（纺织工程专业论文）集聚纺纱系统中的气流问题研究.pdf

摘要 摘要 采用集聚纺纱技术，能有效减少纱线毛羽、提高纱线强力、大幅度提升纱线品质， 和纺织面料的档次，目前已成为国内纺织界研究与开发的热点，被称为2 l 世纪纺纱新技 术。 本课题在改造的国产e j m l 2 8 k - s m 型细纱机上进行实验研究。针对有关负压和气流的 各项问题进行分析实验。通过对集聚原理和集聚区流场分析，集聚部分的气流分布规律， 集聚区集聚效果的研究，以及对集聚吸风装置周围流场分布的研究、测试和分析，得到 负压等因素对异形管周围流场的影响规律。并通过实际的纺纱试验，验证集聚气流对纱 线性能的影响。本课题的研究工作将对在国产环锭细纱机上进行集聚纺纱技术的应用产 生积极的影响。 主要研究内容包括： l ，对集聚区须条的受力和运动情况以及异形管吸风槽流场性质与特征进行了理论分 析。通过对吸风槽表面和吸风槽1 ：3 附近气流速度和压力的测试，总结出集聚区流场的分 布规律。 2 在异形吸风管的右半部分的表面上打孔，分别测试深度为l 、4 、8 、1 3 、1 9 、2 5 硼 处的风速和风压。进行分析，得出负压吸风管内部流场的分布规律。为异型吸风管的设 计改进提供了理论依据。 3 通过实纺纱线，并对纱线性能进行测试，分析网格圈、负压等影响气流的关键因 素对成纱质量的影响。并比较同一吸风管上的六锭纱线性能的差别，进一步验证锭间差 异对成纱质量影响较小。 4 论述了大风机系统的使用、集聚纺纱中的噪音、气流的传输管道等问题。 关键词：集聚纺纱；集聚区；异型管：流场分布；负压：流速 a b s t r a c t o nc o m p a c ts p i n n i n ga p p a r a t u ss t u d y ，t h em a i np u r p o s ei so nt h ec h a n g eo ft h es p i n n i n g c r a f tt om e e tt h er e q u e s to ft l l eh i g hg r a d ef a b r i ca n dw e a v e i th a sa l r e a d yb e c o m et h ef o c u s s t u d yb o t ha th o m ea n da b r o a d a n di ti sr e g a r d e da san e ws p i n n i n gt e c h n o l o g yo f 21c e n t u r y t h ee q u i p m e n to ft h ec o m p a c ts p i n n i n gi st h er e c o n s t r u c t e dd o m e s t i ce j m i2 8 k - s mr i n g s p i n n i n gf r a m e t h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e dw i t ht h ep r o b l e mo fn e g a t i v ep r e s s u r ea n d a i r f l o w t h r o u g ht h ea n a l y s i sf o rc o m p a c t e dp r i n c i p l ea n df l o wf i e l d ，r e s e a r c h i n gt h e c o m p a c t e de f f e c t ，r e s e a r c h i n gt h ed i s t r i b u t i o no fa i r f l o ws u r r o u n d i n gt h ee q u i p m e n to fs u c t i o n t u b e a n do b t a i nt h ed i s t r i b u t i n gr u l eo ft h ea i r f l o wf i e l d ，t h ee f f e c tr u l eo ft h es u r r o u n d i n g s u c t i o nt u b eb yt h en e g a t i v ep r e s s u r e b yp r a c t i c a ls p i n n i n g ，v e r i f i e dt h ey a r np e r f o r m a n c e e f f e c to fc o m p a c t i n ga i r f l o w t h er e s e a r c hw o ko ft h i st h e s i sw i l lp r o d u c ep o s i t i v ei n f l u e n c e s o nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no fc o m p a c ts p i n n i n gt e c h n o