龔小舟， 吳世林， 李 宇， 林富生,2， 王 強(qiáng)

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200; 2. 佛山慈慧通達(dá)科技有限公司， 廣東 佛山 528251)

靜態(tài)張力作用下多層經(jīng)紗的懸垂特征

龔小舟1， 吳世林1， 李 宇1， 林富生1,2， 王 強(qiáng)1

(1. 武漢紡織大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北 武漢 430200; 2. 佛山慈慧通達(dá)科技有限公司， 廣東 佛山 528251)

針對多層織物織造時經(jīng)紗易開口不清的問題，提出一種預(yù)估經(jīng)紗下垂特征的分析模型，為表征經(jīng)紗的懸垂特征提供理論參考。通過采用芳綸、碳纖維和玻璃纖維這些不同原料的紗線，以及采用不同線密度的碳纖維紗線進(jìn)行了實驗分析，以證實其與理論模型的相符程度。分析實驗結(jié)果表明，當(dāng)描述線密度較小的紗線在靜態(tài)時的懸垂程度時，此經(jīng)紗懸垂理論模型較為準(zhǔn)確。然而，對于較粗的經(jīng)紗，此模型還需要作進(jìn)一步修正。在進(jìn)行多層織造時，此研究結(jié)果可為模擬不同品種的紗線靜態(tài)情況下的懸垂形態(tài)提供一定的理論參考。

經(jīng)紗張力； 多層織造； 經(jīng)紗張力模型； 經(jīng)紗懸垂特征

張力的控制在紡織生產(chǎn)工藝中至關(guān)重要，無論是機(jī)織、針織還是編織生產(chǎn)過程中都大量使用了專業(yè)的張力控制機(jī)構(gòu)以求獲得合適的上機(jī)張力，使紡織生產(chǎn)順利進(jìn)行[1]。Mouritz等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在紡織生產(chǎn)過程中張力控制不當(dāng)，紗線的強(qiáng)力將損傷近半。國內(nèi)外研究表明：在碳纖維三維織物的織造過程中，引起紗線強(qiáng)力下降的主要原因是纖維間的摩擦，而產(chǎn)生這種摩擦的起因是為了得到合適的張力，有時會手工對紗線進(jìn)行調(diào)整[3-4]。上機(jī)織造過程中產(chǎn)生摩擦的原因可歸納為纖維與纖維、紗線與紗線間的摩擦，同時還包括機(jī)器構(gòu)件對紗線所產(chǎn)生的摩擦，這些構(gòu)件包括后梁、綜眼、鋼筘、停經(jīng)片和載緯器等[5]。如果上機(jī)張力過大，并且超出了紗線所能承受的彈性回復(fù)范圍，便會產(chǎn)生不可回復(fù)的塑性變形，導(dǎo)致紗線的結(jié)構(gòu)破壞。由于織造生產(chǎn)過程中的隨機(jī)因素眾多，紗線在移動過程中局部會產(chǎn)生應(yīng)力集中變形，其上機(jī)張力會逐漸偏離最佳上機(jī)張力值[6-7]。在傳統(tǒng)織造過程中，經(jīng)紗和緯紗都會產(chǎn)生上機(jī)張力的變化，但經(jīng)紗的變化更為頻繁。經(jīng)紗張力的變化取決于織物結(jié)構(gòu)、送經(jīng)速度、初始上機(jī)張力和整經(jīng)過程中的經(jīng)軸片紗不勻程度。經(jīng)紗張力過低，紗線下垂，從而造成布面織疵[8]，但過大的上機(jī)張力又可能損傷紗線，造成織物力學(xué)性能和熱性能上的不足。這種情況在三維織物多梭口織造過程中更為復(fù)雜。三維織造所用的纖維都是高性能纖維，比如玻璃纖維和碳纖維，這些纖維的共同特點(diǎn)是比較脆、易損傷，即使是非常小的摩擦都會造成纖維的損壞。這類纖維的另一特點(diǎn)是模量較高、紗線較粗，如果缺乏有效的上機(jī)張力，纖維易在質(zhì)量的作用下自然下垂，造成織造過程中的開口不清。通常來說，三維織物織造時會將多層經(jīng)紗逐層排列，交匯于織口處,多個載緯器穿梭于經(jīng)紗層間形成引緯[9-10]。生產(chǎn)厚度大的三維織物時，經(jīng)紗層數(shù)會不斷增加，經(jīng)紗層之間需要一定高度以便引緯。為了獲得最優(yōu)化的層間高度，需要賦予經(jīng)紗合適的上機(jī)張力使其下垂程度最小。本文針對多層經(jīng)紗織造過程中經(jīng)紗開口不清的問題，提出了一種較簡單的數(shù)學(xué)分析模型，用于表征經(jīng)紗張力與其懸垂度的關(guān)系，為獲取合適的上機(jī)張力提供理論參考。

