（纺织工程专业论文）喷气纺喷嘴的设计及其工艺的研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

摘要 论文题目：疃氢缠堕噬的遮让盈基王苎的盟宜 专业：缠终王猩研究生：廑但垄指导老师：理盟盎 摘要 喷气纺纱是利用喷嘴内部产生的高速旋转气流对纤维须条进行假捻包缠的 一种新型纺纱方法，具有产量高、流程短、自动化程度高、适纺范围广等众多优 点，产品具有独特的性能和用途，应用领域广泛，其优势已被人们普遍认可。但 由于受其成纱原理的限制，喷气纱并未获得真正的捻度，强力主要来自外包纤维 对几乎平行的芯纤维的包缠，单纱强力较低，涤棉喷气纱强力不到同类环锭纱 的9 0 ，纯棉喷气纱强力更低，不到同类环锭纱的7 0 。 目前，我国喷气纺纱设备已达2 0 0 台左右，但仅占纺纱能力的o 4 ，发展 明显落后于美国或亚洲等其他国家。其原因除了喷气纺纱的市场因素以外，设备 完全依赖进口价格非常昂贵也是一个重要的因素，所以本课题要研制生产出拥有 自主知识产权的国产喷气纺纱机的喷嘴，从而降低喷气纺纱的设备价格，并对喷 嘴各结构参数和纺纱工艺参数进行设计研究，提高喷气纺的成纱强力。 本论文在内容上，主要包括三部分：第一部分对喷气纺纱的发展、研究现状 及选题的目的意义、研究内容做了简要概述；第二部分对喷气纺纱技术进行了理 论探讨，并提出了提高喷气纱强力的途径，即通过提高包缠纤维的数量和包缠紧 度来提高单纱强力；第三部分在保证顺利成纱的前提下，通过理论分析和试验验 证对两喷嘴的结构和纺纱工艺参数进行了合理设计，并在试验进行过程中不断摸 索喷嘴的结构，对喷嘴的结构加以修正，运用单因子试验和多因子通用旋转组合 设计试验的理论寻找出了最佳的喷嘴结构参数和纺纱工艺参数，大大提高了喷气 纱的单纱强力。 本课题得到的主要成果是：利用自行设计出的具有合理结构的喷嘴纺制出的 纯涤喷气纱的单纱强度达到了国家标准纯涤环锭纱的1 6 8 ，达到了乌斯特标准 纯涤环锭纱的9 1 ：涤，棉喷气纱的单纱强度达到了国家标准涤棉环锭纱的 1 4 8 ，达到了乌斯特标准涤棉环锭纱单纱强度的8 8 ；纯棉喷气纱的单纱强度 达到了国家标准纯棉环锭纱的9 5 ，达到了乌斯特标准纯棉环锭纱的7 1 。上 述三种原料喷气纱的单纱强度均达到了预期的目标。 关键词：喷气纺纱，喷嘴，单纱强力，工艺参数，优化 答辩日期指导教师签字： a b s t r a c t d e s i g n so f n o z z l e sa n dr e s e a r c h e so fp r o c e s so n a i r - j e ts p i n n i n g a b s t r a c t a i r - j e ts p i n n i n gi s an e ws p i n n i n gm e t l l o d ，w h i c hu t i l i z e st w os e c t i o n s c o n t r a r yh i g hs p e e da i r f l o wp r o d u c e db y t w on o z z l e st of i n i s hf a l s et w i s t i n ga n d w r a p p i n g i nc o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a ls p i n n i n gt e c h n i q u e ，a i r - j e ts p i n n i n gi s p r o v i d e dw i t hm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g ho u t p u t ，s h o r tt e c h n o l o g i cp r o c e s s a n de x t e n s i v es p i n n i n ga r e a i th a sa r o u s e dm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n ， a n di ti sd e v e l o p i n gi nah i g hs p e e di nt h e s ey e a r s o w i n gt ot h el i m i to f s p i n n i n g p r i n c i p l e ，a i r - j e ts p i n n i n gp r o d u c e saw r a p p i n gy a m ，w h i c hi sf o r m e db yo u t e r f i b e rw r a p p i n gi n n e rf i b e r s ot h e r ei sn og e n u i n et w i s to nt h ey a m ，a n dt h ey a r n s t r e n g t hi sl o w e r t h a nt h a to f f i n gs p i n n i n g y a r n ，t ca i r - j