（机械设计及理论专业论文）喷气引纬流场的测试分析与研究.pdf

摘要 喷气织机发展至今，无论在车速、筘幅、运行监测和质量保护等方面都已取得世 人所公认的优异成就。但在喷气织机今后可持续发展的道路上，遇到的最大挑战仍然 是能否进一步降低能耗和保持高效率运转的问题。 在喷气引纬过程中，积少成多的主、辅助喷嘴的耗气量大的令人担忧，人们将其 称之为喷气织机运转中的“用气大户”。2 1 世纪是一个以节约能源为主导的时代，于 是主、辅助喷嘴的改进和优化工作越来越得到人们的重视。各种各样不同型号的主、 辅助喷嘴经改造后不断出现，并很快被纺织厂家应用到生产过程中。各种各样的主、 辅助喷嘴在高速、高效、优质、阔幅等方面起到了显著的作用。我国各种各样的主、 辅助喷嘴的改造和优化工作完全是建立在大量的实际实验的基础上的，但是缺少先进 的测试手段和必要的理论支持。 该论文主要包括主喷嘴和辅助喷嘴两方面的测试和分析。一方面是测试主喷嘴的 中心气流衰减和截面气流衰减的情况，并通过试验数据来分析主喷嘴的优劣。利用喷 气织机试验台，配合气源气路、各种不同型号的主喷嘴、其他配件、以及虚拟仪器软 件( l a b v i e w ) 测试平台来完成该试验。主喷嘴处的气流通过压力传感器转变成电压 信号后导入到采集卡中，利用计算机和虚拟仪器软件平台进行采集、记录和显示气流 压强值，并对各种最具代表性的国内外的主喷嘴的气流衰减特性和集束性数据进行检 测、对比分析和处理。利用气体流动力学公式和m a t l a b 软件，作出相应的拟合曲线 图，得出最佳的拟合曲线图和符合的拟台函数和数学公式。根据拟合曲线来判断主喷 嘴的优劣，并得出相应的改进理论；另一方面是测试辅助喷嘴的偏心角的空间角度的 大小。由于辅助喷嘴本身的结构和加工精度差异等原因，气流在喷射时，将会产生与 设计中心( 即喷嘴孔的几何中心) 有所偏离的情况，就形成了偏心角。利用上述测试 平台，在不同的供气压力下，分别对单孔、双孔、十九孔以及节能七孔辅助喷嘴进行 测试，测试出辅助喷嘴的偏心角的空间角度的大小，并利用m a t l a b 拟合出它们各自 的偏心角的空间角度的大小。 通过此次试验，希望可以为我国的主、辅助喷嘴的改造提供先进的测试手段和数 学理论，并能为我国喷气织机的改造提供一定的帮助和参考。 关键词：喷气引纬气流衰减虚拟仪器数学处理 t h e t e s t i n ga n ds t u d yi na i rc u r r e n to f a i r - j e tw e f ti n s e r t i o n a b s t r s c t o nt h ew a yo ft h ed e v e l o p m e n ta b o u ta i r - j e tl o o m s ，t o d a yw em a k eag r e a tp r o g r e s s o nt h ev e l o c i t yo fw e f t 、t h eb r e a d t ho fr e e d 、t h ei n s p e c t i n gi n s t r u m e n t s 、t h ep r o t e c t i n g q u a l i t ya n ds oo n b u tp e o p l em u s tf a c ew i t ht h en e wc h a l l e n g i n gp r o b l e m so f r e d u c i n gt h e p o w e rw a s t i n ga n dk e e p i n gt h eb i g g e s te f f i c i e n c yo f t h ef u n c t i o no f a i r - j e tl o o m s o nt h ec o u r s eo fw e f ti n s e r t i o no fa i r - j e tl o o m s ，p e o p l es h o u l dw o r r ya b o u tt h e q u a n t i t yo fa i r - w a s t i n gb ym a n ym a i nn o z z l e sa n dm o d i f i e dn o z z l e s m a i nn o z z l e sa n d m o d i f i e dn o z z l e sa r ec a l l e d “k e ya p p a r a t u s e s ”o fw a s t i n ga i rp o w e r s ot h er e s e a r c ho n i m p r o v e m e n ta n do p t i m i z i n go fm a i nn o z z l e sa n dm o d i f i e dn o z z l e si sr e g a r d e di m p o r t a n t a l lk i n d so fo p t i m i z e dn o z z l e sa r eu s e d 协t h ec o u r s eo fp r o d u c t i o nb yt e x t i l em i l l a l l k i n d so fo p