1 理論模型

本文將對三維織造多層經(jīng)紗在張力作用下的懸垂特征進(jìn)行理論和實驗對比分析，探索經(jīng)紗上機(jī)張力與下垂程度之間的關(guān)聯(lián)，以期通過理論模型預(yù)測在不同張力情況下紗線的下垂程度。

紗線所承受的上機(jī)張力T可定義為沿紗線軸向所受到的力，如圖1所示，則其在水平方向的張力分量為(T′)并滿足關(guān)系式：T′=T×cosθ。

根據(jù)梭口的幾何形狀，對紗線的下垂情況進(jìn)行幾何分析。為了簡化分析模型，本文不考慮紗線的彎曲剛度和剪切應(yīng)力，而將紗線的下垂歸結(jié)于2個因素：紗線線密度和紗線兩端握持點(diǎn)間的距離。根據(jù)非線性彈性理論中的繩索彎曲模型[7]，可將紗線作為柔性繩索進(jìn)行探討研究。紗線在上機(jī)張力的作用下，其彎曲曲線函數(shù)y和自變量x之間可用式(1)進(jìn)行模擬：

(1)

式中：T′為紗線受到的水平方向的張力，N；W為紗線單位長度上的質(zhì)量，N/m；C1和C2分別為常數(shù)。

為了更明確地表示紗線懸垂時的形態(tài)，對紗線的懸垂形態(tài)進(jìn)行了幾何建模，圖1中H為梭口的開口高度， m；L為織口到測量點(diǎn)的距離，m；θ為紗線下垂角(下垂紗線位于A點(diǎn)處切線方向與水平方向的夾角)。為了求解式(1)中的常量C1和C2，進(jìn)行如下數(shù)學(xué)運(yùn)算：對公式中的y進(jìn)行一次求導(dǎo)，可得下垂紗線的斜率(tanθ)，利用這個數(shù)學(xué)關(guān)系，可得：

(2)

取x的值為0時，可得常量C1的值，即令x→0，則式(2)轉(zhuǎn)化為

C1=arsinh(tanθ)

同理，取x，y的值均為零時，可得C2的值，即令x→0，y→0，代入式(1)可得

(3)

因此，當(dāng)x→L，y→H, 代入式(1)，則下垂的紗線滿足如下函數(shù)關(guān)系式

(4)

從以上函數(shù)關(guān)系式可以得出結(jié)論：當(dāng)紗線受到上機(jī)張力作用時，其下垂曲線可以通過雙曲余弦函數(shù)進(jìn)行模擬。當(dāng)上機(jī)張力(T)、紗線單位長度上的質(zhì)量(W)和紗線下垂角(θ)已知時，可以模擬織口到測量點(diǎn)的距離(L)與開口高度(H)之間的函數(shù)曲線，用于表征紗線的懸垂特征。具體算例如下：

假設(shè)T300碳纖維, 線密度為439 tex在0.05 N的上機(jī)張力作用下分7層進(jìn)行三維織物織造，其每層的紗線下垂角(θ)分別假設(shè)為50°、40°、30°、20°、10°、0°、-10°，當(dāng)紗線下垂角(θ)為50°時，根據(jù)式(4)計算所得出的參數(shù)如表1所示(其中：T=0.05 N;W=0.004 N/m；角度為50°；C1=1.01；C2=-18.08)。每層紗線以織口到測量點(diǎn)的距離(L)為橫坐標(biāo)，梭口開口高度(H)為縱坐標(biāo)的函數(shù)關(guān)系圖如圖2所示。

