抽拔作用下棉纖維集合體壓力與摩擦力的變化規(guī)律

李勇 李健 吳蓓 張洪洲 陳曉川

摘要：為了研究棉纖維集合體的力學(xué)性能，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)抽拔亞克力圓筒內(nèi)夾持態(tài)的棉纖維集合體，薄膜壓力傳感器采集棉纖維集合體的軸向壓力，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)傳感器采集棉纖維集合體與圓筒的摩擦力，分析棉纖維集合體的壓力與摩擦力的變化規(guī)律。結(jié)果表明：棉纖維集合體內(nèi)部壓力分布不均勻，棉纖維集合體摩擦力使其軸向壓力發(fā)生波動(dòng)形成壓差。棉纖維集合體相對(duì)密度與軸向壓差、摩擦力均存在極佳的相關(guān)性。棉纖維集合體的相對(duì)密度是決定其內(nèi)部壓力和摩擦力的重要指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：棉纖維集合體;壓力;摩擦力;相對(duì)密度

中圖分類號(hào)：TS102.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1009-265X（2020）01-0006-05Variation of Pressure and Friction of Cotton

Fiber Assembly in Pullingout Process

LI Yong1， LI Jian1， WU Bei2， ZHANG Hongzhou1， CHEN Xiaochuan3

Abstract：In order to study the mechanical properties of cotton fiber assembly， experiments are designed to analyze the variation of pressure and friction of cotton fiber assembly by pulling out clamped cotton fiber assembly from acrylic cylinder， measuring the axial pressure of cotton fiber assembly with thin film pressure sensor and measuring the friction between cotton fiber assembly and cylinder with universal testing machine sensor. Results show that the pressure inside cotton fiber assembly is distributed unevenly， and the axial pressure of cotton fiber assembly fluctuates under its friction to form differential pressure. The relative density of cotton fiber assembly is in excellent correlation with both axial differential pressure and friction， and the relative density of cotton fiber assembly is an important index to determine its internal pressure and friction of cotton fiber assembly.

Key words：cotton fiber assembly; pressure; friction force; relative density

纖維集合體是輕質(zhì)、柔軟的散纖維體，纖維形態(tài)和纖維間排列不均一使其呈現(xiàn)多孔隙形態(tài)，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)其各項(xiàng)性能展開了深入研究[13]。纖維集合體的力學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部纖維形態(tài)和纖維堆砌形態(tài)相關(guān)[46]。Yan等[7]分析木棉纖維集合體的壓縮傳遞行為，發(fā)現(xiàn)木棉纖維集合體壓縮環(huán)節(jié)存在彈性、粘彈性、粘塑性3個(gè)階段，使其具有極佳的粘彈性。Smith[8]基于MaxwellWeichert模型解釋了大應(yīng)變條件下聚合物線性變形狀況。大量試驗(yàn)證實(shí)纖維集合體的力學(xué)行為體現(xiàn)出非線性的變化規(guī)律[9]，與彈性泡沫[10]、顆粒散體[11]的力學(xué)性能極為類似。

摩擦是纖維制品在加工、使用過程最為基本的力學(xué)行為。Nilakantan[12]研究發(fā)現(xiàn)改變纖維絲之間的摩擦系數(shù)，可增大纖維絲之間的摩擦力，從而增強(qiáng)織物的耗能作用。朱德舉等[13]測(cè)試了Kevlar49力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)在高應(yīng)變率作用下纖維絲間的摩擦對(duì)纖維束的力學(xué)性能影響顯著。呂超珍等[14]研究了股線接觸與摩擦行為，表明股線摩擦能量損耗隨摩擦系數(shù)的增大而增大，股線最大應(yīng)力與最大等效塑性應(yīng)變隨摩擦系數(shù)的增大呈近似線性增加。股線摩擦損傷隨摩擦系數(shù)的變化本質(zhì)上是股線接觸應(yīng)力不同所致。徐永紅[15]在分析塑料脫模抽拔阻力時(shí)，發(fā)現(xiàn)抽拔阻力與材料的收縮率、摩擦系數(shù)、彈性模量有關(guān);材料的彈性模量小，抽拔力越小，材料的彈性模量大，抽拔力越大。陳平等[16]在研究管狀織物在管子上抽拔過程中，發(fā)現(xiàn)管織物在力作用下由最大靜摩擦轉(zhuǎn)為滑動(dòng)摩擦，接觸應(yīng)力先增加后區(qū)域穩(wěn)定。目前，對(duì)于纖維制品摩擦性的研究尚少，纖維集合體作為一種獨(dú)立形體材料研究拖動(dòng)、拉拔等形式的力學(xué)行為和摩擦特性報(bào)道很少。