e ty a ms t r e n g t hi sl e s s t h a n9 0 o f t h a ts p u n b yr i n gs p i n n i n g ，1 0 0 c o t t o na t r - j e ty a m s t r e n g t hi sl e s s t h a n7 0 o f t h a t s p u nb yr i n gs p i n n i n g n o w , t h en u m b e ro fa k - j e tm a c h i n e si no u rc o u n t r yh a sa c h i e v e dt o2 0 0 ， w h i c ho n l ya t t a i n so 4 s p i n n i n ga b i l i t y , a n dt h ed e v e l o p m e n ti sd r a m a t i c a l l y b e h i n do f a m e r i c aa n do t h e rc o u n t r i e so f a s i a n b e s i d e st h em a r k e t i n gf a c t o r so f t h ea i rj e t s p i n n i n g ，o n ei m p o r t a n tr e a s o ni s t h ee x t r e m e l yh i g hp r i c eo ft h e i m p o r t a i rj e t m a c h i n e s t h e r e f o r e ，t h en o z z l e so fa i r - j e ts p i n n i n g m a c h i n e h a v i n ga u t o m a t i ci n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi sd e v e l o p e db y t h i st h e s i s ，w h i c hr e d u c e s t h ep r i c eo f t h em a c h i n e s ，m e a n w h i l e ，t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f n o z z l e sa n dt h e p a r a m e t e r so fs p i n n i n gp r o c e s sa r e r e s e a r c h e da n dd e s i g n e d w i t hw h i c ht h e s t r e n g t ho f a i r j e ty a r nm a y b e i m p r o v e d t h i sp a p e r m a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，t h ed e v e l o p m e n t o f a i r - j e ts p i n n i n g ，t h er e s e a r c ha c t u a l i t y ，t h e a i mo ft h i st h e s i sa n dt h er e s e a r c h c o n t e n ta r ei n t r o d u c e d i nt h es e c o n d p a r t ，t h et h e o r y o fa i r - j e t s p i n n i n g t e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d ，a n dt h ea p p r o a c ho fi m p r o v i n ga i r - j e ty a r n ss 订e n g t hi s g i v e n ，w h i c h i si n c r e a s i n gt h en u m b e ro f t h ew r a p p i n gf i b e ra n dt h ed e g r e eo f t h e w r a p p i n gc o m p a c t n e s s i nt h et h i r dp a r t ，t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t w on o z z l e s a n dt h ep a r a m e t e r so fs p i n n i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e da n dd e s i g n e d ，s o m eo f m a t h e m a t i c a lm e t h o d sa r eu s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s ， a n da d o p t st h er o t a r ye x p e r i m e n t a ld e s i g nt oo b t a i nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h e s e p a r a m e t e r s a n da i r - j e ty a ms t r e n g t h o nt h eb a s eo fm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h e p a r a m e t e r s a r eo p t i m i z e d ，t h es t r e n g t ho f a i r - j e ty a r ni sd r a m a t i c a l l yi m p r o v e d 2 a b s t r a c t f r o mt h i sp a p e rw ec a nd r a wt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ，t h es t r e n g t ho f 1 0 0 t a i r - j e ty a r na t t a i n s1 6 8 o f t h a tn a t i o n a lc r i t e r i o ns p u nb yr i n gs p i n n i n g a n d9 1 o ft h a tu s t e rc r i t e r i o ns p u nb yr i n g s p i n n i n g ，a n dt ca i r - j c ty a r n s t r e n g t h a t t a i n s1 4 8 o f t h a tn a t i o n a lc r i t e r i o ns p u n b yr i n gs p i n n i n ga n d8 8 o f t h a tu s t e rc r i t e r i o ns p u nb yr i n gs p i n n i n g ，a n d1 0 0 c o t t o na i r - j e ty a r ns e n g t h a t t a i n s9 5 o ft h a tn a t i o n a lc r i t e r i o ns p u nb yr i n gs p i n n i n ga n d7 1 o ft h a t u s t e rc r i t e r i o ns p u nb yr i n gs p i n n i n g t h ea i r - j e ty a ms t r e n g t ho ft h e s et h r e e k i n d sm a t e r i a lh a sa t t a i n e dt h ea n t i c i p a t o r ya i m t a n gd i a n h u a ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yx i n gm i n g j i e k e y w o r d s ：a l r - j e ts p i n n i n g ，n o z z l e ，y a m s t r e n g t h ，t e c h n i q u ep a r a m e t e r , o p t i m i z a t i o n 3 第一章概述 第一章概述 第一节喷气纺纱的发展与现状 喷气纺纱是继转杯纺纱、自捻纺纱、涡流纺纱之后发展起来的一种很有前途的 新型纺纱方法。它是利用喷嘴内部产生的高速旋转气流带动经超大牵伸装置牵伸后 的纤维须条经过假捻、初包缠和退捻等一系列过程，形成具有独特风格的包缠纱。 其加捻器由固定的喷嘴构成，因此无高速回转机件，这种纺纱方法的单产约为环锭 纺纱的8 2 0 倍，适宜于纺制涤棉、棉及5 1 m m 以下的化纤，但纺纯棉时的单纱强 力偏低。可纺纱线特数范围是5 8 4 t e x 一7 3 t e x ，特别适宜于纺中高支涤棉纱，单纱强 力约为同类环锭纺纱的7 0 8 0 。与传统的纺纱技术相比，喷气纺纱具有产量高、 流程短、自动化程度高、适纺范围广等众多优点，产品有其独特的性能和用途，应 用领域广泛，其优势己被广泛认可【l 】。 喷气纺纱的发展历史虽已有三十多年，但在最近十五年才逐渐趋于成熟。自美 国杜邦( d up o n t ) 公司于二十世纪六十年代首先申请喷气加捻包缠纺纱专利后，一 些国家相继开展了对这种纺纱技术的研究。其中，日本和德国的几家公司取得的成 就尤为显著。 喷气纺纱机按加捻器形式分，主要有单喷嘴、双喷嘴、喷嘴和加捻罗拉结合等： 按进气方式可分单进气和双进气两种：按纤维凝聚形式分，有棉条喂入经罗拉牵伸 装置，还有采用分梳辊或针辊分梳，经凝聚成纤维须条，也有采用分梳辊和罗拉相 结合的形式。以上多种形式的喷气纺纱机大部分只停留在实验研究阶段。