l o g yt ot h er e f o r mo fd o m e s t i c c o n v e n t i o n a lr i n gs p i n n i n gf r a m e t h ep r i m a r yr e s e a r c hc o v e r a g es h o wt h a t ： 1 t h es t r e s sa n dm o t i o n so ff i b e rb a n di nc o m p a c tf i e l da r ed i s c u s s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c o ft h es u c t i o nt u b er a b b e ti na i r f l o wf i e l da r ed i s c u s s e d b yt e s tt h ev e l o c i t yo ff l o wa n d p r e s s u r eo fe o m p a e tf i e l d ，t h ed i s t r i b u t i o nr u l ei sf o u n d 2 b yp e r f o r a t i o no nt h er i g h th a l fo fs u c t i o nt u b e ，t h en e g a t i v ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yo f f l o wa r et e s t e di nd e p t h t h et e s tp o i n ti s1 、4 、8 、13 、1 9 、2 5 m m t h er e s e a r c ha r ed i s c u s s e d ， o b t a i nt h ea i r f l o wd i s t r i b u t i o nr u l ei n s i d es u c t i o nt u b e t h et h e o r e t i c a lb a s eh a sp r o v i d e dt o d e s i g na n di m p r o v e t h es u c t i o nt u b e 3 b yp r a c t i c a ls p i n n i n g ，a n dt e s tt h ep e r f o r m a n c eo fy a m ，a n a l y z e dt h ek e yf a c t o r s a f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fc o m p a c t - s p u ny a r n ，s u c ha sl a t t i c ea p r o n ，n e g a t i v ep r e s s u r ea n d s oo n c o m p a r et h ec o m p a c t - s p u ny a mq u a l i t yo fs i xs p i n d l e so nt h es a m es u c t i o nt u b e t h e c o n c l u s i o n ，al i t t l ee f f e c to fy a mp e r f o r m a n c e “t 1 1s i xr a b b e t s ，i sf u r t h e rv e r i f i e d 4 t h i sp a r td e a lw i t ht h ep r o b l e m so fb i gf a nb l o w e r , s o u n di n s u l a t i o ni nc o m p a c t s p i n n i n ga n da i rt r a n s i tp i p e l i n es y s t e m ，e t c k e yw o r d s ：c o m p a c ts p i n n i n g ；c o m p a c tf i e l d ；s u c t i o nt u b e ；d i s t r i b u t i o no ft h ea i r f l o w f i e l d ；n e g a t i v ep r e s s u r e ；v e l o c i t yo ff l o w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 二厶， 签名： 5 l 纫! ! 二鱼日 期：丛退车主佥幽 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将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、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 导师签名： 日期： 知一矸 小一笔 丝惭 一 里二里丝丝 第一章绪论 1 1 传统环锭纺的优点及缺陷 1 1 1 传统环锭纺的优点 在过去的数十年中，人们开发了各种新型纺纱工艺以期获得较高的单纱产量。