新型圆轨道法引纬方式的设计*

1.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室， 上海， 201620； 2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海， 201620；3.上海纺织控股集团， 上海， 200336

新型圆轨道法引纬方式的设计*

周蕊1， 2马颜雪1， 2李毓陵1， 2胡吉永1， 2张瑞云1， 2杜卫平3

1.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室， 上海， 201620； 2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心， 上海， 201620；3.上海纺织控股集团， 上海， 200336

圆轨道法是三维筒状织物的新型成型方法。分析织物手工织造过程中引纬方式的设计，详细讨论各种方式的特点，并选取适当的引纬方式，以一种联合接结组织为例，进行三维筒状织物的织制，为实现圆轨道法的机械化生产提供借鉴。

圆轨道法， 三维筒状织物， 联合接结组织， 引纬方式

筒状结构件是工程中广泛应用的基本构件，是由轻质高强复合材料制作的立体筒状织物，在能源输送、环境保护、化学化工、航空航天、生物化工、医学等多个领域有着较好的应用前景[1-3]。多层接结三维机织物应用广泛，能够一次完成与树脂基体的复合成型，简化了复合材料的后加工工艺，降低了成本，同时减少了层合板在使用过程中的层间剥离破坏。杨婷婷[4]提出的新型圆轨道法，采用周向开口、径向引纬和轴向打纬的方式进行连续性织造，可实现各种三维机织结构筒状机织物的规模化生产。如图1所示，宫庆双[5]16-29分析了不同的经纱上机方式对手工织造时的效率、织物厚度及力学性能的影响。

本文将重点讨论手工织造时引纬方式的不同对加工效率和制品质量的影响。

图1 圆轨道法原理

1 引纬方式

引纬是将纬纱引入到由经纱开口所形成的梭口中。通过引纬，纬纱得以和经纱实现交织，形成织物。在圆轨道织机上，宫庆双[5]6-7采用的引纬方式是沿圆轨道某一半径位置，分开各层圆轨道上载纱滑块，即沿周向开口，形成径向梭口，然后沿径向梭口引入纬纱，但此方法的织造效率有待提高。因此，为使手工织造高效无误地进行，引纬时可直接将经纱沿圆轨道直径方向拨动，即沿径向开口，形成周向梭口，然后沿周向梭口引入纬纱。

同时，考虑到圆轨道的形状特殊性，可将单一梭口扩展至多梭口引纬，即在手工引纬时，将一个操作工位增加至多个操作工位。而每个工位所携带的引纬器的数量将直接影响织造的效率，引纬器数越少，织造效率越高。此外，每个工位操作时不同的开口规律数也是影响差错率的重要因素，不同开口规律数越少，差错率越低。

2 引纬方式的设计

经分析可以看出，在新型圆轨道法的织物手工织造过程中，操作工位数、每个工位所携带的引纬器数和每个工位的不同开口规律数，都是影响手工织造效率和差错率的最主要的因素。为讨论这些因素之间的关系，首先设Rj为基础组织经纱循环数，Rw为基础组织纬纱循环数，Sw为基础组织纬向飞数，Z为基础组织循环倍数，M1为单圈轨道上的经纱数，N为轨道圈数，MN为N圈轨道上的总经纱数。为简化起见，本文只讨论自身接结中的联合接结方式(图2)。

图2 联合接结组织(纬向截面)

条件1：若单层管状织物的引纬纱线数，即引纬器数X=1，则基础组织纬向飞数为Sw的单层管状织物的总经纱数M1[6]：

M1=Rj×Z±Sw

(1)

式(1)中，Sw取“+”号表示从右向左织第一纬，Sw取“-”号表示从左向右织第一纬。

由于圆轨道织造是连续环绕进行的，且每根经纱都必须开一次口，故完成单层管状织物一个组织循环总开口数W1：

W1=M1×Rw

(2)

总经纱数M1中±Sw的存在使得完成一纬织造后，下一纬可完全按照前一纬的开口规律进行下去。所以，完成单层管状织物的一个组织循环，不同开口规律数W1d(此时±Sw忽略不计)：

(3)

对于N层三维筒状织物，如果每圈轨道负责一层基础组织织物，则其总经根数MN：

MN=M1×N

(4)

类似地，完成N层三维筒状织物的一个组织循环，总开口数WN：

WN=W1×N

(5)

不同开口规律数WNd：

(6)

采用自身接结中的联合接结，相当于每圈轨道间两两连接，则N圈轨道所需引纬器数X：

X=N-1

(7)

采用手工引纬的方式，对于任意三维筒状织物的织造，操作工位数P可选取整数1、 2、 3……此条件下，有两种引纬方式。

则，每个工位需要的引纬器数XP：

(8)

每个工位的不同开口规律数WNP：

(9)

此时，每个工位负责的轨道位置均不相同。

方式2——每个工位都负责N圈轨道的引纬，图4所示为P=4时的引纬方式。

图4 每个工位都负责N圈轨道

则，每个工位需要的引纬器数XP：

XP=X=N-1

(10)

每个工位的不同开口规律数WNP：

WNP=WNd=Rj×N

(11)

此时，每个工位负责的轨道位置均相同。

条件2：若单层管状织物的引纬纱线数，即引纬器数X为Rw，则基础组织纬向飞数为Sw的单层管状织物的总经纱数M1[5]31：

M1=Rj×Z

(12)

由于圆轨道织造是连续环绕进行的，故完成单层管状织物一个组织循环总开口数W1：

W1=M1×Rw

(13)

又由于引纬器数X为Rw，这使得各引纬器都按照各自的开口规律织造下去，所以完成单层管状织物的一个组织循环，不同开口规律数W1d：

W1d=W1=M1×Rw

(14)

