丁作偉，于偉東

(東華大學 a. 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室；b. 紡織學院，上海201620)

小口徑管狀織物的成形及其抽拔順滑性的表征

丁作偉a, b，于偉東a, b

(東華大學 a. 紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室；b. 紡織學院，上海201620)

依據(jù)機織管狀織物的織造原理，以Kevlar長絲為原料，以平紋組織為基礎(chǔ)組織，在特制梭子的自動小樣織機上分別織造出管徑為16、 20和24 mm的3種小口徑管狀織物. 運用自主研制的管狀織物抽拔順滑性測量裝置對所織造的管狀織物進行抽拔順滑性測試，從所獲得的3種小口徑管狀織物的抽拔力-時間(Fp-t)曲線得知整個抽拔過程中管狀織物的受力呈現(xiàn)先增后減的趨勢，且最終趨近一個非零的定值. 在測試的初始階段及中間過程中，管徑越小的管狀織物所受的抽拔力越大；在測試結(jié)束前一段時間，管徑越小的管狀織物所受的抽拔力也越小. 由管狀織物的抽拔力及斷裂強力計算出的管狀織物抽拔順滑度，表明管狀織物的管徑越大則其抽拔順滑性越好.

小口徑管狀織物； 成形； 抽拔順滑性； 表征

作為一種無脫散和無縫合的一次成型圓筒狀織物，其常被用作工業(yè)用圓管的包覆或內(nèi)襯部件. 由于管狀織物對所包覆的圓管具有很好的適配性，包覆完整，以及實施后不易變形和受外力不易損壞的特點，使其在化學化工、能源輸送、航空航天、生物醫(yī)用等眾多領(lǐng)域顯示出較好的應用前景.

近年來，國內(nèi)外針對小口徑管狀織物的專利及研究時有報道，主要集中在高性能織物的織造、在生物醫(yī)用方面的性能評定以及在管道修復方面的使用等. 文獻[1-2]制備了一種高強細徑超薄的管狀織物，并在此基礎(chǔ)上進行改進，制備出了一種徑向彈性收縮的管狀織物，其具有細徑和縱向無彈力、徑向彈力大的特點，以及良好的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性，為特殊條件下管狀織物的使用奠定了基礎(chǔ). 賈麗霞等[3]研究了一種小口徑紡織基人造血管的設計方法. 王璐等[4]從材料選擇、管狀織物結(jié)構(gòu)設計和生物性能測試等方面研究了用于人造血管的管狀織物特性. 管曉寧等[5]對比了2種機織覆膜結(jié)構(gòu)的人工血管疲勞性，并對疲勞后的試樣進行了非破壞性和破壞性測試，研究發(fā)現(xiàn)盡管管狀織物的覆膜結(jié)構(gòu)為平紋組織比3/1斜紋組織更容易產(chǎn)生疲勞破損，但前者結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定. 凌凱等[6]在傳統(tǒng)拉伸測試儀的基礎(chǔ)上，研制了一種針對管狀織物軸向拉伸的圓柱狀夾持裝置，該裝置使管狀織物中的紗線在拉伸斷裂時保持較好的一致性，能更好地反映管狀織物的拉伸斷裂性能. GLOY等[7]對管狀織物進行了靜態(tài)拉伸試驗，評估了膝交叉韌帶的應力-應變特性. ZHAO等[8]對12個不同規(guī)格的管狀織物進行加速疲勞測試，采用數(shù)量化理論研究發(fā)現(xiàn)，織物的組織結(jié)構(gòu)對疲勞性能有較大影響.

管狀織物以紡織復合材料的形式被用作內(nèi)襯管來修復受損管道也多有研究，張淑潔等[9-11]利用有限元方法對管狀紡織復合材料翻襯時的應力和應變情況進行分析，對比理論結(jié)果與試驗值，發(fā)現(xiàn)管狀紡織復合材料在翻轉(zhuǎn)頭端最容易發(fā)生破裂. 王瑞等[12]采用SPSS分析方法對管狀復合材料熱縮性進行分析，建立了反映熱縮時間、熱縮溫度和縮率之間的數(shù)學模型，通過管狀紡織復合材料管徑設計原理的分析，認為彈性和熱縮性是影響管徑設計的關(guān)鍵因素.