转杯 纺和喷气纺就是其中的两种新型的纺纱方法，它们在提高纺纱速度，获得较高的单纱产 量方面具有显著的成效，然而它们依然无法取代环锭纱，环锭纱的质量仍然是无可争议 的。对于每一种纺纱系统来既，在提高产量的同时势必会影响成纱质量。到目前为止没 有一种新型纺纱系统在其应用领域中具有像环锭纺那样的适应性。环锭纺尽管存在许多 缺陷，但它的成纱质量仍是其它新型纺纱系统无法比拟的。而随着生活水平的提高，人 们更重视的是产品的质量，因此只在生产速度方面得到提高远远不能满足目前纺织系统 的需求。总之，环锭纺的成纱质量优势仍然是其它纺纱系统无法比拟的。 1 1 2 传统环锭纺存在的问题 在传统纺纱系统中，纤维束经过牵伸区牵伸后，被拉细到所纺的支数，但在前罗拉 钳口引出时纤维束仍有一定宽度，比所纺细纱要宽很多。因此，引出后的纤维束到加捻 成细纱的加捻点之间形成加捻三角区。纤维进入三角区中基本上失去控制，从而对纺成 的纱线质量造成一定的影响瞄。 由于纤维在纺纱三角区中的运动基本上是失控的，因此有以下三种情况发生：( 1 ) 纤维完全脱离三角区形成飞花，据测在传统环锭纺纱中细纱车间8 5 的飞花是这部分纤 维形成的。( 2 ) 纤维进入三角区加捻时纤维的一端会伸出纱体外而形成毛羽，据测3 m m 以上的毛羽约有8 5 是纺纱三角区造成的。( 3 ) 纤维柬经过三角区全部被加捻成纱。在 纺纱三角区中，三角形两边的纤维比三角形中间的纤维承受较大的张力，因此纺出来的 纱在受到负荷时，不能被全部纤维平均负担，三角形两边的纤维先断裂，使细纱强力达 不到应有的水平。此外在加捻过程中，从纺纱三角区散落的纤维不仅影响纱线的物理性 质，而且也影响了纺纱的制成率口1 。 综上所述，环锭细纱机纺纱三角区的存在不仅产生大量毛羽，而且使许多有效纤维 散落形成飞花。此外，由于纺纱三角区中纤维承受张力不同，成纱后纱线断裂强力达不 到应有的水平，影响纱线平均强力，因此纺纱三角区的存在对纺纱质量有很大的影响。 针对毛羽问题，各国纺织界专家们一直在分析、研究、试验，力图找到一种新的行之有 效的解决方法。目前，基于传统环锭细纱机纺纱原理发展而成的集聚纺纱技术( c o m p a c t s p i n n i n go rc o n d e n s e rs p i n n i n g ) 成功解决了成纱毛羽问题。集聚纺纱技术是环锭细 纱机的重大革新和创造，它作为环锭纺最具标志性进展的技术进步受到纺织界人士的普 遍关注，产品受到市场广泛欢迎，发展势头迅猛脚。 1 2 集聚纺纱技术的原理与发展现状 1 2 1 集聚纺纱技术的原理 在传统的环锭细纱机上，须条在牵伸区内经罗拉加压呈扁平状，当从前罗拉钳口输 出时存在一个明显的宽度，由于下部纱条已在钢丝圈的作用下高速回转加捻，此时钳口 黑z 厂髓冒 图1 1 传统环锭纺纱技术和集聚纺纱技术纱线的区别 如图卜2 所示为传统环锭纺和集聚纺在纱线形成时的区别，牵伸后纤维束宽度为b ， 进入加捻三角区的纤维束宽度为b 传统环锭纺中b b 而且b 较宽，这就意味着加捻三角 区不可能把纤维束的每根纤维都聚拢捻合到纱线之中。这就造成纤维束的许多边缘纤维 或者脱落掉或者以各种方式杂乱地附着在已经加捻的纱体上，形成毛羽。纺纱三角区的 存在是形成纱线的毛羽产生的主要原因。而集聚纺纱d p b = b 而且b 较窄，加捻区减小或消 失，几乎纤维束的每根纤维都能集聚到纱体中，形成毛羽少，强力高，条干好的集聚纺 纱线。 ( b ) 传统环锭纺 ( b ) 集聚环锭纺 图卜2 集聚纺纱原理 2 第一币缔论 集聚纺纱系统中，在牵伸装置的前钳口前方增加集聚区和输出钳1 3 ，集聚区由滤 网、倾斜的吸风狭槽和吸风系统组成。牵伸前钳口输出的须条进入集聚区，受空气负压 作用被吸附在滤网对应狭槽的部位，滤网回转带动须条向前移动至输出钳1 2 1 ，在吸风狭 槽区域内的纤维在负压作用下集聚在一起，在集聚过程中，因狭槽与前进方向有一定的 倾斜角度，须条移动时因受到吸风的横向引导而绕其自身轴线回转，这个转动包裹的动 作保证纤维尾端完全裹入须条协3 。良好的纤维集聚和均匀的纤维排列、使纱线毛羽明显 减少、纱线中纤维得到充分的利用，纱线强力高，伸长好。 1 2 2 集聚纺纱技术的发展现状 1 国外集聚纺纱技术的现状 上世纪8 0 年代末，e f e h r e r 博士提出了消除纺纱三角的集聚纺纱工艺，自此一些国 外纺机制造厂商研究机构相继研发出了各种形式的集聚纺纱装置口1 。在1 9 9 9 年巴黎i t m a 展会上，r i e t e r 公司展出应用f e h r e r 的尘笼原理开发的c o m f o r s p i n ( 卡摩纺) 集聚纺系统： s u e s s e n 和z i n s e r 则应用d e n k e n d o r f 纺织技术研究院的a r t z t 原理开发了e l i t e s p i n n i n g 和c o m p a c t 集聚纺系统并随即推入市场“训。