（机械设计及理论专业论文）一种新型自由端纺纱方法及装置的研究.pdf

一种新型自由端纺纱方法及装置的研究 摘要 管道纺纱方法是我校于八十年代末九十年代初独立自主开发的 一项自由端纺纱技术。它结合了转杯纺纱方法和摩擦纺纱方法的优 点，是一种形成真捻的自由端纺纱方法。其最大特点就是将纤维的凝 聚过程和纺纱的加捻过程分开。先用分梳辊将棉束分解成单纤维，再 用气流将单纤维输送到凝聚区。在吸风气流的作用下纤维在静止的凝 棉槽里凝聚和牵伸并沉积到凝棉槽底端。由于管道纺加捻区只负责加 捻作用，所以加捻器可以设计得更小、更简单，从而便于提高转速和 提高纺纱速度。 本课题的任务是优化纺纱试验样机关键零部件。首先在样机上对 纺纱器的结构参数和工艺参数进行回归试验，建立有关数学模型，得 出变化规律；再在优化理论的指导下，求出最佳结构参数和工艺条件； 最后，对提高管道纺纱速度和成纱质量的可行方法进行讨论。 本课题采用实验研究和理论研究相结合的方法。其中实验研究是 关键，包括：观察研究分梳辊转速对纤维的分梳效果和纤维的转移状 态的影响；研究凝棉槽内负压大小及气流分布对纤维的输送效果和对 纤维的伸直作用，从而优化设计凝棉槽的结构；重点通过实验观察加 捻器的实际加捻情况，记录纺纱实验数据，通过回归分析与优化设计 方法设计出最佳纺纱工艺参数。 本课题通过实验分析与理论研究，开发出了纺纯棉纱及纺包芯纱 的实用技术。 关键词：自由端纺纱，管道纺纱，工艺参数，结构参数，回归分析 东。仁人学硕。f j 学位论文摘要 s t u d ya n do p t i m i z a t i o no fa n0 p e n e n d s p i n n i n gp r o t o t y p e a b s t r a c t c h a n n e l - s p i n n i n gi sak i n do fo p e n - e n ds p i n n i n gm e t h o d ，w h i c hi s d e v e l o p e db yd o n g h u au n i v e r s i t yd u r i n gt h ee n d18 t ha n dt h ee a r l y19 t h i tc o m b i n e st h em e r i t so fb o t hr o t o rs p i n n i n ga n df r i c t i o ns p i n n i n g ，a n d w o r k si nr e a lt w i s t t h eb e s tf e a t u r eo ft h i ss p i n n i n gm e t h o di st h a ti t s e p a r a t e st h ef i b e rc o n d e n s i n gp r o c e s sf r o mt h ef i b e rt w i s t i n gp r o c e s s a s t h et w i s t e ri so n l yr e s p o n s i b l ef o rt w i n i n g ，s oi tc a r lb es m a l l e ra n d s i m p l e r , i t sr o t a t i o n a lv e l o c i t ya n d t h es p i n n i n gs p e e dc o u l db ei m p r o v e d t h et a s ko ft h i st h e s i si st oo p t i m i z et h ec r i t i c a ls p a r ep a r t so ft h e s p m n m gp r o t o t y p e a tf i r s t 1 i n e a r r e g r e s s i o ne x p e r i m e n t s 0 1 1 约e 一 - ， ， 一 一 p r o t o t y p et h r o u g hd e b u g g i n gt h e s t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s w e r em a d e ，a n dt h e nm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es p i n n i n gs y s t e mw e r es e t u p f r o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h eo p t i m a ls t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g y p a r a m e t e r sw e r ef o u n d a tl a s tt h ef e a s i b i l i t yo fi n c r e a s i n gt h