任娟莉

【摘 要】纖維的摩擦特性對(duì)紡織物有重要的影響，因此研究纖維的摩擦因數(shù)具有非常重要的意義。提出了一種使用歐拉方程測(cè)算纖維摩擦因數(shù)的方法，并設(shè)計(jì)出相對(duì)簡(jiǎn)單、易操作的測(cè)量裝置。

【關(guān)鍵詞】纖維；摩擦因數(shù)；歐拉方程

1 纖維摩擦概述

紡織纖維的加工及應(yīng)用中廣泛存在著摩擦現(xiàn)象。紡織纖維在加工時(shí)，纖維與纖維、纖維與加工機(jī)件間會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而會(huì)產(chǎn)生摩擦問題。如果摩擦力大，會(huì)影響加工效果；如果摩擦力小，會(huì)影響織成物質(zhì)量。因此，纖維的摩擦性能不僅影響織物的加工工藝，也影響著織物的特征風(fēng)格及服用特性。

織物特征風(fēng)格是織物的物理性能對(duì)人體感官產(chǎn)生的效應(yīng)。日常生活中，人們通過視覺和手感來獲得對(duì)織物的各種信息，織物的軟硬、滑糙等都是人們?cè)u(píng)價(jià)織物面料優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，織物手感的評(píng)定受手指運(yùn)動(dòng)方向和手指與織物表面之間摩擦力的影響。

織物服用性是指紡織物的耐磨性、舒適性及冷暖感。耐磨性是衡量織物質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。在實(shí)際生活中，磨損是造成織物損壞的重要原因。而磨損就是由織物與其它物體間反復(fù)摩擦造成的，因此磨損與織物的表面摩擦性能關(guān)系密切；織物的舒適性也與摩擦相關(guān)。衣物如果表面光滑，與身體直接接觸時(shí)衣物和皮膚間的摩擦就小，皮膚就會(huì)感覺舒適。相反，如果表面粗糙，則與皮膚間的摩擦就大，皮膚就會(huì)感覺不舒服；摩擦也影響紡織物的冷暖感。研究表明，衣物與人體皮膚間的接觸面決定熱量的傳遞，而接觸面又與衣物織物表面摩擦特性相關(guān)，因此織物表面的摩擦特性與紡織物的熱傳遞性能密切。

綜上所述，纖維摩擦性能研究對(duì)紡織加工是非常重要的，故測(cè)算纖維摩擦因數(shù)就是極為必要的。

2 纖維摩擦系數(shù)測(cè)量方法

2.1 纖維摩擦的基本理論

摩擦就是相互接觸的兩個(gè)物體之間發(fā)生或即將發(fā)生滑移的現(xiàn)象?；ハ嘟佑|的纖維發(fā)生滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)，纖維的接觸處就會(huì)產(chǎn)生擠壓、變形、粘合、鎖結(jié)等。起初這些實(shí)際接觸只發(fā)生在部分粗糙的凸起處，加在這些實(shí)際接觸處的壓強(qiáng)就會(huì)很大，而強(qiáng)大的壓強(qiáng)會(huì)使接觸處的纖維材料產(chǎn)生屈服流動(dòng)。隨著屈服流動(dòng)的不斷進(jìn)行，纖維接觸處的面積逐漸增大。當(dāng)兩纖維間產(chǎn)生相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生屈服流動(dòng)的接觸處就被剪切力打開，切開這些接觸處產(chǎn)生的剪切阻力就是阻止兩纖維相互移動(dòng)的摩擦力。

2.2 歐拉方程在纖維摩擦因數(shù)測(cè)量上的應(yīng)用

這就是歐拉方程。因?yàn)槔w維就是一種撓性材料，故可以利用上述方程對(duì)纖維的摩擦因數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)算。在摩擦因數(shù)的測(cè)算時(shí)，如果能夠測(cè)得撓性材料所受的兩端張力T1、T2以及撓性材料與輪的包角？琢，就可以利用上述歐拉方程來求解纖維摩擦因數(shù)。

2.3 纖維摩擦因數(shù)測(cè)量方案

采用絞盤法的原理。將待測(cè)的纖維樣品繞于滾筒之上，將滾筒安裝在軸上，滾筒通過聯(lián)軸器和減速器與電機(jī)相連。纖維的一端連接砝碼座加載裝置，另一端固定并連接上傳感器，以捕捉在不同加載情況下滾筒上纖維的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)纖維的最大承載，在加載裝置中對(duì)纖維進(jìn)行由小到大的負(fù)載力的變化。然后起動(dòng)電機(jī)，通過電機(jī)帶動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察滾筒上的纖維以及其所吊的砝碼在不同的負(fù)載情況下的運(yùn)動(dòng)情況，直至滾筒由最初的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為靜止?fàn)顟B(tài)。

通過傳感器對(duì)纖維在有無負(fù)載兩種情況下的示數(shù)，讀出纖維兩端所受的力的大小。根據(jù)歐拉方程在摩擦系數(shù)測(cè)量中的應(yīng)用，得到的兩個(gè)力的大小即是纖維緊端與松端的力的大小。根據(jù)此時(shí)纖維對(duì)滾筒的夾角大小，經(jīng)過一系列運(yùn)算即可得待測(cè)纖維的摩擦因數(shù)大小。

3 纖維摩擦因數(shù)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

纖維摩擦因數(shù)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的選擇。步進(jìn)電機(jī)是常用的驅(qū)動(dòng)裝置之一，適用于機(jī)電一體化產(chǎn)品的定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由輸入脈沖的頻率所決定的，外界每輸入一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸就相應(yīng)步進(jìn)一個(gè)步距角增量，電機(jī)的輸入脈沖數(shù)與電機(jī)的總回轉(zhuǎn)角成正比。選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，要求電機(jī)的輸出功率必須大于負(fù)載所需的功率，從而保證電機(jī)運(yùn)行可靠。

