管昳昳，劉曉霞，王澤凡，邱昱琛，高 琮

(上海工程技術大學服裝學院，上海 201620)

自制耐磨儀及其對羽絨面料折皺點的耐磨性測試

管昳昳，劉曉霞，王澤凡，邱昱琛，高 琮

(上海工程技術大學服裝學院，上海 201620)

為探索新的織物耐磨性測試方法，設計并制造出自制耐磨儀。介紹了自制耐磨儀的原理、結(jié)構以及測試方法。在一定充氣壓力下應用自制耐磨儀對織物折皺點進行摩擦，通過氣流量的變化實時反映織物的磨損情況，通過伯努利方程將變化氣流量轉(zhuǎn)化為等效孔徑，選取等效孔徑值來評價織物折皺點的耐磨性能。采用正交試驗，選取摩擦速度、充氣壓力、面料厚度3個測試參數(shù)，對羽絨面料折皺點的耐磨性能進行了測試，分析了它們對羽絨面料折皺點耐磨性能的影響。結(jié)果表明，自制耐磨儀在一定條件下，可表征羽絨面料折皺點的耐磨性能。充氣壓力和面料厚度對羽絨面料折皺點的耐磨性能有顯著影響，摩擦速度對其影響不顯著，充氣壓力的影響最為顯著。研究結(jié)果為改善羽絨服面料折皺點的耐磨性提供了借鑒方法。

紡織機械設計與制造；耐磨儀；氣流量；羽絨面料；折皺點；耐磨性能

管昳昳，劉曉霞，王澤凡，等. 自制耐磨儀及其對羽絨面料折皺點的耐磨性測試[J].河北科技大學學報,2017,38(1):66-72. GUAN Yidie, LIU Xiaoxia, WANG Zefan,et al.Homemade abrasion tester and its application for abrasion resistance testing of crease points on down fabrics[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2017,38(1):66-72.

織物在穿著和使用過程中會受到各種外界因素的影響，特別是與周圍物體接觸并相互摩擦造成織物性能的損失[1]。在織物摩擦過程中，其表面首先被改變，然后其內(nèi)在結(jié)構受到影響，進而外觀被影響，其服用性能大大降低[2-3]。因此，紡織品表面的耐磨性是檢驗紡織品的重要指標[4]。

織物的磨損類型很多，主要有曲面磨損、平面磨損、翻動磨損、折邊磨損、動態(tài)磨損等，對服裝的不同部位有著不同狀態(tài)的磨損[5]。針對這些磨損的耐磨性測試方法已基本成熟，并已被列入紡織品耐磨性測試標準。比如美國材料實驗協(xié)會(ASTM)關于紡織品耐磨性的試驗方法標準主要有：旋轉(zhuǎn)式平臺雙頭法[6]、曲磨法[7]、充氣膜片法[8]、振動汽缸法[9]、均勻磨損法[10]。美國紡織化學師與印染師協(xié)會(AATCC)采用埃克西來羅試驗儀法[11]，其余大多數(shù)國家均采用馬丁代爾磨損試驗儀法[12]對織物耐磨性進行檢測。這些耐磨性測試方法基本都是面料與磨料以面與面的方式接觸摩擦，無法得知某些應力集中點比如折角尖端處的磨損狀態(tài)。而且這些耐磨性測試方法不能連續(xù)測定織物磨損狀態(tài)，無法得知測試過程中摩擦時間或摩擦次數(shù)與織物磨損之間的函數(shù)關系，對于耐磨性能的評定大都需要人工觀測。有商家反映，無法通過現(xiàn)有的耐磨測試方法測定羽絨面料折皺點的耐磨性能，并以此來評價羽絨面料是否失效?？v觀國內(nèi)外的耐磨性測試方法，尚未見到對織物折角或折皺點進行摩擦測試的相關或類似研究報道。本課題組研制了一種新型氣流式耐磨性能測試儀器，專門用于測量織物在折皺狀態(tài)下折皺尖端的耐磨性能，并探討測試參數(shù)——耐磨儀的摩擦速度、充氣壓力以及面料厚度對羽絨面料折皺點的耐磨性能的影響。

