静态张力作用下多层经纱的悬垂特征

龚小舟， 吴世林， 李 宇， 林富生,2， 王 强

(1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院， 湖北 武汉 430200; 2. 佛山慈慧通达科技有限公司， 广东 佛山 528251)

静态张力作用下多层经纱的悬垂特征

龚小舟1， 吴世林1， 李 宇1， 林富生1,2， 王 强1

(1. 武汉纺织大学 纺织科学与工程学院， 湖北 武汉 430200; 2. 佛山慈慧通达科技有限公司， 广东 佛山 528251)

针对多层织物织造时经纱易开口不清的问题，提出一种预估经纱下垂特征的分析模型，为表征经纱的悬垂特征提供理论参考。通过采用芳纶、碳纤维和玻璃纤维这些不同原料的纱线，以及采用不同线密度的碳纤维纱线进行了实验分析，以证实其与理论模型的相符程度。分析实验结果表明，当描述线密度较小的纱线在静态时的悬垂程度时，此经纱悬垂理论模型较为准确。然而，对于较粗的经纱，此模型还需要作进一步修正。在进行多层织造时，此研究结果可为模拟不同品种的纱线静态情况下的悬垂形态提供一定的理论参考。

经纱张力； 多层织造； 经纱张力模型； 经纱悬垂特征

张力的控制在纺织生产工艺中至关重要，无论是机织、针织还是编织生产过程中都大量使用了专业的张力控制机构以求获得合适的上机张力，使纺织生产顺利进行[1]。Mouritz等[2]研究发现，在纺织生产过程中张力控制不当，纱线的强力将损伤近半。国内外研究表明：在碳纤维三维织物的织造过程中，引起纱线强力下降的主要原因是纤维间的摩擦，而产生这种摩擦的起因是为了得到合适的张力，有时会手工对纱线进行调整[3-4]。上机织造过程中产生摩擦的原因可归纳为纤维与纤维、纱线与纱线间的摩擦，同时还包括机器构件对纱线所产生的摩擦，这些构件包括后梁、综眼、钢筘、停经片和载纬器等[5]。如果上机张力过大，并且超出了纱线所能承受的弹性回复范围，便会产生不可回复的塑性变形，导致纱线的结构破坏。由于织造生产过程中的随机因素众多，纱线在移动过程中局部会产生应力集中变形，其上机张力会逐渐偏离最佳上机张力值[6-7]。在传统织造过程中，经纱和纬纱都会产生上机张力的变化，但经纱的变化更为频繁。经纱张力的变化取决于织物结构、送经速度、初始上机张力和整经过程中的经轴片纱不匀程度。经纱张力过低，纱线下垂，从而造成布面织疵[8]，但过大的上机张力又可能损伤纱线，造成织物力学性能和热性能上的不足。这种情况在三维织物多梭口织造过程中更为复杂。三维织造所用的纤维都是高性能纤维，比如玻璃纤维和碳纤维，这些纤维的共同特点是比较脆、易损伤，即使是非常小的摩擦都会造成纤维的损坏。这类纤维的另一特点是模量较高、纱线较粗，如果缺乏有效的上机张力，纤维易在质量的作用下自然下垂，造成织造过程中的开口不清。通常来说，三维织物织造时会将多层经纱逐层排列，交汇于织口处,多个载纬器穿梭于经纱层间形成引纬[9-10]。生产厚度大的三维织物时，经纱层数会不断增加，经纱层之间需要一定高度以便引纬。为了获得最优化的层间高度，需要赋予经纱合适的上机张力使其下垂程度最小。本文针对多层经纱织造过程中经纱开口不清的问题，提出了一种较简单的数学分析模型，用于表征经纱张力与其悬垂度的关系，为获取合适的上机张力提供理论参考。