由于消除纺纱三角区，纱线纤维排列结构发 生了改变，这些集聚纺纱机纺制的集聚纱纱体光洁，强度、均匀度提高，纱疵、毛羽尤 其长毛羽减少，纱线质量明显提高n 。接着国外许多纺机企业着手研究环锭细纱机上的 纤维集聚技术，如德国s u e s s e ne l i t e 纺纱系统，德国z i n s e ra i r c o m t e x 纺纱系统，瑞士 r i e t e rc o m f o r s p i nk 4 4 纺纱系统，日本t o y o t ar x 2 4 0 n e w - e s t 纺纱系统，瑞士r o t o r c r a f l r o c o s 型机械式集聚纺纱系统引。 集聚纺纱装置型式多样，集聚原理不尽相同，可根据是否带有气流装置分为气流集 聚型集聚纺纱装置和非气流集聚型集聚纺纱装置两大类引。 气流集聚型集聚纺纱装置是利用负压气流将须条边缘的纤维向须条中心集聚，最大 限度地减少纺纱三角区，从而大幅度减少毛羽，提高纤维强力的利用系数和成纱强力。 气流集聚型集聚纺纱装置根据集聚元件的不同可细分为罗拉集聚型、皮辊集聚型、胶圈 集聚型和网格圈集聚型。其中网格圈集聚型的又分为罗拉阻捻式和吸风组件阻捻式。罗 拉集聚型的代表为瑞士立达( r i e t e r ) 公司的k 4 4 型纺纱系统，皮辊集聚型的代表是山西鸿 基槽聚型集聚纺纱装置，胶圈集聚型的代表是德国青泽( z i n s e r ) 公司的a i r c o m t e x 纺纱系 统，吸风组件阻捻的网格圈集聚型的有日本丰田( t o y o t a ) 公司r x 2 4 0 n e w e s t 纺纱系统、 意大利马佐里( m a r z o l i ) 公司的o l f i l 纺纱系统和浙江日发的集聚纺纱装置，而吸风组件 阻捻的网格圈集聚型的代表则是德国绪森( s u e s s e n ) 公司的e l i t e 纺纱系统u 。 非气流集聚型集聚纺纱装置是利用固体集棉器将纤维收缩、聚拢，使须条边缘的纤 维快速有效的向须条中心集聚，最大限度地减少纺纱三角区，从而大幅度减少毛羽。非 气流集聚型不需要外加风机抽真空，改造方便，可省去气流能耗成本。非气流集聚型的 代表是瑞士r o t o r c r a f i 公司的r o c o s 集聚纺纱装置n 引。 本课题采用的是德国绪森( s u e s s e n ) 公司的e l i t e 纺纱系统。如图卜3 所示，e l i t e 集聚纺纱装置是在前罗拉1 和前皮辊2 前面增加了一个集聚区。前罗拉前加装一根异形 截面吸风管3 ，吸风管在对应锭位的位置开有狭长吸风槽。吸风管与引出皮辊4 组成控 江南大学硕士学位论文 制钳口，起握持及阻捻作用。引出皮辊通过过桥齿轮由原来的前上皮辊传动，前皮辊、 引出皮辊和过桥齿轮5 由罗拉盒构成一个紧凑型组合件，能方便的从摇架拆装。吸管下 方有一钢质撑杆6 ，网格圈7 套在异形吸风管和撑杆上由引出皮辊摩擦传动回转。 367 1 图1 3 绪森e l i t e 集聚纺纱装置 1 一前罗拉：2 一前皮辊；3 一异形吸风管；4 一引出皮辊；5 一过桥齿轮；6 一张力撑杆；7 一网格圈 绪森公司的e l i t e 集聚纺纱装置是在传统的牵伸装置前面增加一套气动集束装置， 结构简单合理，集聚装置的元件可以单独拆装及维修而不会影响总体牵伸部分，并且拆 装、调整及维修简便。加压装置主要靠板簧加压，不同于一般s k f 弹簧加压，压力可靠， 而且上胶圈架不会出现歪斜移动，保持了精确的罗拉钳口与胶圈钳口的浮游区距离，这 是一般弹簧加压所办不到的。因此牵伸效率高，牵伸倍数较大并精确，可直接生产高支 纱。异形截面吸风管表面在每个纺纱部位都开有斜向吸气槽，吸风狭槽方向相对纤维束 运动方向有一定的倾斜角( 约2 5 。) ，使须条在运动中产生横向凝聚，便于纤维的轴向旋 转并向纱轴靠拢集聚。异形吸风管表面有一层耐磨涂层，网格圈能在异形吸风管上按照 设计速度准确滑动回转n 6 坩1 。吸风管的流线形设计使纱线在前罗拉表面的包围弧完全消 失，也就是须条离开牵伸钳口后立即受负压气流的作用被吸附在多孔网格圈靠近吸风狭 槽的部位并向前输送到控制钳口，再加上引出皮辊加压较小( 压力能保证有效阻捻即 可) ，使纺纱三角区大大减小，可纺性较高。引出皮辊与前皮辊存在一定的牵伸( 牵伸比 为1 0 5 1 0 8 ) ，须条受到纵向牵伸作用，弯曲的纤维被拉直，提高纤维伸直平行度， 确保纤维在吸风狭槽部位受到负压作用而有效集聚n 们。 2 国内集聚纺技术的现状 2 0 0 4 年1 0 月第九界中国国际纺织机械展览会( c i t m e 2 0 0 4 ) 上，有1 0 个厂家展出 了集聚纺纱机，从此集聚纺纱技术在世界范围内进入应用普及阶段啪1 。 鉴于集聚纺技术的先进性和集聚纱的优异性能，我国很多棉纺企业不惜重金引进国 外集聚纺细纱机或是对现有的普通环锭纺细纱机进行集聚纺技术改造，但平均每锭1 0 0 0 元的不菲投入使许多中小企业却步。与传统纺纱技术相比，集聚纺设备能耗与传统设备 差不多，但产量比传统设备提高了1 0 - - - 1 5 ，用电量增大，并增加了易损件的成本乜。 