碳纤维多层织机引纬机构设计及分析

李丹丹，杨建成

（1.天津工业大学机械工程学院，天津300387；2.天津市现代机电装备技术重点实验室，天津300387）

碳纤维多层织机引纬机构设计及分析

李丹丹1，2，杨建成1，2

（1.天津工业大学机械工程学院，天津300387；2.天津市现代机电装备技术重点实验室，天津300387）

碳纤维多层织机引纬机构的设计与研究对现代三维织造设备发展具有重大意义。根据碳纤维多层织物特殊织造要求，设计了一套附带寻位装置的多层引纬系统，实现引纬机构按照开口位置的变换和不同层数的引纬。为了满足剑带和升降装置运动平稳性，对所建模型进行了动力学分析和静力学仿真，分析结果表明机构满足各项工作要求。

碳纤维；多层织机；引纬机构；剑带

工程技术和材料科学的发展，对材料性能的要求越来越高。对于先进复合材料，其研究、发展及应用逐步成为高科技材料技术的核心内容之一，而碳纤维及其复合材料在该领域占有非常重要的地位［1-3］。

碳纤维多层立体织物是目前迅速发展的一种新型的纤维织物结构。它是一种由连续纤维在三维空间按照一定规律相互交织而形成的整体纤维增强骨架，贯穿空间各个方向的纤维，克服了传统织物叠层结构骨架的层间结合薄弱的缺点，成为高性能复合材料制备的技术关键和产业用纺织品的前沿发展方向。利用机织的方法可织造出三维骨架，如图1所示，为了适应高性能碳纤维机器碳纤维复合材料的发展，亟待需要完成碳纤维多层织机的研制，这将成为当下纺织行业一个共同目标。而碳纤维多层织机引纬机构是织机的核心机构，对该机构的仿真设计及分析将为碳纤维多层织机的研制奠定坚实的理论基础和仿真基础，并为关键构件的材料属性选择提供了理论依据。

图1　多层角联锁织物结构图

1　引纬机构整体设计

对于碳纤维多层织机的核心技术是开口引纬关键技术研究及应用，因此对碳纤维多层织机引纬技术的研究显得尤为重要。引纬机构的作用就是在开口机构将经纱分成上下两层形成梭口后，将纬纱及时引入梭口，使纬纱与经纱形成交织。

在多层织物的织造过程中，多层经纱排列具有一定的厚度，导致不同纱层之间的开口位置在不断的变化，这给纬纱的引入带来一定的困扰，引纬机构需要随着开口位置的不同而自动进行适应行调整，同时由于经纱层数较多，为了提高织造效率，采用双剑杆双线引纬方式，两侧左右各一个剑杆，分别独立完成一次引纬。

为满足上述要求，碳纤维多层织机引纬机构的设计应主要包括升降装置、剑带传动装置。可以将纬纱引入梭口，使之能与经纱交织成织物，同时能根据实际碳纤维层数的变化而引起梭口位置的变化，而使得引纬机构需要上下运动来满足梭口在纵向上的运动。

控制部分的功能要求是：采用伺服电机正反转通过一组同步带轮减速后带动齿轮齿条往复运动，实现刚性剑带的往复运动，通过控制伺服电机能够实现任意形式的引纬曲线；同时采用伺服电机正反转带动一组同步带轮然后带动一组齿轮装置经过减速后带动滚珠丝杠来完成引纬机构的升降。如图2和图3所示。

图2　剑带传动装置示意图

图3　升降装置示意图

2　引纬机构Solidworks三维建模

基于Solidworks软件对碳纤维多层织机的引纬机构进行三维模型的建立和利用其仿真模块对其分析，在Solidworks环境下建立碳纤维多层织机引纬机构的三维实体造型如图4所示。

图4　碳纤维多层织机引纬机构的三维实体造型

3　主要部件动力学分析

该碳纤维多层织机引纬机构最主要的机械机构就是升降机构、剑带往复机构，剑带的往复运动规律选取的不同，对引纬质量的好坏起着重要的作用。

从图5、图6和图7中可以看出，多项式剑带运动规律位移曲线变化都比较平缓光滑，且都能在时刻内使剑头到达指定位置，完成引纬；该运动规律可实现速度在引纬开始和结束时速度为零，余弦运动规律也可实现速度在引纬开始和结束时速度为零但余弦加速度运动规律的加速度变化在引纬开始和终止的瞬时都很大，对剑带和纬线冲击很大，并非理想的运动规律［4］。综上对比可知，多项式运动规律可很好满足引纬要求，且对机器的冲击较小，故应采用多项式运动规律来实现平稳引纬。