1 理论模型

本文将对三维织造多层经纱在张力作用下的悬垂特征进行理论和实验对比分析，探索经纱上机张力与下垂程度之间的关联，以期通过理论模型预测在不同张力情况下纱线的下垂程度。

纱线所承受的上机张力T可定义为沿纱线轴向所受到的力，如图1所示，则其在水平方向的张力分量为(T′)并满足关系式：T′=T×cosθ。

根据梭口的几何形状，对纱线的下垂情况进行几何分析。为了简化分析模型，本文不考虑纱线的弯曲刚度和剪切应力，而将纱线的下垂归结于2个因素：纱线线密度和纱线两端握持点间的距离。根据非线性弹性理论中的绳索弯曲模型[7]，可将纱线作为柔性绳索进行探讨研究。纱线在上机张力的作用下，其弯曲曲线函数y和自变量x之间可用式(1)进行模拟：

(1)

式中：T′为纱线受到的水平方向的张力，N；W为纱线单位长度上的质量，N/m；C1和C2分别为常数。

为了更明确地表示纱线悬垂时的形态，对纱线的悬垂形态进行了几何建模，图1中H为梭口的开口高度， m；L为织口到测量点的距离，m；θ为纱线下垂角(下垂纱线位于A点处切线方向与水平方向的夹角)。为了求解式(1)中的常量C1和C2，进行如下数学运算：对公式中的y进行一次求导，可得下垂纱线的斜率(tanθ)，利用这个数学关系，可得：

(2)

取x的值为0时，可得常量C1的值，即令x→0，则式(2)转化为

C1=arsinh(tanθ)

同理，取x，y的值均为零时，可得C2的值，即令x→0，y→0，代入式(1)可得

(3)

因此，当x→L，y→H, 代入式(1)，则下垂的纱线满足如下函数关系式

(4)

从以上函数关系式可以得出结论：当纱线受到上机张力作用时，其下垂曲线可以通过双曲余弦函数进行模拟。当上机张力(T)、纱线单位长度上的质量(W)和纱线下垂角(θ)已知时，可以模拟织口到测量点的距离(L)与开口高度(H)之间的函数曲线，用于表征纱线的悬垂特征。具体算例如下：

假设T300碳纤维, 线密度为439 tex在0.05 N的上机张力作用下分7层进行三维织物织造，其每层的纱线下垂角(θ)分别假设为50°、40°、30°、20°、10°、0°、-10°，当纱线下垂角(θ)为50°时，根据式(4)计算所得出的参数如表1所示(其中：T=0.05 N;W=0.004 N/m；角度为50°；C1=1.01；C2=-18.08)。每层纱线以织口到测量点的距离(L)为横坐标，梭口开口高度(H)为纵坐标的函数关系图如图2所示。

表1 理论计算所得式(4)的参数值 Tab.1 Calculated value from equation(4) m

2 实验部分

2.1 实验材料

采用芳纶、碳纤维和玻璃纤维进行实验测试，分析在三维织物织造中经纱的变形情况，以及多层经纱排列时每层经纱下垂与上机张力间的关系。纤维规格如表2所示。

2.2 实验装置

为了验证理论模型的准确性，进一步实施了相关的实验研究。实验装置搭建如图3所示。在搭建的实验装置上，每层的纱线被摆放在装置的两端，其中一端织口处被一套螺丝/螺栓组成的压板压实，另一端通过一个分层架固定，纱线的后端挂有小铁锤，以模拟纱线所受的的上机张力。织口与分层架之间的距离可以调节，本文设定为1.0 m，进行实验。用尺子沿着织口到分层架(即沿着L)每隔0.1 m记录每层经纱开口高度(H)。也可以通过增减纱线后端小铁锤的方式模拟上机张力的情况，本文实验采取的上机张力为0.05 N。

表2 原材料技术指标Tab.2 Technical indexes for raw materials

3 结果与讨论

以芳纶1414的测试结果为例，图4示出理论模拟的纱线下垂曲线与实验测得的实际数据。在图3所示的23层三维织物多层织造中，从上至下，分别选取了第1、3、5、7和9层的纱线作为上半部分测量其纱线悬垂特征，其所对应的纱线下垂角分别为10°、20°、30°、40°和50°(见图4(a))；同理可得下半部分的纱线悬垂特征(见图4(b))。对比图3及参考所测得的L-H值，可以看出：本文建立的理论模型比较好地模拟了实际多层纱线的开口情况，并获得实测值的验证，但是从图4(b)所得到的织物下半部分理论与实际的对比情况来看，理论值与实测值有所偏差，特别是最下面第20层(对应图中纱线下垂角-50°)和第18层(对应图中纱线下垂角-40°)的纱线理论计算值均高于实际测量值。究其原因主要是在测量的过程中对纱线下垂角(θ)的表征缺乏可靠的测量方法，仅仅是依靠目测来定义纱线的正切线与水平线的夹角，从而得到一个预估值。这个角度与理论设定的纱线下垂角(θ)还不完全吻合。在未来的研究工作中，希望能解决这个问题。

