李 莎，趙 巖，左召光，高 祿，李大川，劉 皓

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 智能可穿戴電子紡織品研究所，天津 300387；4.天津工業(yè)大學(xué) 先進紡織復(fù)合材料教育部料重點實驗室，天津 300387）

織物的表面摩擦性能是織物手感評價中重要的力學(xué)特征之一[1-2]。人們對紡織品面料手感的日益重視，認識和測量織物的表面摩擦性能，尤其是定量化的表征顯得更加重要[3]。目前國內(nèi)外對織物表面摩擦性能測量儀器的研究中[4-5]，日本的KES-FB4 織物風(fēng)格儀可以分別測試織物的表面摩擦因數(shù)和表面粗糙度，綜合表征織物的表面摩擦性能。國內(nèi)的YG821L 型織物風(fēng)格儀[6-9]，可以測試織物的表面摩擦因數(shù)，僅以此評價織物的表面摩擦性能。東華大學(xué)研制的圓盤法織物表面性能測試儀[10]，可以測試織物表面的摩擦因數(shù)，并通過小波分析[11]摩擦因數(shù)曲線的方法，反映織物的粗糙度的變化，進而綜合表征織物的表面性能。目前現(xiàn)有的織物表面摩擦性能測量儀器價格昂貴[12-13]、不能實時反映正壓力的變化[14]而導(dǎo)致測試精度不高、直線往復(fù)式的測量方式在反映織物的各向異性特征[15-16]方面存在局限性、測試步驟繁瑣。因此，測量儀器存在的問題亟待解決。

針對以往研究中存在的問題，本文提出了一種可以實時動態(tài)測量摩擦頭處正壓力變化的織物表面摩擦性能測量系統(tǒng)。在測量過程中，計算機可以實時顯示織物表面摩擦力的大小，正壓力的變化范圍，并可以實時顯示平均摩擦因數(shù)的變化。

1 測試系統(tǒng)的方案

目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的還是直接接觸法測試織物表面的摩擦性能參數(shù)來反映織物表面摩擦性能。其測試原理如圖1 所示。

圖1 直接接觸法的測試原理Fig.1 Test principle of direct contact method

織物在張緊裝置的作用下平整的鋪放在試驗臺上，平面摩擦頭自身的重量作為施加在織物上的正壓力N，摩擦頭通過引線和導(dǎo)輪與測力傳感器相連，測力傳感器固定在橫梁上，橫梁上升時測力傳感器通過引線拖動摩擦頭水平右移，同時測得摩擦力F。根據(jù)公式計算出摩擦因數(shù)[17]。

式中：F 為摩擦力；μ 為摩擦因數(shù)；N 為正壓力。

首先將織物通過張緊圓環(huán)固定并張緊在試驗臺上，摩擦頭在滑臺的帶動下勻速的與織物表面發(fā)生相對滑動即與摩擦頭相連接的用于測量摩擦力的傳感器可以測得摩擦力的大小。與此同時，摩擦頭正下方的正壓力傳感器可以實時測量得出正壓力的變化范圍。以此方式連續(xù)運行完成織物表面摩擦性能參數(shù)的測量。直接接觸法測試紗線的摩擦因數(shù)時，摩擦頭必須處于勻速運動狀態(tài)，否則摩擦力與系統(tǒng)給予的拉力不平衡，并且織物在張緊裝置的作用下應(yīng)保持平整，不允許有褶皺的存在。通過以上對直接接觸測試法的原理分析可以得出，這種采用平面摩擦頭的方式測量織物表面摩擦因數(shù)忽略掉了平面摩擦頭自身正壓力的變化，如果摩擦頭不是平面的而是球形的，又由于織物表面凹凸不平，摩擦頭與織物發(fā)生相對滑移的過程中，摩擦頭會產(chǎn)生一個上下的位移波動，并在其自身重力的作用下產(chǎn)生一個微小的加速度，進而產(chǎn)生一個合外力。所以采用球形摩擦頭進行織物表面摩擦因數(shù)測試時，正壓力的變化并不是恒定不變的。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

織物表面摩擦性能測量系統(tǒng)包括測試模塊和控制模塊。測試模塊包括正壓力測量裝置、摩擦力測量裝置、張緊裝置、換向裝置、摩擦力測量驅(qū)動裝置?？刂颇K包括信號采集裝置、上位機控制軟件。織物通過張緊裝置預(yù)加張力塊固定在試樣臺上，球面摩擦頭通過受力板拉壓傳感器連接件，在滑臺的帶動下產(chǎn)生相對的滑移，同時拉壓傳感器測得摩擦頭與織物之間產(chǎn)生的摩擦力F。在移動過程中壓力傳感器可以實時動態(tài)的測量正壓力N，根據(jù)公式F=μN，得出摩擦因數(shù)μ。壓力傳感器固定在電機驅(qū)動系統(tǒng)上，電機每旋轉(zhuǎn)一定的角度，進行一次測試，測出織物各個方向上的摩擦因數(shù)，能夠反映織物的各向異性特征，如圖2 所示。