在前期棉纖維集合體壓縮性能研究的基礎(chǔ)上，本文分析了抽拔作用下棉纖維集合體的壓力與摩擦力形式，以及棉纖維集合體相對(duì)密度與壓力、摩擦力之間的關(guān)系，以期為棉纖維集合體的力學(xué)性能研究奠定基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)

1.1材料與儀器

原料為新疆阿拉爾市新陸中37手摘原棉（新疆新越絲路有限公司）。萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（上海卓技儀器設(shè)備有限公司），F(xiàn)A1104電子天平（上海安亭科學(xué)儀器廠），原裝進(jìn)口FSR400薄膜壓力傳感器（Interlink Electronics），有線薄膜壓力傳感軟件（安徽威科電子有線公司）。

1.2壓縮試驗(yàn)

稱取160 g原棉，裝入亞克力圓筒（外徑110 mm，壁厚3 mm）中，裝入圓筒內(nèi)的原棉由兩塊直徑100 mm的鋼板夾持（鋼板中心開孔，孔徑12 mm，兩鋼板由絲杠與螺母固定），置于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)定平臺(tái)上，圓筒夾持固定于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的下側(cè)固定端，再由夾頭拉動(dòng)絲杠提升，以一定的加載速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)（室內(nèi)溫度20 ℃，相對(duì)濕度50%）。裝置如圖1所示。

在上下鋼板內(nèi)側(cè)、棉纖維集合體中間位置分別設(shè)3處薄膜壓力傳感器（薄膜壓力傳感器為力敏型傳感器，其采集區(qū)直徑約為0.6 mm，采集信號(hào)由數(shù)據(jù)線導(dǎo)出），記錄棉纖維集合體的內(nèi)部壓力。上鋼板內(nèi)側(cè)為上傳感器，其采集壓力記為P1;棉纖維集合體中間為中傳感器，其采集壓力記為P2;下鋼板內(nèi)側(cè)為下傳感器，其采集壓力記為P3。在拉伸實(shí)驗(yàn)期間，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的傳感器采集棉纖維集合體與圓筒筒壁之間的摩擦力力值。

通過調(diào)節(jié)兩鋼板之間的距離，改變160 g棉纖維集合體的高度，從而調(diào)節(jié)鋼板夾持棉纖維集合體的密度。棉纖維集合體的相對(duì)密度計(jì)算公式為：

ρ=mV（1）

w=ρρ*0（2）

式中：m指棉纖維集合體質(zhì)量，g;V指棉纖維集合體體積，cm3;w指棉纖維集合體相對(duì)密度，%;ρ指棉纖維集合體的平均密度，g/cm3;ρ*0指棉纖維集合體壓縮致密的密度，值取1.0 g/cm3。

棉纖維在夾持狀態(tài)下，棉纖維集合體高度與其相對(duì)密度對(duì)照表，見表1。對(duì)圓筒內(nèi)的不同相對(duì)密度棉纖維集合體進(jìn)行抽拔實(shí)驗(yàn)，分析抽拔前后棉纖維集合體的壓力和摩擦力變化規(guī)律。

2結(jié)果分析

2.1抽拔作用下棉纖維集合體內(nèi)部壓力變化

棉纖維集合體（相對(duì)密度為0.171%）抽拔過程軸向壓力變化曲線，如圖2。圖2中，3個(gè)傳感器采集的壓力依次為P1>P2>P3。0～1 s時(shí)段，棉纖維集合體處于夾持狀態(tài)，如圖3（a）;1～10 s時(shí)段，棉纖維集合體處于抽拔狀態(tài)，如圖3（b）。其中，1～6 s時(shí)段，棉纖維集合體的軸向壓力變化，即為壓力波動(dòng)區(qū);6～10 s時(shí)段，棉纖維集合體的軸向壓力恒定。