表1 理論計算所得式(4)的參數(shù)值 Tab.1 Calculated value from equation(4) m

2 實驗部分

2.1 實驗材料

采用芳綸、碳纖維和玻璃纖維進(jìn)行實驗測試，分析在三維織物織造中經(jīng)紗的變形情況，以及多層經(jīng)紗排列時每層經(jīng)紗下垂與上機(jī)張力間的關(guān)系。纖維規(guī)格如表2所示。

2.2 實驗裝置

為了驗證理論模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步實施了相關(guān)的實驗研究。實驗裝置搭建如圖3所示。在搭建的實驗裝置上，每層的紗線被擺放在裝置的兩端，其中一端織口處被一套螺絲/螺栓組成的壓板壓實，另一端通過一個分層架固定，紗線的后端掛有小鐵錘，以模擬紗線所受的的上機(jī)張力。織口與分層架之間的距離可以調(diào)節(jié)，本文設(shè)定為1.0 m，進(jìn)行實驗。用尺子沿著織口到分層架(即沿著L)每隔0.1 m記錄每層經(jīng)紗開口高度(H)。也可以通過增減紗線后端小鐵錘的方式模擬上機(jī)張力的情況，本文實驗采取的上機(jī)張力為0.05 N。

表2 原材料技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indexes for raw materials

3 結(jié)果與討論

以芳綸1414的測試結(jié)果為例，圖4示出理論模擬的紗線下垂曲線與實驗測得的實際數(shù)據(jù)。在圖3所示的23層三維織物多層織造中，從上至下，分別選取了第1、3、5、7和9層的紗線作為上半部分測量其紗線懸垂特征，其所對應(yīng)的紗線下垂角分別為10°、20°、30°、40°和50°(見圖4(a))；同理可得下半部分的紗線懸垂特征(見圖4(b))。對比圖3及參考所測得的L-H值，可以看出：本文建立的理論模型比較好地模擬了實際多層紗線的開口情況，并獲得實測值的驗證，但是從圖4(b)所得到的織物下半部分理論與實際的對比情況來看，理論值與實測值有所偏差，特別是最下面第20層(對應(yīng)圖中紗線下垂角-50°)和第18層(對應(yīng)圖中紗線下垂角-40°)的紗線理論計算值均高于實際測量值。究其原因主要是在測量的過程中對紗線下垂角(θ)的表征缺乏可靠的測量方法，僅僅是依靠目測來定義紗線的正切線與水平線的夾角，從而得到一個預(yù)估值。這個角度與理論設(shè)定的紗線下垂角(θ)還不完全吻合。在未來的研究工作中，希望能解決這個問題。

表3 不同種類纖維的實驗測試值與理論計算值之間的偏離程度Tab.3 Variation between testing results and theoretical results

4 結(jié) 語

本文建立了使用較細(xì)紗線織造的情況下，多層經(jīng)紗織造過程中每層經(jīng)紗開口高度與紗線兩端握持點(diǎn)之間的距離、紗線下垂角、紗線上機(jī)張力和紗線單位長度上的質(zhì)量之間的函數(shù)關(guān)系，有效地模擬了每層紗線的懸垂特征。將柔性繩索大變形所建立的理論模型應(yīng)用于多層經(jīng)紗織造中，符合實測結(jié)果，從而驗證了此模型在分析多層經(jīng)紗織造時的有效性。通過對理論模型的進(jìn)一步討論，在其他參數(shù)保持不變的情況下，紗線線密度的變化也會影響紗線在多層織造中的懸垂情況。另外，紗線的上機(jī)張力與紗線兩端握持點(diǎn)之間的距離嚴(yán)重影響紗線的下垂程度。過大的上機(jī)張力會損傷紗線，從而嚴(yán)重降低紗線在最終應(yīng)用時的力學(xué)性能。因此，為了在多層織物織造過程中獲得良好的開口清晰度，影響紗線下垂的各參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化，從而保證在紗線性能保持優(yōu)良的情況下，促使三維織物多層織造的順利進(jìn)行。

