碳纤维多层织机引纬机构原理方案分析研究

张仁峰，赵晓清，白 羽

(天津渤海职业技术学院，天津 300410；天津市市政工程学校，天津 300252；天津工业大学，天津 300387)

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。近年来，伴随着航空航天工业的发展，发达国家的高水平纤维织造技术取得了跨越式的进展。德国多尼尔公司推出了用于生产碳纤维等高性能纤维材料的多尼尔剑杆织机，该设备公称幅宽为180cm，最大有效筘宽为171cm，主轴最高转速达到180-280r/min。以日本东丽公司、日本东邦公司、美国Hexcel公司、法国Porcher Industries公司及韩国SK公司等为代表的国际先进的碳纤维织造公司均购进了先进的碳纤维专用织机。对于碳纤维多层机织装备的研究，我国还处于起步阶段，远远落后于发达国家，直接影响到我国航空航天等高精尖端技术的发展在多层织物的织造过程中，多层经纱顺次排列后具有一定的厚度，导致开口位置在不同纱层之间不断发生变化，这就给引纬带来一定的困难，因此引纬机构需要随着开口位置的不同而自动进行适应性调整，同时由于经纱层数较多，为了提高织造效率，采用合理的引纬方式。随着织机速度的提高，在引纬过程中，引纬器或高速射流需要在极短时间内平稳准确地穿过整个织口，因而给引纬运动带来了难度。引纬方式多种多样，有喷射(喷气、喷水)引纬、剑杆引纬、片梭引纬以及多织口引纬等。剑杆引纬是以剑杆作为引纬器，剑杆在引纬过程中，其剑头将纬纱握持，引纬稳定且可靠，可适应不同纱线的轻、中、重型织物的织造，尤其是其选色性能好，最多可选16色，在织造多色纬织物方面优势显著。因此，对织机引纬机构的结构分析及机构优化的研究具有重要意义。

一、碳纤维多层织机的技术要求

鉴于碳纤维纱线的特殊性能，碳纤维织造装备及织物的工艺及技术参数也应区别于普通纱线，表1、表2分别列出了织机及碳纤维多层织物的技术指标。

表1 织机技术指标

表2 织物技术指标

二、引纬机构的工作原理

该多层织机采用的是双侧可升降式电子引纬，纱线从储纬器上平行退绕，避免加捻影响织物质量，当纬纱被牵引到引纬点后，穿过固定在剑头装置上的导纱环中，在剑杆剑轮装置的驱动下到达对侧的指定位置，然后由气缸驱动的特制钩针将纬纱勾住，引纬剑杆沿原路线返回到初始位置，完成引纬动作。由于剑头装置固定在了剑杆上，它的运动与剑杆的运动一致，即作直线往复运动，以完成牵引纬纱进入织口的工序。剑杆的运动是由伺服电机驱动，经过一对同步带轮减速后，驱动剑杆剑轮装置带动剑头装置完成水平往复的引纬运动。由于多层织造的特殊性，每一个引纬点的位置都不尽相同，所以必须给整个引纬装置赋予纵向的升降运动以适应引纬点的变化。其升降运动同样采用伺服电机驱动，经过同步带轮和齿轮装置减速后，驱动滚珠丝杠来完成引纬机构的升降动作。

三、引纬机构特点

(一)引纬机构布置方案选择

本织机需要实现的是2～30层碳纤维的织造。如图1所示,该引纬系统不同于普通引纬机构的最大区别是，它不再采用送纬接纬相互配合的传统引纬方式，而是仅用一根送纬剑杆直接将纬纱送到对侧，然后由对侧的以电气联合驱动的钩针将纬纱勾住，剑杆沿原轨迹返回其初始位置，即完成了一个引纬动作。

一个伺服直线驱动单元主要负责控制剑头在梭口中的引纬运动。而另外一个伺服直线驱动单元则在垂直方向上通过对齿轮减速机构控制，进而驱动丝杠的正反转，使得与其配合的丝母驱动整个引纬单位进行上下运动，实现不同位置的引纬功能；通过改变伺服电机的转动量使得由其驱动的剑杆可以逐一准确地对准所形成的2个梭口,依次完成引纬动作。

图1 伺服电机控制的一对剑杆引纬机构

采用这种引纬方式，使用一对剑杆对应多个梭口依次引纬，可以通过控制计算机灵活地改变剑杆在每个梭口中的运动规律，让剑杆在不同的梭口中引纬时有不同的运动规律，以此来满足更多具有复杂结构织物的织造要求。而且该系统的工艺适应性很强，完全可以满足2～30层碳纤维的织造要求，且结构简单，控制灵活，自动化程度高，安装、保养、维修、更换都很简便。

(二)引纬传剑机构的分析

剑杆引纬机构的传剑形式有很多，较为典型的形式有变导程螺旋引纬机构、共轭凸轮引纬机构、空间四连杆引纬机构等。这几种剑杆传剑机构结构比较复杂、运动惯性大,而且剑头的运动规律主要取决于机构设计本身,在使用过程中无法根据立体织物的不同结构进行相应的修改,无法满足所织造立体织物的多样性。基于上述原因，本文研究的可调式引纬机构选用电子引纬机构。

(三)齿轮齿条式传剑装置

纬纱引入到织口，靠剑头的往复运动的牵引来完成的，而剑头的往复运动是由剑杆传动装置来驱动的。其工作原理是：系统控制伺服电机的正反转，经过一组同步带轮的减速后，驱动剑轮进而带动刚性剑杆完成水平往复运动。

