一種纖維摩擦因數求解算法設計

任娟莉

【摘 要】纖維的摩擦特性對紡織物有重要的影響，因此研究纖維的摩擦因數具有非常重要的意義。提出了一種使用歐拉方程測算纖維摩擦因數的方法，并設計出相對簡單、易操作的測量裝置。

【關鍵詞】纖維；摩擦因數；歐拉方程

1 纖維摩擦概述

紡織纖維的加工及應用中廣泛存在著摩擦現象。紡織纖維在加工時，纖維與纖維、纖維與加工機件間會有相對運動，因而會產生摩擦問題。如果摩擦力大，會影響加工效果；如果摩擦力小，會影響織成物質量。因此，纖維的摩擦性能不僅影響織物的加工工藝，也影響著織物的特征風格及服用特性。

織物特征風格是織物的物理性能對人體感官產生的效應。日常生活中，人們通過視覺和手感來獲得對織物的各種信息，織物的軟硬、滑糙等都是人們評價織物面料優劣的標準。研究表明，織物手感的評定受手指運動方向和手指與織物表面之間摩擦力的影響。

織物服用性是指紡織物的耐磨性、舒適性及冷暖感。耐磨性是衡量織物質量好壞的重要指標。在實際生活中，磨損是造成織物損壞的重要原因。而磨損就是由織物與其它物體間反復摩擦造成的，因此磨損與織物的表面摩擦性能關系密切；織物的舒適性也與摩擦相關。衣物如果表面光滑，與身體直接接觸時衣物和皮膚間的摩擦就小，皮膚就會感覺舒適。相反，如果表面粗糙，則與皮膚間的摩擦就大，皮膚就會感覺不舒服；摩擦也影響紡織物的冷暖感。研究表明，衣物與人體皮膚間的接觸面決定熱量的傳遞，而接觸面又與衣物織物表面摩擦特性相關，因此織物表面的摩擦特性與紡織物的熱傳遞性能密切。

綜上所述，纖維摩擦性能研究對紡織加工是非常重要的，故測算纖維摩擦因數就是極為必要的。

2 纖維摩擦系數測量方法

2.1 纖維摩擦的基本理論

摩擦就是相互接觸的兩個物體之間發生或即將發生滑移的現象。互相接觸的纖維發生滑移運動時，纖維的接觸處就會產生擠壓、變形、粘合、鎖結等。起初這些實際接觸只發生在部分粗糙的凸起處，加在這些實際接觸處的壓強就會很大，而強大的壓強會使接觸處的纖維材料產生屈服流動。隨著屈服流動的不斷進行，纖維接觸處的面積逐漸增大。當兩纖維間產生相對滑移運動時，產生屈服流動的接觸處就被剪切力打開，切開這些接觸處產生的剪切阻力就是阻止兩纖維相互移動的摩擦力。

2.2 歐拉方程在纖維摩擦因數測量上的應用

這就是歐拉方程。因為纖維就是一種撓性材料，故可以利用上述方程對纖維的摩擦因數進行準確測算。在摩擦因數的測算時，如果能夠測得撓性材料所受的兩端張力T1、T2以及撓性材料與輪的包角？琢，就可以利用上述歐拉方程來求解纖維摩擦因數。

2.3 纖維摩擦因數測量方案

采用絞盤法的原理。將待測的纖維樣品繞于滾筒之上，將滾筒安裝在軸上，滾筒通過聯軸器和減速器與電機相連。纖維的一端連接砝碼座加載裝置，另一端固定并連接上傳感器，以捕捉在不同加載情況下滾筒上纖維的運動狀態。根據纖維的最大承載，在加載裝置中對纖維進行由小到大的負載力的變化。然后起動電機，通過電機帶動軸的轉動，觀察滾筒上的纖維以及其所吊的砝碼在不同的負載情況下的運動情況，直至滾筒由最初的運動狀態轉換為靜止狀態。

通過傳感器對纖維在有無負載兩種情況下的示數，讀出纖維兩端所受的力的大小。根據歐拉方程在摩擦系數測量中的應用，得到的兩個力的大小即是纖維緊端與松端的力的大小。根據此時纖維對滾筒的夾角大小，經過一系列運算即可得待測纖維的摩擦因數大小。

3 纖維摩擦因數測量裝置設計

纖維摩擦因數測量裝置設計，重點是對驅動系統、傳動系統以及執行系統進行設計。

3.1 驅動系統

驅動系統設計主要是對步進電機的選擇。步進電機是常用的驅動裝置之一，適用于機電一體化產品的定位控制和定速控制。步進電機的轉速是由輸入脈沖的頻率所決定的，外界每輸入一個脈沖步進電機轉軸就相應步進一個步距角增量，電機的輸入脈沖數與電機的總回轉角成正比。選擇步進電機時，要求電機的輸出功率必須大于負載所需的功率，從而保證電機運行可靠。

