新型织物表面摩擦性能测试系统

李 莎，赵 岩，左召光，高 禄，李大川，刘 皓

（1.天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387；2.天津工业大学 机械工程学院，天津 300387；3.天津工业大学 智能可穿戴电子纺织品研究所，天津 300387；4.天津工业大学 先进纺织复合材料教育部料重点实验室，天津 300387）

织物的表面摩擦性能是织物手感评价中重要的力学特征之一[1-2]。人们对纺织品面料手感的日益重视，认识和测量织物的表面摩擦性能，尤其是定量化的表征显得更加重要[3]。目前国内外对织物表面摩擦性能测量仪器的研究中[4-5]，日本的KES-FB4 织物风格仪可以分别测试织物的表面摩擦因数和表面粗糙度，综合表征织物的表面摩擦性能。国内的YG821L 型织物风格仪[6-9]，可以测试织物的表面摩擦因数，仅以此评价织物的表面摩擦性能。东华大学研制的圆盘法织物表面性能测试仪[10]，可以测试织物表面的摩擦因数，并通过小波分析[11]摩擦因数曲线的方法，反映织物的粗糙度的变化，进而综合表征织物的表面性能。目前现有的织物表面摩擦性能测量仪器价格昂贵[12-13]、不能实时反映正压力的变化[14]而导致测试精度不高、直线往复式的测量方式在反映织物的各向异性特征[15-16]方面存在局限性、测试步骤繁琐。因此，测量仪器存在的问题亟待解决。

针对以往研究中存在的问题，本文提出了一种可以实时动态测量摩擦头处正压力变化的织物表面摩擦性能测量系统。在测量过程中，计算机可以实时显示织物表面摩擦力的大小，正压力的变化范围，并可以实时显示平均摩擦因数的变化。

1 测试系统的方案

目前国内外应用最多的还是直接接触法测试织物表面的摩擦性能参数来反映织物表面摩擦性能。其测试原理如图1 所示。

图1 直接接触法的测试原理Fig.1 Test principle of direct contact method

织物在张紧装置的作用下平整的铺放在试验台上，平面摩擦头自身的重量作为施加在织物上的正压力N，摩擦头通过引线和导轮与测力传感器相连，测力传感器固定在横梁上，横梁上升时测力传感器通过引线拖动摩擦头水平右移，同时测得摩擦力F。根据公式计算出摩擦因数[17]。

式中：F 为摩擦力；μ 为摩擦因数；N 为正压力。

首先将织物通过张紧圆环固定并张紧在试验台上，摩擦头在滑台的带动下匀速的与织物表面发生相对滑动即与摩擦头相连接的用于测量摩擦力的传感器可以测得摩擦力的大小。与此同时，摩擦头正下方的正压力传感器可以实时测量得出正压力的变化范围。以此方式连续运行完成织物表面摩擦性能参数的测量。直接接触法测试纱线的摩擦因数时，摩擦头必须处于匀速运动状态，否则摩擦力与系统给予的拉力不平衡，并且织物在张紧装置的作用下应保持平整，不允许有褶皱的存在。通过以上对直接接触测试法的原理分析可以得出，这种采用平面摩擦头的方式测量织物表面摩擦因数忽略掉了平面摩擦头自身正压力的变化，如果摩擦头不是平面的而是球形的，又由于织物表面凹凸不平，摩擦头与织物发生相对滑移的过程中，摩擦头会产生一个上下的位移波动，并在其自身重力的作用下产生一个微小的加速度，进而产生一个合外力。所以采用球形摩擦头进行织物表面摩擦因数测试时，正压力的变化并不是恒定不变的。

2 系统的结构组成

织物表面摩擦性能测量系统包括测试模块和控制模块。测试模块包括正压力测量装置、摩擦力测量装置、张紧装置、换向装置、摩擦力测量驱动装置。控制模块包括信号采集装置、上位机控制软件。织物通过张紧装置预加张力块固定在试样台上，球面摩擦头通过受力板拉压传感器连接件，在滑台的带动下产生相对的滑移，同时拉压传感器测得摩擦头与织物之间产生的摩擦力F。在移动过程中压力传感器可以实时动态的测量正压力N，根据公式F=μN，得出摩擦因数μ。压力传感器固定在电机驱动系统上，电机每旋转一定的角度，进行一次测试，测出织物各个方向上的摩擦因数，能够反映织物的各向异性特征，如图2 所示。

