基于氣缸的三維機織增強體織造系統設計

應志平， 吳震宇， 汪茂林， 周香琴， 胡旭東

(浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

基于氣缸的三維機織增強體織造系統設計

應志平， 吳震宇， 汪茂林， 周香琴， 胡旭東

(浙江理工大學 浙江省現代紡織裝備技術重點實驗室，浙江 杭州 310018)

為在經紗方向引入貫穿織物厚度的接結紗從而提升機織增強復合材料層間性能，以三維正交無卷曲機織增強體為對象，設計了一種窄幅三維機織織造系統。采用氣缸作為開口、引緯和打緯的主要驅動部件，實現多重綜框的獨立開口運動與管狀多劍桿機構的多層梭口同時引緯運動，并在可編程控制器上實現各機構協調運作，使經緯紗垂直平鋪，接結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織增強復合材料各個切面(分別沿經紗、緯紗和接結紗)，并測量紗線卷曲度、橫截面積、組織單元尺寸等關鍵幾何參數。測量結果表明，這種三維機織系統可實現三維正交無卷曲機織增強體的織造。

三維機織織造系統； 三維機織增強復合材料； 接結紗； 氣缸

機織增強復合材料因其超高的比強度、比模量和抗腐蝕性能，被廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等工業領域[1]。然而，傳統機織增強體是通過層層鋪設得到，其僅在經向和緯向對復合材料有纖維增強作用，這種增強結構缺乏層間約束，故而易發生層間分離，降低了復合材料的整體性能[2-3]。

為提高機織增強復合材料的層間性能，在織物厚度方向引入起層間約束作用的接結紗是最有效的方法之一。由此，國內外學者在織造設備方面主要進行了2種形式的改進：一是在傳統織機的基礎上，改造開口、引緯等主要織造機構和運動規律[4-6]，從而使部分經紗實現貫穿織物從而得到整體性較好的三維機織增強體；二是基于機織織造原理，研制小型窄幅三維織機。其中，Bilisik和Mohamed等[7- 8]研究的多軸向三維機織機構不僅在層間引入接結紗，還在面內引入偏軸紗，從而使增強體得到較好的面內剪切性能。另外，陳革等[9]設計了一種新型的劍桿引緯系統可實現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，每個綜框都有一個伺服電動機驅動，從而使多層經紗形成多個清晰的梭口，但是這種織造機構成本較高。

本文借鑒上述織造機構，采用氣缸作為三維織機開口、打緯和引緯運動的驅動元件，實現多重綜框的獨立開口和管狀多劍桿機構的多層梭口同時引緯，以PLC為控制核心使各織造運動協調運作。

1 織造系統設計

1.1 設計思路

本文設計的織造系統需能夠實現的三維正交無卷曲機織物的織造，該類織物一般由4組紗線構成，分別是經紗、緯紗、經向接結紗、絞邊紗，如圖1所示。設織機軸向為X軸，織機幅寬方向為Y軸，織物厚度方向為Z軸。經紗平行于織機軸向并布置2層。緯紗垂直于織機軸向并布置3層，其中有2層在經紗外側(上層和下層)，1層在經紗內側(中間層)。經紗和緯紗垂直排列不相互交織，故而經緯紗無卷曲。經向接結紗在Z軸方向貫穿織物，與上下層緯紗呈平紋交織結構，從而將經紗層和緯紗層緊密捆綁。另外，需要特別指出緯紗是連續不斷的引入，所以一次引緯能夠形成往復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 三維正交無卷曲機織物Fig.1 3-D non-crimp orthogonal woven fabric