此歸因于棉纖維集合體的壓縮是沿單一方向進(jìn)行的，而棉纖維集合體與泡沫材料類似，其沿受力方向逐漸致密呈非線性梯度變化，故棉纖維集合相對(duì)密度與其軸向壓力相關(guān)，其軸向壓力隨著相對(duì)體非均質(zhì)材料。在前期研究表明，棉纖維集合體的密度的增加而上升。據(jù)此，近似認(rèn)定夾持態(tài)棉纖維集合體的軸向壓力分布均勻，側(cè)向壓力隨密度梯度由上向下遞減，如圖3（a）所示。當(dāng)棉纖維集合體被抽拔作用時(shí)，其軸向壓力由下向上波動(dòng)調(diào)整，P1壓力增加，P2壓力下降，P3壓力下降，如圖3（b）所示。側(cè)向壓力亦隨軸向壓力變化而變化，側(cè)向壓力引發(fā)的摩擦力也隨之變化。

2.2抽拔作用下棉纖維集合體摩擦變化

在抽拔作用下，抽拔桿需克服棉纖維集合體（相對(duì)密度為0.171%）與圓筒之間的摩擦力而移動(dòng)。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的傳感器與抽拔桿連接，直接采集獲得棉纖維集合體與圓筒的摩擦力，摩擦力曲線，如圖4所示。

圖4中，棉纖維集合體的摩擦力由零增至臨界點(diǎn)，此過程定義為準(zhǔn)靜態(tài)摩擦，臨界點(diǎn)之后摩擦力呈起伏波動(dòng)狀態(tài)，此過程定義為滑動(dòng)摩擦。

臨界點(diǎn)處，棉纖維集合體的靜摩擦力達(dá)到最大，定義其為Femax。棉纖維集合體的滑動(dòng)摩擦力是不斷波動(dòng)的，此現(xiàn)象屬于滑動(dòng)摩擦振動(dòng)，取此階段的平均滑動(dòng)摩擦力作為摩擦力研究對(duì)象，定義其為Fd。

分析不同相對(duì)密度棉纖維集合體的軸向壓力波動(dòng)時(shí)間與準(zhǔn)靜態(tài)摩擦階段時(shí)間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)兩者存在較佳的相關(guān)性，亦表明棉纖維集合體軸向壓力波動(dòng)與其靜摩擦是相伴相生的，棉纖維集合體的摩擦力對(duì)軸向壓力調(diào)整起到促進(jìn)的作用。

2.3棉纖維集合體相對(duì)密度與軸向壓差的

關(guān)系抽拔前，各傳感器采集的棉纖維集合體軸向壓力依次為P1q、P2q、P3q;抽拔后，各傳感器采集的棉纖維集合體軸向壓力（恒定值）依次為P1h、P2h、P3h;抽拔前后的軸向壓差依次為σ1c、σ2c、σ3c。

棉纖維集合體相對(duì)密度與各傳感器軸向壓差的關(guān)系，如圖5、圖6、圖7所示，隨著棉纖維集合體相對(duì)密度的增加，σ1c>0，呈線性增加;σ2c<0，呈拋物線型增加;σ3c<0，呈拋物線型減少。棉纖維集合體相對(duì)密度與各傳感器軸向壓之間關(guān)系依次為σ1c=0.074 9w-0.002、σ2c=0.963 9e（w/0.011 5）-0.001、σ3c=-3.4×105e（w/0.035 7）-1.3×105，其相互間的相關(guān)系數(shù)依次為0.951 9、0.970 5、0.993 9。由此可見，棉纖維集合體相對(duì)密度與其同位置軸向壓差存在極佳的相關(guān)性。

2.4棉纖維集合體相對(duì)密度與摩擦力的關(guān)系

棉纖維集合體相對(duì)密度與最大靜摩擦力、平均滑動(dòng)摩擦力的關(guān)系，見圖8和圖9。在圖8、圖9中，隨著棉纖維集合體相對(duì)密度的增加，棉纖維集合體與筒壁的最大靜摩擦力、平均滑動(dòng)摩擦力均呈增加趨勢(shì)。棉纖維集合體相對(duì)密度與摩擦力之間關(guān)系依次為Femax=51.320e（w/0.116 5）-43.602、Fd=153.066e（w/0.209）-167.333，其相互間的相關(guān)系數(shù)依次為0.983 9和0.975 5。此歸因于，隨著棉纖維相對(duì)密度的增加，棉纖維集合體軸、側(cè)向壓力均增加，亦引起摩擦力的增加。