对于N层三维筒状织物，如果每圈轨道负责一层基础组织织物，则其总经根数MN：

MN=M1×N

(15)

类似地，完成N层三维筒状织物的一个组织循环，总开口数WN：

WN=M1×N×Rw

(16)

不同开口规律数WNd：

(17)

同样，采用自身接结中的联合接结，则N圈轨道所需引纬器数X：

X=(N-1)×Rw

(18)

采取手工引纬的方式，对于任意三维筒状织物的织造，操作工位数P也选取整数1、 2、 3……此时，也有两种引纬方式。

则，每个工位需要的引纬器数XP：

(19)

每个工位的不同开口规律数WNP：

(20)

此时，每个工位负责的轨道位置均不相同。

方式4——每个工位都负责N圈轨道的引纬，如图4所示的P=4时的引纬方式。

则，每个工位需要的引纬器数XP：

XP=X=(N-1)×Rw

(21)

每个工位的不同开口规律数WNP：

(22)

此时，每个工位负责的轨道位置均相同。

将上述分析制成如表1所示的对照表。

表1 引纬方式对照表

对比分析可知：

(1) 方式3和方式4的引纬器数和不同开口规律数均多于方式1和方式2，从织造效率和差错率综合方面考虑，方式1和方式2明显优于方式3和方式4；

(2) 方式1中每个工位的不同开口规律数少，理论上有利于差错率的降低，但多工位操作时每个工位负责的轨道位置均不相同，实际手工织造时差错率可能会难以控制；但每个工位所需要的引纬器少，有利于机械化生产时织造效率的提高；

(3) 方式2中每个工位的不同开口规律数虽多于方式1，但每个工位负责的轨道位置均相同，实际手工织造时可将差错率尽可能地降到最低，而且增加、减少或更换操作工所造成的负面影响也很小。

3 联合接结组织织物的上机设计

依据对比分析结果，本文采用方式2的引纬方法，对经密为3根/cm、直径为30 cm、基础组织为斜纹的联合接结组织、轨道圈数为20的三维筒状织物，设计出操作工位数P=4的上机方法。基本设计参数见表2。

表2 基本设计参数

图5为方式2的引纬过程及局部放大照片，可见其中一个操作工位的引纬过程，引纬时差错率较低、效率较高。由局部放大图可见19把引纬器所携带的19根纬纱紧密整齐地排列，且处于同一平面，纬纱在织物中的位置关系与理论设计的纬向截面(图2)相符，同时层层紧密排列的纬纱使织物的厚度和强度得以实现。

图5 方式2引纬过程及局部放大照片

图6所示为联合接结组织的基础组织图。

图6 基础组织图

图7所示为采用碳纤维试织的样品及局部放大照片。织物试织过程顺利，试样成型良好，结构稳定，表面外观平整光滑，织物表面与基础组织图表面形态一致。

图7 试织样品及局部放大照片

4 结语

(1) 新型圆轨道法中，对于同一种组织的手工织造，不同的引纬方式的设计会产生不同的织造过程。操作工位数、每个工位所携带的引纬器数，以及每个工位的不同开口规律数，都是影响手工织造效率和差错率的重要因素。

(2) 每个工位的不同开口规律数少，理论上有利于差错率的降低，但多工位操作时，若每个工位负责的轨道位置均相同，实际手工织造时才能将差错率尽可能地降到最低，而且增加、减少或更换操作工所造成的负面影响也很小。每个工位所需要的引纬器少，则更有利于机械化生产时织造效率的提高。

(3) 实际织造时，结合试织要求和目的，织物组织和引纬方式需谨慎选取。

[1] 易洪雷，丁辛.三维纺织预型件织物[J].高科技纤维与应用，2001，26(3)：32-34.

[2] 黄新乐，林富生，孟光.三维纺织复合材料力学性能研究进展[J].武汉科技学院学报，2005，18(4)：11-15.

[3] 车剑飞，黄洁雯，杨娟.复合材料及其工程应用[M].北京：机械工业出版社，2006：138-195.

[4] 杨婷婷.三维筒状织物的织造技术研究[D].上海：东华大学，2015.

[5] 宫庆双.三维筒状织物的结构与上机设计[D].上海：东华大学，2016.

[6] 白燕.管状织物新设计方法[J].上海纺织科技，2004，32(3)：28-29.

Design of the weft insertion methods in new circular orbit weaving

ZhouRui1， 2,MaYanxue1， 2,LiYuling1， 2,HuJiyong1， 2,ZhangRuiyun1， 2,DuWeiping3

1. Key Laboratory of Textile Science & Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China； 2. Engineering Research Center of Technical Textiles， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China； 3. Shanghai Textile Holding Co.， Ltd.， Shanghai 200336， China

Circular orbit weaving was a new shaping method to weave three-dimensional(3D) woven tubular fabrics. The design of weft insertion methods in the manual weaving process of fabrics was analyzed， respective characteristics of each methods were discussed in detail， and then taken a kind of joint junction weaving as an example， the appropriate weft insertion method was selected to weave the 3D woven tubular fabrics， which could provide some references for the mechanization of circular orbit weaving.

circular orbit weaving， 3D tubular woven fabric， joint junction weave， weft insertion method

*上海市自然基金项目(14ZR1401000)；上海市浦江人才计划(2015PJC0002)

2016-10-18

周蕊，女，1992年生，在读硕士研究生，研究方向为三维机织物的设计与制备

马颜雪，E-mail：yxma@dhu.edu.cn

TS105

：A

1004-7093(2017)07-0037-05