王 瑤，王益軒，劉 育，姚 超，劉婷婷

(西安工程大學 機電工程學院，西安 710048)

新型三維筒狀織物設計與織機開發(fā)

王 瑤，王益軒，劉 育，姚 超，劉婷婷

(西安工程大學 機電工程學院，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體質(zhì)量的問題，設計一種新型三維筒狀織物，分析其結構并對織造這種織物的三維圓織機進行了總體設計，詳細介紹織機主要組成機構、織造原理和主要技術特征，以及其優(yōu)點和不足。指出：采用無交織三維結構固結緯紗法織造三維筒狀織物，織物致密且?guī)缀尉雀摺①|(zhì)量好，穩(wěn)定性好；并在此設計與織造原理基礎上，可進一步研制其它纖維和構造的三維織物。

三維筒狀織物；三維圓織機；無交織；Noobing織造法；固結緯紗法；打緊；打結

0 引言

采用樹脂基高強度纖維(如碳纖維、芳綸等)制成的三維筒狀結構件具有質(zhì)量輕、比剛度與比強度高、耐疲勞性優(yōu)異、耐腐蝕性好等特點，可用于制作各種結構支架、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、化學化工、航空航天、生物化工、土木建筑、體育文娛等多個領域有廣泛的應用前景[1-2]；因此，三維筒狀復合材料作為三維機織復合材料的子類，在工程應用中有舉足輕重的地位。

由于三維結構的筒狀預成型件有非常大的需求，因此三維筒狀織物織造技術的研發(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[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體質(zhì)量。事實上，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。現(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，最終導致織物厚度不均勻，且有改變紗線層直徑的傾向，導致纖維的滑動和位移，從而影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。為彌補不足，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 三維筒狀織物的結構設計

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纖維過量磨損引起復合材料性能的下降，筆者設計的筒狀織物，采用無交織的三維正交結構，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構的三維織物。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)二維織機的開口運動?？椢镏腥齻€方向的紗線相互正交而不交織，只在厚度方向上由接結紗束縛，通過兩個相互垂直方向的接結紗與最外端的紗交聯(lián)保證織物結構的完整性；但接結紗與內(nèi)部軸向紗之間不交聯(lián)。

筆者設計的三維筒狀織物采用正交組織結構。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紗，而沿織物寬度方向的為緯紗?？椢镏械亟?jīng)為主要的增強紗線，緯紗和接結紗呈接結狀態(tài)[6]。織物的三組紗線呈正交結構配置，組成一個整體，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，織物是通過構造適當形狀的初始框架制造各種形狀的預成型件，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，是其厚度方向上有用于連接和增強的固結紗，固結紗可以是經(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)機構也應不同；采用緯紗作固結紗，可與普通緯紗一樣采用引緯器引緯，極大地簡化了設備結構；故該圓織機采用了固結緯紗織造法。

如圖4所示，筆者設計的織物由三組紗線構成。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 三維圓織機的結構及織造原理

2.1 結構及工作原理

設計的三維圓織機如圖5a)所示,主要由4部分組成：固定機架結構系統(tǒng)，安裝在機架固定位置的徑向打結裝置以及在機架上可轉動的旋轉裝置和打緊裝置。

其中,機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。

徑向打結裝置主要由電機、減速器以及一套曲柄連桿機構組成。電機通過減速器、軸以及圓錐齒輪將動力傳動到曲柄連桿機構，使舌針在固定的織造位置做徑向往復運動。

旋轉裝置主要由上下?lián)醢濉⒅鬏S、中間板、環(huán)形零件以及支撐中間板的環(huán)形零件構成；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，裝有減速器的電機通過齒形帶帶動花鍵軸旋轉，安裝在花鍵軸上的小齒輪和上、下?lián)醢鍑Ш希瑤訐醢逍D；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，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；支撐中間板的環(huán)形零件由不可旋轉的環(huán)形零件通過推力軸承支撐；不可旋轉的環(huán)形零件的三個外臂上各有一個穿孔和絲杠嚙合，絲杠由電機、減速器和軸通過齒輪和鏈條傳動，在底座和環(huán)形零件中旋轉；不可旋轉的環(huán)形零件的外臂上裝有滑輪，以指引不可旋轉的環(huán)形零件沿著支柱滑動。