es p i n n i n g s p e e da n dy a r nq u a l i t yw e r ee x p l o r e d e x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n dt h e r e t i c a la n a l y s i sw e r eu s e da tt h es a m e i i 东o 二人学硕i j 学位论义 摘要 t i m ei nt h es t u d y t h ei n f l u e n c eo ft h ec o m b i n gr o l l e ro nf i b e rc o m b i n g e f f e c ta n dt r a n s m i s s i o ns l a t e ，t h ei n f l u e n c eo ft h ea i rf l o wp r e s s u r ea n di t s d i s t r i b u t i o ni nt h ec o n d e n s i n gg r o o v eo nt r a n s p o r t i n ga n ds t r a i g h t e n i n g e f f e c to ft h ef i b e r , a n dt h eo p t i m a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h ec o n d e n s i n g g r o o v ew e r es t u d i e d 砖e x p e r i m e n t sa n dt h e r e f i c a la n a l y s i s t h i st h e s i sc a r r i e so u tt h ep r a c t i c a lt e c h n o l o g yo fc o t t o ny a ms p i n n i n g a n dw r a py a ms p i n n i n gw i t ht h em e t h o dt h a te x p e r i m e n ta n dt h e o r i e s c o m b i n et o g e t h e r s h in i - n a ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) s u p e r v i s e db y s u nz h i - h o n g k e y w o r d s ：o p e n e n ds p i n n i n g ，c h a n n e ls p i n n i n g ，t e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r , r e g r e s s i o na n a l y s i s i i i 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：习包也肛毡冲 日期：御年弓月华日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密刚 嗍鬻葛7 日 讯佩肺f ) 嗍吁) 月1 7 日 指导教师签名： 日期：砷年 略压 乒各 么叮 了 么p 东华人学t t i j ：学位论文第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪以来，世界纺织工业生产技术发生了很大变化。随着电子计算机、 传感及变频调速等高新技术与纺织生产工艺的完美结合，使纺织技术得到了突飞 猛进的发展，使劳动力密集型的传统纺织工业向资金密集、技术密集型产业方向 发展，使纺织工业生产出现了高速度、高自动化、高产量、高质量及新技术不断 涌现的四高一新局面。微电子技术的广泛应用、自动监控水平的不断提高，不仅 使纺织机械高速运行成为可能，而且大大提高了各工序半成品、成品的质量。 2 0 世纪8 0 年代以来，由于电子技术和计算机技术的广泛应用，国际纺纱技 术在向优质、高产、自动化、连续化方向迅速发展。各种工艺参数的自动监测、 显示方便了操作，提高了管理水平；光电传感、压力传感、气动输送等技术的应 用稳定了纤维原料的传输；半制品质量在线监测、超限报警、自调匀整等技术的 应用保证和提高了产品势力；变频调速、工业计算机可编程控制、多电动机传动 等技术的应用简化了机械结构，提高了生产自动化水平，提高了设备运作的稳定 性、可靠性。2 0 世纪9 0 年代以来，国际纺织技术在单机自动化基础上又迅速向 连续化生产方向发展，出现了“无人纺纱车间”，欧洲一个全自动纺纱车间，1 万棉纺纱锭仅6 人管理。目前我过纺纱设备中，从国外进口的、具有国际2 0 世 纪9 0 年代先进水平的设备只有1 ，而周边几个国家都在4 4 - 5 0 或其以上1 1 j 。 纺纱学是一门工艺性很强的应用学科，研究的对象是纤维集合体及其加工所 采用的机械和物理以及化学的加工方法。