t i m i z e dn o z z l e sa r ef u n c t i o n a r y i n c r e a s i n gt h ev e l o c i t y 、i m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c y 、a d v a n c i n gt h eb r e a d t h 、s a v i n gt h ef o r c ea n ds oo n t h er e s e a r c ho ni m p r o v i n g a n do p t i m i z i n go u rh o m e m a d en o z z l e si sb a s e do nm a n ye x p e r i m e n t s ，b u tw el a c k a d v a n c i n gt e s t i n gi n s t r u m e n t sa n dn e c e s s a r ya c a d e m i cs t u d y t h i sa r t i c l ei st ot e s t m a i n l ya i rd e c a yo fm a i nn o z z l e sa n dt h ep a r t i a la n g l eo f m o d i f i e dn o z z l e s o nt h eo n eh a n d , t h r o u g he x p e r i m e n td a t aa n a i y z ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fm a i ns p r a yn o z z l eb yt e s t i n ga i rd e c a yo fm a i nn o z z l e s w ef o u n dt h e p l a t f o r mo ft h ei m i t a t i v ea i r - j e tl o o m ，c o o p e r a t i n gw i t ht h ea i rw a yo ft h es o u r c eo ft h e g a s 、t h r e ed i f f e r e n tt y p e sm a i nn o z z l e s 、o t h e rf i t t i n g sa n dt e s t i n gs o f t w a r ep l a t f o r mo f v i r t u a li n s t r u m e n t t h ep r e s so fa i rc u r r e n to ft h em a i nn o z z l ei sc h a n g e di n t oe l e c t r i c a l s i g n a lb yt h ep r e s s u r es e n s o r m u c he l e c t r i c a ls i g n a li sc a r r i e di n t ot h ed i g i t a lc o l l e c t i o n b o a r d w ec a nn o t e 、d i s p l a y 、a n a l y z ea n dd e a lw i t he x p e r i m e n td a t a w ea l s ot e s t i n g 、 a n a l y z e 、s i m u l a t ea n dc o n t r a s tt h et r a i to fa i ra t t e n u a t i o na n da i r - s e c t i o na t t e n u a t i o nb y t e s t i n gd a t ao ft h r e ek i n d so fm a i nn o z z l e s s i m u l a t ea n dw o r ko u tt h ec l l r v eo ft h et r a i to f a i ra t t e n u a t i o na n da i r - s e c t i o na t t e n u a t i o nb ya i rd y n a m i c a l s u b j e c ta n ds o f t w a r eo f m a t l a b d e c i d et h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f d i f f e r e n tn o z z l e sa n de d u c et h er e s u l t o fm a t h e m a t i ct h e o r y o nt h eo t h e rh a n d ，o nt h ec o u r s eo fa i rs p r a y i n go ft h em o d i f i e d n o z z l e ，t h er e a la i r - s p r a y i n gl i n ew i l ld e v