碳纖維多層織機引緯機構設計及分析

李丹丹，楊建成

（1.天津工業大學機械工程學院，天津300387；2.天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津300387）

碳纖維多層織機引緯機構設計及分析

李丹丹1，2，楊建成1，2

（1.天津工業大學機械工程學院，天津300387；2.天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津300387）

碳纖維多層織機引緯機構的設計與研究對現代三維織造設備發展具有重大意義。根據碳纖維多層織物特殊織造要求，設計了一套附帶尋位裝置的多層引緯系統，實現引緯機構按照開口位置的變換和不同層數的引緯。為了滿足劍帶和升降裝置運動平穩性，對所建模型進行了動力學分析和靜力學仿真，分析結果表明機構滿足各項工作要求。

碳纖維；多層織機；引緯機構；劍帶

工程技術和材料科學的發展，對材料性能的要求越來越高。對于先進復合材料，其研究、發展及應用逐步成為高科技材料技術的核心內容之一，而碳纖維及其復合材料在該領域占有非常重要的地位［1-3］。

碳纖維多層立體織物是目前迅速發展的一種新型的纖維織物結構。它是一種由連續纖維在三維空間按照一定規律相互交織而形成的整體纖維增強骨架，貫穿空間各個方向的纖維，克服了傳統織物疊層結構骨架的層間結合薄弱的缺點，成為高性能復合材料制備的技術關鍵和產業用紡織品的前沿發展方向。利用機織的方法可織造出三維骨架，如圖1所示，為了適應高性能碳纖維機器碳纖維復合材料的發展，亟待需要完成碳纖維多層織機的研制，這將成為當下紡織行業一個共同目標。而碳纖維多層織機引緯機構是織機的核心機構，對該機構的仿真設計及分析將為碳纖維多層織機的研制奠定堅實的理論基礎和仿真基礎，并為關鍵構件的材料屬性選擇提供了理論依據。

圖1　多層角聯鎖織物結構圖

1　引緯機構整體設計

對于碳纖維多層織機的核心技術是開口引緯關鍵技術研究及應用，因此對碳纖維多層織機引緯技術的研究顯得尤為重要。引緯機構的作用就是在開口機構將經紗分成上下兩層形成梭口后，將緯紗及時引入梭口，使緯紗與經紗形成交織。

在多層織物的織造過程中，多層經紗排列具有一定的厚度，導致不同紗層之間的開口位置在不斷的變化，這給緯紗的引入帶來一定的困擾，引緯機構需要隨著開口位置的不同而自動進行適應行調整，同時由于經紗層數較多，為了提高織造效率，采用雙劍桿雙線引緯方式，兩側左右各一個劍桿，分別獨立完成一次引緯。

為滿足上述要求，碳纖維多層織機引緯機構的設計應主要包括升降裝置、劍帶傳動裝置。可以將緯紗引入梭口，使之能與經紗交織成織物，同時能根據實際碳纖維層數的變化而引起梭口位置的變化，而使得引緯機構需要上下運動來滿足梭口在縱向上的運動。

控制部分的功能要求是：采用伺服電機正反轉通過一組同步帶輪減速后帶動齒輪齒條往復運動，實現剛性劍帶的往復運動，通過控制伺服電機能夠實現任意形式的引緯曲線；同時采用伺服電機正反轉帶動一組同步帶輪然后帶動一組齒輪裝置經過減速后帶動滾珠絲杠來完成引緯機構的升降。如圖2和圖3所示。

圖2　劍帶傳動裝置示意圖

圖3　升降裝置示意圖

2　引緯機構Solidworks三維建模

基于Solidworks軟件對碳纖維多層織機的引緯機構進行三維模型的建立和利用其仿真模塊對其分析，在Solidworks環境下建立碳纖維多層織機引緯機構的三維實體造型如圖4所示。

圖4　碳纖維多層織機引緯機構的三維實體造型

3　主要部件動力學分析

該碳纖維多層織機引緯機構最主要的機械機構就是升降機構、劍帶往復機構，劍帶的往復運動規律選取的不同，對引緯質量的好壞起著重要的作用。

從圖5、圖6和圖7中可以看出，多項式劍帶運動規律位移曲線變化都比較平緩光滑，且都能在時刻內使劍頭到達指定位置，完成引緯；該運動規律可實現速度在引緯開始和結束時速度為零，余弦運動規律也可實現速度在引緯開始和結束時速度為零但余弦加速度運動規律的加速度變化在引緯開始和終止的瞬時都很大，對劍帶和緯線沖擊很大，并非理想的運動規律［4］。綜上對比可知，多項式運動規律可很好滿足引緯要求，且對機器的沖擊較小，故應采用多項式運動規律來實現平穩引緯。