图2 织物表面摩擦性能测量系统原理Fig.2 Schematic diagram of fabric surface friction measurement system

3 系统的稳定性和可重复性测试

稳定性和重复性是仪器重要的性能指标[18]。在实验运行过程中摩擦头需要做往复运动，由于摩擦力、电机振动的影响，摩擦力传感器和正压力传感器测出的数值会出现波动。稳定性可以反映仪器是否能够稳定运行并保持测试数据的稳定。可重复性反映仪器是否能经的住时间的检验，重复测试出相同或者相似的实验数据结果[19-20]。

3.1 仪器的稳定性测试

实验在湿度为30%、温度为20 ℃的条件下进行，每组的测试时间为200 s，仪器的运行速率设置为1 mm/s。选取线密度（tex）为 14× 14 的纯棉织物、线密度（tex）为 25×25 的涤棉织物和线密度（tex）为 16×16的涤纶3 种平纹织物进行测试。

图3 显示了纯棉、涤棉、涤纶这3 种织物分别在200 s 的时间内其平均摩擦因数随时间的变化曲线图。

图3 3 种织物在经线方向上的平均摩擦因数随时间的变化Fig.3 Average friction coefficient of three kinds of fabrics in direction of warp varying with time

图3（a）中，纯棉织物的平均摩擦因数最大值为0.355 7，最小值为0.142 7，通过程序中设定的求平均摩擦因数公式可以求得其平均摩擦因数的平均值为0.233 9；图3（b）中涤棉的平均摩擦因数最大值为0.260 1，最小值为0.118 9，其平均摩擦因数的平均值为0.176 2；图3（c）中涤纶织物的平均摩擦因数最大值为0.230 5，最小值为0.094 7，平均摩擦因数的平均值为0.165 2。通过以上3 组数据不难发现，纯棉的平均摩擦因数最大，涤棉次之，涤纶最小，符合这3 种织物的摩擦因数大小的特点。

图4 为3 种织物的摩擦因数随速率变化的CV图。

图4 3 种织物的摩擦因数随速度变化的CVFig.4 CV of friction coefficient of three kinds of fabrics varying with velocity

由图4 可知，实验在湿度为30%、温度为20 ℃的条件下进行，每组的测试时间为200 s，纯棉织物、涤棉织物和涤纶织物这3 种织物的摩擦因数在1 mm/s、2 mm/s、3 mm/s、4 mm/s、5 mm/s 的不同速率下有不同的变异系数（CV）。从图4 中可以看出，纯棉织物的变异系数最大，最大值为8.5%，波动范围在2.46%～8.54%，波动幅度为6.08%，大于涤棉织物和涤纶织物的变异系数；涤棉织物的摩擦因数的变异系数波动范围在3.56%～7.62%，波动幅度为4.06%；涤纶织物的摩擦因数的变异系数波动范围在3.39%～6.44%，波动幅度为3.05%。从以上数据中可以得出3 种织物的摩擦因数的变异系数都低于10%，因此可知，测试速度的增加或者减小对织物本身的摩擦因数影响很小。

3.2 仪器的可重复性测试

实验在湿度为30%、温度为20 ℃的条件下进行，每组的测试时间为200 s，每一组的间隔时间为30 min，仪器的运行速率设置为1 mm/s，对这3 种平纹织物的平均摩擦因数进行测量。经过一定时间间隔后，通过所测数据以评价该仪器的可重复性。测量结果如图5所示。

图5（a）为纯棉织物5 次重复性实验后的平均摩擦因数变化曲线图。如图5（a）可见，由5 种颜色代表的5 条平均摩擦因数曲线，其曲线都是基于某一平均值基准在下上波动，其波动幅度也大致一样，通过实验数据得出其每条曲线的平均摩擦因数的平均值都是围绕0.23 波动，最大幅值为0.12，并且随着测试时间的进行，曲线的变化范围依旧符合之前的变化范围。

图5 3 种织物多次测量的平均摩擦因数随时间的变化Fig.5 Average friction coefficient of three kinds of fabrics measured several times varying with time

