（机械设计及理论专业论文）射流引纬气流特性及纬纱牵引力分析.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 喷气引纬是借助于喷嘴高速气流的推力作用，使纬纱在气流场的输送作用下 飞越梭口。而射流的形成、流动及其与纱线间作用关系的研究是其中的关键，因 此如何建立起符合高速射流及纤维纱线特征的数学模型，采用合适的数值计算方 法，对所建立模型进行数值模拟并验证测试，已成为一个亟待解决的重要课题。 本论文基于射流引纬系统建立数学模型及实验测试研究方面开展了如下工作： ( 1 ) 基于流体力学、湍流理论、牛顿运动定律，将整个喷气引纬工艺过程 看作为一维、定常、绝热、管流、有摩擦系统；将具有特征参数的纱线视为刚体， 进行数学建模，基于m a t l a b 软件平台以及测试实验数据建立起射流引纬主喷嘴 流场速度分布和纬纱牵引力的数学模型。 ( 2 ) 利用具有微小传感器探头的c y g 系列压力传感器和n i 公司的 p c i 6 2 5 1 数据采集卡等实验测试装备对t s u d a k o m a ( 滓罔驹) ，t o y o t a ( 丰田) 两种主 喷嘴，三种辅助喷嘴，四种具有特征参数的纱线，进行实验测试和数据的采集， 分析。 ( 3 ) 对于纬纱牵引力的测试，通过在不同供气压力下测试四种具有特征参 数的纬纱，对实验数据与理论值进行误差分析，结果发现当供气压力大于o 4 m p a 时，只会引起气流密度的增加，气流速度达到饱和；随着气流速度的增加，c ，值 变小，此时相对于理论取到的c ，偏大，测试数值有背离理论值偏小的趋势，同 时喷嘴口径、纬纱直径、摩擦系数是影响纬纱牵引力的主要因素。 ( 4 ) 通过测试两种主喷嘴，三种辅助喷嘴的中心气流速度的衰减情况，发 现中心气流压力随喷射距离的增加而迅速下降，当距离超过7 0 m m 时衰减趋势变 缓，在供气压力为0 2 m p a - 0 4 m p a 的范围内最大的衰减峰值在距离喷口 4 0 m m 6 0 m m 的范围内。 ( 5 ) 实验通过对三种型号的辅助喷嘴的实验测试，找到合理的喷射角、喷 向角，以及供气压力与流量的关系。通过对三种喷嘴的测试，发现当供气压力小 于0 3 5 m p a 时，1 9 孔喷嘴的能耗最大，其次是单孔喷嘴，能耗最小的为等径双 孔型喷嘴。 v 浙江理工大学硕士学位论文 关键词：喷气织机；纬纱牵引力；主喷嘴；辅助喷嘴；射流 v 浙江理工大学硕士学位论文 t h et e s ta n da n a l y s i so fn o z z l e sc h a r a c t e r i s t i ca n da i r - j e t l o o m sm a i nn o z z l e sy a r nf o r c e a b s t r a c t w e f ti su s i n gh i g h - s p e e da i rj e tn o z z l et h r u s t ，a l l o w i n gt h ec a r r i e ru n d e rt h e w e f ti na i r f l o wo v e rt h es h e d t h ej e t sf o r m a t i o n ，f l o wa n di n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e y a r n si st h ek e yt ot h er e s e a r c h s oh o w t ob u i l dj e tw i t hh i g h - s p e e df i b e ry a ma n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l ，u s i n ga p p r o p r i a t en u m e r i c a lm e t h o d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h em o d e le s t a b l i s h e db yt e s t i n ga n dc e r t i f i c a t i o n ，i th a sb e c o m ea l li m p o r t a n ta n d u r g e n tt a s k i nt h i sp a p e r , b a s e do nam a t h e m a t i c a lm o d e j e tw e f ti n s e r t i o ns y s t e m r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a lw o r kc a r r i e do u ta sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nf l u i dm e c h a n i c s ，t u r b u l e n c et h e o r y , n e w t o n 。