碳纤维织物打纬机构国内外发展综述

2019-12-20弭俊波杨建成

纺织器材 2019年6期

弭俊波，杨建成

（天津工业大学机械工程学院；天津市现代机电装备技术重点实验室；天津市机械基础及纺织装备设计虚拟仿真实验教学中心：天津 300387）

0 引言

国内碳纤维织机是在传统织机基础上，结合碳纤维纱线基本特性及其生产工艺要求，对传统剑杆织机进行改进与优化发展而来的。如国内某企业对国产GA747－Ⅱ型剑杆织机进行升级改进，创造性地提出了模拟整经的方法来织造碳纤维布，着重优化了纱线张力控制系统、综平角度分配、综框开口量和引纬时间等碳纤维布的织造工艺，在应对碳纤维纱线脆性高、起毛多等问题上效果明显。由于打纬机构产生的振动稍大，使织物偶尔产生疵点，为此天津工业大学积极响应国家迈向制造强国的号召，开发出具有国际先进水平的碳纤维多层角联织机［1］。该装备能织造幅宽为1200 mm、经纱层数为30 层的碳纤维多层织物，然而面对厚重的碳纤维多层织物，其打纬机构存在打纬力不足的问题。国外一些制造业大国在碳纤维织造领域也取得了傲人成绩，德国多尼尔（Dornir）公司研发的多尼尔碳纤维专用剑杆织机，运行稳定、生产效率高、产品质量好、幅宽大，非常有代表性［2］，但该织机打纬机构不适用厚度大的碳纤维立体织物的织造。此外，日本东丽公司、韩国三星集团纺织分社、美国赫氏公司、法国博舍（Porcher Industries）公司等也设计出了碳纤维专用织机，且自动化水平极高，这些织机往往只用于织造某一特定结构碳纤维织物，产品覆盖率稍低。可以说，我国在碳纤维专用织机研究方面任重道远。

1 摆动打纬机构

1．1 六连杆摆动打纬机构

传统打纬机构常采用连杆式或共轭凸轮式，筘安装在摆臂筘座脚上，筘与摆臂同步绕摆臂摆动中心做圆弧摆动运动［3］。国内某公司引进国外先进织机技术，结合自身相关技术储备，设计制造了多款高速喷气织机，以G1756型织机为例，该织机的设计以玻璃纤维纱线的物理化学特性为基础，优化后开发出新一代玻璃纤维织机，为尽量减少筘与玻璃纤维纱线的摩擦，该织机按最小打纬动程设计，织物幅宽为190cm～250cm 时应用四连杆打纬机构，而当织物幅宽大于280cm 时应用六连杆打纬机构［4］（见图1）。在工艺允许的前提下尽可能地减小打纬动程，不仅减少了筘对玻璃纤维、碳纤维纱线的摩擦损伤，而且提高了打纬频率、减小了织机振动，使织机运行更平稳可靠，但由于该织机打纬机构运动特性的限制，不能织造厚度大的立体织物，且连杆机构刚性较差。

图1 六连杆摆动打纬机构示意

1．2 共轭凸轮式摆动打纬机构

目前，常用的高速喷气织机打纬机构主要为连杆（四连杆和六连杆）式打纬机构和共轭凸轮式打纬机构［5］。根据机织物生产工艺要求，打纬和引纬两大运动需协调配合、避免产生干涉，引纬时筘应在后死心位置（筘运动起始点）保持静止或合理的低速运动，以提供足够的引纬时间。关于主流打纬机构方式，各不相同。日系织机常应用连杆式打纬机构，而欧美国家大多选择共轭凸轮式打纬机构，这与设计制造理念不同有关。然而，共轭凸轮式打纬机构相比连杆式打纬机构有诸多优势，更容易满足引纬时间的要求，且打纬动力学性能更优、主轴同转速下输出的打纬力更大，更适用于宽幅织机，在高速织机上共轭凸轮式打纬机构（见图2）表现更佳，响应快、惯性小、织机振动小［6］。

