三维网眼机织物结构与双向开口机构的设计研究*

刘　玮　　王益轩

西安工程大学机电工程学院， 陕西 西安 710048



三维网眼机织物结构与双向开口机构的设计研究*

刘玮王益轩

西安工程大学机电工程学院， 陕西 西安 710048

摘要：分析三维网眼机织物的组织结构、模型及织造工艺过程，然后在此基础上设计出新型双向开口机构，重点介绍配有双向开口机构的三维织机的开口工艺，以期为三维网眼机织物的开发提供参考。

关键词：三维网眼机织物，组织结构，双向开口，三维织机

在科学技术迅猛发展的今天，先进纺织复合材料预制件已广泛应用于各行各业，人们对纺织复合材料预制件的力学性能及形状要求也越来越高。因此，研制性能更优的三维纺织复合材料预制件己成为众多研究者的共同目标。

目前，国内外研究者在三维织造技术方面取得了一些丰硕成果，如已能制作出多种复杂形状或有特殊要求的预制件等，但三维织机中的开口机构会使经纱在开口过程中受到过多摩擦，进而影响引纬过程和织物质量[1-5]。故开口机构是三维织机上影响织物结构和织造效率的重要机构，因此推出了三维织机双向开口方式。

本文设计了一种新型双向开口机构，即在多层经纱的纵向和横向分别形成开口，使多层经纱与两组正交纬纱相互交织。其中，部分多层经纱呈直线形，而与两组正交纬纱交织的经纱则呈螺旋形。由这种交织方式形成的网格状织物，在其宽度及厚度方向上具有一定的抗分裂性能。当然，这种网格状织物中还包含有非交织的填充纱线，它们可以提高织物的整体性。

本文将详细介绍在织造过程中非常重要的开口运动，而诸如引纬、卷取和打纬等其他织造后续运动将不做具体介绍。

1三维网眼机织物结构

1.1简单三维网眼机织物

图1为简单三维网眼机织物的三维图及内部单元图。主动经纱与两组纬纱以螺旋起伏非直线的方式交织。两组纬纱都采用同样的剑杆引纬装置，纬纱通过其引入各自的梭口，并与主动经纱交织、与被动经纱接触。

(a) 三维图　　(b) 内部单元图

图2为简单三维网眼机织物结构正视图。图3和图4分别显示了简单三维网眼机织物中主动经纱在织物边缘(或表面)和内部的典型路径。

1—主动经纱；2—被动经纱；3c—列向纬纱；3r—行向纬纱图2　简单三维网眼机织物结构正视图

(a) 顶视图　　(b)侧视图

(a) 顶视图　　(b)侧视图

综上可以看出：简单三维网眼机织物的重要特征是，主动经纱以螺旋起伏非直线的方式与纬纱发生交织，虽未形成环形路径，但其在织物的边缘(或表面)形成了一个三角螺旋结构，且该结构不含被动经纱。

1.2开口顺序改变的新三维网眼机织物

以简单三维网眼机织物为基础，改变开口顺序，可得到三种不同于简单三维网眼机织物的新三维网眼机织物。图5仅示出了主动经纱在新三维网眼机织物内部的一般路径。

1—主动经纱；2—被动经纱；3c—列向纬纱；3r—行向纬纱图5　新三维网眼机织物

1.3含填充纱线的三维网眼机织物

可根据需要在织物宽度、厚度及对角线方向的横截面内，适当加入填充纱线，以改善织物机械性能。如图6所示，在图1简单三维网眼机织物的基础上，通过在织造过程中引入非交织的纱线，获得含填充纱线的三维网眼机织物。

1—主动经纱；2—被动经纱；3c—列向纬纱；3r—行向纬纱n1~n8—填充纱线图6　含填充纱线的三维网眼机织物

2双向开口机构

为织造出不同结构的三维网眼机织物，本文在研究简单三维网眼机织物开口工艺的基础上，提出了两种不同的双向开口机构方案。

2.1设计要求

为实现双向完全交织，织造出更为复杂的织物，双向开口机构应满足：

——既能完成行开口(即水平)运动，又能完成列开口(即垂直)运动；

——既可多行同时开口，也可多列同时开口；

——既可整体控制，也可分行控制。

2.2设计方案

2.2.1整体控制双向开口机构

整体控制双向开口机构的概念化仿真模型如图9所示。利用由伺服电机提供动力的曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构直接控制综框，分别实现综框的水平运动和旋转摆动，完成列向和行向开口。综框左右侧板的中部安装有花键轴，可确保综框在完成水平运动和旋转摆动时互不影响。

4—综丝；5—综导；6—开口轴；7—综框；8—曲柄摇杆机构；9—曲柄滑块机构； 11—底座图9　整体控制双向开口机构的概念化仿真模型

2.2.2分行控制双向开口机构

分行控制双向开口机构的概念化仿真模型如图10 所示。通过分别控制每一行的开口轴，使综框独立完成水平运动和旋转摆动。每根开口轴上都安装有花键轴，可确保综框在完成水平运动和旋转摆动时互不影响。可选用曲柄滑块机构和凸轮机构作为该机构水平直线运动和旋转摆动的驱动部件。

