碳纖維織物打緯機(jī)構(gòu)國內(nèi)外發(fā)展綜述

弭俊波，楊建成

（天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；天津市機(jī)械基礎(chǔ)及紡織裝備設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心：天津 300387）

0 引言

國內(nèi)碳纖維織機(jī)是在傳統(tǒng)織機(jī)基礎(chǔ)上，結(jié)合碳纖維紗線基本特性及其生產(chǎn)工藝要求，對傳統(tǒng)劍桿織機(jī)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化發(fā)展而來的。如國內(nèi)某企業(yè)對國產(chǎn)GA747－Ⅱ型劍桿織機(jī)進(jìn)行升級改進(jìn)，創(chuàng)造性地提出了模擬整經(jīng)的方法來織造碳纖維布，著重優(yōu)化了紗線張力控制系統(tǒng)、綜平角度分配、綜框開口量和引緯時(shí)間等碳纖維布的織造工藝，在應(yīng)對碳纖維紗線脆性高、起毛多等問題上效果明顯。由于打緯機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)稍大，使織物偶爾產(chǎn)生疵點(diǎn)，為此天津工業(yè)大學(xué)積極響應(yīng)國家邁向制造強(qiáng)國的號召，開發(fā)出具有國際先進(jìn)水平的碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)［1］。該裝備能織造幅寬為1200 mm、經(jīng)紗層數(shù)為30 層的碳纖維多層織物，然而面對厚重的碳纖維多層織物，其打緯機(jī)構(gòu)存在打緯力不足的問題。國外一些制造業(yè)大國在碳纖維織造領(lǐng)域也取得了傲人成績，德國多尼爾（Dornir）公司研發(fā)的多尼爾碳纖維專用劍桿織機(jī)，運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好、幅寬大，非常有代表性［2］，但該織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)不適用厚度大的碳纖維立體織物的織造。此外，日本東麗公司、韓國三星集團(tuán)紡織分社、美國赫氏公司、法國博舍（Porcher Industries）公司等也設(shè)計(jì)出了碳纖維專用織機(jī)，且自動(dòng)化水平極高，這些織機(jī)往往只用于織造某一特定結(jié)構(gòu)碳纖維織物，產(chǎn)品覆蓋率稍低。可以說，我國在碳纖維專用織機(jī)研究方面任重道遠(yuǎn)。

1 擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)

1．1 六連桿擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)打緯機(jī)構(gòu)常采用連桿式或共軛凸輪式，筘安裝在擺臂筘座腳上，筘與擺臂同步繞擺臂擺動(dòng)中心做圓弧擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)［3］。國內(nèi)某公司引進(jìn)國外先進(jìn)織機(jī)技術(shù)，結(jié)合自身相關(guān)技術(shù)儲備，設(shè)計(jì)制造了多款高速噴氣織機(jī)，以G1756型織機(jī)為例，該織機(jī)的設(shè)計(jì)以玻璃纖維紗線的物理化學(xué)特性為基礎(chǔ)，優(yōu)化后開發(fā)出新一代玻璃纖維織機(jī)，為盡量減少筘與玻璃纖維紗線的摩擦，該織機(jī)按最小打緯動(dòng)程設(shè)計(jì)，織物幅寬為190cm～250cm 時(shí)應(yīng)用四連桿打緯機(jī)構(gòu)，而當(dāng)織物幅寬大于280cm 時(shí)應(yīng)用六連桿打緯機(jī)構(gòu)［4］（見圖1）。在工藝允許的前提下盡可能地減小打緯動(dòng)程，不僅減少了筘對玻璃纖維、碳纖維紗線的摩擦損傷，而且提高了打緯頻率、減小了織機(jī)振動(dòng)，使織機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)可靠，但由于該織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的限制，不能織造厚度大的立體織物，且連桿機(jī)構(gòu)剛性較差。

圖1 六連桿擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)示意

1．2 共軛凸輪式擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)

