（纺织工程专业论文）喷气涡流纺研究.pdf

喷气涡流纺研究摘要喷气涡流纺是在喷气纺的基础上发展起来的一种新型纺纱方法，它利用喷嘴内部产生的高速涡流对纤维束进行加捻成纱，自从以日本村田m v s 为代表的涡流纺纱机出现后，其优势被普遍认可。这种纺纱方法由于采用高速涡流辅助罗拉牵伸对纤维进行分离，充分利用了气流对纤维的良好控制，使得纤维具有伸直、平行度好的优点，有利地提高了纱线强度。目前国内对喷气纺的研究已经具有一定的深度和广度，但是对喷气涡流纺的研究还很少。由于喷气纺不利于纺制纯棉纱，纯棉纱的强度较低，而喷气涡流纺能够克服这个弱点，因此本课题就主要着力于纯棉纱喷气涡流纺喷嘴结构的研究。实验用的喷气涡流纺喷嘴最初是根据日本村田专利制成的，本课题在借鉴的基础上，通过不断的实验探索和理论研究，明确了成纱机理，改造了喷嘴结构，改制出一种适合纺制纯棉纱的喷气涡流纺喷嘴，使得纯棉纱的强度达到同原料环锭纱的8 0 左右，比喷气纺纯棉纱的强度有了很大提高。文章对该喷嘴装簧的设计进行了详细说明，并对主要组成部分进行了作用分析。进而对该纺纱方法的成纱机理进行了探讨，为了，便于理解，文章先对涡流场内的气体流动特性进行了分析，然后分析了，纤维在喷嘴内的加捻运动和纤维的受力，并且借助高速摄影抽摄了喷嘴内成纱的动态过程，观察了纤维的运动，对成纱机理进行了有利地说明，最后得出该纺纱方法属于不完全自由端纺纱的结论。通过大量的实验摸索出喷嘴的主要结构参数和工艺参数，为了提高喷嘴的实用性，本文以单纱强度和强不匀作为主要的参考指标，对喷嘴主要的结构参数和工艺参数进行大量的优化实验。对于喷嘴的主要结构参数，如螺旋曲面的螺旋角度、导引针长度、喷气孔角度、喷气孔位置等通过单因子实验确定了各个参数对成纱强度的影响，进而对几个结构参数利用正交实验进行优化设计，找到最佳组合的参数值。对纺纱的工艺参数，如纺纱速度、喷嘴气压、前罗拉钳口到喷嘴的距离等通过单因子实验和通用旋转设计进行优化，确定了最佳的工艺参数。最后文章对纺制出来的单纱进行结构的分析和性能的测试比较。将有色纤维混入粗纱中进行纺纱，然后借助示踪纤维浸没描迹法分析纱线中纤维的排列状态，进而又通过电镜拍照分析了单纱表面的纤维排列。为了显示出喷气涡流纱的性能，对喷气涡流纯棉纱与同原料的喷气纱、环锭纱进行了强度、条干、毛羽三方面的对比，发现喷气涡流纱的强度比喷气纱的强度有了很大提高，喷气涡流纱的毛羽明显少于其它两种纱。关键词：喷气纺，喷气涡流纺，喷嘴结构，成纱性能，成纱结构t h er e s e a r c hi na i r j i ! tv o r t e xs p i n n i n ga b s t r a c t sa i r - j e tv o r t e xs p i n n i n gi san e wk i n do fs p i n n i n gm e t h o dd e v e l o p e df r o ma i r - j e ts p i n n i n g ，w h i c hu t i l i z e sh i g h s p e e da i r f l o wp r o d u c e db yn o z z l e st of i n i s ht w i s t i n ga n dw r a p p i n g i t sa d v a n t a g eh a sm a d em o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o ns i n c em u r a t av o r t e xs p i n n e rw a se x h i b i t e d t h i ss p i n n i n gm e t h o du t i l i z e sh i g h s p e e da i r - f l o wt os e p a r a t et h ef i b e r s ，w h i c hm a k et h e s ef i b e r sh a v eb e t t e rs t a t eo fs t r a i g h ta n dm o r ep a r a l l e lt h a na i r - j e ts p i n n i n g ，s ot h ey a ms t r e n g t hc a nb ei m p r o v e dm o r ee a s i l y i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g no ft h i sn o z z l ed e v i c ei sd e s c r i b e di nd e t a i l ，t h ep a r a m e t e r so ft h en o z z l ea n dt h e i rf u n c t i o na r ea n a l y z e d t h e nt h em e c h a n i s mo fa i r - j e tv o r t e xs p i n n i n gi se x p l a i n e d i no r