李 莎，趙 巖，左召光，高 祿，李大川，劉 皓

（1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387；3.天津工業(yè)大學(xué) 智能可穿戴電子紡織品研究所，天津 300387；4.天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

織物的表面摩擦性能是織物手感評(píng)價(jià)中重要的力學(xué)特征之一[1-2]。人們對(duì)紡織品面料手感的日益重視，認(rèn)識(shí)和測(cè)量織物的表面摩擦性能，尤其是定量化的表征顯得更加重要[3]。目前國內(nèi)外對(duì)織物表面摩擦性能測(cè)量?jī)x器的研究中[4-5]，日本的KES-FB4 織物風(fēng)格儀可以分別測(cè)試織物的表面摩擦因數(shù)和表面粗糙度，綜合表征織物的表面摩擦性能。國內(nèi)的YG821L 型織物風(fēng)格儀[6-9]，可以測(cè)試織物的表面摩擦因數(shù)，僅以此評(píng)價(jià)織物的表面摩擦性能。東華大學(xué)研制的圓盤法織物表面性能測(cè)試儀[10]，可以測(cè)試織物表面的摩擦因數(shù)，并通過小波分析[11]摩擦因數(shù)曲線的方法，反映織物的粗糙度的變化，進(jìn)而綜合表征織物的表面性能。目前現(xiàn)有的織物表面摩擦性能測(cè)量?jī)x器價(jià)格昂貴[12-13]、不能實(shí)時(shí)反映正壓力的變化[14]而導(dǎo)致測(cè)試精度不高、直線往復(fù)式的測(cè)量方式在反映織物的各向異性特征[15-16]方面存在局限性、測(cè)試步驟繁瑣。因此，測(cè)量?jī)x器存在的問題亟待解決。

針對(duì)以往研究中存在的問題，本文提出了一種可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量摩擦頭處正壓力變化的織物表面摩擦性能測(cè)量系統(tǒng)。在測(cè)量過程中，計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)顯示織物表面摩擦力的大小，正壓力的變化范圍，并可以實(shí)時(shí)顯示平均摩擦因數(shù)的變化。

1 測(cè)試系統(tǒng)的方案

目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的還是直接接觸法測(cè)試織物表面的摩擦性能參數(shù)來反映織物表面摩擦性能。其測(cè)試原理如圖1 所示。

圖1 直接接觸法的測(cè)試原理Fig.1 Test principle of direct contact method

織物在張緊裝置的作用下平整的鋪放在試驗(yàn)臺(tái)上，平面摩擦頭自身的重量作為施加在織物上的正壓力N，摩擦頭通過引線和導(dǎo)輪與測(cè)力傳感器相連，測(cè)力傳感器固定在橫梁上，橫梁上升時(shí)測(cè)力傳感器通過引線拖動(dòng)摩擦頭水平右移，同時(shí)測(cè)得摩擦力F。根據(jù)公式計(jì)算出摩擦因數(shù)[17]。

式中：F 為摩擦力；μ 為摩擦因數(shù)；N 為正壓力。

首先將織物通過張緊圓環(huán)固定并張緊在試驗(yàn)臺(tái)上，摩擦頭在滑臺(tái)的帶動(dòng)下勻速的與織物表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)即與摩擦頭相連接的用于測(cè)量摩擦力的傳感器可以測(cè)得摩擦力的大小。與此同時(shí)，摩擦頭正下方的正壓力傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)量得出正壓力的變化范圍。以此方式連續(xù)運(yùn)行完成織物表面摩擦性能參數(shù)的測(cè)量。直接接觸法測(cè)試紗線的摩擦因數(shù)時(shí)，摩擦頭必須處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，否則摩擦力與系統(tǒng)給予的拉力不平衡，并且織物在張緊裝置的作用下應(yīng)保持平整，不允許有褶皺的存在。通過以上對(duì)直接接觸測(cè)試法的原理分析可以得出，這種采用平面摩擦頭的方式測(cè)量織物表面摩擦因數(shù)忽略掉了平面摩擦頭自身正壓力的變化，如果摩擦頭不是平面的而是球形的，又由于織物表面凹凸不平，摩擦頭與織物發(fā)生相對(duì)滑移的過程中，摩擦頭會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上下的位移波動(dòng)，并在其自身重力的作用下產(chǎn)生一個(gè)微小的加速度，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)合外力。所以采用球形摩擦頭進(jìn)行織物表面摩擦因數(shù)測(cè)試時(shí)，正壓力的變化并不是恒定不變的。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