由于纤维种类繁多、性能各异，在集合 体内的分布又呈现出很大的离散性，同时，纤维原料往往又受周围温度、湿度等 环境的影响很大，这些都给纺纱加工带来某些不确定因素，所以，在描述纺纱规 律时常常带有统计学性质，这是论述纺纱原理的一个难点。纺纱仅仅是纺织生产 全过程的一个环节，但它是非常重要的环节。纱线是产品开发的重要基础，纱线 的不断创新才能给最终产品的日新月异提供更广阔的天地。 1 1 纺纱基本原理 纺纱学是研究将纺织短纤维加工成纱线的- - i 、 科学。纱线除了由很长的连续 东华大学硕士学位论文 第一章绪论 单丝捻合而成的外，一般都是由许多长度不等的短纤维通过捻接的方法制成。纺 纱过程一般包括原料准备、开松、梳理、除杂、混和、牵伸、并合、加捻以及卷 绕等作用，有些作用是经过多次的反复来实现的。其中，丌松、梳理、牵伸和加 捻在纤维集合体的松解和集合中起到非常重要的作用。纺纱的基本原理，实质上 重点是研究开松、梳理、牵伸和加捻在纤维集合体的松解和集合中所起的重要作 用。开松是松解的起步，梳理是松解的继续，牵伸是松解的彻底完成；同时，梳 理又是集合的起步，牵伸是集合的继续，加捻是集合的最后完成。纺纱的过程实 际上就是把无序状态的纤维变成首尾顺序连接的须条，并加上一定的捻度。 1 2 新型纺纱方法 1 2 。1 新型纺纱的发展 纺纱技术的发展一直未曾停止过，从2 0 世纪5 0 年代起，先后涌现出成纱机 理与环锭纺截然不同的转杯纺、喷气纺、涡流纺、自捻纺、平行纺、摩擦纺静电 纺等新型纺纱技术。近年来，又出现了喷气自由端纺纱，以及在环锭上稍做革新 而形成的赛罗纺、赛罗菲纺、索罗纺( 国内又称缆型纺) 和紧密纺等纺纱新技术。 这些新型纺纱技术的出现，既有利于纺纱技术与设备水平的提升，也为成纱质量 的提高和产品风格的多样性提供了可能。 ( 1 ) 基于环锭纺的新型纺纱技术 除了新型纺纱技术以外，环锭纺本身也在不断革新和完善，出现了新的纺纱 技术如紧密纺纱( c o m p a c ts p i n n i n go rc o n d e n s e rs p i n n i n g ) 。而有些新型纺纱方 法就是在环锭纺基础上稍作改动形成，如包覆纺( w r a ps p i r m i n g ) 、包芯纺 ( c o r e s p u n ) 、赛罗纺( s i r o s p u n ) 、赛罗菲纺( s i r o f i l ) 、索罗纺( s o l o s p u n ) 等。 这些纺纱技术的出现和形成，对于提高纺纱质量，丰富纺织产品的风格等将起到 有利的促进作用。 ( 2 ) 成纱机理不同于环锭纺的新型纺纱 早在1 9 0 7 年，森莫威廉( s a m u a lw i l l i a m s ) 就提出了把加捻作用和卷绕作 用分开的设想。1 9 7 3 年，瑞士人伯塞尔森( b e r t h e l s o n ) 提出了转杯纺纱雏形， 2 0 世纪6 0 年代开始进入了较大的规模的研究和试验。1 9 6 5 年，波尔诺( b m o ) 展出了由捷克研制成功的k s ，2 0 0 型转杯纺样机，在实验上首次获得突破性的成 就，并逐渐进入了工业化生产。目前，转杯纺无论是从技术上还是设备方面都有 2 东仁火学硕士学位论文 第一章绪论 了很大的发展和完善，并且仍在不断地进步，从而使转杯纺的生产率、产品质量 均有了迅速的提高，同时，也大大拓宽了转杯纺的应用领域。目前国际上整个纺 纱规模中，环锭和转杯纺占9 5 以上。其中，转杯纺的头数占到环锭纺锭子数的 3 - - 5 ( 欧洲此比例为2 5 ) ，转杯纺生产的产品按长度来计，占到总纱量的 2 5 ，若按重量来计，转杯纱占到总纱量的4 0 左右。相对而言，我国的转杯纺 发展较世界水平还有一定的差距，目前转杯纺的锭数在6 5 万头左右，只占到环 锭的2 。由此可见，转杯纺头数有望达到( 1 2 0 1 5 0 ) 万头。 2 0 世纪4 0 年代美国人e s k e n n e d y 提出静电纺纱的设想，并申请了专利， 我国在5 0 年代末期开始研究静电纺纱，并在技术水平方面达到了相当的水平。 2 0 世纪6 0 年代初期，美国杜帮( d u p o m ) 公司提出了第一个喷气纺纱专利，以 后，有关专利不断提出。日本7 0 年代之后开始大规模研究，并于8 0 年代初由村 田( m u r a t a ) 公司等将喷气纺纱机逐步推向市场。2 0 世纪7 0 年代初，澳大利亚 首先研制了自捻纺纱机，并于1 9 7 1 年在巴黎展出了m k v 型自捻纺纱机。后来 英国、法国也研制出具有两个加捻系统的低线密度包缠自捻纺纱机。摩擦纺于 1 9 7 3 年由奥地利的费舍尔博士( d r m s tf e h r e r ) 提出专利，并相继推出了d r e f 的i 型、i i 型、i i i 型等机器【1 1 ，我国也对摩擦纺纱机进行了研究，并开发了具有 特色的机型。涡流纺纱最早由德国哥茨弗莱德( g a t z f r i e d ) 于1 9 5 7 年设计的， 1 9 7 5 年波兰在米兰i t m a 展览会上展出了p f 1 x 型纺纱机，我国也研制出了自 己的机型。