d e rt om a k et h em e c h a n i s mb eu n d e r s t o o de a s i l y , t h ec h a r a c t e r so ft h ev o r t e xf i e l da r ei n t r o d u c e d ，t h e nt h em o v e m e n to ft h ef i b e r si nt h en o z z l ei sa n a l y z e d i na d d i t i o n ，o nt h eb a s i so fh i g hs p e e dp h o t o g r a p h s ，t h em o v e m e n to ft h ef i b e r si so b s e r v e da n dt h em e c h a n i s mi se x p l a i n e da d v a n t a g e o u s l y , a tl a s tw eg i v et h ec o n c l u s i o nt h a tt h i ss p i n n i n gm e t h o di si n c o m p l e t eo p e n e n ds p i n n i n g i n o r d e rt oi m p r o v et h en o z z l es t r u c t u r e ，m a n ye x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt os t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s 、t e c h n o l o g i cp a r a m e t e r sa n dy a mq u a l i t y , e s p e c i a l l yt h ey a ms t r e n g t h s o m es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，s u c ha s ：s c r e wa n g l e ，t h el e n g t ho fn e e d l e ，t h ea n g l eo fa i rh o l e ，t h el o c a t i o no ft h ea i rh o l e ，s p i n n i n gs p e e d ，n o z z l ep r e s s u r e ，t h el e n g t hf r o mt h ef r o n tr o l l e rt ot h en o z z l e ，a r eo p t i m i z e db ys i n g l ef a c t o ra n dc o m b i n a t i o ne x p e r i m e n t s t h e i re f f e c t st ot h ey a ms t r e n g t ha r ea n a l y z e d a tl a s t , y a ms t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c ea r et e s t e da n da n a l y z e d s o m ec o l o r e df i b e r sa r eb l e n d e di nt h er o v i n ga n dt h e nt h ef i b e r s a r r a n g e m e n tc a nb eo b s e r v e db yt r a c i n gf i b e r s t h es u r f a c ea r r a n g e m e n to ft h ey a mc a nb eo b s e r v e du n d e rt h em i c r o s c o p e c o m p a r i n gt h ep e r f o r m a n c ea m o n ga i r - j e tv o r t e xy a r n ，r i n gy a r na n da i r - j e ty a r n ，i tc a nb ef o u n dt h a tt h es t r e n g t ho fa i r - j e tv o r t e xy a r ni sm u c hh i g h e rt h a nt h a to fa i r - j e ty a mb u tl o w e rt h a nt h a to fr i n gy a r n ，a n dt h ea i r - j e tv o r t e xy a mh a st h el e a s th a i r i n e s s l iy o n g x i as u p e r v i s e db yy uc h o n g w e nk e yw o r d s ：a i r - j e ts p i n n i n g ，a i r - j e tv o r t e xs p i n n i n g ，n o z z l es t r u c t u r e ，y a mp e r f o r m a n c e ，y a r ns t r u c t u r e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￥交的学何论文是本人在导帅的指导f ，独立进行研究：作所取得的成果。