1 自制耐磨儀

1.1 自制耐磨儀原理及等效孔徑概念

本課題組研制了一種新型氣流式耐磨性能測試儀器(公開號：CN204831951U，實用新型，已授權。公開號：CN105043912A，發(fā)明專利，已公告)，用此來專門測量織物在折皺狀態(tài)下折皺點的耐磨性能。在一定充氣壓力下，耐磨儀對織物折皺點進行摩擦。采用數(shù)據(jù)采集卡實時采集氣體流量數(shù)據(jù)，通過Labview軟件組成的虛擬儀器來獲知摩擦過程與變化氣流量的關系，進而通過伯努利方程得出摩擦過程與等效孔徑的關系，以等效孔徑值的大小來反應織物的磨損狀態(tài)[13-15]。該耐磨測試方法能實時反應織物的磨損狀態(tài)(公開號：CN105043911A，發(fā)明專利，已公告)。通過該儀器的運動控制模塊可控可調(diào)相關參數(shù)，如摩擦量、摩擦速度、摩擦對偶之間的壓力、充氣壓力等，模擬衣服的袖口、肘部和一些背包邊角的折皺情況，以滿足不同試樣的耐磨性測試。

折皺織物的尖端在磨損過程中由于不同面料紗線損壞方式的差異性，并不能形成規(guī)則圓形，其孔洞都是不規(guī)則圖形，用常規(guī)方法無法對孔洞幾何面積進行定義，而用肉眼直接比較不規(guī)則孔洞是不現(xiàn)實的。但是無論是規(guī)則孔洞或是不規(guī)則孔洞，當其有氣流通過時，在流體力學上都有共通性。可以把這些不規(guī)則孔洞和能夠通過與其相同氣體流量的規(guī)則孔洞相等效，提出在織物磨損時等效孔徑的概念，解決織物折皺點磨損后，無法測量其破損孔洞面積的難點。

等效孔徑即等效規(guī)則圓形孔洞的直徑。等效孔徑的測量是通過將流體力學中普遍使用的伯努利方程應用在自制耐磨儀上實現(xiàn)的。當氣流從輸氣管中流出通過織物的破孔時，可將其看成孔口出流，符合根據(jù)流動連續(xù)性原理和伯努利方程推導出的流量公式[16-17]：

(1)

式中：qv表示氣體的體積流量，m3/s；c表示流出系數(shù)，無量綱；d表示工況下孔板內(nèi)徑，mm；D表示工況下上游管道的內(nèi)徑，mm；β表示d/D，無量綱；ε表示可膨脹系數(shù)，無量綱；Δpx表示孔板前后的壓差值，Pa；ρ表示工況下的流體密度，kg/m3。

(2)

所有傳感器測出的數(shù)據(jù)單位按公式進行統(tǒng)一，體積流量qv為最終流量減去初始流量表示為X1-X4，壓差Δpx表示為X2，溫度t表示為X3。則等效孔徑在自制耐磨儀Labview程序中的修正公式為

(3)

假設孔板前后的壓差值與工作條件下的溫度都為定值，等效孔徑的大小與變化氣體體積流量的大小呈冪函數(shù)關系，即等效孔徑值會隨著變化氣體體積流量的增大而增大。等效孔徑越大，表明其對應的不規(guī)則孔洞面積越大，意味著該織物折皺點的磨損程度越嚴重，即該折皺織物折皺點的耐磨性能越差，反之則越好。

1.2 自制耐磨儀的結(jié)構

圖1 自制耐磨儀機構示意圖
Fig.1 Schematic diagram of homemade abrasion tester mechanisms

自制耐磨儀由外接氣源機構、氣流輸送機構、測試機構和動力機構4部分組成。機構示意圖如圖1所示。氣源機構指的是外接于自制耐磨儀的氣體壓縮機，即為自制耐磨儀提供氣流的機構。氣流輸送機構主要包括氣流輸送管、氣流控制閥、調(diào)壓閥、數(shù)顯表和氣體流量計。調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)充氣壓力，氣體流量計用于測量輸出氣體的流量。測試機構包括測試連接管、柔性輸氣管、摩擦構件和夾持頭。其中摩擦構件為一組偏心輪，如圖2所示。偏心輪上需包覆摩擦材料。夾持頭即固定待測試樣的裝置。動力機構包括第一電機、傳動機構、往復平臺、固定支撐架和第二電機。自制耐磨儀實物圖如圖3所示。

圖2 偏心輪
Fig.2 Eccentric wheel

圖3 自制耐磨儀
Fig.3 Homemade abrasion tester

2 實驗測試探討

2.1 測試參數(shù)及實驗材料

2.1.1 測試參數(shù)