此外，还有平行纺、管道纺等几十种新型纺纱方法先后问世。 这些新型纺纱的方法和技术的出现，突破了传统纺纱的成纱机理，使得纺纱 速度的提高、卷装的增大成为可能，使劳动生产率大幅度提高，花色品种大大增 多，从而有力地推动了纺纱技术的发展。 1 2 2 新型纺纱的分类 新型纺纱的种类繁多，因此分类方法也有多种。但主要有两种分类方法。 1 按成纱原理分 ( 1 ) 自由端纺纱( o p e r l e n ds p i n n i n g ) 指由喂入点到加捻点之间的须条是断开的纺纱方法，纺出的纱是真捻结构， 例如转杯纺纱。需要说明的是，自由端纺纱喂入点和加捻点之间的须条并非绝对 断开，前后须条没有任何联系，而只是不形成连续的纱条，而以纤维流的形式存 3 东华人学硕 j 学位论文第一章绪论 在。例如在转杯纺纱的梳棉管道中，纤维并没有形成一根连续的须条，而是一 股纤维流，其中每根纤维都可独立地运动。 ( 2 ) 非自由端纺纱( u n o p e n - e n ds p i n n i n g ) 指在喂入点至加捻点之f 白j 的须条是连续的纺纱方法。由于整个须条是连续 的，须条的两端分别被给棉罗拉和引纱罗拉所握持，而在中间加捻，形成假捻形 式，纺出的纱不是真捻结构。例如，喷气纺包芯纱等。环锭纺纱虽然也是非自由 端纺纱，但其将加捻作用和卷绕作用合为一体，采用纱管旋转的形式形成了真捻 形式。即纱条的一端由前罗拉握持，而另一端加捻和卷绕，所以成纱为真捻。 2 按成纱方法分 ( 1 ) 加捻纺纱 靠给纤维须条施加一定的捻度而成纱。例如转杯纱、涡流纱等。 ( 2 ) 包缠成纱 靠纤维互相包缠成纱。例如，喷气纱的结构就是纤维互相包缠而形成的，它 以短( 纤维) 包短( 纤维) 的形式成纱：平行纺是用长丝包在短纤维须条上而形 成纱的，它以长( 丝) 包短( 纤维) 的形式成纱；摩擦纺包芯纱是以长丝为纱芯， 外包短纤维而成纱的，它以短( 纤维) 包长( 丝或纱) 的形式成纱。 ( 3 ) 自捻成纱 靠两根单根的假捻捻度而自捻成纱。自捻纺纱是自捻成纱的典型代表。 ( 4 ) 粘合纺纱 靠一定的粘合剂使纤维粘合而成纱。 1 ，2 3 新型纺纱方法简介 1 自由端纺纱 转杯纺纱、摩擦纺纱、涡流纺纱、静电纺纱以及管道纺纱均为自由端成纱。 自由端纺纱是2 0 世纪5 0 年代逐步发展起来的新型纺纱方法，其基本特点在于 喂入端一定要形成自由端。自由端的形成，通常采用“断裂”纤维结集体的方法， 使纤维成为相互分散又连续的纤维流，使喂入端与加捻器之间的纤维结集体断开 而不产生反向捻回，并在加捻器与卷绕部件区间获得真捻。断开后的纤维又必须 重新聚集成连续的须条，使纺纱得以连续进行。最后将加捻后的纱条绕成筒子。 图1 1 中，a 、b 为自由端，自由端a 能随加捻器同向、同速自由转动，因而 4 东华大学硕上学位论文 第一章绪论 喂入端 目由瑞加捻部件铺出瑞 图1 1 白由端加捻示意图 当加捻器回转时，a b 纱段不产生捻度，即z = 0 。单位时间加在b c 纱段上的 捻回数为正，+ 刀= ，z ，单位时间内由b c 纱段输出的捻回数应为： 瓦。= 正，+ 胛= 门，正= n v 由上式可见，加捻器的速度( n ) 较高或输出速度( v ) 较低，成纱捻度多， 反之则少。 自由端新型纺纱的成纱过程都要经过以下几个主要环节。首先制备纤维条， 再将纤维条分散成纤维流，再将纤维流凝聚成纤维环，最后将纤维环剥取、加捻、 卷绕成筒子纱。下面按上述步骤介绍自由端成纱的机理和过程。 ( a ) 纤维条的制备 喂入新型纺纱机的纤维条大多为熟条，即并条下来的条子。因此，采用传统 环锭纺纱的前纺工艺可获得纤维条。为了提高纤维条条干均匀度，在梳理机( 梳 棉机、梳毛机) 、并条机或针梳机上均可采用自调匀整。 ( b ) 纤维流的形成和输送 1 ) 纤维流的形成为了获得首尾不相连但又连续的纤维流，可采用锯齿式或 梳针式的分梳辊，将喂入的纤维条分梳成纤维流。分输辊的结构可采用铝合金或 铁胎，表面包有锯齿条或植有梳针，再配合一定的齿形、齿形参数及分输辊速度， 基本上能将连续的纤维流分解成单纤维状的纤维流。 2 ) 纤维流的输送自由端成纱纤维流一般在输纤管内完成输送。依靠分输辊 回转的离心力和分输辊及输纤管内的气流，可使经分梳辊分梳的纤维脱离分输 辊，进入输纤管而到达纺纱口，完成纤维流的输送。纤维在输纤管中能否良好输 送并进一步伸直，关系到成纱结构及成纱质量的好坏。纤维在输纤管中产生伸直 定向作用的关键是使纤维在输纤管中加速，影响因素主要有输纤管的几何形状及 内部气流环境。 q l o 东 仁人学硕j j 学位论文第一章绪论 ( c ) 纤维的凝聚、剥取和加捻 分输辊将纤维分梳成短纤维后，为了满足连续纺纱的要求，就必须将分解后 的纤维重新聚合成连续的须条，并加上一定的捻度。纤维流经输送管输送到纺纱 器后，因纤维的质量轻，在纺纱器离心力或输纤管气流的作用下，凝聚成纤维环 或纤维条，然后由引纱器纱尾引出。同时由纺纱器实现加捻，最后直接卷绕成筒 子纱。对于不同的自由端式新型纺纱来说，凝聚纤维的方式也不同，如转杯纺纱 用纺杯凝聚形成纤维环；摩擦纺纱用尘笼凝聚形成纤维条；而静电纺纱则通过变 压电极产生电场，使纤维电离达到凝聚的目的；管道纺纱用管道气流凝聚纤维。 