宋小寧，李 寧

（武漢紡織大學(xué)，湖北 武漢 430073）

目前，常見的提花大圓機(jī)型號(hào)有XD／3F、RFT、RFP等，已有的選針原理是通過選針刀片的擺動(dòng)間接控制織針沿著三角軌道運(yùn)動(dòng)，達(dá)到相應(yīng)的編織高度，并在相應(yīng)高度保持一段時(shí)間，實(shí)現(xiàn)三種編織動(dòng)作即成圈、集圈和浮線，簡稱“三功位”。換句話說就是在選針器、提花片、挺針片和三角軌道的作用下，強(qiáng)迫織針沿著三角軌道上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)隨著針筒轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)編織。

懸浮式選針裝置將傳統(tǒng)選針裝置中的選針器、三角軌道、提花片和挺針片都融合在一起，因此結(jié)構(gòu)更加簡單，成本也更低。剔除了三角軌道，織針的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)了可編程，也可用軟件編程對(duì)應(yīng)三角軌道，實(shí)現(xiàn)各種特殊織針工藝，是一種全新的選針原理。

1 傳統(tǒng)選針原理

傳統(tǒng)的針織設(shè)備主要采用機(jī)械零件間的接觸驅(qū)動(dòng)織針，即利用三角軌道、提花片、挺針片、選針器等機(jī)械零件驅(qū)動(dòng)織針實(shí)現(xiàn)編織和提花。其中關(guān)鍵部件是選針器，目前最常見的是電子選針器，從動(dòng)作原理上分為電磁鐵式和壓電陶瓷式兩種。

1.1 電磁鐵式

電磁鐵式選針器（見圖1）是利用對(duì)電磁螺旋管通入不同方向的電流，使電磁螺旋管頭端的極性相應(yīng)變化，或與永久性磁鐵配合使用，利用靠電磁鐵與永久性磁鐵間的吸力和斥力來實(shí)現(xiàn)選針頭擺動(dòng)，即用壓針法實(shí)現(xiàn)選針或者直接通過電磁鐵的極性變化來控制選針器選針，使織針分走不同軌道，完成編織過程。

圖1 電磁鐵式選針器

電磁選針方式雖然簡單，電子化程度高，大大減少機(jī)械活動(dòng)部件，動(dòng)作可靠敏捷，磨損少，維修方便，但是這種電磁式選針裝置有其自身不可彌補(bǔ)的缺點(diǎn)：第一，電磁選針部分耗電量大；第二，電磁鐵在工作中產(chǎn)生的剩磁大并且不能完全及時(shí)排除；第三，抗衰減能力難以維持，矯頑力越大，永久磁鐵抗外加磁場影響的能力越大，但是當(dāng)外加磁場較小時(shí)，很難做到不衰減；第四，織布車間中的電機(jī)、電燈及其他電器等在工作中電磁場的干擾以及提花機(jī)上的電磁鐵通、斷電時(shí)產(chǎn)生的電磁場的相互干擾，這些都會(huì)影響電磁選針裝置和其他控制機(jī)構(gòu)的正常工作。

1.2 壓電陶瓷式

1.2.1 壓電陶瓷片的結(jié)構(gòu)和變形原理

電子提花機(jī)選針裝置所采用的壓電陶瓷片，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它是由上下兩片相同的壓電陶瓷片疊合而成。其工作原理是：在施加電場E后，由于壓電陶瓷片的上下兩片施加的電場方向相反，因此，根據(jù)逆壓電效應(yīng)上片壓電陶瓷片產(chǎn)生沿O-O 方向的收縮，下片壓電陶瓷片產(chǎn)生沿O-O方向的伸長，于是壓電陶瓷片上片受壓而下片壓電陶瓷片受拉，即產(chǎn)生如圖方向的撓度變形uO和力FO。

圖2 壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)

1.2.2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)