圖2 織物表面摩擦性能測量系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of fabric surface friction measurement system

3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性測試

穩(wěn)定性和重復(fù)性是儀器重要的性能指標(biāo)[18]。在實驗運行過程中摩擦頭需要做往復(fù)運動，由于摩擦力、電機振動的影響，摩擦力傳感器和正壓力傳感器測出的數(shù)值會出現(xiàn)波動。穩(wěn)定性可以反映儀器是否能夠穩(wěn)定運行并保持測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定?？芍貜?fù)性反映儀器是否能經(jīng)的住時間的檢驗，重復(fù)測試出相同或者相似的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果[19-20]。

3.1 儀器的穩(wěn)定性測試

實驗在濕度為30%、溫度為20 ℃的條件下進行，每組的測試時間為200 s，儀器的運行速率設(shè)置為1 mm/s。選取線密度（tex）為 14× 14 的純棉織物、線密度（tex）為 25×25 的滌棉織物和線密度（tex）為 16×16的滌綸3 種平紋織物進行測試。

圖3 顯示了純棉、滌棉、滌綸這3 種織物分別在200 s 的時間內(nèi)其平均摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線圖。

圖3 3 種織物在經(jīng)線方向上的平均摩擦因數(shù)隨時間的變化Fig.3 Average friction coefficient of three kinds of fabrics in direction of warp varying with time

圖3（a）中，純棉織物的平均摩擦因數(shù)最大值為0.355 7，最小值為0.142 7，通過程序中設(shè)定的求平均摩擦因數(shù)公式可以求得其平均摩擦因數(shù)的平均值為0.233 9；圖3（b）中滌棉的平均摩擦因數(shù)最大值為0.260 1，最小值為0.118 9，其平均摩擦因數(shù)的平均值為0.176 2；圖3（c）中滌綸織物的平均摩擦因數(shù)最大值為0.230 5，最小值為0.094 7，平均摩擦因數(shù)的平均值為0.165 2。通過以上3 組數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，純棉的平均摩擦因數(shù)最大，滌棉次之，滌綸最小，符合這3 種織物的摩擦因數(shù)大小的特點。

圖4 為3 種織物的摩擦因數(shù)隨速率變化的CV圖。

圖4 3 種織物的摩擦因數(shù)隨速度變化的CVFig.4 CV of friction coefficient of three kinds of fabrics varying with velocity

由圖4 可知，實驗在濕度為30%、溫度為20 ℃的條件下進行，每組的測試時間為200 s，純棉織物、滌棉織物和滌綸織物這3 種織物的摩擦因數(shù)在1 mm/s、2 mm/s、3 mm/s、4 mm/s、5 mm/s 的不同速率下有不同的變異系數(shù)（CV）。從圖4 中可以看出，純棉織物的變異系數(shù)最大，最大值為8.5%，波動范圍在2.46%～8.54%，波動幅度為6.08%，大于滌棉織物和滌綸織物的變異系數(shù)；滌棉織物的摩擦因數(shù)的變異系數(shù)波動范圍在3.56%～7.62%，波動幅度為4.06%；滌綸織物的摩擦因數(shù)的變異系數(shù)波動范圍在3.39%～6.44%，波動幅度為3.05%。從以上數(shù)據(jù)中可以得出3 種織物的摩擦因數(shù)的變異系數(shù)都低于10%，因此可知，測試速度的增加或者減小對織物本身的摩擦因數(shù)影響很小。

3.2 儀器的可重復(fù)性測試

實驗在濕度為30%、溫度為20 ℃的條件下進行，每組的測試時間為200 s，每一組的間隔時間為30 min，儀器的運行速率設(shè)置為1 mm/s，對這3 種平紋織物的平均摩擦因數(shù)進行測量。經(jīng)過一定時間間隔后，通過所測數(shù)據(jù)以評價該儀器的可重復(fù)性。測量結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）為純棉織物5 次重復(fù)性實驗后的平均摩擦因數(shù)變化曲線圖。如圖5（a）可見，由5 種顏色代表的5 條平均摩擦因數(shù)曲線，其曲線都是基于某一平均值基準在下上波動，其波動幅度也大致一樣，通過實驗數(shù)據(jù)得出其每條曲線的平均摩擦因數(shù)的平均值都是圍繞0.23 波動，最大幅值為0.12，并且隨著測試時間的進行，曲線的變化范圍依舊符合之前的變化范圍。

圖5 3 種織物多次測量的平均摩擦因數(shù)隨時間的變化Fig.5 Average friction coefficient of three kinds of fabrics measured several times varying with time

圖5（b）為滌棉織物5 次重復(fù)性實驗后的平均摩擦因數(shù)變化曲線圖。通過數(shù)據(jù)分析得知滌棉織物平均摩擦因數(shù)值平均值為0.17。與純棉織物相比較，滌棉平均摩擦因數(shù)低于純棉織物的平均摩擦因數(shù)，并且滌棉織物經(jīng)過5 次測試后的平均摩擦因數(shù)變化曲線的重合度更高，其上下的波動幅度也是小于純棉織物的波動幅度。