除文中己明确注明和引h j 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弓过的t r 牖及成果的内容。论文为本人亲自撰弓，我对所写的内容负责，f 完全意识到本卢明的法律结果由本人承担。学何论文作者签名：j 争冰霞日期：z 声年，工月；口日。附件二：东华大学学位论文版权使用授权书学 j ，论文t r 者完全了解学校有又保留、使_ i | 学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部f 】或机构送交论文的复印制和电子版，允许论文被布阅或借阅。本人授权东华人学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有_ ，乏数据库进行检索。可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学付论文。保密口，在年解密后适用本版权f 5 。本学位论文属丁不保密口。学付论文作者签名各示霞日期：沙；年，2 月日d，?日嘞枷名年一面导斯借日第一帝概述1 1 新型纺纱技术的发展第一章概述1 1 1 新型纺纱技术的发展新型纺纱是在环锭纺纱的基础上发展起来的。环锭纺纱技术是在1 8 2 8 年被发明并投入使用。因环锭纺纱机具有机构简单、维修保养方便、产量高、对所纺纱线密度及原料适应性广和成纱质量好等优点，所以一直在纺织上占据重要地位。但是由于加捻和卷绕作用的同时进行，使得环锭纺不能实现进一步的高速化和大卷装，这极大地影响了纺纱的生产率。为了摆脱环锭纺不能进一步高速化和大卷装的缺点，早在1 9 0 7 年，森莫威廉( s a m u a lw i l l i a n 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 e n ) 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 型转杯纺纱样机。然后捷克的专家在此基础上制成了较完善的b d 2 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 o x 聚集纺纱机。1 9 7 5 年在米兰展出了由波兰研制的p f - 一1 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r 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同本村田研制的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。1 1 2 几种新型纺纱方法新型纺纱技术中比较成熟而且运用比较广的有转杯纺、摩擦纺、喷气纺、涡流纺、集聚纺等。这些新世的纺纱方法大多实现了高速化，在工艺流程中，取消了粗纱及络简工序，实现了纺纱工艺的短流程，降低了生产成本。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。摩擦纺纱1 2 i 是用带抽吸装置的筛网来凝聚纤维并进行加捻纺纱的。分为自由第一帝概述端摩擦纺和非自由端摩擦纺两种。自由端摩擦纺以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。菲自出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。紧密纺办称集聚纺，属于非自由端纺纱。它主要是在环锭细纱机牵伸装置前增加了一个纤维凝聚区，从牵伸装置静罗拉钳口迁移出来的纤维束聚在一条线上，基本消除了传统环锭纺纱存在的成纱强力、毛羽和飞花等关键问题。并给后续加工和产品质量带来一系列益处。转杯纺又称气流纺，属于自山端纺纱方法。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 ，从国际上整个纺纱领域来看，转杯纺占了很大的份额。喷气纺纱以日本村田公司制造的m j s 机型为代表，属于非自由端纺纱。棉条直接喂入牵伸装詈，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。喷气纺白面世以来，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r 本村用公司制造的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。