3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

3.2.1 減速器選擇

實(shí)際工作中，常利用減速器使電機(jī)回轉(zhuǎn)數(shù)與工作所需的回轉(zhuǎn)數(shù)一致。減速器輸入軸上的齒輪小、齒數(shù)少，輸出軸上的齒輪大、齒數(shù)多，通過大小齒輪的嚙合，減速器可以把電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)或其它高速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力進(jìn)行減速。輸出軸上大齒輪的齒數(shù)與輸入軸上小齒輪的齒數(shù)之比即為減速器的傳動(dòng)比。本方案設(shè)計(jì)減速器的傳動(dòng)比為8～60，對(duì)比不同減速器的傳動(dòng)比性能，最終選用ZLY型減速器。

3.2.2 聯(lián)軸器選擇

聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中的常用部件，主要用來連接軸與軸（或軸與其他回轉(zhuǎn)零件），以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩。根據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)矩及所選的聯(lián)軸器類型，按T c？琢？燮[T]的條件由聯(lián)軸器標(biāo)準(zhǔn)中選定該聯(lián)軸器型號(hào)。式中的[T]為該型號(hào)聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩。

從GB/T 4323—2002中查得TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為16N·m，許用最大轉(zhuǎn)速為7600 r/min，軸孔直徑在12～19之間。故選用此聯(lián)軸器作為本裝置中連接電機(jī)輸出軸和減速器輸入軸所用的聯(lián)軸器。

3.2.3 工作軸的設(shè)計(jì)與校核

軸是機(jī)械中的重要零件，做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)零件（如齒輪、蝸輪等），都要安裝在軸上并通過軸才能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力的傳遞。本裝置中所需的工作軸是為了起到支撐滾筒并使之完成既定運(yùn)動(dòng)的作用，因此，選擇光軸作為工作軸。左端采用定位盤對(duì)滾筒左端的安裝進(jìn)行定位裝配，右端加工出一部分螺紋，滾筒裝上之后使用壓盤對(duì)滾筒右端進(jìn)行定位，然后在壓盤右面擰上螺母來完成工作軸上各部分零件的軸向定位裝配。

對(duì)于傳動(dòng)軸而言，因其只承受或主要承受扭矩，因此只按軸所受的扭矩來計(jì)算軸的強(qiáng)度；如果軸還承受不大的彎矩，則用降低許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的方法來處理。在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，常采用此種方法來初步估算軸徑。

3.3 執(zhí)行系統(tǒng)

3.3.1 摩擦力測(cè)試裝置

本設(shè)計(jì)通過對(duì)纖維、滾筒、軸、壓盤、定位盤以及傳感器的建模設(shè)計(jì)及型號(hào)選擇來搭建出一個(gè)測(cè)試裝置，在加載系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成對(duì)摩擦力的測(cè)量，并經(jīng)過計(jì)算最終得出摩擦因數(shù)。

工作軸軸徑為24mm，材料為45，并在右端加工一段螺紋以便進(jìn)行軸上各個(gè)零件的很好定位；定位盤的作用主要是使工作軸和左邊的零件連接有軸向的定位與固定作用；纖維材質(zhì)的滾筒是為了使待測(cè)纖維能在其上纏繞，避免待測(cè)纖維直接與鋼材料所做的軸直接接觸，從而得到更準(zhǔn)確的纖維摩擦系數(shù)。左端大、右端小的結(jié)構(gòu)是為了左端與定位盤定位，右端采用壓盤對(duì)其定位及固定，有利于節(jié)省材料；壓盤的可以保證滾筒的右端軸向定位，在其右端采用螺母進(jìn)行軸向固定，使得軸上零件都能完成準(zhǔn)確的定位。確保軸在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，滾筒不會(huì)出現(xiàn)偏離、滑移的情況。

結(jié)合前面的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，摩擦力測(cè)試裝置最終達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)。將待測(cè)纖維繞于滾筒上，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起滾筒以及其上纖維的運(yùn)動(dòng)，在纖維一端進(jìn)行加載，加載的砝碼的數(shù)量以及其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過傳感器可以得到要測(cè)的參數(shù)，從而完成摩擦力的測(cè)量。

3.3.2 加載裝置

本裝置加載主要由砝碼來完成。通過增加砝碼的數(shù)量從而增加纖維的承載，觀察分析纖維在滾筒上的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)比砝碼的質(zhì)量，得到該轉(zhuǎn)速下的動(dòng)摩擦力，進(jìn)而通過計(jì)算得出纖維的摩擦因數(shù)。

4 結(jié)論

本課題對(duì)纖維摩擦系數(shù)的測(cè)算方法進(jìn)行了探索性的研究，能夠在環(huán)境變化小的情況下對(duì)纖維摩擦因數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)算。今后，隨著纖維材料在更多領(lǐng)域內(nèi)的廣泛使用，纖維摩擦因數(shù)的測(cè)量技術(shù)將會(huì)得到越來越多的研究和發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任建.基于小波變換的旋轉(zhuǎn)法檢測(cè)織物摩擦性能的研究[D].上海：東華大學(xué)，2008.

[2]孫博.力學(xué)角度測(cè)試織物表面粗糙度的方法研究[D].上海：東華大學(xué)，2009.

[3]李智.纖維的摩擦性能測(cè)試方法[J].天津紡織科技，2010（02）.

[責(zé)任編輯：鄧麗麗]