三維網眼機織物結構與雙向開口機構的設計研究*

劉　瑋　　王益軒

西安工程大學機電工程學院， 陜西 西安 710048

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三維網眼機織物結構與雙向開口機構的設計研究*

劉瑋王益軒

西安工程大學機電工程學院， 陜西 西安 710048

摘要：分析三維網眼機織物的組織結構、模型及織造工藝過程，然后在此基礎上設計出新型雙向開口機構，重點介紹配有雙向開口機構的三維織機的開口工藝，以期為三維網眼機織物的開發提供參考。

關鍵詞：三維網眼機織物，組織結構，雙向開口，三維織機

在科學技術迅猛發展的今天，先進紡織復合材料預制件已廣泛應用于各行各業，人們對紡織復合材料預制件的力學性能及形狀要求也越來越高。因此，研制性能更優的三維紡織復合材料預制件己成為眾多研究者的共同目標。

目前，國內外研究者在三維織造技術方面取得了一些豐碩成果，如已能制作出多種復雜形狀或有特殊要求的預制件等，但三維織機中的開口機構會使經紗在開口過程中受到過多摩擦，進而影響引緯過程和織物質量[1-5]。故開口機構是三維織機上影響織物結構和織造效率的重要機構，因此推出了三維織機雙向開口方式。

本文設計了一種新型雙向開口機構，即在多層經紗的縱向和橫向分別形成開口，使多層經紗與兩組正交緯紗相互交織。其中，部分多層經紗呈直線形，而與兩組正交緯紗交織的經紗則呈螺旋形。由這種交織方式形成的網格狀織物，在其寬度及厚度方向上具有一定的抗分裂性能。當然，這種網格狀織物中還包含有非交織的填充紗線，它們可以提高織物的整體性。

本文將詳細介紹在織造過程中非常重要的開口運動，而諸如引緯、卷取和打緯等其他織造后續運動將不做具體介紹。

1三維網眼機織物結構

1.1簡單三維網眼機織物

圖1為簡單三維網眼機織物的三維圖及內部單元圖。主動經紗與兩組緯紗以螺旋起伏非直線的方式交織。兩組緯紗都采用同樣的劍桿引緯裝置，緯紗通過其引入各自的梭口，并與主動經紗交織、與被動經紗接觸。

(a) 三維圖　　(b) 內部單元圖

圖2為簡單三維網眼機織物結構正視圖。圖3和圖4分別顯示了簡單三維網眼機織物中主動經紗在織物邊緣(或表面)和內部的典型路徑。

1—主動經紗；2—被動經紗；3c—列向緯紗；3r—行向緯紗圖2　簡單三維網眼機織物結構正視圖

(a) 頂視圖　　(b)側視圖

(a) 頂視圖　　(b)側視圖

綜上可以看出：簡單三維網眼機織物的重要特征是，主動經紗以螺旋起伏非直線的方式與緯紗發生交織，雖未形成環形路徑，但其在織物的邊緣(或表面)形成了一個三角螺旋結構，且該結構不含被動經紗。

1.2開口順序改變的新三維網眼機織物

以簡單三維網眼機織物為基礎，改變開口順序，可得到三種不同于簡單三維網眼機織物的新三維網眼機織物。圖5僅示出了主動經紗在新三維網眼機織物內部的一般路徑。

1—主動經紗；2—被動經紗；3c—列向緯紗；3r—行向緯紗圖5　新三維網眼機織物

1.3含填充紗線的三維網眼機織物

可根據需要在織物寬度、厚度及對角線方向的橫截面內，適當加入填充紗線，以改善織物機械性能。如圖6所示，在圖1簡單三維網眼機織物的基礎上，通過在織造過程中引入非交織的紗線，獲得含填充紗線的三維網眼機織物。

1—主動經紗；2—被動經紗；3c—列向緯紗；3r—行向緯紗n1~n8—填充紗線圖6　含填充紗線的三維網眼機織物

2雙向開口機構

為織造出不同結構的三維網眼機織物，本文在研究簡單三維網眼機織物開口工藝的基礎上，提出了兩種不同的雙向開口機構方案。

2.1設計要求

為實現雙向完全交織，織造出更為復雜的織物，雙向開口機構應滿足：

——既能完成行開口(即水平)運動，又能完成列開口(即垂直)運動；

——既可多行同時開口，也可多列同時開口；

——既可整體控制，也可分行控制。

2.2設計方案

2.2.1整體控制雙向開口機構

整體控制雙向開口機構的概念化仿真模型如圖9所示。利用由伺服電機提供動力的曲柄滑塊機構和曲柄搖桿機構直接控制綜框，分別實現綜框的水平運動和旋轉擺動，完成列向和行向開口。綜框左右側板的中部安裝有花鍵軸，可確保綜框在完成水平運動和旋轉擺動時互不影響。

4—綜絲；5—綜導；6—開口軸；7—綜框；8—曲柄搖桿機構；9—曲柄滑塊機構； 11—底座圖9　整體控制雙向開口機構的概念化仿真模型

2.2.2分行控制雙向開口機構

分行控制雙向開口機構的概念化仿真模型如圖10 所示。通過分別控制每一行的開口軸，使綜框獨立完成水平運動和旋轉擺動。每根開口軸上都安裝有花鍵軸，可確保綜框在完成水平運動和旋轉擺動時互不影響。可選用曲柄滑塊機構和凸輪機構作為該機構水平直線運動和旋轉擺動的驅動部件。

