圆环形织物的织造原理与设计.pdf

第2 7 卷第1 期 2 0 0 6 年1 月 纺织学报 h l m a lo fT b x m eR h V d 2 7 N o1 J a n2 0 0 6 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 6 ) 0 1 0 0 1 2 0 4 圆环形织物的织造原理与设计 郭兴峰1 ，刘春阳1 ，王瑞1 ，李风强2 ( 1 天津工业大学先进纺织复合材料天津市重点实验室，天津3 0 0 1 6 0 ；2 天津市天旭布业有限公司，天津3 0 0 1 4 2 ) 摘要研究了圆环形仿形织物的织造原理和设计。改造了现有织机的送经和卷取机构，采用纱架送经可满足仿 形织物经纱不等长的要求；采用圆台形成型控制辊，既控制织物的卷取，叉控制织物的形状结构形成圆环形机织 布，织物的纬纱沿圆台体的母线方向，经纱沿圆周方向。小等纬密仿形织物织造简单，但织物结构不均匀；等纬密 仿形织物要求织机的开口机构复杂，纬纱分为与全部经纱交织的长纬和仅与部分经纱交织的短纬，应合理设 r 纬 纱的完全组织循环和短纬在长纬中的分配，以使织物的结构均匀。 关键词织造原理；圆环形织物；缠绕；设计 中图分类号：碍J 0 6 6文献标识码：A W v i n gp r i n c i p I e 粕dd 鹳i g l l0 ft h ea n 耻1 8 rs h a p e dw o v e nf h b c s G u oX i “g 一矗m 一，u uc h u n y a “9 1 ，w A N GR 一，uF 。n g q i a n f ( 1 ，咖协从删。，胁啪删d7 h f 如。叫“H 曲肘n 船诎，m ，蛳P 0 扣鼬 疵胁酊 m 耐n3 0 0 1 6 0 ，蕊；2 z 乩硝n7 k w u 蹦mc 。，倒，咖3 0 0 1 4 2 ，西i M ) A b s t 珊c tT h i 8p 印e rn l a i n l yd e v o t e dt ot h ew e a 而“gp d n c i p l ea n dd e s j g 0 fI h ea n n u h rs h a p e df 曲打c s n e l e t - o f fa n dt a k e u pr n e c h a n i s m s0 ft h ew e a v i “gm a c h i n ew e r em o d i 6 e d T kc r e e ll e t o f rm e c h a n i s mc o u l dm e e t t h er e q u i I e m e n to fu n 。q L l a lw a r py m l e n 殍h0 ft h i sf a b d c T h er o u n dt a b l es h 印e dr o l l e rw a sa b l et oe o n t d t h et a k i n g u p0 ft h ef 0 珊e dc l o ¨1i nt l el o o m ，且sw e 船t h es h 8 p ea 1 1 ds tn l c t u r eo ft h ef a b d c 1 1 1 ew e ny 哪s w e ti nt h ed i I 钟t i o n0 ft h 。g e n e m t 打xo rt h er o u n d 七a b l es h 印e dr o l l e ra n dt h ew 8 r pe r I d sa l o n g 沁 c i l u e 托n c e 1 1 l e r ew e r et w ot y p e so fd e s i 印o fa n n u l a rs h a 畔dh b d c s ：w i t hu n e v e n 矗1 l i l l gd e n s i t ya n dw l t h e v e n6 l j i “gd e n s i t y T h ew e a v l n go ft h e 鼬五c sw i t hu n e v e n6 l l i “gd c n s i t yw a ss i m p l eb u ti th a du n e v e n l y d i s L d b u t e ds t r I l c t u r e W e a v i “gt I l ef 曲打c w i t h e v e n6 l l i “gd e n s i t yT e q u j r e ( 1r a t h e rc o m p l e xs h e d d i n g n e c h a n i s m n s6 l l i n gv a m sw e r ed i v i d e di n t o 山el o n p i c k sa n dt h es h o r to n e s ，t h ef o r r n e ri n t e r l a c e dw i t ha l l w a r py a m s ，w h e r e a st h el a u e ri n t e d 耻e dw i t ho n l yp a n0 ft h ew 3 r py a r n s T h ep i c kI e p e a ti ac o l l l p l e t e w e a v e ，a sw e l la st h ed i s t d b u t i o o f 山es h o np i c k sa m o ”gt h el o “go n e s ，s h o u l db 8p m p e d yd e s i g n e ds oa st 0 o b t a j nane v e nf h b d cs t n l c t u r e K e yw o r d s w e a v i “gp d n c j p l 8 ；a n n I l l a rs h 印e df a ¨c ；w i n d i “g ；d e s i g l l 在回转结构复合材料( 如锥形、缩放形喷管等) 的生产中，常使用二维、三维织物作增强材料。平面 结构的二维织物是应用最多的增强材料，尽管有平 纹、斜纹、缎纹等多种组织，但织物的变形能力有限， 再加上玻璃纤维、碳纤维等增强纤维的弹性很差，在 制造回转结构的复合材料时，往往需要裁剪织物，才 能避免复合成型时织物的皱褶，如沿4 5 。方向裁剪成 窄布条，再缝接成连续的斜裁布条，然后缠绕锥形构 件。织物裁剪不仅增加了工艺流程，使复合成型 过程复杂，还使增强纤维不连续，影响了复合材料的 力学性能。变截面管状三维增强织物”。的复合材料 具有不易分层、整体性好、力学性能优良等特点，但 它高昂的生产成本，目前还仅限于在航空、航天领域 应用。在传统织机上通过增减经纱的办法，能够生 收稿日期：2 0 0 5 0 3 一0 1修回日期：2 0 0 5 0 7 一药 基金项目：天津市高等学校科技发展基垒啊日( 2 0 0 3 1 5 0 I ) 作者简介：郭兴峰( 1 9 6 4 一) ，男，汉族，教授，博士。主要研究领域为机织物的结构和生产技术。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第l 期郭兴峰等：圆环形织物的织造原理与设计 【1 3 】 产碗形结构的预成型机织布”1 ，但成型效果不良，生 产效率低。 仿形织造技术“。5 1 是按照制品的外( 内) 廓形状 生产单层机织布，是传统织造技术的发展。生产的 织物以经( 纬) 纱不等长为特点，织物可呈曲面结构， 初步具有了制品的形状，在复合时将预成型织物缠 绕或层合起来，即可得到复合材料制品。由于这种 织物可在改造的织机上进行批量化生产，因而可降 低回转结构复合材料的生产成本。 1 缠绕仿形织物的结构 为了织造可应用于仿形缠绕的预成型机织布， 需首先根据回转体的结构将其曲面展开，然后再设 计经、纬纱相交织的交织规律和预成型织物结构。 1 1 圆台体的曲面展开及其预成型织物 圆柱体的曲面展开形式为矩形，这种形式可由 等经长、等纬长的平面织物构成，在传统织机上即可 生产。 对于圆台形回转体，如图l ( a ) 所示，其展开的 形状为圆环形，按其展开的形状织制的圆环形织物 如图1 ( b ) 所示，这种环形织物经缠绕即可构成圆锥 体，它的经纱不等长，处于圆环大半径位置的经纱长 度长，而处于小半径位置的经纱长度短。由于圆台 体的高度有限，设计预成型织物时纬纱沿圆环的半 径即圆台的母线方向，经纱沿圆周方向，若不考虑纬 纱缩率，则织物幅宽等于圆台体的母线长度。 ( 吣圆台体 f b l l 目环形织物 图1圆台体的预成型织物 1 2 任意回转体曲面展开及其预成型织物 对于母线呈曲线的回转体，其展开面为曲面形 状，图2 为曲线回转体及按其展开曲面织制的缠绕 仿形织物，图2 中还标出了织造该仿形织物的经、纬 纱方向，织物的幅宽与母线长度相近。