交織，只在厚度方向上由接結(jié)紗束縛，通過兩個(gè)相互垂直方向的接結(jié)紗與最外端的紗交聯(lián)保證織物結(jié)構(gòu)的完整性；但接結(jié)紗與內(nèi)部軸向紗之間不交聯(lián)。

筆者設(shè)計(jì)的三維筒狀織物采用正交組織結(jié)構(gòu)。正交組織三維織物，由三組軸向相互垂直的紗線交織組成，其中沿長度方向的一組紗線為地經(jīng)紗，沿厚度方向的一組紗線為接結(jié)紗，而沿織物寬度方向的為緯紗?？椢镏械亟?jīng)為主要的增強(qiáng)紗線，緯紗和接結(jié)紗呈接結(jié)狀態(tài)[6]?？椢锏娜M紗線呈正交結(jié)構(gòu)配置，組成一個(gè)整體，既有利于發(fā)揮紗線的固有特性，也可提高其在外力作用下的穩(wěn)定性[7]。不僅如此，織物是通過構(gòu)造適當(dāng)形狀的初始框架制造各種形狀的預(yù)成型件，方便之后升級制造4D和5D的多軸織物。

三維筒狀織物的顯著特點(diǎn)，是其厚度方向上有用于連接和增強(qiáng)的固結(jié)紗，固結(jié)紗可以是經(jīng)紗也可以是緯紗，圖3所示為兩種立體筒狀織物的組織形

態(tài)。若用經(jīng)紗作固結(jié)紗，則和普通經(jīng)紗一樣由綜框控制開口順序，且經(jīng)紗張力比普通經(jīng)紗小很多，送經(jīng)機(jī)構(gòu)也應(yīng)不同；采用緯紗作固結(jié)紗，可與普通緯紗一樣采用引緯器引緯，極大地簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu)；故該圓織機(jī)采用了固結(jié)緯紗織造法。

如圖4所示，筆者設(shè)計(jì)的織物由三組紗線構(gòu)成。分別是周向紗、軸向紗和徑向紗。周向紗螺旋引入，

軸向紗平行于心軸排列，徑向紗沿徑向通過緯編針織線圈捆綁住軸向紗線。用機(jī)織法織造的織物不需要經(jīng)過太多的后期加工就能夠得到產(chǎn)品的最終尺寸和形狀，且紗線不因機(jī)加工而產(chǎn)生損壞，因此性能優(yōu)于后期加工的產(chǎn)品[8]。

2 三維圓織機(jī)的結(jié)構(gòu)及織造原理

2.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的三維圓織機(jī)如圖5a)所示,主要由4部分組成：固定機(jī)架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，安裝在機(jī)架固定位置的徑向打結(jié)裝置以及在機(jī)架上可轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)裝置和打緊裝置。

其中,機(jī)架由在底端的三角形底座和上部的環(huán)形零件以及三根平行于主軸的支柱組成。

徑向打結(jié)裝置主要由電機(jī)、減速器以及一套曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成。電機(jī)通過減速器、軸以及圓錐齒輪將動(dòng)力傳動(dòng)到曲柄連桿機(jī)構(gòu)，使舌針在固定的織造位置做徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

旋轉(zhuǎn)裝置主要由上下?lián)醢?、主軸、中間板、環(huán)形零件以及支撐中間板的環(huán)形零件構(gòu)成；邊緣有齒的上、下?lián)醢灞还潭ㄔ诤愣ǖ乃轿恢?，可以繞主軸旋轉(zhuǎn)，裝有減速器的電機(jī)通過齒形帶帶動(dòng)花鍵軸旋轉(zhuǎn)，安裝在花鍵軸上的小齒輪和上、下?lián)醢鍑Ш?，帶?dòng)擋板旋轉(zhuǎn)；中間板由邊緣有齒的支撐中間板的環(huán)形零件支撐，繞主軸旋轉(zhuǎn)，安裝在花鍵軸上的小齒輪與支撐中間板的環(huán)形零件嚙合，且小齒輪可沿花鍵軸滑動(dòng)；支撐中間板的環(huán)形零件由不可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形零件通過推力軸承支撐；不可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形零件的三個(gè)外臂上各有一個(gè)穿孔和絲杠嚙合，絲杠由電機(jī)、減速器和軸通過齒輪和鏈條傳動(dòng)，在底座和環(huán)形零件中旋轉(zhuǎn)；不可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形零件的外臂上裝有滑輪，以指引不可旋轉(zhuǎn)的環(huán)形零件沿著支柱滑動(dòng)。

