小口径管状织物的成形及其抽拔顺滑性的表征

丁作伟，于伟东

(东华大学 a. 纺织面料技术教育部重点实验室；b. 纺织学院，上海201620)

小口径管状织物的成形及其抽拔顺滑性的表征

丁作伟a, b，于伟东a, b

(东华大学 a. 纺织面料技术教育部重点实验室；b. 纺织学院，上海201620)

依据机织管状织物的织造原理，以Kevlar长丝为原料，以平纹组织为基础组织，在特制梭子的自动小样织机上分别织造出管径为16、 20和24 mm的3种小口径管状织物. 运用自主研制的管状织物抽拔顺滑性测量装置对所织造的管状织物进行抽拔顺滑性测试，从所获得的3种小口径管状织物的抽拔力-时间(Fp-t)曲线得知整个抽拔过程中管状织物的受力呈现先增后减的趋势，且最终趋近一个非零的定值. 在测试的初始阶段及中间过程中，管径越小的管状织物所受的抽拔力越大；在测试结束前一段时间，管径越小的管状织物所受的抽拔力也越小. 由管状织物的抽拔力及断裂强力计算出的管状织物抽拔顺滑度，表明管状织物的管径越大则其抽拔顺滑性越好.

小口径管状织物； 成形； 抽拔顺滑性； 表征

作为一种无脱散和无缝合的一次成型圆筒状织物，其常被用作工业用圆管的包覆或内衬部件. 由于管状织物对所包覆的圆管具有很好的适配性，包覆完整，以及实施后不易变形和受外力不易损坏的特点，使其在化学化工、能源输送、航空航天、生物医用等众多领域显示出较好的应用前景.

近年来，国内外针对小口径管状织物的专利及研究时有报道，主要集中在高性能织物的织造、在生物医用方面的性能评定以及在管道修复方面的使用等. 文献[1-2]制备了一种高强细径超薄的管状织物，并在此基础上进行改进，制备出了一种径向弹性收缩的管状织物，其具有细径和纵向无弹力、径向弹力大的特点，以及良好的耐磨性和尺寸稳定性，为特殊条件下管状织物的使用奠定了基础. 贾丽霞等[3]研究了一种小口径纺织基人造血管的设计方法. 王璐等[4]从材料选择、管状织物结构设计和生物性能测试等方面研究了用于人造血管的管状织物特性. 管晓宁等[5]对比了2种机织覆膜结构的人工血管疲劳性，并对疲劳后的试样进行了非破坏性和破坏性测试，研究发现尽管管状织物的覆膜结构为平纹组织比3/1斜纹组织更容易产生疲劳破损，但前者结构更加稳定. 凌凯等[6]在传统拉伸测试仪的基础上，研制了一种针对管状织物轴向拉伸的圆柱状夹持装置，该装置使管状织物中的纱线在拉伸断裂时保持较好的一致性，能更好地反映管状织物的拉伸断裂性能. GLOY等[7]对管状织物进行了静态拉伸试验，评估了膝交叉韧带的应力-应变特性. ZHAO等[8]对12个不同规格的管状织物进行加速疲劳测试，采用数量化理论研究发现，织物的组织结构对疲劳性能有较大影响.

管状织物以纺织复合材料的形式被用作内衬管来修复受损管道也多有研究，张淑洁等[9-11]利用有限元方法对管状纺织复合材料翻衬时的应力和应变情况进行分析，对比理论结果与试验值，发现管状纺织复合材料在翻转头端最容易发生破裂. 王瑞等[12]采用SPSS分析方法对管状复合材料热缩性进行分析，建立了反映热缩时间、热缩温度和缩率之间的数学模型，通过管状纺织复合材料管径设计原理的分析，认为弹性和热缩性是影响管径设计的关键因素.

目前，对外套于圆管且进行回折抽拔过程的管状机织物研究鲜有报道. 徐永红等[13]建立了管状机织物三维模型，运用有限元分析方法对管状机织物在圆管上进行抽拔过程中的应力-应变情况进行了动态模拟与计算，表征了管状织物套接于圆管上的回折抽拔力学行为，绘制出了管状机织物在整个抽拔过程中的应力-应变分布曲线及最大值点的发生位置，认为管状机织物长度的增加会导致受力的增加，并会产生抽拔自锁现象.

上述研究重点关注了材料选用对管状织物性能的影响，并且仅针对管状织物在特定领域的使用进行了相应性能的分析与评价，对管状织物最易遭受的回折弯曲、抽拔翻转等行为研究较少，而研究这些行为对分析管状织物沿细长圆管内外壁的受力意义重大，且该研究对空间技术、地质考察和考古发现中的采样柔性管设计具有重要参考价值. 为此，本文设计了3种不同直径的小口径管状织物，运用自主研制的管状织物抽拔顺滑性测量装置对所织造的管状织物进行回折抽拔性能测试，对管状织物从套接于圆管外壁到被回折抽拔拉入圆管内部过程中的抽拔力学行为进行表征.