i a t et h ed e s i g n e da i r - s p r a y i n gl i n eb e c a u s eo ft h e c o n s t r u c t i o na n dt h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o no fm o d i f i e dn o z z l e s s ot h ed e v i a t i o nb r i n g st h e p a r t i a la n g l ec a l l e da st h em o d i f i e dn o z z l e sd i m e n s i o n a lp a r t i a la n g l e o nt h ec o n d i t i o no f s u p p l i n gt h ea i rp r e s s ，s e p a r a t e l yt e s tt h em o d i f i e dn o z z l e sd i m e n s i o n a lp a r t i a la n g l e s s u c ha st h et y p eo f s i n g l e h o l e 、d o u b l e h o l e 、s e v e n h o l ea n dn i n e t e e n h o l e m e a s u r ea n d s i m u l a t et h es i z eo fn o z z l e sd i m e n s i o n a lp a r t i a la n g l e sb yt h ev i s u a l i n s t r u m e n ta n d m a t l a t h r o u g ht h i se x p e r i m e n t ，w eh o p e dt h a t t h i s e x p e r i m e n to f f e rt h eh e l pw i t h a d v a n c i n gt e s t i n gm e t h o da n dm a t h e m a t i c a lt h e o r yf o rt h ep r o d u c t i o na n di m p r o v e m e n t o f m a i nn o z z l e sa n dm o d i f i e dn o z z l e so fo u rc o u n t r y i tw i l lo f f e rt h eh e l pa n dr e f e r e n c ef o r t h ei m p r o v i n gq u a l 畸o fo u rc o u n t r y sa i r - j e tl o o m s k e y w o r d ：a i r - j e tw e f ti n s e r t i o n ，t h ea t t e n u a t i o no fa i rc u r r e n t ，v i r t u a l i n s t r u m e n t ， m a t h e m a t i c a lh a n d l i n g 第1 章绪论 1绪论 1 1 课题应用背景和现实意义 刚体引纬的局限性表现在引纬时加速引纬构件的质量是纬纱质量的几万倍，使引 纬速度的发展受到限制。气流引纬时加速流体的质量很小( 一次喷射气流在2 9 左右) ， 能很快把气流加速到很高速度。引纬的可靠性、适应性虽不如刚体引纬，但由于各种 微电子控制装置的应用，能准确而有效地控制流体，用流体积极控制纬纱飞行已成为 现实。近年来，自动对织口( a p f ) 、自动处理断纬( a p r ) 、i 键盘( 人工智能键盘) 、 四色、六色自由换纬、超起动电机、引纬第一纬处理、磁卡记忆系统等用于生产，更 使喷气织机发展到新的阶段。 我国正处于喷气织机的大力改造时期，借鉴国外先进技术，结合我国的基本国情， 自主开发与研究新型织机是我国大力改造现有的织机的必经之路。在喷气织机今后可 持续发展的道路上，遇到的最大挑战仍然是能否进一步降低能耗和保持高效率运转的 问题。积少成多的主、辅助喷嘴耗气量大的令人担忧，因此主、辅助喷嘴被称为喷气 织机运转中的“用气大户”的关键器件。1 。主、辅助喷嘴设计的不断完善和创新，有 望使喷气织机具有高速、高效、优质、阔幅、省气等优点。 通过对织物工艺要求和喷气引纬技术现状的分析，我们可以看到喷气织机的引纬 方式以异形筘接力引纬方式为主。在喷气引纬中，主喷嘴和辅助喷嘴的作用，既各有 侧重、又分工明确，互相匹配、协同工作。两者各自气流性能和引纬参数匹配后的合 成气流性能，以及与钢筘的配合情况直接影响着纬纱飞行的速度、飞行质量以及耗能 大小等等，因而在喷气织机发展过程中直被人们所十分关注。 目前，主、辅助喷嘴的改进、优化以及与钢筘的配合情况正越来越得到人们的重 视，各种各样不同型号的辅助喷嘴经改造后不断出现，并很快被纺织厂家应用到生产 过程中。各种各样的辅助喷嘴确实在高速、高效、优质、阔幅、省力起到了很明显的 作用。