如圖5b)所示打緊裝置，主要由環(huán)形零件、指狀扣片及壓板構(gòu)成。在花鍵軸的中部安裝有小齒輪，與環(huán)形零件嚙合。環(huán)形零件上有徑向凹槽，凹槽里有指狀扣片；環(huán)形零件由推力軸承支撐在環(huán)形零件上沿主軸旋轉(zhuǎn)；在扣片之上的壓板與環(huán)形零件為一個(gè)整體。

2.2 織造工藝過程

此織機(jī)通過三組紗線進(jìn)行三維織造，分別為軸向紗、周向紗和徑向紗。在織造開始前，軸向紗平行于主軸被固定在上、下?lián)醢彘g，并沿環(huán)形擋板連續(xù)均勻分布；隨著電機(jī)的啟動(dòng)，旋轉(zhuǎn)裝置以恒定的速度繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。周向紗在固定的織造平面從管筒(未顯示)被引入，沿著軸向紗形成的同心圓通道內(nèi)，鋪放于一系列的指狀扣片上；由于旋轉(zhuǎn)裝置的作用，最終周向紗會呈環(huán)形在此形成平坦的、無張力的周向螺旋紗線層；徑向紗在固定的織造平面被引入后，在織造的發(fā)生點(diǎn)，舌針通過緯編成圈法把徑向紗打結(jié)為封閉的鏈?zhǔn)江h(huán)，圍住軸向紗構(gòu)成徑向螺旋紗線層，此紗線層位于軸向紗和連續(xù)落下的周向紗線層之間；當(dāng)螺旋紗線層形成織物時(shí)，指狀扣片向下打緊形成新的周向與徑向紗線層；被打緊的紗線層疊放在中間板上，沿著軸向紗逐漸向下運(yùn)動(dòng)，最終獲得特別密集的織物，其結(jié)構(gòu)緊湊，外壁具有一定的剛性和精確的幾何尺寸。

2.3 旋轉(zhuǎn)裝置

在織機(jī)的頂部和底部各有一個(gè)同等大小的擋板，此擋板與所織的三維圓筒織物(預(yù)成型件或增強(qiáng)體)同軸，且可以繞著主軸在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)；上、下?lián)醢迤鸸潭ㄝS向紗的作用，擋板上有夾緊裝置用于夾緊軸向紗，在織造開始前軸向紗穿過中間板，被上、下?lián)醢謇o呈間隔分布的同心圓狀排列，同心圓的半徑與所織造的預(yù)成型件或增強(qiáng)體的半徑一致。中間擋板由整體的雙板構(gòu)成，雙板上有沿主軸周向的穿孔，穿孔圍成的半徑與所織的增強(qiáng)體半徑一致，先織增強(qiáng)體底部，織好后疊放在中間板上；中間板支撐織物同在織造水平面的指狀扣片一起打緊已織好的織物。由于支撐雙板的環(huán)形零件與絲杠相嚙合，因此雙板除了可繞主軸旋轉(zhuǎn)外還可以水平向下移動(dòng)；支撐中間板的環(huán)形零件與小齒輪嚙合，小齒輪可隨著花鍵軸向下移動(dòng)；每次絲杠旋轉(zhuǎn)固定的角度，雙板就下降一層。

2.4 打緊裝置

在機(jī)架的織造平面有一個(gè)環(huán)形零件(見圖5b)),環(huán)形零件可繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并和旋轉(zhuǎn)裝置同步旋轉(zhuǎn)，零件上有許多徑向凹槽，一系列的指狀扣片被限定在徑向凹槽和軸向紗構(gòu)成的通道內(nèi)，并在軸向紗和徑向紗間往復(fù)移動(dòng)。此環(huán)形零件還設(shè)置有一個(gè)缺口，供扣片在此位置做暫時(shí)性的縮回上舉運(yùn)動(dòng)，以打緊新織好的織物層。

在織造時(shí)，指狀扣片除了能使軸向紗保持固定的間距外，還能使織好的、疊在雙層板上的紗線層向下滑動(dòng)并打緊。指狀扣片分布于環(huán)形零件上，繞著主軸和織好的織物一起旋轉(zhuǎn)，靠在第一層紗線上并將其向下壓(與此同時(shí)，新織好的第二層紗線會覆蓋在扣片上)，當(dāng)在缺口區(qū)域遇到一組固定的凸輪裝置時(shí)，凸輪使這些徑向扣片抬起、縮回，因此擺脫了壓在它們之上的已經(jīng)織好的第二層紗線，并反壓于其上；然后徑向扣片向前移動(dòng)，以與雙層板配合，使紗線層向下運(yùn)動(dòng)。如此反復(fù)，每新織好一層，扣片就打緊下壓一層。