sl a w , t h ew h o l e p r o c e s sa st h ew e f ti n s e r t i o no faj e t d i m e n s i o n a l ，u n s t e a d y i n s u l a t i o n ，p i p en o w ，a n d f r i c t i o n ；t h ey a r nw i l lh a v ea sr i g i dp a r a m e t e r s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，m a t l a b s o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t aa n dt e s t st oe s t a b l i s ht h em a i nj e tn o z z l e i n s e r t i o nf l o wv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dt r a c t i o nw e f tm a t h e m a t i c a lm o d e l ( 2 ) i nt h ee x p e l i m e n t a lp a r t ，t h el l s eh a st h ec y gs e r i e sp r e s s u r et r a n s m i t t e r a n dn 1w h i c ht h es m a l ls e n s o rp o k e sh e a di nc o r p o r a t i o n sp c i 一6 2 51d a t aa c q u i s i t i o n c a r dt ot w ok i n do ft s u d a k o m aa n dt o y o t am a i nn o z z l e s ，t h r e ek i n do fs u bn o z z l e s ， f o u rk i n do fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sy a r n sc a r r i e so nt h ee x p e r i m e n t a lt e s ta n dd a t a g a t h e r i n g ，t h ew o r k c o n t e n ta sf o l l o w s ： ( 3 ) r e g a r d i n gt h ew e f tf o r c eo ft r a c t i o nt e s t ，t h ee x p e r i m e n tu s e su n d e rt h e d i f f e r e n ta i rf e e dp r e s s u r et e s t sf o u rk i n d st oh a v et h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rt h ew e f t ， t h r o u g hc a r r i e so nt h ee r r o ra n a l y s i st ot h ee m p i r i c a ld a t u ma n dt h et h e o r yv a l u e ，t h e e x p e r i m e n ts e n d sw h e nt h ea i rf e e dp r e s s u r ei sb i g g e rt h a no 4 m p a ，o n l yc a n c a u s e t h ea i rc u r r e n td e n s i t yi n c r e a s e ，t h es t r e a mv e l o c i t ya c h i e v e ss a t u r a t e d ，s i m u l t a n e o u s l y t h es p r a yn o z z l ec a l i b e r , t h ew e f td i a m e t e r ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ta r ea f f e c t st h ew e f t f o r c eo ft r a c t i o nt h ep r i m a r y f a c t o r ( 4 ) t h ee x p e r i m e n tt h r o u g ht e s t st w ok i n do fm a i nn o z z l e s ，t h r e ek i n d o f a u x i l i a r ys p r a y n o z z l e sc