（纺织工程专业论文）涡流纺流场的模拟及机理的研究[纺织工程专业优秀论文].pdf

涡流纺流场的模拟及机理的研究 摘要 当今社会是科技起主导作用的社会，喷气纺正是适应现代高科技 发展的产物，而涡流纺是喷气纺发展的新方向。因此，我们对于传统 涡流纺和喷气涡流纺的研究是十分必要的。 本文对传统涡流纺和喷气涡流纺的流场进行了一系列的研究，分 别对两种纺纱方法的基本结构，内部流场的气体流动特性，以及成纱 机理进行了一些理论分析。 对涡流管内部流场进行测试，通过对涡流管内部全压和静压的测 量，计算出了涡流管内部气流速度，并对纱尾在涡流管流场内的运动 状态进行了观察与分析。 利用p h o e n i c s 软件模拟传统涡流纺和喷气涡流纺内部流场运动 规律，直观地得出涡流管内部纤维的运动状态，找出流场分布规律， 并与理论分析和测试结果进行对比，通过对流场的模拟我们可以直观 的看到流场内部气体流动情况，对理论分析的流场情况进行验证。通 过改变堵头以及喷嘴结构形状，来模拟不同条件下喷嘴内部流场运动 规律，对传统涡流管进行了优化，对新型涡流管的设计有一定的指导 作用。 硕士研究生张超( 纺织工程) 指导教师邢明杰教授 关键词：涡流纺；喷气涡流纺； 流场；p h e o n i c s s i m u l a t i o no ft h ev o r t e xs p i n n i n gf l o w a n dr e s e a r c ho f t h em e c h a n i s m a b s t r a c t n o w , s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi st h ed o m i n a n tp o w e ro f t h ee r a a i r - j e ti sj u s tt h e p r o d u c to ft h eh i g ht e c h n o l o g ya n dt h ev o r t e xs p i n n i n gi s t h en e wd e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fi t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h er e s e a r c ho ft h ev o r t e xs p i n n i n ga n dm v si s n e c e s s a r y w eh a v ed o n eas e r i e so fr e s e a r c ho nt r a d i t i o n a lv o r t e xs p i n n i n ga n dm u r a t e v o r t e xs p i n n i n g ，s u c ha sb a s i cs t r u c t u r e ，g a sf l o wc h a r a c t e r i s t i c si nt h ei n t e r n a lf l o w a n dy a r nm e c h a n i s m t e s t i n gt h ei n t e r n a lf l o wo ft h ev o r t e xt u b e ，t h r o u g ht h em e a s u r e m e n to ft h e p r e s s u r e ，w ec a l c u l a t i o nt h es p e e do ft h eg a si nt h ev o r t e xt u b e ，a n a l y z et h em o t i o no f t h ee n do f t h ey a m v o r t e xt u b eo fv o r t e xs p i n n i n gh a sb e e np r e l i m i n a r i l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r n l ef l o ws t a t ei nt h ev o r t e xt u b eh a sb e e nr e s e a r c h e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ， m e a s u r ea n dt e s ta n di m i t a t i o no fc f d t i l ek i n e s t a t eo fi n t e r n a lf i b e ri nt h en o z z l e h a sb e e nd i r e c t v i e w i n go b t a i n e dt h r o u g ht h ei m i t a t i o n t h ef l o wf i e l dd i s t r i b u t i o nr u l e h a sb e e nf