表3 不同种类纤维的实验测试值与理论计算值之间的偏离程度Tab.3 Variation between testing results and theoretical results

4 结 语

本文建立了使用较细纱线织造的情况下，多层经纱织造过程中每层经纱开口高度与纱线两端握持点之间的距离、纱线下垂角、纱线上机张力和纱线单位长度上的质量之间的函数关系，有效地模拟了每层纱线的悬垂特征。将柔性绳索大变形所建立的理论模型应用于多层经纱织造中，符合实测结果，从而验证了此模型在分析多层经纱织造时的有效性。通过对理论模型的进一步讨论，在其他参数保持不变的情况下，纱线线密度的变化也会影响纱线在多层织造中的悬垂情况。另外，纱线的上机张力与纱线两端握持点之间的距离严重影响纱线的下垂程度。过大的上机张力会损伤纱线，从而严重降低纱线在最终应用时的力学性能。因此，为了在多层织物织造过程中获得良好的开口清晰度，影响纱线下垂的各参数需要进一步优化，从而保证在纱线性能保持优良的情况下，促使三维织物多层织造的顺利进行。

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《纺织学报》第九届编辑委员会成立

《纺织学报》第九届编辑委员会成立大会于2016年10月23日在上海松江召开。中国工程院蒋士成院士、姚穆院士，来自海内外各领域知名学者和技术专家，中国纺织工程学会伏广伟常务副理事长、尹耐冬秘书长、刘军副秘书长共52名编委出席会议。学会学术处张洪玲副处长主持会议。《纺织学报》第九届编辑委员会共聘请69名委员，分别来自高等院校、科研院所和企业，详情见本刊封三。

《纺织学报》是中国纺织工程学会主办的中文纺织学术期刊，由中国科学技术协会主管。是全国中文核心期刊、中国科技核心期刊，2016年新被《工程索引》(Ei Compendex)收录。编委会是《纺织学报》编辑出版工作的学术指导机构，对期刊的编辑出版起指导、监督和促进作用。

会上，各位编委接受了聘书并讨论通过了《纺织学报》编辑委员会章程(修改稿)。编委会常务副主任伏广伟肯定了《纺织学报》在促进学科建设、培养学术人才等方面的重要作用，希望编委们珍视荣誉，履行职责，充分发挥作用，办出高水平、高影响力的世界一流的刊物。刘军主编代表编辑部汇报了《纺织学报》近几年编辑出版工作情况。

编委会各位副主任高卫东副校长、程博闻副校长、陈文兴校长、周华堂院长、庄小雄院长在期刊定位、审稿、选题策划、吸收优质稿源等方面提出了建设性意见。香港理工大学胡金莲教授、美国加州大学戴维斯分校潘宁教授、澳大利亚迪肯大学王训该教授作为海外编委代表发言，希望《纺织学报》进一步加强宣传，提高文章时效性和审稿速度，积极扩大国际影响力。

最后，蒋士成院士、姚穆院士分别做了总结性发言。二位院士对《纺织学报》近年来取得的成绩给予肯定并寄予殷切的希望，强调《纺织学报》一定要引领创新驱动发展，汇聚优秀研究成果，争取早日办成国际名刊。

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

国家自然科学基金青年项目(51502209)；湖北省自然科学基金项目(2015CFB553)；湖北省大学生创新创业计划项目(201513240001)

龚小舟(1980—)，女，副教授，博士。主要研究方向为三维纺织品织造工艺及产品性能。E-mail：xiaozhou.gong@wtu.edu.cn。

TS 131.9

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