目前，對外套于圓管且進行回折抽拔過程的管狀機織物研究鮮有報道. 徐永紅等[13]建立了管狀機織物三維模型，運用有限元分析方法對管狀機織物在圓管上進行抽拔過程中的應力-應變情況進行了動態(tài)模擬與計算，表征了管狀織物套接于圓管上的回折抽拔力學行為，繪制出了管狀機織物在整個抽拔過程中的應力-應變分布曲線及最大值點的發(fā)生位置，認為管狀機織物長度的增加會導致受力的增加，并會產(chǎn)生抽拔自鎖現(xiàn)象.

上述研究重點關(guān)注了材料選用對管狀織物性能的影響，并且僅針對管狀織物在特定領(lǐng)域的使用進行了相應性能的分析與評價，對管狀織物最易遭受的回折彎曲、抽拔翻轉(zhuǎn)等行為研究較少，而研究這些行為對分析管狀織物沿細長圓管內(nèi)外壁的受力意義重大，且該研究對空間技術(shù)、地質(zhì)考察和考古發(fā)現(xiàn)中的采樣柔性管設計具有重要參考價值. 為此，本文設計了3種不同直徑的小口徑管狀織物，運用自主研制的管狀織物抽拔順滑性測量裝置對所織造的管狀織物進行回折抽拔性能測試，對管狀織物從套接于圓管外壁到被回折抽拔拉入圓管內(nèi)部過程中的抽拔力學行為進行表征.

1 試 驗

1.1 試驗材料

本文采用美國杜邦公司生產(chǎn)的Kevlar長絲作為原料進行織造，其基本性能參數(shù)如表1所示.

表1 Kevlar長絲基本性能參數(shù)Table 1 Parameters of basic performance of Kevlar filament

1.2 管狀織物組織設計

本設計中，管狀織物的表、里組織均采用平紋組織作為基礎(chǔ)組織，且表經(jīng)和里經(jīng)的排列比與表緯和里緯的投緯比均為1∶1；采用順穿的穿綜方法；穿筘時，同一組的表經(jīng)和里經(jīng)穿入同一筘齒內(nèi). 織表層時，從右到左投第一緯[14].

管狀織物總經(jīng)根數(shù)的計算公式如式(1)所示.

Mj=πd·Pj

(1)

式中：Mj為總經(jīng)根數(shù)；d為管狀織物直徑；Pj為管狀織物單層經(jīng)密.

修正公式如式(2)所示.

Mj=Rj·Z+Sw

(2)

式中：Rj為基礎(chǔ)組織的組織循環(huán)經(jīng)紗數(shù)；Z為基礎(chǔ)組織的循環(huán)個數(shù)；Sw為基礎(chǔ)組織的緯向飛數(shù).

每筘穿入經(jīng)紗根數(shù)為2根，單層經(jīng)密Pj為200根/10 cm，公制筘號為90 筘/10 cm，所設計的3種小口徑管狀織物的直徑及總經(jīng)根數(shù)如表2所示.

表2 3種小口徑管狀織物的直徑及總經(jīng)根數(shù)Table 2 Diameters and total warp ends of the three MCTFs

管狀織物的組織設計圖(表里組織圖、織物的穿綜、穿筘和組織圖)如圖1所示.為織造出直徑符合要求的管狀織物，且保證管狀織物兩邊折幅處的經(jīng)密與布身均勻一致，織造開始前，分別在兩側(cè)綜絲兩側(cè)(后綜)內(nèi)單獨穿入一根高強高模聚乙烯長絲作為特線，并單獨穿入一個筘齒內(nèi). 織造過程中，織上層投表緯時特線隨著里經(jīng)一起下沉；織下層投里緯時特線隨著表徑一起提升. 整個織造過程中，特線夾在表里層中間，不與織物交織，下機后，將特線從中抽出.

圖1 管狀織物組織設計圖Fig.1 Weave design diagram of tubular fabric

1.3 特制梭子及運動原理

為避免在織造過程中傳統(tǒng)梭子(如圖2所示)易產(chǎn)生的過大開口對經(jīng)紗張力造成影響，本文在兼顧緯紗張力調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，專門設計了一款織造管狀織物用的梭子，如圖3所示.

