第一节 单梭口织造的原理与设备
传统织机主要采用单梭口形式，每次形成一个贯通梭口引入一根纬纱，这是目前三维机织物应用最多、设备投资较少的一种织造方法，它对织机上形成织物所必需的三大主要机构：开口机构、引纬机构和打纬机构没有改变，通常采用剑杆或梭子引纬，为了提高对经纱的控制能力、适应较大厚度织物的织制需要，一般不采用凸轮开口，主要采用多臂或提花开口机构。
但和传统织机所生产的织物不同，由于三维织物的厚度大、使用的纤维一般为玻璃、碳等高性能纤维，常常需要对织机的送经机构和卷取机构进行改进，下面介绍适合于织造三维机织物的送经和卷取机构及其工作原理。
一、送经机构及其工作原理
与传统织机通常织造的棉、毛等类型纱线不同，三维机织物常采用玻璃纤维、碳纤维等为原料，虽然它们的拉伸强度很大，但弹性差、抗剪切能力差、不耐磨。这些纤维作为经纱在开口过程中，纱线伸长能力很小，若在综平时设定合适的经纱张力，则梭口满开时经纱张力很大，反复的开口运动使纱线容易起毛甚至断头；若在梭口满开时设定合适的经纱张力，则综平时经纱松弛，容易造成梭口不清。因此，织机的张力调节机构应使经纱在综平、梭口满开时，都能保持适当的张力。
根据织物组织结构和形状的不同，可能会出现有的经纱消耗率大、有的经纱消耗率小的情况。为使经纱张力均匀，送经机构要能够满足这种不同经纱消耗率的要求。
1.送经机构的供纱方法
为了适应三维机织物不同的经纱需求长度，常用的供纱方式有筒子架供纱、纱轴供纱、纱架挂纱等。
（1）纱架挂纱。将每根经纱的一端连接到张力重锤，并悬挂在纱架的导纱杆上，如图3-1所示，另一端穿过综丝的综眼，在织机上与纬纱交织成织物。纱架到织机的距离可调，以适应不同长度织物的要求，并在织造的过程中，纱架逐渐移近织机。为了节省占地面积，也可在导纱杆与织机之间增加储纱区，如图3-1中的虚线所示，落纱辊可采用多个，且在织造过程中逐渐上移，以提供形成织物所需要的经纱长度，但需要注意避免纱线的紊乱。
图3-1 纱架挂纱
纱架挂纱每次上机的经纱长度有限，所能织制的织物长度不能太大，而且上机时间长，效率低，只适用于小批量的织物生产，常用于实验研究。
（2）筒子架供纱。将筒子纱直接放置在筒子架的锭子上，引自不同筒子的经纱长度可以各不相同，引出的经纱经过张力装置后，穿入开口机构的综丝，再与纬纱交织成织物。这种供纱方式不需整经，工艺流程短，但因纱架容量的限制，使得经纱的根数受到限制。
（3）纱轴供纱。将相同消耗率的经纱卷绕在一个纱轴上，在织机后方的轴架上可放置多个纱轴供纱（图3-2），各个纱轴的供纱速度可不相同，以满足不同经纱消耗率的要求，经纱张力可以分别调节，因此各轴的经纱张力均匀。这种供纱方式减小了织机的长度，适用于大批量生产，但由于增加了整经工序，生产流程较长，且上了机的废纱较多。
2.经纱张力控制
在图3-2所示的重锤式张力控制装置中，每根经纱穿过一个张力重锤，将相同消耗率经纱的张力重锤排列在同一排上，以使其高度在织造时基本相同。张力重锤的排数依经纱的层数和密度而定，当经纱层数多密度大时，张力重锤的排数也多，以保证重锤之间有适当的间隙，避免影响其独立的上下运动。这种张力装置能使经纱无论在梭口满开还是在综平位置时都能保持适当的张力，且张力分布均匀。改变重锤的重量，就可以调整经纱张力的大小。
图3-2 纱轴供纱和经纱张力控制
在织造的过程中，重锤的高低位置随经纱张力的变化产生一定幅度的波动，在综平时经纱张力小，重锤位置较低；而当梭口满开经纱张力大时，重锤微量上升以补偿开口需要的额外经纱长度。
纱轴退绕送出经纱的运动是间歇的，视重锤的高低位置而定。由光电探测器监测重锤的高低位置，随着织造的进行，经纱与纬纱交织形成的织物被织机的卷取机构逐渐引出，重锤逐渐升高。当重锤上升到最高位置被光电探测器探测到后，将通过一套气动装置使相应的纱轴回转送出经纱，重锤也随之下降，直至下降到最低位置为止。每个纱轴都由一套光电监测控制装置，使各个纱轴的回转运动相互独立，以适应不同经纱消耗率的要求。