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，掘称，其棉纱强力可达环锭纱的8 0 左右，克服了喷气纺纺棉纱时强力低下的弱点。2第一章概述1 2 喷气纺在国内外的发展1 2 1 国外喷气纺纱技术的发展喷气纺的原理起源很早，美国杜邦( d u p o n t ) 1 3 1 公司于1 9 6 3 年首先发表了喷气加捻包缠纺纱法的专利，并研制出单喷嘴包缠纺纱机，但由于其成纱强力极低，纱的蓬松性、弹性均较差以及原料限制而未能继续发展。此后，一些国家便丌始了这一纺纱方法的研究。7 0 年代初期，英、美、西德、闩本等囡大量涌现有关喷气纺的专利，其中尤以日本为多。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。研制单级喷嘴喷气纺纱机比较成功的是只本的东丽( t o r a y ) 公司，其主要机型是a j s l 0 1 型1 2 0 锭喷气纺纱机。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。集高倍牵伸、纺纱、并纱和络筒于一体。在所有喷气纺纱方法的研究中，技术上较为成熟并且取得巨大成就的是只本村田( m u r a t a ) 公司。它于2 0 世纪7 0 年代初开始研究喷气纺纱机，自1 9 8 1 年1 1 月同本大阪第二届国际纺织机械展览会上首次展出了一台m j s 8 0 1 喷气纺纱机后，先后推出了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 一系列m j s 型喷气纺纱机。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相同，如图l l 所示为m j s 8 0 1喷气纺纱机的纺纱示意图。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、并筒于一体，形成多功能的双纱并合喷气纺纱机。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，经清纱器后绕成双纱筒子1 4 。j 。村开1 公司继m j s 系列之后推出了第三代喷气纺纱机r j s s 0 4 ( 又称罗拉喷气纺纱机) 。r j s 喷气纺纱机帕i 的牵仲区基本与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。充气的球形罗拉的作用与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。r j s 8 0 4 的生产效率高，纺纱速度可达4 0 0 n d m i n ；功率消耗低( 由于球形罗拉代替了耗气较大的第二喷嘴) 。因此，它在1 9 9 5 年米兰国际纺织机械展览会上引起了极大的轰动。3第一帝概述1 9 9 5 年，村田公司又推出了新一代喷气纺纱机m v s 8 5 1 ( 又称涡流纺纱机) ，这是一种真捻的涡流纺纱机。于1 9 9 9 年在法国巴黎展览会上j 下式展出，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m 。图1 2 为喷气涡流纺的喷嘴结构示意图。图l 一1m j s 8 0 1 喷气纺纱示意图图l 2 喷气涡流纺的喷嘴结构示意幽之后村嗣公司又推出m v s 8 6 1 3 j 其最高纺纱速度达4 5 0 m m i n ，据称是目前纺纱速度最高的纺纱机。2 0 0 2 年推出了m v s s i t ，它属于双股喷气涡流自由端纺纱机 9 1 。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。1 2 2 国内聩气纺纱技术的发展喷气纺纱技术在我国经过了一个马鞍形的发展过程【1 0 】。2 0 世纪9 0 年代以前被看好，认为是有自口途的新型纺纱技术，月阳、重庆、西安引进近3 0 多台。山于m j s 生产的产品有一定的局限性，2 0 世纪9 0 年代在中国被打入冷宫，好与不好两种观点激烈争论。2 0 世纪9 0 年代和本世纪初，喷气纺纱在我国似乎又热了起来。应该说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进行了研究，在实验室以细纱机改袈的机台上进行实践探索，对有关的工艺参数和喷嘴结构迸行了深入的研究。上海国棉六厂研制出了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4第一章概述通过了上海的鉴定，但未能批量生产和销售【l l 】。东华大学与上海太平洋集团进行合作研制出了国产喷气纺纱机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展出。目前，我国的喷气纺纱设备还主要依赖进口，过高的设备价格已经成为制约我国喷气纺发展的主要因素之一。1 3 国内外对喷气纺的研究1 3 1 喷气纺成纱机理和成纱过程的研究喷气纺作为一种新型纺纱方法，其成纱机理和成纱过程一度成为国内外学者研究的重点。