o u n do u ta n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s tr e s u l th a sb e e nc o m p a r e d t h i sp a p e rh a st h ed i r e c t i o ni nt h ed e s i g no fn e wv o r t e xt u b e p o s t g r a d u a t es t u d e n t ：z h a n gc h a o c 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 yp r o f x i n gm i n g j i e k e yw o r d s ：v o r t e xs p i n n i n g ；m v s ；f l o wf i e l d ；p h e o n i c s 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：李狂超 日期：加口睁月厅日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密回 ( 请在以上方框内打“4 一) 论文作者签名：弓瓷能 晋帷局；研明参 日期：泐窖年f 月日 o 6 、好 6 7 第一章概述 1 1 新型纺纱技术的发展 第一章概述 新型纺纱是在环锭纺纱的基础上发展起来的，其成纱原理、成纱的主要机构以 及成纱结构( 指单纱结构) 都不同于传统环锭纺纱的纺纱方法。环锭纺纱自1 8 2 8 年被发明并投入使用，因其机构简单、维修和保养方便、对原料的适应性广、纺纱 线密度范围宽以及成纱支良好等优点，自问世至今，一直在纺纱领域中占据统治地 位。但是受到成纱原理的限制，在现有条件下环锭纺的速度和产量很难再进一步大 幅提高。 为了提高纺纱速度和产量，人们一直在寻求一些成纱机理完全不同于环锭纺纱 的新型成纱方法。早在1 9 0 7 年，森莫威廉( s a m u a lw i l l i a m s ) 就提出过把加捻 作用和卷绕作用分开的设想。1 9 3 7 年，百塞尔森( b e r t h e l s ) 提出了转杯纺的雏 形。直到1 9 6 5 年在波尔诺( b m o ) 展出了由捷克研制成功的k s - 2 0 0 型转杯纺纱 机。然后捷克的专家在此基础上制成了较为完善的b h 0 0 型转杯纺纱机。转杯纺 纱机的成功促进了新型纺纱技术的大力发展。1 9 7 1 年在巴黎展出了由澳大利亚研制 的m k i 型自捻纺纱机。1 9 7 3 年在格林威尔展出了由加拿大研制的b o b t x o 聚集纺纱 机。1 9 7 5 年在米兰展出了由波兰研制的p f l 型涡流纺纱机，同时展出了由奥地利 研制的d r e f 型摩擦纺纱机和荷兰研制的t w i l o 无捻纺纱机。1 9 8 1 年在大阪展出了 由日本村田研制的m j s 型喷气纺纱机。1 9 9 7 年在大阪又展出了由日本村田研制的 m v s 型喷气涡流纺纱机。另外还有静电纺纱、赛洛纺纱、空心锭子平行纺纱等新型 纺纱方法都应运而生。这些纺纱方法克服了环锭纺高速高产和大卷装的固有矛盾， 实现了纺纱的高速化和大卷装n ， 新型纺纱技术中比较成熟而且运用比较广泛的有转杯纺、摩擦纺、喷气纺、涡 流纺、集聚纺等，这些新型的纺纱方法大多实现了高速化。在工艺流程中，取消了 粗纱及络筒工序，实现了纺纱工艺的短流程，降低了生产成本嘲尤其是转杯纺纱 技术和喷气纺纱技术已发展的比较成熟，构成世界上新型的纺纱体系 1 1 1 转杯纺( r o t o rs p i n n i n g ) 转杯纺又称气流纺，属于自由端纺纱方法，是新型纺纱中技术最成熟、推广最 快、应用最广泛的一种纺纱方法。直接喂入纺纱器的棉条经分梳辊的离心力和纺杯 内负压气流的作用脱离分梳辊表面经梳棉管道而进入纺杯，并在凝聚槽中形成一个 完整的纤维杯，纤维环随着纺杯高速旋转在接纱头的作用下，随着捻度不断的传 递和连续剥离纤维束而成纱。转杯纺的纺纱速度可高达2 0 0 m m i n ，从国际整个纺纱 领域来看，转杯纺占了很大的份额n 钉。据有关资料统计，目前全世界转杯纺设备已 青岛大学硕士学位论文 超过1 0 0 0 万头，用转杯纺生产的纱线按长度计算已达到2 5 ，按重量计算已达到 4 0 。我国在进入2 1 世纪以来，转杯纺设备几乎每年以约2 0 万头的速度增长，据 不完全统计，目前，国内转杯纺纱机拥有的总头数已达到2 0 0 万头，其中国产机型 占7 0 以上。按照国内目前统计的环锭纺纱锭数为一亿锭计算，那么国内转杯纺纱 头数约占环锭纺纱锭数的2 3 9 ，远远低于国际平均水平，因此，环锭纺在我国还 有较大的发展空间。 从1 9 6 5 年捷克制造第一台转杯纺纱机起，国际先进纱设备制造商不断创新，提 高纺纱性能，目前进一步向高速、高产、大卷装、全自动化方向发展。转杯纺纱有 抽气式和自排风式两种，国外先进的转杯纺纱机大都采用抽气式，抽气式有利于高 速，成纱质量优于自排风，转杯速度从3 万转分发展到1 5 万转分，但在9 万转 分时，人工已不能接头，必须靠电子机械手接头才能完成。