但我国各种各样的主、辅助喷嘴的改造和优化工作完全是建立在大量的实际实 验的基础上的，虽然，我国自主研制的主、辅助喷嘴的性能已经达到了国际先进水平， 甚至有些比进口的主、辅助喷嘴更优越，但是缺少先进的测试技术和手段。 1 2 本课题的现状分析和立项依据 目前，对喷气引纬装置的检测和理论研究中，在测试手段和理论研究两方面各有 其说( 详细请见附录查新报告) 。其测试手段方面包括： ( 1 ) 对主喷嘴的流场的测量主要采用压力计，流量计等仪表。 ( 2 ) 压力传感器+ 数据记录仪( 如示波器) o 。 ( 3 ) 探针+ 压力传感器+ 微机记录，通过测量压力近似计算流量，如美国t s 公 第1 章绪论 司生产的i f a l 0 0 型智能流体分析仪( 探针+ 温度补偿器十电阻应变仪+ 微机 记录) 。 ( 4 ) 探针+ 压力传感器+ 微机记录，如通过数字采集卡，利用l a b v i e w 程序把主 喷嘴的衰减数据记录”，。 ( 5 ) 比利时必佳乐气流参数测试仪( p i c a n o l sa i rt e s t e r ) ：为了预测代表纱 线可织性的气流参数，毕佳乐气流参数测试仪”1 是一种模拟喷气织机引纬过 程的测试装置，气流参数测试仪也能用于新产品的开发、纱线的选用、纱 线质量的控制和织造参数的优化。 ( 6 ) 日本加野麦克斯( k a n n o m a x ) 系列风速测试仪：热式风速仪，微风风速， 高温风速及多点风速测试系统。 ( 7 ) 西安工程科技学院致力于无梭织造原理和工艺理论研究，研制了“喷气织 机气流测试仪”，为深入研究喷气引纬气流流场和喷气引纬部件开发提供了 ， 条件。 ( 8 ) 青岛s x - 1 喷气织机气流测试仪”3 ；该测试仪的技术关键在于找出真正的气 流流动中心线，利用高精度的传感技术和计算机数据采集处理技术，具有 x 、y 、z 及喷向角喷射角a 五维可调，位置误差0 1 m m ，气流误差0 1 p a 。 在理论研究方面，喷气织机主喷嘴及主喷射气流特性的研究。1 一文分析了喷 气织机主嘴的结构特点，作用以及主喷射气流的特性，研究了影响纬纱牵引大小的主 要因素。喷气织机主喷嘴静态纬纱牵引力的研究9 l 一文在纬纱静止条件下测定了 主喷嘴对纱的压力牵力，分析了影响主喷嘴牵引力的供气压力、牵引长度、纤维特性 和纱线粗细等因素，采用归一方法讨论了牵引力和牵引长度之间的关系，并对提高纬 纱入口速度的措施进行了讨论。喷气织机喷嘴性能分析研究o ”一文以流体力学、 空气动力学为基础分析了喷气织机喷嘴内气体流速的分布规律和计算方法，并通过实 验分析了喷嘴的结构参数与喷嘴内气流速度和压力的相互关系。辅助喷嘴最佳安装 角度的研究“o 一文应用势流代替絮流的方法，给出了两射流合成的速度分布规律， 并在理论上给出了辅助喷嘴最佳安装角度。结果表明最佳安装角度为1 0 。一1 3 。， 两射流合成的实验结果显示了与理论分析的一致性。而在主、辅助喷嘴的引纬气流的 流量和压力衰减特性、集束性以及与钢筘的配合情况通过实验数据建立数学模型从而 得出理论的方面还很少。有通过采用不同的测试手段得出不同的实验数据进行分析， 画出其对应曲线，然后运用流体力学的理论对所得出的曲线加以分析和说明；也有从 流体力学理论分析得出结论，然后通过实验加以验证。还有只通过理论加以证明的。 最终得出结论和提出具体的改进措施。 1 3 本课题的可行性分析 测试平台是由西安工程科技学院运用机械优化设计理论提出“喷气织机气流测 2 第1 章绪论 试仪”的设计图纸进行设计的。由协作单位陕西省纺织器材厂和咸阳升越机械厂完成 加工织造 1 2 】。该测试平台具有模拟的喷气引纬装置的气源气路和x 、y 、z 、喷向角 及喷射角d 五维可调，位置误差0 1 m m ，气流误差0 1 p a 。为深入研究喷气引纬气 流流场和喷气引纬部件开发提供了条件。 运用电测原理和传感器技术( 固态压阻压力传感器) ，通过p c 一8 1 0 接线端子板， 将压力传感器的输出信号接入n 1 6 0 2 4 e 数字采集卡，进行n o 转换、滤波和放大，然 后将其信号输入p c 计算机中进行采集、记录、数据处理和显示。 对信号进行采集、记录、数据处理和显示是利用虚拟仪器软件( l a b v i e w 7 0 ) 进 行编程处理的。在l a b v i e w 7 0 tj 3 开发环境中可以实现的虚拟仪器应用软件有三个主 要功能：实现虚拟仪器面板( 人机界面) ，实现对i 0 接口设备的驱动( n 1 6 0 2 4 e 数 字采集卡的硬件驱动) 和数据采集( 本课题利用n 1 6 0 2 4 e 数字采集卡的模拟零通道) ， 实现测试功能的信号处理与分析( 滤波、时频分析、数据拟合等) 。引纬流场中的气 流通过l 型的探针采集到传感器中，并且要尽量防止气流压力的衰减。本实验选择l 型全( 总) 压探针，因为它是成型产品，性能稳定，成本低，不易损坏，使用方便。 数据处理利用功能强大的数学工具m a t l a b 1 4 】进行计算和曲线拟合。根据拟合曲 线和动态模拟图来判断其喷气引纬装置( 如主喷嘴或辅助喷嘴) 的优劣，并得出相应 的改进理论。 以上提到的各种试验硬件装置和软件装置都已经搭建完成，具备了完成本课题的 试验条件和理论依据。 1 4 本课题主要解决的问题 我国各种各样的主、辅助喷嘴的改造和优化工作完全是建立在大量的实际的测 试试验的基础上的。