e n t e rs t r e a mv e l o c i t i e sw e a k e ns i t u a t i o n ，d i s c o v e r e dt h e v i 浙江理工大学硕士学位论文 c e n t e rg a sp r e s s u r ea l o n gw i t hs p r a y st h ed i s t a n c et h ei n c r e a s eb u tr a p i d l yt o d r o p ， w h e nt h ed i s t a n c es u r p a s s e s7 0 m mt h ew e a k e nt e n d e n c yc h a n g e ss l o w ，i nt h ea i rf e e d p r e s s u r ei si nt h eo 2 m p a 一0 4 m p as c o p et h eb i g g e s tw e a k e np e a kv a l u ei ni sa w a y f r o mn o z z l e4 0 m m 一6 0 m mi nt h es c o p e ( 5 ) t h ee x p e r i m e n tt h r o u g hc a r r i e so nt h et e s tt ot h r e ek i n do fm o d e l ss u b n o z z l e s t h r o u g ht ot h r e ek i n do fs u bn o z z l e st e s t s d i s c o v e r e da l o n g 、v i t ht h ea i rf e e d p r e s s u r ei n c r e a s e ，s i n g l ea s s i s t st h es p r a yn o z z l e ，a n ds oo nt h ed i a m e t e rd o u b l ea s s i s t s t h es u bn o z z l et h ea n g l et oh a v er e d u c e dt h et e n d e n c y ，1 9a s s i s t a n c e ss p r a yn o z z l e s h a v et h ei n c r e a s et h et e n d e n c y ，b u th a st h ei n c r e a s er e g a r d i n g19s u bn o z z l e sa n g l e s t h et e n d e n c y w h e nt h ea i rf e e dp r e s s u r ei ss m a l l e rt h a no 3 5 m p a 1 9s u bn o z z l e s e n e r g yc o n s u m p t i o nb i g g e s t ，t h en e x ti st h es u bn o z z l e ，a n ds oo nt h ed i a m e t e rd o u b l e s u bn o z z l ew h i c ht h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni st h es m a l l e s t k e yw o r d s ：a i r - j e tl o o m s ；a i r j e tf o r c e ；m a i nn o z z l e ；s u bn o z z l e ；a i r j e t v i i 浙江理工大学硕士学位论文 浙江理工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。 a 队 砂日 乒h o 下月 名7 签f 储少 史论 ： 位期学同 浙江理：【大学硕士学位论文 浙江理工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。 本人授权浙江理工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d ，在年解密后适应本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 指导教师签名：洗毅 日期：衫年阳z 8 日 浓 瓣 蝣少 # 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 喷气织机的发展历史及应用现状 织机的作用是使经纱、纬纱按一定组织规律形成织物。在织机上织成织物， 必须具备经纱上下运动的开口机构、把纬纱引入梭口的引纬机构、把纬纱推向织 口的打纬机构、把织物引离织口的卷取机构、把经纱送入工作区的送经机构五种 机构。此外，为了传动各个部件，织机上还装有传动、启动、制动和控制等装置， 这一切构成织机的机械运动。 