圖2 傳統(tǒng)梭子Fig. 2 Traditional shuttle

(a) 設計圖

(b) 實物圖 圖3 織造管狀織物用的梭子Fig. 3 Special shuttle for weaving tubular fabric

本試驗所使用的織機為ASL2100/2300型自動織樣機，如圖4所示. 織造開始前，在自動織樣機的控制面板上進行參數(shù)設置，設定緯紗不絞邊，保證整根緯紗在兩邊折幅處為連接狀態(tài). 織造管狀織物的投梭過程示意圖如圖5所示. 織造開始后，經(jīng)氣動加壓，投梭桿從投梭口處打出，攜帶與之卡緊的梭子，穿過梭口與對面的卡槽卡緊，然后投梭桿與梭子脫離并穿過梭口回撤至投梭口內(nèi)，完成一次引緯動作，該過程如圖5(a)所示. 下一次梭口形成后，投梭桿從投梭口打出，穿過梭口與對面的梭子卡緊，此時卡槽將梭子釋放，梭子與投梭口打出的投梭桿卡緊，投梭桿攜帶梭子回撤進入到投梭口內(nèi)，完成第二次引緯動作，如圖5(b)所示. 依次重復上述過程，從而完成整個引緯過程和織造工序.

圖4 ASL2100/2300型自動織樣機Fig.4 ASL2100/2300 automatic weaving machine

(a) 第一次引緯

2 管狀織物套接于圓管壁上的抽拔順滑性分析

2.1 抽拔過程所用儀器及抽拔機理

為便于研究管狀織物套接于圓管壁上的抽拔順滑性，本課題組專門研制了一臺管狀織物抽拔順滑儀[15-17]，如圖6所示. 整個裝置以鋁合金型材作為支撐架，主要包括拉力感應系統(tǒng)和鉆進取樣機構(gòu). 其中，拉力感應系統(tǒng)由數(shù)顯推拉力計、信號輸出線和抽拔力-時間(Fp-t)曲線輸出端構(gòu)成；鉆進取樣機構(gòu)由調(diào)速電機、空心鉆頭、中空螺旋鉆桿、圓管、圓管固定平臺、升降板、固定板、平衡重錘、4根導軌、柔性拉繩和管狀織物等構(gòu)成.

鉆進取樣機構(gòu)運動前，即空心鉆頭與土壤顆粒物接觸但未鉆進時，管狀織物的一端套接于圓管外壁上. 為盡量降低管狀織物與圓管之間的摩擦作用，減小管狀織物的內(nèi)翻力，管狀織物初始狀態(tài)設為波紋式褶皺折疊態(tài). 管狀織物另一端內(nèi)翻至圓管內(nèi)部的頭端拐角處，由夾緊裝置夾持. 柔性拉繩一端與夾緊裝置連接從而牽引管狀織物，另一端與推拉力計相連，推拉力計上的信號輸出線與電腦連接，以便輸出抽拔力-時間(Fp-t)曲線. 套接管狀織物的圓管固定于圓管固定平臺上，并套于具有外螺旋結(jié)構(gòu)且內(nèi)壁光滑的中空螺旋鉆桿內(nèi). 鉆進取樣過程如圖7所示. 鉆進取樣開始后，中空螺旋鉆桿以恒定速率螺旋向下給進，位于內(nèi)部的圓管隨著升降板的運動同步垂直向下給進，但由于有導軌的牽引套接管狀織物的圓管不參與螺旋運動. 假定該過程中柔性拉繩的長度及狀態(tài)始終保持不變，套接于圓管外壁的管狀織物在柔性拉繩的牽引作用下逐漸由波紋式褶皺折疊態(tài)恢復至展平態(tài)，并最終被抽拔內(nèi)翻至圓管內(nèi)部，同步包覆空心鉆頭鉆取的土壤顆粒物，完成回折抽拔及樣品包覆過程.

2.2 管狀織物所受的抽拔力-時間(Fp-t)曲線

按照上述鉆進取樣過程，在該抽拔順滑儀上對3種不同直徑的小口徑管狀織物進行測試，獲得管狀織物從套接于圓管外壁到被回折抽拔拉入圓管內(nèi)部的過程中所受的抽拔力變化，從而繪制出3種不同直徑的小口徑管狀織物的抽拔力-時間(Fp-t)曲線，如圖8所示.