我国自主研制的主、辅助喷嘴的性能已经达到了国际先进水平， 甚至有些比进口的主、辅助喷嘴更优越，但是缺少先进的测试手段和必要的理论支持。 通过此次试验希望可以为我国的喷嘴改进提供先进的测试手段和理论。 本论文主要包括两方面的测试和分析。一方面是测试主喷嘴的中心气流和截面气 流的衰减情况，并通过试验数据来分析主喷嘴的优劣。利用喷气织机试验台，配合气 源气路、各种不同型号的主喷嘴、其他配件、以及虚拟仪器测试平台来完成该试验。 主喷嘴处的气流通过压力传感器转变成电压信号后导入到采集卡中，利用计算机和虚 拟仪器软件平台进行采集、记录和显示气流压强值，并对各种最具代表性的国内外的 主喷嘴的流速衰减特性和集束性数据进行检测、对比分析和处理。利用气体流体力学 原理和m a t l a b 软件，作出相应的拟合曲线图和动态模拟图。根据拟合曲线和动态模 拟图来判断其优劣，并得出相应的改进理论；另一方面，是测试辅助喷嘴的偏心角的 空间角度的大小。由于辅助喷嘴本身的结构和加工精度差异等原因，使气流在喷射 时，将会产生与设计中心( 即喷嘴孔的几何中心) 有所偏离的情况，就形成了偏心角。 3 第1 章绪论 利用上述测试平台，在不同的供气压力下，分别对单孔、双孔、十九孔以及节能七孔 辅助喷嘴进行测试，并利用m a t l a b 描绘出和测出它们各自的偏心角的空间角度的大 小。 1 5 本课题的创瓤点 本课题在国内外喷气织机应用现状和喷气织机发展现状基础上，提出了套新型 的引纬流场的测试和分析方法。其创新性具体表现在： 1 ) 在国内首次定量的测试出辅助喷嘴的偏心角，并利用m a t l a b 拟合出实际的空 间角度的大小。 2 ) 利用虚拟仪器测试出主喷嘴的引纬流场在空气中的衰减趋向( 包括中心气流 衰减和截面气流的衰减) 。并试图利用m a t l a b 来拟合其测试数据，以便找出 其符合的数学模型。首次利用m a t l a b 数学工具和测试的试验数据来检验经验 公式的正确度。以便为喷气引纬装置的理论研究提出参考。 3 ) 本课题将虚拟仪器的概念引入引纬气流测试，用普通个人电脑配一块数据采 集卡加上相应的检测头和信号放大电路即可完成测试工作。由于其具有通用 性、快捷性、灵活性，得到了理想的测试结果。 4 第2 章喷气引纬测试理论基础 2 喷气引纬测试理论基础 为了便于研究和理解喷气引纬测试的实质，先对喷气引纬所使用这种气流压力 较小、流量较大、流速较高且速度衰减很快以及雷诺数较高的射流性质进行概括的说 明是非常必要的 1 5 - 2 2 。 2 1 压缩空气的性质 空气可以压缩。在等温条件下，一定重量的气体体积与其压力成反比，即 p v = p 2 v 2 式中：p 。、v ，气体未被压缩前的压力和体积； p ：、v 。气体被压缩后的压力和体积。 压力指的是流体作用于容器壁上的力。工程上常用帕斯卡( p a ) 作为压力的量度 单位。但也有用压力计中液柱高度或大气压单位来表示压力大小的，它们之间的关系 为： p = h 7 l 式中：r 单位面积上所承受的压力( p a ) ； h 压力计中所用液体的液柱高度( m ) ； ，厂压力计中所用液体的重度( n m 3 ) 。 工程上表示压力的方法有两种： ( 1 ) 绝对压力 以绝对真空为基准的压力叫绝对压力。理论公式所表示的压力，一般均为 绝对压力。 ( 2 ) 表压力 当绝对压力高于大气压力时，其所高出的数值就叫表压力，即： 表压力= 绝对压力一大气压力 一般压力计上所表示的数值均为表压力。可见，欲将表压力换算成绝对压力时， 只需要再加上l 大气压( 1 0 1 3 2 5 k p a ) 即可； 绝对压力= 表压力+ 大气压力 2 2 气体绝热状态变化的特点 气体由于受热或冷却以及作机械的压缩或膨胀而变更其状态时，主要有五种形式 ( 等温、等容、等压、绝热及多变状态变化) 。绝热状态变化为气体状态变化的一种。 所谓绝热状态，就是说气体在此状态变化的过程中，既不向气体加入热量，也不 自气体取出热量。换句话说，气体作绝热状态变化时，不与其容器发生任何热交换现 象。由此可知，气体作绝热压缩时，因与此压缩功相当的热量不能外传而使气体温度 5 第2 章喷气引纬测试理论基础 升高；反之，气体作绝热膨胀时，因不能从外界获得热量，故必须要消耗与此膨胀功 所相当的热量而使气体的温度下降。 对于不具有冷却装置的小型压气机来讲，它的工作过程近似于绝热状态变化过 程。气体的绝热状态方程为： p l 曙= p 2 嘭= 常数 即： b f k1 2 百一晴j 湫，、， ， 谬鬃协 夕 7 ， 】? 。、 ， 。 7 。 巧 图2 1 绝热压缩终了时温度表 所以气体经过绝热压缩后的压力p 。为： p 2 = p l 鲥 式中：p 、p 2 _ 一分别表示压缩前后的气体压力( p a ) ； v 。、v 厂一分别表示压缩前后的气体体积( m 3 ) ； k 气体的绝热指数。 z _ 。2 l 叫做压缩比，它与压缩终了时的气体温度关系如图2 1 所示。由图中可以看 出，压缩比越大时，气体的终了温度也越高。 2 3 圆射流的性质 压缩空气从圆形喷嘴射出叫做圆射流。它具有“喷射成束”的特点。由于喷出的 射流与其周围静止的空气之间有着一定的速度梯度，所以靠近边界上的射流脉动微 团，便要与相邻的静止空气发生掺杂。结果是射流将自己的一部分动量传递给空气， 使一部分原来静止的空气被射流带着向前运动( 此即为射流的卷吸作用) ；同时使一 部分原来静止的空气，获得较低的速度并作垂直于射流轴线的缓慢运动( 此即为射流 6 第2 章喷气引纬钡4 试理论基础 的扩散作用) 。