织机的类型很多，按纬纱的供给方式分为：有梭织机和无梭织机，喷气织机、 喷水织机、剑杆织机都属于无梭织机，其中喷气织机如图1 1 所示 图1 1 律田驹z a x 9 1 0 0 型喷气织机 由于无法消除有梭织机梭子引纬方式所固有的缺陷，引纬速度的提高也受到 限制，而且在降低噪音方面也存在着许多难以克服的困难。因而，人们不断地探 索新的引纬方式，力求在制造技术中取得新的突破。在寻求新型引纬方式过程中， 喷射引纬理论成了世人注视的焦点。1 9 4 7 年瑞士m a x b o 公司研制成喷气织机，其 实喷气引纬原理早在1 9 1 4 年就由j b r o o k o 请了专利，1 9 2 9 年，e h b e l l o u 发明了 喷嘴引纬，获得了专利，他对以后m a x p a a b o 设计的喷气织机产生了影响，但喷 气引纬技术的若干重大突破发生在一批专利逐步进入实用阶段后，它们包括捷克 的组合管道片、荷兰的t e s t r a k e 辅助喷嘴和美国的b a l l o w 异型筘等，单孔辅助喷 嘴如图1 2 所示，异形筘结构如图1 3 所示。 浙江理入学项十学位论文 图1 2 津田驹辅助喷嘴图1 3 异型筘结构图 喷气织机与早期的片梭织机技术相互渗透，促进了喷气织机的发展。1 9 5 3 年，瑞士苏尔寿公司成功地生产出了第一台片梭织机，与此同时，喷气织机也投 入了使用。但是，当时喷气织机的产品质量、品种适应性以及气流引导技术、引 纬稳定性等方面还落后于片梭织机。 随着空气动力学理论的发展，防止喷射气流扩散的研究以及飞行稳定性的提 高，喷气织机也取得了进展。为了提高纬纱飞行的稳定性，出现了多种气流控制 方式，其中包括：瑞士鲁蒂公司t e s t r a k e 研究成功的主、副喷嘴与异性扣相结 合的引纬方式；捷克因维斯塔生产的辅助喷嘴与管导片引导空气相结合的引纬方 式。这些气流控制方式的采用，丌拓了喷气织机发展的新阶段【lj 。 自从2 0 世纪3 0 年代起，喷气引纬的研究工作即已开始，直至1 j 1 9 4 9 年捷克斯洛 伐克首先制成t p 4 5 型喷气织机，1 9 5 2 年瑞典生产出m a x b o 型喷气织机，1 9 5 6 年 采用组合式管道片抑制气流扩散，使喷气引纬的发展进入一个新的阶段。为了加 大幅宽，使织机在低速运转的条件下，达到高产的目的，带有多喷嘴或接力辅助 喷嘴的喷气织机随即问世。 1 9 7 1 年、1 9 7 5 年国际纺织机械展览会先后展出了捷克的因维斯塔和瑞士的鲁 蒂公司等制造的喷气织机。随后，纺织机械厂竞相研究生产喷气织机。1 9 7 9 年、 1 9 8 3 年因际纺织机械展览会上先后展出t 2 0 多台和5 0 多台各种类型的喷气织机， 标志着2 0 世纪8 0 年代喷气织机己趋于成熟，并进入了大量工业性生产和使用阶 段。 喷气织机的高速、高效、高自动化早已得到了人们的认可，但对其织造品种 的适应性尚认识不足。过去一般都认为喷气织机的品种适应性差，但经过2 0 世纪 后期近2 0 年的发展，喷气织机的适应性在御幅宽度、织物厚度及色织等方面都已 赶上或超过了剑杆织机和片梭织机。 2 浙江理1 一大学硕十学付论文 喷气织机的织造幅宽己从1 9 m 拓帮j j 4 m ，并可实现一机多幅织造，引纬颜色 从单色发展到4 色、6 色，甚至多至1 2 色如图1 4 所示，并可根据织物要求任意变换纬 纱颜色。 图1 4 喷气织机多色织造 在国际市场上喷气织机的技术发展较快，而我国国内的技术主要停留在8 0 年代率先引进的日本津田驹z a 2 0 3 型制造技术和9 0 年代引进的津田驹z a 2 0 5 型、 丰m j a t 6 0 0 型制造技术上，与国外一些著名厂家如：日本t s u d a k o m a ( 津用驹) 公 司、t o y o t a ( 丰田) 公司、意大矛l j p r o m a t e c h 公司、比利时p i c a n o l 公司的技术差距很 大，国内喷气织机主要部件依然依赖进口。据海关统计，2 0 0 2 年大陆进口喷气织 机1 3 3 9 9 台，用汇4 4 l 亿美元，如表1 1 所示，2 0 0 3 年又进口1 5 万台。到目前为止， 依赖进口的势头依然迅猛，掘不完全统计，2 0 0 5 年进口的喷气织机的用汇总额仍 是国产织机的数倍。 表1 1 2 0 0 2 年我国进口喷气织机的主要地区的进口情况【4 省份进口晕( 台)进口额( 亿关元)同比增睦 江苏 5 3 5 41 4 72 7 5 浙江5 2 5 52 0 23 8 6 山东 1 6 0 7o 5 03 1 1 北京 1 1 8 30 4 23 5 6 合计 1 3 3 9 94 4 13 3 2 从引进地区束看，集中在江苏、浙江、山东、河北、河南、陕西、湖北等少 数几个地区，尤以江苏、浙江、山东最多。就喷气织机而言，由表1 1 可知，我国 进口喷气织机的主要地区集中在沿海经济发达地区，妻h 2 0 0 2 年，江苏、浙江、山 浙江理r 大学硕士学位论文 东、北京四省市共进口喷气织机1 3 4 万台，占总进口量的8 9 5 5 ，进口金额4 4 1 亿美元，占总金额的8 8 8 0 。