目前德国苏拉纺织系统 有限公司、瑞士立达公司、意大利萨维奥公司转杯纺纱机均配备了半自动接头装置 和全自动接头装置，使纺纱速度得以迅速提高，还采用机械无接触轴承，如磁悬浮 轴承、气动轴承等，更提高了转杯速度。另外，国际最新全自动转杯纺纱机还具有 定长、清纱、上蜡，全机微电脑自动控制，有连续检测纺纱质量和各种疵点的功能。 我国转杯纺纱设备研制从1 9 5 8 年就开始了，经过纺机生产企业和科研单位半个 世纪的研制，国产转杯纺设备与技术上取得了一定进展，如纺制毛型纤维的转杯纺 纱机、转杯纺纺制花式( 竹节) 纱装置的探索、半自动接头装置、低捻装置、齿片式 分梳辊的研制与生产等。目前国产转杯纺纱机转杯转速最高达1 0 万转分，并配有 半自动接头装置，国产转杯纺纱机正向着机电一体和自动化方向发展，但与国际先 进转杯纺纱设备相比还有很大差距，国内大多数转杯纺纱机还主要局限于粗号纱的 加工，平均纺纱号数在4 8 6 t e x - 3 6 5 e x ，其中3 6 5 t e x 以上的纱约占8 0 ，而国际上 转杯纺的平均号数达2 8 t e x 1 8 t e x ，2 8 t e x 以上纱的比例不足5 0 。这主要是由于我 国转杯纺设备速度低，纺纱经济号数粗( 仅3 6 5 t e x 左右) ，无法纺较细的纱。在国际 上转杯纺的主要产品中，针织用纱，尤其是中、细号( 2 8 r e x l 8 r e x ) 针织用纱占了较大， 比例，据资料报道，在一些发达国家，针织用纱中转杯纱的比例已占到4 0 。当前， 我国纯棉粗号纱大部分己被转杯纱所替代，因此。转杯纺若仍局限于粗号纱将无更 大的前途，近两年来欧洲的转杯纺增加的速度已在降低，这是一个值得注意的信号。 除了中、细号针织纱外，转杯纺的产品发展还将体现在以下几点： ( 1 ) 非棉类产品。总的来说，非棉类产品的转杯纱生产比例还较小，进一步开发 化纤、毛、麻、绢等转杯纱产品对于扩大转杯纺的应用领域、丰富转杯纱的花式品 种有着重要的现实意义。 ( 2 ) 花式纱产品。随着国内花式纱装置的研制与推广以及转杯纱和转杯竹节纱的 特殊效应，转杯纺花式纱的应用必将同趋增加。实际上，目前市场对转杯竹节纱已 丌始有一定的需求。 第一章概述 ( 3 ) 产业、装饰用产品。在转杯纺的早期产品中，生产过用于线、带和蓬帐等产 业用转杯纱，以后又在p u 革底布和洁具用产品上有所发展。在装饰产品方面，已 生产出床罩、窗帘、台布、家具布、挂毯等。而随着功能性纤维的发展，利用这些 功能纤维如阻燃、抗菌和保健纤维等来加工转杯纱，则可望在防护服、家庭装饰用 布和一些特殊场合的特定要求用产品方面占有更大的市场份额。 1 1 2 摩擦纺纱( f r i c t i o ns p i n n i n g ) 摩擦纺纱是由e m s t f e h r e r 博士创立于1 9 7 3 年的f e h r e r 公司所发明研制和生 产的一种属自由端纺纱原理的新型纺纱方法。该设备被命名为d r e f 系列摩擦纺纱 机。生产了d r e f 2 、d r e f 3 、d r e f 2 0 0 0 和d r e f 3 0 0 0 机型。后三种机型可纺包芯 纱和一些花色纱，但这些花色纱在原理上属包缠纺纱。 摩擦纺纱是用带抽吸装置的筛网来凝聚纤维并进行加捻纺纱的，分为自由端摩 擦纺和非自由端摩擦纺两种陋儿町。 自由端摩擦纺h 1 以d r e f i i 型、m a s t e r s p i n n e r 型摩擦纺纱机为代表，具有与转 杯纺相似的喂入机构和开松机构，它采用回转的摩擦部件将由分梳辊开松及气流输 送来的单纤维吸附凝聚成纤维条并加捻成纱阴1 ；非自由端摩擦纺是在自由端摩擦纺 纱机上多了一套纤维喂入和牵伸机构，用来生产包芯纱，纤维条被两端握持进行假 捻包缠，因此属于非自由端纺纱。 在目前几种比较成熟的新型纺纱中，摩擦纺纱在纺粗纱号领域内已成为与环锭 纺和转杯纺的主要竞争者。其优点在于以下几个方面： ( 1 ) 生产效率高：摩擦纺纱具有比环锭纺纱高得多的生产效率。一般环锭纺的纺 纱速度为2 0 m m i n - 3 0 m m i n ，而d r e f 3 型机纺纱速度可达3 0 0 m m i n ，比前者高l o 倍以上这种纺纱生产率高的原因是由于摩擦加捻原理纺纱速度和加捻速度的提 高均不受高速回转件速度的约束使加捻机件的转速不需很高即可达到高速加捻，而 且仍具有进一步提高纺纱速度的潜力其次，纺纱张力低也是该机生产效率高的另 一重要因素。在摩擦纺纱机上，纱体沿自身的轴向旋转，引纱张力几乎与纱体的高 速旋转无关。采用摩擦加捻的方法有利于降低纺纱张力，解除高速对生产率的束缚， 较好地实现了低张力纺纱。 ( 2 ) 对原料的适应性广：摩擦纺纱机对原料的要求较低，可适用于天然纤维、化 学纤维、下脚废料等各种原料。由于摩擦纺纱机能借助尘笼内部的吸风装置的吸力 清除尘杂，使它能用低级原料甚至下脚废料纺出较好的纱线。当混合纤维原料中有 5 0 的纤维短于1 5 m m 或纤维长度离散度大、纤维线密度变异大、含杂多时，环锭 纺和转杯纺都会遇到困难，而摩擦纺可以顺利纺纱，从而节约成本，增加利润。 ( 3 ) i 艺流程短、成本低：摩擦纺纱原料经梳理机制成生条后，即可直接上摩擦 纺纺纱。在现有的纺纱系统中，可以算是工艺流程较短的一种。由于梳棉生条可直 青岛大学硕士学位论文 接上机进行纺纱，使得在设备、厂房面积的投资费用和用工费用相应减少，纱线生 产及前纺成本低。另一方面，由于一般纺纱厂的原料费用要占到总成本的6 0 左右， 摩擦纺可用低档原料和下脚废料，可使原料费用降低，总成本比环锭纺节约1 5 - - 3 0 。据英国纺织月报统计，2 0 0 0 年纺制2 0 t e x ( 3 0 英支) 的纯棉纱线，用摩擦纺纱机 加工成本可下降到同期全自动高速气流纺纱机的7 0 ，环绽纺纱机的4 0 以下。 ( 4 ) 产品风格独特、花色多及特种纱线结构：d r e f 3 型机纺制的纱线是包覆纱， 可形成“多组分”的分层结构和“里紧外松”的捻度结构，纱芯纤维和外包纤维可以分 别单独控制，使得不同的纤维材料能进行有选择的组合和配置，可短包短，也可以 短包长，生产各种花式纱线。 ( 5 ) 纺纱支数范围大：摩擦纺在纺粗号纱领域具有较大的优势，特别是在纺 2 0 0 r e x 以上纱时，其经济效益超过了转杯纺纱。在纺中细号纱领域，尤其是在纺棉 中细号纱领域，摩擦纺也具有较大的优势。其纺纱速度可以不受纱好粗细的影响， 纺纱速度可望能达到4 0 0 - 5 0 0 m m i n 的高水平。 同任何一种新型纺纱方式一样，摩擦纺纱也有其不足之处。主要是纱线强力低、 弱环多、毛羽多、摩擦性差，其强力只有环定纺的5 5 ，比转杯纺低1 5 。其原因 是纤维在气流输送过程中自由凝聚，因而排列比较紊乱，纱的表面结构不均匀。另 外，摩擦纺还存在投资费用高，占地面积大的不利因素。 世界各国的纺织工作者为提高摩擦纺纱的成纱强力，做了许多探索工作。改进 摩擦纺成纱强力可以从以下几个方面着手：调节尘笼吸气负压；合理调整输棉管道 的倾角；改善尘笼内胆结构：适当设计加捻元件的表面结构及表面处理：正确选择 引纱速度、尘笼转速、摩擦比等，来提高加捻效率、加捻力矩和纺纱的稳定性，以 达到改善成纱结构，提高成纱强力的目的。 1 1 3 紧密纺( c o m p a c ts p i n n i n g 或c o n d e n s e rs p i n n i n g ) 自上世纪8 0 年代末e m s t f e h r e r 博士提出旨在消除纺纱三角以提高纱线品质的集 聚纺纱工艺以来，国际知名的各大纺机制造商、研发机构纷纷投入大量人力、物力 研制紧密纺纱( c o m p a c s p i n n i n g ) 装置。从1 9 9 9 年法国巴黎国际纺机展展出第一台紧 密至今短短的几年内，紧密纺纱以其独特的纺纱原理、优越的成纱性能、显著的经 济效益得到纺织界人士的普遍关注，发展极为迅猛成为环锭纺最具标志性进展的技 术进步。 紧密纺亦称集聚纺，属于非自由端纺纱嘲。它主要是在传统环锭细纱机的牵伸区 与加捻区之间增加一个凝聚区，利用负压空气对纤维产生气动集聚效应，使那些处 在须条边缘上的纤维端能有效地向须条中心聚集，最终最大限度地减小纺纱三角区。 这一凝聚过程的效果就是使成纱的毛羽大幅度减少、单纱强力和断裂伸长显著改善、 成纱的常发性疵点也有明显减少。而且，纱线的摩擦因数、织物的光泽度、表面疵 4 第一章概述 点数、耐磨损度及至染色的清晰和精细度等都有了质的改善。从集聚原理看，紧密 纺又可分为气动集聚式和机械集聚式两大类。机械集聚式目前仅有罗托卡夫特公司 的r o c o s 装置一种，其他均为气动集聚式。机械集聚式结构简单、能耗小，但集聚 效果究竟如何，还有待于检验，其集聚机理也有待于进一步研究。但无论如何，机 械集聚式的出现开辟了紧密纺技术的一条新途径。此外，国外还有人在环锭纺纱机 的前钳口下安装喷嘴，利用气流将毛羽捻入纱中或贴伏于纱的表面，这种方法对减 少毛羽也很有效，结构也比一般的紧密纺装置简单。 我国从2 0 0 1 年开始引进到目前也有不到7 年的应用经验。到2 0 0 5 年底据不完 全统计，全国共拥有各种形式紧密纺纱设备6 8 1 万锭，其中国产紧密纺纱机2 0 5 万锭，发展速度相当快。但是由于紧密纺纱设备投资大，固定成本和维护费用高， 阻碍紧密纺纱技术的普及。在普通环锭纺纱机上附加进口和国产紧密纺纱装置，进 口装置价格为人民币8 0 0 - 1 0 0 0 元锭，国产装置目前的报价也在人民币2 8 0 - 3 8 0 元 锭，投资成本的机器折旧费用显著，甚至抵消了由于纱线售价提高的利润，形成纱 线售价高利润低的现象。 作为一种大幅度提高纱线品质的新型纺纱方法，有专家预言紧密纺将在未来逐 步取代传统的环锭纺纱技术，这已成为一种趋势。因此在密切跟踪国际先进水平的 同时，我们应注意开发适合我国国情、国内纺织企业易于接受、具有自主知识产权 的中低档紧密纺纱机，并使之尽快商业化。此外，由于紧密纺纱线结构更加紧密， 且表面光洁，加捻过程中对钢丝圈的磨损会加剧：因须条宽度的减小，粗纱横动动 程相应减小，牵伸区及集聚区中胶辊、胶圈的磨损也会增加。如何根据紧密纺纱的 生产特点，提高上述纺纱器材的适应性，也是需要研究的问题。 