目前我国研制生产集聚纺的厂商已有不少，主要有：经纬纺织机械股份有限公司榆 次分公司的j w f l 5 3 0 型集聚纺细纱机，该机采用了s u e s s e n 公司的环锭集聚纺装置，具 有高速、节能的特点，锭速达到2 5 0 0 0 r m i n ，可节能2 0 ，技术性能已达到国际先进水 蔓二苎堑丝 平。上海二纺机股份有限公司的e j m 9 7 1 ，环锭集聚纺纱装置已获得了国家专利，是具有 自主知识产权的产品。还有浙江泰坦股份有限公司与东华大学联合研制的t j 8 5 6 6 集聚 纺纱机，浙江日发纺织机械有限公司的r f c s 5 1 0 集聚纺纱机，山西鸿基实业有限公司的 s x f l 5 8 8 型集聚纺细纱机，上海市纺织机械研究所的k j f 系列集聚纺装置等心铂。我国集 聚纺设备成本要比进口设备便宜很多，但诸多纺织企业对国内刚刚起步的集聚纺技术仍 有疑虑，我国集聚纺技术的研发工作还任重道远。 而今，集聚纺的知名度大幅提升，具体的应用范围逐步地扩大，从溢达、鲁泰这些 国内的大企业在2 0 0 0 年左右最初投产的几万锭，发展到目前一批企业不断跟进增加， 达到几十万锭的能力，甚至喊出几百万锭的目标。国内装置研制和改造趋于成熟，和市 场需求的增加都促使集聚纺技术在中国的发展渐渐进入状态他3 1 。 在研究领域，国内也取得了很大的成就，这其中有东华大学的研究生吴玉彩和汪军 老师乜们研究了在国产f a 5 0 2 环锭细纱机上进行棉型集聚纺，并且通过实验得出了适合不 同纱支的负压值和异形管斜槽的宽度和倾角。东华大学的研究生周水平和杨建平、汪军 老师1 从理论分析入手，通过对使用异形管做集聚装置的棉型集聚纺集聚区须条运动受 力情况的分析，建立须条在集聚区内运动的受力模型，求解模型，对影响模型结果( 附 加捻度、须条张力) 的各因素进行理论分析和实验验证选取细纱3 6 - 9 m m 毛羽、细纱的 断裂强力、细纱的断裂伸长作为细纱的评价指标，探讨集聚纱附加捻度与细纱质量间的 关系。江南大学的研究生苏旭中、冯杰、杨丽丽和谢春萍教授口7 哺1 通过对网格圈的性能、 牵伸上罗拉部件以及紧密赛络纺成纱机理及关键部件的研究，建立了独立的集聚纺细纱 机国产化改造的系统，极大地推动了国内集聚纺技术的发展。另外，东华大学的研究生 周志华和程隆棣老师汹1 通过使用细纱机上安装一个槽聚型集聚罗拉，通过纺纱张力和槽 聚型集聚罗拉的共同作用改变了加捻三角区，从而使得纱线结构发生了改变。与国外集 聚纺纱装置相比，槽聚型集聚纺纱装置采用了完全不同的原理，并且对槽聚型集聚纺纱 技术的加捻机理的机构作用原理进行了探讨。 1 3 集聚纺纱技术的优势和存在的问题 1 3 1 集聚纺纱的优势 集聚纺在纺纱工序中占有一定的优势，对于纺纱企业来说集聚纺纱技术的优势来自 两个方面：一是纱线价格有所提高，二是企业内部生产成本的降低。企业的利润则是两 方面的综合体现口训。集聚纺纱线毛羽少，纤维平行取向度好，纤维整体结构性好、取向 规则，使得纤维利用率高，纱线性能好，单纱强力、伸长率、耐磨性能大大提高。文献 数据口门显示：强力提高达2 0 左右，伸长率提高达2 0 左右。因强力提高可适当减小纱 线捻度提高纱线产量。在合股纱线中，对集聚纱来讲，达到相同的纱线强度捻度可降低 1 0 , - - , 2 0 ，合股捻度也相应降低，合股费用就可降低。捻度的降低可以提高细纱机的产 量，而纱线强力高，断头比传统环锭纺降低5 0 左右，停机时间减少也可以提高产量和 劳动效率。捻度的减少还可以降低锭速，有利于降低机件损耗成本。在混合棉纺纱时要 达到相同的纺纱质量可以适当的降低混合棉成本，如果采用相同的混合棉，纱线品质指 标则可以提高1 5 - - 2 0 。由于纱线质量提高，同纱支的集聚纱售价可比传统环锭纺纱线 5 江雨人学坝f ：学位论义 高出1 0 2 0 。尽管集聚纺设备投资和维护成本较高，但由于生产成本的降低和售价的 提高，从理论上讲利润仍然较高，经济效益显著。 集聚纺纱线在下游工序中也占有绝对的优势，纱线的下游工序包括络简、染纱、整 经浆纱织造、针织、染整、印花等。在这些工序中集聚纺纱线保持了其优良的性能，提 高了加工效率和质量，降低了加工成本，并且提高了终端产品的档次，缓和了加工过程 中产生的污染问题，。具体表现在以下方面： 1 在同样的络筒条件下，集聚纺筒子纱毛羽值明显比普通环锭纱低很多，长毛羽尤为 明显。由于集聚纱具有更好的抗滑移性，意味着可采用更高的络简速度。 2 集聚纱强度提高，毛羽减少，整经时断头率最大可降低3 。在保证与提高经纱可织 性的条件下，集聚纱要求的上浆率仅为普通环锭纱的5 0 。不仅节约了浆纱成本，退浆成 本和对环境的污染也随之降低。 3 由于集聚纱具有更好的可加工性，机织中经纬纱的断头率可分别降低5 0 和3 0 ， 同时引纬率可提高3 0 ；针织时断头率低，停机少，织物疵点也少，可提高织机效率。 某些产品还可免去常规的上蜡工序，节省了成本，集聚纱更适于经编，因为经编机上纱 线将承受因大量的偏转点而造成的高载荷及高摩擦阻3 1 。 