3結(jié)論

a）利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)抽拔亞克力圓筒內(nèi)的棉纖維集合體，薄膜壓力傳感器采集棉纖維集合體的軸向壓力，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)傳感器采集棉纖維集合體與圓筒之間的摩擦力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：夾持態(tài)的棉纖維集合體內(nèi)部壓力分布不均勻，是其相對(duì)密度分布不均勻所致。抽拔作用下棉纖維集合體的摩擦力促使軸向壓力再次重新調(diào)整，抽拔前后其軸向壓力波動(dòng)形成壓差。

b）分析棉纖維集合體相對(duì)密度與軸向壓差、摩擦力的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)棉纖維集合體相對(duì)密度與軸向壓差、摩擦力均存在極佳的相關(guān)性?？梢娒蘩w維集合體的相對(duì)密度是決定其內(nèi)部壓力和摩擦力的重要指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 景慧，于偉東.低密度山羊絨纖維集合體的壓縮性能[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，44（1）：33-37.

[2] 楊樹，李瑪莎.羊毛纖維集合體的分形結(jié)構(gòu)與其保暖性的關(guān)系[J].紡織學(xué)報(bào)，2017，38（8）：11-15.

[3] 吳彤，于偉東，鄭永紅，等.纖維形態(tài)對(duì)針刺非織造布吸聲系數(shù)的影響[J].聲學(xué)技術(shù)，2015，34（1）：68-74.

[4] CARNABY G A， PAN N.Theory of the compression hysteresis of fibrous assemblies[J].Textile Research Journal，1989，59（5）：275-284.

[5] NORMAN B B，WILLIAM W. R.Modeling and computer simulation of the compressional behavior of fiber assemblies part I：comparison to van wyks theory[J].Textile research Journal，2002，72（4）：341-351.

[6] NORMAN B B，WILLIAM W R.Modeling and computer simulation of the compressional behavior of fiber assemblies part II：hysteresis，crimp，and orientation effects[J].Textile research Journal，2002，72（5）：375-382.

[7] YAN J J，WANG F M，XU B G.Viscoelastoplastic modeling of compressional behaviors of kapok fibrous assembly [J].Textile Research Journal，2014，84（16）：1761-1775.

[8] SMITH T L.Nonlinear viscoelastic response of amorphous elastomers to constant strain rates[J].Rubber Chem Technol，1963，36：682-696.

[9] 李勇，張宏，張有強(qiáng)，等.棉纖維集合體壓縮力傳遞與密度關(guān)系[J].紡織學(xué)報(bào)，2016，37（11）：19-25.

[10] 晏紅梅，佘同希，周風(fēng)華.聚苯乙烯泡沫顆粒散體和整體集合的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)特性[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（6）：549-556.

[11] 陶嗣巍，劉顯雙，趙東.壓縮狀態(tài)下玉米秸稈粉粒體大變形有限元分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（20）：199-205.

[12] NILAKANTAN G.Filamentlevel modeling of Kevlar KM2 yarns for ballistic impact studies[J].Original Research Article Composite Strutures，2013，104：1-13.

[13] 朱德舉，黃蒙影.不同標(biāo)距及應(yīng)變率下纖維絲間摩擦對(duì)Kevlar49纖維束力學(xué)性能的影響[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2018，33（3）：366-376.

[14] 呂超珍，賴曉樺.拉伸彈性模量E對(duì)抽拔力的影響[J].輕工機(jī)械，2003（3）：19-20.

[15] 徐永紅.管狀織物在管子上抽拔過程的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬[D].上海：東華大學(xué)，2014.

[16] 陳平，馬勇，萬(wàn)建成，等.考慮股線接觸與摩擦行為的710 mm2碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（ACCC）股線損傷分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2017，37（5）：565-573.

收稿日期：2018-09-29網(wǎng)絡(luò)出版日期：2019-11-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金項(xiàng)目（11762020;31760340）

作者簡(jiǎn)介：李勇（1986-），男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，副教授，碩士，主要從事紡織功能材料方面的研究。

通信作者：陳曉川，Email：deyuzhijia@163.com