1 1 4 喷气纺纱( a i r - j e ts p i n n i n g ) 喷气纺纱是利用高速旋转气流使纱条加捻成纱的一种新型纺纱方法在新型纺 纱中，喷气纺一直以纺纱速度高、工艺流程短、可纺纱号细的特性而被人们所看好。 因其取消了高速回转的加捻部件，利用高速回转的压缩空气对纱条进行加捻，从而 使出纱速度可达3 5 0 m m i n - - , 4 0 0 m m i n ，其生产效率为环锭纺的l o 倍2 0 倍、转杯纺 的3 倍5 倍。同时，喷气纺适纺原料较广，各种天然纤维、合成纤维、再生纤维、 中长纤维等都适应，宣加工精细原料( 如精梳产品、化纤等) 、适纺中、细号纱的特 点( 一般纺纱号数为1 8 t e x 以下) ，也使之与目前常用于加工低级原料、适纺中、粗号 纱的转杯纺在不同的产品领域中各领风骚。 喷气纱的质量的综合评价较好，虽然成纱强力为环锭纱的8 0 - 9 0 ，但是强力 不匀率低于环锭纱。因其具有毛羽少、成纱条千好、疵点少的优点，恰好能满足无 梭织机的用纱标准，一般用喷气纱可提高织造效率2 - 3 。另外，喷气纺机附加一 些装置，还可以丌发些特殊品种纱线，如花色纱、包芯纱。 青岛大学硕士学位论文 截至2 0 0 4 年年底，全世界大约有2 5 万头喷气纺纱。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 。 我国喷气纺的引进和使用较早，但发展缓慢。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 喷气纺纱机，其后，湖北、天津、西安等地累计引进1 3 3 台。 近期，喷气纺在我国又有了较大的发展。2 0 0 0 年，原国家纺织工业局为积极推广这 项纺纱新技术，实施了“引进新型纺纱技术一喷气纺纱设备”的实验性项目，选定9 家企业，分别引进日本村田m j s8 0 2 h r 型喷气纺纱机l o 台。2 0 0 1 年江苏通裕、淮 阴清棉和上海十七棉等公司引进的设备正式投入使用，国内喷气纺纱设备总数增加 到1 6 3 台。至2 0 0 4 年年底，国内喷气纺设备总数已达2 2 3 台，但只占世界总量的 8 。因此，从总体上讲，我国喷气纺纱的发展明显落后于美国或亚洲其他国家。究 其原因，有以下两点：( 1 ) 引进喷气纺纱设备价格高，项目投资大( 高于环定纺2 3 倍) ，而目前国内劳动力成本相对较低，故企业积极性不高，缺少内在动力。( 2 ) 喷气 纺的优势产品是薄型涤棉混纺产品，此类产品用作衬衫面料及床单，在美国因换洗 频率较高而需求量很大，而在国内由于经济水平所限，市场较小。 喷气纺纱经过2 0 余年的发展，技术已经相对成熟，并正在不断发展。其产量高、 流程短、自动化程度高和纺纱支数高等优点已被广泛认可。虽然目前在我国的使用 量不大，但是随着国内转杯纺纱机的开发，纺纱速度的提高，自动接头装置的应用， 喷气纺纱机相对其他纺纱机械的成本将下降，加之我国目前对提高劳动生产效率， 加快纺织行业的技术密集程度的要求，相信喷气纺将在我国逐步发展，并且占有一 定的比例。 喷气纺纱以日本村田公司制造的m s j 机型为代表，属于非自由端纺纱。棉条直 接喂入牵伸装置，经牵伸后的须条进入喷嘴，两个方向相反的高速旋转气流对纱条 进行假捻并包缠成纱( 取消了高速转动的加捻部件) ，纱条引出后经电子清纱器去除 疵点后被卷绕到筒子上。喷气纺自面世以来，以纺纱速度高、成纱支数范围广而得 到广泛运用。其纺纱速度可高达4 0 0 m m i n ，可纺纱支为1 3 6 0 s 。由于喷气纺假捻包 缠的成纱机理使其在纺制涤纶、涤棉纱一直有很大的优势，但是纺制的纯棉纱强力 不高，仅达到环锭纱的6 0 - - 7 0 。 喷气涡流纺以日本村田公司制造的m v s 机型为代表，是在喷气纺的基础上发展 起来的，属于不完全自由端纺纱n u 。同样是棉条直接喂入喷嘴，在喷嘴内涡流的作 用下，纤维束被分离成单纤维，部分纤维呈伞状倒伏在引纱管的锥面上，随着气流 的旋转而旋转加捻。特殊的喷嘴结构和成纱机理，使其更适合纺纯棉纱；据称，其 棉纱强力可达坏锭纱的8 0 左右，克服了喷气纺纺棉纱时强力低的弱点。 第一章概述 1 2 涡流纺纱的发展与现状 1 2 1 传统涡流纺纱的发展与现状 传统涡流纺纱( a i r - v o r t e xs p i n n i n g ) 是利用空气涡流对经开松的纤维进行凝聚 加捻，使之成纱的一种新型纺纱方法，最早由德国的哥茨莱德( o a t a f r e i d ) 于1 9 5 7 年设计的。后来英国、日本、印度等国也进行过不同程度的研究，大多是从纺纱管 型状上进行研究，但始终没有脱离在纺纱管内使气流形成螺旋线的基本结构原理。 6 0 年代中期，英国曼彻斯特科技学院的洛德( p ：l 0 r d ) 曾先后在英国几种期刊上 发表了一些研究情况并对成纱质量和损耗率的影响等方面进行了一系列的理论分 析，但是纤维耗损问题和成纱均匀度差、强力低等问题一直没得到到解决。1 9 6 4 年， 日本东京大学也曾作过涡流纺纱的试验研究。