基于氣缸的三維機(jī)織增強(qiáng)體織造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)志平， 吳震宇， 汪茂林， 周香琴， 胡旭東

(浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

基于氣缸的三維機(jī)織增強(qiáng)體織造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)志平， 吳震宇， 汪茂林， 周香琴， 胡旭東

(浙江理工大學(xué) 浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018)

為在經(jīng)紗方向引入貫穿織物厚度的接結(jié)紗從而提升機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料層間性能，以三維正交無卷曲機(jī)織增強(qiáng)體為對象，設(shè)計(jì)了一種窄幅三維機(jī)織織造系統(tǒng)。采用氣缸作為開口、引緯和打緯的主要驅(qū)動部件，實(shí)現(xiàn)多重綜框的獨(dú)立開口運(yùn)動與管狀多劍桿機(jī)構(gòu)的多層梭口同時(shí)引緯運(yùn)動，并在可編程控制器上實(shí)現(xiàn)各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)作，使經(jīng)緯紗垂直平鋪，接結(jié)紗與緯紗交織并貫穿織物起到層間約束作用。通過顯微鏡觀察三維機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料各個(gè)切面(分別沿經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)紗)，并測量紗線卷曲度、橫截面積、組織單元尺寸等關(guān)鍵幾何參數(shù)。測量結(jié)果表明，這種三維機(jī)織系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)三維正交無卷曲機(jī)織增強(qiáng)體的織造。

三維機(jī)織織造系統(tǒng)； 三維機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料； 接結(jié)紗； 氣缸

機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料因其超高的比強(qiáng)度、比模量和抗腐蝕性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等工業(yè)領(lǐng)域[1]。然而，傳統(tǒng)機(jī)織增強(qiáng)體是通過層層鋪設(shè)得到，其僅在經(jīng)向和緯向?qū)?fù)合材料有纖維增強(qiáng)作用，這種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)缺乏層間約束，故而易發(fā)生層間分離，降低了復(fù)合材料的整體性能[2-3]。

為提高機(jī)織增強(qiáng)復(fù)合材料的層間性能，在織物厚度方向引入起層間約束作用的接結(jié)紗是最有效的方法之一。由此，國內(nèi)外學(xué)者在織造設(shè)備方面主要進(jìn)行了2種形式的改進(jìn)：一是在傳統(tǒng)織機(jī)的基礎(chǔ)上，改造開口、引緯等主要織造機(jī)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律[4-6]，從而使部分經(jīng)紗實(shí)現(xiàn)貫穿織物從而得到整體性較好的三維機(jī)織增強(qiáng)體；二是基于機(jī)織織造原理，研制小型窄幅三維織機(jī)。其中，Bilisik和Mohamed等[7- 8]研究的多軸向三維機(jī)織機(jī)構(gòu)不僅在層間引入接結(jié)紗，還在面內(nèi)引入偏軸紗，從而使增強(qiáng)體得到較好的面內(nèi)剪切性能。另外，陳革等[9]設(shè)計(jì)了一種新型的劍桿引緯系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多層梭口的依次引緯。錢永明等[10]研制了一種新型的電子開口系統(tǒng)，每個(gè)綜框都有一個(gè)伺服電動機(jī)驅(qū)動，從而使多層經(jīng)紗形成多個(gè)清晰的梭口，但是這種織造機(jī)構(gòu)成本較高。

本文借鑒上述織造機(jī)構(gòu)，采用氣缸作為三維織機(jī)開口、打緯和引緯運(yùn)動的驅(qū)動元件，實(shí)現(xiàn)多重綜框的獨(dú)立開口和管狀多劍桿機(jī)構(gòu)的多層梭口同時(shí)引緯，以PLC為控制核心使各織造運(yùn)動協(xié)調(diào)運(yùn)作。