1 试 验

1.1 试验材料

本文采用美国杜邦公司生产的Kevlar长丝作为原料进行织造，其基本性能参数如表1所示.

表1 Kevlar长丝基本性能参数Table 1 Parameters of basic performance of Kevlar filament

1.2 管状织物组织设计

本设计中，管状织物的表、里组织均采用平纹组织作为基础组织，且表经和里经的排列比与表纬和里纬的投纬比均为1∶1；采用顺穿的穿综方法；穿筘时，同一组的表经和里经穿入同一筘齿内. 织表层时，从右到左投第一纬[14].

管状织物总经根数的计算公式如式(1)所示.

Mj=πd·Pj

(1)

式中：Mj为总经根数；d为管状织物直径；Pj为管状织物单层经密.

修正公式如式(2)所示.

Mj=Rj·Z+Sw

(2)

式中：Rj为基础组织的组织循环经纱数；Z为基础组织的循环个数；Sw为基础组织的纬向飞数.

每筘穿入经纱根数为2根，单层经密Pj为200根/10 cm，公制筘号为90 筘/10 cm，所设计的3种小口径管状织物的直径及总经根数如表2所示.

表2 3种小口径管状织物的直径及总经根数Table 2 Diameters and total warp ends of the three MCTFs

管状织物的组织设计图(表里组织图、织物的穿综、穿筘和组织图)如图1所示.为织造出直径符合要求的管状织物，且保证管状织物两边折幅处的经密与布身均匀一致，织造开始前，分别在两侧综丝两侧(后综)内单独穿入一根高强高模聚乙烯长丝作为特线，并单独穿入一个筘齿内. 织造过程中，织上层投表纬时特线随着里经一起下沉；织下层投里纬时特线随着表径一起提升. 整个织造过程中，特线夹在表里层中间，不与织物交织，下机后，将特线从中抽出.

图1 管状织物组织设计图Fig.1 Weave design diagram of tubular fabric

1.3 特制梭子及运动原理

为避免在织造过程中传统梭子(如图2所示)易产生的过大开口对经纱张力造成影响，本文在兼顾纬纱张力调节的基础上，专门设计了一款织造管状织物用的梭子，如图3所示.

图2 传统梭子Fig. 2 Traditional shuttle

(a) 设计图

(b) 实物图 图3 织造管状织物用的梭子Fig. 3 Special shuttle for weaving tubular fabric

本试验所使用的织机为ASL2100/2300型自动织样机，如图4所示. 织造开始前，在自动织样机的控制面板上进行参数设置，设定纬纱不绞边，保证整根纬纱在两边折幅处为连接状态. 织造管状织物的投梭过程示意图如图5所示. 织造开始后，经气动加压，投梭杆从投梭口处打出，携带与之卡紧的梭子，穿过梭口与对面的卡槽卡紧，然后投梭杆与梭子脱离并穿过梭口回撤至投梭口内，完成一次引纬动作，该过程如图5(a)所示. 下一次梭口形成后，投梭杆从投梭口打出，穿过梭口与对面的梭子卡紧，此时卡槽将梭子释放，梭子与投梭口打出的投梭杆卡紧，投梭杆携带梭子回撤进入到投梭口内，完成第二次引纬动作，如图5(b)所示. 依次重复上述过程，从而完成整个引纬过程和织造工序.

图4 ASL2100/2300型自动织样机Fig.4 ASL2100/2300 automatic weaving machine

(a) 第一次引纬

2 管状织物套接于圆管壁上的抽拔顺滑性分析

2.1 抽拔过程所用仪器及抽拔机理

为便于研究管状织物套接于圆管壁上的抽拔顺滑性，本课题组专门研制了一台管状织物抽拔顺滑仪[15-17]，如图6所示. 整个装置以铝合金型材作为支撑架，主要包括拉力感应系统和钻进取样机构. 其中，拉力感应系统由数显推拉力计、信号输出线和抽拔力-时间(Fp-t)曲线输出端构成；钻进取样机构由调速电机、空心钻头、中空螺旋钻杆、圆管、圆管固定平台、升降板、固定板、平衡重锤、4根导轨、柔性拉绳和管状织物等构成.