目前，常用的高速噴氣織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)主要為連桿（四連桿和六連桿）式打緯機(jī)構(gòu)和共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)［5］。根據(jù)機(jī)織物生產(chǎn)工藝要求，打緯和引緯兩大運(yùn)動(dòng)需協(xié)調(diào)配合、避免產(chǎn)生干涉，引緯時(shí)筘應(yīng)在后死心位置（筘運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)）保持靜止或合理的低速運(yùn)動(dòng)，以提供足夠的引緯時(shí)間。關(guān)于主流打緯機(jī)構(gòu)方式，各不相同。日系織機(jī)常應(yīng)用連桿式打緯機(jī)構(gòu)，而歐美國家大多選擇共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)，這與設(shè)計(jì)制造理念不同有關(guān)。然而，共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)相比連桿式打緯機(jī)構(gòu)有諸多優(yōu)勢，更容易滿足引緯時(shí)間的要求，且打緯動(dòng)力學(xué)性能更優(yōu)、主軸同轉(zhuǎn)速下輸出的打緯力更大，更適用于寬幅織機(jī)，在高速織機(jī)上共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)（見圖2）表現(xiàn)更佳，響應(yīng)快、慣性小、織機(jī)振動(dòng)小［6］。

圖2 共軛凸輪式擺動(dòng)打緯機(jī)構(gòu)示意

相比連桿，共軛凸輪加工工藝要求更高，制造復(fù)雜，成本更高，由于資源緊缺，日系織機(jī)制造商在設(shè)計(jì)層面更多考慮成本問題，這也導(dǎo)致許多日本織機(jī)制造商選擇放棄使用共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)。目前，歐洲制造商推出的機(jī)型趨于模塊化設(shè)計(jì)，可在一定程度上降低成本。

擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)以其成熟的技術(shù)優(yōu)勢在碳纖維織物織造領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，根據(jù)碳纖維紗線特有的屬性如抗拉能力強(qiáng)、橫向易折斷、摩擦易起毛等，對擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，適當(dāng)降低筘打緯動(dòng)程，來減少筘齒對碳纖維經(jīng)紗的磨損。擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)僅僅能夠滿足碳纖維單層織物的織造，面對碳纖維多層及中空織物，擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)無法為織口內(nèi)每層緯紗提供相同的打緯力，因此織造碳纖維多層及中空織物時(shí)筘需做平行打緯運(yùn)動(dòng)。

2 平行打緯機(jī)構(gòu)

玻璃纖維紗線的抗拉能力強(qiáng)、抗剪切能力弱、摩擦易起毛等與碳纖維紗線比較類似，因此，許多碳纖維織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)都參考了玻璃纖維織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)［7－8］。如前所述，碳纖維立體織物包括碳纖維多層織物和碳纖維中空織物，其與常見的服飾面料布匹最大區(qū)別在于，碳纖維立體織物厚度往往較大，織口內(nèi)緯紗并列排布在不同水平高度，普通布匹織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)筘做軌跡為圓弧擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，若碳纖維立體織機(jī)筘仍做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，打緯時(shí)碳纖維立體織物不同層緯紗受力將不均勻，無法保證每層緯紗能順利進(jìn)入織口，這就大大降低了碳纖維立體織物的品質(zhì)［9］。為使碳纖維立體織物不同層緯紗受力均勻，保證每層緯紗能順利進(jìn)入織口，設(shè)計(jì)出連桿平行打緯機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 連桿平行打緯機(jī)構(gòu)示意

為實(shí)現(xiàn)平行打緯，國內(nèi)外學(xué)者給出了不同的解決方案，比如BADAWI M S S S提出利用氣缸的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)筘的水平打緯［10］，但由于氣缸的驅(qū)動(dòng)力不易控制，沖擊較大且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，不利于碳纖維織物的生產(chǎn)；國內(nèi)學(xué)者也提出用四連桿結(jié)合曲柄滑塊的組合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平行打緯，且通過優(yōu)化各桿件之間的尺寸關(guān)系可以得出比較適宜的打緯運(yùn)動(dòng)規(guī)律，但這種方案存在打緯力不足等問題；平行打緯機(jī)構(gòu)還有增力機(jī)構(gòu)、正弦機(jī)構(gòu)和導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)的六桿機(jī)構(gòu)等［11］，雖然解決了平行打緯的問題，但存在機(jī)構(gòu)振動(dòng)大、速度慢等缺點(diǎn)。