采用自制耐磨儀進行測試，選用耐磨儀的摩擦速度和充氣壓力以及羽絨面料的面料厚度3個參數(shù)作為實驗測試的考察變量。摩擦速度即每秒偏心輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，摩擦速度越大，其磨損產(chǎn)生的能量越高，織物越容易被破壞；充氣壓力的大小決定了織物尖端的硬挺程度，充氣壓力越大試樣尖端越硬越容易被磨損；面料厚度是衡量織物耐磨性能的一個較重要的指標，在面料紋理、種類等其他條件相同的情況下，面料越厚對摩擦抵抗能力越強。本實驗采用正交試驗法，設置三因素并對應三水平，以等效孔徑為考察指標，探討各因素對羽絨面料折皺點的耐磨性能即等效孔徑的影響[18-19]。

2.1.2 實驗材料

實驗材料為3種普通羽絨面料，其面料規(guī)格參數(shù)見表1。羽絨面料都經(jīng)過涂層或壓光防鉆絨處理，透氣量較小。

表1 羽絨面料規(guī)格參數(shù)

2.2 折皺點耐磨性測試

2.2.1 試樣制作

圖4 錐形試樣
Fig.4 Cone sample

在面料上切取半徑為42.5mm的圓，在圓上畫出一條半徑并以該半徑為起始邊量取105.4°的夾角，畫出另一條半徑，將2條半徑中間折疊，使得2條半徑重合，制出圓錐形立體狀。折疊部分用雙面膠黏合，靠近圓錐尖頭部分不能用雙面膠黏合，避免雙面膠對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響。所有試樣正反面以及折邊朝向必須一致。實物圖如圖4所示。

2.2.2 折皺點的耐磨測試方法

1) 將錐形試樣裝入夾持頭內(nèi)，錐形試樣的尖端需安裝在夾持頭的中心，確保摩擦范圍為試樣的尖頭部分。內(nèi)錐形圓盤與錐形磨頭相互擰緊，確保夾持頭在摩擦過程中不漏氣。夾持頭的安裝示意圖如圖5所示。通過自制耐磨儀顯示屏上的手動控制界面調(diào)整夾持頭的位置，使得錐形試樣的尖端不與偏心輪觸碰，防止觸碰使得試樣尖端凹癟。

圖5 夾持頭安裝示意圖
Fig.5 Schematic diagram of installing clamping head

2) 根據(jù)實驗方案在電腦程序中更改摩擦速度，啟動耐磨儀使得氣流輸送機構通氣，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓閥設定充氣壓力。

3) 檢查其余傳感器部分顯示數(shù)據(jù)正常后，再次啟動自制耐磨儀，儀器進入初始流量測定階段，聽到一聲長鳴后，開啟Labview中的數(shù)據(jù)記錄程序。等待摩擦停止，聽到另一聲長鳴后停止實驗記錄。

實驗時，觀察電腦上數(shù)據(jù)記錄面板中的初始流量、溫度、氣體流量、等效孔徑等各信號是否正常。按照正交表中的對應參數(shù)，更改面料種類、摩擦速度以及充氣壓力。實驗完成后，對錐形試樣進行編號并原樣保存。

實驗中一定要注意以下幾點。

1) 偏心輪中2個摩擦輪的砂紙必須貼合摩擦輪，不得有高出凸起的部分，確保2個摩擦輪在同一水平位置，同時確保實驗所用砂紙一致。

2) 試樣安裝的過程中，如面料較厚，會造成折疊部分空隙過大，需用工具將內(nèi)錐形圓盤與錐形磨頭擰緊；如面料較薄，則最好把試樣懸垂放置夾持頭中進行安裝，且不可擰太緊防止面料變形。保持安裝完畢的試樣折邊線在同一位置。

3) 為保證實驗中的摩擦次數(shù)相當，設定為100次左右，在改動摩擦輪摩擦速度的同時，需改動夾持頭橫移的速度。按照表2中設定的摩擦速度為2,4,6r/s，相應的橫移速度為10,20,30m/s。

3 測試結(jié)果與討論

摩擦速度、充氣壓力、面料厚度3個因素以及平均等效孔徑的正交試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 耐磨測試正交試驗記錄表