对喷气纺纱是自由端纺纱还是非自由端纺纱、是假捻纺纱还是真捻纺纱的问题存在争议。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是完全连续输出的，并没有出现断裂。最初，关于喷气纺成纱机理大致有两种观点。一种认为喷气纺属于自由端纺纱，其成纱为真捻纱。村田公司【1 2 1 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，因而出来的纱最终无捻。如果在加捻喷嘴与前罗拉之日j 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。另一种观点认为喷气纺属于非自由端纺纱方法1 3 1 3 。4 1 。会佩新等3 1 研究发现：正常纺纱时，加捻器的第一喷嘴离丌前钳口的距离小于纤维的主体长度，当输出前钳口的纤维头端到达第一喷嘴时，尾端仍处在前钳口之下，所以不存在须条的断裂过程；另外借助高速摄影拍照的观察，也证明前罗拉处的须条足连续的，说明喷气纺属非自由端假捻纺纱。另外，有学者从纱线结构角度来说明喷气纺的成纱机理l i5 1 。喷气纺是典型的包缠结构，纱芯纤维有三种状态：z 向、s 向和平行向。但倾斜角均很小，在1 0 0以下。经解捻后，纱芯的z 向、s 向倾斜相互调整，处 二新的平衡状态。这个特点不同于一般自由端或非自由端真捻纱，只能是非自由端包缠纱。现在喷气纺属于非自由端纺纱的观点已被普遍认可。第一审概述对喷气纺的包缠过程大多数学者【b 1 5 1 6 1 认为是一个假捻j 退捻_ 包缠的成纱过程，当纤维须条进入第一喷嘴，在第一喷嘴气流回转作用下转动而获得z 捻。由于第二喷嘴的气流反向回转且动力远大于第一喷嘴，迫使第一喷嘴到前罗拉问的纱条解捻，从z 变成s 捻。因是两端握持中间加捻，所以为假捻。当纱条从第二喷嘴输出，纱芯s 捻因为假捻而迅速退捻，同时使附着或包附在表面的边纤维随之回转而形成更紧密的z 捻包缠在纱芯上。最终形成纱芯基本平行的包缠纱。图l 3 为其成纱过程图示。图l 3 喷气纺纱成形分析图l 4 时差、捻差的形成机理有些学者1 18 j 认为喷气纺不是完全的假捻纺纱，纱芯纤维中存在一部分真捻，于修业等【1 8 】提出了两种理论学说全面阐述了喷气纺纱的成纱机理。第一种学说，假捻寸退捻斗包缠成纱，就是上面提到的包缠机理；第二种学说，捻差斗退捻_ 真捻成纱，其机理如下所述。在喷嘴负压作用下，从前罗拉钳口输出的头端自由的边纤维和纱芯一起进入吸口纱道中。当这些头端自由的边纤维伸出一定长度后，必将在某处与高速回转的纱芯小气团接触，而被纱芯缠住，如图中仞始接触点c ，随纱芯一起被加捻。这些边纤维开始加捻缠在纱芯上，由于纤维的另一端还被i j 罗拉钳口央持，加捻接触点c 将向前罗拉方向回退移动。加捻接触点的回退移动使边纤维获得的捻度就低于纱芯上的捻度；从而与纱芯的捻度产生一定的捻l 山差。当纱条离丌第一喷嘴后，纱芯迅速解捻：因边纤维获得的捻度比纱芯少，捻度退解完后，由于纱芯继续解捻，此时边纤维随之产生反向捻向( “z ，捻) ，即边纤维以一定的真捻( z )6犯憷8咖从霄彻hw墨舄nu；胤第一章概述形式包缠在纱芯上。时差、捻差的形成机理如图1 4 所示。郁崇文【l9 l 在喷气自由端纺纱的成纱机理上作了一定研究，通过研究总结出采用喷气分离纤维到形成自由端纺纱必须满足的三个条件：( 1 ) 分离区间有一定长度，且在区问上纤维流不得有捻度而影响分离；( 2 ) 作用在纱尾上气流的轴向速度不得高于纱尾本身速度，以免吹走纱尾。实际上气流速度高于纺纱速度，因此必须使气流速度与纱尾速度方向相反，以给纱尾一定的张力，使其停留在凝聚区中；( 3 ) 凝聚前，纤维和气流分离。其纺纱装置如图l r 5 所示。村田公司研制的m v s 型机，经国外研究表明，其成纱还是由包缠纤维和芯纤维构成，包缠纤维大约占纤维总数的6 0 左右，属于不完全自由端成纱。对喷气涡流纺纱机目前国内引进的很少，尚未有成纱机理的实验研究，过去国内虽然也有涡流纺纱研究与生产，如天津纺织研究所已形成过中试车间，还有上棉三十一厂等丌发应用过。但其机构、原理、成纱品质、应用范围与现在的m v s 是完全不同的。医喧-图l 5 喷气1 3 由端纺纱装置示意幽1 3 2 喷嘴结构参数、纺纱工艺参数的研究王建坤【2 0 l 等分析了喷气纺纱喷嘴的主要结构参数一喷嘴的直径和喷孔角度等对喷气纱成纱质量的影响，并通过= 次回归证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直径为3 9 8 m m 喷嘴的喷孔角度为5 4 9 0 ，第二喷嘴直径为3 9 8 m m ，喷嘴的喷孔角度为8 3 3 0 。朱军1 1 2 1 在1 9 8 9 年丽后做了喷7 t 纺纯棉纱的研究。他在改进喷嘴加抡器，提高纯棉纱强力方面做了大量工作。他通过一系列的实验得出如下的结论：在纺纯棉纱时，随着两个喷嘴的喷孔距离“l ”的缩短，单纱强力、品质指标、断裂伸长7第一章概述等是逐渐增大的。当“l 从3 0 4 5 m m 变化到2 6 4 5 m m 时，增大的幅度最高。在该处纤维的包缠效果最好。他认为喷气纺纯棉纱，关键的喷嘴结构参数是两喷嘴间距，它对于顺利成纱和提高成纱质量的意义重大。