自由端纺纱成纱的捻回结构不同于传统环锭纱，它可形成实捻或层捻的捻回 结构。实捻加捻的须条呈实芯的近似圆柱形，加捻后纱条中的纤维或单丝大多呈 圆柱形螺旋线，很少有圆锥螺旋线。转杯纱、涡流纱等属于实捻捻回结构。层捻 是指教纤维流的凝聚不是在热捻前，而与加捻同时进行，郎纱尾一边加捻一边凝 聚纤维，凝聚一层加捻一层，先凝聚多加捻，后凝聚少加捻，形成捻度内紧外松 的分层结构，纱中纤维呈圆锥螺旋线的机会很少，摩擦纱、管道纱属层捻结构。 2 非自由端成纱新型纺纱 与自由端成纱所得纱线均获得真捻不同，非自由端成纱可分为真捻成纱和假 捻成纱。传统纺纱，如前面所述的翼锭纺纱、走锭纺纱和环锭纺纱均为非自由端 真捻成纱。两非自由端假捻戍纱均为新型纺纱，熟喷气纺纱、平行纺纱、自捻纺 纱等。根据假捻原理，如对须条实施假捻，最终纱条上的捻回为零。因此，仅通 过假捻是无法成纱的，非自由端假捻成纱需要通过各种各样的方法将假捻转化， 如喷气纺纱是将假捻转化为头端自由纤维对芯纤维的包缠；平行纺纱是利用长丝 对假捻纱芯进行缠绕包缠；而自捻纺纱是利用假捻解捻力矩使2 根纱条自捻成 纱。在这些新型成纱方法中，假捻作为成纱的中间手段，最终通过包缠、自捻等 方法使须条成为具有一定物理机械性能的纱线，同为菲自由端假捻的包缠成纱， 喷气纺纱与平行纺纱的包缠原理也有很大的不同。因此，不同的非自由端纺纱方 法，成纱原理也各不相同，这一点同自由端纺纱不同。 1 3 管道纺纱方法及本课题的研究任务 1 3 1 管道纺纱方法介绍 管道纺纱方法是一种自由端纺纱方法，其原理如图l 一2 。棉条被刺辊打成单 6 东华人学硕j ：学位论文第一章绪论 根纤维后，在吸风的输送作用和沉积作用下，纤维沉积于凝棉槽底端，并由右向 左输送，最后经空心加捻管高速回转带动外表面纤维包缠起来并形成捻度，从加 捻器罩牵引出来的己加捻的纤维束经过张力装置再卷绕在纱筒上即为纱线。 加拈器 凝棉槽 图i - 2 管道纺纱示意图 纺纱过程如下图1 3 所示：该装置有一个壳体，壳体内设有喂棉罗拉2 与分 梳辊1 0 以及与分梳辊相切、引纱方向基本平行的输纤管，输纤管道内壁有平直 的纤维集聚面，集聚面上有管孔与负压气流接通。棉条在喂棉罗拉2 和喂棉钣3 的夹持下由喂棉喇叭口导入，经分梳辊l o 的高速开松将棉条分解成单纤维；在 高压吸风泵的作用下，v 型凝棉槽9 内形成高速的气流运动。纤维运动到凝棉槽 与刺辊的相切处时，在吸风气流及惯性力的作用下进入凝棉槽并沉积在凝棉槽的 底部，在凝聚槽底部凝聚成纤维束，从而形成自由端纱尾。紧接着已凝聚的纤维 束在气流输送及芯丝的牵引作用下进入空心管加捻器8 ，并在高速旋转的加捻管 中被加捻成纱，纱线经过张力器的控制最后被卷绕到纱筒上。待纺纱稳定后，纱 线的捻度传递到v 形凝棉槽内，此时剪断芯丝，该纱尾和分离纤维被吸附在v 留1 - 3 管道纺纱原理图 7 1 ，纺纱器外壳： z ，喂棉罗拉； 3 喂棉板： 4 调整销： 5 ，槽筒： 6 包芯纱： 7 阻捻器； 8 ，加捻器： 9 凝棉槽： l o 。分梳辊 东华人学硕二i j 学位论文第一章绪论 形槽的管孔表面，于是加捻器把捻回加到纱线上，该捻回沿着生头纱传送到凝聚 槽集聚区域，使集聚在那里的纤维结合在生头纱的尾端而形成纱条。当生头纱引 出时，就会连续地输出纱线，纺纱即可连续进行。 管道纺纱的主要特点是： 1 ) 单纤维的运动方向、引纱方向与静止的集聚面基本平行，使纤维凝聚时易于 保持已有的伸直状态，从而提高了成纱中纤维的有效长度，可提高纱的强力 和纺纱速度。 2 ) 由于集聚面与输纤管道是一体的，纤维在加速之前就沉积并与纱尾一起加 捻，使纤维速度的突变减小，有利于纤维保持伸直的状态。 3 ) 输纤管道兼做凝聚作用，使凝聚与加捻分开，有利于采用最合适的加捻器， 而不会受到凝聚要求的限制，易于纺纱速度的提高。 4 ) 由于起凝聚纤维作用的集聚面是固定的，减少了回转机构，有利于简化纺纱 装置的结构。 5 ) 在本装置的引纱相反方向配置芯纱装置，使芯纱平行喂入输纤管道并被分梳 后的纤维包缠，可纺出包芯纱。 1 、3 2 管道纺纱研究情况的回顾 表1 1 研究情况简介 姓名加捻器形式 优化速度缕纱强力 单超 空心管加捻器吸风负压，刺辊转速，凝聚槽结构 2 8 m r a i n 4 8 k g 10 0 m 董青 单喷嘴喷气加喷气压强，吸风负压，喷气加捻器的 4 0 m r a i n 4 8 k g l0 0 m 捻器 结构和位置 空一山管加捻器吸风装置倒置并优化工艺参数和凝聚 2 8 r n r n i n 4 8 k g 10 0 m 槽结构 何子琼 单喷嘴喷气加吸风装置倒置并优化工艺参数 4 0 m r a i n 4 8 k g 10 0 m 捻器 组合式喷气加吸风装置倒置并优化工艺参数 2 8 m r a i n 4 8 k e ：, l0 0 m 捻器 孙志宏 三轴摩擦盘加 管道纺包芯纱2 8 m ，m i n 4 8 k g , 10 0 m 捻器 周宋兵 恢复空心管加捻器式管道纺纱器 自从单超第一次将管道纺纱单锭试验机搭建起来，先后5 位研究生相继对管 道纺纱进行了研究，他们对管道纺纱机的结构参数、工艺参数、及加捻形式进行 了优化和选择，并管道纺1 0 0 纯棉纱的结构进行了分析，使管道纺纱理论逐步 8 东华大学硕上学位论文 第一章绪论 完善。