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；在扣片之上的壓板與環(huán)形零件為一個整體。

2.2 織造工藝過程

此織機通過三組紗線進行三維織造，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；隨著電機的啟動，旋轉裝置以恒定的速度繞主軸轉動。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，舌針通過緯編成圈法把徑向紗打結為封閉的鏈式環(huán)，圍住軸向紗構成徑向螺旋紗線層，此紗線層位于軸向紗和連續(xù)落下的周向紗線層之間；當螺旋紗線層形成織物時，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動，最終獲得特別密集的織物，其結構緊湊，外壁具有一定的剛性和精確的幾何尺寸。

2.3 旋轉裝置

在織機的頂部和底部各有一個同等大小的擋板，此擋板與所織的三維圓筒織物(預成型件或增強體)同軸，且可以繞著主軸在電機的驅動下旋轉；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成型件或增強體的半徑一致。中間擋板由整體的雙板構成，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體半徑一致，先織增強體底部，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外還可以水平向下移動；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；每次絲杠旋轉固定的角度，雙板就下降一層。

2.4 打緊裝置

在機架的織造平面有一個環(huán)形零件(見圖5b)),環(huán)形零件可繞主軸轉動，并和旋轉裝置同步旋轉，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成的通道內(nèi)，并在軸向紗和徑向紗間往復移動。此環(huán)形零件還設置有一個缺口，供扣片在此位置做暫時性的縮回上舉運動，以打緊新織好的織物層。

在織造時，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，靠在第一層紗線上并將其向下壓(與此同時，新織好的第二層紗線會覆蓋在扣片上)，當在缺口區(qū)域遇到一組固定的凸輪裝置時，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，以與雙層板配合，使紗線層向下運動。如此反復，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)形零件上還設置有一個水平固定的壓板，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 打結裝置

在壓板的固定位置有一套徑向打結裝置，此裝置由一套曲柄滑塊機構構成?；瑝K上連接有舌針，可在軸向紗形成的徑向通道內(nèi)做往復運動；當織物隨旋轉裝置旋轉時，周向紗通過導管被鋪放成一個環(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；鏈結捆綁住軸向紗，倚靠在指狀扣片上?？筛鶕?jù)需要調(diào)節(jié)舌針的運動，以產(chǎn)生松緊度合適的鏈結，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的特點

3.1 優(yōu)點

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，使機織物能達到手工編織物的致密程度，兩種編織品對比見圖6。

b) 織物結構簡單，增強纖維交織少，織造過程中磨損少，將提升最終形成織物的復合材料性能。

c) 織物結構整體性較好，后期機加工少，保證了纖維完整性,提升了最終復合材料的力學性能。

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

e) 織機結構簡單，無復雜控制系統(tǒng)，可靠性強，操作、保養(yǎng)、維修方便，成本低廉。

3.2 不足

a) 織造前須手動夾緊軸向紗，無法實現(xiàn)全自動生產(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，增強體高度有限，否則不能產(chǎn)生穩(wěn)定打緊力。

4 結語

采用無交織三維結構的三維筒狀織物，設計合理，采用固結緯紗織造法工藝，所得織物結構致密，幾何形狀和質(zhì)量有保證，具有良好的穩(wěn)定性。同時，對織造這種織物的織機進行總體設計，為以后織造高技術纖維，如玻璃纖維、陶瓷纖維等筒狀織物的設計與制作進行了有益的探索。在此基礎上，可進一步研制不同的織物如多軸圓筒狀織物、圓錐狀織物等，以滿足更多應用領域的使用要求。

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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，主要從事計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助制造(CAM)方面的研究。

TS103.33+7

A

1001-9634(2016)06-0005-05