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《紡織學(xué)報》第九屆編輯委員會成立

《紡織學(xué)報》第九屆編輯委員會成立大會于2016年10月23日在上海松江召開。中國工程院蔣士成院士、姚穆院士，來自海內(nèi)外各領(lǐng)域知名學(xué)者和技術(shù)專家，中國紡織工程學(xué)會伏廣偉常務(wù)副理事長、尹耐冬秘書長、劉軍副秘書長共52名編委出席會議。學(xué)會學(xué)術(shù)處張洪玲副處長主持會議?！都徔棇W(xué)報》第九屆編輯委員會共聘請69名委員，分別來自高等院校、科研院所和企業(yè)，詳情見本刊封三。

《紡織學(xué)報》是中國紡織工程學(xué)會主辦的中文紡織學(xué)術(shù)期刊，由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會主管。是全國中文核心期刊、中國科技核心期刊，2016年新被《工程索引》(Ei Compendex)收錄。編委會是《紡織學(xué)報》編輯出版工作的學(xué)術(shù)指導(dǎo)機(jī)構(gòu)，對期刊的編輯出版起指導(dǎo)、監(jiān)督和促進(jìn)作用。

會上，各位編委接受了聘書并討論通過了《紡織學(xué)報》編輯委員會章程(修改稿)。編委會常務(wù)副主任伏廣偉肯定了《紡織學(xué)報》在促進(jìn)學(xué)科建設(shè)、培養(yǎng)學(xué)術(shù)人才等方面的重要作用，希望編委們珍視榮譽(yù)，履行職責(zé)，充分發(fā)揮作用，辦出高水平、高影響力的世界一流的刊物。劉軍主編代表編輯部匯報了《紡織學(xué)報》近幾年編輯出版工作情況。

編委會各位副主任高衛(wèi)東副校長、程博聞副校長、陳文興校長、周華堂院長、莊小雄院長在期刊定位、審稿、選題策劃、吸收優(yōu)質(zhì)稿源等方面提出了建設(shè)性意見。香港理工大學(xué)胡金蓮教授、美國加州大學(xué)戴維斯分校潘寧教授、澳大利亞迪肯大學(xué)王訓(xùn)該教授作為海外編委代表發(fā)言，希望《紡織學(xué)報》進(jìn)一步加強(qiáng)宣傳，提高文章時效性和審稿速度，積極擴(kuò)大國際影響力。

最后，蔣士成院士、姚穆院士分別做了總結(jié)性發(fā)言。二位院士對《紡織學(xué)報》近年來取得的成績給予肯定并寄予殷切的希望，強(qiáng)調(diào)《紡織學(xué)報》一定要引領(lǐng)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，匯聚優(yōu)秀研究成果，爭取早日辦成國際名刊。

Characteristics of warp yarn hanging path under weaving tension

GONG Xiaozhou1, WU Shilin1, LI Yu1, LIN Fusheng1,2, WANG Qiang1

(1. School of Textile Science and Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan, Hubei 430200, China; 2. Foshan Cihuitongda Tech. Co., Ltd., Foshan, Guangdong 528251, China)

During the multi-layer weaving process, aiming at difficulties in creating a clear shed opening passage for each warp layer, an analytical model to characterize the hanging path of each layer′s warp yarn are propsed. Experiments have also been conducted to evaluate the accurancy of this analytical model by using different yarns such as kevlar, carbon and glass fiber or by using various carbon fiber yarns such as in fineness. After the comparisons, it is found that this model suits better to describe finer yarns, however, with coarse yarns, the model lost its efficiency and need to be further modified. The outcomes from this work is to provide a useful reference to characterise the warp yarn hanging path during multi-layer weaving under statistic conditions.

warp tension； multi-shed weaving； warp analytical model； warp hanging characteristic

10.13475/j.fzxb.20150604705

2015-06-23

2016-05-01

國家自然科學(xué)基金青年項目(51502209)；湖北省自然科學(xué)基金項目(2015CFB553)；湖北省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目(201513240001)

龔小舟(1980—)，女，副教授，博士。主要研究方向為三維紡織品織造工藝及產(chǎn)品性能。E-mail：xiaozhou.gong@wtu.edu.cn。

TS 131.9

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