上表1 1 是研究情况简介。 1 3 3 本课题的研究内容 本项目拟采用试验分析和理论研究相结合的方法。 理论研究部分包括：用理论力学方法对空心管模型内气流作用下的纱线运动 进行受力分析；用计算流体力学( c f d ) 方法，并利用其相应软件( f l u e n t ) 对凝棉槽以及空心加捻管内气流进行流体力学分析。 实验研究部分是在上一届研究生搭建的实验台上进行进一步的实验与分析。 1 ) 研究分梳辊转速对纤维的分梳效果和纤维的转移状态的影响； 2 ) 通过实验观察分析凝棉槽内负压大小及气流分布对纤维的输送效果和对纤维 的伸直作用；从而重新优化凝棉槽的结构参数及吸风负压大小； 3 ) 在实验的基础上研究凝棉槽与加捻器的合理相对位置及它们的结构对纺纱效 果的影响。 4 ) 在高倍显微镜下观察成纱条干中纤维伸直情况，用哈式切片方法通过扫描电 镜观察成纱横截面的结构。 5 ) 建立数学模型，用回归分析方法及其软件( s p s s ) 对实验数据进行处理，得 出模型解，然后用数学分析方法m a t l a b 编程得出模型最优解。 完成以上研究后，得出管道纺纱的关键工艺和工艺元件的设计要点。然后重 新优化设计管道纺单锭实验样机，探索管道纺纱装置的合理结构。 9 东华人学硕士学位论文第二章管道纺纱成纱机理的研究 第二章管道纺纱成纱机理的研究 科学技术的发展为纺织工业带来了巨大的变革。随着空气动力学等理论的不 断完善，在纤维、纱线形成纺织品的工艺中，如喷丝、纺纱准备中的纤维输送、 纺纱工艺、纤维变形工艺、织造工艺以及辅助工艺中的除尘、冷却等方面，气流 的应用越来越广泛。尤其高速气流的应用，为许多新工艺的产生奠定了基础。 2 1 管道纺纱的理论依据 1 纤维凝聚和加捻分开 k a m p 和l a w r e n c e 曾分别提出两种新的自由端纺纱方法。在k a m p 的纺纱系 统中，由分梳辊分离的纤维经输纤管道输送，被送入与输纤管道相垂直的直形槽 内，被槽内通孔的吸风吸附而凝聚在槽内，再由加捻器加捻成纱。这种方法与摩 擦纺相类似。纤维从输纤管道出来以后仍以很高的速度垂直冲入直槽，使已经伸 直的纤维立即变得弯曲，减小了成纱中纤维的有效长度。在l a w r e n c e 的碟盘纺 纱系统中，由分梳辊分离的纤维不经过输纤管道而直接送入紧靠的，回转的碟盘 圆周表面的v 形槽内，被槽内通孔的吸风吸附而凝聚，再由加捻器加捻成纱。 其每个纺纱装置都要配一个结构复杂的回转碟盘及其传动系统。所以结构比较复 杂。但是，这两种方法都将凝聚和加捻分开，有利于采用最合适加捻形式，而不 受凝聚要求的限制，这是可取的。 2 纤维输送和凝聚合一 王千管 图2 - 1 纤维剥离情况 根据对纤维从分梳辊上分离后运动情况【2 1 的观察分析( 如图2 1 ) ，发现分梳 1 0 东华人学硕 ：学位论文第二帝管道纺纱成纱机理的研究 后的纤维都以弯钩的形式挂在分梳辊的针刺上，被它们所牵引。当这些纤维到达 输纤管道的入口时，会产生两种不同的运动： ( 1 ) 纤维比壳体缺口a b 短( 见图2 1 ( a ) ) 短纤维的前端在到达管口之前，其尾端已脱离分梳壳体，在离心力的作用下 飞离分梳辊表面，从而产生的合力使纤维前弯钩滑脱分梳辊上的针刺。该滑脱的 前端立即受输纤管道管口的吸风作用，被吸入管道。其运动过程如图2 1 ( a ) l 至5 所示；当纤维进入管道后，由于管道里的气流速度比管外的高，造成前后端 速度不同，其速差使纤维伸直。如果管道呈锥形，即入口面积大于出口面积。在 管道里也有一定的速差，使纤维在输送过程中继续伸直，并把伸直形态保持下来。 ( 2 ) 纤维比壳体缺口a b 长( 见图2 - 1 ( b ) ) 在这种情况下，长纤维的前端到达输纤管道入口时，其尾端还没有脱离分梳 壳体。如果前弯钩与针刺之间的摩擦力比较大，经过管口时并未能滑脱，它会继 续被针刺所牵引又进入分梳壳体里。随后，其尾端会抵达缺口，脱离分梳壳体， 在离心力的作用下飞离分梳辊表面。这个自由的纤维尾端很快被输纤管道管口的 吸风气流引至管口，并被加速吸入管道。其形态如图2 一l ( b ) 1 至5 所示；此时， 纤维的后端受气流的作用，前端受针刺的作用，中间受管口的作用，使纤维的两 个部分分别伸直。待伸直后，由于气流的吸力大于针刺与纤维间的摩擦力，立刻 会克服纤维前端的阻力和管口的摩擦阻力，将纤维抽出，与针刺滑脱。这样，在 它整个纤维长度都被吸入输纤管道的过程中，该长纤维会被伸直并在飞行过程中 保持伸直的形态。此时，原来纤维尾端成了前端。前端成了尾端。 因此，无论是哪一种形式，纤维经过这一转移过程都会被基本伸直地进入输 纤管道，并在飞行过程中保持伸直的形态。特别是扁平矩形截面的管道更有利于 达到这一效果。所以管道纺纱的凝棉槽用的就是口端扁平的v 型槽，其中扁平口 有利于剥棉，而v 型槽有利于凝棉。 2 2 空心管加捻器加捻原理 过去的研究中分别用到空心管加捻器、单喷嘴喷气加捻器、组合式喷气加捻 器以及三轴摩擦盘加捻器。