1 織造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的織造系統(tǒng)需能夠?qū)崿F(xiàn)的三維正交無卷曲機(jī)織物的織造，該類織物一般由4組紗線構(gòu)成，分別是經(jīng)紗、緯紗、經(jīng)向接結(jié)紗、絞邊紗，如圖1所示。設(shè)織機(jī)軸向?yàn)閄軸，織機(jī)幅寬方向?yàn)閅軸，織物厚度方向?yàn)閆軸。經(jīng)紗平行于織機(jī)軸向并布置2層。緯紗垂直于織機(jī)軸向并布置3層，其中有2層在經(jīng)紗外側(cè)(上層和下層)，1層在經(jīng)紗內(nèi)側(cè)(中間層)。經(jīng)紗和緯紗垂直排列不相互交織，故而經(jīng)緯紗無卷曲。經(jīng)向接結(jié)紗在Z軸方向貫穿織物，與上下層緯紗呈平紋交織結(jié)構(gòu)，從而將經(jīng)紗層和緯紗層緊密捆綁。另外，需要特別指出緯紗是連續(xù)不斷的引入，所以一次引緯能夠形成往復(fù)2條緯紗軌跡，在織物邊緣引入絞邊紗用來防止織物邊緣紗線散開，還起到鎖定緯紗的作用。

圖1 三維正交無卷曲機(jī)織物Fig.1 3-D non-crimp orthogonal woven fabric

1.2 織造機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述三維正交無卷曲機(jī)織物的織造，以傳統(tǒng)劍桿織機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的織造機(jī)構(gòu)。

1.2.1 送經(jīng)機(jī)構(gòu)

經(jīng)紗和接結(jié)紗沿織機(jī)軸向分布，每根紗線配備獨(dú)立的紗筒，紗筒置于特定的攜紗裝置內(nèi)，如圖2所示。通過更換不同彈性系數(shù)的彈簧來調(diào)整紗線張力，攜紗裝置解鎖原理見圖2。當(dāng)紗線的牽引力大于張力設(shè)定值時(shí)，鎖定銷子打開，紗筒旋轉(zhuǎn)，紗線從紗筒上退出以緩減牽引力，當(dāng)牽引力小于張力設(shè)定值，紗筒被鎖定，如此循環(huán)間歇送經(jīng)。

圖2 攜紗裝置Fig.2 Yarn feeding mechanism

1.2.2 開口機(jī)構(gòu)

根據(jù)三維正交無卷曲機(jī)織物的結(jié)構(gòu)特征，開口機(jī)構(gòu)由2種綜框構(gòu)成，一種是固定綜框，用來固定多眼綜絲并將經(jīng)紗均勻分層，使經(jīng)紗呈伸直平鋪結(jié)構(gòu)；另一種是移動綜框，用來牽引接結(jié)紗使其上下分層形成適當(dāng)大小的梭口供緯紗引入。平紋結(jié)構(gòu)僅需2個(gè)可移動的綜框，斜紋及其他結(jié)構(gòu)織物則需要3個(gè)或更多綜框。根據(jù)不同的交織方案，可增減可移動綜框的數(shù)量并設(shè)定各個(gè)綜框的運(yùn)動規(guī)律。

開口機(jī)構(gòu)原理如圖3所示。氣缸伸縮桿的一端通過銷子固定在綜框上。根據(jù)不同的開口大小，調(diào)整限位梁的位置。采用2位五通電磁閥控制氣缸開關(guān)，即實(shí)現(xiàn)綜框的循環(huán)開口運(yùn)動。通過調(diào)整氣缸流量，可控制開口的速度。因?yàn)闅飧谆钊詺鈮翰顬閯恿?，其運(yùn)動速度較線性，并具有一定的沖擊性，需要調(diào)整氣體流量來調(diào)整開口速度，以使織造過程更加平順。

圖3 氣缸驅(qū)動的多重獨(dú)立開口機(jī)構(gòu)Fig.3 Multiple heald-frames independent shedding mechanism