陆晶等【6 2 1 1 也做了纯棉喷气纺纱工艺与成纱机理的研究工作，陆晶还通过回归旋转设计找到了两喷嘴气压比、喷孔角度和两喷t l g f i 离的最佳搭配，即当两喷孔距离为2 3 7 0 m m ，第二喷嘴喷孔角度为8 5 度，第一、二喷嘴的气压比为2 2 5时纺制出的纯棉纱的单纱强力最高，为1 5 9 c n 。缪德杰1 2 2 1 在1 9 9 1 年做了苎麻喷气纺纱的研究工作。这是丌发麻型纤维喷气纺纱的丌端。他对苎麻喷气纺纱的纺纱工艺进行了较为全面的研究，从提高成纱强力的目的出发，通过优化设计得到了喷气纺纱纺麻纤维的最佳工艺参数的配置：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o 9 6 。r o z e l l ew n 1 2 3 】详细研究了喷气涡流纺的成纱过程，提出前罗拉的钳口到空心锭子口的距离对成纱性能有非常重要的影响，这个距离越大越有利于形成自由端纤维，使纱线越接近真捻纱。1 3 3 纱线的结构和性能的研究不同的纱线结构，会产生不同的产品特性；不同的纱线性能，直接影响后道产品的质量，因此纱线的结构和性能一直是喷气纺研究的中心。尤其是纱线的性能，为了使纱线能达到最佳的性能指标，倾注了大量的精力。c a r lal a w r e n c e 等1 通过微观分析，体现其优越性，科研工作者们在这方面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，文中指出，纱线的强力由具有包缠结构的第一类结构与第二类结构来承担，并且第一类结构比第二类结构更重要。r r a j a n i c k a m | 2 5 i 、王建坤，张纪梅t 对喷气纱的成纱结构也作了类似的研究，r r a j a n i c k a m 还认为包缠纤维存在一个最佳的包缠长度。p u n j s k 等1 2 6 j 1 ) f 究了喷气纱和环锭纱纱截而内纤维的径向分钿规律。研究发现，在纱线的同一横截面，纱线的密度不均匀，喷气纱纱芯的密度最大，向外逐渐减少。并通过转移指数的计算得出了涤棉混纺喷气纱中包缠纤维、纱芯的基本8第一章概述组成及涤纶纤维线密度对包缠纤维数量的影响。查正红、于修业 2 7 1 也作了类似的研究，得出一样的结论。范尧明等【嚣冽利用喷气纱是由包缠纤维和芯纤维构成这样的结构特点，不断丌发和生产各种喷气纺特种纱。如包芯纱，一般以化纤长丝做芯纱，外包短纤维；花式纱线，是通过喂入有色的条子或粗纱得到；混合纱，是将几种不同的短纤维同时供应给牵伸装置即可。这些特种纱综合了不同纤维的优点，有利于丌发后道新产品。a r t z t - p p o 3 1 j 、m a t s u m o t ot 1 1 】等分析了喷气涡流纱的结构，通过实验得出喷气涡流纱与环锭纱具有相似的结构；喷气涡流纱和转杯纱虽然都具真捻结构，但前者捻度方向性更强。作者还比较了涡流纱与环锭纱的主要性能，得出如下结论：涡流纱除了强力稍低于环锭纱，其他性能均优于环锭纱。b h o r t a k k e m k 等【3 2 1 借助于拍照和电子显微镜等手段分析了涤棉混纺纱在成纱过程中棉、涤的包缠数量和包缠角度，研究发现：包缠纤维总是成束出现，棉纤维对包缠强力的作用较大，但是包缠松散，棉纤维的包缠角度比涤纶的稍大。通过影响因素的研究发现，涤纶纤维越长，棉、涤的包缠数量越多；涤纶越细、输送速度越快，二者的包缠数量较少；涤纶的长度、细度、棉的种类和输送速度与包缠角度关系不大。g kt y a g i & d h i r e n d r as h a r m a p 3 1 研究了纤维细度、纤维束的宽度、主牵伸倍数、纱线的线密度等因素对涤纶喷气纱性能的影响。发现纤维束的宽度对纱线强力有直接的影响，随着纤维束宽度的增加，强度明显增大。随着主牵仲倍数的逐渐增大，纱线的强力逐渐提高，但是同时增加了纱线的条干不匀、刚度和毛羽。强力是困扰喷气纺的一个难题，尤其是纯棉纱，其强力只能达到同细度环锭纱的6 0 7 0 ，喷气纱的强力一直是科研工作者们研究喷气纺纱线性能的重点。唐佃花 3 4 1 在实验的基础上分析了纤维性能、半成品条于不匀率、喷气纺自身工艺对成纱强力的影响，探讨了提高喷气纱强力的途径。郁崇文1 3 5 1 对纯棉喷气纺纱中喷嘴等参数进行优化设计，得到了获得较高强力的优化工艺参数。通过研究发现，第一喷嘴适当加长，可增大其对纱条的解捻作用，从而使前罗拉钳口下的须条松散，有利于产生更多的边缘纤维，增大包缠纤维数。9第一章概述从上面可以看出，目前国内外对喷气纺研究达到一定的深度和广度，但对于喷气涡流纺研究甚少。1 4 本课题目的、意义及研究内容1 4 1 本课题研究的背景及意义当今的社会是科技起主导作用的时代，喷气纺正是适应现代高科技发展的产物，而喷气涡流纺是喷气纺发展的新方向。喷气纺纱机投入商业生产已经有2 0余年的历史，其优势已被普遍认可。喷气纺具有纺纱速度高，工艺流程短，自动化程度高，适纺范围广，产品质量好等优点。目前，其纱线广泛应用在服装、家纺产品，可以说喷气纺在纺纱领域中占有一席之地。但是由于喷气纺假捻包缠的成纱机理，使其纺制纤维较长的涤棉和涤纶纱有一定优势，而纺制的纯棉纱强力较低，仅为同类环锭纱的6 0 7 0 ，这极大地限制了纱线的应用。