一种实验用纤维加捻装置及加捻方法

1.本发明涉及纤维加捻实验研究技术领域，具体涉及一种实验用纤维加捻装置及加捻方。


背景技术：

2.目前生物医学方面，我们需要应用很多的生物缝合线，以达到在手术后不会在创伤位置留下疤痕，同时对身体不会产生不良影响。但生物缝合线限于材料性质，要求对人体不造成伤害的同时，需要兼顾韧性、精细和强度的要求。所以需要使用加捻装置对材料进行韧性、延展性和强度的测试。传统的工业加捻装置及加捻方法无法形成溶剂环境，传统加捻机无法实现手自一体，并不便于实验人员进行手动调整；目前也没有实验室仪器专用于在加捻溶剂内进行材料加捻，无法实时观测加捻效果。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种满足实验室加捻要求、加捻精度高的实验用纤维加捻装置及加捻方。
4.为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
5.提供一种实验用纤维加捻装置，其包括两个平行的支撑座，两个支撑座上均设置有安装套，两个安装套相对的面均开口；两个安装套之间设置有两端封闭的溶剂舱，溶剂舱为圆柱形结构，溶剂舱的两端分别设置有第一捻盘和第二捻盘，且第一捻盘和第二捻盘转动设置在溶剂舱内；溶剂舱的上端开设有窗口，窗口通过透明的舱盖封装，第一捻盘安装在转动轴上，转动轴穿过溶剂舱的一端通过联轴器与步进电机的转轴连接，第二捻盘安装在丝杆的一端，丝杆穿过溶剂舱的另一端向溶剂舱的轴向延伸，且丝杆与溶剂舱的另一端螺纹连接，丝杆的另一端设置有手轮，第二捻盘和第一捻盘上均设置有若干固定纤维的固定孔。
6.进一步地，舱盖的闪断设置有加料口，溶剂舱的下端设置有排料口，加料口和排料口分别通过加料盖和排料盖封装，且加料口与加料盖、排料口与排料盖均螺纹连接。
7.进一步地，第二捻盘上靠近第一捻盘的表面开设有成十字的第二沉槽，第二沉槽延伸到第二捻盘的圆周面上，且第二沉槽的底部设置有第二走线槽，第二沉槽内活动设置有滑块，滑块的尺寸大于第二走线槽的尺寸，滑块上开设有与第二捻盘的表面垂直的通孔，通孔位置与沉槽位置对应，且安装套和溶剂舱上开设有与走线槽对应的进线孔。
8.进一步地，第二捻盘的中部设置有固定块，固定块上开设有固定纤维的第二固定孔。
9.进一步地，第一捻盘上靠近第二捻盘的表面上开设有成十字的第一沉槽，第一沉槽的底部均匀设置有若干固定纤维的第一固定孔。
10.进一步地，舱盖的边沿和窗口的边沿均设置固定耳，舱盖通过固定耳上的螺栓固定在窗口上，且舱盖和窗口的边沿均设置有密封条，舱盖的上端设置有提手。
11.提供一种利用上述实验用纤维加捻装置的加捻方法，其包括以下步骤：
12.s1：抽取加捻原料中可用于加捻的纤维中的n根，n≥10，并检测每根纤维的直径d和能承受的极限拉力f，采集每根纤维承受极限拉力f的情况下的拉伸率ε：其中l为承受极限拉力f时断裂的长度，l0为纤维的初始长度；
13.得到每根纤维得到的数据组，每个数据组包括[(f).(d，ε)]；
[0014]
建立纤维能承受的极限拉力f与直径d、拉伸率ε的关系模型：f＝a
·
d+b
·
ε+c，其中a为直径对极限拉力的影响系数、b为拉伸率对极限拉力的影响系数、c为波动系数；
[0015]
将n根纤维得到的n个数据组进行组队，每三个数据组[(f).(d，ε)]组成一个计算关系数据组，代入带关系模型中，计算出系数a、b和c，每个计算关系数据组得到一个系数数据组(a，b，c)；
[0016]
根据数据组的数量n，得到m个系数数据组，n＝3
·
m+q q＜3，q为剩下不能组成计算关系数据组的数据组数量；
[0017]
计算得到的m个系数数据组中系数a、b和c的平均值：
[0018][0019]
其中，ai、bi和ci分别为第i个系数数据组计算得到的影响系数和波动系数；
[0020]
将平均值和代入关系模型中，得到纤维能承受的极限拉力f的评估模型：
[0021]
s2：选择需要加捻的加捻纤维，将加捻纤维的拉伸率ε和直径d代入评估模型中，计算出每根加捻纤维能承受的极限拉力，并计算加捻纤维能承受的总拉力f1＝f1+f2+
···
