新型三维筒状织物设计与织机开发

王 瑶，王益轩，刘 育，姚 超，刘婷婷

(西安工程大学 机电工程学院，西安 710048)

新型三维筒状织物设计与织机开发

王 瑶，王益轩，刘 育，姚 超，刘婷婷

(西安工程大学 机电工程学院，西安 710048)

为了改善现有三维筒状织物成型方法不能解决增强体质量的问题，设计一种新型三维筒状织物，分析其结构并对织造这种织物的三维圆织机进行了总体设计，详细介绍织机主要组成机构、织造原理和主要技术特征，以及其优点和不足。指出：采用无交织三维结构固结纬纱法织造三维筒状织物，织物致密且几何精度高、质量好，稳定性好；并在此设计与织造原理基础上，可进一步研制其它纤维和构造的三维织物。

三维筒状织物；三维圆织机；无交织；Noobing织造法；固结纬纱法；打紧；打结

0 引言

采用树脂基高强度纤维(如碳纤维、芳纶等)制成的三维筒状结构件具有质量轻、比刚度与比强度高、耐疲劳性优异、耐腐蚀性好等特点，可用于制作各种结构支架、输送管道、衬套、罩壳、超耐高温隔热管等产品。在能源输送、环境保护、化学化工、航空航天、生物化工、土木建筑、体育文娱等多个领域有广泛的应用前景[1-2]；因此，三维筒状复合材料作为三维机织复合材料的子类，在工程应用中有举足轻重的地位。

由于三维结构的筒状预成型件有非常大的需求，因此三维筒状织物织造技术的研发受到高度重视。如何提高织造效率，如何控制产品质量及产品稳定性都是科技人员研究的重点[3]。现有筒状织物成型的方法较多，且各具特色；但是，这些方法均无法控制增强体质量。事实上，质量取决于织造部分的纤维含量和织造过程中的打紧作用。现有成形法的打紧力要么是人力，要么是通过周向纱张力引起的绑缚力形成的。由绑缚力形成的打紧力随着卷绕直径的变化而变化，最终导致织物厚度不均匀，且有改变纱线层直径的倾向，导致纤维的滑动和位移，从而影响最终产品的质量[4]。为弥补不足，笔者介绍一种织造三维筒状织物的新型方法，使织造的织物高度致密、稳定性良好，且不影响产品的几何形状和质量。

1 三维筒状织物的结构设计

三维筒状织物，是指外形轮廓为圆筒状、内部中空、有一定壁厚的复杂多层三维织物，也称为无缝管状织物。为减少织造过程中增强纤维过量磨损引起复合材料性能的下降，笔者设计的筒状织物，采用无交织的三维正交结构，见图1。

该三维筒状织物采用类似于Noobing织造法织出的织物Noobed。Noobing是无交织、垂直取向与接结的英文缩写，是一种三维无交织织物的生产方法[5]。图2所示的Noobed织物，由三组互相垂直的纱线，即多层经纱、纬纱和固接经纱，通过固接经纱将多层排列的经、纬纱连接成相互不交织的整体结构的三维织物。因其织造过程中纱线间无交织，不符合常规的织造原理，在织造织物过程中并无传统二维织机的开口运动。织物中三个方向的纱线相互正交而不交织，只在厚度方向上由接结纱束缚，通过两个相互垂直方向的接结纱与最外端的纱交联保证织物结构的完整性；但接结纱与内部轴向纱之间不交联。

笔者设计的三维筒状织物采用正交组织结构。正交组织三维织物，由三组轴向相互垂直的纱线交织组成，其中沿长度方向的一组纱线为地经纱，沿厚度方向的一组纱线为接结纱，而沿织物宽度方向的为纬纱。织物中地经为主要的增强纱线，纬纱和接结纱呈接结状态[6]。织物的三组纱线呈正交结构配置，组成一个整体，既有利于发挥纱线的固有特性，也可提高其在外力作用下的稳定性[7]。不仅如此，织物是通过构造适当形状的初始框架制造各种形状的预成型件，方便之后升级制造4D和5D的多轴织物。

三维筒状织物的显著特点，是其厚度方向上有用于连接和增强的固结纱，固结纱可以是经纱也可以是纬纱，图3所示为两种立体筒状织物的组织形

态。若用经纱作固结纱，则和普通经纱一样由综框控制开口顺序，且经纱张力比普通经纱小很多，送经机构也应不同；采用纬纱作固结纱，可与普通纬纱一样采用引纬器引纬，极大地简化了设备结构；故该圆织机采用了固结纬纱织造法。