射流一边卷吸周围的空气，同时又一边扩散流动，这一现象将要沿着 射流的轴线方向一直继续进行下去。结果是射流的动量逐渐消失；速度越来越低；射 流锥的直径也越来越大。射流要扩散而使其速度急骤下降( 衰减) 的这一性质，在喷 气引纬中必须给予十分重视。 图2 2 为圆射流的结构图。图中0 为射流的极点。射流以o x 为对称轴，并沿边 界线a e 和b f 扩散成圆锥形。a 、b 为喷嘴出口处直径d o 的 两个端点，q 为射流的扩散角。射流锥中，除a b e 叫射流的核心区外，其余部分都叫 混合区。研究指出，只有核心区内的流速分布才是均匀的( 数值也相等) 。由于混合 区的存在和发展，使得核心区延长至c 点时即消失。圆形喷嘴的扩散角n 一般为 1 2 。1 5 。，其核心区长度s 。为： s f k 生 d 图2 2 圆射流结构图 式中：s o 核心区长度( 姗) ； d 。喷嘴出口处直径( m m ) ； a 一喷嘴紊流系数，圆形喷嘴的a = o 0 7 ； k 试验常数，圆射流的k 为0 3 3 5 。 将a 、k 值代入上式，可得出圆射流的s 。与d 0 关系式： s o = 4 7 8 6 d o 在同一截面上，射流速度的分布规律是越接近于中心轴线位置的速度越大。 在大气中，射流轴心速度的变化规律如图2 3 所示。由图中可看出，轴心速度 的变化很大：即在核心区以内为等速，超过c 点时气流速度就要骤然衰减，而后才缓 慢地下降。 在工程计算中，使用喷嘴出口断面的中心作为起始点较为方便。所以用下式即可 7 第2 章喷气引纬测试理论基础 算出距喷嘴出口断面为s 处的断面中心流速v 。为： 0 9 7 v 3 = v o 一 竺+ 0 2 9 式中：v 。喷嘴出口断面的中心流速( 形) ； a 喷嘴紊流系数； s 断面s 距喷嘴出口断面的距离( 衄) r o 喷嘴出口处的半径( 衄) 。 t 图2 3 淹没射流速度衰减图 当喷嘴形状和出口速度一定时，射流的外边界就被确定下来，此时射流便按着一 定的扩散角向前作扩散运动。利用这一特性，就可求出圆射流的直径沿射程变化的规 律如下式所示： d = 6 8 ( a s + o 1 4 7 d o ) 式中：d 一距喷嘴出口断面为s 处的射流断面直径( 咖) ； d 0 _ 一喷嘴出口断面的直径( 嘲) 。 应该注意，出口截面为矩形的喷嘴向外喷射的是扁射流，它的结构特征和参数计 算与圆射流不同的事实。特别是扁射流的形状是沿着垂直于矩形喷嘴长边方向而逐渐 扩大的特点，在喷气引纬工艺中，不应忽视。 8 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 3 喷气引纬流场硬件测试平台的设计 喷气引纬机构的任务是将压缩空气引射成高速气流，通过主喷嘴对纬纱产生足够大 的牵引力，并通过辅助喷嘴接力，在规定时间内使纬纱飞过梭口，并实现高速、高效、 优质、阔幅、低耗、省力等目标。本测试装置可划分为几大部分：纬向测试安装平台、 气源气路及控制部分、检测传感部分和数据采集处理部分。 3 1 喷气引纬原理简介 在图3 1 中，喷气引纬装置主要由储纬器1 、纬纱2 、主喷嘴3 、主喷嘴进气 管4 和辅助喷嘴5 等部分构成。喷气引纬的机理是利用喷射气流对纬纱产生的摩擦 牵引力来进行引纬的。储纬器1 的作用是：量取一纬长度的纬纱并在停止引纬期间 以最小的张力暂存在储纬鼓上，为纬纱的高速飞行做好准备。从储纬器1 上退绕下 来的纬纱2 沿主喷嘴的中心线穿入主喷嘴1 ：33 2 引。 图3 一l 单气流通道喷气引纬工作原理图 1 一储纬器2 一纬纱3 一主喷嘴4 一主喷嘴进气管5 一辅助喷嘴 6 一气流通道异型筘7 一梭口经纱 9 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 3 2 硬件测试平台的构成 安装平台是以西安工程科技学院研制的s x - - 1 型喷气织机气流测试仪j 为基础 改造而成，包括引纬流场测试台和单个辅助喷嘴测试台两部分，它有如下功能： 引纬流场测试：引纬流场测试台( 见图3 2 ) 上的主喷嘴、辅喷嘴、异形筘及 筘座的安装条件与实际情况一致，并能灵活地增减各部件、调整以上各部件的相对位 置及辅助喷嘴前后左右的偏转角度；所用的速度传感器的结构尺寸小，以减小对流场 的影响，并具有适宜的响应频率，安全可靠；同时能保证传感器的安装、调位灵活方 便，并能移动到三维流场中所需要的任何一个检测位置 图3 2 喷气引纬测试实验台 3 2 1 测试平台硬件连接图 本系统的硬件连接框图如图3 3 ，j w 一2 d 型直流稳压电源给固态压阻压力传感 器提供1 5 v 直流电源，压力传感器的信号输出线接入接线端子板的1 通道，p c - - 8 1 0 是一种通用接线端予板( 台式1 0 4 c m x1 1 4 c m x 3 c m ) ，用4 0 线扁平带缆与p c - - 6 2 0 4 e 数据采集卡相连，数据采集卡的安装非常简单，将它正确插入与i b m - - p ca t 总线兼 容的微型计算机i 0 扩展槽中即可。如图3 3 所示： 1 0 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 全压撮乳 图3 3 喷气引纬装置硬件连接框图 3 2 2 气源气路设计 本课题采用集体供气。