1.2 織造機構設計

為實現上述三維正交無卷曲機織物的織造，以傳統劍桿織機為基礎，設計相應的織造機構。

1.2.1 送經機構

經紗和接結紗沿織機軸向分布，每根紗線配備獨立的紗筒，紗筒置于特定的攜紗裝置內，如圖2所示。通過更換不同彈性系數的彈簧來調整紗線張力，攜紗裝置解鎖原理見圖2。當紗線的牽引力大于張力設定值時，鎖定銷子打開，紗筒旋轉，紗線從紗筒上退出以緩減牽引力，當牽引力小于張力設定值，紗筒被鎖定，如此循環間歇送經。

圖2 攜紗裝置Fig.2 Yarn feeding mechanism

1.2.2 開口機構

根據三維正交無卷曲機織物的結構特征，開口機構由2種綜框構成，一種是固定綜框，用來固定多眼綜絲并將經紗均勻分層，使經紗呈伸直平鋪結構；另一種是移動綜框，用來牽引接結紗使其上下分層形成適當大小的梭口供緯紗引入。平紋結構僅需2個可移動的綜框，斜紋及其他結構織物則需要3個或更多綜框。根據不同的交織方案，可增減可移動綜框的數量并設定各個綜框的運動規律。

開口機構原理如圖3所示。氣缸伸縮桿的一端通過銷子固定在綜框上。根據不同的開口大小，調整限位梁的位置。采用2位五通電磁閥控制氣缸開關，即實現綜框的循環開口運動。通過調整氣缸流量，可控制開口的速度。因為氣缸活塞以氣壓差為動力，其運動速度較線性，并具有一定的沖擊性，需要調整氣體流量來調整開口速度，以使織造過程更加平順。

圖3 氣缸驅動的多重獨立開口機構Fig.3 Multiple heald-frames independent shedding mechanism

1.2.3 引緯機構

所設計的磁耦式無桿氣缸驅動的管狀多劍桿引緯機構如圖4所示。3根管狀劍桿固定于氣缸滑塊，隨滑塊左右往復運動，本文設計的多劍桿引緯機構能夠一次同時引入多層緯紗，通過限位梁調整引緯動程(L)。通過節流閥調整進劍和退劍速度，降低劍桿的沖擊性。

圖4 氣缸驅動的管狀多劍桿引緯機構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次引緯運動實際上引入2條緯紗。另外，該引緯方式的特征還在于緯紗是連續不斷被引入梭口。

圖5 引緯機構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，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，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 打緯機構

待劍桿徹底退出梭口并回到初始位置，筘板在氣缸驅動下將緯紗推向織口。通過氣壓閥調整打緯力，并通過節流閥調整筘板往復運動的速度。

1.2.5 卷取機構

所設計的織物引離機構不同于傳統二維劍桿織機的卷取機構。因為三維機織增強體厚度較大，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，采用伺服電動機拖動絲杠滑臺，從而將織物引離。

1.3 軟硬件設計

根據上述主要織造機構的運動特征，設計織機控制系統，如圖6所示。該控制系統主要包括電源、人機交互觸摸屏、PLC、伺服驅動器、電磁閥、調壓閥。所設計的三維織機控制系統主要對電磁閥和伺服電動機進行控制，控制流程如圖7所示。

圖6 三維機織PLC控制系統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

所設計的織造控制方法為每個可移動綜框配置一個電磁閥，通過PLC控制電磁閥的通斷，即可實現多重綜框獨立開口，根據織物結構，設置相應的通斷順序。引緯運動緊隨開口運動后，進劍和退劍是一個組合運動，與鎖邊桿配合完成整個引緯過程。隨后，筘板將緯紗推向織口。通過PLC控制伺服電動機的轉速和轉角，將織物引離織口。至此，完成一個引緯循環。

程序啟動后首先進行織造參數設定，然后啟動織造進入織造子程序。每進行一個引緯循環都會讀取織造參數，即織造參數可實時進行調整。各執行機構的運動終點安裝有行程開關，當到達指定位置時，PLC接受開關信號，表示該動作執行完成，程序繼續執行下一個織造動作，從而銜接各織造機構的運動。