+fe，e为此次加捻需要的加捻纤维根数；
[0022]
s3：打开舱盖，将e根加捻纤维分别从进线孔穿入，加捻纤维通过第二走线槽进行走线，并从滑块上的通孔穿出；
[0023]
s4：牵引分别从每个滑块上的通孔穿出的加捻纤维，使加捻纤维的端部固定在第一捻盘的第二固定孔上；
[0024]
s5：盖上舱盖，通过螺栓将舱盖固定在窗口上，打开加料盖并利用排料盖密封排料口；通过加料口向溶剂舱内注满加捻溶剂，并盖紧加料盖；
[0025]
s6：步进电机以设定的转速v转动，并保持手轮静置，加捻过程中加捻纤维从进线孔输入溶剂舱，初步加捻完成后，步进电机停止转动；
[0026]
s7：驱动手轮转动第二捻盘，使第二捻盘在溶剂舱内沿溶剂舱轴线移动，拉伸初步加捻完成的生物缝合线，拉伸到设定长度l后，停止转动手轮，加捻完成生物缝合线；
[0027]
s8：打开排料盖排出剩余的加捻溶剂回收利用，再打开舱盖取出加捻完成的生物缝合线，对生物缝合线的性能进行测试，包括以下步骤：
[0028]
s81：对取出的生物缝合线去除两边未收紧的毛边，测试生物缝合线的直径d以及能承受的极限拉力f2；
[0029]
s82：将极限拉力f2与总拉力f1作差，得到e根纤维加捻后能承受的极限拉力的提升
值δf：δf＝f
2-f1；
[0030]
若δf≤0，则判定步进电机的转速v过高，在加捻过程中对纤维的扭转过度，在加捻过程中部分纤维已经断裂；或第二捻盘拉伸的长度l过大，在拉伸过程中部分纤维已经断裂；需要调整步进电机的转速v和第二捻盘拉伸的长度l；
[0031]
若δf＞0，则将提升值δf与提升阈值δf
阈值
进行比较；
[0032]
若δf≥δf
阈值
，则判定加捻出的生物缝合线满足要求；
[0033]
若δf＜δf
阈值
，则判定加捻出的生物缝合线不满足要求，将直径d与加捻出的生物缝合线的标准直径d
标准
进行比较；
[0034]
若d≥d
标准
，则需要更换加捻用的纤维材料，使用具有更高的极限拉力f的纤维材料进行加捻；
[0035]
若d＜d
标准
，则需要增加的加捻纤维的根数，计算提升值δf与提升阈值δf
阈值
的差值f
差值
＝δf
阈值-δf，e根加捻纤维的平均极限拉力f
平均
为：
[0036][0037]
利用差值f
差值
和平均极限拉力f
平均
计算所需增加的加捻纤维的根数m：
[0038][0039]
其中，s为正整数，s为小于平均极限拉力f
平均
的余数。
[0040]
本发明的有益效果为：本发明的加捻装置采用全舱体封闭式结构，能够使得材料完全浸泡在加捻溶剂中完成加捻的工作；并且特定溶液可以循环使用，节约实验材料；截断式的舱体设计使操作人员在夹持加捻材料时操作更加方便；本方案可以实现“手自一体化”，既能通过操控步进电机进行加捻，自动化过程节约人力，且通过控制步进电机使加捻速度控制得更加精确，又能通过手动转动丝杆，使得加捻形态更可控。
[0041]
本装置的溶剂舱和舱盖均可使用亚克力材料作为主体，具有耐腐蚀性的同时具有很好的透明度，使得操作人员观测试验结果更加方便。第二捻盘上的滑块设计，使得整体装置能够适用于更多的实验材料，滑块可设计成五个，分别为1个中心滑块，4个边缘滑块，边缘滑块位置可调节固定，能够适用于不同股数以及不同角度的纤维加捻；手动加捻盘可以通过丝杆转动形成舱体内水平移动，能够适应于不同长度的纤维进行加捻和拉伸。
[0042]
本发明的加捻方法充分考虑了从纤维的原料到生物缝合线形成过程中对生物缝合线性能的影响，从原料角度、加捻装置控制参数等多个方便对加捻过程进行调控，确保在实验过程中能对各个参数进行精准调控，确保能得到满足要求的生物缝合线。并且通过加捻形成的生物缝合线的性能对纤维原料的参数、根数以及加捻装置控制参数进行反向调控，每多进行一次实验得到的生物缝合线精度就能得到提升，通过建立的评估模型能更好的筛选纤维原料，理论与实际结合，提升实验精度和可发展性。
附图说明
[0043]
图1为实验用纤维加捻装置的剖视图。
[0044]
图2为第二捻盘的结构图。
[0045]
图3为第一捻盘的结构图。
[0046]