对于更为复 杂的回转体结构，例如由圆柱、圆台等各种简单结构 组成的混合回转体，缩放形喷管，其展开的曲面形状 将更为复杂，但都规定其仿形织物的纬纱沿回转体 的母线方向，经纱沿回转体的圆周方向，且经纱很 长，这样预成型织物在缠绕复合材料时，可以根据设 计的厚度卷绕要求的层数。 回转件 仿形织物 图2曲面回转体的展开及其织物 复杂结构回转体的仿形织物，可由简单的内 凹、外凸形曲面织物构成，或由内凹、外凸、平面矩 形、圆环形中的几种形状组合而成，其织造的基本原 理具有类似性。本文仅讨论圆环形织物的设计与织 造，这种织物不仅可用于缠绕圆台形回转体，还可作 为飞轮、圆盘、大口径管道等的增强材料。 2 圆环形织物的生产原理 为了织制圆环形缠绕仿形织物，需对现有的织 造设备进行改造，主要改造了织机的送经和卷取机 构，而开口、引纬和打纬机构未作大的变化，生产原 理简图如图3 所示。 o o0 0oo 图3 缠绕仿形织物的织造原理示意图 送经采用纱架供纱，每根经纱引自一个供应卷 装，以满足缠绕仿形织物经纱不等长的要求。每根 经纱由一个张力装置控制，使经纱张力在织造过程 中保持恒定。织机原有的圆柱形卷取辊改为圆台 辊，它除了控制纬纱的密度外，还决定织物的成型， 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 【1 4 】纺织学报 第2 7 卷 因而称为成型控制辊。织物在成型控制辊上卷绕 时，形成要求的圆环形织物，在圆台大半径处织物的 经纱长度长，在小半径处经纱的长度短。改变圆台 形卷取辊的锥度，可以织制不同圆环半径的仿形织 物，以适应不同结构回转复合材料的要求。当织物 的设计长度短时，织成的织物可直接卷绕在成型控 制辊二，否则织物可经成型控制辊引出后，再卷绕到 卷布辊上( 未画出) ，采用的卷布辊形状与成型控制 辊相同。 圆环形织物的生产过程：从纱架引出的经纱经 开口、引纬和打纬，经纱与纬纱交织成织物，成型控 制辊将织物引离织造区，并形成所要求形状的预成 型织物。因仅对送经和卷取机构作了改进，因而它 充分利用了现有的织造技术，可以实现机械化生产， 织物的生产成本低。当复合材料的尺寸较小时，可 采用与复合材料尺寸相同的卷取辊；而当复合材料 尺寸大时，通过建立圆台形复合材料的展开面与卷 取辊锥度的关系，可确定适合织机生产的成型控制 辊，因而生产的预成型织物具有很高的仿形精度。 3 圆环形织物的设计 单层仿形织物可采用平纹、斜纹或缎纹等简单 的织物组织，以使开口机构简化。 圆环形织物的上机幅宽，即沿圆环半径方向的 幅宽主要决定于圆台体的母线长度，同时还考虑纬 纱织缩率的影响；织物的长度应满足缠绕一个或多 个圆台体的要求。织物的经、纬纱密度由复合材料 的设计强度决定，其中经纱密度取决于圆台体沿圆 周方向的强度，纬纱密度取决于沿轴向的强度。 3 1 不等纬密圆环形织物设计 不等纬密圆环形织物的织造最为简单，参见图 l ( b ) ，它的每根纬纱都贯穿整个上机筘幅，若采用平 纹组织，只需要2 页综框即可织造。由于织物各部 位的经纱长度存在差异，因而在圆环小半径处的纬 纱密度彤最大，在圆环大半径处纬纱密度形：最 小，差异率d 为 艿；( 。一畎) 形，= l 一月1 ，R 2 ( 1 ) 式中，屁。、R ：分别为圆台体的小、大端半径。可见， 纬密差异率与圆台体的大小半径差异有关，为减小 纬纱密度的差异，圆台体的锥度要小，高度不能 太大。 3 2 等纬密圆环形织物设计 若在纬纱密度较小的位置，以适当的间隔引入 短纬，就可以获得纬密较为均匀的仿形织物。长短 纬的存在，使得织机的引纬机构必须能够满足不同 长度纬纱的引入要求，图4 是采用梭子引纬织制的 圆环形织物示意图。由于采用一把梭子，长短纬必 须连续，因此应规定第一纬的引人方向，既从圆环的 大半径向小半径引入，且每种纬纱的连续引入数必 须为偶数。短纬应均匀分布在长纬之间，以使织物 的结构均匀。 圈4 等纬密圆环形织物 在织造时，若需要引入的纬纱是长纬，则全部经 纱形成贯通梭口，否则，根据短纬的引人区间，只有 部分经纱形成梭口，如在图4 中的区间、引入纬 纱，则只有该区间的经纱形成梭口，而区问I 、的 经纱并不形成梭口。由于各区段的经纱运动规律不 同，在上机时，经纱需要分段穿人不同的综框，在织 造图4 所示的平纹组织时，全部经纱分为4 段，最少 需8 页综框才能进行生产。