在刚性剑杆前侧位置处，安装有两个压导轮，其作用是对剑杆起到固定的作用，防止其在引纬时的上下跳动，左右方向安装了两个夹板，用于对剑杆的左右摇摆运动进行限位。剑杆的尾部固定了一个尼龙滑块，该尼龙滑块在剑杆导槽中滑动，由于滑块与导槽配合紧密，对剑杆的尾端起到了上下和左右的限位作用。经过限位后的剑杆在引纬的过程中保持较为平稳的运行。

(四)升降装置

根据多层碳纤维织物的织造技术要求，引纬机构需要上下运动来实现不同引纬位置的引纬动作，因此，引纬机构的上下位置必须实时地进行调整以使其在最佳位置进行引纬。再者由剑杆织机开口处经纱的运动规律可知，开口处的经纱在X方向上也存在位移，为了使开口量保持一致，引纬机构在X方向上也应该有一个相对应的运动，才能保证引纬机构在最佳位置进行引纬，否则为了实现顺利引纬，在最后一层经纱发生开口运动时，将产生很大的开口量。根据纱线排布情况及理论分析可得，纬纱被引入织口的位置一般位于与水平线夹角为10°的方位上。综上所述，该装置的作用是驱动引纬机构的上下移动，满足不同位置的引纬。该升降装置由伺服电机提供动力，而后通过一组同步带轮(传动比为1:3)对运动进行减速，再通过一对直齿圆锥齿轮机构(轴交角为80°)使其运动角度发生改变，其输出斜齿轮与滚珠丝杠连接，从而控制其按一定角度的精确地完成升降动作，来适应织物引纬位置的变化。

四、引纬机构三维模型

本文中的三维模型由SolidWorks来完成三维建模，如图2所示。该模型为根据上述的原理方案进行设计所得，具体设计过程此处不再赘述。该机构的主要构件都为非标件，主要难点在于非标件的设计和整个机构的装配，特别是空间机构部分，稍有偏差，就会造成干涉或者运动轨迹偏差，导致仿真不能反映真实情况或者仿真不能顺利进行等。解决方法是先装配机架部分，以此为基准，进行其他零件的装配，最后实现了引纬机构的精确配合。

图2 引纬机构的三维模型

五、剑杆剑轮不同安装形式下的应力分析

本文对两种布置方案机构的受力情况进行了分析研究，具体措施是在充分考虑了碳纤维多层织造这一事实的基础上，按照实际情况对两种布置形式的机构进行了有限元的静力分析，通过分析结果来判定哪种布置形式受力相对较小，从而选择出较为合理的安装布置形式。

在该剑杆剑轮传动系统中, 伺服电机的输入功率为1kW，转速为300r/ min。齿轮齿条的齿形均为渐开线标准直齿， 模数为4、齿宽为12mm，重合度为1.2。齿轮材料为45钢，齿数为47，分度圆直径为188mm；齿条材料为42CrMo，调质后硬度HRC48～52，齿数为126，长度为147mm。

(一)有限元模型的建立

采用SolidWorks 软件进行齿轮齿条实体建模。由于齿轮分度圆上的接触区域的受力情况是分析的关键，因此首先保证模型啮合位置的正确，为此，先在齿齿条分度线上单齿中点处建立参考点，同理在齿轮分度圆上的相应位置建立参考点，然后添加两参考点的重合约束，即可使齿轮齿条在节点处啮合, 这样就将齿轮齿条单齿接触模型建立好了。最后通过SolidWorks 与ANSYS Workbench 的数据交换接口, 把啮合模型(图3)的几何数据导入Workbench 中的静力分析模块(static structure)进行分析，经过编辑材料属性、网格划分、施加约束、添加载荷等计算过程最终得出两种布置形式的应力、应变云图。

图3 剑杆剑轮啮合模型

网格划分完成后，将齿轮内表面设置为圆柱约束，并对轴向、径向位移进行约束, 使其只有绕齿轮回转中心的转动自由度, 同时对齿轮内表面施加考虑载荷因素后的扭矩。同理对齿条的自由度施加约束，使其只能沿与齿轮啮合的方向作往复直线移动。

(二)接触计算结果与分析

Workbench 通过应力云图来表现应力应变的分布情况，由接触面的Von Mises 等效应力云图计算得出，当剑轮竖直安装时，等效应力最大值为9.06×106Pa，而水平安装时的等效应力最大值为2.67×107Pa，显然，当剑轮竖直安装时齿轮齿条机构的内部应力更小。根据等效应变图发现水平安装时的等效应变要大于竖直安装时的数值。而竖直安装的剑杆剑轮机构在织机上的的良好运行也证明了设计的安全性与有限元分析的可靠性。

六、结论

(一)本章通过参照碳纤维多层织机的技术要求及织物要求，对织机的引纬机构的原理方案进行了研究，包括引纬形式的选择，传剑方式的选择，引纬规律的制定等。然后，基于以上的原理方案，对引纬机构进行了设计，得到其三维模型。

(二)对剑杆剑轮系统的竖直、水平两种布置方案机构的受力情况进行了分析研究，按照实际情况对两种布置形式的机构进行了有限元的静力分析，通过分析结果来判定竖直安装形式受力相对较小，从而选择出合理的安装布置形式。