1.2.3 引緯機(jī)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的磁耦式無桿氣缸驅(qū)動的管狀多劍桿引緯機(jī)構(gòu)如圖4所示。3根管狀劍桿固定于氣缸滑塊，隨滑塊左右往復(fù)運(yùn)動，本文設(shè)計(jì)的多劍桿引緯機(jī)構(gòu)能夠一次同時(shí)引入多層緯紗，通過限位梁調(diào)整引緯動程(L)。通過節(jié)流閥調(diào)整進(jìn)劍和退劍速度，降低劍桿的沖擊性。

圖4 氣缸驅(qū)動的管狀多劍桿引緯機(jī)構(gòu)Fig.4 Multi-tubular rapier weft insertionmechanism

引緯過程如圖5所示。紗線通過管狀劍桿頭端的小孔，隨劍桿被引入梭口，橫穿織物寬度。隨后，鎖邊桿插入緯紗形成的三角區(qū)域。然后，劍桿退出梭口，回到初始位置。由此，在織物寬度方向上就形成了2條緯紗軌跡，即1次引緯運(yùn)動實(shí)際上引入2條緯紗。另外，該引緯方式的特征還在于緯紗是連續(xù)不斷被引入梭口。

圖5 引緯機(jī)構(gòu)Fig.5 Weft insertion mechanism.(a) Weft insertion; (b) Beating up

雖然這種引緯方式快速高效，但同時(shí)也增加了劍桿頭端與紗線的摩擦磨損。為降低纖維磨損的程度，主要采用2種方法克服：一是降低摩擦因數(shù)，采用陶瓷制的劍桿頭端；二是降低緯紗張力，保證緯紗在引緯過程中呈伸直狀態(tài)，可盡量使緯紗張力減小，從而降低緯紗與劍桿頭端的摩擦力。

1.2.4 打緯機(jī)構(gòu)

待劍桿徹底退出梭口并回到初始位置，筘板在氣缸驅(qū)動下將緯紗推向織口。通過氣壓閥調(diào)整打緯力，并通過節(jié)流閥調(diào)整筘板往復(fù)運(yùn)動的速度。

1.2.5 卷取機(jī)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的織物引離機(jī)構(gòu)不同于傳統(tǒng)二維劍桿織機(jī)的卷取機(jī)構(gòu)。因?yàn)槿S機(jī)織增強(qiáng)體厚度較大，不宜采用卷繞方式將織物引離織口，所以采用抽拉方式將織物引離。織物夾具固定于絲杠滑臺上，采用伺服電動機(jī)拖動絲杠滑臺，從而將織物引離。

1.3 軟硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述主要織造機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特征，設(shè)計(jì)織機(jī)控制系統(tǒng)，如圖6所示。該控制系統(tǒng)主要包括電源、人機(jī)交互觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動器、電磁閥、調(diào)壓閥。所設(shè)計(jì)的三維織機(jī)控制系統(tǒng)主要對電磁閥和伺服電動機(jī)進(jìn)行控制，控制流程如圖7所示。

圖6 三維機(jī)織PLC控制系統(tǒng)Fig.6 PLC control system of 3-D weaving process

圖7 織造控制流程圖Fig.7 Flow diagrams of weaving process.(a) Main flow process; (b) Sub flow process

所設(shè)計(jì)的織造控制方法為每個(gè)可移動綜框配置一個(gè)電磁閥，通過PLC控制電磁閥的通斷，即可實(shí)現(xiàn)多重綜框獨(dú)立開口，根據(jù)織物結(jié)構(gòu)，設(shè)置相應(yīng)的通斷順序。引緯運(yùn)動緊隨開口運(yùn)動后，進(jìn)劍和退劍是一個(gè)組合運(yùn)動，與鎖邊桿配合完成整個(gè)引緯過程。隨后，筘板將緯紗推向織口。通過PLC控制伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將織物引離織口。至此，完成一個(gè)引緯循環(huán)。

程序啟動后首先進(jìn)行織造參數(shù)設(shè)定，然后啟動織造進(jìn)入織造子程序。每進(jìn)行一個(gè)引緯循環(huán)都會讀取織造參數(shù)，即織造參數(shù)可實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動終點(diǎn)安裝有行程開關(guān)，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時(shí)，PLC接受開關(guān)信號，表示該動作執(zhí)行完成，程序繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)織造動作，從而銜接各織造機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