钻进取样机构运动前，即空心钻头与土壤颗粒物接触但未钻进时，管状织物的一端套接于圆管外壁上. 为尽量降低管状织物与圆管之间的摩擦作用，减小管状织物的内翻力，管状织物初始状态设为波纹式褶皱折叠态. 管状织物另一端内翻至圆管内部的头端拐角处，由夹紧装置夹持. 柔性拉绳一端与夹紧装置连接从而牵引管状织物，另一端与推拉力计相连，推拉力计上的信号输出线与电脑连接，以便输出抽拔力-时间(Fp-t)曲线. 套接管状织物的圆管固定于圆管固定平台上，并套于具有外螺旋结构且内壁光滑的中空螺旋钻杆内. 钻进取样过程如图7所示. 钻进取样开始后，中空螺旋钻杆以恒定速率螺旋向下给进，位于内部的圆管随着升降板的运动同步垂直向下给进，但由于有导轨的牵引套接管状织物的圆管不参与螺旋运动. 假定该过程中柔性拉绳的长度及状态始终保持不变，套接于圆管外壁的管状织物在柔性拉绳的牵引作用下逐渐由波纹式褶皱折叠态恢复至展平态，并最终被抽拔内翻至圆管内部，同步包覆空心钻头钻取的土壤颗粒物，完成回折抽拔及样品包覆过程.

2.2 管状织物所受的抽拔力-时间(Fp-t)曲线

按照上述钻进取样过程，在该抽拔顺滑仪上对3种不同直径的小口径管状织物进行测试，获得管状织物从套接于圆管外壁到被回折抽拔拉入圆管内部的过程中所受的抽拔力变化，从而绘制出3种不同直径的小口径管状织物的抽拔力-时间(Fp-t)曲线，如图8所示.

(a) 第一次引纬 (b) 第二次引纬 图6 管状织物抽拔顺滑仪Fig.6 Device for measuring pull-out smoothness of tubular fabric

图7 钻进取样过程示意图Fig.7 Schematic diagram of the process of drilling & sampling

图8 3种小口径管状织物的抽拔力-时间(Fp-t)曲线图Fig.8 Pull-out force-time curves of the three MCTFs

从图8可以看出，实测的3条曲线均呈现较大的波动性，在钻进的前5 s时间内，管状织物所受的抽拔力迅速上升. 3者整体受力均呈现先增后减的趋势，并最终逼近一个不为0 N的定值. 在钻进的初始过程中，管径越小其所受的抽拔力越大；在临近钻进结束时，管径越小其所受的抽拔力越小.

由于管状织物与圆管壁之间的相互作用，实则为在切向外力的作用下管状织物中的长丝与所贴附的圆管壁之间产生的相互挤压与摩擦，因此，当管状织物中的长丝与所贴附的圆管壁接触面积越大和接触面靠得越近时，所产生的相互作用越剧烈，所受的抽拔力也越大[18]. 对于不同管径的管状织物，管径越小，与圆管壁之间的接触面靠得越近，其所受的抽拔力相对越大. 而当钻进取样过程结束后，管状织物与圆管之间的作用力，更多的是管状织物所包覆的样品与圆管内壁之间的挤压力作用，而对于管径较大的管状织物，该挤压力会更大，其所受的抽拔力相对越大.

2.3 抽拔顺滑度的计算及抽拔顺滑度-时间(Sp-t)曲线

为便于表征管状织物从套接于圆管壁到被回折抽拔进入圆管内部的顺滑程度，引入一个无量纲的物理量(抽拔顺滑度)进行表征，抽拔顺滑度的计算如式(3)所示.

(3)

式中：Sp为抽拔顺滑度；Fp为抽拔力；Fb为管状织物的断裂强力.抽拔顺滑度的取值范围为Sp∈(0, 1)，该值越大表明管状织物与圆管壁的作用越小，即抽拔顺滑性越好.

由式(3)计算可得3种不同直径的小口径管状织物沿圆管壁的抽拔顺滑度-时间(Sp-t)曲线，如图9所示.

图9 3种小口径管状织物沿圆管壁的抽拔顺滑度-时间(Sp-t)曲线图Fig.9 Smoothness-time curves of the three MCTFS along the wall of round pipe

从图9中可以看出，3种不同直径的小口径管状织物的抽拔顺滑度均呈现先减后增的趋势，整个过程中3者的抽拔顺滑度均高于0.90，可表明管状织物抽拔顺滑性良好. 从3条曲线比较来看，管状织物直径越大，其整体抽拔顺滑度越高. 因此，为避免遭受较大的抽拔力，且保证有较好的抽拔顺滑度，所织造的小口径管状织物的直径越大越好. 在实际应用过程中，尤其在空间技术、地质考察、考古发现中作为柔性采样袋收集小块状固体岩、土样时，应适当设计大口径的管状织物，使其既能保证低能耗又能保证较好的抽拔顺滑性，从而满足钻探取样要求.

3 结 语

与传统梭子织造相比，采用特制梭子织造出的小口径管状织物具有更加良好的几何结构，整个圆周的经密均匀一致，无明显织疵. 通过对管状织物进行抽拔顺滑性测试可得知，管状织物从套接于圆管外壁到被回折抽拔拉入圆管内壁的过程中，其受力呈现较大的波动性，且在最初的5 s内抽拔力迅速上升，在整个过程中呈现先增后减的趋势，最终逼近一个不为0 N的定值. 在测试的初始阶段及测试过程中，管径越小管状织物所受的抽拔力越大；临近测试结束时，管径越小管状织物所受的抽拔力也越小.

