董紅坤， 賀辛亥， 鄭占陽(yáng)， 鐘 鵬， 王俊勃

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

用于三維編織可控增減紗的攜紗器設(shè)計(jì)

董紅坤， 賀辛亥， 鄭占陽(yáng)， 鐘 鵬， 王俊勃

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

為減少三維編織過(guò)程中的人工參與，提高三維編織的自動(dòng)化程度進(jìn)而提高編織效率，通過(guò)介紹三維變截面預(yù)制件現(xiàn)有的行列單元增減紗工藝和整行、整列增減紗工藝以及自身可實(shí)現(xiàn)增減紗的攜紗器設(shè)備，比較現(xiàn)有變截面編織工藝和設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了一種可利用液氮的物理特性并結(jié)合刀片的剪切作用通過(guò)無(wú)線控制來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增減紗的新型攜紗器。詳述了這種新型攜紗器各功能模塊的作用，并結(jié)合設(shè)計(jì)圖描述了其增減紗的工作過(guò)程，舉例說(shuō)明了利用這種新型攜紗器進(jìn)行的編織工藝，認(rèn)為利用這種新型攜紗器，再結(jié)合編織工藝可大幅提高變截面編織的靈活性，具有較好的應(yīng)用前景。

三維變截面編織； 增減紗技術(shù)； 液氮； 無(wú)線控制； 攜紗器

三維編織復(fù)合材料是一種具有優(yōu)良性能的新型材料，通過(guò)纖維三維空間交織形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消除了傳統(tǒng)層合復(fù)合材料易分層的缺點(diǎn)，具備高強(qiáng)度、高模量、結(jié)構(gòu)易設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。用于織造三維編織復(fù)合材料的三維編織技術(shù)可凈尺寸編織整體異形預(yù)制件,降低后續(xù)因加工而損傷材料特性,有效地保障了預(yù)制件的力學(xué)性能，因此受到航空航天、船舶、車輛等各領(lǐng)域的高度重視和青睞[3-4]。

在實(shí)際應(yīng)用中三維編織復(fù)合材料大都是截面尺寸沿軸向方向變化的異形件，如宇航員所戴頭盔中的骨架、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、飛機(jī)上的旋翼槳葉和雷達(dá)罩、導(dǎo)彈殼體防熱套等[5-6]。為保留三維編織復(fù)合材料較好的各項(xiàng)力學(xué)性能，避免使用傳統(tǒng)方法在等截面復(fù)合材料基礎(chǔ)上通過(guò)切削、打磨等后續(xù)加工對(duì)所得變截面異形件復(fù)合材料綜合性能的破壞，其整體凈形制備工藝和設(shè)備受到越來(lái)越多的關(guān)注。本文在分析變截面編織工藝及設(shè)備的基礎(chǔ)上提出了一種新型攜紗器，可通過(guò)自動(dòng)改變紗線數(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)制件的變截面編織。

1 變截面三維編織技術(shù)

變截面三維編織技術(shù)就是運(yùn)用工藝和設(shè)備上的各種技術(shù)手段，通過(guò)改變織入預(yù)制件中的紗線線密度或數(shù)量而得到變截面預(yù)制件的過(guò)程[7-8]。

1.1 變截面編織工藝

根據(jù)增紗單元或減紗單元在橫截面內(nèi)的排列形式，變截面預(yù)制件的凈形編織工藝可分為行列單元增減紗以及整列、整行增減紗幾種方法[9]，如圖1所示。

圖1 單元數(shù)量與整列減紗法原理圖Fig.1 Principle diagram of decrease in number of unit method(a)and whole column reduction method of yarn (b)

橫向單元數(shù)量減紗原理如圖1(a)所示。每行都有減紗單元1，并且每個(gè)減紗單元外側(cè)都配有移紗單元2，這樣在進(jìn)行減紗操作后就可減小織物的厚度，增紗時(shí)紗線單元運(yùn)動(dòng)與減紗時(shí)相反。整列減紗原理如圖1(b)所示。根據(jù)需要在橫截面中有對(duì)應(yīng)的減紗列1，并在相鄰?fù)鈧?cè)配有移紗列2，進(jìn)行列減紗操作后，可減小織物寬度，增紗時(shí)紗線單元運(yùn)動(dòng)與減紗時(shí)相反?？v向單元數(shù)量增減紗以及整行增減紗區(qū)別在于行、列的變換，雖然產(chǎn)生預(yù)制件橫截面的變化效果不同，但在編織本質(zhì)上是相同的。