图5　剑头在竖直方向上位移曲线

图6　剑头在水平和竖直方向上速度曲线

图7　剑头在水平和竖直方向上加速度曲线

4　碳纤维剑带传动装置静力学分析

剑带传动装置在进行静力学分析时可简化成悬臂梁进行变形分析和模态分析，因其敏感方向为竖直方向的变形和震动，故在进行应变分析和震动分析时主要分析其竖直方向，以便判断其变形量和震动大小是否满足工作要求。由于剑带在引纬方向需要伸出长度1.277 m，悬臂长度大，所以此时剑带的材料的选取及剑头材料的选取显得尤为重要。为了减轻重量剑带材料选择碳纤维，下面分析碳纤维材料下，剑带的应力和变形。碳纤维材料杨氏模量为E=2.5e11 Pa，密度为2 520 kg/m3.

从图8和图9中可以得出最大应力不变，最大变形量为0.026 1 mm.可以看出，当采用碳纤维时剑带的最大变形量较小，且相较于钢结构其刚度较大且质量较小，所以碳纤维材料的剑带更适用于此机构，但在实际加工生产过程中，剑带甚少使用碳纤维复合材料，原因在于碳纤维材料价格昂贵。

图8　碳纤维复合材料剑带应力云图

图9　碳纤维复合材料剑带变形图

5　结束语

（1）运用Pro/E和ADAMS对引纬机构中的剑带装置进行运动学、动力学和机构分析，仿真出的结果说明了该剑带结构合理，运动平稳，无干涉等现象，该结果为碳纤维及其复合材料织物的织造奠定了良好的实验基础。

（2）用ANSYS软件分析碳纤维多层织机引纬机构中的剑带装置进行静力学分析，分析结果表明了该装置在最大负载工作过程中，剑带的变形量非常小，可以忽略不计，剑带完全能够承受纬纱引纬工作时的运动载荷，能够使其在工作过程中平稳运行，振动小。对钢和碳纤维材料的剑带进行对比可知选用碳纤维材料的剑带性能更好，但出于钢材其物美价廉的优点，在实际应用过程中使用钢材更多。

［1］Schulze Martin H，Meyendorf Norbert，Heuer Henning.Anal ysis techniques for eddy current imaging of carbon fiber mate rials［J］.Materialpruefung/MaterialsTesting，2010，52（9）: 603-609.

［2］Yang Feiyu，Zhang Xinghong，Han Jiecai，Diu Shanyi.Analysis of the mechanical properties in short carbon fiber-toughened ZrB2-SiC ultra-high temperature ceramic［J］.Journal of Com posite Materials，2010，44（8）:953-961.

［3］Liao Shaohuai，Lu Yiyan.Test on seismic behaviors of rein forced concrete beams composite rehabilitation with bonded Carbon FiberReinforced polymer and steel plate［J］.Tumu Jianzhu yu Huanjing Gongcheng，2010，32（6）:14-21.

［4］魏展，金国光，畅博彦，等.基于有限元法的高速平面凸轮机构动力学分析［J］.机械科学与技术，2012，31（8）: 1363-1368.

Design and Analysis of Weft Insertion Mechanism of Carbon Fiber Multi-Layer Loom

LI Dan-dan1，2，YANG Jian-cheng1，2
（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2.Tianjin Key Laboratory of Advanced Mechatronics Equipment Technology，Tianjin 300387，China）

The design and research of weft insertion mechanism of carbon fiber multi-layer loom which has the great significance for the development of modern 3D weaving equipment.According to the special requirements of carbon fiber multi-layer weaving fabric，a multilayer weft insertion system incidental finding device is designed，which can be satisfied with multi-layer weft insertion according to the change of shedding position and different layers.In order to meet the sword belt and lifting gear running smooth，dynamic analysis and static simulation have been done，analysis results show that institutions satisfy all work requirements.

carbon fibers；multi-layer diagonal loom；weft insertion mechanism；sword belt

TH112

A

1672-545X（2016）07-0016-04

2016-04-23

国家十二五科技支撑重点项目:碳纤维多层织造装备及技术研发（2011BAF08B02）

李丹丹（1986-），女，江西人，助教，硕士，主要研究方向为纺织机械设计。