图2 共轭凸轮式摆动打纬机构示意

相比连杆，共轭凸轮加工工艺要求更高，制造复杂，成本更高，由于资源紧缺，日系织机制造商在设计层面更多考虑成本问题，这也导致许多日本织机制造商选择放弃使用共轭凸轮打纬机构。目前，欧洲制造商推出的机型趋于模块化设计，可在一定程度上降低成本。

摆动式打纬机构以其成熟的技术优势在碳纤维织物织造领域得到了广泛应用，根据碳纤维纱线特有的属性如抗拉能力强、横向易折断、摩擦易起毛等，对摆动式打纬机构进行优化改进，适当降低筘打纬动程，来减少筘齿对碳纤维经纱的磨损。摆动式打纬机构仅仅能够满足碳纤维单层织物的织造，面对碳纤维多层及中空织物，摆动式打纬机构无法为织口内每层纬纱提供相同的打纬力，因此织造碳纤维多层及中空织物时筘需做平行打纬运动。

2 平行打纬机构

玻璃纤维纱线的抗拉能力强、抗剪切能力弱、摩擦易起毛等与碳纤维纱线比较类似，因此，许多碳纤维织机打纬机构的设计都参考了玻璃纤维织机打纬机构，并在此基础上加以改进［7－8］。如前所述，碳纤维立体织物包括碳纤维多层织物和碳纤维中空织物，其与常见的服饰面料布匹最大区别在于，碳纤维立体织物厚度往往较大，织口内纬纱并列排布在不同水平高度，普通布匹织机打纬机构筘做轨迹为圆弧摆动运动，若碳纤维立体织机筘仍做摆动运动，打纬时碳纤维立体织物不同层纬纱受力将不均匀，无法保证每层纬纱能顺利进入织口，这就大大降低了碳纤维立体织物的品质［9］。为使碳纤维立体织物不同层纬纱受力均匀，保证每层纬纱能顺利进入织口，设计出连杆平行打纬机构，如图3所示。

图3 连杆平行打纬机构示意

为实现平行打纬，国内外学者给出了不同的解决方案，比如BADAWI M S S S提出利用气缸的直线运动来实现筘的水平打纬［10］，但由于气缸的驱动力不易控制，冲击较大且动态响应较慢，不利于碳纤维织物的生产；国内学者也提出用四连杆结合曲柄滑块的组合机构实现平行打纬，且通过优化各杆件之间的尺寸关系可以得出比较适宜的打纬运动规律，但这种方案存在打纬力不足等问题；平行打纬机构还有增力机构、正弦机构和导杆机构串联的六杆机构等［11］，虽然解决了平行打纬的问题，但存在机构振动大、速度慢等缺点。

3 打纬机构驱动装置

打纬机构驱动装置在近20多年的发展过程中也有一定变化，20世纪90年代末比利时必佳乐公司展出了开关磁阻电机，用于织机主轴驱动，这类交流同步电机适用于低速大扭矩启动环境，目前相关技术已十分成熟，特别适用于高速喷气织机。开关磁阻电机和可变磁阻电机具有结构简单、控制电路简单、工作可靠、启动转矩大、频繁启动工况下性能良好等特点，特别适用于做碳纤维立体织机打纬机构的驱动力。

4 打纬机构运动学分析概况

陈建能等学者对非圆齿轮行星轮系利用三次埃尔米特插值多项式对剑杆织机引纬机构进行了运动学分析，用于求解加速度曲线，为打纬机构的运动规律研究提供了理论参考［12］。林万焕等人以Hermite多项式为基础，采用运动学方程反求法对打纬机构参数进行求解，并利用最小二乘法拟合出打纬机构共轭凸轮轮廓线，为打纬机构的设计及运动分析奠定了理论依据［13］。袁汝旺等学者利用基本杆组法对轴向六连杆打纬机构进行了尺度综合，求得了打纬机构的运动特性，为提高打纬机构传动效率、降噪等奠定了理论基础。

姜海涛利用闭环矢量法对四连杆—曲柄滑块打纬机构系统进行了运动学分析，并在Simulink中建立了运动仿真模型，得出筘座滑块的位移、速度和加速度特性曲线［14］。Li Z J等借助MATLAB对共轭凸轮式打纬机构进行了运动规律分析，将三角函数和线性函数相结合，为优化打纬机构运动规律提供参考［15］。CELIK H I等人对地毯织机四杆曲柄摇杆打纬机构进行了尺度综合分析，为提高织机速度提供了理论依据。