2 實驗驗證

三維機織物采用無捻高性能纖維紗線，其參數規格如表1所示。經緯紗采用碳纖維，使增強體獲得較好的拉伸模量和強度。采用芳綸纖維作為接結紗，因為芳綸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，并且高強度的芳綸纖維提高了增強體的層間性能。

表1 紗線參數

為觀察增強體內部幾何結構，采用型號為EPOVIA? RF-1001的樹脂，運用真空輔助樹脂灌注(VARTM)工藝浸潤增強體。

三維織物幾何參數可分為紗線參數和組織單元參數。紗線參數主要包括紗線橫截面積，橫截面長度和厚度，卷曲百分比(e)。組織單元參數描述機織物體系結構的重復性組織單元特征，包括沿經紗方向長度(Lw)、沿緯紗方向長度(Lf)，單元厚度(h)。

通過光學顯微鏡觀察復合材料樣本及各切面，結果如圖8所示。運用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)所示沿經紗切面，內外側緯紗均未受接結紗的擠壓作用，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，經紗橫截面呈凸鏡形狀，各橫截面積接近。由于接結紗的間接擠壓作用，使經紗橫截面往接結紗兩側偏移，其縱橫比最大。如圖8(d)所示沿接結紗切面，緯紗橫截面形態呈3種不同形狀，其中外側受接結紗擠壓的橫截面呈半橢圓形，橫截面積最小，而在外側未受擠壓的自由緯紗橫截面呈橢圓形。然而，相對于外側受擠壓的緯紗，在內側的緯紗受到四周較小的擠壓而呈矩形，其縱橫比也因接結紗的作用而變化。綜上所述，由于接結紗的擠壓作用，經紗橫截面發生偏移，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，沿經紗方向的組織單元長度與緯密相關，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，紗線張力和打緯力。另外，沿緯紗方向的組織單元長度與經密相關，所述的經密為每厘米經紗和經向接結紗的總和。本文采用每厘米5個篩格的筘板，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沿經紗外側緯紗237265072368方向內側緯紗243278085327外側緯紗240268080335沿緯紗經紗208332072461方向接結紗0150920246沿接結外側緯紗(受擠壓)097193068284紗方向內側緯紗209225095237外側緯紗(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。經紗、緯紗的內側和外側自由部分未受接結紗擠壓，其卷曲度較低，而受擠壓的外側緯紗卷曲度顯著增加。另外，本文設計的接結紗在一個組織單元中貫穿織物2次，卷曲形態近似正弦曲線，其卷曲度達到70%以上。

表4 各組分紗線卷曲度

從上述圖表分析可知，三維機織物增強體經緯紗的橫截面形狀及其軌跡受接結紗直接或間接的影響。由于接結紗的擠壓作用，經緯紗在不同的軌跡位置呈現不同的橫截面形狀。本文所述的織造系統對每一根接結紗具有張力可調與緩減張力波動的能力，從而保證三維機織增強體結構的可調可控。

3 結 語

本文根據三維正交無卷曲機織增強體的結構特點，設計了一種窄幅三維機織織造系統。該系統采用氣缸作為開口、引緯和打緯的驅動元件，采用PLC實現各織造機構的有序運作，在降低成本的同時簡化了織機整體結構，實現了在經向引入接結紗，使其貫穿織物并與外側緯紗交織。

采用VARTM工藝浸潤并固化成形的三維織物，在光學顯微鏡下獲取并分析了增強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。未受接結紗擠壓的紗線卷曲度較低，而受擠壓的外側緯紗卷曲度較大。分析結果表明，所設計的新型窄幅三維機織系統成功應用并滿足三維正交無卷曲機織增強體結構的織造要求。

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

浙江省公益技術研究國際合作項目(2016C34008)

應志平(1989—)，男，博士生。研究方向為先進紡織機械工程。胡旭東，通信作者，E-mail: texma@zstu.edu.cn。

TS 103.3

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