1 9 6 7 年日本尤尼吉可公司申请专利他 们采用了在利用涡流加捻的同时也使涡管本身旋转的方法，以改善涡流纱捻度小、 只能纺弱捻粗支纱的缺点。同年，日本制造了东洋纺a s 型涡流纺纱试验机台，其 特点是在引纱出口地方加上一个假捻器，以提高捻度。但是，虽然经过了这些努力， 也未能解决成纱强力和不匀率的问题。与此同时，印度新德里技术学院也有资料报 道，他们用涤纶和粘胶纤维做过试纺和不同比例混纺试验，考察纤维损伤情况，试 验结果，纤维损耗率达9 1 2 。直到1 9 7 1 年，波兰罗兹( l o d z ) 纤维研究所，在 总结了前入研究的基础上，在成纱质量差、制成率低等问题上率先有了较大突破和 发展，他们研制出了p f i 型涡流纺纱机n 羽，并于1 9 7 1 年9 月向英国和美国申请专 利；1 9 7 5 年，在米兰国际纺织机械展览会上，波兰展示了p f q ，x 型涡流纺纱机； 1 9 8 6 年，波兰又先后生产了p f 一2 型和p f 一2 r a 型( 供纺包芯纱用) 涡流纺纱机， 纺纱速度达到1 5 0 m m i a 左右 在国内，天津、上海等地1 9 7 5 年之后也开始了涡流纺纱的研究。天津纺科所 在涡流纺适应产品、提高纺纱强力方面，做过一些研究，并设计制造了t w 一4 型、 1 w 一5 型涡流纺纱机，天津还研制出了涡流纺纱机包芯纱装置“嗣：重庆纺科所对涡 流纱质量、工艺及新型涡流机研制方面作了大量的研究工作，研制并鉴定通过了6 头涡流纺纱机样机n 耵：上棉三十一厂对涡流纱结构和产品特性、涡流纺纱织物结构 进行了分析研究，并在此基础上设计出一台新机，该机主要技术规格是采用双面车， 共4 8 个头，输出速度是1 2 0 1 8 0 m m i n ，试纺范围3 6 1 1 6 t e x ( 5 。一1 6 5 ) ，棉、纯化纤 及混纺都可，适纺面条定量1 5 2 5 9 5 m 。从1 9 8 6 年开始，山东纺织工学院新型纺纱 研究室对涡流纺成纱机理进行了卓有成效的研究，取得了较系统性的成果，对成纱 机理中的关键问题一纤维环的凝聚与剥取作了重点研究，并通过几项很有意义的试 验，验证了“凝聚与剥取 的基本论点。此外，山东纺院还在此基础上研制了新机 一s f w f 1 型涡流纺纱机。该机采用双面车，共有2 0 头，纱条输出速度是1 2 0 一1 8 0 青岛大学硕士学位论文 米分，适纺支数范围3 6 1 1 6 t e x ( 5 。- - 1 6 ) ，适纺原料范围：棉、纯化纤及其混纺， 适纺棉条定量是1 5 - - 2 5 9 5 m 。 表l l 几种涡流纺纱机的技术特征 t w v w f 2 重庆研究 p f 1 x 机型 ( 天津) ( 上海)所产品( 波兰) 全机头数头 1 2 09 68 4 1 9 2 头距 n l m2 0 01 2 02 0 0 2 0 0 纺纱速度 m m i n 1 2 0 1 5 01 0 0 - - 1 6 01 0 0 1 7 08 0 2 0 0 牵伸倍数 4 0 - - , 1 0 01 8 - - , 1 2 01 8 - - - 1 1 0 2 0 2 5 0 喂入条子定量g m 3 - 43 5 - - 4 52 6 - - 42 5 - - 3 纺纱线密度 t e x 2 8 2 8 04 2 - 1 9 73 7 - - - 1 4 81 8 - 一6 6 条筒规格 n 瑚4 0 0 x 9 1 02 3 0 9 1 04 1 0 9 1 03 5 0 9 1 0 直径高 卷装尺寸 m m 3 0 0 1 2 02 4 0 8 53 0 0 , 1 1 0 图2 3 涡流雷内的气沉 由切向进风口进入涡流管的空气有部分气流向上扩散，这股气流起纺纱作用， 称为有效涡流q l 。另一部分气流向下运动被风机吸走，不起纺纱作用，称为无效涡 流q 又分成一股向上扩散旋转能起纺纱作用的切向分量，以及能起托持 纤维环作用的轴向分量q m ，则旋转涡流量可以表示为： 钆= v o l l n 2 + 0 7 1 1 0 2 2 一( 1 ) 从纤维进口进入涡流管的气流，因纤维进口有向下的偏角，加上堵头四周有空 隙而有气流以及引纱孔的气流的作用，改气流也必然会有轴向分量q i i o 和切向分量 国i l i n ，则旋转涡流量可以表示为： q n - - 3 6 0 i i i n 2 + ( 0 1 1 1 0 2 2 一( 2 ) 从引纱孔进入的气流进入涡流管后也会扩散，如果有纤维坏存在，其径向扩散 的部分会使纤维环靠向管壁，但该处进入的气流大部分在轴。i ) 处被负压吸走。另外， 青岛大学硕士学位论文 在堵头四周也会有部分气流进入，在管壁附近与纤维进口处进入的气流的轴向分量 汇合一起往下运动，不过堵头附近进入的气流不是很大，与堵头和涡流管的配合有 关。 切向进风口进入的气流和纤维进口进入的气流其轴向分量相反，在某一位置处 达到平衡，进入涡流管内的纤维在此处被托持住，并在旋转涡流总量及离心力的作 用下，绕涡流管轴心回转，当纤维持续喂如，则在涡流管内凝聚成一个高速回转的 纤维环。 种子纱由引纱孔吸入涡流管后，超出堵头后端的纱尾，也会随着涡流管内部的 涡流高速回转，当纱尾与纤维环搭接后，种子纱就会连续剥取纤维环。