1.2 變截面編織設(shè)備

李政寧[10]設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)攜紗器設(shè)備。該攜紗器既能獨(dú)自運(yùn)動(dòng)，也能與其他攜紗器配合實(shí)現(xiàn)整行、整列或指定數(shù)量單元的群體運(yùn)動(dòng)，并且可按要求決定進(jìn)入編織區(qū)域的攜紗器數(shù)量，進(jìn)而改變橫截面面積，該主動(dòng)攜紗器提高了編織過(guò)程的靈活度，適用于變截面預(yù)制件的織造，減少了編織過(guò)程中的人工參與，并促進(jìn)現(xiàn)有三維編織工藝的改進(jìn)，但是該攜紗器僅改進(jìn)了攜紗器的控制方法，并沒(méi)有解決單純靠編織工藝實(shí)現(xiàn)變截面編織預(yù)制件中存在的起毛、斷毛，預(yù)制件成型后期的人工參與等問(wèn)題。

賀辛亥[11]設(shè)計(jì)了一種在編織過(guò)程中自動(dòng)實(shí)現(xiàn)增減紗的新型攜紗器，為改變參與編織紗線束的數(shù)量，這種攜紗器在編織過(guò)程中使輔助紗線持續(xù)與主紗線進(jìn)行纏繞的狀態(tài)，副紗線時(shí)刻待命。需要增紗時(shí)有關(guān)裝置動(dòng)作使副紗被綁在主紗線上實(shí)現(xiàn)增加織入紗線；需要減紗時(shí)用刀片自動(dòng)割斷被綁的副紗線實(shí)現(xiàn)減少織入紗線，這樣攜紗器的數(shù)量沒(méi)有改變就完成了變截面預(yù)制件的編織。該功能攜紗器能安裝3個(gè)線圈的儲(chǔ)紗裝置，大大減少了攜紗器數(shù)量，降低了攜紗器群的控制難度，在一定程度上提高了預(yù)制件的編織效率。這種新型攜紗器也存在著不足，譬如輔助紗線在進(jìn)行編織開(kāi)始就一直在主紗線上纏繞，這樣不僅會(huì)影響紗線順利進(jìn)入預(yù)制件成型區(qū)，降低紗線體積百分率，而且對(duì)電源的續(xù)航能力也提出更高的要求。

2 新型攜紗器

采用變截面編織工藝技術(shù)進(jìn)行減紗時(shí)，沒(méi)有參與編織的紗線在預(yù)制件編織中或最后都會(huì)通過(guò)剪斷紗線實(shí)現(xiàn)整體凈成型，這樣得到的預(yù)制件易起毛、斷毛，從而會(huì)降低織物整體的力學(xué)性能。采用變截面編織設(shè)備進(jìn)行減紗時(shí)，自驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)攜紗器編織的預(yù)制件與變截面編織工藝編織出的預(yù)制件存在相似問(wèn)題。自身裝有增減紗裝置的新型攜紗器雖然解決了編織過(guò)程中需要人工參與才能完成變截面預(yù)制件的編織而造成的起毛、斷線、強(qiáng)度降低等問(wèn)題，但是卻在增紗的過(guò)程中不斷纏繞，這對(duì)輔助紗線的要求比較嚴(yán)苛，不宜適用于大型預(yù)制件的編織。針對(duì)上述不足，本文研究提出了一種能保持紗線完整性，可連續(xù)多次實(shí)現(xiàn)可控增減紗的變截面預(yù)制件編織設(shè)備新型攜紗器。

2.1 新型攜紗器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型攜紗器的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括底座1和增減紗裝置2。底座1在編織機(jī)底盤中做往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，可以是圓柱體或立方體，而立方體對(duì)中性好、方便紗筒的安裝放置等一系列優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了與底盤的接觸摩擦面積較大的缺點(diǎn)[12]，故本文研究底座選用立方體。底座1裝有主紗筒和副紗筒，主紗線和副紗線選擇性地進(jìn)入編織，可實(shí)現(xiàn)改變編織紗線的束數(shù)來(lái)改變預(yù)制件截面面積。當(dāng)攜紗器從編織區(qū)內(nèi)部往編織邊緣移動(dòng)時(shí)或從邊緣往內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，紗線的張力會(huì)發(fā)生變化，在紗線筒內(nèi)端與渦卷彈簧相連，可控制紗線張力在小范圍內(nèi)變化，從而保證預(yù)制件力學(xué)性能的一致性。

注：1—底座； 2—增減紗裝置； 3—立柱。圖2 新型攜紗器整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Whole structure diagram of new yarn carrier