織物表面摩擦性能測(cè)量系統(tǒng)包括測(cè)試模塊和控制模塊。測(cè)試模塊包括正壓力測(cè)量裝置、摩擦力測(cè)量裝置、張緊裝置、換向裝置、摩擦力測(cè)量驅(qū)動(dòng)裝置?？刂颇K包括信號(hào)采集裝置、上位機(jī)控制軟件?？椢锿ㄟ^張緊裝置預(yù)加張力塊固定在試樣臺(tái)上，球面摩擦頭通過受力板拉壓傳感器連接件，在滑臺(tái)的帶動(dòng)下產(chǎn)生相對(duì)的滑移，同時(shí)拉壓傳感器測(cè)得摩擦頭與織物之間產(chǎn)生的摩擦力F。在移動(dòng)過程中壓力傳感器可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的測(cè)量正壓力N，根據(jù)公式F=μN(yùn)，得出摩擦因數(shù)μ。壓力傳感器固定在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一定的角度，進(jìn)行一次測(cè)試，測(cè)出織物各個(gè)方向上的摩擦因數(shù)，能夠反映織物的各向異性特征，如圖2 所示。

圖2 織物表面摩擦性能測(cè)量系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of fabric surface friction measurement system

3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性測(cè)試

穩(wěn)定性和重復(fù)性是儀器重要的性能指標(biāo)[18]。在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中摩擦頭需要做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由于摩擦力、電機(jī)振動(dòng)的影響，摩擦力傳感器和正壓力傳感器測(cè)出的數(shù)值會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。穩(wěn)定性可以反映儀器是否能夠穩(wěn)定運(yùn)行并保持測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定?？芍貜?fù)性反映儀器是否能經(jīng)的住時(shí)間的檢驗(yàn)，重復(fù)測(cè)試出相同或者相似的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果[19-20]。

3.1 儀器的穩(wěn)定性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)在濕度為30%、溫度為20 ℃的條件下進(jìn)行，每組的測(cè)試時(shí)間為200 s，儀器的運(yùn)行速率設(shè)置為1 mm/s。選取線密度（tex）為 14× 14 的純棉織物、線密度（tex）為 25×25 的滌棉織物和線密度（tex）為 16×16的滌綸3 種平紋織物進(jìn)行測(cè)試。

圖3 顯示了純棉、滌棉、滌綸這3 種織物分別在200 s 的時(shí)間內(nèi)其平均摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線圖。

圖3 3 種織物在經(jīng)線方向上的平均摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.3 Average friction coefficient of three kinds of fabrics in direction of warp varying with time

圖3（a）中，純棉織物的平均摩擦因數(shù)最大值為0.355 7，最小值為0.142 7，通過程序中設(shè)定的求平均摩擦因數(shù)公式可以求得其平均摩擦因數(shù)的平均值為0.233 9；圖3（b）中滌棉的平均摩擦因數(shù)最大值為0.260 1，最小值為0.118 9，其平均摩擦因數(shù)的平均值為0.176 2；圖3（c）中滌綸織物的平均摩擦因數(shù)最大值為0.230 5，最小值為0.094 7，平均摩擦因數(shù)的平均值為0.165 2。通過以上3 組數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，純棉的平均摩擦因數(shù)最大，滌棉次之，滌綸最小，符合這3 種織物的摩擦因數(shù)大小的特點(diǎn)。

圖4 為3 種織物的摩擦因數(shù)隨速率變化的CV圖。

圖4 3 種織物的摩擦因數(shù)隨速度變化的CVFig.4 CV of friction coefficient of three kinds of fabrics varying with velocity