上世纪六 七十年代，有关单喷嘴和双喷嘴喷气纺纱技术的专利不断出现，但迄今为止形成大 规模产业和商业化生产的并不多f 2 】。 回顾喷气纺纱的发展历史，最早可以追溯到早期的长丝空气变形技术。1 9 6 3 年， 美国杜邦公司引入空气直接加捻的概念，首先发表了喷气加捻包缠纺纱法的专利， 它采用的是单喷嘴加捻器，喷嘴结构如图1 1 所示。此种包缠纺纱方法是在单喷嘴 的基础上，有一级强制退捻的喷嘴，使退捻包缠迅速有效。气流从1 进入加捻室3 形成旋转气流场。在生头时需将手柄2 压下，使加捻室3 的缺口与喷嘴体上的缺口 4 对准，放入纱线后再掷回2 t 3 1 。其纺纱示意图如图1 2 所示，牵伸部分是三罗拉单 皮圈形式，中罗拉极细，皮圈套在前中罗拉上，后罗拉后面有笔架形导纱器，使喂 入纤维或粗纱尽量分开。单区牵伸的目的是使纤维在牵伸部分扩展开来，形成边缘 第一章概述 纤维。杜邦包缠法纺纱是单喷嘴喷气纺的鼻祖，该公司曾以r o t o f i l 等商标进行过商 业化试生产，但由于其成纱强力极低且脆弱，纱的蓬松性和弹性均较差及原料限制 较大而未能继续发展。此后，一些国家便开始了对这一纺纱方法的研究。二十世纪 七十年代初期，英、美、西德、日本等国大量涌现有关喷气纺纱的专利，其中尤以 日本最多州。 图1 1 杜邦喷嘴结构图1 2 杜邦包缠纺纱示意图 1 9 7 0 年联邦德国洛伊特林根( r e u t l i g e n ) 纺纱技术研究所设计出了新型的双孔 喂入单喷嘴喷气纺纱机，主要适用于加工长纤维，纺制各种包缠纱，并具有花色纱 的特征，其纺纱速度可达3 5 0 m m i n 。其纺纱示意图如图1 3 所示，两根纤维须条同 时喂入同一个牵伸装置，从前罗拉输出的两根须条分别进入叉状的双孔喂入管1 和 2 ，在管出口处进行汇合。双孔管前方有一空气涡流喷嘴3 ，利用高速气流对管l 中 的须条施加假捻捻回，并一直传递到前罗拉钳口。进入管道2 的须条纤维为边缘纤 维，到达汇合点后才一起参加芯纤维的假捻，通过喷嘴后须条即进行退捻，边纤维 则以退捻方向包缠在纱芯上，形成包缠纱。此装置上的喷嘴内径为2 6 m m 2 9 m m ， 喷射孔的孔径为o 5 m m ，气压为3 o k g f c m 2 ，纺纱速度可达3 5 0 m m i n l 5 j 。 研制单级喷嘴喷气纺纱机比较成功的是同本的东丽( t o r a y ) 公司，其主要机型 是a j s l o l 型1 2 0 锭喷气纺纱机。纺纱过程如图1 _ 4 所示，它采用双面下行式排列， 牵伸采用四罗拉双短皮圈摇架加压的超大牵伸装置，从牵伸装置出来的纤维须条先 经过纤维须条分离器分离成头端自由纤维，然后经涡流喷嘴加捻而成纱。该机适纺 纯棉和长度为3 8 m m 的化纤及混纺纱，可纺5 8 3 t e x 9 7 t e x 的纱线，最高纺纱速度为 2 0 0 m m i n 。东丽公司在a j s l 0 1 型机的基础上还推出了a j s l 0 2 型机，对纺纱器和牵 伸系统做了改进来适应高速；纱筒卷绕也作了重大改进，设有张力补偿装置，通过 改变纤维分离器和喷嘴的组合形式，可纺长度为3 2 m m 5 l m m 的各种混纺纱1 2 j 。 2 第一章概述 图1 3 联邦德国包缠纺纱示意图图1 _ 4 东丽a j s l 0 1 型喷气纺纱示意图 在所有对喷气纺纱方法的研究中，技术上较为成熟并且已取得巨大成就的是日 本村田( m u r a t a ) 公司。它于二十世纪七十年代初开始研制喷气纺纱机，奋战八年， 终于在1 9 8 1 年1 1 月日本大阪第二届国际纺织机械展览会上首次展出了一台适用于 纺制3 8 m m 长度纤维的m j s 8 0 l6 0 头型喷气纺纱机。该机于1 9 8 3 年在意大利米兰第 九届国际纺织机械展览会上再次展出时，受到了世界各国纺织界人士的瞩目，并开 始向世界各国销售。1 9 8 7 年在法国巴黎第十届国际纺织机械展览会上，村田公司又 推出了m j s 8 0 2 型喷气纺纱机，其牵伸机构和喷嘴结构均有新的改进，据称能适纺 纯棉纱。经过二十余年的发展和不断改进，村田公司先后推出了一系列m j s 型喷气 纺纱机，机器型号不断改进和升级，主要包括m j s 8 0 1 、m j s 8 0 2 、m j s 8 0 2 h 和 m j s 8 0 2 h r 等喷气纺纱机。各种机型在牵伸装置、喷嘴结构以及电气控制部分虽有 较大的改进，所适纺品种也逐步增多，但它们的基本纺纱原理没变，以m j s 8 0 1 型 为例说明，如图1 5 所示。喂入须条经过三罗拉双短皮圈超大牵伸后进入串连的两 个喷嘴，在两个方向相反的高速旋转气流作用下对须条进行假捻包缠成纱，纱条由 引纱罗拉引出后，经过电子清纱器去除疵点后卷绕成纱。m j s 8 0 2 型喷气纺纱机纺纱 速度为2 0 0 m m i n ，m j s 8 0 2 h 型纺纱速度高达3 0 0 m m i n 。1 9 8 8 年，村田公司又在 m j s 8 0 2 型机基础上推出了m t s 8 8 1 型喷气纺纱并纱联合机，集纺纱和并筒于一体， 可以直接纺出并纱筒子，形成多功能的双纱并和喷气纺纱机。