3.2 傳動系統

3.2.1 減速器選擇

實際工作中，常利用減速器使電機回轉數與工作所需的回轉數一致。減速器輸入軸上的齒輪小、齒數少，輸出軸上的齒輪大、齒數多，通過大小齒輪的嚙合，減速器可以把電動機、內燃機或其它高速運轉的動力進行減速。輸出軸上大齒輪的齒數與輸入軸上小齒輪的齒數之比即為減速器的傳動比。本方案設計減速器的傳動比為8～60，對比不同減速器的傳動比性能，最終選用ZLY型減速器。

3.2.2 聯軸器選擇

聯軸器是機械傳動中的常用部件，主要用來連接軸與軸（或軸與其他回轉零件），以傳遞運動與轉矩。根據計算轉矩及所選的聯軸器類型，按T c？琢？燮[T]的條件由聯軸器標準中選定該聯軸器型號。式中的[T]為該型號聯軸器的許用轉矩。

從GB/T 4323—2002中查得TL2型彈性套柱銷聯軸器的許用轉矩為16N·m，許用最大轉速為7600 r/min，軸孔直徑在12～19之間。故選用此聯軸器作為本裝置中連接電機輸出軸和減速器輸入軸所用的聯軸器。

3.2.3 工作軸的設計與校核

軸是機械中的重要零件，做回轉運動的傳動零件（如齒輪、蝸輪等），都要安裝在軸上并通過軸才能進行運動及動力的傳遞。本裝置中所需的工作軸是為了起到支撐滾筒并使之完成既定運動的作用，因此，選擇光軸作為工作軸。左端采用定位盤對滾筒左端的安裝進行定位裝配，右端加工出一部分螺紋，滾筒裝上之后使用壓盤對滾筒右端進行定位，然后在壓盤右面擰上螺母來完成工作軸上各部分零件的軸向定位裝配。

對于傳動軸而言，因其只承受或主要承受扭矩，因此只按軸所受的扭矩來計算軸的強度；如果軸還承受不大的彎矩，則用降低許用扭轉切應力的方法來處理。在做軸的結構設計時，常采用此種方法來初步估算軸徑。

3.3 執行系統

3.3.1 摩擦力測試裝置

本設計通過對纖維、滾筒、軸、壓盤、定位盤以及傳感器的建模設計及型號選擇來搭建出一個測試裝置，在加載系統以及轉動控制系統的基礎上完成對摩擦力的測量，并經過計算最終得出摩擦因數。

工作軸軸徑為24mm，材料為45，并在右端加工一段螺紋以便進行軸上各個零件的很好定位；定位盤的作用主要是使工作軸和左邊的零件連接有軸向的定位與固定作用；纖維材質的滾筒是為了使待測纖維能在其上纏繞，避免待測纖維直接與鋼材料所做的軸直接接觸，從而得到更準確的纖維摩擦系數。左端大、右端小的結構是為了左端與定位盤定位，右端采用壓盤對其定位及固定，有利于節省材料；壓盤的可以保證滾筒的右端軸向定位，在其右端采用螺母進行軸向固定，使得軸上零件都能完成準確的定位。確保軸在正常運轉的情況下，滾筒不會出現偏離、滑移的情況。

結合前面的驅動系統和傳動系統，摩擦力測試裝置最終達到正常運轉。將待測纖維繞于滾筒上，通過電機轉動引起滾筒以及其上纖維的運動，在纖維一端進行加載，加載的砝碼的數量以及其運動狀態通過傳感器可以得到要測的參數，從而完成摩擦力的測量。

3.3.2 加載裝置

本裝置加載主要由砝碼來完成。通過增加砝碼的數量從而增加纖維的承載，觀察分析纖維在滾筒上的運動情況，對比砝碼的質量，得到該轉速下的動摩擦力，進而通過計算得出纖維的摩擦因數。

4 結論

本課題對纖維摩擦系數的測算方法進行了探索性的研究，能夠在環境變化小的情況下對纖維摩擦因數進行準確測算。今后，隨著纖維材料在更多領域內的廣泛使用，纖維摩擦因數的測量技術將會得到越來越多的研究和發展。

【參考文獻】

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[3]李智.纖維的摩擦性能測試方法[J].天津紡織科技，2010（02）.

[責任編輯：鄧麗麗]