具有壓電效應(yīng)的多晶體的壓電陶瓷是不同于一般陶瓷的。目前使用最多的壓電陶瓷如鈦酸鋇（BaTiO2）和鋯鈦酸鉛（簡稱PZT）等。壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)隨溫度變化而改變。當(dāng)溫度高于居里溫度Tc時(shí)，晶格為立方晶格無壓電效應(yīng)；當(dāng)溫度低于Tc時(shí)，壓電陶瓷為四方晶格，此晶格具有壓電效應(yīng)。即在低于居里溫度的條件下，對(duì)壓電陶瓷施加足夠強(qiáng)的直流電場，使晶體中極化小區(qū)（電疇）的極化方向與電場方向一致。當(dāng)外電場去掉后仍有很強(qiáng)的剩余極化，所以當(dāng)有外力作用時(shí)在垂直于極化方向的平面上則出現(xiàn)與外力成正比的電荷。壓電陶瓷不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)，只有垂直于極化方向的表面上才能產(chǎn)生電荷，如圖3所示。設(shè)極化方向?yàn)?，沿Z軸方向的作用力產(chǎn)生電荷Q3=d33F3；沿X、Y 軸方向的作用力F1和F2也在Z方向產(chǎn)生電荷，可寫為Q3=d31F1=d32F2。d的腳標(biāo)：第一位表示壓電效應(yīng)方向；第二位表示力的方向。而在X，Y 軸方向不產(chǎn)生電荷。

壓電陶瓷的逆效應(yīng)，如圖4所示。若在陶瓷片上施加一個(gè)與極化方向相同的電場E，則電場的作用將使極化強(qiáng)度增大，陶瓷內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間的距離也相應(yīng)增大，即陶瓷片將沿極化方向伸長（圖4中虛線所示）；如果外加電場方向與極化方向相反，則陶瓷片將沿極化方向縮短。這種由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。

壓電陶瓷式選針器是以壓電陶瓷材料作為轉(zhuǎn)換元件，并利用控制器發(fā)送的脈沖信號(hào)，作用于壓電元件上，靠壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使壓電元件彎曲到預(yù)先記憶的形狀進(jìn)行選針。壓電陶瓷式選針器目前廣泛應(yīng)用于針織提花大圓機(jī)上，以滿足圓機(jī)針數(shù)多，響應(yīng)速度快的要求。但是在元件的受力和防沖擊、震動(dòng)等方面稍遜色一點(diǎn)，容易發(fā)生壓電元件失去記憶情況，這是不可避免的缺點(diǎn)。

1.3 傳統(tǒng)選針原理的缺點(diǎn)

無論是電磁鐵式還是壓電陶瓷式選針，織針都要依靠三角軌道的作用實(shí)現(xiàn)各種編織動(dòng)作，其最終結(jié)果是三角軌道對(duì)織針造成沖擊摩擦、側(cè)向力，但當(dāng)織針、三角軌道本身的強(qiáng)度、耐磨性等達(dá)到極限程度時(shí)就限制了織針?biāo)俣群歪樛厕D(zhuǎn)速的提高，自然就限制了產(chǎn)量的提高。因此，必須設(shè)法擺脫織針與三角軌道的依賴與牽制關(guān)系。據(jù)此，要想進(jìn)一步提高提花大圓機(jī)的工作效率，就必須從驅(qū)動(dòng)原理上進(jìn)行改變。軸向磁懸浮式驅(qū)動(dòng)織針就是織針擺脫對(duì)三角的依賴，在懸浮狀態(tài)下按編織要求進(jìn)行編織運(yùn)動(dòng)的一種新型裝置。

利用磁懸浮物體之間存在一對(duì)斥力或者吸引力，將被懸浮物體懸浮起來的原理，結(jié)合選針原理，建立懸浮式織針模型，可實(shí)現(xiàn)織針懸浮過程中無接觸、無摩擦、無需三角軌道等。