(a) 第一次引緯 (b) 第二次引緯 圖6 管狀織物抽拔順滑儀Fig.6 Device for measuring pull-out smoothness of tubular fabric

圖7 鉆進取樣過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the process of drilling & sampling

圖8 3種小口徑管狀織物的抽拔力-時間(Fp-t)曲線圖Fig.8 Pull-out force-time curves of the three MCTFs

從圖8可以看出，實測的3條曲線均呈現(xiàn)較大的波動性，在鉆進的前5 s時間內(nèi)，管狀織物所受的抽拔力迅速上升. 3者整體受力均呈現(xiàn)先增后減的趨勢，并最終逼近一個不為0 N的定值. 在鉆進的初始過程中，管徑越小其所受的抽拔力越大；在臨近鉆進結(jié)束時，管徑越小其所受的抽拔力越小.

由于管狀織物與圓管壁之間的相互作用，實則為在切向外力的作用下管狀織物中的長絲與所貼附的圓管壁之間產(chǎn)生的相互擠壓與摩擦，因此，當管狀織物中的長絲與所貼附的圓管壁接觸面積越大和接觸面靠得越近時，所產(chǎn)生的相互作用越劇烈，所受的抽拔力也越大[18]. 對于不同管徑的管狀織物，管徑越小，與圓管壁之間的接觸面靠得越近，其所受的抽拔力相對越大. 而當鉆進取樣過程結(jié)束后，管狀織物與圓管之間的作用力，更多的是管狀織物所包覆的樣品與圓管內(nèi)壁之間的擠壓力作用，而對于管徑較大的管狀織物，該擠壓力會更大，其所受的抽拔力相對越大.

2.3 抽拔順滑度的計算及抽拔順滑度-時間(Sp-t)曲線

為便于表征管狀織物從套接于圓管壁到被回折抽拔進入圓管內(nèi)部的順滑程度，引入一個無量綱的物理量(抽拔順滑度)進行表征，抽拔順滑度的計算如式(3)所示.

(3)

式中：Sp為抽拔順滑度；Fp為抽拔力；Fb為管狀織物的斷裂強力.抽拔順滑度的取值范圍為Sp∈(0, 1)，該值越大表明管狀織物與圓管壁的作用越小，即抽拔順滑性越好.

由式(3)計算可得3種不同直徑的小口徑管狀織物沿圓管壁的抽拔順滑度-時間(Sp-t)曲線，如圖9所示.

圖9 3種小口徑管狀織物沿圓管壁的抽拔順滑度-時間(Sp-t)曲線圖Fig.9 Smoothness-time curves of the three MCTFS along the wall of round pipe

從圖9中可以看出，3種不同直徑的小口徑管狀織物的抽拔順滑度均呈現(xiàn)先減后增的趨勢，整個過程中3者的抽拔順滑度均高于0.90，可表明管狀織物抽拔順滑性良好. 從3條曲線比較來看，管狀織物直徑越大，其整體抽拔順滑度越高. 因此，為避免遭受較大的抽拔力，且保證有較好的抽拔順滑度，所織造的小口徑管狀織物的直徑越大越好. 在實際應用過程中，尤其在空間技術(shù)、地質(zhì)考察、考古發(fā)現(xiàn)中作為柔性采樣袋收集小塊狀固體巖、土樣時，應適當設計大口徑的管狀織物，使其既能保證低能耗又能保證較好的抽拔順滑性，從而滿足鉆探取樣要求.

3 結(jié) 語

與傳統(tǒng)梭子織造相比，采用特制梭子織造出的小口徑管狀織物具有更加良好的幾何結(jié)構(gòu)，整個圓周的經(jīng)密均勻一致，無明顯織疵. 通過對管狀織物進行抽拔順滑性測試可得知，管狀織物從套接于圓管外壁到被回折抽拔拉入圓管內(nèi)壁的過程中，其受力呈現(xiàn)較大的波動性，且在最初的5 s內(nèi)抽拔力迅速上升，在整個過程中呈現(xiàn)先增后減的趨勢，最終逼近一個不為0 N的定值. 在測試的初始階段及測試過程中，管徑越小管狀織物所受的抽拔力越大；臨近測試結(jié)束時，管徑越小管狀織物所受的抽拔力也越小.

[1] 黃玉東,李艷偉,劉麗,等.一種高強細徑超薄管狀織物的制備方法:102767028 A[P]. 2012-11-07.

[2] 黃玉東,李艷偉,劉麗,等.一種具有徑向彈力收縮管狀織物的制備方法:102776649 A[P]. 2012-11-14.