图1 - 6 所示为m t s 8 8 l 型双加捻器组成的喷气纺纱机示意图，经同一牵伸装置牵伸后的两根须条分别进入 各自的加捻喷嘴，经加捻后，两根单纱在导纱器处汇合在一起，由引纱罗拉引出， 3 第一章概述 经清纱器后绕成双纱筒子1 】【2 】【6 】o 图1 - 5m j s 8 0 1 喷气纺纱示意图图1 - 6m t s 8 8 1 喷气纺纱示意图 村田公司继m j s 系列之后还推出了第三代喷气纺纱机r j s 8 0 4 1 7 】【8 】【9 】( 又称罗拉 式喷气纺纱机) 。r j s 喷气纺纱机对m j s 喷气纺纱机的机构作了进一步的改进，其 牵伸装置基本与m j s 相同，而包缠加捻的成纱装置则由喷嘴和球形罗拉组成，充气 球形罗拉的作用与m j s 第二喷嘴的作用相同，即其对须条的加捻方向与喷嘴对须条 的加捻方向相反。喷嘴中的空气和充气罗拉的纤维接触表面以相反方向运动。牵伸 后的须条进入喷嘴，在喷嘴中高速旋转气流的作用下，主体须条两侧的边缘纤维逐 渐缠绕在主体须条所形成的芯纤维上；接着，当芯纤维通过充气罗拉的握持点时， 被暂时加上与包缠纤维捻向相反的假捻；当j 墨纤维和包缠纤维通过充气罗拉后，芯 纤维退捻或成无捻的形态，而包缠纤维则紧紧地包缠在芯纤维上，这种包缠效果赋 予了纱线强力。r j s 8 0 4 的生产效率高，纺纱速度可达4 0 0 m m i n 。另外，由于耗气 量大的第二喷嘴被球形罗拉所取代，故功率消耗低是该喷气纺纱机的一大特点。因 此，它在1 9 9 5 年意大利米兰国际纺织机械展览会上展出时引起了极大的轰动。 1 9 9 5 年，村田公司又推出了新一代喷气纺纱机m v s ( m u r a t a v o r t e xs p i n n i n g ) ， 又称涡流喷气纺纱机。于1 9 9 9 年在法国巴黎展览会上正式展出，并于2 0 0 2 年1 0 月 在我国北京首次展出。m v s 包括牵伸、涡流加捻、空心锭子和成纱卷绕四部分。其 成纱机理如下：经牵伸后的纤维须条从前罗拉钳口输出立即进入与前钳口距离很近 的螺旋形涡流喷嘴，在涡流喷嘴中旋转气流的作用下纤维须条头端被包缠成纱，由 4 第一章概述 下端针状引纱管将包缠纺成的纱引出后被吸入空心锭子，其尾端则在从涡流喷嘴中 吹出的旋转气流的作用下在空心锭子进口处扩张并倒翻过来，形成自由端纤维，然 后在空心锭子搓捻作用下逐渐包缠到纤维纱芯上，加捻最终完成。据称m v s 改变 了m j s 系列喷气纺纱机非自由端纺纱的假捻一退捻一包缠的成纱机理，形成自由端 纺纱，可适纺纯棉纱，被认为是喷气纺纱的新突破。纱的结构类似于环锭纱，成纱 质量好，强力、条干等质量都优于环锭纱，长毛羽明显减少，成纱织物外观光洁， 抗起球和耐磨性都比较好，纺纱速度可高达4 0 0 r r d m i n 。目前，m v s 在世界范围内 已销售了3 0 0 多台，分布在1 1 个国家，其中美国有2 5 0 余台( 每台7 2 头) ，经使用 反映良好。所以，m v s 有望在今后得到很大的发展。继m v s 8 1 0 后，村田公司于 2 0 0 2 年还推出了m j s 8 r 2 ( 喷气纺纱机) 、m t s 8 8 1 h r ( 双股喷气纺纱机，并纱筒) 、 m v s 8 5 l ( 喷气涡流自由端纺纱机) 、m v s 8 l t ( 双股喷气涡流自由端纺纱机，并纱 筒) 等新型号的喷气纺纱机【1 0 【1 1 】。 德国绪森( s u e s s e n ) 公司于1 9 8 7 年1 0 月在法国巴黎国际纺织机械展览会上推 出了p l i f i l 双纱喷气纺纱机。该种喷气纺纱机集高倍牵伸、纺纱、并纱和络筒于一体。 纤维须条经牵伸后，进入喷气纺纱区的纺纱器，在气流的作用下旋转管使得纤 维尾端向同一方向以螺旋形将纤维包缠在一起，形成纱线。纱线从喷气纺纱区出来 后，经导纱器合并后卷绕到圆形筒子上。在整个纺纱过程中，纤维始终受到积极控 制。p l i f i l 纺纱工艺的特点是：既具有常规喷气纺优点，又避免了喷气纱手感较硬的 缺点。在后道倍捻机的工艺工程中，p l i f i l 纱内的微量纤维大部分被反向捻回所抵消， 故纺出的股线具有蓬松性。p l i f i l 喷气纺纱机有p l i f i l l 0 0 0 和p l i f i l 2 0 0 0 两种机型。 p l i f i l l 0 0 0 型适用于棉、化纤及其混纺，可纺特数为2 2 5 t e x - 2 8 3 t e x ，纺纱速度为 5 0 m m i n - 2 5 0 m m i n ；p l i f i l 2 0 0 0 型适用于羊毛、毛型化纤及其混纺，可纺特数为 2 x 2 5 t e x 2 x l o t e x ，纺纱速度为1 5 0 m m i n 3 5 0 m m i n 。 3 1 1 4 1 我国对喷气纺纱的研究始于1 9 7 8 年，先后有东华大学、天津纺院、上海纺织科 学研究所等单位对喷气纺纱进行了研究，在实验室里以细纱机改装的机台上进行实 践探索，改造或生产了简易的喷气纺纱机，对有关的工艺参数和喷嘴结构进行了深 入的研究。上海困棉六厂研制出了s f a 5 8 0 2 a 型双面上行式喷气纺纱机和z x 8 7 1 型 半自动接头机，并通过了上海的鉴定，但未能批量生产和销售【2j 。目前，我国的喷 气纺纱设备还完全依赖进口，过高的设备价格已经成为制约我国喷气纺纱发展的主 要原因之一。