一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置及相关实验方法与流程

1.本发明涉及一种加捻机的配套辅助装置，特别是涉及进行纤维材料加捻时所使用的实验装置。本发明还涉及使用上述装置进行纤维加捻实验的方法，属于纤维材料功能化处理技术领域。


背景技术：

2.现阶段，对于仿生的研究越来越成为科研领域的热门，通过模仿学习自然界中生物的各种形态、活动等，实现新技术、新材料的研发、优化等。对于仿生研究生物体运动时，发现：生物的运动绝大多数是通过肌肉来驱动的，通过肌肉纤维可控的收缩来实现肌肉的发力，这点极富有吸引力，一直以来人工肌肉就是科学研究的热点。
3.人工肌肉(artificial muscle)又称作人造肌肉，它能在受到外界刺激(光、电、热、磁、压力、溶剂、湿度等)下，使材料内部结构发生变化而产生可回复的伸缩、扭转、膨胀等运动。通常的人工肌肉采用纤维材料制备，对纤维进行加捻形成类似弹簧状的圈曲盘绕结构，即对纤维进行功能化处理。
4.现有的加捻设备只能对纤维进行旋转加捻，对纤维试样的一端进行固定，而另一端需要实验人员借助其他的夹持器械来定位。这种方法在功能化处理的过程中会出现一系列问题：(1)纤维两端难以对中，往往实际调整需要耗费不少时间；(2)纤维的加捻需要一端旋转一端固定，但是纤维整体会在加捻的过程中缩短，这就要求对纤维另一端的固定，既要保证对中又要保证能够轴向来回的往复运动。(3)实际因为实验的需求，需要在加捻的过程对纤维进行配重，这样又加大了另一端固定的难度。现有的制备方法，会严重影响纤维试样实验的灵活性，极易使纤维试样的相关力学性能产生偏差，不适合用于制备精细的实验材料。对于像碳纳米管纤维这类的材料，因为本身结构的原因，加捻的过程极易出现受力的不均，从而在加捻盘绕的阶段出现打结等不可逆的损伤。为克服以上问题，本发明提出一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置及相关实验方法，该发明在具备原有纤维辅助加捻的情况下，还可以有效，精准地对纤维材料进行配种加捻，实现整个纤维加捻缩短过程的自行对中，大幅度缩减纤维材料功能化处理的时间且保证试样在加捻过程中无微小扰动，从而减少由于试样处理而产生的实验结果误差，更精准的获得材料的性能。


技术实现要素：

5.本发明：可调配重的纤维平衡加捻辅助装置可以实现对纤维材料的配重加捻，保证材料的加捻结构、力学性能不受试样制备过程的影响，从而得到更精确的实验数据。
6.可调配重的纤维平衡加捻辅助装置，如图1，其特征在于：在立架(5)和底座(14)组成的装置上设有前后两个圆通孔，在此嵌入两个轴承，将平衡摆杆(2)的中间支撑端装进轴承内圈，此时平衡摆杆(2)能够相对于立架(5)进行来回的摆动。平衡摆杆(2)的一端装有游码(1)，依靠螺纹，和摆杆一端实现来回可调的连接。平衡摆杆(2)的另一端和套筒(7)配合，端部有调节螺母(6)进行紧固，既能限制套筒绕摆杆一端的转动(有销限位)，也能限制轴向
的移动。套筒(7)的另一端与轴承内圈配合，轴承外圈和小平衡摆杆(8)相配合，此时小平衡摆杆(8)能够相对于套筒(7)的一端进行来回的摆动。小平衡摆杆(8)的一端装有游码(9)，依靠螺纹，和摆杆一端实现来回可调的连接。小平衡摆杆(8)的另一端和小套筒(11)配合，端部有调节螺母(10)进行紧固，既能限制小套筒绕小摆杆一端的转动(有销限位)，也能限制轴向的移动。砝码(13)挂在连接件(12)的大钩子上，另一端小勾子用于固定纤维，整个连接件(12)和小套筒(11)间隙配合，可以转动。纤维材料固定在轴(4)的小勾上，另一端与加捻机相连，传递由上到下的转速。插销(3)用来限制平衡摆杆(2)调平衡之前的摆动。
7.所述的可调配重的纤维平衡加捻辅助装置进行实验的方法，操作步骤如下：对于需要加捻的多股纤维，先根据尺寸长短，调整大小套筒(7)(11)；对于较长的纤维，可同时向外移动套筒(7)和套筒(11)，纤维固定在轴(4)和连接件(12)之间，依靠配重砝码(13)实现纤维的竖直对中；同样的，对于较短的纤维可同时向内移动套筒(7)和套筒(11)，整个装置配有游码(9)和游码(1)，用来调届摆杆(8)和摆杆(2)的平衡。当纤维加捻缩短时，依靠摆杆(8)和摆杆(2)的转动角度，实现装置与纤维无附加外力的灵活固定。
8.本发明的可调配重的纤维平衡加捻辅助装置及相关实验方法可以有效避免外力，精准地对纤维材料进行配重加捻，实现整个纤维加捻缩短过程的自行对中，保证试样在加捻过程中无扰动，从而减少由于试样处理而产生的实验结果误差，更精准的获得材料的性能，对于实验具有不可替代的优势。
9.与传统实验方法相比较，本发明具有如下有益效果：
10.1、实现整个纤维加捻缩短过程的自行对中，保证试样在加捻过程中不受扰动，大大提高纤维功能化处理的效率。
11.2、能够保证纤维在加捻过程中需要固定形式，即，纤维整体会在加捻的过程中缩短，即可保证纤维的固定对中，又要不对纤维的缩短产生干扰，能随着纤维长度的变化而变化。
12.3、精准地对纤维材料进行配重加捻，有效地平衡掉外力的干扰。
13.4、能够调节平衡摆杆的长度，适应多种长度的纤维材料加捻。
附图说明
14.图1可调配重的纤维平衡加捻辅助装置轴侧图。
15.图2可调配重的纤维平衡加捻辅助装置试样固定图。
16.图3可调配重的纤维平衡加捻辅助装置试样加捻图。
具体实施方式
17.以下结合附图1和图2对本发明的可调配重的纤维平衡加捻辅助装置及相关实验方法作进一步详细说明。
18.如图1所示为可调配重的纤维平衡加捻辅助装置轴侧图，其特征在于：装置由游码(1)、平衡摆杆(2)、插销(3)、转轴(4)、立架(5)、调节螺母(6)、套筒(7)、小平衡摆杆(8)、游码(9)、调节螺母(10)、小套筒(11)、连接件(12)、配重砝码(13)和底座(14)组成。其中调节螺母(6)、套筒(7)和调节螺母(10)、小套筒(11)组成调节机构适应不同长短尺寸的纤维加捻。平衡摆杆(2)和小平衡摆杆(8)组成一套伸缩机构，满足纤维加捻缩短的需求。游码(1)
和游码(9)分别平衡摆杆(2)和摆杆(8)，去除外力对加捻效果的影响。连接件(12)和配重砝码(13)通过重力作用保证竖直，满足纤维对中需求。
19.本发明的实验方法，其具体步骤如下：首先，插销(3)固定平衡摆杆。对于已知尺寸的纤维试样，调节螺母(6)、套筒(7)和调节螺母(10)、小套筒(11)配合调节至适合的长度。将纤维一端固定至连接件(12)，安装至小套筒(11)上，调节游码(9)，使得小平衡摆杆(8)处于两端平衡状态。之后将纤维另一端固定在转轴(4)上，连接件(12)挂上所需配重的砝码。此时由于纤维的拽拉，系统依然平衡。最后，取出插销(3)，微调游码(1)，使机构平衡保持，直到加捻。