进口喷气织机的第一阵营是江苏和浙江，第二阵营 山东、北京和福建、广东的数量只有江浙的2 0 一3 0 ，仅2 0 0 2 年初，江苏盛泽地 区1 6 家私营企业采取集中订购方式，用2 2 亿元人民币从日本丰田公司购得9 7 8 台 喷气织机( 2 2 5 万元台) ，揭开l q 本丰田公司靠价格优势强力展开市场竞争的序 幕。江苏有近半数进口喷气织机集中在吴江地区，吴江地区又以同本丰田公司产 品为主：浙江进口喷气织机集中在萧山和绍兴地区，以p i c a n o l 公司产品为主：山 东进口喷气织机以日本津田驹公司产品为主。 1 2 喷气射流引纬技术在国内外的研究现状 科学技术的进步为纺织工业带来了巨大的变革，特别是随着纺织技术向高速 高效的不懈发展，射流技术在纺织新工艺中的应用越来越广。尤其是高速射流的 应用，为许多新工艺的产生奠定了基础。这些新工艺包括：转杯纺、喷气纺、涡 流纺和摩擦纺；空气变形和空气捻接：喷水织机、喷气织机；水刺成网非织造工 艺；先进的纤维纬纱检测仪器等。而其中射流的形成、流动及其与纤维纱线间的 作用关系的研究是其中的关键，因此如何建立起符合高速射流及纤维纱线特征的 数学模型，采用合适的数值计算方法，对所建立模型进行数值模拟计算，在此基 础上优化甚至提出新的纺织工艺，设计丌发出新型纺织机械，已成为国内外研究 领域一个亟待解决的重要课题。 1 2 1 关于主喷嘴射流形成及流场分布的研究 主喷嘴气流的流动性质这一概念主要是基于主喷嘴、辅助喷嘴，辅以异型筘 引纬方式在引纬过程中使纬纱加速到一定的速度而提出的。对目前主喷嘴的设汁 而言，应尽量使得喷嘴内部的气流稳定( 即层流化) ，气流速度能够稳定地增加 到音速。由于国产喷嘴技术性能和使用性能均落后于国外产品，无法取代进口， 故喷嘴的研制一直是制约国内喷气织机技术水平提高的难题之一。 早期的研究工作集中在喷气织机引纬系统的数掘自动化采集以及气流、纱线 速度的测试方面。a d a n u r 和m o h a m e d l 2 1 利用一个喷气织机射流引纬过程中的自动 化数据采集模型，初步实现了喷气织机引纬工艺的模拟，实验平台的主要部分是 一个主喷嘴和一个长的导气管，他们利用喷气织机仿真模型、数据采集系统，计 算机界面测量系统，描述了引纬时间、气流速度、纱线速度以及气流压力等工艺 浙江理：大学硕士学位论文 参数。这种测试结构作为主喷嘴外部气流特性的研究效果较好，其他的研究者3 】 基于流体力学、管流摩擦理论、湍流理论等理论模型，通过将引纬工艺过程看作 等熵绝热过程、等压等容过程进行分析。实验数据与流场分布理论模型都能较好 地吻合。 在国内，整套成型测试实验台的搭建起步较晚，由于待测的喷嘴口径比较小， 直接用探头测试很容易干扰喷嘴内部流场的分布，大多数实验通过遵循比例模型 与原型的马赫数或雷诺数相似的原则，来对比例模型的主喷嘴内部作相关的仿真 测试，结果发现，这种结合激光多普勒测试仪进行的模型测试基本能够模拟真实 的流场分布情况 4 1 。 s a l a m a 平h a d a n u r p l 等人从探究气流对引纬性能改进的思路入手，气流对纱线 作用的本质出发，描述了纱线在引纬过程中的理论运动公式，得出纱线速度和气 流速度的在引纬时间范围内的关系曲线，国内研究者曾利用激光多普勒测试系统 通过改变喷孔处的供气压力、流量以及由此产生的轴向、径向速度分布，进行了 详细的测试工作，所得到的结论与s a l a m a 等人是一致的。即：供气压力决定气流 速度，进而决定纱线速度，气流速度达到音速后进入饱和状念，气流对不同纱线 的牵引力随着气流达到临界速度的增加而增加。 o x e n h a m 和b a s u t 6 1 对主喷嘴的喷孔倾角，喷嘴孑l 径、喷孔位置等设计参数作 为改进引纬性能研究的对象，目的在于解决纯棉纱的纱线强力低的问题，实验结 果发现，适当增大喷孔的倾角，可以改进成纱效果。随后，一些实验从理论仿真 的基础上正面解释了正确选择喷孑l 倾角的问题，当选择小倾角时，喷嘴内两壁侧 的轴向速度大，中心轴向速度小，随着远离喷孔位置而趋于稳定，这时在喷孔入 口处产生的负压也大，容易吸附纬纱，有利于引纬，但角度太小也容易使纬纱和 内壁产生摩擦，消耗能量。当选择大倾角的时，两壁侧的轴向速度小，中心轴向 速度大，产生的负压小，实验表明选择4 5 。的喷孔倾角是合理的。随后国内的研 究人员通过建立七一占湍流模型进行数值计算川模拟出主喷嘴内的流道气流的结 构特性、速度、静压特性，得出的结果与o x e n h a m 君i b a s u 是一致的，同日寸也验证 了该数学理论模型建立的正确性。 浙江理j 一大学硕十学位论文 1 2 2 关于辅助喷嘴及合成气流的研究 在喷气织机引纬过程中，主喷嘴喷射的气流，牵引纬纱并克服所受的各种阻 力，使纬纱从储纬器上退绕下来，加速并穿过主喷嘴，达到一定程度进入梭口飞 行，辅助喷嘴的气流，使纬纱在梭口中的飞行处于伸直状态，控制纬纱头端的飘 动幅度，如图1 5 所示为在高速摄像机拍摄下的纱线头端飘动，距离喷嘴越远时 纬纱的振动幅度越大，而多级辅助喷嘴接力引纬辅以异型筘的结构将改善纬纱头 端飘动情况。 