三維機(jī)織物采用無捻高性能纖維紗線，其參數(shù)規(guī)格如表1所示。經(jīng)緯紗采用碳纖維，使增強(qiáng)體獲得較好的拉伸模量和強(qiáng)度。采用芳綸纖維作為接結(jié)紗，因?yàn)榉季]纖維具有較好的耐摩擦性和韌性，在很大的彎曲變形下也不會斷裂起毛，并且高強(qiáng)度的芳綸纖維提高了增強(qiáng)體的層間性能。

表1 紗線參數(shù)

為觀察增強(qiáng)體內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，采用型號為EPOVIA? RF-1001的樹脂，運(yùn)用真空輔助樹脂灌注(VARTM)工藝浸潤增強(qiáng)體。

三維織物幾何參數(shù)可分為紗線參數(shù)和組織單元參數(shù)。紗線參數(shù)主要包括紗線橫截面積，橫截面長度和厚度，卷曲百分比(e)。組織單元參數(shù)描述機(jī)織物體系結(jié)構(gòu)的重復(fù)性組織單元特征，包括沿經(jīng)紗方向長度(Lw)、沿緯紗方向長度(Lf)，單元厚度(h)。

通過光學(xué)顯微鏡觀察復(fù)合材料樣本及各切面，結(jié)果如圖8所示。運(yùn)用ImageJ圖像處理軟件測量每一組分紗線軌跡長度、橫截面積、橫截面寬度和厚度以及組織單元的厚度和長度。紗線軌跡長度通過測量軌跡中心點(diǎn)的連線得到，用L′表示，紗線兩端直線段長度為L，其卷曲率計(jì)算式為

紗線橫截面積以及橫截面長度和厚度如表2所示。如圖8(b)所示沿經(jīng)紗切面，內(nèi)外側(cè)緯紗均未受接結(jié)紗的擠壓作用，橫截面積較大，且近似于矩形，其縱橫比較大。如圖8(c)所示沿緯紗切面，經(jīng)紗橫截面呈凸鏡形狀，各橫截面積接近。由于接結(jié)紗的間接擠壓作用，使經(jīng)紗橫截面往接結(jié)紗兩側(cè)偏移，其縱橫比最大。如圖8(d)所示沿接結(jié)紗切面，緯紗橫截面形態(tài)呈3種不同形狀，其中外側(cè)受接結(jié)紗擠壓的橫截面呈半橢圓形，橫截面積最小，而在外側(cè)未受擠壓的自由緯紗橫截面呈橢圓形。然而，相對于外側(cè)受擠壓的緯紗，在內(nèi)側(cè)的緯紗受到四周較小的擠壓而呈矩形，其縱橫比也因接結(jié)紗的作用而變化。綜上所述，由于接結(jié)紗的擠壓作用，經(jīng)紗橫截面發(fā)生偏移，使緯紗橫截面積和形狀沿紗線路徑變化。

組織單元幾何尺寸如表3所示，沿經(jīng)紗方向的組織單元長度與緯密相關(guān)，緯密由織造過程中的多種因素決定，主要包括紗線本身參數(shù)，紗線張力和打緯力。另外，沿緯紗方向的組織單元長度與經(jīng)密相關(guān)，所述的經(jīng)密為每厘米經(jīng)紗和經(jīng)向接結(jié)紗的總和。本文采用每厘米5個(gè)篩格的筘板，所以，沿緯紗方向組織單元長度的平均值約為10 mm。

圖8 織物增強(qiáng)體樣品及其橫截面顯微圖Fig.8 3-D woven reinforcement sample and microscopic images of cross section. (a) Top view of reinforcement; (b) Cross section along warp yarn; (c) Cross section along weft yarn; (d) Cross section along Z-binder yarn