由圖4 可知，實(shí)驗(yàn)在濕度為30%、溫度為20 ℃的條件下進(jìn)行，每組的測(cè)試時(shí)間為200 s，純棉織物、滌棉織物和滌綸織物這3 種織物的摩擦因數(shù)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變異系數(shù)（CV）。從圖4 中可以看出，純棉織物的變異系數(shù)最大，最大值為8.5%，波動(dòng)范圍在2.46%～8.54%，波動(dòng)幅度為6.08%，大于滌棉織物和滌綸織物的變異系數(shù)；滌棉織物的摩擦因數(shù)的變異系數(shù)波動(dòng)范圍在3.56%～7.62%，波動(dòng)幅度為4.06%；滌綸織物的摩擦因數(shù)的變異系數(shù)波動(dòng)范圍在3.39%～6.44%，波動(dòng)幅度為3.05%。從以上數(shù)據(jù)中可以得出3 種織物的摩擦因數(shù)的變異系數(shù)都低于10%，因此可知，測(cè)試速度的增加或者減小對(duì)織物本身的摩擦因數(shù)影響很小。

3.2 儀器的可重復(fù)性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)在濕度為30%、溫度為20 ℃的條件下進(jìn)行，每組的測(cè)試時(shí)間為200 s，每一組的間隔時(shí)間為30 min，儀器的運(yùn)行速率設(shè)置為1 mm/s，對(duì)這3 種平紋織物的平均摩擦因數(shù)進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)過一定時(shí)間間隔后，通過所測(cè)數(shù)據(jù)以評(píng)價(jià)該儀器的可重復(fù)性。測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）為純棉織物5 次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)后的平均摩擦因數(shù)變化曲線圖。如圖5（a）可見，由5 種顏色代表的5 條平均摩擦因數(shù)曲線，其曲線都是基于某一平均值基準(zhǔn)在下上波動(dòng)，其波動(dòng)幅度也大致一樣，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出其每條曲線的平均摩擦因數(shù)的平均值都是圍繞0.23 波動(dòng)，最大幅值為0.12，并且隨著測(cè)試時(shí)間的進(jìn)行，曲線的變化范圍依舊符合之前的變化范圍。

圖5 3 種織物多次測(cè)量的平均摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.5 Average friction coefficient of three kinds of fabrics measured several times varying with time

圖5（b）為滌棉織物5 次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)后的平均摩擦因數(shù)變化曲線圖。通過數(shù)據(jù)分析得知滌棉織物平均摩擦因數(shù)值平均值為0.17。與純棉織物相比較，滌棉平均摩擦因數(shù)低于純棉織物的平均摩擦因數(shù)，并且滌棉織物經(jīng)過5 次測(cè)試后的平均摩擦因數(shù)變化曲線的重合度更高，其上下的波動(dòng)幅度也是小于純棉織物的波動(dòng)幅度。

圖5（c）為滌綸經(jīng)過5 次重復(fù)性測(cè)試后的平均摩擦因數(shù)變化曲線圖。其平均摩擦因數(shù)的平均值在0.16左右波動(dòng)，其波動(dòng)幅度小于滌棉織物的波動(dòng)幅度，5 次測(cè)試的曲線重合度也較高。因此，可以得出純棉織物的平均摩擦因數(shù)大于滌棉織物的平均摩擦因數(shù)，滌棉織物的平均摩擦因數(shù)大于滌綸織物的平均摩擦因數(shù)，波動(dòng)幅度也是純棉大于滌棉，滌棉大于滌綸。

表1 為3 種織物5 次測(cè)試后的平均摩擦因數(shù)的平均值數(shù)據(jù)。

表1 3 種織物5 次測(cè)試后的平均摩擦因數(shù)平均值Tab.1 Average friction coefficients of three fabrics after five tests