经纱所分的区段越多， 短纬在长纬间的分布越分散，越有利于形成结构均 匀的织物，但要求开口机构控制经纱的能力越大，织 物设计也越复杂。在采用提花开¨时，通过合理设 计长短纬的分布，可以获得纬密非常均匀的仿形 织物。 设织物的纬纱密度为A ，则沿圆台体缠绕一层 织物需要的长纬根数，即沿圆环织物的小半径需要 的纬纱根数M 为 M ，= 2 R 。4( 2 ) 沿圆环织物的大半径需要的纬纱根数埘：为长 短纬之和： 肘2 = 2 R 2 A ( 3 ) 由式( 2 ) ，( 3 ) 可得短纬的根数： = 射2 一甜2 = 2 A ( R ：一露，) ( 4 ) 圆台体的母线为直线，设计缠绕成型的圆环形 织物时，短纬根数可在各区段平均分配，每种长度的 短纬数m 为： 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark 第1 期郭兴峰等：圆环形织物的织造原理与设计 【1 5 】 = v ，( 经纱区段数一1 )( 5 ) 对计算的长纬根数M 和各区段的短纬数。 进行修订，即可得到一个可上机织造的纬纱完全循 环数，它是长纬数和各区段所需的短纬数之和，计算 的埘；、可以构成一个或多个完全纬纱循环。构 造纬纱完全循环的原则：1 ) 长短纬都应为偶数，以免 梭子引纬时纬纱出现不必要的连续浮长线；2 ) 各区 段的短纬应分散在长纬之间，每次只能引入2 纬，以 图6 圆环形织物实际结构 避免短纬过于集中造成的孔洞和织物结构不匀整现 象；3 ) 完全循环数应尽量小，以便减小开口机构的纹 5结论 板链长度，减少上机时间。 4 等纬密圆环形织物的织造 经纬纱原料均选用5 0 0t e x 无碱无捻玻璃纤维 长丝，仿形织物采用平纹组织，经纬纱的密度都为 5 根，c m ，E 机幅宽1 6c m ，成型辊圆台体的大小半径 分别为48 、2 9c m 。经计算肼为9 l 根，为 1 5 1 根，则 r 为6 0 根。全部经纱分成4 段，因此3 种不同长度的短纬数各为2 0 根。长纬根数可修订 为9 2 根，一个完全组织的纬纱数包括4 6 根氏纬，3 种各为1 0 根纬纱的短纬。 I o + 2 + 2 + 2 + l8 + 2 。F 百百百 + 2 + 2 + 1 1 0 + 2 + 2 + 2 + 8 + 2 + 2 + 2 。每图5 短纬在长纬中的分配 一份的6 根短纬因长度 不同，也应均匀分配。以包含1 0 根长纬的为例， 6 根短纬在其中的分配可如图5 所示，凌图也是r 机织造纹板图的一部分。实际纵制的圆环形织物结 构如图6 所示。 通过改进织机的送经和卷取机构，可使织机具 有织造缠绕仿形织物的能力，纱架送经町满足仿形 织物经纱不等长的要求，成型控制辊既卷取织物，又 控制所织织物的成型。 采用圆台形卷取辊，可以织制圆环形织物，织造 时纬纱沿回转体的母线方向引入，经纱沿圆周方向， 织物的幅宽与所缠绕的复合材料母线长度接近。 不等纬密圆环形织物的织造简单，但织物结构 不均匀，纬纱密度的差异率与回转体的大小半径差 异有关。 等纬密圆环形织物的结构均匀，要求开口机构 控制经纱能力强，最好使用棱子引纬。t 机时经纱 被分成几段，纬纱分为贯穿整个梭口的长纬和仅与 部分经纱交织的短纬，应合理设计纬纱的完伞组织 循环和短纬在长纬中的分配。蝴 参考文献： 1 肖翠蓉，唐羽草复合材料工艺学 M 长沙：国防科 技大学出版社，1 9 9 1 2 9 2 2 9 5 2 郭兴峰，李晓九，王瑞，等变截【f i 管状机织增强材料 的织造1 哎计 J 纺织学报，2 0 0 4 2 5 ( 6 ) ：1 0 6 一1 0 7 3 黄故现代纺织复合材料 M 北京：中国纺织出版 社，2 0 0 09 0 9 1 f4 郭兴峰，李济群种机织物的织造方法 P 中国专 利，c N0 2 1 2 9 0 8 06 ，2 0 0 5 0 3 2 3 【5 B u s 舶1 1A ( k w e b l ef j 邢e n 一日a r du n da u s b l i c k n e u e r w e b t e c h n o l 唁j e n 【JJ M e l l i a n dT e x H l h e 五c h t e ，1 9 9 9 ，【6 ) ： 5 0 2 5 0 5 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the watermark