切面紗線組分橫截面積/mm2長度/mm厚度/mm縱橫比/mm沿經(jīng)紗外側(cè)緯紗237265072368方向內(nèi)側(cè)緯紗243278085327外側(cè)緯紗240268080335沿緯紗經(jīng)紗208332072461方向接結(jié)紗0150920246沿接結(jié)外側(cè)緯紗(受擠壓)097193068284紗方向內(nèi)側(cè)緯紗209225095237外側(cè)緯紗(自由)353304112271

表3 組織單元幾何尺寸

各組分紗線的卷曲度如表4所示。經(jīng)紗、緯紗的內(nèi)側(cè)和外側(cè)自由部分未受接結(jié)紗擠壓，其卷曲度較低，而受擠壓的外側(cè)緯紗卷曲度顯著增加。另外，本文設(shè)計(jì)的接結(jié)紗在一個(gè)組織單元中貫穿織物2次，卷曲形態(tài)近似正弦曲線，其卷曲度達(dá)到70%以上。

表4 各組分紗線卷曲度

從上述圖表分析可知，三維機(jī)織物增強(qiáng)體經(jīng)緯紗的橫截面形狀及其軌跡受接結(jié)紗直接或間接的影響。由于接結(jié)紗的擠壓作用，經(jīng)緯紗在不同的軌跡位置呈現(xiàn)不同的橫截面形狀。本文所述的織造系統(tǒng)對每一根接結(jié)紗具有張力可調(diào)與緩減張力波動的能力，從而保證三維機(jī)織增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的可調(diào)可控。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)三維正交無卷曲機(jī)織增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種窄幅三維機(jī)織織造系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用氣缸作為開口、引緯和打緯的驅(qū)動元件，采用PLC實(shí)現(xiàn)各織造機(jī)構(gòu)的有序運(yùn)作，在降低成本的同時(shí)簡化了織機(jī)整體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在經(jīng)向引入接結(jié)紗，使其貫穿織物并與外側(cè)緯紗交織。

采用VARTM工藝浸潤并固化成形的三維織物，在光學(xué)顯微鏡下獲取并分析了增強(qiáng)體各切面的顯微圖像。各組分紗線橫截面形狀和面積隨紗線路徑變化。未受接結(jié)紗擠壓的紗線卷曲度較低，而受擠壓的外側(cè)緯紗卷曲度較大。分析結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的新型窄幅三維機(jī)織系統(tǒng)成功應(yīng)用并滿足三維正交無卷曲機(jī)織增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)的織造要求。

FZXB

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Design of 3-D woven reinforcement weaving system based on cylinder

YING Zhiping, WU Zhenyu, WANG Maolin, ZHOU Xiangqin, HU Xudong

(ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofModernTextileMachineryTechnology,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

In order to introduce the binder yarns penetrating through the thickness of fabric in the warp direction to enhance the interlayer performance of woven reinforced composites, a narrow 3-D weaving system was developed. The cylinder is used as the main driver for the multiple heald-frames independent shedding opening, multi-tubular rapier weft insertion and beating-up. A programmable logic controller was used to achieve the coordinated operation of weaving process which resulted in warp and weft yarn tiled orthogonal and the binder yarn penetrating through the thickness of fabric for the effect of restraining of layers. The cut planes along three paths (warp, weft and binder yarn, respectively) of 3-D woven reinforced composite were obtained by the optical microscope. The geometric parameters included yarns crimp percentage, yarn cross-sectional areas and the representative unit cell were measured and the results show that the 3-D orthogonal non-crimp woven reinforcement can be achieved by the 3-D weaving system, which provides a reference for the automation and mass production of 3-D woven reinforcement.

3-D weaving system; 3-D woven reinforce composite; binder yarn; cylinder

10.13475/j.fzxb.20160605006

2016-06-20

2017-03-10

浙江省公益技術(shù)研究國際合作項(xiàng)目(2016C34008)

應(yīng)志平(1989—)，男，博士生。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)紡織機(jī)械工程。胡旭東，通信作者，E-mail: texma@zstu.edu.cn。

TS 103.3

A