编织胶管骨架层编织过程的导程和张力控制研究

曹施展

（南京利德东方橡塑科技有限公司，江苏 南京 210028）

编织胶管具有承压高、柔韧性好、对恶劣工况适应性强等诸多优点，目前已在多个行业得到广泛应用[1-5]。骨架层编织是决定编织胶管性能的重要因素[6-9]。研究编织胶管骨架层编织过程中的导程和张力控制，对胶管性能的控制十分重要。

1 编织导程

1.1 编织胶管结构及其受力分析

编织胶管的结构如图1所示。

图1 编织胶管结构示意Fig.1 Structure of braided hose

胶管内胶层起密封和压力传递作用；外胶层起保护作用；中间编织线层可为一层或多层，是主要的承压层，其将内胶层牢牢束缚并保持胶管形状和尺寸稳定性[10-11]。编织机将多头编织线交叉编织在内胶层外表面，形成致密和均匀的菱形编织线层。由于编织线层主要承受内胶层传递过来的介质压力，可将编织线层视为两端封闭的圆筒状薄壁压力容器[12]，其整体结构和微小单元的应力分析如图2所示[13]，其中σr为环向应力（N），σx为轴向应力（N），P为介质压力（Pa），θ为介质压力的水平夹角（rad）。

图2 编织线层应力分析Fig.2 Stress analysis of braided wire layer

根据图2，环向应力和轴向应力满足受力平衡条件：

由式（1）和（2）得

式中，D为编织层直径（m）。

1.2 编织角（编织平衡角）及编织导程计算

介质对胶管做功，导致编织线层拉伸，为使胶管均匀膨胀，并保持胶管结构稳定，胶管径向与轴向受力平衡。编织线受力变形分析如图3所示，其中F为编织（线）张力（N），Fr为编织张力的环向分力（N），Fx为编织张力的轴向分力（N），ΔL为编织线的总拉伸尺寸（m），ΔLr为编织线的环向拉伸尺寸（m），ΔLx为编织线的轴向拉伸尺寸（m），β为编织角（°）。

图3 编织线受力变形分析Fig.3 Analysis of force and deformation of braided wire

编织角需满足下列关系式：

式中，Wr为介质对胶管的径向功（J），Wx为介质对胶管的轴向功（J），Δr为胶管的径向膨胀尺寸（m），Δx为胶管的轴向膨胀尺寸（m）。

由式（4）—（7），可得：

同时，可推导出编织导程（p，mm）和线长（L，mm）的计算公式：

由此可见，编织角只与编织层直径和编织导程有关，在确定的编织角下，保持编织导程恒定，可使胶管的径向和轴向膨胀平衡并保持胶管结构稳定。

2 编织张力

2.1 编织张力作用

编织线具有一定的拉伸性，在一定范围内编织线的拉力与伸长量成正比[14]。编织线在编织过程中保持一定的编织张力，可有效抵抗介质压力，减小胶管的膨胀量[15]。但编织张力过大易使胶管产生疲劳，同时致使编织机受力抖动而加剧磨损。因此，通常需根据胶管的性能及实际生产工艺选取编织张力，并保持编织张力稳定。

2.2 编织张力过程控制与分析

编织张力的过程控制是由编织机锭子的收放线来实现的。锭子带着线轴在S形轨道上同步交叉走位，当锭子向圆盘内圈运行时，放线点到编织点的距离不断减小，编织过程不足以消耗掉多余的线，需要锭子机构弹性元件释放能量，拉长距离，以拉紧线而保持编织张力；当锭子向圆盘外圈运行时，放线点到编织点的距离不断增大，加之编织过程消耗的线长，需要锭子机构弹性元件存储能量，缩短距离，以放松线而保持编织张力；当锭子达到一定位置时，触发线轴棘轮放线，放线后锭子机构弹性元件释放能量，再以此循环。由此可见，编织张力在一定范围内周期性波动是必然现象。下面从编织张力波动的理论计算中分析其变化规律和影响因素。

2.3 编织张力计算

图4为一台24锭卧式编织机的结构示意，其中编织机圆盘轨道外圈半径为R，花盘半径为r，编织机转速（锭子绕圆盘大圈旋转）为n1，花盘转速（锭子绕花盘小圈旋转）为n2，花盘角速度为ω，设时间为t，在任意一个时间段（Δt）内锭子到编织点的垂直距离（OA）为l，水平距离（BO）为b，斜线距离（AB）为a，a的变化量为Δa，消耗的编织线长为s，锭子单次旋转放线长度为c，放线机构缓冲长度为d，锭子旋转放线时最大编织张力为Fmax，最小编织张力（放线机构缓冲长度达到最大时）为Fmin，Δt内编织张力的变化量为ΔF，则有如下关系：

图4 编织机结构示意Fig.4 Structure of braiding machine

2.4 编织张力影响因素

由式（17）可知，最大编织张力与最小编织张力差（Fmax-Fmin）越小，放线机构缓冲长度（d）越大，锭子单次旋转放线长度（c）越小，则编织张力波动（ΔF）越小。进一步分析，在放线机构缓冲长度不变时，最大编织张力与最小编织张力差取决于弹性元件的弹性系数，弹性系数越小，最大编织张力与最小编织张力差越大。放线机构缓冲长度的设计受限于锭子机构的空间大小，只能有限增大，且放线机构缓冲长度至少需缓冲锭子从最外圈到最内圈所积攒的线长，即d＞（amax-amin），否则会出现抛线现象。锭子单次旋转放线长度取决于锭子放线棘轮的齿数，齿数越多，锭子单次旋转放线长度越小，但设计时需考虑齿数增多带来的强度下降。

对以上参数进行合理的赋值试算，如取R＝270 mm，r＝64 mm，n1＝0.7 rad·s-1，b＝80 mm，p＝16.3 mm，c＝25 mm，d＝150 mm，Fmax＝25 N，Fmin=20 N时，编织张力计算结果如图5所示。

图5 编织张力与时间的相关曲线Fig.5 Correlation curves of braiding tension and time

从图5可以看出：锭子运行到轨道外圈附近时，编织张力最大，运行到轨道内圈附近时，编织张力最小；锭子旋转放线一般发生在轨道外圈附近，且放线后编织张力波谷稍低于其他波谷，与实际相符。

3 结论

本研究分析编织胶管骨架层编织过程中的结构受力，推导出胶管编织导程和编织张力的计算公式，以确定胶管骨架层编织过程的重要参数，从而有效控制胶管性能。结果表明：在一定的编织角下，保持编织导程恒定，可使胶管的径向和轴向膨胀平衡并保持结构稳定；编织张力具有周期性波动特性；锭子运行到轨道外圈附近时，编织张力最大，锭子运行到轨道内圈附近时，编织张力最小；锭子旋转放线一般发生在轨道外圈附近，放线后的编织张力波谷稍低于其他波谷。