圆环形织物的织造原理与设计.pdf

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1、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

2、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

3、 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

4、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

5、 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

6、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

7、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

8、 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

9、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

10、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

11、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.PDFWatermarkR 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

12、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

13、 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

14、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

15、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.PDFWatermarkR 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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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 )

21、 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.PDFWatermarkR 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 )

22、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

23、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

24、 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

25、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.PDFWatermarkR to remove the watermark