喷 嘴 出 口 o2 0 04 0 06 0 08 0 0 m m 图1 5 纬纱飞行状态 由于主喷嘴的喷射效果受到限制，现代织机广泛采用了接力喷嘴辅以异形筘 的引纬方式，辅喷嘴的压力、流速都比主喷嘴要求高，辅喷嘴的作用主要有三个 方面： 幻将纬纱接力输送通过梭口，使得喷气织机的幅宽增加； b ) 利用尾喷嘴来伸直纬纱，提高引纬质量； c ) 辅助喷嘴与主喷嘴共同优化引纬参数，从而达到完善引纬质量与节气、 节能的目的。 对辅助喷嘴的研究主要集中在合理的安装角度和安装距离，由于没有建立比 较完整的理论模型，所以现如今的工作主要围绕实验测试进而总结出经验公式而 展开。 在气流合成领域，由于射流问的碰撞规律很复杂，目前还没有完整的理论体 系，研究者们在涡偶代替射流的基础上，通过在平面上补充复位势和适当强度的 点源，建立起适用于射流引纬的三维结构，提出两射流合成规律i “，该规律提供 了两射流合成的理论依据，从而形成了相对简单的数学模型。实验结果表明：当 6 浙江理：l 二人学硕十学位论文 辅助喷嘴的喷射角口越大，辅助喷嘴的出1 2 1 速度就越大，两喷射气流的合成速度 越大，当辅助喷嘴口径越大时，应适当增加喷射角f g l f ”】。 随后有关的实验表明增加辅助喷嘴射流与主喷嘴的交角可以获得较大的平均速 度，使纱先获得较大的牵引力，但离散系数较大，减小交角有利于纱线稳定飞行， 减小喷嘴间距有利于流场分布均匀。 1 2 3 关于中心射流速度衰减的研究 射流在轴线上最大速度衰减规律，是喷气织机研究者们最感兴趣的问题之 一，速度衰减的快慢直接影响到引纬质量。早期研究者们】【1 2 1 曾对射流轴线上 的速度衰减做过测试，实际的测试曲线与圆形轴对称紊流射流的模型吻合。实际 测试发现主喷嘴的气流压力衰减率存在一个峰值，此峰值约发生在距主喷嘴出口 2 5m m 4 5 r a m 处，应尽量延长主喷嘴气流衰减峰值的距离，使主喷气流尽量多地 射入筘槽内，以减小主喷气流在引纬过程中的能量损失。同时验证了流体力学中 经典的圆射流理论模型适用于流场射流的分析。 1 2 4 关于气流对纱线作用的研究 纱线的速度也是由纱线的结构决定。在主喷嘴内流动的气流，要克服所受的 摩擦阻力，这将消耗气体的能量，也要影响对纬纱的牵引力，因此研究主喷嘴气 流的性质，降低气流通过主喷嘴的能量损失，提高主喷嘴对纬纱的牵引力。 a d a n u r 和m o h a m e d i ”1 利用气流牵引纬纱力的数学公式在不同的工艺条件下 测试不同种纱线的张力，张力的表达式为： 1 f = 二j kc ，沈( 圪一) 2 二 c ，一气流对纬纱的摩擦系数p 一气流密度d 一纬纱直径三一受气流牵引的 纬纱长度圪一平均气流速度一纬纱速度 a d a n u r 等人通过实验发现，影响喷嘴牵引力的因素很多。关于气流对纱线的 研究主要集中在如下几个方面： a 1 主喷嘴内径、喷嘴长度和喷嘴内壁光滑程度。 b ) 供气压力直接影响气流速度和密度，实验m 1 也验证了当气流速度接近音 速时，气流速度随供气压力的增加变化缓慢，而c ，在高速气流中较小，此时牵 7 浙江理t 大学硕十学位论文 引力随供气压力的变化缓慢；当气流速度达到音速后，供气压力的增加引起气流 密度的增加，主喷嘴的牵引力又进一步地增加。 c ) 纬纱直径、纬纱速度和c ，。由于纬纱几何结构是不规律、弹性的，因此 用它来描述纬纱运动规律相当复杂j ，c ，不仅仅与纱线有关还与气流速度有关。 气流速度越大，c ，越小，气流速度越小，c ，越大。 a d a n u r 和m o h a m e d 同时也发现喷气纺纱在纯棉织物纤维上的应用受到了纤 维强力低的限制，主要是由于纬纱的缠绕不充分所导致，他们通过实验发现这些 不足能够通过修正喷嘴的设计参数而适当改进。 1 3 喷气织机引纬技术的发展展望 喷气织机之所以能够不断地提高车速，主要原因有： a ) 高速气流载纬，潜力还有待进一步开发。 b ) 全新的设计理念，先进的加工技术，振动减轻、噪声降低。 c ) 计算机监测应用技术日趋完善，机构简化，故障减少，为高速、高效、 优质生产提供技术保证。 d ) 创新引纬器件，在提高因为速度和引纬质量的同时做到省气节能，为进 一步扩大使用展示出广阔前景。 e ) 品种适应性逐步扩大，可与剑杆、片梭织机相媲美。 展望未来，喷气织机在成功地解决了事关其生存的入纬率( 已达到 3 2 0 0 m m i n ) 、幅宽( 已达4 m ) 、多色纬织造( 已达8 色) 以及自动化程度和水 平均超过7 佥a j 柯和片梭织机之外，必然会把一直困扰着它的耗能大和如何保持高 效率运行的问题提到研究日程上来。可以预见，喷气织机将会在省气结能、拓宽 品种、完善智能化及更加高效率等方面，展示出它独有的才能。 1 4小结 综上所述，对于单个主喷嘴射流引纬性能的研究已较多1 1 6 1 1 ”1 ，其中a d a n u r 等的研究较为系统，对于问歇射流引纬仍基于定常流假设，喷管内视为等熵绝热 过程、整流管内看作等压等容过程进行分析，建立主喷嘴出流速度分布模型，并 结合实验测试，已能较好地说明问题。 