因此，最近上海太平洋集团、浙江泰坦公司等单位都已开始研制自行 设计的国产喷气纺纱机。目前，我们与上海太平洋集团进行合作研制出了第台国 产喷气纺纱机k p f 0 2 型机，并在2 0 0 3 年1 2 月的上海国际纺织机械展览会上进行了 5 第一章概述 展出。我们所做的主要工作是研究设计出了国产喷气纺纱机的喷嘴。 喷气纺纱的规模从全世界角度来说还相对较小。目前，无论从已有的头数还是 从纱的产量来说，环锭纺纱都还是主角。其主要原因是喷气纺纱的成纱强力较低， 尤其是纯棉纱的强力更低，如m j s 8 0 1 型喷气纺纱机所纺纯棉纱的强力仅为同类环 锭纱强力的5 0 一一6 0 ，这是现存的喷气纺纱难以克服的障碍。虽然m j s 8 0 2 各型喷 气纺纱机号称可纺纯棉纱，实际上仍存在上述问题。但喷气纺纱经过三十余年的发 展，已经取得了长足的进步。据不完全统计，截止到2 0 0 3 年底，全世界共有喷气纺 纱设备约2 5 万头，分布在约4 0 个国家，其中北美约占8 0 ，亚洲约占1 5 ，中南 美洲、欧洲、澳大利亚、非洲约占5 。美国是拥有喷气纺纱机最多的国家，总数约 有1 8 万头，约占全世界总量的7 5 。我国自1 9 8 5 年江苏丹阳棉纺厂首次引进1 0 台日本村田m j s 8 0 1 型喷气纺纱机以来，先后有重庆、湖北嘉鱼、蒲圻、上海、山 东五莲、河南焦作、广东肇庆、天津六棉、西北一棉等地也引进了m j s 系列喷气纺 纱机【l 。目前国内的喷气纺纱设备总量已达2 0 0 台左右。 第二节国内外对喷气纺纱的研究 1 2 1 喷气纺纱成纱机理的研究 自从美国杜邦公司发明喷气纺纱以来，成纱机理和成纱过程一直是国内外学者 对喷气纺纱研究的重点。早先，研究的重点是论证喷气纺纱属于自由端还是非自由 端纺纱。后来，则侧重于研究喷气纺纱的包缠过程。 自由端纺纱是在纺纱过程中有纤维须条的完全断裂，而非自由端纺纱在纺纱过 程中纤维须条始终是完全连续输出的，并没有出现完全断裂的情况。 最初，关于喷气纺纱的成纱机理大致有两种观点。一种认为喷气纺纱属于自由 端纺纱方法，其成纱为真捻纱。如日本村田公司1 9 8 1 年首次展出m j s 8 0 1 型喷气纺 纱机时，在纺纱原理介绍中，就是以自由端纺纱来解释的：从前罗拉输出的须条， 若中间只有一个加捻喷嘴，那么须条在喷嘴处加捻又解捻，因而纺出的纱最终无捻 度。如果在加捻喷嘴与前罗拉之间另外装设一只自由喷嘴，其中的旋转气流方向与 加捻喷嘴中的旋转气流方向相反，须条在加捻喷嘴中通过捻回的传递而顺手加捻， 然后因自由端喷嘴的作用而形成自由端。加捻的能量通过纱端释放出来，纱端有些 捻回未被退解而留存在纱中，成为真捻。由于纤维是在喷嘴负压的作用下被吸入其 中的，故即使所有的纤维均为自由端，成纱亦不会断裂【l ”。 另一种观点认为喷气纺纱属于非自由端纺纱方法。国内学者多持这种观点，并 6 第一章概述 从实验中和理论上进行了大量的论证。在这方面，天津纺院所做的工作比较多。天 津纺院的学者曾借助球隙放电高速摄影进行观察，分析了成纱过程“】。从所拍照片 中看出：自前罗拉至纺纱出口之间，纤维须条是连续的，不存在整体断开的自由端， 说明喷气纺纱属非自由端假捻纺纱；而且前罗拉与第一喷嘴间须条上的捻回方向与 第二喷嘴所加捻回方向是相同的，说明第二喷嘴所加的捻回可逾越第一喷嘴传递到 前罗拉附近，这是非自由端加捻的一个显著特点。 在喷气纺包缠机理的研究和论证一文中【l ”，作者从纱条在纺纱器中的受力 分析来证明了喷气纺纱属于非自由端纺纱。如图1 7 所示，纱条上质点m 的受力， 可以简化成沿纱条轴向的匀速运动和绕纺纱器中心的匀速圆周运动。建立平衡方程 如下： d f z = 码+ ( r + 由) s i l l 口一t s i n a d q s i n a d g = o d m z = d m z d n z d m z = 0 化简得 码+ d t s i n a = 坦s i n a + d g d m z = d n z + d m z 式中：皿一流场作用于须条的力 d 艺一须条张力 d q z 一管壁摩擦阻力 d g 一前罗拉作用在须条上的力 d m z 一流场作用在须条上的力矩 d n z 一须条反向解捻力矩 咖。一管壁摩擦阻力矩 盘一螺旋角 7 第一章概述 图l 一7 纱条在纺纱器中的受力 上述方程平衡时才能正常纺纱。如果须条在纺纱段中完全断开，则d g 0 ， d n ， 0 。则有犯+ d 丁s i n a d q s i n a ，d m z d m z 。这将使纱条上质点m 产生加 速度运动，纱条沿轴向的线运动和绕轴向转速也越来越快。这样，由于受力不平衡， 必将产生断头，无法正常纺纱。 另外，有的学者从纱线结构角度来说明喷气纺纱的成纱机理。喷气纺纱是典型 的包缠结构，芯纤维有三种状态：z 向、s 向和平行向。但倾斜角均很小，在l o 。以 下。经解捻后，纱芯的z 向、s 向倾斜相互调整，处于新的平衡状态。这个特点不 同于一般的自由端或非自由端真捻纱，只能是非自由端包缠缈”j 。 总之，通过国内外众多学者从不同角度和不同实验方法的论证，现在喷气纺纱 属于非自由端纺纱的观点己被普遍认可。