4 由于集聚纱毛羽少，可以部分或全部省去烧毛工序，或者烧毛时采用更快的进布 速度，提高生产效率；集聚纱的纤维结构及较低的捻度有利于染料及整理剂的吸收，低 毛羽使得印花图案更加清晰；集聚纱的较高强力还可以弥补织物在免烫整理过程中产生 的强力损失。 5 集聚纱毛羽少，在印花过程中不容易堵塞网眼，减少了印花中染料的用量，提高 了印花的渗透率，使印花轮廓更清晰。 6 集聚纱织物的风格更具光泽，纹路清晰，尤其是色织物可以长期保持鲜艳色泽及 外观；织物表面起毛起球少；断裂功的增强使织物的耐磨性和回弹性也得到了改善，服 装的耐久性和免烫性提高；集聚纱较低的捻度使织物的手感柔软，服用性提高，适合织 造高档面料，。 1 3 2 集聚纺纱存在的问题 集聚纺纱虽然在纱线质量上占有优势，但仍然存在许多制约其发展的因素。 1 正确认识加捻三角区的作用。普通环锭纺纱的加捻三角区是客观存在的，在三角 区内，须条经向纤维的应力应变不同，使纤维发生内外层转移，形成了环锭纺特有的纱 线结构，不同性能的纤维，发生转移的情况是不一样的，利用纤维在纱条经向的分布规 律，可采用适当的原料选配获得理想的服用性能。当然，三角区的纤维在转移过程中， 纤维头端被挤出纱条便形成了毛羽。可见，普通环锭纺纱和集聚纺纱都有自己的成纱特 点。集聚纺作为一种新型纺纱技术，其成纱特点和经济投入更适合一些高档纺织品。普 通环锭纺纱线因加捻三角区的作用，形成了独特的纱线风格，加上其成熟的加工工艺技 术，在定的产品范围内具有自己的地位和作用。因此，集聚纺和环锭纺应该有不同的 品种和市场定位。 2 充分利用集聚原理，合理控制集聚程度。集聚纺的技术原理实质上是对前罗拉输 6 弟一荦鲔论 出处的纤维进行集聚，产生集聚作用的方式应该是多样的，如上面提到的几种技术。在 进行研究开发时不应拘泥于国外的技术，应根据其作用原理，努力发明新的纤维集聚技 术。另一个关键问题是如何控制纤维的集聚程度，如吸风系统的负压与流量，锭间差异， 集聚器材选择，集聚区域的气流清洁等问题。可以想象负压气流在集聚纤维时须条同时 受到一定的张力，这个张力可能会改变纤维在须条中的排列，甚至须条产品附加捻度， 从而影响最终产品。另外，不同性状( 长度，细度，长度细度的整齐度，纤维和纱线品 种等) 的须条所需的集聚程度是不同的，如何根据各种因素，方便地控制集聚程度是集 聚纺获得较好效果的关键。 3 不同长度的毛羽产生的影响是不一样的。长毛羽对生产和产品产生的危害是显而 易见的，而长度小于2 m m 的基本毛羽在纱线表面产生了良好的覆盖作用，有利于保持纱 线的原有风格口剐，因此，集聚纺在减少纱线毛羽时，对不同长度的毛羽应有不同的作用 效果，这样才能获得更好的纱线和织物的服用性能。 4 国外生产厂家生产的集聚纺纱系统加工复杂、成本高、造价高，不便普及m 1 。即 使在国内设备上改造，因为改变很多，增加传动部件多，也会比较复杂，并且外观也不 够简洁合理。要想在国内实现集聚纺，又要克服造价过高的问题，对国产环锭设备的改 造是解决问题最根本的途径。 5 目前国内对细纱机的改造以及对集聚纺技术的研究都取得了很大程度的进展，但 是对于集聚纺纱装置中吸管流场气流分布问题还少有问津，大部分的研究是在国外机型 的基础上，模仿其形式进行参数优化。然而对气流式集聚纺纱装置来说气流的分布及其 影响因素是非常重要的，所以了解流场的运动状态及性质很有必要。 1 4 课题的目的、意义和内容 1 4 1 课题的目的、意义 传统环锭细纱机随着行业进步，已不能完全满足下游加工质量的需要，因此加快集 聚纺国产化改造和产品开发的力度，对保持和提升我国纺织业在国际纺织品市场的重要 地位具有积极意义。集聚纺是环锭纺技术领域的一项重大革命，它具有更佳的纱线质量 和独特的纱线结构，既是对纺纱技术与设备水平的提升，也为成纱质量提高和产品风格 的多样性提供了可能，具有良好的市场前景。加强对集聚区的流场的测试研究，对集 聚纺成纱原理的研究从而自主设计开发集聚纺装置有着深远的影响。气流问题是集聚纺 纱中的主要问题，加强对气流问题的研究可以使集聚纺纱技术更加完善，有利于提高纱 线的性能和提高能源的利用效率，对国民经济的发展具有重要的意义。 本课题在改造的国产e j m l 2 8 k s m 型细纱机上进行实验。针对有关负压和气流的各项 问题进行分析实验。对集聚原理和集聚区流场分析，进行集聚区集聚效果的研究，以及 对集聚吸风装置周围流场分布的研究、测试和分析，从而得到集聚部分的气流分布规律， 以及负压等因素对异形管周围流场的影响规律。并通过实际的纺纱试验，验证集聚气流 对纱线性能的影响。本课题的完成将对同类型的集聚纺纱装置的参数设置及研究有指导 意义。 望堕叁兰堡圭堂垡堡苎 1 4 2 课题研究的主要内容 1 对集聚区须条的受力和运动情况以及异形管吸风槽流场性质与特征进行理论分 析。通过对吸风槽表面和吸风槽口附近气流速度和压力的测试，总结出集聚区流场的分 布规律。 2 在异形吸风管的右半部分的表面上打孔，分别测试深度为l 、4 、8 、1 3 、1 9 、2 5 n 仰 处的风速和风压。进行分析，得出负压吸风管内部流场的分布规律。 3 通过实纺纱线，并对纱线性能进行测试，分析网格圈、负压等影响气流的关键因 素对成纱质量的影响。并比较同一吸风管上的六锭纱线性能的差别，进一步验证锭间差 异对纺纱的影响。 