其中，1、步进电机，2、电机支架，3、第一捻盘，4、支撑座，5、排料口，6、排料盖，7、溶剂舱，8、第二捻盘，9、丝杆，10、手轮，11、安装套，12、舱盖，13、固定耳，14、提手，15、加料口，16、加料盖，17、第二固定孔，18、第二沉槽，19、第二走线槽，20、第一固定孔，21、通孔，22、固定块，23、第一沉槽。
具体实施方式
[0047]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0048]
如图1-图3所示，本方案的实验用纤维加捻装置包括两个平行的支撑座4，两个支撑座4上均设置有安装套11，两个安装套11相对的面均开口；两个安装套11之间设置有两端封闭的溶剂舱7，溶剂舱7为圆柱形结构，溶剂舱7的两端分别设置有第一捻盘3和第二捻盘8，且第一捻盘3和第二捻盘8转动设置在溶剂舱7内；溶剂舱7的上端开设有窗口，窗口通过透明的舱盖12封装，第一捻盘3安装在转动轴上，转动轴穿过溶剂舱7的一端通过联轴器与步进电机1的转轴连接，步进电机1通过电机支架2安装在安装套11上，第二捻盘8安装在丝杆9的一端，丝杆9穿过溶剂舱7的另一端向溶剂舱7的轴向延伸，且丝杆9与溶剂舱7的另一端螺纹连接，丝杆9的另一端设置有手轮10，第二捻盘8和第一捻盘3上均设置有若干固定纤维的固定孔。
[0049]
舱盖12的闪断设置有加料口15，溶剂舱7的下端设置有排料口5，加料口15和排料口5分别通过加料盖16和排料盖6封装，且加料口15与加料盖16、排料口5与排料盖6均螺纹连接。
[0050]
第二捻盘8上靠近第一捻盘3的表面开设有成十字的第二沉槽18，第二沉槽18延伸到第二捻盘8的圆周面上，且第二沉槽18的底部设置有第二走线槽19，第二沉槽18内活动设置有滑块，滑块的尺寸大于第二走线槽19的尺寸，滑块上开设有与第二捻盘8的表面垂直的通孔21，通孔21位置与沉槽位置对应，且安装套11和溶剂舱7上开设有与走线槽对应的进线孔。第二捻盘8的中部设置有固定块22，固定块22上开设有固定纤维的第二固定孔17。
[0051]
第一捻盘3上靠近第二捻盘8的表面上开设有成十字的第一沉槽23，第一沉槽23的底部均匀设置有若干固定纤维的第一固定孔20。舱盖12的边沿和窗口的边沿均设置固定耳13，舱盖12通过固定耳13上的螺栓固定在窗口上，且舱盖12和窗口的边沿均设置有密封条，舱盖12的上端设置有提手14。
[0052]
本发明的加捻装置采用全舱体封闭式结构，能够使得材料完全浸泡在加捻溶剂中完成加捻的工作；并且特定溶液可以循环使用，节约实验材料；截断式的舱体设计使操作人员在夹持加捻材料时操作更加方便；本方案可以实现“手自一体化”，既能通过操控步进电机1进行加捻，自动化过程节约人力，且通过控制步进电机1使加捻速度控制得更加精确，又
能通过手动转动丝杆9，使得加捻形态更可控；
[0053]
本装置的溶剂舱7和舱盖12均可使用亚克力材料作为主体，具有耐腐蚀性的同时具有很好的透明度，使得操作人员观测试验结果更加方便。第二捻盘8上的滑块设计，使得整体装置能够适用于更多的实验材料，滑块可设计成五个，分别为1个中心滑块，4个边缘滑块，边缘滑块位置可调节固定，能够适用于不同股数以及不同角度的纤维加捻；手动加捻盘可以通过丝杆9转动形成舱体内水平移动，能够适应于不同长度的纤维进行加捻和拉伸。
[0054]
利用上述实验用纤维加捻装置的加捻方法包括以下步骤：
[0055]
s1：抽取加捻原料中可用于加捻的纤维中的n根，n≥10，并检测每根纤维的直径d和能承受的极限拉力f，采集每根纤维承受极限拉力f的情况下的拉伸率ε：其中l为承受极限拉力f时断裂的长度，l0为纤维的初始长度；
[0056]
得到每根纤维得到的数据组，每个数据组包括[(f).(d，ε)]；
[0057]
建立纤维能承受的极限拉力f与直径d、拉伸率ε的关系模型：f＝a
·
d+b
·
ε+c，其中a为直径对极限拉力的影响系数、b为拉伸率对极限拉力的影响系数、c为波动系数；
[0058]
将n根纤维得到的n个数据组进行组队，每三个数据组[(f).(d，ε)]组成一个计算关系数据组，代入带关系模型中，计算出系数a、b和c，每个计算关系数据组得到一个系数数据组(a，b，c)；