综合分析上述加捻器的加捻纺纱效果，空心加捻管式 加捻器加捻效果较好，本课题酋选空心管加捻器。 管道纺纱的加捻原理属于自由端加捻。从自由端加捻要求来看，在加捻过程 东华人学硕1 ：学位论文第二二章管道纺纱成纱机理的研究 中，必须形成一个自由端，同时使须条的另一端固定，允许有轴向的引纱运动， 但没有绕轴向的回转运动；而自由端须条则由加捻器握持，并随加捻器同向回转。 从而自由端须条截面与固定须条截面发生了相对角位移，使两截面间的纱条产生 扭转变形而获得真捻。这是自由端的理想情况。如果自由端也被握持，即自由端 的转速n = o ，则整个加捻过程相当于传统环锭纺纱中的连续假捻，在两握持点间 的纱条上有捻度，而在最后产品上没有捻度。 b 拳磁况攀鬃褥h 菘磁磁葱缎 l 乎弦弦冱z 弦z 雹z 霹卜年笾茏冱冱煮菱夏艺l 云 ，7 7 _ 7 刀7 青7 忉一 、n 。；手e 弓手f = 一 图2 - 2 纱尾捻度分析 在管道纺纱中，加捻发生在自由端须条之后。如果自由端须条各截面的转速 都等于加捻握持点须条的转速n ，则符合自由端加捻的理想情况。但是，由于此 时自由端须条各截蕊没有相对角位移，纤维相互平行，纤维之闻没有抱合，自由 端须条没有强力，不能承受外力，因此不能纺纱。而实际上，管道纺纱自由端须 条直接处于流场中，且具有一定的长度，在它形成和被加捻过程中，必然受到各 种外力。例如空气阻力，气流作用力，单纤维向自由端须条上凝聚时给予它的冲 量和冲量矩，自由端须条回转时的惯性力矩等。在这些阻力的影响作用下，自由 端须条并不充分自由。因此，当加捻管握持须条高速回转时，上述这些阻力形成 一个阻力矩使自由端须条的转速低于加捻握持点处须条的转速，并使自由端须条 发生扭转变形，而这个扭转变形螺旋角方向恰与成纱的螺旋角方向相反，因此称 为假捻。自由端须条上韵假捻起着抱合纤维的作用，使之具有一定的强力，也有 助于自由端须条被气流场伸直、排列和凝聚单纤维。从这个定义上讲，自由端须 条内的假捻对于纺纱过程的连续进行乃是必要的。 但是自由端须条内的假捻也有不利的一面，由于在最后成纱中，这部分假捻 必然要抵消一部分真捻，从而导致成纱捻度和加捻效率的降低。 在加捻过程中，加捻管对须条的握持是依靠加捻管与须条之间的摩擦形成 的，属于非积极式握持，因此这个握持也并非完全牢固的。换言之，空心管加捻 器中的须条与管壁间总存在着一定的滑溜，它也要影响加捻效率。 总而言之，管道纺纱加捻过程实际上介于理想的自由端和连续假捻这两种情 况之间，是一个非充分自由的自由端加捻过程。因而其整个加捻过程可视为自由 东$ 大￥坝十学位论r第= 管道纺纱纱机理的究 端假捻和真捻两个加捻过程的复合，而最终的成纱捻度则为这两个加捻过程所得 捻度的代数迭加。管道纺纱成纱方式和加捻器对须条的握持方式决定了管道纺纱 的成纱结构，加捻效率和成纱的机械物理性质。 23 纺纱装置介绍 目23 为纺纱器实物照片： 幽23 管道纺纱器实物照片 整机传动系统及控制电路介绍 l 整机传动系统介绍 本装置传动系统应满足如下要求： a ) 在能满足各机构设计转速外，还应有足够大的调整空间。以便于将来的 调试和参数优化： b ) 电机低速性能要好； c ) 鼓风机负压和抽气速率可调，能满足调试方便和不同纺纱速率的要求。 本实验机的喂棉、梳棉、加捻及卷绕机构各用一个直流电机传动，每个电 机配置一台调压器来调节电枢端的输入电压，从而能实现5 0 3 0 0 0 r p m 无级调 速。 以下为整机传动系统简图( 图2 4 ) ： ； 昌譬瀵 - 姆萨 薹穗绋 东华人学硕1 ：学位论文 第二章管道纺纱成纱机理的研究 1 变频器；2 鼓风机；3 喂棉电机；4 减速器；5 纺纱器；6 梳棉电机； 7 传动平带；8 卷绕电机；9 加标电机；1 0 纱筒；11 张力盘，i1 2 导纱钩 图2 4 整机传动系统简图 电机3 ，6 ，8 ，9 分别完成喂棉、梳棉、卷绕、加捻的功能。因为喂棉罗拉 转速很慢，喂棉电机用涡轮蜗杆减速器4 减速；为了保证抽气速率可调节，在实 验时还专门配有一台变频器来调节鼓风机抽气量。由于变频器比较昂贵，在实际 应用中用交频器来调节不大经济。但是变频器调速方便平稳，并且噪声小是无可 非议的。气路中的气流大小用皮托管测量得出。 2 控制电路介绍 各元件介绍如下： 1 ) m o t o r ( 1 4 ) ：加捻马达，分梳马达，卷绕马达，喂棉马达 2 ) b 1 b 5 ：整流芯片 3 ) c 1 c 5 ：电解电容 4 ) t 1 t 5 ：可调变压器 5 ) s w i t c h l s w 工t c h 4 ： 点动开关 6 ) s i 可i t c h ( 1 2 ) ：拨动开关，控制m o t o r ( 1 2 ) 1 4 东7 产人学硕i j 学位论文 第一芾管道纺纱成纱机理的研究 7 ) s w i t c h ( 3 , - - 一4 ) ：拨动丌关，控制m o t o r ( 3 - - - , t ) 8 ) s 1 ，s 2 ： 直流电机电枢极 9 ) t 1 ，t 2 ： 直流电机励磁极 t 5 1 10 s w i t c h ( 1 2 ) s w i t