用方差分析法對表2耐磨測試正交試驗數(shù)據(jù)進行分析(設置顯著性水平為0.05)得表3[20]。

表3 耐磨測試影響因素方差分析表

由表3可知因素摩擦速度的顯著性水平為0.491，遠大于0.05，表明摩擦速度對等效孔徑的影響不顯著。按常理來分析，增大摩擦速度會增大磨損產(chǎn)生的能量，織物會更容易被破壞。但數(shù)據(jù)顯示其對等效孔徑的影響不顯著，這可能由于設置的摩擦速度差過小或者摩擦速度過小所產(chǎn)生的能量不足以破壞織物等原因造成。因素充氣壓力的顯著性水平為0.023，小于0.05，表明充氣壓力對等效孔徑的影響顯著。充氣壓力越大，錐形試樣的尖端對磨料的作用力就越大。在其他測試參數(shù)一致的情況下，試樣尖端對磨料作用力越大，試樣被磨損地就越厲害。因素面料厚度的顯著性水平為0.046，小于0.05，表明面料厚度對等效孔徑的影響顯著?？椢锩媪虾穸仁呛饬靠椢锬湍バ阅艿囊粋€較為重要的指標。在其他條件一致的情況下，面料越厚，耐磨性能越好。但是從為自制耐磨儀設計一組最適合的測試參數(shù)這一角度出發(fā)，相比其他因素，面料厚度對織物折皺點的耐磨性能影響顯著性越小，這組測試參數(shù)才會越合理。以這組測試參數(shù)為標準才能測試更多的織物，而不是局限于一定厚度范圍的織物。3個因素對羽絨面料折皺點的耐磨性能影響大小的排序是：充氣壓力>面料厚度>摩擦速度。

通過直觀分析法對每個因素與平均等效孔徑的關系進行分析，結(jié)果如圖6所示。邊際平均值即剔除其他變量影響，僅在一個因素作用下，得出平均等效孔徑的均值。

圖6 三因素與平均等效孔徑關系
Fig.6 Relationship between three factors and average equivalent aperture

從圖6可知，平均等效孔徑與摩擦速度的相關性不顯著。隨著充氣壓力的增大，平均等效孔徑也呈上升趨勢，即充氣壓力越大，試樣折皺點的磨損程度越嚴重。相反，隨著面料厚度的增大，平均等效孔徑在減小，即面料越厚，試樣折皺點的耐磨性能越好。

4 結(jié) 論

本文通過對自制耐磨儀的初步探討得到以下結(jié)論。

1)通過伯努利方程把變化氣體流量轉(zhuǎn)化成等效孔徑來衡量織物折皺點的耐磨性能，能實時反映織物的磨損狀態(tài)，表征羽絨面料折皺點的耐磨性能。

2)在摩擦條件相同的情況下，等效孔徑可反映織物的磨損情況，孔徑越大代表該織物折皺點處的耐磨性能越差，反之則較好。

3)摩擦速度、充氣壓力、面料厚度這3個因素中，充氣壓力與羽絨面料厚度對羽絨面料折皺點的耐磨性能具有顯著影響，摩擦速度對其影響不顯著。3個因素對羽絨面料折皺點的耐磨性能影響顯著性的大小排序為充氣壓力>面料厚度>摩擦速度。

4)定性測試表明，自制耐磨儀可表征羽絨面料折皺點的耐磨性能。但是，儀器初始測試參數(shù)的確定，各參數(shù)對織物磨損情況的影響，以及對其余織物折皺點的耐磨性能的表征，尚需要更大量的實驗加以驗證。

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Homemade abrasion tester and its application for abrasion resistance testing of crease points on down fabrics

GUAN Yidie, LIU Xiaoxia, WANG Zefan, QIU Yuchen, GAO Cong

(Fashion College, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai, 201620 China)

In order to explore a new method for testing the fabric abrasion resistance, a homemade abrasion tester is designed and manufactured. The principle, structure and test method of the homemade abrasion tester are introduced. The crease points on fabrics are rubbed using the abrasion tester under certain air pressure and the abrasion of fabrics is reflected on real time through the change of gas flow. The change of gas flow is converted into equivalent aperture by Bernoulli equation and the equivalent aperture is used to evaluate the abrasion resistance of the crease point on fabric. Three measuring parameters of friction velocity, gas pressure and fabric thickness influencing on the abrasion resistance of crease point on down fabrics are tested by orthogonal experiment. The influence of the three elements on the abrasion resistance is analyzed. The results show that the homemade abrasion tester can represent the abrasion resistance of crease point under certain conditions. The gas pressure and fabric thickness have significant influence on the abrasion resistance, but the influence of friction velocity is not significant. Above all, the gas pressure has the most high influence. The research result prevides reference for improving the abrasion resistance of crease points on down fabrics.

textile machinery design and manufacture; abrasion tester; gas flow; down fabrics; crease point; abrasion resistance

1008-1542(2017)01-0066-07

10.7535/hbkd.2017yx01011

2016-08-19；

2016-10-22；責任編輯：張 軍

上海市教委產(chǎn)學研項目(15cxy36)；上海紡織有限公司創(chuàng)新項目(2014-zx-01-2)

管昳昳(1993—)，女，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事紡織機械設計與制造方面的研究。

劉曉霞教授。E-mail: liuxiaoxialucky@126.com

TS103

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