其成纱过程简单来说，就是利用喷射气流 在喷嘴内产生高速旋转的空气涡流，对经牵伸装置牵伸后输出的具有一定宽度的纤 维须条进行假捻，并使头端自由纤维紧密地包缠在纱芯上，形成具有一定强力的包 缠纱，最后卷绕成筒子。 1 2 2 喷嘴规格及纺纱工艺参数的研究 迄今为止，国内外众多学者除对喷气纺纱的成纱机理和成纱过程进行研究外， 还对喷嘴结构参数和纺纱工艺参数作了大量的理论分析和实验探讨。喷嘴是完成对 须条假捻包缠成纱的主要构件，被誉为是喷气纺纱的“心脏”。而纺纱工艺参数对成 纱质量也起着不容忽视的作用。 8 第一章概述 对喷嘴结构参数的研究主要集中在喷射孔角度、孔径、数目、喷嘴内径、两个 喷嘴的喷射孔间距等结构参数上，而对纺纱工艺参数的研究主要从前钳口与第一喷 嘴入口距离、纺纱速度和两喷嘴气压等方面着手。目的是为了改善成纱质量，尤其 是为了提高成纱强力。 w o x e n h a m 等 1 7 1 做了大量实验，认为喷嘴的结构参数对成纱强力有着重要的影 响，喷射孔角度的影响最大。如果将第一喷嘴的角度由4 0 。改为5 0 。，则成纱强力会 有很大的提高。 王建坤等f 1 8 】【1 9 1 2 0 1 分析了喷气纺纱机喷嘴的主要结构参数，如喷嘴内径和喷射孔 角度等对喷气纱质量的影响，并通过二次回归正交实验设计和多因子的计算机辅助 设计，得出了获得最佳喷气纱质量的结构参数为：第一喷嘴内径为3 9 8 m m ，喷射孔 角度为5 4 9 。；第二喷嘴内径为3 9 8 m m ，喷射孔角度为8 3 3 。程远等【2 l 】也通过二 次回归正交设计进行了实验，得出的最佳喷嘴结构参数为：第一喷嘴内径为3 3 m m ， 喷射孔角度为5 3 0 ；第二喷嘴内径为3 5 m m ，喷射孔角度为8 3 0 。 朱立康、范培等人 2 2 1 2 3 】 2 4 】【2 5 】通过大量的实验验证和理论分析，论述了喷射孔出 口流速、喷射孔流量、气压、喷射孔孔径、喷射孔角度、喷射孔数目、喷嘴内径等 主要参数对喷嘴性能的影响。并提出了判断喷嘴优劣的依据，即在保证须条进口处 具有一定负压的前提下，当喷嘴的空气动力消耗一定时，应具有较高的气流转速。 他们认为喷嘴内径一般应取2 0 m m - 2 5 m m 为宜，喷射孔的孔径较大和角度较大时， 容易出现反喷现象。 朱军【3 】在1 9 8 9 年前后对喷气纺纺纯棉纱做了研究。他在改进喷嘴结构，提高纯 棉纱强力方面做了大量工作。在消化分析m j s 8 0 2 型和m t s 8 8 1 型喷气纺纱机喷嘴 结构的基础上，进行了纯棉喷嘴结构的改进设计。通过缩短两个喷嘴喷射孔间的距 离( l ) 后，使喷气纺纺制的纯棉纱的强力获得了较大的提高，当“l ”从3 0 4 5 m m 变化到2 6 4 5 m m 时，强力增大的幅度最高：两个喷嘴喷射孔间距“l ”的缩短是有 限制的，存在着一个最优喷射孔距区域。他认为喷气纺纺纯棉纱，关键的喷嘴结构 参数是两喷嘴喷射孔间距，它对于顺利成纱和提高成纱质量都具有重要的意义。 陆晶【2 6 1 在1 9 9 1 年也对纯棉喷气纺纱工艺与成纱机理作了研究。她通过流场理论 分析了喷气纺纱的成纱机理，认为喷嘴的吸入口的压力分布和中心压力大小是能否 吸入纤维的最重要因素，气压不必太高，当喷射角增大到某一角度时，中心负压将 不足以吸引纤维，甚至会出现反喷现象。她还通过回归旋转设计找到了前后喷嘴气 压比、喷射孔角度和两喷射孔间距离的最佳搭配，即当两喷射孔间距离为2 3 7 0 m m ， 第二喷嘴喷射孔角度为8 5 0 ，第一、二喷嘴的气压比为2 2 5 时，纺制出的纯棉纱的 9 第一章概述 强力最高，为1 5 9 c n 。 缪德杰 2 7 】在1 9 9 1 年作了苎麻喷气纺纱的研究工作。这是开发麻型纤维喷气纺 纱的开端。他对苎麻喷气纺纱的纺纱工艺进行了较为全面的研究，成功纺制了苎麻 涤纶5 5 4 5 喷气纱，得到了如下主要结论：通过合理设计喷嘴的结构参数和工艺参 数，采用喷气纺纱方法纺制含苎麻纤维纱是可行的；第二喷嘴气压大于第一喷嘴气 压不是纺纱工艺条件的唯一模式；从提高成纱强力的目的出发，通过优化设计得到 了喷气纺纺麻纤维纱的最佳工艺参数配置，即纺纱速度略大于1 0 0 m m i n ，超喂比略 小于0 9 7 ，卷绕比略大于0 9 6 。 戴伟峰【2 8 1 对喷气纺纺制细旦涤纶作了一些研究工作。他通过旋转组合设计优化 喷嘴结构参数和工艺参数，大幅度提高了单纱强力，比m j s 8 0 2 型机的单纱强力提 高了约1 6 。并设计出了适合纺制细旦纤维喷气纱的喷嘴结构参数：第一喷嘴内径 为2 4 m m ，喷射孔数目为4 个，孔径为o 4 m m ，角度为4 5 。；开纤槽长度为9 m m ， 槽深为l m m ，槽数为3 个；喷嘴长度为3 0 m m ；第二喷嘴入口处内径为2 5 m m ，出 口处内径为5 m m ，喷射孔数目为6 个，孔径为o 4 m m ，角度为8 0 0 。 杜兆芳【2 9 】于1 9 9 9 年对绢丝喷气纺纱进行了研究，通过对喷嘴结构参数和工艺 参数的配置，纺制出了7 7 t e x 绢丝喷气纱。他着重分析了绢丝喷气纺纱中喷嘴部分 的工艺：两喷嘴喷射孔间距、前罗拉出口与第一喷嘴入口距离、两个喷嘴的气压等 参数对绢丝成纱质量的影响。并通过二次通用旋转组合设计及多因子的计算机优化， 从而得出绢丝喷气纺喷嘴工艺的最佳配合。 