為了使指狀扣片保持較好的打緊力，在環(huán)形零件上還設(shè)置有一個(gè)水平固定的壓板，以限制扣片在恒定的水平面，使已經(jīng)織入的紗線控制在合適的壓力下。通過在每個(gè)循環(huán)內(nèi)保持雙板相對于固定平面下降的高度與紗線層在厚度方向被壓緊的高度相同，于是織物獲得恒定的打緊力。

2.5 打結(jié)裝置

在壓板的固定位置有一套徑向打結(jié)裝置，此裝置由一套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成。滑塊上連接有舌針，可在軸向紗形成的徑向通道內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)織物隨旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)，周向紗通過導(dǎo)管被鋪放成一個(gè)環(huán)形紗線層，舌針在兩層環(huán)形紗線層之間將軸向紗打成鏈結(jié)；鏈結(jié)捆綁住軸向紗，倚靠在指狀扣片上?？筛鶕?jù)需要調(diào)節(jié)舌針的運(yùn)動(dòng)，以產(chǎn)生松緊度合適的鏈結(jié)，這樣才能控制最終織物的幾何形狀和厚度。

3 三維筒狀織物及織機(jī)的特點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

a) 三維筒狀織物致密度高，不影響產(chǎn)品的幾何形狀和質(zhì)量，具有良好的穩(wěn)定性，使機(jī)織物能達(dá)到手工編織物的致密程度，兩種編織品對比見圖6。

b) 織物結(jié)構(gòu)簡單，增強(qiáng)纖維交織少，織造過程中磨損少，將提升最終形成織物的復(fù)合材料性能。

c) 織物結(jié)構(gòu)整體性較好，后期機(jī)加工少，保證了纖維完整性,提升了最終復(fù)合材料的力學(xué)性能。

d) 織機(jī)柔性強(qiáng)，可隨產(chǎn)品的變化而設(shè)計(jì)、加工不同的零件，增加相應(yīng)的組件后可生產(chǎn)變截面產(chǎn)品和多軸織物。

e) 織機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，無復(fù)雜控制系統(tǒng)，可靠性強(qiáng)，操作、保養(yǎng)、維修方便，成本低廉。

3.2 不足

a) 織造前須手動(dòng)夾緊軸向紗，無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。

b) 采用單根舌針形成徑向紗，織造效率有限。

c) 靠中間板和壓板形成打緊力，增強(qiáng)體高度有限，否則不能產(chǎn)生穩(wěn)定打緊力。

4 結(jié)語

采用無交織三維結(jié)構(gòu)的三維筒狀織物，設(shè)計(jì)合理，采用固結(jié)緯紗織造法工藝，所得織物結(jié)構(gòu)致密，幾何形狀和質(zhì)量有保證，具有良好的穩(wěn)定性。同時(shí)，對織造這種織物的織機(jī)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，為以后織造高技術(shù)纖維，如玻璃纖維、陶瓷纖維等筒狀織物的設(shè)計(jì)與制作進(jìn)行了有益的探索。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步研制不同的織物如多軸圓筒狀織物、圓錐狀織物等，以滿足更多應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求。

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Design of New 3D Tubular Fabric and Development of the Loom

WANG Yao,WANG Yixuan,LIU Yu,YAO Chao，LIU Tingting

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

As to the fact that the current forming method of 3D tubular fabric fails to control the quality of the enhancement fabric,a new designed 3D tubular fabric is introduced with the analysis of the structure and overal design is given in making 3D tubular fabric.Introduction is made to the main composition of the loom with weaving principle and main technical characteristics plus its advantages and disadvantages.It is pointed out that the new 3D tubular fabric can be made with solidated filling process with 3D free interwoven structure,the fabric being closely woven,of good geometric accuracy and quality,and stability.Further development of different fiber and other structured fabric can be done on the basis of the 3D tubular design.

3D tubular fabric;3D circular loom;fabricated weaving;Noobing method;consolidation filling method;tightening;knotting

2016-04-06

王 瑤(1992—)，男，湖北天門人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)方面的研究。

TS103.33+7

A

1001-9634(2016)06-0005-05