重锤高低位置的变化对经纱的张力存在影响，如图3-3所示，由图3-3（a）可得经纱张力T与重锤高度之间的关系为：
式中：W——张力重锤的重力；
S——张力重锤距导纱棍的距离；
L——两个导纱辊的间距之半；
β——经纱与水平线的夹角。
图3-3 重锤高低位置对经纱张力的影响
由式3-1和式3-2可见，随着织造的进行张力重锤逐渐升高，经纱的夹角β逐渐减小，会导致经纱张力逐渐增大。
重锤高度对经纱张力影响的曲线如图3-3（b）所示，图中的横、纵坐标分别使用了无量纲量T/W和S/L。由图可见，当S/L较大时，张力重锤位置的变化对经纱张力的影响很小；而当S/L小于约2.5时，经纱张力将急剧增大，因此，应对重锤上升的高度进行控制，以保证经纱张力的均匀。
二、卷取机构及其工作原理
1.变纬密卷取
在传统织机上，一般每引入一根纬纱、经纬纱交织一次，卷取机构将一定长度的织物引离织造区，形成纬纱间距一定、密度相等的织物。但织制三维机织物时，如果仍然采用这种每纬一卷的等纬密卷取方式，纬纱列的密度和织物结构将不均匀，下面以织造图3-4所示的4层经纱、5层纬纱的贯穿正交组织为例进行说明。在图3-4（a）的贯穿正交组织中，纬纱1～5的引入顺序是从织物的上层到织物的底层，形成一列纬纱，纬纱6～10是从织物的底层到上层，构成另一列纬纱，但由于每纬一卷的等纬密卷取方式，纬纱列在织物的分布如图3-4（b）所示，呈W形分布。相似的，在图3-4（c）所示的纬纱引入顺序中，纬纱分布方式如图3-4（d）所示，呈锯齿形分布。纬纱列的这种两种分布，显然都将影响织物结构的均匀性。
图3-4 引纬顺序与纬纱列的分布
变纬密卷取是现代织机为了织造不等纬密织物而采用的措施，它每纬卷取织物的长度可以变化，卷取量大则纬纱间距大纬密小，卷取量小则纬纱间距小纬密大，通过合理设计纬纱密度的分布，可以织造纬纱密度按一定规律变化的变纬密织物。将这种技术用于织造三维机织物时，可以实现按列进行卷取，即在织造纬纱1～4或纬纱6～9时不卷取，而在织造纬纱5或纬纱10，完成一列纬纱的织造时才发生一次卷取作用，结果是形成的三维织物中纬纱列间距相等，每列的各层纬纱上下垂直，织物结构均匀。
在织制分层织物时，如果每个纬纱列的根数不同，也必须采用按列卷取的方式，使纬纱列的间距均匀，才能形成结构匀整的织物。例如图3-5所示的蜂巢结构织物，在区间Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别是3层、4层和2层的织物结构，分别由3根、4根和2根纬纱构成一个纬纱列，因此在织造这些区间时，应在分别引入3根、4根和2根纬纱后卷取一定长度的织物。如果采用每纬一卷的等纬密卷取方式，形成的各层织物纬纱间距将不相等。
图3-5 蜂巢织物结构
图3-6 卷取辊卷取织物
2.卷取方式
在传统织机上卷取辊积极回转，织物绕过卷取辊，依靠织物与卷取辊之间的摩擦力，使织物被引离织造区，然后卷绕到卷布辊上储存。若采用这种卷取方式织制玻璃纤维、碳纤维等三维织物，会存在两方面的问题，一是由于纤维光滑、耐磨性差，织物表面容易造成磨损，出现纬纱排列不匀现象；二是由于织物厚度大，在被卷取辊卷取的过程中造成织物的各层经纱长度不相等。如图3-6所示，与卷取辊接触的内层织物经纱短，而远离卷取辊的外层经纱长，织物下机后将不平整。
织物内外层经纱长度的差异率Δ可用下面公式计算：
式中：R——卷取辊半径；
H——织物的厚度。
由式3-3可以计算，当R=64.15mm，H=5mm时，织物内外层的经纱长度差异率可达7.5%。增大卷取辊的半径，织物内外层经纱长度的差异率将减小。
图3-7 平动式卷取机构
为了从根本上消除经纱长度的这种差异，可采用图3-7所示的平动式卷取装置。卷取辊轴带动链条循环移动，夹持器固定在链条上，织物被夹持器所夹持，夹持器在链条的带动下逐渐向右移动，带动织物也向右平行移动，把织物引离织物形成区。由于织物在平动过程中不与任何机件接触，既避免了对织物的摩擦损伤，织物中各层经纱的长度也相等。