由表1 可知，純棉織物的平均摩擦因數(shù)的平均值圍繞0.23 波動(dòng)，滌棉織物的平均摩擦因數(shù)的平均值圍繞0.17 波動(dòng)，滌綸織物的平均摩擦因數(shù)的平均值圍繞0.16 波動(dòng)。通過5 次實(shí)驗(yàn)，純棉、滌棉、滌綸織物的平均摩擦因數(shù)值反應(yīng)了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，也證明了儀器經(jīng)過一段時(shí)間間隔后，多次測(cè)試，具備較好的可重復(fù)性。

3.3 與KES-FB4織物風(fēng)格儀測(cè)試系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試

實(shí)驗(yàn)在濕度為30%、溫度為20 ℃的條件下進(jìn)行，儀器運(yùn)行速度設(shè)置為1 mm/s，設(shè)定測(cè)試時(shí)間為120 s，分別在織物表面摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)和KES-FB4 織物風(fēng)格儀測(cè)試系統(tǒng)上測(cè)試純棉織物和滌綸織物的平均摩擦因數(shù)。

測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 純棉和滌綸織物分別在本儀器和KES-FB4 的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of pure cotton and polyester fabrics in this instrument and KES-FB4 respectively

圖6（a）為純棉織物分別在織物表面摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)和KES-FB4 織物風(fēng)格儀測(cè)試系統(tǒng)中的摩擦及表面粗糙度測(cè)試儀上的平均摩擦因數(shù)的曲線。在20 s的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，測(cè)試數(shù)據(jù)有微小偏差，但是隨著時(shí)間的變化，2 種儀器測(cè)試得出的純棉織物的平均摩擦因數(shù)高度重合。圖6（b）顯示滌綸織物分別在2 種儀器上測(cè)得的平均摩擦因數(shù)的曲線。在20～120 s 的測(cè)試時(shí)間里，2 種儀器只有在80 s 的時(shí)候出現(xiàn)微小差異，其他時(shí)間段曲線也是高度重合的。

表2 所示為純棉織物在織物表面摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)和KES-FB4 織物風(fēng)格儀測(cè)試系統(tǒng)上測(cè)得的平均摩擦因數(shù)的平均值。

表2 2 種儀器測(cè)量純棉織物的摩擦因數(shù)平均值對(duì)比Tab.2 Two instruments measure average value of cotton fabric

由表2 可知，織物表面摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)間為120 s 內(nèi)的測(cè)量結(jié)果的最大值為0.236，最小值是0.232；KES-FB4 織物風(fēng)格儀測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)間為120 s 內(nèi)的測(cè)量結(jié)果的最大值為0.241，最小值為0.229。KES-FB4 的摩擦因數(shù)的平均值波動(dòng)幅度大于織物表面摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)的摩擦因數(shù)平均值的波動(dòng)幅度。從以上數(shù)據(jù)可以得出，2 種儀器的平均值波動(dòng)幅度都較小，都保證了較高的精確性，而織物表面摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)波動(dòng)值更小一些，表明該測(cè)試系統(tǒng)不僅可以對(duì)正壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試，而且測(cè)試的數(shù)據(jù)會(huì)更加穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)分別使用純棉織物、滌綸織物和滌棉織物分別對(duì)儀器進(jìn)行了穩(wěn)定性和重復(fù)性測(cè)試，摩擦因數(shù)的數(shù)值變化符合其摩擦因數(shù)的變化區(qū)間，儀器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。使用這3 種織物分別進(jìn)行了5 次重復(fù)性測(cè)試，純棉、滌棉、滌綸織物的平均摩擦因數(shù)曲線的較高重合度，也證明了經(jīng)過一段時(shí)間間隔后，多次測(cè)試，儀器具備較好的可重復(fù)性。與KES-FB4 織物風(fēng)格儀測(cè)試系統(tǒng)的精確性比較中，使用純棉織物和滌綸織物分別在2 種儀器上進(jìn)行測(cè)試，2 種儀器測(cè)得的摩擦因數(shù)平均值分別圍繞0.23 和0.16 波動(dòng)，都保證了較高的精確性，而織物表面摩擦性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍小于KES-FB4 織物風(fēng)格儀，更趨于穩(wěn)定。