如图4所示，笔者设计的织物由三组纱线构成。分别是周向纱、轴向纱和径向纱。周向纱螺旋引入，

轴向纱平行于心轴排列，径向纱沿径向通过纬编针织线圈捆绑住轴向纱线。用机织法织造的织物不需要经过太多的后期加工就能够得到产品的最终尺寸和形状，且纱线不因机加工而产生损坏，因此性能优于后期加工的产品[8]。

2 三维圆织机的结构及织造原理

2.1 结构及工作原理

设计的三维圆织机如图5a)所示,主要由4部分组成：固定机架结构系统，安装在机架固定位置的径向打结装置以及在机架上可转动的旋转装置和打紧装置。

其中,机架由在底端的三角形底座和上部的环形零件以及三根平行于主轴的支柱组成。

径向打结装置主要由电机、减速器以及一套曲柄连杆机构组成。电机通过减速器、轴以及圆锥齿轮将动力传动到曲柄连杆机构，使舌针在固定的织造位置做径向往复运动。

旋转装置主要由上下挡板、主轴、中间板、环形零件以及支撑中间板的环形零件构成；边缘有齿的上、下挡板被固定在恒定的水平位置，可以绕主轴旋转，装有减速器的电机通过齿形带带动花键轴旋转，安装在花键轴上的小齿轮和上、下挡板啮合，带动挡板旋转；中间板由边缘有齿的支撑中间板的环形零件支撑，绕主轴旋转，安装在花键轴上的小齿轮与支撑中间板的环形零件啮合，且小齿轮可沿花键轴滑动；支撑中间板的环形零件由不可旋转的环形零件通过推力轴承支撑；不可旋转的环形零件的三个外臂上各有一个穿孔和丝杠啮合，丝杠由电机、减速器和轴通过齿轮和链条传动，在底座和环形零件中旋转；不可旋转的环形零件的外臂上装有滑轮，以指引不可旋转的环形零件沿着支柱滑动。

如图5b)所示打紧装置，主要由环形零件、指状扣片及压板构成。在花键轴的中部安装有小齿轮，与环形零件啮合。环形零件上有径向凹槽，凹槽里有指状扣片；环形零件由推力轴承支撑在环形零件上沿主轴旋转；在扣片之上的压板与环形零件为一个整体。

2.2 织造工艺过程

此织机通过三组纱线进行三维织造，分别为轴向纱、周向纱和径向纱。在织造开始前，轴向纱平行于主轴被固定在上、下挡板间，并沿环形挡板连续均匀分布；随着电机的启动，旋转装置以恒定的速度绕主轴转动。周向纱在固定的织造平面从管筒(未显示)被引入，沿着轴向纱形成的同心圆通道内，铺放于一系列的指状扣片上；由于旋转装置的作用，最终周向纱会呈环形在此形成平坦的、无张力的周向螺旋纱线层；径向纱在固定的织造平面被引入后，在织造的发生点，舌针通过纬编成圈法把径向纱打结为封闭的链式环，围住轴向纱构成径向螺旋纱线层，此纱线层位于轴向纱和连续落下的周向纱线层之间；当螺旋纱线层形成织物时，指状扣片向下打紧形成新的周向与径向纱线层；被打紧的纱线层叠放在中间板上，沿着轴向纱逐渐向下运动，最终获得特别密集的织物，其结构紧凑，外壁具有一定的刚性和精确的几何尺寸。

2.3 旋转装置

在织机的顶部和底部各有一个同等大小的挡板，此挡板与所织的三维圆筒织物(预成型件或增强体)同轴，且可以绕着主轴在电机的驱动下旋转；上、下挡板起固定轴向纱的作用，挡板上有夹紧装置用于夹紧轴向纱，在织造开始前轴向纱穿过中间板，被上、下挡板拉紧呈间隔分布的同心圆状排列，同心圆的半径与所织造的预成型件或增强体的半径一致。中间挡板由整体的双板构成，双板上有沿主轴周向的穿孔，穿孔围成的半径与所织的增强体半径一致，先织增强体底部，织好后叠放在中间板上；中间板支撑织物同在织造水平面的指状扣片一起打紧已织好的织物。由于支撑双板的环形零件与丝杠相啮合，因此双板除了可绕主轴旋转外还可以水平向下移动；支撑中间板的环形零件与小齿轮啮合，小齿轮可随着花键轴向下移动；每次丝杠旋转固定的角度，双板就下降一层。