[3] 賈立霞,王璐,凌凱.小直徑紡織基人造血管的工程設計[J].東華大學學報(自然科學版),2004,30(2):125-129.

[4] 王璐,丁辛,DURAND B.人造血管的生物力學性能表征[J].紡織學報,2003,24(1): 7-9.

[5] 管曉寧,林婧,王璐,等.兩種機織覆膜結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)隔絕術(shù)用人工血管疲勞性能的比較[J].東華大學學報(自然科學版), 2014, 40(6): 681-686.

[6] 凌凱,王璐,賈立霞.人造血管軸向拉伸性能測試裝置的實驗研究[J].上海生物醫(yī)學工程,2004, 25(1): 29-31.

[7] GLOY YVES-SIMON, LOEHRER M, LANG B, et al. Tubular woven narrow fabrics for replacement of cruciate ligaments[J]. Ann. Biomed. Eng., 2013, 41(9): 1950-1956.

[8] ZHAO H J, WANG L, LI Y L, et al. The mathematical model for evaluating fatigue resistance of SG tubular fabric: Relationship between textile parameters and fatigue performance[J]. J. Biomater. Appl., 2010, 24(7): 579-590.

[9] 張淑潔,王瑞,高艷章,等.用于管道翻襯修復技術(shù)中的管狀紡織復合材料研究[J].天津工業(yè)大學學報,2007, 26(3): 17-20.

[10] 張淑潔,王瑞,徐磊,等.管狀紡織復合材料力學性能的有限元分析[J].紡織學報,2008, 29(5): 51-54.

[11] 張淑潔,王瑞,徐磊.管道修復用管狀紡織復合材料的力學性能分析[J].復合材料學報,2009, 26(5): 178-185.

[12] 王瑞,張淑潔,張麗.管道修復用管狀紡織復合材料的管徑設計[J].復合材料學報,2010, 27(3): 196-199.

[13] 徐永紅,于偉東,鄭永紅,等.外套管狀機織物抽拔過程的動態(tài)數(shù)值模擬[J].紡織科技進展,2014, 36(2): 21-27.

[14] 沈蘭萍.織物組織與設計[M].北京:化學工業(yè)出版社,2014:121-122.

[15] 于偉東,丁作偉,杜趙群,等.一種下拉式的管狀織物抽拔順滑性測量裝置及方法:105675485 A[P]. 2016-06-15.

[16] 于偉東,丁作偉,劉洪玲,等.一種頂入式的管狀織物抽拔順滑性測量裝置及方法:105606528 A[P]. 2016-05-25.

[17] 于偉東,丁作偉,劉洪玲,等.一種包覆樣品用的管狀織物抽拔順滑性測量裝置及方法: 105547995 A[P].2016-05-04.

[18] 于偉東,儲才元.紡織物理[M].上海:東華大學出版社,2009:256-257.

FormationandCharacterizationofPull-OutSmoothnessofMinor-CaliberTubularFabrics(MCTFs)

DINGZuoweia, b,YUWeidonga, b

(a. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education; b. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Three minor-caliber tubular fabrics (MCTFs) with a diameter of 16, 20, and 24 mm were fabricated with plain weave as the basic fabric weave and Kevlar as raw material on an automatic sample loom with special shuttles based on the preparing fundamental of tubular woven fabric. A self-designed device was used to test the pull-out smoothness of tubular fabrics. Results indicated that the stresses presented a rising tendency in the initial stage while a decreasing trend next, and finally tended towards a constant non-zero force value. As expected, during the initial stage and the testing process, it showed that the lower the diameter of tubular fabric, the lager its bearable stress. However, the trend was reversed at a period before the testing was over. The pull-out smoothness was obtained from the pull-out force and breaking strength, it showed that the bigger the diameter of tubular fabric, the better the pull-out smoothness.

minor-caliber tubular fabrics; formation; pull-out smoothness; characterization

1671-0444(2017)05-0639-06

2017-06-01

丁作偉(1986—)，男，山東臨沂人，博士研究生，研究方向為管狀織物的成形及其回折抽拔行為的表征. E-mail: 1132005@mail.dhu.edu.cn

于偉東(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail: wdyu@dhu.edu.cn

TS 105.3

A

(責任編輯：楊靜)