9—曲柄滑塊機構；10—凸輪機構圖10　分行控制雙向開口機構的概念化仿真模型

3三維網眼機織物的開口工藝

3.1紗線預處理

織造前，需根據所織織物的組織結構對多層經紗進行預處理，即穿綜。紗線預處理可使三維網眼機織物表面(但不包括側表面)及內部的紗線分布均衡。圖11為經紗預布置示意，其中每根被動經紗都被均勻排列的主動經紗所包圍。每根主動經紗穿過扁平綜絲上相應的綜眼和引導孔后被拉伸，而給定行(列)的被動經紗只能通過相鄰兩綜框之間形成的開放空間進行拉伸(圖12)。

1—主動經紗；2—被動經紗圖11　經紗預布置示意

1—主動經紗；2—被動經紗；4—綜絲；6—開口軸圖12　開口水平位置示意

經紗預處理后，綜框開口軸所處的位置即為該開口系統的初始位置。從初始位置開始，穿過綜眼的主動經紗會隨綜框開口軸沿其軸線方向做線性移動或往復擺動，而未穿過綜眼的被動經紗則相對固定不動。

3.2開口過程

綜框開口軸帶動主動經紗從初始位置開始線性移動一段距離或旋轉擺動一個角度，以形成右(左)側縱列開口或下(上)側橫行開口。需注意的是，各開口是按特定的順序形成。開口機構每完成一個開口動作，便會在相應的方向上形成一個特定的梭口，然后進行引緯等動作。

3.2.1縱列開口的形成

縱列開口的形成過程如圖13所示：在織物寬度方向上，綜框開口軸從初始位置開始沿其軸線方向線性移動一段距離，帶動主動經紗一起移動，從而與固定的被動經紗形成右側或左側的縱列開口。

(a) 初始位置　　(b) 右側縱列開口　　(c) 左側縱列開口

3.2.2橫行開口的形成

橫行開口的形成過程如圖14所示：自初始位置開始，綜框開口軸繞其軸線方向順(逆)時針旋轉擺動一個角度，帶動主動經紗在織物的厚度方向上擺動，從而與固定的被動經紗形成下(上)側橫行開口。

(a) 初始位置　　　　(b) 下側橫行開口　　　　(c) 上側橫行開口

3.3開口順序

以圖2所示的簡單三維網眼機織物為例，從開口裝置后方觀察到的綜框開口軸一個周期的運動順序：

(1)綜框開口軸順時針旋轉一個角度，于織物寬度方向上形成上側橫行開口，然后進行引緯；

(2)綜框開口軸復歸到初始位置；

(3)綜框開口軸向右線性移動一段距離，在織物厚度方向上形成右側縱列開口，然后進行引緯；

(4)綜框開口軸復歸到初始位置；

(5)綜框開口軸逆時針旋轉一個角度，于織物寬度方向上形成下側橫行開口，然后進行引緯；

(6)綜框開口軸復歸到初始位置；

(7)綜框開口軸向左線性移動一段距離，在織物厚度方向上形成左側縱列開口，然后進行引緯；

(8)綜框開口軸復歸到初始位置。

按照上述的開口順序，并在適當的時刻加上織造過程中必要的補充操作，如引緯、打緯等，構成完整的織造過程。

4結論

采用雙向開口機構后：

(1)所有縱列或橫行，既可整體同時形成開口，又可單獨形成開口，以提高生產效率；

(2)引緯裝置無特殊要求，如梭子、劍桿等都可以，引入的緯紗既可以是單根紗線也可以是發夾般的折疊紗線；

(3)控制好開口順序，主動經紗既可在織物長度方向螺旋交織，也可在織物寬度和厚度方向進行交織；

(4)在主動經紗形成螺旋結構過程中，兩組緯紗的交織及兩組緯紗與被動經紗的交織，為織物提供了唯一的整體網絡狀結構；

(5)應在織物厚度和寬度方向上提供合適的開口位移，若位移過大則會引起緯紗和主動經紗在織物表面形成不必要的干擾，導致織物表面不均勻，影響織物質量；

(6)可獨立或有選擇性地在織物寬度和厚度方向上移動或旋轉綜框開口軸，以形成不同的編織圖案；

(7)橫截面無論是正方形還是長方形的管狀織物，亦或是其他異形(如L、T、C型等截面)的實體織物，都可根據具體的截面輪廓，以合適的離散方式布置經紗層，并配以適當的開口、引緯等，織出所需的三維網眼機織物。

采用雙向開口機構的三維織機可織出完全交織的三維網眼機織物。所得織物可以很容易地進行切割，且不會引起分裂，織物力學性能大幅提高，可滿足工程織物的要求。

參考文獻

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Structure of three-dimensional net woven fabric and design research of dual-directional shedding machanism

LiuWei,WangYixuan

College of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048, China

Abstract:The pattern structures, models and weaving processes of three-dimensional net woven fabrics were analyzed,and new dual-directional shedding mechanisms were designed on these basis. The shedding process of three-dimensional loom with the dual-directional shedding mechanism was focused on, in order to provide a reference for the development of three-dimensional net woven fabric.

Keywords:three-dimensional net woven fabric, pattern structure, dual-directional shedding, three-dimensional weaving machine

中圖分類號：TS105.1

文獻標志碼:A

文章編號：1004-7093(2016)01-0034-05

作者簡介：劉瑋，男，1990年生，在讀碩士研究生，研究方向為CAD/CAE/CAM、虛擬樣機技術

收稿日期：2015-01-17

* 陜西省教育廳產業化培育項目(2013JC17)