增減紗裝置2通過(guò)立柱3與底座連接，其各機(jī)械裝置是基于液氮能夠使液體迅速凝固的物理特性和配合無(wú)線控制機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)紗線束數(shù)的增加和減少而設(shè)計(jì)的。其中，無(wú)線模塊可實(shí)時(shí)接收主機(jī)發(fā)出增減紗的信號(hào)，然后有序控制相關(guān)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，輔助完成紗線束數(shù)的增加或減少。無(wú)線模塊的使用避免了預(yù)制件編織過(guò)程中的人工參與，使三維編織機(jī)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化編織成為可能。紗線通過(guò)支架上的導(dǎo)紗孔進(jìn)入編織，導(dǎo)紗孔限制了紗線在垂直于紗線平面上的兩個(gè)移動(dòng)自由度，為主副紗線順利進(jìn)入固結(jié)點(diǎn)提供了保障。

2.2 增減紗裝置的設(shè)計(jì)

增減紗裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

注：1—有邊齒條； 2—不完全齒輪； 3—推動(dòng)電動(dòng)機(jī)； 4—電源及控制集成模塊； 5—偏心輪； 6—副紗線； 7—偏心輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)； 8—U形彈簧片； 9—刃指驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)； 10—夾紗器； 11—刃指； 12—刃口； 13—主紗線； 14—導(dǎo)紗孔； 15—收紗舌； 16—噴液裝置； 17—導(dǎo)流孔； 18—導(dǎo)向桿； 19—彈簧； 20—導(dǎo)液管； 21—獨(dú)輪觸發(fā)器； 22—液氮槍； 23—保溫軟管； 24—多功能滑塊； 25—凸塊； 26—橡膠墊。圖3 增減紗裝置圖Fig.3 Diagram of device for increasing or decreasing yarn

3個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均由電源及無(wú)線控制模塊4進(jìn)行供電控制，為降低重心，該模塊經(jīng)過(guò)集成后整體鑲嵌在增減紗裝置的底盤上；推動(dòng)電動(dòng)機(jī)3帶動(dòng)不完全齒輪2，由齒輪齒條的嚙合推動(dòng)多功能滑塊24移動(dòng)；多功能滑塊上配有夾紗裝置、剪紗裝置以及可供液體凝結(jié)的導(dǎo)流孔；夾紗裝置由偏心輪5和U形彈簧片8配合使用，當(dāng)需要松開(kāi)紗線時(shí)，偏心輪5旋轉(zhuǎn)到接觸點(diǎn)離軸心最遠(yuǎn)處使夾紗器10張開(kāi)，需要夾緊紗線時(shí)，偏心輪5旋轉(zhuǎn)到接觸點(diǎn)離軸心最近處，U形彈簧片提供彈力使其回復(fù)并夾緊；剪紗裝置中的刃指11下端面與收紗舌15上端面緊貼形成剪切口，并在指定位置開(kāi)刃口12，需要減紗時(shí)刃指把副紗線6帶到導(dǎo)流孔17內(nèi)并在此處將其剪斷；多功能滑塊24上的收紗舌15內(nèi)表面涂有疏水基材料，防止在固結(jié)主副紗線時(shí)液體與多功能滑塊接觸而凍結(jié)在一起，導(dǎo)致增紗不能順利進(jìn)行；噴液器16中使用的液體是水，在預(yù)制件成型后，水分揮發(fā)不影響預(yù)制件的性能，對(duì)后期的樹(shù)脂傳遞模塑成型(RTM)工藝的進(jìn)行也不會(huì)產(chǎn)生影響，這樣就大大擴(kuò)展了本新型攜紗器的使用范圍；由于液氮在常溫很難維持液態(tài)，故用保溫軟管作為輸送渠道。

2.3 多功能滑塊的設(shè)計(jì)

多功能滑塊是整個(gè)裝置的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。多功能滑塊的功能是使主副紗線在固結(jié)區(qū)2由水珠固結(jié)在一起。為固定紗線的垂直狀態(tài)而又不鎖死紗線，導(dǎo)流孔1下端設(shè)計(jì)成倒圓錐孔，上端是半徑為2 mm直孔，隨噴液孔引導(dǎo)水進(jìn)入導(dǎo)流孔接著流入固結(jié)區(qū)形成半徑約為3 mm的水珠，這時(shí)液氮從液氮孔4噴入。水珠遇到液氮時(shí)由外向內(nèi)逐漸形成冰層，而液氮孔沒(méi)有設(shè)計(jì)成通孔，目的是使液氮部分回流，這樣就避免了水珠因四周同時(shí)凍結(jié)到內(nèi)部時(shí)造成的內(nèi)應(yīng)力而使冰滴炸裂的可能，但是，不同的紗線類型和不同紗線張力用冰滴固結(jié)時(shí)所需的形成條件不同，即噴液氮及噴水的時(shí)間和用量不同，因此使用不同紗線和要形成紗線方向角時(shí)所需的不同紗線張力，其形成條件要做相應(yīng)改變，需要不斷的調(diào)試、實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化才能達(dá)到較理想的效果。