圖5（c）為滌綸經(jīng)過5 次重復(fù)性測試后的平均摩擦因數(shù)變化曲線圖。其平均摩擦因數(shù)的平均值在0.16左右波動，其波動幅度小于滌棉織物的波動幅度，5 次測試的曲線重合度也較高。因此，可以得出純棉織物的平均摩擦因數(shù)大于滌棉織物的平均摩擦因數(shù)，滌棉織物的平均摩擦因數(shù)大于滌綸織物的平均摩擦因數(shù)，波動幅度也是純棉大于滌棉，滌棉大于滌綸。

表1 為3 種織物5 次測試后的平均摩擦因數(shù)的平均值數(shù)據(jù)。

表1 3 種織物5 次測試后的平均摩擦因數(shù)平均值Tab.1 Average friction coefficients of three fabrics after five tests

由表1 可知，純棉織物的平均摩擦因數(shù)的平均值圍繞0.23 波動，滌棉織物的平均摩擦因數(shù)的平均值圍繞0.17 波動，滌綸織物的平均摩擦因數(shù)的平均值圍繞0.16 波動。通過5 次實驗，純棉、滌棉、滌綸織物的平均摩擦因數(shù)值反應(yīng)了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，也證明了儀器經(jīng)過一段時間間隔后，多次測試，具備較好的可重復(fù)性。

3.3 與KES-FB4織物風(fēng)格儀測試系統(tǒng)對比測試

實驗在濕度為30%、溫度為20 ℃的條件下進行，儀器運行速度設(shè)置為1 mm/s，設(shè)定測試時間為120 s，分別在織物表面摩擦性能測試系統(tǒng)和KES-FB4 織物風(fēng)格儀測試系統(tǒng)上測試純棉織物和滌綸織物的平均摩擦因數(shù)。

測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 純棉和滌綸織物分別在本儀器和KES-FB4 的測試結(jié)果Fig.6 Test results of pure cotton and polyester fabrics in this instrument and KES-FB4 respectively

圖6（a）為純棉織物分別在織物表面摩擦性能測試系統(tǒng)和KES-FB4 織物風(fēng)格儀測試系統(tǒng)中的摩擦及表面粗糙度測試儀上的平均摩擦因數(shù)的曲線。在20 s的測試時間內(nèi)，測試數(shù)據(jù)有微小偏差，但是隨著時間的變化，2 種儀器測試得出的純棉織物的平均摩擦因數(shù)高度重合。圖6（b）顯示滌綸織物分別在2 種儀器上測得的平均摩擦因數(shù)的曲線。在20～120 s 的測試時間里，2 種儀器只有在80 s 的時候出現(xiàn)微小差異，其他時間段曲線也是高度重合的。

表2 所示為純棉織物在織物表面摩擦性能測試系統(tǒng)和KES-FB4 織物風(fēng)格儀測試系統(tǒng)上測得的平均摩擦因數(shù)的平均值。

表2 2 種儀器測量純棉織物的摩擦因數(shù)平均值對比Tab.2 Two instruments measure average value of cotton fabric

由表2 可知，織物表面摩擦性能測試系統(tǒng)在測試時間為120 s 內(nèi)的測量結(jié)果的最大值為0.236，最小值是0.232；KES-FB4 織物風(fēng)格儀測試系統(tǒng)在測試時間為120 s 內(nèi)的測量結(jié)果的最大值為0.241，最小值為0.229。KES-FB4 的摩擦因數(shù)的平均值波動幅度大于織物表面摩擦性能測試系統(tǒng)的摩擦因數(shù)平均值的波動幅度。從以上數(shù)據(jù)可以得出，2 種儀器的平均值波動幅度都較小，都保證了較高的精確性，而織物表面摩擦性能測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)波動值更小一些，表明該測試系統(tǒng)不僅可以對正壓力進行實時動態(tài)測試，而且測試的數(shù)據(jù)會更加穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

實驗分別使用純棉織物、滌綸織物和滌棉織物分別對儀器進行了穩(wěn)定性和重復(fù)性測試，摩擦因數(shù)的數(shù)值變化符合其摩擦因數(shù)的變化區(qū)間，儀器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。使用這3 種織物分別進行了5 次重復(fù)性測試，純棉、滌棉、滌綸織物的平均摩擦因數(shù)曲線的較高重合度，也證明了經(jīng)過一段時間間隔后，多次測試，儀器具備較好的可重復(fù)性。與KES-FB4 織物風(fēng)格儀測試系統(tǒng)的精確性比較中，使用純棉織物和滌綸織物分別在2 種儀器上進行測試，2 種儀器測得的摩擦因數(shù)平均值分別圍繞0.23 和0.16 波動，都保證了較高的精確性，而織物表面摩擦性能測試系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)波動范圍小于KES-FB4 織物風(fēng)格儀，更趨于穩(wěn)定。