9—曲柄滑块机构；10—凸轮机构图10　分行控制双向开口机构的概念化仿真模型

3三维网眼机织物的开口工艺

3.1纱线预处理

织造前，需根据所织织物的组织结构对多层经纱进行预处理，即穿综。纱线预处理可使三维网眼机织物表面(但不包括侧表面)及内部的纱线分布均衡。图11为经纱预布置示意，其中每根被动经纱都被均匀排列的主动经纱所包围。每根主动经纱穿过扁平综丝上相应的综眼和引导孔后被拉伸，而给定行(列)的被动经纱只能通过相邻两综框之间形成的开放空间进行拉伸(图12)。

1—主动经纱；2—被动经纱图11　经纱预布置示意

1—主动经纱；2—被动经纱；4—综丝；6—开口轴图12　开口水平位置示意

经纱预处理后，综框开口轴所处的位置即为该开口系统的初始位置。从初始位置开始，穿过综眼的主动经纱会随综框开口轴沿其轴线方向做线性移动或往复摆动，而未穿过综眼的被动经纱则相对固定不动。

3.2开口过程

综框开口轴带动主动经纱从初始位置开始线性移动一段距离或旋转摆动一个角度，以形成右(左)侧纵列开口或下(上)侧横行开口。需注意的是，各开口是按特定的顺序形成。开口机构每完成一个开口动作，便会在相应的方向上形成一个特定的梭口，然后进行引纬等动作。

3.2.1纵列开口的形成

纵列开口的形成过程如图13所示：在织物宽度方向上，综框开口轴从初始位置开始沿其轴线方向线性移动一段距离，带动主动经纱一起移动，从而与固定的被动经纱形成右侧或左侧的纵列开口。

(a) 初始位置　　(b) 右侧纵列开口　　(c) 左侧纵列开口

3.2.2横行开口的形成

横行开口的形成过程如图14所示：自初始位置开始，综框开口轴绕其轴线方向顺(逆)时针旋转摆动一个角度，带动主动经纱在织物的厚度方向上摆动，从而与固定的被动经纱形成下(上)侧横行开口。

(a) 初始位置　　　　(b) 下侧横行开口　　　　(c) 上侧横行开口

3.3开口顺序

以图2所示的简单三维网眼机织物为例，从开口装置后方观察到的综框开口轴一个周期的运动顺序：

(1)综框开口轴顺时针旋转一个角度，于织物宽度方向上形成上侧横行开口，然后进行引纬；

(2)综框开口轴复归到初始位置；

(3)综框开口轴向右线性移动一段距离，在织物厚度方向上形成右侧纵列开口，然后进行引纬；

(4)综框开口轴复归到初始位置；

(5)综框开口轴逆时针旋转一个角度，于织物宽度方向上形成下侧横行开口，然后进行引纬；

(6)综框开口轴复归到初始位置；

(7)综框开口轴向左线性移动一段距离，在织物厚度方向上形成左侧纵列开口，然后进行引纬；

(8)综框开口轴复归到初始位置。

按照上述的开口顺序，并在适当的时刻加上织造过程中必要的补充操作，如引纬、打纬等，构成完整的织造过程。

4结论

采用双向开口机构后：

(1)所有纵列或横行，既可整体同时形成开口，又可单独形成开口，以提高生产效率；

(2)引纬装置无特殊要求，如梭子、剑杆等都可以，引入的纬纱既可以是单根纱线也可以是发夹般的折叠纱线；

(3)控制好开口顺序，主动经纱既可在织物长度方向螺旋交织，也可在织物宽度和厚度方向进行交织；

(4)在主动经纱形成螺旋结构过程中，两组纬纱的交织及两组纬纱与被动经纱的交织，为织物提供了唯一的整体网络状结构；

(5)应在织物厚度和宽度方向上提供合适的开口位移，若位移过大则会引起纬纱和主动经纱在织物表面形成不必要的干扰，导致织物表面不均匀，影响织物质量；

(6)可独立或有选择性地在织物宽度和厚度方向上移动或旋转综框开口轴，以形成不同的编织图案；

(7)横截面无论是正方形还是长方形的管状织物，亦或是其他异形(如L、T、C型等截面)的实体织物，都可根据具体的截面轮廓，以合适的离散方式布置经纱层，并配以适当的开口、引纬等，织出所需的三维网眼机织物。

采用双向开口机构的三维织机可织出完全交织的三维网眼机织物。所得织物可以很容易地进行切割，且不会引起分裂，织物力学性能大幅提高，可满足工程织物的要求。

参考文献

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Structure of three-dimensional net woven fabric and design research of dual-directional shedding machanism

LiuWei,WangYixuan

College of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University， Xi’an 710048, China

Abstract:The pattern structures, models and weaving processes of three-dimensional net woven fabrics were analyzed,and new dual-directional shedding mechanisms were designed on these basis. The shedding process of three-dimensional loom with the dual-directional shedding mechanism was focused on, in order to provide a reference for the development of three-dimensional net woven fabric.

Keywords:three-dimensional net woven fabric, pattern structure, dual-directional shedding, three-dimensional weaving machine

中图分类号：TS105.1

文献标志码:A

文章编号：1004-7093(2016)01-0034-05

作者简介：刘玮，男，1990年生，在读硕士研究生，研究方向为CAD/CAE/CAM、虚拟样机技术

收稿日期：2015-01-17

* 陕西省教育厅产业化培育项目(2013JC17)