圖5　劍頭在豎直方向上位移曲線

圖6　劍頭在水平和豎直方向上速度曲線

圖7　劍頭在水平和豎直方向上加速度曲線

4　碳纖維劍帶傳動裝置靜力學分析

劍帶傳動裝置在進行靜力學分析時可簡化成懸臂梁進行變形分析和模態分析，因其敏感方向為豎直方向的變形和震動，故在進行應變分析和震動分析時主要分析其豎直方向，以便判斷其變形量和震動大小是否滿足工作要求。由于劍帶在引緯方向需要伸出長度1.277 m，懸臂長度大，所以此時劍帶的材料的選取及劍頭材料的選取顯得尤為重要。為了減輕重量劍帶材料選擇碳纖維，下面分析碳纖維材料下，劍帶的應力和變形。碳纖維材料楊氏模量為E=2.5e11 Pa，密度為2 520 kg/m3.

從圖8和圖9中可以得出最大應力不變，最大變形量為0.026 1 mm.可以看出，當采用碳纖維時劍帶的最大變形量較小，且相較于鋼結構其剛度較大且質量較小，所以碳纖維材料的劍帶更適用于此機構，但在實際加工生產過程中，劍帶甚少使用碳纖維復合材料，原因在于碳纖維材料價格昂貴。

圖8　碳纖維復合材料劍帶應力云圖

圖9　碳纖維復合材料劍帶變形圖

5　結束語

（1）運用Pro/E和ADAMS對引緯機構中的劍帶裝置進行運動學、動力學和機構分析，仿真出的結果說明了該劍帶結構合理，運動平穩，無干涉等現象，該結果為碳纖維及其復合材料織物的織造奠定了良好的實驗基礎。

（2）用ANSYS軟件分析碳纖維多層織機引緯機構中的劍帶裝置進行靜力學分析，分析結果表明了該裝置在最大負載工作過程中，劍帶的變形量非常小，可以忽略不計，劍帶完全能夠承受緯紗引緯工作時的運動載荷，能夠使其在工作過程中平穩運行，振動小。對鋼和碳纖維材料的劍帶進行對比可知選用碳纖維材料的劍帶性能更好，但出于鋼材其物美價廉的優點，在實際應用過程中使用鋼材更多。

［1］Schulze Martin H，Meyendorf Norbert，Heuer Henning.Anal ysis techniques for eddy current imaging of carbon fiber mate rials［J］.Materialpruefung/MaterialsTesting，2010，52（9）: 603-609.

［2］Yang Feiyu，Zhang Xinghong，Han Jiecai，Diu Shanyi.Analysis of the mechanical properties in short carbon fiber-toughened ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic［J］.Journal of Com posite Materials，2010，44（8）:953-961.

［3］Liao Shaohuai，Lu Yiyan.Test on seismic behaviors of rein forced concrete beams composite rehabilitation with bonded Carbon FiberReinforced polymer and steel plate［J］.Tumu Jianzhu yu Huanjing Gongcheng，2010，32（6）:14-21.

［4］魏展，金國光，暢博彥，等.基于有限元法的高速平面凸輪機構動力學分析［J］.機械科學與技術，2012，31（8）: 1363-1368.

Design and Analysis of Weft Insertion Mechanism of Carbon Fiber Multi-Layer Loom

LI Dan-dan1，2，YANG Jian-cheng1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin 300387，China）

The design and research of weft insertion mechanism of carbon fiber multi-layer loom which has the great significance for the development of modern 3D weaving equipment.According to the special requirements of carbon fiber multi-layer weaving fabric，a multilayer weft insertion system incidental finding device is designed，which can be satisfied with multi-layer weft insertion according to the change of shedding position and different layers.In order to meet the sword belt and lifting gear running smooth，dynamic analysis and static simulation have been done，analysis results show that institutions satisfy all work requirements.

carbon fibers；multi-layer diagonal loom；weft insertion mechanism；sword belt

TH112

A

1672-545X（2016）07-0016-04

2016-04-23

國家十二五科技支撐重點項目:碳纖維多層織造裝備及技術研發（2011BAF08B02）

李丹丹（1986-），女，江西人，助教，碩士，主要研究方向為紡織機械設計。