3 打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置

打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置在近20多年的發(fā)展過程中也有一定變化，20世紀(jì)90年代末比利時(shí)必佳樂公司展出了開關(guān)磁阻電機(jī)，用于織機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)，這類交流同步電機(jī)適用于低速大扭矩啟動(dòng)環(huán)境，目前相關(guān)技術(shù)已十分成熟，特別適用于高速噴氣織機(jī)。開關(guān)磁阻電機(jī)和可變磁阻電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制電路簡單、工作可靠、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、頻繁啟動(dòng)工況下性能良好等特點(diǎn)，特別適用于做碳纖維立體織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力。

4 打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析概況

陳建能等學(xué)者對非圓齒輪行星輪系利用三次埃爾米特插值多項(xiàng)式對劍桿織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，用于求解加速度曲線，為打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究提供了理論參考［12］。林萬煥等人以Hermite多項(xiàng)式為基礎(chǔ)，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程反求法對打緯機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行求解，并利用最小二乘法擬合出打緯機(jī)構(gòu)共軛凸輪輪廓線，為打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析奠定了理論依據(jù)［13］。袁汝旺等學(xué)者利用基本桿組法對軸向六連桿打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺度綜合，求得了打緯機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，為提高打緯機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率、降噪等奠定了理論基礎(chǔ)。

姜海濤利用閉環(huán)矢量法對四連桿—曲柄滑塊打緯機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并在Simulink中建立了運(yùn)動(dòng)仿真模型，得出筘座滑塊的位移、速度和加速度特性曲線［14］。Li Z J等借助MATLAB對共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，將三角函數(shù)和線性函數(shù)相結(jié)合，為優(yōu)化打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供參考［15］。CELIK H I等人對地毯織機(jī)四桿曲柄搖桿打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺度綜合分析，為提高織機(jī)速度提供了理論依據(jù)。

5 打緯機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析概況

共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)適用于高速織機(jī)，有學(xué)者對傳統(tǒng)共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了柔性動(dòng)力學(xué)分析，為高速打緯機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)［16］。鄧威進(jìn)將打緯機(jī)構(gòu)筘座系統(tǒng)簡化為均質(zhì)簡支梁模型，對筘座系統(tǒng)建立動(dòng)力學(xué)方程，分析了打緯過程中筘座系統(tǒng)的振動(dòng)情況，并利用ANSYS對其進(jìn)行模態(tài)分析，得出筘座系統(tǒng)前十階固有頻率，為研究打緯機(jī)構(gòu)筘的振動(dòng)提供了思路［17］。

鄭明亮利用Lie對稱性理論對曲柄滑塊式打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析，在分析力學(xué)理論基礎(chǔ)下建立了二自由度打緯機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，為織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)［18］。金國光等學(xué)者運(yùn)用Rayleigh－Ritz法對劍桿織機(jī)共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)柔性從動(dòng)件進(jìn)行離散化處理，并利用Lagrange方程建立了共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)柔性從動(dòng)件動(dòng)力學(xué)方程，為減小打緯機(jī)構(gòu)振動(dòng)造成的筘座角偏差、提高共軛凸輪壽命等奠定了理論基礎(chǔ)［19］。