因为棉纤维长度较短，短纤维含量高，因此单纯通过工艺调节来提高喷气纺纯棉纱的强力是相当困难的。对于短纤维，更适宜的成纱方法是给纤维束整体加上真捻。目前已有只本村田对喷气纺的成纱机理进行了改变，变非自由端纺纱为自由端纺纱，生产出适合纺制纯棉纱的m v s 纺纱机。国内研制的喷气涡流纺喷嘴装置，自由端纤维的分离效果不好，成纱质量较差。我国喷气纺的发展主要依靠设备进口，昂贵的价格成为发展喷气纺的一大障碍。我国纺织行业要发展，关键是在消化吸收的基础上重视自主丌发，j 。能使我国从纺织大国变为纺织强国。因此在这样的背景下，我们对喷气涡流纺的研究是十分必要的。在借鉴的基础上，研制出新的喷气涡流纺喷嘴，推动我国的纺织业更快的发展，也会提高我国的国际影响。同时通过对纺纱工艺参数和纱线结构的分析，为下游企业丌发新产品、提高产品质量奠定可靠的理论基础。1 4 2 本课题的研究内容与方法本文主要利用自制的喷气涡流纺纱喷嘴完成以下工作：1 分析自制的m v s 喷嘴结构和成纱机理。对m v s 成纱机理的研究，设想通过有色纤维实验，采川高速摄影方法拍摄纺纱的动念过程，观察纤维的运动。2 通过大量的实验摸索出喷嘴的主要结构参数对纺纱质量的影响，变换结构参数，最终改进喷嘴结构。1 0第一章概述3 在保证顺利纺纱的i 提下，运用优化设计的理论和方法，通过实验研究和理论分析，找出最佳的喷嘴结构参数和纺纱工艺参数，使单纱强力达到预期的目标：纯棉纱的单纱强力达到同种原料环锭纺纱单纱强力的8 0 左右。并对原料的性能对成纱质量的影响进行分析。对各种参数的优化，利用单因子实验、正交实验或通用旋转设计来完成，并进行相应的回归分析。4 进行同原料、不同纺纱方法的纱线的结构和性能的比较：环锭纺、喷气纺、喷气涡流纺的棉纱、涤棉纱、涤纶的性能比较。用扫描电子显微镜和采用示踪纤维投影法法观察被统计纤维在纱中的排列形态。纱线性能主要完成纱线强度、断裂伸长、条干、毛羽等的测定。第二章喷气涡流纺喷嘴结构。i 加捻作用的分析第二章喷气涡流纺喷嘴结构设计及加捻作用的分析实验中研究的喷气涡流纺喷嘴最初是根掘同本村用喷气涡流纺成纱机理而制成的，本课题在借鉴的基础上，通过不断的实践换索和理论研究，明确了成纱机理，改造了喷嘴结构，使之更趋合理，提高了成纱强力，减少了纺纱中的断头。2 1 喷气涡流纺的喷嘴结构设计2 1 1 喷嘴的构造喷嘴涡流纺的喷嘴结构如图2 一l 所示，主要有涡流管l 、螺旋曲面2 和弓纱管6 组成。23豳2 _ - l 喷嘴结构i 鳘il 一涡流管，1i 一涡流管喷气孔2 螺旋曲面3 一纤维束螺旋导入孔4 一导引针，5 一中空室，6 一引纱管6 1 一引纱管锥面6 2 一引纱管中心通道，7 一气罩s 一气室旺避e 管1 0 一气流排出通道1 2 一问定架1 3 螺钊。螺旋曲面2 成锥体形状嵌套在涡流管l 的前端，从而在螺旋曲面2 和涡流竹1 的内壁之阿形成了一个螺旋通道，就是纤维柬导入孔3 ，纤维导入孔3 呈逐渐减小趋势。固定在螺旋曲面2 的下方中心位胃的导引针4 ，针尖指向喷嘴内部，其长度可进行适当调节。在涡流管的侧面可以看到丌通的喷气孔l l ，气流通过外接的空气压缩机进入通气管9 ，然后进入到涡流管1 和气罩7 形成的气室8 中，第二章喷气涡流纺喷嘴结构与加捻作用的分析再通过涡流管上一组切向的喷气孔1 1 进入涡流管的中空室8 ，从而在涡流管1中形成涡流，进而对纤维束进行加捻。纤维束加捻成纱后，经引纱管中心通道6 2 输送出去，同时引纱管的前端锥面6 l 在成纱过程中会承载倒伏的纤维。涡流在喷嘴内完成加捻作用后，通过排出通道1 0 排到喷嘴外。在实际的制作中，涡流管l 和引纱管6 是分丌的，在纺纱时通过固定架1 2 把两者合二为一，固定螺钉1 3 ，一个用来固定在涡流管l 上，另一个固定在引纱管6 上。纺纱时，这个喷嘴装置通过固定架1 2 固定在喷气涡流纺纱机的机架上。以下就喷嘴主要组成部分的设计进行详细分析。2 1 2 涡流管的结构设计涡流管的内壁是由几段与轴向央角不同的锥面组合而成，如图2 2 所示。a b 段的锥度与螺旋曲面的相同，螺旋曲面嵌套在a b 段内，未结合的地方形成纤维束的螺旋导入孔。图中b c 段是一个圆杜面，这是涡流管内部最细的部位，圆柱面的存在，使纤维束能够在导引针的引导下，仍然保持集束状态6 u 进，不至于太分散。然后纤维束在导引针引导下到达呈大喇叭状的c d 段，经实验发现，适当增大c d 段的锥度有利于增大纱线强力。因为气流从涡流管最细的b c 段一下扩散到急剧增大的c d 段，必然引起涡流的扩散，这种扩散作用有助于分离出自由端纤维，而锥度适当增大，扩散作用越强。然后纤维进入锥度减小了的d e段，d e 段的锥度要与引纱管的端锥面的锥度相匹配，保证形成一个环形通道，使得反转纤维运动不受阻。在涡流管的出口处，内壁的锥度又略有减小，这就是e f 段，这在一定程度上保持了涡流的强度，使得飞花、杂质等顺利地排出。对于涡流管的内径，在保证顺利成纱的前提下可以尽量作小，因为掘公式a ) - - v r ，在一定范围内，内径减小，则旋转速度提高，从而提高加捻的效率。