技术特征：
1.一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置，其特征在于：在辅助装置的底座(14)的上方设有插销(3)、转轴(4)和立架(5)，平衡摆杆(2)与游码(1)通过螺纹连接，套筒(7)通过螺母(6)与调节螺杆(2)进行连接，小平衡摆杆(8)与游码(9)通过螺纹进行连接，小套筒(11)通过调节螺母(10)与小平衡摆杆(8)进行连接，连接件(12)与套筒(11)相连，配重砝码(13)挂在连接件(12)上。2.根据权利要求1所述的一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置，其特征在于：所述的套筒(7)通过调节螺母(6)能够沿平衡摆杆(2)移动，以实现对不同长短尺寸的纤维材料加捻，小套筒(11)能够通过调节螺母(10)从而沿着小平衡摆杆(8)移动，来适应多种长度的纤维材料的加捻。3.根据权利要求1所述的一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置，其特征在于：所述的平衡摆杆(2)，立架(5)平衡摆杆(8)组成一套伸缩机构，以保证纤维在加捻过程中的固定对中，不对加捻过程中纤维的缩短产生干扰，能随纤维长度的变化而变化。4.根据权利要求1所述的一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置，其特征在于：所述的平衡摆杆(2)上的游码(1)和小平衡摆杆(8)上的游码(9)，平衡外力干扰，精准的对纤维进行配重加捻。5.根据权利要求1所述的一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置，其特征在于：所述的连接件(12)和配重砝码(13)通过重力作用保持竖直，以此来实现纤维加捻过程中的自行对中，保证纤维在加捻过程中不受干扰，从而提高纤维功能化处理的效率。6.利用权利要求1所述的可调配重纤维平衡加捻辅助装置进行纤维加捻实验的方法，其特征在于：对于不同尺寸的纤维材料，先通过插销(3)固定平衡摆杆，通过调节螺母(6)和调节螺母(10)分别将套筒(7)和小套筒(11)调节指适合的长度，再将纤维材料一端固定至连接件(12)上，通过螺纹调整游码(9)在小平衡摆杆(8)上的位置，使小平衡摆杆(8)处于两端平衡状态，之后将纤维一端固定在转轴(4)上，在连接件(12)处挂上配重砝码(13)，此时由于纤维的拽拉，系统依然处于平衡状态，最后取出插销(3)，微调游码(1)，使加捻辅助装置保持平衡，直到纤维材料加捻完成。

技术总结
本发明公开了一种可调配重的纤维平衡加捻辅助装置及相关实验方法，属于纤维材料功能化处理技术领域。在立架和底座组成的装置上设有前后两个圆通孔，在此嵌入两个轴承，将平衡摆杆的中间支撑端装进轴承内圈，此时平衡摆杆能够相对于立架进行来回的摆动。平衡摆杆的一端装有游码，依靠螺纹，和摆杆一端实现来回可调的连接。小平衡摆杆的一端装有游码，依靠螺纹，和摆杆一端实现来回可调的连接。纤维材料固定在轴的小勾上，另一端与加捻机相连，传递由上到下的转速。插销用来限制平衡摆杆调平衡之前的摆动。本发明大大提高纤维功能化处理的效率。能够调节平衡摆杆的长度，适应多种长度的纤维材料加捻。的纤维材料加捻。的纤维材料加捻。


技术研发人员：刘夏 季铧 刘金元 郭佳星 王张义 刘博岩
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2021.06.17
技术公布日：2021/10/23