种子纱剥取 纤维环后，其头端由导出罗拉与皮辊握持，尾端随涡流管内涡流高速回转，从而完 成对纤维须条的加捻。导出罗拉以一定速度将加捻后的纱线输出，经卷绕系统形成 筒子纱。 2 2 2 喷气涡流纺涡流管内的气流流动特性 压缩空气由喷气孔喷入涡流管中形成涡流，如图所示，进口气流以切向初速v 。 喷入到涡流管中，因其速度方向与x 轴不相交，因此进口气流对x 轴存在一个动量 矩，促使气流在圆管中绕x 轴旋转，边旋转边向出口处推进，其流动轨迹近似一螺 旋线。涡流管入口端压力小，产生吸引能力( 负压) ，形成一个次流流动，它能辅助 纤维或纱线吸入涡流管内。纤维束进入涡流管后，受涡流的作用沿涡管壁绕管中心 旋转，从而获得捻度，并随气流沿轴向运动。 v l v i x 图2 - 4 涡流管内气流流向示意图 气流的速度是一个矢量，我们可以将其分解成三个方向的速度，即切向速度、 轴向速度和径向速度。三个速度中，切向速度最大，其值的大小标志着对纤维环的 承载能力和加捻能力，切向速度的值取决于进气口气流的初速度v 。以及离旋转轴心 的距离r 的大小，前人理论分析发现，涡流场沿径向分为两个区域，距离旋转轴心 半径为r l i 为界，在半径为r 。的圆柱面上切向速度v 。最大，大于r l l 的区域随半径的增 大涡流速度减小，为势流旋转区，也称为势涡或自由涡。小于r ( 1 的区域随半径的增 第二章传统涡流纺和喷气涡流纺流场分析 大，涡流速度增大，为似固体旋转区，也称为涡核区或刚体涡。r 。为涡核半径。如 图2 5 就是切向速度的分布图。 2 3 成纱机理分析 图2 - 5 切向速度的分布图 2 3 1 传统涡流纺纱成纱机理 传统涡流纺纱是利用空气涡流对经开松的纤维进行凝聚加捻，使之成纱的一种 纺纱方法。在传统涡流纺纱过程中，纤维的转移、凝聚、加捻和成纱全部借助气流 完成。传统涡流纺纺纱器的结构简单，取消了高速回转的机件，借助高速回转的气 流推动纱条实现加捻。 传统涡流纺纱机主要由喂给部分、凝聚加捻部分、引纱卷绕部分和分梳部分组 成，图2 - - 6 ( 1 ) 为传统涡流纺纱工艺流程示意图。棉条2 由棉条筒1 引出后，由 给棉板3 和给棉罗拉4 握持并喂向剌辊( 分梳辊) 5 。刺辊以7 0 0 0 - - 8 0 0 0 r r a i n 的速 度高速回转，使喂入的棉纤维基本上被开松成单纤维状态。在刺辊高速回转产生离 心力及涡流管内负压的吸力作用下，纤维在刺辊齿面上浮并脱离齿面。然后，纤维 通过输棉管6 进入涡流管7 ，涡流管上设有几个切向的进风孔8 ，使进入涡流管的气 流形成旋涡，并被轴向抽引出。纤维在涡流管内凝聚成须条( 纤维环) 1 4 嗍，如图 2 q 所示，并随涡流高速回转。将种子纱( 引纱) 1 5 由堵头9 的中心孔引入，当纱 尾与纤维环搭接后，由于回转，纤维环中的纤维被不断捻到纱尾上而形成新的纱尾， 而其头端由输出罗拉1 0 与输出皮辊1 1 握持输出，由于尾端随涡流环高速回转，从 而使须条加捻成纱。将纱引出后再经槽筒1 2 卷绕成筒子纱1 3 。 在涡流管内，经分梳辊分梳的单纤维在涡流管内重新分布和凝聚，形成连续的 纤维环，种子纱纱尾从引纱孔吸入后随涡流回转，与纤维环搭接形成环形纱尾，纱 尾环随涡流高速回转，从而对纱条加捻。同时，纱条上的捻度不断的向纱尾术端传 1 9 青岛大学硕士学位论文 递m 1 。因此，纱条在绕涡流管中心回转的同时，还有绕自身轴线的自转。不断喂入 的开松纤维高速进入涡流场，与尾纱相遇时，即被回转的纱条所抓取，而凝聚到纱 条上去，纱条不断输出，纤维不断凝聚，使纱尾形成由粗逐渐变细的纱条。纤维在 向纱条上凝聚的过程中，受气流的作用而有一定的平行伸直作用。 ( 1 )( 2 ) 卜棉条筒2 一棉条3 一给棉板4 一给棉罗拉5 - 庳l j 辊( 分梳棍) 6 一梳棉管7 一涡流管8 一进风孔9 一堵头1 0 - 输出罗拉i i - 输出皮辊 1 2 - 槽筒1 3 - 筒子纱1 4 一纤维环1 5 - 种子纱 图2 - 6 传统涡流纺机工艺过程 3 卜纤维入口 2 一纱线3 - q l 纱孔4 一纺纱头5 一进风孔6 一涡流管( 纺纱器) 图2 - 7 传统涡流纺纱器 在纺纱时，纤维达到纺纱位置后，被凝聚到纱尾上的机会是随机的，对于未能 立即被纱条抓取的自由纤维，在随气流沿涡流管内壁运动时，容易产生卷曲或与相 2 0 第二章传统涡流纺和喷气涡流纺流场分析 邻的自由纤维结团，纺成纱后就会形成纱条短片断上的粗节。此外，如果刺辊开松 不好，单纤维率低，或者纤维进口的通道不畅，纤维运动受阻，或有搭桥纤维存在 等，也会产生纤维的分布不均匀。因此，纱条上有短片断的粗细不匀是我流沙的特 有现象。 纤维从纤维进e l 进入涡流管随气流到达涡流场，在输送过程中，不仅要保持和 提高运动过程中纤维的定向度和伸直度，而且还要求纤维呈单纤维状态。为此管壁 与纺纱头间的通道截面应逐渐收缩，使气流速度逐渐增高，从而使纤维产生加速运 动。纤维在涡流场中所受的气流作用力可用下式表示： f d - 丢e p ( 吃一髟) ：彳 2 一( 3 ) 式中：昂一纤维在涡流中所受的力 e 一阻力系数 p 一空气密度 彳纤维在运动方向的投影面积 吃气流速度 豇一纤维速度 阻力系数e 随雷诺数变化而变化。