利用一个中心压缩机站，来供应多台喷气织机同时用气的 供气系统。下图3 4 为一个中心压缩空气站的示意图。图中1 为空气过滤器，2 为 压气机，3 为冷却器，4 为油水分离器，5 为储气筒。a 为进气口，b 为冷却水排除口， c 为输送到织布车间的压缩空气管道。织布车间里的管道，可用管内涂有防锈层的钢 管。管子应该沿着空气流动的方向稍有倾斜，冷凝水排出阀应安装在管路中的最低位 置。 压缩空气是喷气引纬的载体，为了保证喷射引纬的正常进行，对压缩空气要求为： 最大含油量不超过0 1 m g m 3 ；压力露点湿度在4 1 0 c ；最大含尘量为l m g m 3 ；最大 含尘微粒不大于1um ：进入织机的压力在0 5 m p a ；压缩机的输出压力在0 7 0 7 5 m p a 。 空压机的生产能力按所生产压缩空气的最大压力及气量来表示。喷气织机生产车 间的供气量计算以织机耗气量的1 2 1 4 倍计算： q n q 。x n 。( 1 2 1 4 ) 式中：卜每台空压机供气量( m 3 h ) ； n 空压机设计台数； q r 一每台织机耗气量( m 3 h ) ； n 。织机像数。 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 图3 4 中心压缩桃站流程图 供气部分主要包括给主喷嘴和辅助喷嘴两方面的供气。 在给辅助喷嘴供气的过程中，为了降低耗气量和简化机构，采用多个辅助喷嘴接 力引纬的方式。接力引纬均采用如图3 5 所示的分组依次供气的方式。每组由若干 支辅助喷嘴和一只气阀组成，气阀用来控制该组辅助喷嘴的供气时间，而各组辅助喷 嘴的供气时间是不一样的。辅助喷嘴的分组数和各组的支数应根据气流的消耗情况、 织物品种、幅宽等条件具体确定。辅助喷嘴所喷射出的气流以一定的角度射入异形钢 筘槽中心与主气流汇交，这两股气流之间的夹角称之为入射角或喷射角。入射角大， 则辅助气流对纬纱的上浮力增大，而水平方向的牵引力下降，故入射角不宜太大，一 般在5 。1 0 0 左右。 辅助喷嘴的安装间距取决于主射流和辅助射流的消耗情况，其通常为5 8 厘米。 在纬纱出梭口侧，由于纬纱的重量越来越重，为提高出梭口侧的气流速度，防止纬纱 产生“前拥后挤”现象，其间距应减小( 可小到2 5 毫米) 。 1 2 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 3 5 多辅助喷嘴分组供气示意 喷气织机全机供气系统如下图3 6 所示，由空压站输送来的压缩空气通过球阀 1 、微粒子过滤器2 、净化器3 和立式阀4 ，进入复合管5 。由复合管5 出来的气流分 成为二条分路，第一路经减压阀6 送到辅助喷嘴贮气筒1 3 ，第二路经调节箱7 的m 。 。和m 接口到达主喷嘴贮气简1 4 ，调节箱7 位于织机左机架下方，各路气流的调压 阀门和检测仪表集中安装在此箱内。 辅助喷嘴贮气筒1 3 是织机上的一个稳定气源，它提供以下五个方面的用气： ( 1 ) 通过机械式时间阀门( 或电磁阀门) 2 1 和配气管2 2 ，将气流送至各个辅助 喷嘴2 3 ： ( 2 ) 通过调节箱上的c ，和c 。接口，经机械式时间阀门( 或电磁阀门) 1 9 和单向阀2 0 ，将气流送至主喷嘴1 8 ，气流作用时间约从1 0 。4 0 。，以便打纬后纬纱 在进梭口侧被剪断时，气流对纱头施加一定的作用力，以防缩进主喷嘴内。 ( 3 ) 通过调节箱上的p 。和p 接口，将气流送至贮纬器喷嘴9 ，为喷嘴提供 连续的贮纬气流。 ( 4 ) 气流经调节箱上的n ，。和n 。接口到达贮纬器上的常开喷嘴1 0 ，此股气流 作用于u 形纱线段的中央，已防止纱线互相缠结。 ( 5 ) 经机械式时间阀门( 或电磁阀门) 1 2 ，将气流送至喷嘴1 l ，以便对压纱盘 进行清洁。 主喷嘴贮气筒1 4 是织机上的另一个稳定气源。气流经减压阀1 6 和机械式时间 阀门1 7 进入主喷嘴1 8 ，以供引纬用。在停车时，踩下与时间阀1 7 相连接的踏板1 5 ， 1 3 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 可对主喷嘴实现人工送气，以便于将纬纱穿入喷嘴。 图3 6 喷气引纬装置气路系统工作原理图 主喷嘴和各辅助喷嘴的供气时间是喷气织机的重要供气参数之一，它直接影响到 织机耗气量的大小和引纬质量的好坏。各喷嘴的动作由p l c 来控制，并且必须要和其 他工艺动作相协调，才能取得良好的工艺效果。其主要动作的配合原则为： ( 1 ) 主喷嘴开始喷气的时间应比夹纱器开启时间早1 0 。2 0 。，进行预喷，其目 的在于将留在喷嘴外边的纬纱头先行吹直后再送入梭口，以便保证纬纱头端的顺利起 飞。 ( 2 ) 各组辅助喷嘴开始供气的时间应比纬纱到达时间早1 0 。1 5 。，以做好接纬的 准备；各组辅助喷嘴开始闭气的时间应比纬纱离开时间迟5 。1 0 。，以利于将纬纱顺利 地交给下一组气流。 ( 3 ) 最末一组辅助喷嘴的闭气时间应迟于夹纱器的闭合时问1 0 。2 0 。，以有利 于纱尾的伸直。 上述时间应随车速、织物的幅宽、织物的品种的改变而随之及时调整，以期能够 达到高产优质低耗的目的。 