編織膠管骨架層編織過程的導程和張力控制研究

曹施展

（南京利德東方橡塑科技有限公司，江蘇 南京 210028）

編織膠管具有承壓高、柔韌性好、對惡劣工況適應性強等諸多優(yōu)點，目前已在多個行業(yè)得到廣泛應用[1-5]。骨架層編織是決定編織膠管性能的重要因素[6-9]。研究編織膠管骨架層編織過程中的導程和張力控制，對膠管性能的控制十分重要。

1 編織導程

1.1 編織膠管結構及其受力分析

編織膠管的結構如圖1所示。

圖1 編織膠管結構示意Fig.1 Structure of braided hose

膠管內膠層起密封和壓力傳遞作用；外膠層起保護作用；中間編織線層可為一層或多層，是主要的承壓層，其將內膠層牢牢束縛并保持膠管形狀和尺寸穩(wěn)定性[10-11]。編織機將多頭編織線交叉編織在內膠層外表面，形成致密和均勻的菱形編織線層。由于編織線層主要承受內膠層傳遞過來的介質壓力，可將編織線層視為兩端封閉的圓筒狀薄壁壓力容器[12]，其整體結構和微小單元的應力分析如圖2所示[13]，其中σr為環(huán)向應力（N），σx為軸向應力（N），P為介質壓力（Pa），θ為介質壓力的水平夾角（rad）。

圖2 編織線層應力分析Fig.2 Stress analysis of braided wire layer

根據圖2，環(huán)向應力和軸向應力滿足受力平衡條件：

由式（1）和（2）得

式中，D為編織層直徑（m）。

1.2 編織角（編織平衡角）及編織導程計算

介質對膠管做功，導致編織線層拉伸，為使膠管均勻膨脹，并保持膠管結構穩(wěn)定，膠管徑向與軸向受力平衡。編織線受力變形分析如圖3所示，其中F為編織（線）張力（N），F(xiàn)r為編織張力的環(huán)向分力（N），F(xiàn)x為編織張力的軸向分力（N），ΔL為編織線的總拉伸尺寸（m），ΔLr為編織線的環(huán)向拉伸尺寸（m），ΔLx為編織線的軸向拉伸尺寸（m），β為編織角（°）。

圖3 編織線受力變形分析Fig.3 Analysis of force and deformation of braided wire

編織角需滿足下列關系式：

式中，Wr為介質對膠管的徑向功（J），Wx為介質對膠管的軸向功（J），Δr為膠管的徑向膨脹尺寸（m），Δx為膠管的軸向膨脹尺寸（m）。

由式（4）—（7），可得：

同時，可推導出編織導程（p，mm）和線長（L，mm）的計算公式：

由此可見，編織角只與編織層直徑和編織導程有關，在確定的編織角下，保持編織導程恒定，可使膠管的徑向和軸向膨脹平衡并保持膠管結構穩(wěn)定。

2 編織張力

2.1 編織張力作用

編織線具有一定的拉伸性，在一定范圍內編織線的拉力與伸長量成正比[14]。編織線在編織過程中保持一定的編織張力，可有效抵抗介質壓力，減小膠管的膨脹量[15]。但編織張力過大易使膠管產生疲勞，同時致使編織機受力抖動而加劇磨損。因此，通常需根據膠管的性能及實際生產工藝選取編織張力，并保持編織張力穩(wěn)定。

2.2 編織張力過程控制與分析

編織張力的過程控制是由編織機錠子的收放線來實現(xiàn)的。錠子帶著線軸在S形軌道上同步交叉走位，當錠子向圓盤內圈運行時，放線點到編織點的距離不斷減小，編織過程不足以消耗掉多余的線，需要錠子機構彈性元件釋放能量，拉長距離，以拉緊線而保持編織張力；當錠子向圓盤外圈運行時，放線點到編織點的距離不斷增大，加之編織過程消耗的線長，需要錠子機構彈性元件存儲能量，縮短距離，以放松線而保持編織張力；當錠子達到一定位置時，觸發(fā)線軸棘輪放線，放線后錠子機構彈性元件釋放能量，再以此循環(huán)。由此可見，編織張力在一定范圍內周期性波動是必然現(xiàn)象。下面從編織張力波動的理論計算中分析其變化規(guī)律和影響因素。

2.3 編織張力計算

圖4為一臺24錠臥式編織機的結構示意，其中編織機圓盤軌道外圈半徑為R，花盤半徑為r，編織機轉速（錠子繞圓盤大圈旋轉）為n1，花盤轉速（錠子繞花盤小圈旋轉）為n2，花盤角速度為ω，設時間為t，在任意一個時間段（Δt）內錠子到編織點的垂直距離（OA）為l，水平距離（BO）為b，斜線距離（AB）為a，a的變化量為Δa，消耗的編織線長為s，錠子單次旋轉放線長度為c，放線機構緩沖長度為d，錠子旋轉放線時最大編織張力為Fmax，最小編織張力（放線機構緩沖長度達到最大時）為Fmin，Δt內編織張力的變化量為ΔF，則有如下關系：

圖4 編織機結構示意Fig.4 Structure of braiding machine

2.4 編織張力影響因素

由式（17）可知，最大編織張力與最小編織張力差（Fmax-Fmin）越小，放線機構緩沖長度（d）越大，錠子單次旋轉放線長度（c）越小，則編織張力波動（ΔF）越小。進一步分析，在放線機構緩沖長度不變時，最大編織張力與最小編織張力差取決于彈性元件的彈性系數，彈性系數越小，最大編織張力與最小編織張力差越大。放線機構緩沖長度的設計受限于錠子機構的空間大小，只能有限增大，且放線機構緩沖長度至少需緩沖錠子從最外圈到最內圈所積攢的線長，即d＞（amax-amin），否則會出現(xiàn)拋線現(xiàn)象。錠子單次旋轉放線長度取決于錠子放線棘輪的齒數，齒數越多，錠子單次旋轉放線長度越小，但設計時需考慮齒數增多帶來的強度下降。

對以上參數進行合理的賦值試算，如取R＝270 mm，r＝64 mm，n1＝0.7 rad·s-1，b＝80 mm，p＝16.3 mm，c＝25 mm，d＝150 mm，F(xiàn)max＝25 N，F(xiàn)min=20 N時，編織張力計算結果如圖5所示。

圖5 編織張力與時間的相關曲線Fig.5 Correlation curves of braiding tension and time

從圖5可以看出：錠子運行到軌道外圈附近時，編織張力最大，運行到軌道內圈附近時，編織張力最小；錠子旋轉放線一般發(fā)生在軌道外圈附近，且放線后編織張力波谷稍低于其他波谷，與實際相符。

3 結論

本研究分析編織膠管骨架層編織過程中的結構受力，推導出膠管編織導程和編織張力的計算公式，以確定膠管骨架層編織過程的重要參數，從而有效控制膠管性能。結果表明：在一定的編織角下，保持編織導程恒定，可使膠管的徑向和軸向膨脹平衡并保持結構穩(wěn)定；編織張力具有周期性波動特性；錠子運行到軌道外圈附近時，編織張力最大，錠子運行到軌道內圈附近時，編織張力最小；錠子旋轉放線一般發(fā)生在軌道外圈附近，放線后的編織張力波谷稍低于其他波谷。