2.4 打紧装置

在机架的织造平面有一个环形零件(见图5b)),环形零件可绕主轴转动，并和旋转装置同步旋转，零件上有许多径向凹槽，一系列的指状扣片被限定在径向凹槽和轴向纱构成的通道内，并在轴向纱和径向纱间往复移动。此环形零件还设置有一个缺口，供扣片在此位置做暂时性的缩回上举运动，以打紧新织好的织物层。

在织造时，指状扣片除了能使轴向纱保持固定的间距外，还能使织好的、叠在双层板上的纱线层向下滑动并打紧。指状扣片分布于环形零件上，绕着主轴和织好的织物一起旋转，靠在第一层纱线上并将其向下压(与此同时，新织好的第二层纱线会覆盖在扣片上)，当在缺口区域遇到一组固定的凸轮装置时，凸轮使这些径向扣片抬起、缩回，因此摆脱了压在它们之上的已经织好的第二层纱线，并反压于其上；然后径向扣片向前移动，以与双层板配合，使纱线层向下运动。如此反复，每新织好一层，扣片就打紧下压一层。

为了使指状扣片保持较好的打紧力，在环形零件上还设置有一个水平固定的压板，以限制扣片在恒定的水平面，使已经织入的纱线控制在合适的压力下。通过在每个循环内保持双板相对于固定平面下降的高度与纱线层在厚度方向被压紧的高度相同，于是织物获得恒定的打紧力。

2.5 打结装置

在压板的固定位置有一套径向打结装置，此装置由一套曲柄滑块机构构成。滑块上连接有舌针，可在轴向纱形成的径向通道内做往复运动；当织物随旋转装置旋转时，周向纱通过导管被铺放成一个环形纱线层，舌针在两层环形纱线层之间将轴向纱打成链结；链结捆绑住轴向纱，倚靠在指状扣片上。可根据需要调节舌针的运动，以产生松紧度合适的链结，这样才能控制最终织物的几何形状和厚度。

3 三维筒状织物及织机的特点

3.1 优点

a) 三维筒状织物致密度高，不影响产品的几何形状和质量，具有良好的稳定性，使机织物能达到手工编织物的致密程度，两种编织品对比见图6。

b) 织物结构简单，增强纤维交织少，织造过程中磨损少，将提升最终形成织物的复合材料性能。

c) 织物结构整体性较好，后期机加工少，保证了纤维完整性,提升了最终复合材料的力学性能。

d) 织机柔性强，可随产品的变化而设计、加工不同的零件，增加相应的组件后可生产变截面产品和多轴织物。

e) 织机结构简单，无复杂控制系统，可靠性强，操作、保养、维修方便，成本低廉。

3.2 不足

a) 织造前须手动夹紧轴向纱，无法实现全自动生产。

b) 采用单根舌针形成径向纱，织造效率有限。

c) 靠中间板和压板形成打紧力，增强体高度有限，否则不能产生稳定打紧力。

4 结语

采用无交织三维结构的三维筒状织物，设计合理，采用固结纬纱织造法工艺，所得织物结构致密，几何形状和质量有保证，具有良好的稳定性。同时，对织造这种织物的织机进行总体设计，为以后织造高技术纤维，如玻璃纤维、陶瓷纤维等筒状织物的设计与制作进行了有益的探索。在此基础上，可进一步研制不同的织物如多轴圆筒状织物、圆锥状织物等，以满足更多应用领域的使用要求。

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Design of New 3D Tubular Fabric and Development of the Loom

WANG Yao,WANG Yixuan,LIU Yu,YAO Chao，LIU Tingting

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

As to the fact that the current forming method of 3D tubular fabric fails to control the quality of the enhancement fabric,a new designed 3D tubular fabric is introduced with the analysis of the structure and overal design is given in making 3D tubular fabric.Introduction is made to the main composition of the loom with weaving principle and main technical characteristics plus its advantages and disadvantages.It is pointed out that the new 3D tubular fabric can be made with solidated filling process with 3D free interwoven structure,the fabric being closely woven,of good geometric accuracy and quality,and stability.Further development of different fiber and other structured fabric can be done on the basis of the 3D tubular design.

3D tubular fabric;3D circular loom;fabricated weaving;Noobing method;consolidation filling method;tightening;knotting

2016-04-06

王 瑶(1992—)，男，湖北天门人，硕士研究生，主要从事计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助制造(CAM)方面的研究。

TS103.33+7

A

1001-9634(2016)06-0005-05