秦凱旋利用Adams對共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)滾子與凸輪之間的碰撞及接觸力變化規(guī)律做了理論研究，提供了通過改變筘座材料以減小滾子與凸輪之間接觸力的方法來提高共軛凸輪壽命的理論方法［20］。魯寧等基于Adams虛擬樣機(jī)對四連桿式打緯機(jī)構(gòu)建立動(dòng)力學(xué)模型，分析了往復(fù)擺動(dòng)的筘座工作效率及打緯機(jī)構(gòu)對織機(jī)墻板的振動(dòng)影響，為研究織機(jī)振動(dòng)特性及優(yōu)化提供了參考［21］。

NOWAKOWSKI C等學(xué)者對發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸建立了柔性動(dòng)力學(xué)方程，分析了曲軸高速旋轉(zhuǎn)過程中的變形情況，為研究高速打緯機(jī)構(gòu)柔性變形提供了理論參考［22］。Xue W L 等學(xué)者對四連桿式打緯機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了間隙動(dòng)態(tài)分析，研究了連桿關(guān)節(jié)處的間隙振動(dòng)，為提高四連桿式打緯機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度指明了方向［23］。Tang X M 等學(xué)者基于有限元軟件ANSYS對打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究，計(jì)算出了打緯機(jī)構(gòu)搖桿振動(dòng)模態(tài)，為設(shè)計(jì)高性能打緯機(jī)構(gòu)提供了參考［24］。

針對擺動(dòng)式打緯機(jī)構(gòu)及滑塊式平行打緯機(jī)構(gòu)在織造碳纖維多層及中空織物時(shí)的不足，衍生了一種共軛凸輪與四連桿相結(jié)合的組合式平行打緯機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 共軛凸輪—四連桿平行打緯機(jī)構(gòu)示意

利用目前對打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等的研究結(jié)果，對該共軛凸輪—四連桿平行打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其在打緯前死心位置鋼筘處于豎直狀態(tài)，不僅可實(shí)現(xiàn)平行打緯，且該機(jī)構(gòu)響應(yīng)快、輸出打緯力充足，不僅能用于普通單層碳纖維織物織造，而且能滿足碳纖維多層及中空織物的生產(chǎn)要求，適用性強(qiáng)。

6 結(jié)論

實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中打緯機(jī)構(gòu)種類的選擇因織機(jī)工況及織物產(chǎn)品類型而定，連桿式打緯機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對簡單、加工及日常維護(hù)成本低、技術(shù)成熟可靠性高，多用于低速織機(jī)；相比連桿，共軛凸輪剛度更高、高速時(shí)不易變形、響應(yīng)快且輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，因此在高速重載織機(jī)上常選用共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)。隨著機(jī)加工水平的不斷提高，共軛凸輪的制造精度也得到了保證，這也進(jìn)一步促進(jìn)了共軛凸輪在打緯機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用。中空織物及多層織物由于其各層緯紗不在同一水平面，為使鋼筘對織口內(nèi)每層緯紗作用相同的打緯力，鋼筘筘面必須與織口內(nèi)織物橫截面平行，因此中空及多層織物織機(jī)必須選用平行打緯機(jī)構(gòu)，共軛凸輪—四連桿平行打緯機(jī)構(gòu)產(chǎn)品適用性更強(qiáng)、輸出打緯力更大。當(dāng)前各類織機(jī)不斷朝著高速化、智能化方向發(fā)展，共軛凸輪式打緯機(jī)構(gòu)越來越普遍，打緯機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)形式也從傳統(tǒng)主軸統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)發(fā)展到更智能的伺服系統(tǒng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

7 結(jié)語

打緯機(jī)構(gòu)是整套織機(jī)中極為重要的一環(huán)，在織物織造過程中起著紐帶作用。通過對打緯機(jī)構(gòu)類型及研究方法的闡述，提高了對打緯機(jī)構(gòu)的認(rèn)識，為后續(xù)開展打緯機(jī)構(gòu)方面的研究做出鋪墊。關(guān)于各類打緯機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究，特別是對共軛凸輪—四連桿平行打緯機(jī)構(gòu)的研究，對提高碳纖維織機(jī)的整體性能及我國紡織行業(yè)技術(shù)水平有著深遠(yuǎn)意義。