1 4 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 3 2 3 检测传感部分 本系统的传感检测硬件实物图如图3 7 所示 图3 7 传感器、转接板、采集卡实物图 半导体单晶硅材料在受到外力作用，便会产生肉眼根本察觉不到的极微小应变， 其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由其材料 制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应叫压阻效应。利用压阻效应原理，采用 三维集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺，在单晶硅片上的特定晶向，制成应变电 阻构成的惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的 机械加工，集应力敏感与电转换检测于一体的这种力学量传感器，称为固态压阻传感 器。以气、液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器，它较之传统的膜盒电 位计式、力平衡式、变电感式、变电容式，金属应变片式及半导体应变片式传感器技 术上先进得多，目前是压力测量领域最新一代传感器【2 5 1 。主要特点： ( 1 ) 灵敏度高。硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片式高5 0 1 0 0 倍，故相应 的传感器灵敏度很高。对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。由于它是一种非 机械结构型传感器，因而分辨率极高，硅压阻传感器在零点附近的低量程段无死区， 且线性良好。 ( 2 ) 精度高。由于固态压阻压力传感器的感受、敏感转换和检测三部分由同一 个元件实现，没有中间转换环节，所以不重复性和迟滞误差极小。同时由于硅单晶本 身刚度很大，形变很小，保证了良好的线性，因此综合静态精度很高。 ( 3 ) 由于芯体采用集成工艺，又无传动部件，因此体积小，重量轻。小尺寸芯 片加上硅极高的弹性模数，敏感元件的固有频率很高。在动态应用时，动 态精度高，使用频带宽可以从零频至1 0 0 千赫兹。 ( 4 ) 由于工作弹性形变低至微应变数量级，弹性薄膜最大位移在亚微米数量级， 1 5 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 因而无磨损，无疲劳，无老化。寿命长达1 0 7 压力循环次以上。 ( 5 ) 由于微电子技术的进步，四个应变电阻的一致性可以做得很高，加之激光 修调技术、计算机自动补偿技术的进步，目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度系数 已可达1 0 。c 数量级，即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感器的水 平。 硅压阻传感器也有其弱点与局限：在弹性元件比较复杂的应用领域，如应变、扭 距、集中力测量中，不如应变片式传感器灵活适用；易受温度变化的影响等。但这些 局限性在本课题的压力测量条件之外。 本课题选用的是c y g l 0 1 通用型高精度压力传感器如下图3 8 所示。压阻式传感 器要求恒流源供电，这是为了利用自补偿效应使其灵敏度系数达到要求，如果用恒压 源供电会产生变化，影响测量精度。因此将恒流源做在传感器壳内，只需外加+ 1 5 v 直流电压供电，就可得到0 5 v 标准化信号输出。 p 2 3 4 s 图3 8 硅压阻传感器的结构图 1 一不锈钢隔离膜片，2 一硅油，3 一硅杯，4 一引线，5 一传感器体 该传感器的实测寿命已达1 0 7 压力循环，平均无故障工作时间l o5 小时以上，噪 声电平1 y 以下，其主要技术指标如表3 一l 所示： 1 6 第3 章喷气引纬流场硬件测试平台的设计 表3 1c y g l 0 1 型压阻压力传感器技术指标 型号c y g l 0 1 量程 零位输出 满量程输出 过载能力 承受静压 供电电源 电桥阻抗 补偿温区 工作温区 适用介质 o 1 0 0 0 k p a v o 玉+ l o m v = 1 0 0 2 5 m v 2 0 0 恒流源供电：1 2 m a 3 6 k q 一1 0 + 6 0 - - 4 0 + 8 0 除氟、氯、氯化氢气体及苛性硷外的所有介质 本系统采用n i - 6 0 2 4 e 型数据采集卡，其特性如下： ( 1 ) 模拟信号输入通道数：8 路单端输入、4 路双端输入： ( 2 ) 数字信号输入、输出通道数：2 4 路( t t l 电平) ； ( 3 1 时钟信号定时、计数器：3 个，1 6 字节； ( 4 ) 模拟信号输出通道数：2 个；a d 卡类型：近似连续转换； ( 5 ) 分辨率：1 2 位；最大采样速率：1 0 0 k s s ，即单通道每秒采1 0 5 个采样点。 3 2 4 探针的选择 引纬流场中的气流通过l 型的探针采集到传感器中，并且要尽量防止气流压力的 衰减。本实验选择l 型全( 总) 压探针，因为它是成型产品，性能稳定，成本低， 不易损坏，使用方便，但其缺点为频率响应低。 引纬流场中的气流通过l 型的全压探针采集到传感器中。测量流体总压可采用