[0059]
根据数据组的数量n，得到m个系数数据组，n＝3
·
m+q q＜3，q为剩下不能组成计算关系数据组的数据组数量；
[0060]
计算得到的m个系数数据组中系数a、b和c的平均值：
[0061][0062]
其中，ai、bi和ci分别为第i个系数数据组计算得到的影响系数和波动系数；
[0063]
将平均值和代入关系模型中，得到纤维能承受的极限拉力f的评估模型：
[0064]
s2：选择需要加捻的加捻纤维，将加捻纤维的拉伸率ε和直径d代入评估模型中，计算出每根加捻纤维能承受的极限拉力，并计算加捻纤维能承受的总拉力f1＝f1+f2+
···
+fe，e为此次加捻需要的加捻纤维根数；
[0065]
s3：打开舱盖12，将e根加捻纤维分别从进线孔穿入，加捻纤维通过第二走线槽19进行走线，并从滑块上的通孔21穿出；
[0066]
s4：牵引分别从每个滑块上的通孔21穿出的加捻纤维，使加捻纤维的端部固定在第一捻盘3的第二固定孔17上；
[0067]
s5：盖上舱盖12，通过螺栓将舱盖12固定在窗口上，打开加料盖16并利用排料盖6密封排料口5；通过加料口15向溶剂舱7内注满加捻溶剂，并盖紧加料盖16；
[0068]
s6：步进电机1以设定的转速v转动，并保持手轮10静置，加捻过程中加捻纤维从进线孔输入溶剂舱7，初步加捻完成后，步进电机1停止转动；
[0069]
s7：驱动手轮10转动第二捻盘8，使第二捻盘8在溶剂舱7内沿溶剂舱7轴线移动，拉
伸初步加捻完成的生物缝合线，拉伸到设定长度l后，停止转动手轮10，加捻完成生物缝合线；
[0070]
s8：打开排料盖6排出剩余的加捻溶剂回收利用，再打开舱盖12取出加捻完成的生物缝合线，对生物缝合线的性能进行测试，包括以下步骤：
[0071]
s81：对取出的生物缝合线去除两边未收紧的毛边，测试生物缝合线的直径d以及能承受的极限拉力f2；
[0072]
s82：将极限拉力f2与总拉力f1作差，得到e根纤维加捻后能承受的极限拉力的提升值δf：δf＝f
2-f1；
[0073]
若δf≤0，则判定步进电机1的转速v过高，在加捻过程中对纤维的扭转过度，在加捻过程中部分纤维已经断裂；或第二捻盘8拉伸的长度l过大，在拉伸过程中部分纤维已经断裂；需要调整步进电机1的转速v和第二捻盘8拉伸的长度l；
[0074]
若δf＞0，则将提升值δf与提升阈值δf
阈值
进行比较；
[0075]
若δf≥δf
阈值
，则判定加捻出的生物缝合线满足要求；
[0076]
若δf＜δf
阈值
，则判定加捻出的生物缝合线不满足要求，将直径d与加捻出的生物缝合线的标准直径d
标准
进行比较；
[0077]
若d≥d
标准
，则需要更换加捻用的纤维材料，使用具有更高的极限拉力f的纤维材料进行加捻；
[0078]
若d＜d
标准
，则需要增加的加捻纤维的根数，计算提升值δf与提升阈值δf
阈值
的差值f
差值
＝δf
阈值-δf，e根加捻纤维的平均极限拉力f
平均
为：
[0079][0080]
利用差值f
差值
和平均极限拉力f
平均
计算所需增加的加捻纤维的根数m：
[0081][0082]
其中，s为正整数，s为小于平均极限拉力f
平均
的余数。
[0083]
本发明的加捻方法充分考虑了从纤维的原料到生物缝合线形成过程中对生物缝合线性能的影响，从原料角度、加捻装置控制参数等多个方便对加捻过程进行调控，确保在实验过程中能对各个参数进行精准调控，确保能得到满足要求的生物缝合线。并且通过加捻形成的生物缝合线的性能对纤维原料的参数、根数以及加捻装置控制参数进行反向调控，每多进行一次实验得到的生物缝合线精度就能得到提升，通过建立的评估模型能更好的筛选纤维原料，理论与实际结合，提升实验精度和可发展性。
[0084]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明
内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0085]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。