辅助喷嘴由于具有一定的紊流特性，这方面的研究基本上仅停留在实验测试 浙江理r 入学硕十学仲论文 阶段，主要测试其喷射气流对形成主流场的影响】，对于主喷嘴及其辅助喷嘴 的合成主流场的速度分布及辅助喷嘴的不同结构形式、间距、辅喷交汇角对其的 影响依据测试结果已比较明确，虽无法完全从理论上建立起数学模型，但依据经 验公式有望建立简化数学模型。 在纬纱牵引力方面，严谨地说是纤维纱线与高速气流的两相流体力学问题， 鉴于问题的复杂性，一般均将纱线视为刚体处理来进行力学建模；单一主喷嘴对 于不同纱线结构的牵引性能研究已取得一些成果呻】，基于定长绝热管流摩擦理 论的主喷嘴纬纱牵引力模型与实验结果比较一致，但全流场上的引纬统一理论模 型的建立仍十分困难，多数研究仍局限于研究纬纱头端运动规律及引纬过程中梭 口外纬纱张力的实测研究报告j ，总体而言，对气流引纬系统的理论研究仍未 成熟，尚未形成系统可行的理论模型。总结归纳喷气射流引纬技术的研究内容如 图1 6 所示： 厂色型型博蒜搿漂纛霉? l 警竺= l 匦亟巫亟困愀嚣鬻端瓣i 一一_一一_一一一_ 随露瓣：撕 = d 】 【一o 乏 一、oj 融篷巡 _ - l 多_ ：一 i 一 i 苫 & 一 s 图4 1 射流引纬自由圆射流的结构图 浙江理 大学硕士学位论文 如图4 1 所示，区域a b c 为核心区域，射流核心区域内各点上的流速v 0 皆相 等，而其他的混合区域内各点上的流速则都不相等，0 为射流的极点。以往的实 验表明，射流里的压力实际上是不变化的，等于周围环境的压力。有关圆射流充 分发展部分的实验已相当充分，各研究人员得到的实验结果都相当吻合，在离歼 射流孔很远的地方观察到射流是线形扩展，随着离某一虚源点距离增加，射流速 度呈双曲线下降，核心区域的长度依赖于射流孔处的实际初始速度分布。 在射流主体段中一些截面上的速度分布完全是相似的。射流的一切截面上， 每秒气流质量的总动量应该保持不变： p = p 咖= 2 加= 常数 ( 4 i ) 这里的咖是单位时间内流经微元横截面的射流质量，p 是空气密度，v 是 出口气流的绝对速度，d f 是射流微元截面积。在圆射流中，动量的条件可写为 下列的形式： ( 4 2 ) 式中心是射流起始截面的半径，矗。是主体段罩射流宽度的一半，在初始段 里是边层的宽度，v 。是射流在起始截面的速度，即核心速度。在不可压缩流体罩 ( p = 常数) ，把这个式子改为： z 2 意d ( 舻 ( 4 3 ) 式中j ，为量取数据那一点距一条直线的距离，这条直线由喷口开始，与气流 平行。上式中任何一项的恚可分写为两个因子老鲁，第二个因子只决定于该 截面至极点的距离，与该点在射流截面上的位置无关。引用符号叩。素 yr 口 亩邓i ( 4 4 ) 2 o 足 印 f 叻 o 丌2 i i p 浙江理 人学硕十学位论文 同时，速度也可以分解为两个因子： 兰：三羔 ( 4 5 ) o ov v o ( 小时z 槲咖 s ， 这个定积分是个常数，其数值等于： 甄毒 2 刁d 可= 。s 。 c 4 ， 于是，横截面的半径与该截面上中心速度的值2 1 u j ，可以建立这样一个等式 的关系： 蝴扦x o 晰。= - s ， 由此 生：3 3 鱼 ( 4 9 ) r ov 、。 在截面上，v 。= v 。；由此看出，截面上半径永为常数值： 胤以s e - - t 黄截n 上流过的空气量可求之如下： i v y d y v ok r o 刁 j 砌m ，r 二丘懈硝。逸l 垒l 。舻刁( 4 1 1 ) 乘积项被；v 。就是由管出口流出的最初的气体流量： q o = 被j v o ( 4 1 2 ) 根掘公式( 4 9 ) ，射流的半径的平方等于： 时( 玎 浙江理j = 大学硕士学仿论文 仁喇r ：0 0 9 8 5 占v 。 把这些结果代入( 4 1 1 ) 式，得射流的流量公式： 旦：2 1 3 鱼 骁v 。 因此，截面上的流量也可以求了，它是一个常数 旦：2 1 3 q 0 用横截面积去除流量，所得的商为对面积而言的平均速度詈；于是 利用( 4 9 ) 和( 4 15 ) 式得： 或 塑：旦。墨 绋 f 堑：o - 2 监 v ov 0 v l = o 2 v ( 4 1 4 ) ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) ( 4 1 9 ) 所以，射流主体段中，任何一截面上对面积而言的平均速度等于该截面上的 最大速度( 中心速度) 的2 0 以质量除动量所得的商，称之为对质量而言的平均速度；于是 堑：。堕 v 0j o m ( 4 2 0 ) 可以看出射流的动量是定值，即j = 厶，而定值密度下，质量比就等于流量 的体积比一p m = 晏，按( 4 1 5 ) 式得m o 或 堑：o 4 8 堡 ”o v 2 = 0 4 8 v 。 ( 4 2 1 ) ( 4 2 2 ) 浙江理t 人学硕十学付论文 所以，对十流量向看的半均运腰大约等十对向枳向若的半均速度的2 5 倍。 从上面的推导可以看出，射流在任何一截面上的特性只使用与主体段范围之内， 这些特性与个别的射流特点无关，只要量一次中心轴上的速度，就可以求该截面 的尺寸，求通过该截面的流量、求气流的平均速度。 