注：1—導(dǎo)流孔； 2—固結(jié)區(qū)； 3—噴液孔； 4—液氮孔。圖4 多功能滑塊圖Fig.4 Diagram of multifunctional slider

2.4 增減紗線的工作過(guò)程

本文結(jié)合圖3來(lái)說(shuō)明增減紗線的工作過(guò)程。

1)增紗。預(yù)制件截面需要增大時(shí)，主機(jī)發(fā)出增紗指令，推動(dòng)電動(dòng)機(jī)3通過(guò)不完全齒輪2有齒部分和有邊齒條1嚙合來(lái)推動(dòng)多功能滑塊24運(yùn)動(dòng),當(dāng)主紗線與初始狀態(tài)由夾紗器10夾持的副紗線6相遇時(shí)觸發(fā)噴液裝置16，相繼觸發(fā)液氮槍22，由于液氮的迅速制冷特性使液體將主副紗線固結(jié)在一起，偏心輪5旋轉(zhuǎn)，在偏心輪接觸點(diǎn)按一定規(guī)律推動(dòng)夾紗器一端，松開(kāi)副紗線使其進(jìn)入編織，不完全齒輪2脫離嚙合，由彈簧19提供回復(fù)力使多功能滑塊24迅速?gòu)?fù)位，橡膠墊26 為其減震，偏心輪5旋轉(zhuǎn)復(fù)位，夾紗器10由U形彈簧片8提供彈力閉合，這樣就完成了增紗過(guò)程。

2)減紗。預(yù)制件截面需要減小時(shí)，主機(jī)發(fā)出減紗指令，偏心輪5旋轉(zhuǎn)打開(kāi)夾紗器10，推動(dòng)組件中推動(dòng)電動(dòng)機(jī)3通過(guò)不完全齒輪2有齒部分和有邊齒條1嚙合來(lái)推動(dòng)多功能滑塊24運(yùn)動(dòng),當(dāng)主紗線與副紗線再次相遇時(shí)觸發(fā)噴液裝置，相繼觸發(fā)液氮槍，由于液氮的迅速制冷特性使液體將主副紗線固結(jié)在一起，不完全齒輪2退出嚙合區(qū)，彈簧19彈力使多功能滑塊迅速?gòu)?fù)位，橡膠墊26為其減震，刃指11旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)副紗線進(jìn)入導(dǎo)流孔17時(shí)偏心輪5旋轉(zhuǎn)復(fù)位，U形彈簧片8的彈力使夾紗器夾持紗線，刃口12在此處剪斷副紗線，刃指旋轉(zhuǎn)復(fù)位，就完成了減紗過(guò)程。

2.5 新型攜紗器的編織工藝

由于該新型攜紗器是基于傳統(tǒng)三維編織機(jī)用攜紗器設(shè)計(jì)的，因此適用于利用四步法和兩步法編織立體織物。以下繼續(xù)以橫截面為矩形的立體編織物的變截面編織為例。圖5示出四步法編織的4×8織物的矩形截面。該新型攜紗器攜帶的紗線可根據(jù)需要靈活地單獨(dú)實(shí)現(xiàn)增減紗，因此在織物需要變截面時(shí)只需按規(guī)律對(duì)已經(jīng)編號(hào)的部分紗線或所有的攜紗器發(fā)出增減紗信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)織物漸變橫截面或突變橫截面的編織。圖中內(nèi)部紗線構(gòu)成了在 2個(gè)相互垂直方向上的許多紗線層，無(wú)量綱化的編織物邊長(zhǎng)Wk為編織物邊長(zhǎng)除以紗線直徑d[8]，可看出Wk為

式中k為編織物某邊上主體部分的紗線根數(shù)。由上式可知，當(dāng)編織物邊長(zhǎng)很大時(shí)，編織紗線根數(shù)增大1倍，編織物整體尺寸也會(huì)相應(yīng)約增大1倍，因此織物的邊長(zhǎng)尺寸可在Wk～2Wk之間變化。

圖5 四步法(4×8)的外形和尺寸Fig.5 Boundary dimension of four-step approach(4×8)