c h ( 3 - 4 ) s w i t c h l s w i t c h 眨i 5 w i t c i , 1 3 l s w i t f 飞一t f 、t 4 a c l n p u t + c l e 厂厂弓3iib 4 + c 3 c h 4 1 0 0 0 u f + c 5 t l s ：v - h o t 0 禽 t s ：、ot ： m d t o r ： t s 二、一下 d 1 0 r 善 t s - 、一- m d t d r l 图2 5 电路控制原理图 如图2 - 5 ，马达均为直流马达，额定电压u = 1l o v ，额定功率p = 3 5 0 w ；调 压器( t 1 - t 4 ) 可以分别调节对应马达m o t o r i - m o t o r 4 的电枢极电压，从而调 节马达的转速；点动开关( s w i t c h l s w i t c h 4 ) 分别点动控制相应四个直流马达， 而当拨动开关s w i t c h ( 1 2 ) 合上时。m o t o r l 及m o t o r 2 接通运转：当拨动开关 s w i t c h ( 3 - , - - 4 ) 合上时，m o 丁脉3 及m o t o r 4 接通运转，鼓风机型号为h b 一3 2 9 ，变频 器型号f r e n i c5 0 0 0 g 9 s 。 图2 6 为纺纱机整机照片： 1 5 东* 大学碰： 学位论文g = 章管道绋纱纱目l $ 的究 图2 6 管道纺纱机系统 东o # 大学硕i j 学位论文第三章管道纺包芯纱的研究 第三章管道纺包芯纱的研究 包芯纱又称复合纱或包覆纱，它是由两种或两种以上的纤维组合而成的一 种新型纱线。最初的包芯纱是以棉纤维为皮、涤纶短纤纱为芯开发的短纤维与短 纤维包芯纱。其主要目的是为了增强棉帆布，并保持棉纤维遇水膨胀而具有的拒 水性，利用涤纶在雨中受潮时具有抗拉伸性、抗撕裂性和抗收缩性。现阶段的包 芯纱已发展到许多种类型，归纳起来有：短纤维与短纤维包芯纱、化纤长丝与短 纤维包芯纱、化纤长丝与化纤长丝包芯纱三大类。目前使较多的包芯纱一般是以 化纤长丝为芯纱，外包各种短纤维而形成的一种独特结构的包芯纱。它的芯纱常 用的化纤长丝有涤纶长丝、锦纶长丝、氨纶长丝等。外包短纤维有棉、涤棉、涤 纶、锦纶、腈纶及毛纤维等。包芯纱除了具有特殊的结构以外，还有很多优点， 它可以利用芯纱化纤长丝优良的物理性能和外包短纤维的性能和表面特征，充分 发挥两种纤维的特长并弥补它们的不足。包芯纱还能在保持和改进织物性能的同 时，减轻织物的重量，以及利用化纤长丝和外包纤维的不同化学性能，在织物染 整加工时，用化学药品烂去一部分外包纤维，制成具有立体花纹效应的烂花织物 等。包芯纱的用途，目前以棉为皮、涤纶为芯的包芯纱用途最广，可用于生产学 生服、工作服、衬衣、浴衣面料、裙子面料、被单和装饰布等。根据包芯纱用途 不同，目前包芯纱的品种主要有：服装面料用的包芯纱、弹力织物用的包芯纱、 装饰织物用的包芯纱、缝纫线用的包芯纱等。包芯纱的纺制方法也有多种：有环 锭纺，静电纺，涡流纺，自捻纺等。目前我国棉纺工业多采用棉环锭纺来纺制包 芯纱。 3 1 管道纺包芯纱实验装置及纺纱过程 图3 1 是管道纺包芯纱的装置图，芯丝1 1 从芯丝筒1 0 上退绕下来后，经过 芯丝张力盘1 2 和凝棉槽盖9 上的导丝孔进入纺纱管道内：由于纺纱管道内凝棉 槽底部吸风负压的作用，芯丝和进入这里已经分梳的棉纤维一起沉积到凝棉槽底 部；由于假捻作用，芯丝和棉纤维凝聚到一起输出；通过加捻器8 后获得真捻， 形成包芯纱6 ，然后经过一导纱装置卷绕到槽筒5 上。 1 7 东 # 人学顺i ：学位论文第三奇管道纺包芯纱的究 1 纺纱器外壳；2 喂棉罗拉：3 喂棉板：4 调整销；5 惜简；6 包：卷纱；7 阻 捻器；8 加捻器；9 凝棉槽jl o 芯丝筒；1 1 芯丝；1 2 张力盘；1 3 小刺辊 图3 - 1 管道纺包芯纱装置原理简图 按照上述方法，在管道纺纱实验机上进行了纺包芯纱的实验。 管道纺包芯纱工艺参数如表3 - 1 ，其纺纱过程是一个假捻过程。对于芯丝来 说，其一端由槽筒5 夹持，另一端由芯丝张力盘1 2 握持，所以加捻器施加于它 的捻回是假捻。即芯丝在加捻前、后所获得的捻回数相等，方向相反。假设加捻 器后的捻回为z 向，则加捻器前的芯丝，即凝棉槽内的芯丝将获得方向相反同样 数目的s 捻回数，它们有把沉积于芯丝周围的棉纤维捻合到自身周围的倾向。如 果棉纤维是完全自由的，则它们会获得与芯丝同样的捻回，这样，通过加捻后， 这些捻回就和真捻完全抵消，而纺不出包芯纱。但事实并非如此，棉纤维在凝棉 槽内不仅受到吸风负压作用，同时还受到凝棉槽底部的摩擦力作用，所以不是完 全自由的，这就阻止了棉纤维与芯丝的捻合。又因为芯丝始终处在加捻器的加捻 作用下而具有恒定的捻度，但棉纤维则是不断更新的，旧的棉纤维捻合到芯丝上 被带走，而新的棉纤维相继补充进去，所以外层纤维的捻度总是少于芯丝的捻度。 也就是说，进入加捻器前的“包芯纱”具有s 向捻回数少于z 向捻回数，当包芯 纱通过加捻器后，包覆层纤维的s 向捻度抵消了部分真捻，而剩下的z 向捻度将 棉纤维包缠到芯丝上