4 论述了大风机系统的使用、集聚纺中的噪音、气流的传输管道等问题。 8 弟二荦集聚区派场的研冗 第二章集聚区流场的研究 2 1 集聚区须条的运动分析 2 1 1 集聚区须条的集聚过程 异形吸风管内部处于负压状态，须条从前罗拉钳口走出，就立即被斜槽s 1 端的吸 风捕获，吸附在网格圈的表面上，随网格圈向前运动，由于斜槽吸风的作用，须条还同 时沿网格圈的表面滚动。在这两种运动的共同作用下，须条集聚在一起并沿斜槽的方向 运动至网格圈的钳口线。网格圈加压皮辊的直径比前罗拉加压皮辊的直径大一些，目的 是在集聚过程中使被集聚的须条产生纵向张力，将弯曲的纤维拉直，保证须条最佳的集 聚效果汹。须条沿网格圈表面滚动有利于纤维头端更好地卷入须条主体中。纤维束的集 聚情况如图2 - 1 所示。 粗纱往复动程 风 线 图2 - 1 集聚纺中纤维束的集聚情况图 对于使用不同原料和纺制不同粗细的纱线可采用不同斜槽长度和倾斜角度的吸风管 以及设定不同大小的风压风速，以达到最佳的运行条件。网格圈采用极为耐磨的材料制 成，其微孔有不同的规格，适用粗细不同的纱线。 2 1 2 集聚区运动须条的分段分析 须条离开前罗拉以后，因吸风斜槽相对于前罗拉吐出须条所在直线有一个小的夹角 ( 须条第1 部分) ，须条在负压的作用下产生扭转，须条也从扁平的椭圆形截面变为圆形 截面( 须条第1 i 部分) 。此后，在因负压而产生的摩擦力作用下继续绕其轴向回转直到前 握持点( 第1 i i 部分) ，如图2 - 2 所示啼引。 9 江南大学硕士学位论文 钳口 须条 出 方向 钳口 图2 - 2 须条在集聚区运动的示意图 2 1 3 集聚区须条的运动速度分析 如图2 3 所示口引，须条从前罗拉钳口走出后，立即被斜槽内的吸风透过网格圈而捕 获后即随同网格圈向前运动，此为集聚区须条的牵连运动；由于斜槽与网格圈的运动方 向有一倾斜角度口，在吸风吸力的作用下，须条还同时沿着垂直于斜槽方向且紧贴于网 格圈表面进行滚动，此为须条的相对运动。在牵连运动和相对运动的共同作用下，须条 最终沿着斜槽的倾斜方向向前运动，此为须条的绝对运动。因此，集聚区须条的绝对运 动速度可分解为须条随网格圈对须条的牵连运动速度k 和须条在网格圈上的滚动所 引起的相对运动速度v r ：屹的方向沿着网格圈的前进方向，而v ，的方向则垂直于斜槽的 倾斜方向，从而最终使得屹的方向沿着斜槽的倾斜方向。 l v 2 v 竹罗拉 s l 罔格 | l ， 异形吸管 套圈， ， ，j 、上 吸风 | l 狭橹 埔 ， ，怙咱格2 他 ， 纱线 j 夹持点 1i 厶 r l n 谶 纱线输出方向j 咱橹2 吩茂 图2 - 3 集聚区须条运动的速度合成简图 2 1 4 异形吸管上斜槽倾斜角度o f 的确定 在须条稳定运动的条件下，集聚区内的须条向前运动，同时由于吸风的作用还绕其 自身轴线滚动。为了保证集聚过程中须条中的纤维处于伸直状态，必须使屹：v i ( v l 是前 罗拉的输出速度) 。如图2 3 所示： 屹= v l ，屹= 蠹，匕2 三，寺2 磊2 e ( e 一集聚牵伸比) “) 弟二荦粟聚区流场的研冗 又e = 产丝( k 一网格圈加压皮辊的直径，d 细。一前罗拉加压皮辊的直径) r o n l e ：鱼：- l( 2 ) d 脚i c o sc z 根据集聚纺纱经验得知集聚牵伸比e 的范围为1 0 1 , - 一i 0 3 ，从而可知异形吸管斜槽倾角 口的范围为8 0 7 - - 一1 3 8 6 。试验表明在e = i 0 1 7 ，口= 1 0 5 0 时，纺出的集聚纱除毛羽和 单纱强力大幅度改善之外，条干也优于传统的环锭纱“们。 2 1 5 集聚区内须条的附加捻度及成纱的最终捻度 在稳定运动条件下，集聚区须条呈圆柱体。从前罗拉钳口出来的纤维头端运动至斜 槽的s 端处，便立即被吸风捕获并迅速捻入须条主体。设集聚区须条的半径为，须条 绕其自身轴线回转的角速度为缈，须条滚动转速为r ，须条绕其自身轴线转动所产生的 附加捻度为7 0 ，如图2 3 所示： v ，= k s i n a ，心= 匕c o s g ，刀= 毒l ( 3 ) 根据瓦= 旦可得附加捻度为：r o = _ t s n 6 。( 捻度方向为z 捻) ，设纺z 捻纱时，环锭 v 口 二hr 细纱机的锭速为吃，钢丝圈所加的捻度t 为： v k = v l ，匕= 上 ( 4 ) c o s a ； 根据t ：丝可得出环锭钢丝圈所加的捻度： 名 丁：坠c o s 口 ( 5 ) 呼 集聚纱的最终捻度臻应为环锭钢丝圈所加的捻度与集聚区的附加捻度之和：& = 丁+ 瓦 从而得出集聚纱的最终捻度为： 臻= 坠c o s 口4 - 罢兰( 捻向为z 捻) ( 6 ) v z 死r 集聚纱的最终捻度与吸管斜槽倾斜方向的关系： 1 异形吸管斜槽的倾斜方向按右上角倾斜时，集聚区须条的附加捻度的方向为z 捻。 当纺制z 捻纱时，集聚纱的最终捻度为珞= 坠c o s 口+ 要翌，当纺制s 捻纱时，集聚纱 v 1 厶h i 的最终捻度为礓：坠c o s 口一昙坚。 m z 万r 2 异形吸管斜槽的倾斜方向按左上角倾斜时，集聚区须条的附加捻度的方向为s 捻。 当纺制s 捻纱时，集聚纱的最终捻度为及：坠c o s 口- i - _ t a n，当纺制z 捻纱时，集聚纱 v 。