圖6示出4×8織物進(jìn)行編織時(shí)的立體圖。編織開(kāi)始時(shí)紗線按照織物橫截面的紗線排列固定，且每個(gè)攜紗器引出2根紗線。當(dāng)編織漸變橫截面織物(如圖6(a)所示)時(shí)，編織A部分織物過(guò)程中控制已編號(hào)的部分?jǐn)y紗器依次減紗，編織B部分織物過(guò)程中通過(guò)控制攜紗器，使得紗線依次增加。當(dāng)編織突變橫截面織物(如圖6(b)所示)時(shí)，編織A—C部分控制所有攜紗器同時(shí)減紗，根據(jù)設(shè)計(jì)編織一定距離后控制所有攜紗器同時(shí)增紗，就能獲得突變截面織物。在此只列舉了編織物從2倍最小尺寸開(kāi)始編織的例子，根據(jù)需要在編織伊始可選擇1～2倍最小尺寸的紗線根數(shù)進(jìn)行固定，隨后需要增減紗時(shí)對(duì)攜紗器的控制與上述類似。增減紗時(shí)攜紗器中各零件的工作原理如2.4中所述。

圖6 4×8立體織物進(jìn)行編織時(shí)的立體圖Fig.6 Three-dimensional garment knitting of 4×8.(a)Fabric of gradient in cross section; (b) Fabric of mutations in cross section

在立體織物整體編織過(guò)程中要不斷地從編織機(jī)底部向上吹冷風(fēng)，可減緩冰珠的融化，保證輔助紗線順利進(jìn)入織物完成編織。冷風(fēng)量視織物尺寸而定。由于每次增減紗過(guò)程中都會(huì)引入冰珠，但冰珠融化后的水量相對(duì)織物的含紗量較小，能滿足織物紗線回潮率的要求，再加上空氣流動(dòng)也有助于水分的蒸發(fā)，因此避免了融化后的水對(duì)設(shè)備造成影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于變截面紗線編織原理提出一種新型攜紗器，為變截面編織提供了一種新的方法。液氮與水的配合使用不僅使得變截面預(yù)制件實(shí)現(xiàn)了清潔編織，避免了后續(xù)加工時(shí)降低預(yù)制件的力學(xué)性能，而且增減紗實(shí)時(shí)使用的靈活性在大型復(fù)雜預(yù)制件的編織中更加實(shí)用。該新型攜紗器的使用一方面可實(shí)現(xiàn)變截面編織時(shí)不會(huì)引入雜質(zhì)，預(yù)制件在進(jìn)行后期處理成型后保持了預(yù)制件的整體力學(xué)性能；另一方面可通過(guò)無(wú)線接受主機(jī)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)多次的增減紗動(dòng)作，避免了變截面編織過(guò)程中的人工參與或特意改變某些攜紗器的運(yùn)動(dòng)軌跡，會(huì)顯著提高編織效率，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

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Design of yarn carrier with controllable yarn number used in 3-D braiding

DONG Hongkun, HE Xinhai, ZHENG Zhanyang, ZHONG Peng, WANG Junbo

(CollegeofMechanical&ElectricalEngineering,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China)

This paper introduced the existed technology of ranks unit increase or decrease yarn and the entire line or the whole column increase or decrease yarn and the machine equipment which can realize increasing or decreasing yarn in the 3-D variable cross-section prediction braiding for reducing the three-dimensional braiding human involvement in the process, improving the degree of automation and the three-dimensional woven weave efficiency. The advantages and disadvantages were compared in existing variable cross-section weaving technology and equipment. This paper put forward a new yarn carrier which can automatically achieve increasing or decreasing yarn using the physical property of liquid nitrogen and combining with the blade shearing action through wireless control. This paper described the function of various functional modules and the working process of increasing or decreasing yarn combined with the design drawing and illustrated the use of the new type carrier for weaving process. In addition, it pointed out that the application of this new type yarn carrier and the weaving process could greatly improve the flexibility of variable cross-section weaving which has broad application prospects.

3-D variable cross-section braiding; yarn increase or decrease technology; liquid nitrogen; wireless control; yarn carrier

10.13475/j.fzxb.20150203005

2015-02-16

2015-07-12

陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013K07-20); 陜西省產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心科研資助項(xiàng)目(2015ZX-02)；中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)項(xiàng)目(2015116)；西安工程大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BS1302)

董紅坤(1988—)，男，碩士生。研究方向?yàn)槿S織物設(shè)備設(shè)計(jì)與研發(fā)。賀辛亥，通信作者，E-mail：hexinhai@xpu.edu.cn。

TS 103

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