图5（b）为涤棉织物5 次重复性实验后的平均摩擦因数变化曲线图。通过数据分析得知涤棉织物平均摩擦因数值平均值为0.17。与纯棉织物相比较，涤棉平均摩擦因数低于纯棉织物的平均摩擦因数，并且涤棉织物经过5 次测试后的平均摩擦因数变化曲线的重合度更高，其上下的波动幅度也是小于纯棉织物的波动幅度。

图5（c）为涤纶经过5 次重复性测试后的平均摩擦因数变化曲线图。其平均摩擦因数的平均值在0.16左右波动，其波动幅度小于涤棉织物的波动幅度，5 次测试的曲线重合度也较高。因此，可以得出纯棉织物的平均摩擦因数大于涤棉织物的平均摩擦因数，涤棉织物的平均摩擦因数大于涤纶织物的平均摩擦因数，波动幅度也是纯棉大于涤棉，涤棉大于涤纶。

表1 为3 种织物5 次测试后的平均摩擦因数的平均值数据。

表1 3 种织物5 次测试后的平均摩擦因数平均值Tab.1 Average friction coefficients of three fabrics after five tests

由表1 可知，纯棉织物的平均摩擦因数的平均值围绕0.23 波动，涤棉织物的平均摩擦因数的平均值围绕0.17 波动，涤纶织物的平均摩擦因数的平均值围绕0.16 波动。通过5 次实验，纯棉、涤棉、涤纶织物的平均摩擦因数值反应了数据的稳定性，也证明了仪器经过一段时间间隔后，多次测试，具备较好的可重复性。

3.3 与KES-FB4织物风格仪测试系统对比测试

实验在湿度为30%、温度为20 ℃的条件下进行，仪器运行速度设置为1 mm/s，设定测试时间为120 s，分别在织物表面摩擦性能测试系统和KES-FB4 织物风格仪测试系统上测试纯棉织物和涤纶织物的平均摩擦因数。

测试结果如图6 所示。

图6 纯棉和涤纶织物分别在本仪器和KES-FB4 的测试结果Fig.6 Test results of pure cotton and polyester fabrics in this instrument and KES-FB4 respectively

图6（a）为纯棉织物分别在织物表面摩擦性能测试系统和KES-FB4 织物风格仪测试系统中的摩擦及表面粗糙度测试仪上的平均摩擦因数的曲线。在20 s的测试时间内，测试数据有微小偏差，但是随着时间的变化，2 种仪器测试得出的纯棉织物的平均摩擦因数高度重合。图6（b）显示涤纶织物分别在2 种仪器上测得的平均摩擦因数的曲线。在20～120 s 的测试时间里，2 种仪器只有在80 s 的时候出现微小差异，其他时间段曲线也是高度重合的。

表2 所示为纯棉织物在织物表面摩擦性能测试系统和KES-FB4 织物风格仪测试系统上测得的平均摩擦因数的平均值。

表2 2 种仪器测量纯棉织物的摩擦因数平均值对比Tab.2 Two instruments measure average value of cotton fabric

由表2 可知，织物表面摩擦性能测试系统在测试时间为120 s 内的测量结果的最大值为0.236，最小值是0.232；KES-FB4 织物风格仪测试系统在测试时间为120 s 内的测量结果的最大值为0.241，最小值为0.229。KES-FB4 的摩擦因数的平均值波动幅度大于织物表面摩擦性能测试系统的摩擦因数平均值的波动幅度。从以上数据可以得出，2 种仪器的平均值波动幅度都较小，都保证了较高的精确性，而织物表面摩擦性能测试系统的数据波动值更小一些，表明该测试系统不仅可以对正压力进行实时动态测试，而且测试的数据会更加稳定。

4 结 论

实验分别使用纯棉织物、涤纶织物和涤棉织物分别对仪器进行了稳定性和重复性测试，摩擦因数的数值变化符合其摩擦因数的变化区间，仪器表现出良好的稳定性。使用这3 种织物分别进行了5 次重复性测试，纯棉、涤棉、涤纶织物的平均摩擦因数曲线的较高重合度，也证明了经过一段时间间隔后，多次测试，仪器具备较好的可重复性。与KES-FB4 织物风格仪测试系统的精确性比较中，使用纯棉织物和涤纶织物分别在2 种仪器上进行测试，2 种仪器测得的摩擦因数平均值分别围绕0.23 和0.16 波动，都保证了较高的精确性，而织物表面摩擦性能测试系统测得数据波动范围小于KES-FB4 织物风格仪，更趋于稳定。