且bc def陶2 2 涡流管剖面幽2 1 3 喷气孔的设计在设计喷气孔时，喷气孔中心线与涡流管的内径切线要有一定的倾斜角，这第二二章喷气涡流纺喷嘴结构与加捻作用的分析样可使纤维稍离开管壁回转，如图2 _ _ 3 所示，当第一孔进入气流，使纱尾先不靠管壁，当纱尾转过瞬时后要抛向管壁时，就被第二孔进入的气流冲离管壁，依次类推，使整个纤维环回转均离丌管壁。这样就减少了对管壁的磨损，减小纤维运动的阻力，提高了加捻效率。豳2 _ - 3 喷气孔处剖面图2 1 4 螺旋曲面的设计与作用螺旋曲面如图2 - _ 4 所示，其螺旋的方向跟涡流的方向相同，纤维束螺旋导入孔呈逐渐减小趋势，这样从喷气孔进入的气流不会在此形成涡流，保证纤维束能平滑地沿着气流的旋转方向行进，从而提高了运动中纤维束的收敛性。螺旋曲面上切线2 1 与螺旋曲面下切线2 2 的夹角称为螺旋曲面的螺旋角y ，其y 的大小，一方面与形成的纱线的粗细有关，另一方面会影响运动中纤维束的收敛性，这个参数将在下章进行优化实验。翻2 一螺旋曲面2 _ 螺旋曲面，2 l 一上切线，2 2 一卜切线，t 螺旋曲面的螺旋角。2 1 5 引纱管的设计与作用引纱管对成纱起辅助作用，在纺纱时可以转也可以不转，如图2 6 所示。引纱管前端呈锥面，后端呈圃杠状。锥诵的设计是为了承载倒伏的自山端纤维，自由端纤维经涡流在锥面上搓捻包缠到纱芯上。加捻后的纱线通过引纱管中心通道输出，从图中看出中心通道的i j 后内径不同，前端细、短，后端糨、长。实际1 4第一二章喷气涡流纺喷嘴结构动捻作用的分析上，引纱管内径与形成纱线的细度有关，内径越小，适纺的纱线越细，对特定细度的纱线来讲，当内径较小时，可以提高纺纱速度和低喷嘴压力时成纱的稳定性，还有望减小纱线毛羽和提高纱线强力，但是纱线变硬，有时棉结增加，纱线不匀增大；内径较大时，纱线的容积空间变大，纱线有膨松柔软的感觉。所以做成前端细、短，后端粗、长的形状就是组合了上述二者的优点。前端细部后端粗部幽2 _ _ 6 引纱管荆面i ! f l2 2 涡流场的气流流动特性为了更好地分析喷气涡流纺的成纱机理，我们先对喷嘴内的气体流动特性进行以下的介绍和分析。2 2 1 喷气涡流的形成压缩空气出喷气孔喷入涡流管中形成涡流，如图2 _ - 7 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u 推进，具流动轨迹近似一螺旋线。涡流管入1 ：3 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，从而获得捻回，同时随气流作轴向运动。b 逸幽2 - _ 7 涡流管内气流流动示意图2 2 2 涡流场的速度分布气流质点的速度矢量是一空h j 矢量。为分析方便起见，常按j ( 三个分速度，即切向速度、轴向速度及径向速度来研究其性质。在主速度矢量的三个分速度中，一般来说，除了在z 轴中心附近以外，数值第二章喷气涡漉纺喷嘴结构j 加捻仃用的分析最大的是切向速度。其值的大小将表征气流承载固体质点运动的能力以及对所承载的质点形成离心效应的能力其值取决于进口气流的初速度v 值及离旋转轴心的距离r 的大小。通过前人的理论分析发现1 3 6 1 ，涡流场沿径向分为两个区域，距离旋转轴心半径为r o 为界，在半径为r o 的圆柱面上切向速度v t 最大，大于r o的区域为势流旋转区，也称为势涡或自由涡。小于r 0 的区域为似固体旋转区，也称为涡核或刚体涡，r 0 为涡核半径。如图2 8 就是切向速度的分和图。、r ty i i = c_ i 7 2 dr er图2 - _ 8 切向速度分布轴向速度沿径向和轴向的分布规律要比切向速度复杂的多，不能进行简单的理论分析。轴向速度不仅受喷射气流的影响，还要取决于机件的结构形式。实际轴向速度场必须靠实验测得，由于条件所限，在实验中未进行测量。径向速度是三个速度矢量中最小的，我们在实验分析中忽略。2 2 3 涡流管吸口压力的分布涡流管吸口的压力大小及其分布特性直接关系到抽吸纤维的能力，有时可决定该管是否能用来纺纱。由于涡流管的实际流动的复杂性，很难从理论上准确推算其流速和压力，因而通常用实验方法来探求。通过前人1 3 6 1 对特定条件下的涡流管进行实验研究，得出了吸口压力的分布规律。由于实际涡流管喷射孔设置在近吸入口一端，而且通常喷射孔与涡流管问具有一定的夹角o t ，因此沿切线方向射入的喷流是强制螺纹涡，它不仅具有旋涡的一般特性，还具有射流的特性。当气流从喷孔喷入涡室时，由于气流微团的运动将与周围介质进行质量和动量的交换，引起或带动周围介质的流动，因而具有抽引外界流体进入的能力，即所谓的引射能力。所以涡流管吸入口的抽引能力争要是由旋涡中心的负压和射流的引射能力所产生的。此外，尚有喷射气流轴向运动产生的抽引作用。为此，气流从吸入口向涡流管内流动，从而形成次流。纤维或1 6第二章喷气涡流纺喷嘴结构j 加捻千r 用的分析纱线即随这股气流进入涡流管内由旋涡加捻。次流进入主流后，即与主流发生能量交换。由于主流的质量大得多，相对的总动量也大得多，当次流进入一定深度后即被主流“同化”。因此吸入口的压力分布和中心压力大小对能否吸入纤维和生头纺纱是至关重要的参数。前人1 3 6 l 曾对不同气室压力和喷射孔轴向央角a 对吸口压力的影晌进行试