高峰等口0 1 对喷气纺开纤槽结构形式与成纱强力的关系作了研究。分析了开纤槽 的作用机理和其主要结构参数，通过不同内壁形式的开纤槽纺纱对比发现，多圆弧 组合槽形的开纤槽有利于成纱强力的提高。并用二次通用旋转组合设计和惩罚函数 法，求得了丌纤槽的最佳结构参数，用优化后的开纤槽纺1 6 3 r e x 涤棉纱，成纱强力 比m j s 8 0 2 型机提高了7 3 ，证实了开纤槽对提高成纱强力的潜力较大。郁崇文 3 1 i 也通过大量试验找到了开纤槽的最佳结构参数，即当开纤槽的长度为8 m m ，高度为 0 8 r n m ，槽数为8 个时成纱强力最高。 杨雯静口2 1 从喷气纺纱机纺1 3 r e xt c 纱的工艺技术得出了前罗拉与第一喷嘴的 距离对正常纺纱和成纱质量优劣的作用。这一距离过大，吸口轴向吸引力将会引起 须条的断裂，但也不宜过小，否则影响头端自由纤维的产生，另外断头时喷嘴会被 堵塞。一般情况下纺纱纤维长度较短时，这一距离也应减小。 m k b h o r t a k k e 等【”1 从纺纱速度方面入手做了大量实验。他得出的主要结论是： m j s 型纺纱机在纺纱速度为2 8 5 m m i n 的时候，可以纺制出较好质量的纱线；当纺 1 0 第一章概述 纱速度达到3 0 5 m m i n 的时候，成纱强力会有微弱的降低，条干均匀度没有明显变化， 但毛羽却有大量的增加。 r a n g a s w a m y 等1 3 4 】认为第一喷嘴和第二喷嘴的交互作用对涤棉喷气纱的成纱强 力有很大的影响，并且通过不同的压力组合优化出了能够得到最高纱线强力的两个 喷嘴的气压。 c a r lal a w r e n c e 等 3 5 】【3 6 1 1 3 7 】【3 8 1 通过微观分析，把喷气纱中纤维的形态结构分为三 类：即第一类结构，均匀包缠纤维；第二类结构，随机包缠纤维；第三类结构，未 包缠纤维。纺纱工艺条件变化时，每一类出现的频率和平均长度都不相同，其中第 三类结构对纱线强力没有任何贡献，而具有包缠结构的第一类结构与第二类结构承 担纱线强力，其中第一类结构比第二类结构更重要。通过实验选择各种纺纱参数， 如气压、纺纱速度、张力牵伸、两喷嘴喷射孔间距等，对各类纤维的频率和平均长 度影响，从而影响纱线强力。 r r a j a n i c k a m t 3 9 】通过建立喷气纺纱中纤维性能一工艺参数一结构一性能关系模 型，分析了不同结构以及纱段之间是如何相互影响的，而且解释了实验中观察到完 全断裂、非完全断裂以及完全滑脱而断裂的现象。他还指出，纱线断裂强力是随着 第一类结构的长度和出现频率的增加、第三类结构的减少而提高的。他还认为包缠 纤维存在一个最佳的包缠长度。于修业口6 】也对喷气纺的包缠机理做了较深入的研究， 提出了包缠捻度形成机理的两种学说，即“假捻一退捻包缠”学说和“时差捻差” 学浣，他认为喷气纱的包缠捻度的形成机理应为两者的结合。 除了以上对非自由端喷气纺的研究外，郁崇文还对自由端喷气纺进行了研究， 并申请了专利，但所设计的纺纱器不能连续纺纱，成纱品质也不能满足织布要求， 有待于进一步探索改进【4 0 1 。村田公司研制的m v s 型机号称是自由端喷气纺纱机， 但经研究表明，其成纱还是由包缠纤维和芯纤维构成，自由端程度不是很高，并不 是完全的自由端纺纱，我们认为仍属于非自由端包缠纺纱的范畴。 通过总结国内外众多纺织专家和学者对喷气纺纱的研究文献资料，可以看出喷 气纺纱的发展方向主要有三点：提高自动化程度，稳定和提高成纱质量，实现单机 适纺品种的多样化。当前国际上喷气纺纱的发展方向依然以日本村田公司的产品为 标志。就我国来说，喷气纺纱的发展方向侧重于在消化、吸收外国的先进设备的基 础上，研制生产出拥有自主知识产权的国产喷气纺纱机。 第一章概述 第三节选题的目的意义及研究内容 1 3 1 选题的目的意义 喷气纺纱机投入商业生产已经有二十余年的历史，其优势已被普遍认可。2 0 0 0 年，原国家纺织工业局为积极推广喷气纺纱这项新技术，实施了“引进新型纺纱技 术一喷气纺纱”的实验项目。并选定了8 个省( 市) 的9 家企业，分别引进日本村 田公司的m j s 8 0 2 h r 型喷气纺纱机各1 0 台。2 0 0 1 年，江苏通裕、上海十七棉纺厂 等单位引进的设备已正式投入生产。目前，国内喷气纺纱设备的总数己达2 0 0 台左 右。尽管如此，我国喷气纺纱的设备仅占纺纱能力的o 4 。因此，我国喷气纺纱的 发展是明显落后于美国或亚洲等其他国家的。其原因除了喷气纺纱的市场因素以外， 资金投入问题也是一个制约因素。由于目前喷气纺纱设备还完全依赖进口，单机价 格高，项目投资大，以一万锭环锭纺纱设备作类比，采用喷气纺纱设备要比环锭纺 纱设备的投资高出2 3 倍。在目前国内劳动力成本相对较低的情况下，企业积极性 不高，缺少内在的推动力。加上前几年纺织业一直处于比较艰难的处境，企业无力 考虑较大的投资。因此只有喷气纺纱设备价格降下来，企业才能在比较优势中做出 抉择。此外，单纯的技术引进，并不是解决问题的好方法。我们来看这样一个例子： f 1 本村田公司早在1 9 9 5 年推出的m v s 型喷气纺纱机，于1 9 9 9 年在法国巴黎展览 会上展出，而于2 0 0 2 年1 0 月才在我国首