[1] 黄玉东,李艳伟,刘丽,等.一种高强细径超薄管状织物的制备方法:102767028 A[P]. 2012-11-07.

[2] 黄玉东,李艳伟,刘丽,等.一种具有径向弹力收缩管状织物的制备方法:102776649 A[P]. 2012-11-14.

[3] 贾立霞,王璐,凌凯.小直径纺织基人造血管的工程设计[J].东华大学学报(自然科学版),2004,30(2):125-129.

[4] 王璐,丁辛,DURAND B.人造血管的生物力学性能表征[J].纺织学报,2003,24(1): 7-9.

[5] 管晓宁,林婧,王璐,等.两种机织覆膜结构的腔内隔绝术用人工血管疲劳性能的比较[J].东华大学学报(自然科学版), 2014, 40(6): 681-686.

[6] 凌凯,王璐,贾立霞.人造血管轴向拉伸性能测试装置的实验研究[J].上海生物医学工程,2004, 25(1): 29-31.

[7] GLOY YVES-SIMON, LOEHRER M, LANG B, et al. Tubular woven narrow fabrics for replacement of cruciate ligaments[J]. Ann. Biomed. Eng., 2013, 41(9): 1950-1956.

[8] ZHAO H J, WANG L, LI Y L, et al. The mathematical model for evaluating fatigue resistance of SG tubular fabric: Relationship between textile parameters and fatigue performance[J]. J. Biomater. Appl., 2010, 24(7): 579-590.

[9] 张淑洁,王瑞,高艳章,等.用于管道翻衬修复技术中的管状纺织复合材料研究[J].天津工业大学学报,2007, 26(3): 17-20.

[10] 张淑洁,王瑞,徐磊,等.管状纺织复合材料力学性能的有限元分析[J].纺织学报,2008, 29(5): 51-54.

[11] 张淑洁,王瑞,徐磊.管道修复用管状纺织复合材料的力学性能分析[J].复合材料学报,2009, 26(5): 178-185.

[12] 王瑞,张淑洁,张丽.管道修复用管状纺织复合材料的管径设计[J].复合材料学报,2010, 27(3): 196-199.

[13] 徐永红,于伟东,郑永红,等.外套管状机织物抽拔过程的动态数值模拟[J].纺织科技进展,2014, 36(2): 21-27.

[14] 沈兰萍.织物组织与设计[M].北京:化学工业出版社,2014:121-122.

[15] 于伟东,丁作伟,杜赵群,等.一种下拉式的管状织物抽拔顺滑性测量装置及方法:105675485 A[P]. 2016-06-15.

[16] 于伟东,丁作伟,刘洪玲,等.一种顶入式的管状织物抽拔顺滑性测量装置及方法:105606528 A[P]. 2016-05-25.

[17] 于伟东,丁作伟,刘洪玲,等.一种包覆样品用的管状织物抽拔顺滑性测量装置及方法: 105547995 A[P].2016-05-04.

[18] 于伟东,储才元.纺织物理[M].上海:东华大学出版社,2009:256-257.

FormationandCharacterizationofPull-OutSmoothnessofMinor-CaliberTubularFabrics(MCTFs)

DINGZuoweia, b,YUWeidonga, b

(a. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education; b. College of Textiles, Donghua University, Shanghai 201620, China)

Three minor-caliber tubular fabrics (MCTFs) with a diameter of 16, 20, and 24 mm were fabricated with plain weave as the basic fabric weave and Kevlar as raw material on an automatic sample loom with special shuttles based on the preparing fundamental of tubular woven fabric. A self-designed device was used to test the pull-out smoothness of tubular fabrics. Results indicated that the stresses presented a rising tendency in the initial stage while a decreasing trend next, and finally tended towards a constant non-zero force value. As expected, during the initial stage and the testing process, it showed that the lower the diameter of tubular fabric, the lager its bearable stress. However, the trend was reversed at a period before the testing was over. The pull-out smoothness was obtained from the pull-out force and breaking strength, it showed that the bigger the diameter of tubular fabric, the better the pull-out smoothness.

minor-caliber tubular fabrics; formation; pull-out smoothness; characterization

1671-0444(2017)05-0639-06

2017-06-01

丁作伟(1986—)，男，山东临沂人，博士研究生，研究方向为管状织物的成形及其回折抽拔行为的表征. E-mail: 1132005@mail.dhu.edu.cn

于伟东(联系人)，男，教授，E-mail: wdyu@dhu.edu.cn

TS 105.3

A

(责任编辑：杨静)