5 打纬机构动力学分析概况

共轭凸轮式打纬机构适用于高速织机，有学者对传统共轭凸轮式打纬机构进行了柔性动力学分析，为高速打纬机构的设计及优化奠定了基础［16］。邓威进将打纬机构筘座系统简化为均质简支梁模型，对筘座系统建立动力学方程，分析了打纬过程中筘座系统的振动情况，并利用ANSYS对其进行模态分析，得出筘座系统前十阶固有频率，为研究打纬机构筘的振动提供了思路［17］。

郑明亮利用Lie对称性理论对曲柄滑块式打纬机构进行了动力学特性分析，在分析力学理论基础下建立了二自由度打纬机构动力学模型，为织机打纬机构动态优化设计提供了理论依据［18］。金国光等学者运用Rayleigh－Ritz法对剑杆织机共轭凸轮式打纬机构柔性从动件进行离散化处理，并利用Lagrange方程建立了共轭凸轮式打纬机构柔性从动件动力学方程，为减小打纬机构振动造成的筘座角偏差、提高共轭凸轮寿命等奠定了理论基础［19］。

秦凯旋利用Adams对共轭凸轮式打纬机构滚子与凸轮之间的碰撞及接触力变化规律做了理论研究，提供了通过改变筘座材料以减小滚子与凸轮之间接触力的方法来提高共轭凸轮寿命的理论方法［20］。鲁宁等基于Adams虚拟样机对四连杆式打纬机构建立动力学模型，分析了往复摆动的筘座工作效率及打纬机构对织机墙板的振动影响，为研究织机振动特性及优化提供了参考［21］。

NOWAKOWSKI C等学者对发动机曲轴建立了柔性动力学方程，分析了曲轴高速旋转过程中的变形情况，为研究高速打纬机构柔性变形提供了理论参考［22］。Xue W L 等学者对四连杆式打纬机构系统进行了间隙动态分析，研究了连杆关节处的间隙振动，为提高四连杆式打纬机构运动精度指明了方向［23］。Tang X M 等学者基于有限元软件ANSYS对打纬机构进行了动态特性研究，计算出了打纬机构摇杆振动模态，为设计高性能打纬机构提供了参考［24］。

针对摆动式打纬机构及滑块式平行打纬机构在织造碳纤维多层及中空织物时的不足，衍生了一种共轭凸轮与四连杆相结合的组合式平行打纬机构，如图4所示。

图4 共轭凸轮—四连杆平行打纬机构示意

利用目前对打纬机构驱动装置、运动学及动力学等的研究结果，对该共轭凸轮—四连杆平行打纬机构进行优化设计，使其在打纬前死心位置钢筘处于竖直状态，不仅可实现平行打纬，且该机构响应快、输出打纬力充足，不仅能用于普通单层碳纤维织物织造，而且能满足碳纤维多层及中空织物的生产要求，适用性强。

6 结论

实际生产应用中打纬机构种类的选择因织机工况及织物产品类型而定，连杆式打纬机构结构相对简单、加工及日常维护成本低、技术成熟可靠性高，多用于低速织机；相比连杆，共轭凸轮刚度更高、高速时不易变形、响应快且输出运动规律可设计性强，因此在高速重载织机上常选用共轭凸轮式打纬机构。随着机加工水平的不断提高，共轭凸轮的制造精度也得到了保证，这也进一步促进了共轭凸轮在打纬机构上的应用。中空织物及多层织物由于其各层纬纱不在同一水平面，为使钢筘对织口内每层纬纱作用相同的打纬力，钢筘筘面必须与织口内织物横截面平行，因此中空及多层织物织机必须选用平行打纬机构，共轭凸轮—四连杆平行打纬机构产品适用性更强、输出打纬力更大。当前各类织机不断朝着高速化、智能化方向发展，共轭凸轮式打纬机构越来越普遍，打纬机构驱动形式也从传统主轴统一驱动发展到更智能的伺服系统独立驱动。