对细长的圆柱体纤维，其长度与直径比可认 为很大，雷诺数取1 0 3 时，e l 。 传统涡流纺沙的加捻作用是依靠涡流管中高速旋转的涡流带动纱尾回旋而产生 的因此，涡流的回旋速度决定了捻度值，而涡流的汇算速度主要由涡流管内的负 压来控制，此项参数又由风机控制，因此需要根据工艺对捻度的要求来确定风机的 负压值。 根据设计要求的纺纱转速和涡流管内径以及预先考虑涡流加捻的效率所确定的 涡流管的涡流速度，就可以推算出涡流管中心的负压值，从而估算出风机的负压要 求。 p ，= 堡丛22 - ( 4 ) j hf 式中：只风机的负压； 足管道和过滤器的阻力损失，一般可考虑损失为2 0 1 屹涡流最大切向速度； 青岛人学硕士学位论文 p 空气密度 其中： v 。：堡 2 一( 5 ) hf 式中：尺涡流管内壁半径； 缈纱条角速度； 7 7 ，加捻效率。一般约3 5 一5 0 左右，根据纤维考虑风机的效率7 7 r ， 在纺纱速度一定的情况下，提高涡流管内的负压，可增加成纱的捻度。但到一 定值后，增加的趋势减慢。 传统涡流纺涡流纱捻度的方向由纱条回转方向及其引出方向所决定，其捻度值 由纱尾转速和纱条输出速度决定。纱条的回转方向取决于涡流的旋转方向。进入涡 流场的纤维和纱尾是以涡流为动力随之同向旋转的，纱条加捻角速度的矢量方向可 由右手法则来确定，如果纱尾的回转角速度矢量方向与纱条的输出方向一致，则成 纱获s 捻；如果这两个矢量的方向相反，则成纱获z 捻。 2 3 2 喷气涡流纺纱成纱机理 卜螺旋引导面2 一引导针3 一涡流室4 一喷射孔 5 一凝聚纤维6 一圆锥形凝聚面7 一空心锭子8 一纱线 图2 8m v s 纺纱装置 喷气涡流纺机纺纱过程是棉条喂入并经过四罗拉( 或者五罗拉) 牵伸机构牵伸 后达到需要的纱线支数的须条，被吸入喷嘴i ，j 端的螺旋引导面1 ，螺旋引导面对纤 维有良好的控制作用，同时和针状物2 一起，防ll 了捻网向前罗拉钳口的传递，使 第二章传统涡流纺和喷气涡流纺流场分析 得纤维须条是以平行松散的带状纤维束，输送到空心锭子前端。纺纱器的四个喷射 孔4 与锥形圆锥管道上圆形涡流室3 相切，形成旋转气流，并沿空心锭锥形顶端在 锥形通道旋转下移，从排气孔排出。当纤维的末端脱离喷嘴前端的螺旋引导面和针 状物的控制时，由于气流的膨胀作用，对须条产生径向的作用力，依靠高速气流与 纤维之i n j 的摩擦力，使之足以克服纤维与纤维之间的联系力，从而达到分离成单纤 维的目的。须条的纤维相互分离，产生大量的边缘纤维( 头端自由纤维) ，从而产生 自由端，覆盖在空心锭子7 上。同时对短绒也有清除作用。纤维的另一端根植于纱 体内，在空心锭子入口的集束和高速回转涡流的旋转作用力的共同作用下，使边缘 纤维( 头端自由纤维) 沿着锭子旋转，当纤维被牵引到锭子内时，纤维沿着锭子的 回转而获得一定捻度。纤维束沿着锭子包缠的角度及回转角度都是可以控制的，实 现了高速纺纱并最终纤维束完成凝聚和加捻成纱。 毒 s 卜棉条2 一涡流3 一空心锭子4 一纱线5 - r 3 i 纱 图2 - 9m v s 纺纱原理 纤维导入孔是逐渐减小的螺旋走向，在这段区域内纤维束呈集束状态稳固前进， 当纤维束到达导引针位置时，突然受到涡流的作用，在涡流的作用下纤维束绕涡流 管中心高速旋转，导引针的存在阻止了捻度的上传。山于纤维束的密度远大于空气 的密度，使得纤维产生离心力作用，涡流场中的纤维必然向外侧运动。这时可以把 前罗拉钳口和引纱管入口看成两个握持点，在离心力的作用下，纤维束中长度小一 于前罗拉钳门到引纱管入口距离的纤维就从纤维束中分离出来，分离出来的纤维一 端被握持在正在形成的纱线中，另一端呈自山状态随着涡流的旋转而旋转，这就是 自由端纤维：而长度大于l 的纤维两端分别：i j ：i ! j ，j i 罗拉和诈在形成的纱线的控制一f 保 持集束状念i ，j 进引。纤维进入加捻区后，红引导面和引导针的引导下i 订端进入空心 青岛大学硕士学位论文 锭子项孔，纤维后端在气流的作用下，向四周扩散，脱离须条主体，形成自由端， 自由端须条在涡流的作用下被加捻成纱h 3 1 。引导针除引导纤维外，还有分离纤维的 作用。值得指出的是，进入加捻区的纤维并不是全部凝聚成了自由端须条，仍有一 部分纤维没有断开，这部分纤维形成了无捻或少捻的芯纤维。在其成纱过程中，存 在着分离、凝聚、加捻等自由端纺纱的特征。 纤维束在涡流管内的输送过程中，不仅要求保持和提高运动中纤维的定向和伸 直，而且还要求纤维呈单纤维状态。因此涡流管的前端逐渐收缩，使气流速度逐渐 增大，从而使纤维产生加速运动而产生伸直作用。进入到中空室后，涡流的作用带 动纤维束旋转，但涡流的切向速度远大于纱条的回转速度，气流对纤维的推力是纤 维回转加捻的动力。连续纺纱时，纱条以引纱速度不断输出，自由端纤维随涡流回 转而获得捻回。气流对纤维束的推力和纤维束对气流的阻力是大小相等，方向相反 的。在成纱过程中，自由端纱尾的受力尤为重要。自由端纺纱，在形成自由端纤维 之后，就是要通过自由端纱尾的受力使之加捻成纱的。自由端纱尾的受力还有助于 减少自身的断头，保证纺纱过程的连