z 万， 坚堕查兰堡主兰竺丝苎 _ _ i - _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - i - l i _ _ - - _ _ _ _ i _ - _ - _ l i - i _ - _ - - _ _ - l _ - - _ _ _ 。_ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i - - _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ _ - _ - 。_ _ _ 。一。一一 的最终捻度为瓦：1 1 _ _ l c o s g - - _ t a i l z 。 v l 2 z r 由以上两式可知，要实现集聚纱的最终捻度：坠c o s 口+ 粤! 翌，纺制z 捻集聚纱 v l 2 z r 时，吸管斜槽的倾斜方向应按右上角倾斜：纺制s 捻集聚纱时，吸管斜槽的倾斜方向应 按左上角倾斜h 。 2 2 集聚区流场的分布 2 2 。l 异形管吸风槽流场性质与特征的理论分析 无论在自然界或工程实际中，流体的静止总是相对的，运动才是绝对的。流体最基 本的特性就是它的流动性。流体动力学研究的主要问题是流速和压强在空间的分布，而 两者之中流速又更加重要。这不仅因为流速是流动情况的数学描述，还因为流体流动时， 在破坏压力和质量力平衡的同时，出现了与流速密切相关的惯性力和粘性力。其中，惯 性力是由质点本身流速变化所产生，而粘性力是由于流层与流层之间，质点与质点之间 存在着流速差异所引起的。这样，流体由静到动所产生的力，是由流速在空间的分布和 随时间的变化所决定的。因此，要研究在异形管表面流场的分布情况，最重要的是研究 分析流场内速度的分布规律。 异形管表面的流场对纱线的作用可以看作是偶极流绕柱体的流动问题来对待，把纱 线看作是一个圆柱体，把周围流体的运动看作是偶极流与匀速直线流形成的绕柱体流 动，这样纱线的受力情况就比较容易分析，也可以根据流体的运动速度来分析纱线的受 力。所谓的偶极流，就是将等强度的源流和汇流分别放在x 轴的左侧( 一a ，0 ) 和右侧 ( a ，0 ) ，并互相接近，使a 趋向于0 ，但保持原点与汇点之间的距离2 a 和流强度q 的乘积 定值m = 2 a q 。这种流动称为偶极流，m 为偶极矩。偶极流的流簇线如图2 4 所示“2 4 3 。 y ，、 f ，媳辨 捷 鲻二z ，i 。 j 一 图2 - 4 偶极流的流簇线 偶极流与匀速直线流形成的绕柱体流动的流函数为： ms i n0 p 2 v o ，s l n 一一 若把零流线换为物体轮廓线，并设物体轮廓线上r = r ，则： v n ，s i n 0 一ms i n o ：0 ( 7 ) ( 8 ) 第二苹集聚区溉场的研冗 因而将m = 2 ，r v o r 2 代入，流函数表示为： 伊：v o f ，一生、l s i n 口 ( 9 ) 速度分量为： 铲鲁= v o ( t 一势s 目 ， “占= 一c o 生，= - v o ( - + 等 s ；n 口 c - ， 在轮廓线上，伊：0 ，即v 0 f l 一竺1 s i n 秒：o ， 厂= r ( 1 2 ) 流速分量为：u ，= 0 u 一= - 2 s i n o 通过对流场的定性、流场的特征以及流场速度分量的表示可以明确地了解流场中流 体对纱线的作用力，u ，是指向纱线径向的流速，是沿纱线轴向的流速。如果u ，越大， 则指向纱线径向的力越大，越会起到减小纺纱三角区的作用。因此，要研究纤维的凝聚 作用，就要对吸风槽流场的气流速度分布规律及其影响因素进行研究。 2 2 2 沿吸风槽口方向的气流速度场分布测试 异形吸风管上有六个吸风槽1 ：3 ，吸风槽、网格圈和罗拉盒构成集聚纺纱的集聚区。 我们对无网格圈状态下的吸风槽周围的气流速度进行测试。测试仪器为美国t s i 公司生 产的8 7 0 2 型d p - c p 风压风速计，加装软管及探针。集聚区负压由风机提供，大小由变频 器调节。测量所得的速度是水平与垂直方向的合速度。 因为不可能把吸风槽表面的每一点的速度都均匀的测得，我们也对吸风槽表面的位 置进行了精确的划分。如图2 5 所示，在每个吸风槽表面沿纵向等距离由上向下依次分 为1 0 段，每一段为2 m m ，将得n 1 1 个速度值，横向因为距离过于短小，不易得到各点精 确的速度值，只能慢慢的移动测试探头记录左右两端的速度值和最大的速度值。另外， 把异形吸风管表面的吸风槽从左到右依次标定为1 - - - 6 ，如图2 - 6 所示。 江南大学硕士学位论文 _ _ _ - - _ - 图2 - 5 异形管吸风槽纵向刻度划分 1 z 34 56 图2 - 6 异形吸风管槽口编号 根据吸风槽编号将测得的气流速度数据列于表2 1 - - - 2 6 。表中的l 1 1 为对图2 5 所 示等间距划分的点的标注，六个吸风槽都是采用这样的标注。左侧值、右侧值指的是吸 风槽左侧和右侧最靠近边缘处能够测得的速度值，因为理论上由于流体的粘滞性，真正 的左侧和右侧边壁上的点的速度值是