2 新型選針原理

2.1 懸浮織針原理

懸浮式織針原理是利用磁懸浮理論與技術(shù)，將織針進(jìn)行軸向懸浮，如圖5所示。由電磁裝置產(chǎn)生電磁吸力和斥力控制織針上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過改變電磁裝置中加載電流的大小、方向、波形等參數(shù)，就可以改變織針上升的高度和運(yùn)動(dòng)的速度，加載連續(xù)的驅(qū)動(dòng)電流即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)編織，這樣就可以完成編織動(dòng)作。

圖5 磁懸浮選針模型

懸浮式選針裝置不但將傳統(tǒng)選針裝置中的選針器、三角、提花片和挺針片都融合為一體，而且不再采用三角軌道，織針的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)現(xiàn)了可編程化。用軟件編程對(duì)應(yīng)三角軌道，可實(shí)現(xiàn)各種特殊編織工藝，是一種全新的選針驅(qū)動(dòng)原理。

傳統(tǒng)的提花機(jī)采用了提花片、挺針片和織針完成編織過程，新型的提花機(jī)由于廢棄了三角軌道等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，也就是說提花片、挺針片也沒有了，即下針筒也被剔除了，取而代之的就是保留了上針筒并換上了電磁裝置。

2.2 懸浮式選針裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

懸浮式選針裝置將電子選針裝置中的選針器、三角部件、提花片、挺針片和織針融合在一起，它是利用電磁裝置產(chǎn)生的電流來直接控制織針的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過改變電磁裝置中驅(qū)動(dòng)電流的加載方式控制織針的運(yùn)動(dòng)方式。

根據(jù)懸浮式織針特點(diǎn)，選針裝置外形采用圓柱形結(jié)構(gòu)。如圖6所示，目前提花圓緯機(jī)上的織針達(dá)上千枚，為了使得如此多的織針能夠合理地分布排列，懸浮式織針的分布排列采用內(nèi)中外三圈交錯(cuò)分布形式，即織針分為三種：內(nèi)側(cè)織針、中間織針和外側(cè)織針。中間織針采用直線型，內(nèi)外側(cè)織針在頂部有一個(gè)折彎，如圖7所示，傳感器固定極片和動(dòng)極片均鍍?cè)谶x針裝置針筒的內(nèi)表面和針織的外表面。

2.3 新型選針原理的優(yōu)點(diǎn)

2.3.1 簡單化

首先是結(jié)構(gòu)的簡單化。傳統(tǒng)的提花機(jī)由各種三角及提花片、挺針片等組成，這些就構(gòu)成了上下針筒，結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜；而新型的提花機(jī)只保留了上針筒部分使得結(jié)構(gòu)極其簡單，使得整體裝置中高度部分尺寸變小了，更有利于觀察紗線的各種編織動(dòng)作。其次是傳動(dòng)配合間的簡單化：在編織過程中，傳統(tǒng)的提花機(jī)單純地依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)間的傳動(dòng)配合完成這個(gè)過程，這是一個(gè)多級(jí)傳動(dòng)的過程；而新型的提花機(jī)直接用電磁裝置控制織針的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了直接控制，配合極其簡單。

2.3.2 增強(qiáng)了控制部分

在編織過程中，傳統(tǒng)提花機(jī)依靠各種機(jī)械結(jié)構(gòu)間的配合控制織針的上下運(yùn)動(dòng)完成編織動(dòng)作，屬于純機(jī)械控制；而新型的提花機(jī)直接用電磁裝置控制織針的運(yùn)動(dòng)，這也是機(jī)電一體化的體現(xiàn)。

2.3.3 提高了效率

傳統(tǒng)的提花機(jī)各級(jí)間的傳動(dòng)浪費(fèi)能量，而且部件一旦損壞也比較難更換，而新型提花機(jī)都不用考慮這些問題。

3 結(jié)論

本文提出了一種新型的懸浮式提花大圓機(jī)選針原理，設(shè)計(jì)了一種懸浮式選針裝置，它是一種不同于傳統(tǒng)的選針裝置，其具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

［1］朱文斌，吳曉光，等.懸浮式提花織針驅(qū)動(dòng)模型的建立及結(jié)構(gòu)的研究［J］.針織工業(yè)，2011，（6）：1—4.

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