在射流边界： ：生( 4 2 3 ) 2 言 一。2 3 式中是射流边界的坐标：对于轴向对称射流的= 3 4 ，于是 r 矿r p 半r ( 4 z 。， = 一 l * q 尺oo 、。 根掘( 4 9 ) 式可以建立轴线上速度与距离之间的直接关系： 蔓：里墅：o 9 6 r o ( 4 。2 5 ) ”o 3 4 甜 a x 、。 式中x 为距喷口的距离 由于轴向对称射流截面中心上的速度与截面至极点的距离成反比： ：塑 ( 4 2 6 )v m = z o j 由( 4 1 5 ) 式可以看到，该截面上的流量表示为距离的函数时，等于： 西o = 淼百a x = 2 2 2 9 6嚣 ( 4 2 7 ) q o o 凡 、 为了求截面的横坐标，得： 一s ：0 9 6 ( 4 2 8 ) r o 射流极点的深度h 。即边界交点至喷管出口之间的距离，按几何比求得，由于 射流在主体段中和初始段中，扩散角是相同的，得到： a h _ ! o ；0 2 9 ( 4 2 9 ) r o 喷管出1 3 到截面处之i 日j 的距离是s 。，根据( 4 2 8 ) 与( 4 2 9 ) 两式之差得： 浙江理1 大学硕十学位论文 盟：o 9 6 一o 2 9 ：o 6 7 (430)r o 、 如果距离从喷1 ：3 算起，公式变为： 孚：箜+ o 2 9 ( 4 3 1 ) r o 、。 圆射流的扩散角口= 1 2 。到1 5 。时，其核心区域的长度品为： s o = 4 7 8 6 d ( 4 3 2 ) v 。：。墅( 4 3 3 )v 。2 ”o = 。竹j j ) s 是截面到喷嘴出口之间的距离，v 0 为喷嘴出口处的流速，a 喷嘴紊流系数，r 喷嘴出口处的截面半径。 根据公式( 4 2 5 ) 及( 4 2 8 ) 推导得到： 羔：罢( 4 3 4 ) v 。堕+ o r 2 9 矗。 蚤观z z 睁毗。 绋l r o j 、 4 3 中心气流速度衰减理论的数学模型建立 对于t s u d a k o m a ( 津f t 驹) 型主喷嘴、t o y o t a ( 丰田) 型主喷嘴的核心区长度计算 加表41 所示 表4 1 主喷嘴速度核心区的计算 型号直径d o ( m )核心区s o ( m ) t s u d a k o m a ( 津用驹) 0 0 0 7o 0 1 6 7 t o y o t a ( 丰田) 0 0 0 8o 0 1 9 1 基于式( 4 3 2 ) ，( 4 ，3 4 ) 在o 2 m p a ，o 3 m p a ，o 4 m p a 的供气压力下，分别对 t s u d a k o m a ( 津罔驹) 主喷嘴和t o y o t a ( $ t t ：1 ) 主嘴射流中心速度衰减过程建立数 学模型，如图4 2 ，4 3 所示 浙江理【人学硕十学位论文 图4 2 ( 1 ) 0 2 m p a 供气压力下速度理论衰减曲线 图4 2 ( 2 ) 0 3 m p a 供气压力下速度理论衰减曲线 图4 2 0 ) o 4 m p a 供气压力下速度理论衰减曲线 图4 2t s u d a k o m a 主喷嘴气流中心速度衰减理论曲线 浙江理 大学硕十学何论文 图4 3 ( 1 ) o 2 m p a 供气压力下速度理论衰减曲线 图4 3 ( 2 ) 0 3 m p a 供气压力下速度理论衰减曲线 图4 3 ( 3 ) 0 4 m p a 供气压力下速度理论衰减曲线 图4 3t o y o t a 主喷嘴气流中心速度衰减理论曲线 4 0 浙江理i ：人宁硕十学俯论文 4 4中心气流速度衰减的测试 将主喷嘴固定在气流测试系统中，采用c y g 系列压力传感器，从出口0 r a m 到1 0 0 m m ，每1 0 r a m 为一个测试点进行压力测试，测试系统如图4 4 所示。 图4 4 测试系统框图 在供气压力分别为0 4 m p a ，0 3 m p a ，0 2 m p a 的情况下，分别对t o y o t a ( 丰 ) t s u d a k o m a ( 津田驹) 主喷嘴进行逐点测试，得到的实际测试结果如图4 5 、4 6 所示： 图4 5t o y o t a 主喷嘴气流速度衰减情况 4 浙江理f ：火学硕七学位论文 图4 6t s u d a k o m a 主喷嘴气流速度衰减情况 表4 2t o y o t a 主喷嘴速度衰减澳试数据 淤 0 r a m1 0 r a m2 0 m m3 0 m m4 0 r a m5 0 m m6 0 r a m7 0 m m8 0 r a m9 0 r a m1 0 0 m m 0 2 m p a0 1 5 lo 1 4 90 1 4 8o 1 4 2o ，1 3 60 1 2 70 1 2 1o 1 1 701 1 40 1 0 8o 1 0 6 0 3 m p ao 2 1 6o 2 1 50 2 1 3o 1 9 50 1 6 50 1 6 50 1 4 3o 1 3 50 1 30 1 2 50 1 1 1 0 4 m p ao 3 1 6o | 3 1 5o 3 1 30 2 90 2 6o 2 3o r 2