（纺织工程专业论文）有限元在分析纱线毛羽减除机理上的应用.pdf

摘要 纱线的毛羽过多，不仅影响后续工序的顺利进行，而且影响产品质量。一般 认为，纱线的毛羽生成于纺纱工序，增长于络筒工序。随着络筒机速度的不断提 高，如何控制高速络筒机毛羽的增长幅度，成为人们关注的一个问题。科学技术 的发展，使气流，尤其是高速气流，被越来越广泛的应用到纺织生产中。 国内外的研究人员通过在细纱机或者是络筒机上安装一个气流喷嘴，利用气 流喷嘴内高速气流的作用减少纱线的毛羽。前面的研究工作中，也曾设计了一个 减羽喷嘴，通过实验证实，在络筒机上安装减羽喷嘴以后，在一定程度上降低了 纱线毛羽的增长幅度。但是，这些研究工作主要基于实验的研究，并没对减羽喷 嘴内的高速气流的运动状态进行全面分析，也就无法解释纱线在经过减羽喷嘴时 毛羽的减除机理。 在本课题中，主要包括三部分：一是减羽喷嘴内气流状态的数值模拟，二是 模拟喷嘴的设计和安装，三是模拟喷嘴内纱线运动状态的研究。 1 - 在合理简化的基础上，利用有限元软件a n s y s 中的c f d 功能，对减羽喷 嘴三维简化模型内高速气流进行了数值模拟。模拟的结果显示减羽喷嘴内的气流 以涡流状运动。 2 为了捕捉喷嘴内纱线的运动状态，根据雷诺数相似的原则，将喷嘴的尺寸 放大五倍，并用有机玻璃制作模拟喷嘴，安装在1 3 3 2 络筒机上。 3 利用柯达高速摄影技术，在不同纱道直径和气压条件下，捕捉减羽喷嘴内 纱线的运动状态，发现纱线在减羽喷嘴中的运动是圆柱螺旋运动，也就是纱线在 气流的作用下，形成气圈，边向上运动边旋转，以圆柱螺旋状前进，这一点与理 论分析相符。 综上所述，纱线毛羽的减少，主要是由于纱线在经过减羽喷嘴时受到涡流的 作用。纱线在涡流的作用下形成气圈，并以圆柱螺旋状前进的过程中，利用“假 捻一解捻一包缠”原理，纱线的毛羽被包缠进纱体，毛羽减少。 关键词：纱线毛羽，有限元，减羽喷嘴，气流，气圈 a b s t r a c t i fy a mh a i r i n e s si st o om u c h ，i tn o to n l ya f f e c t st h ef o l l o w i n gp r o c e s s ，b u ta l s o a f f e c t st h eq u a l i t yo fp r o d u c t y a r nh a i r i n e s sg e n e r a l l ya r i s e si ns p i n n i n gp r o c e s sa n d i n c r e a s e si nw i n d i n gp r o c e s s w i t ht h ee n h a n c i n go fw i n d i n gm a c h i n es p e e d ，h o wt o c o n t r o lt h eh a i r i n e s si n c r e a s i n ge x t e n to nt h eh i g hs p e e dw i n d i n gm a c h i n eb e c o m e sa p r o b l e m d e v e l o p m e n t si ns c i e n c e a n dt e c h n o l o g yh a v em a d ea i r f l o w , e s p e c i a l l yh i g h s p e e da i r f l o w , w i d e l yu s e di nt e x t i l ep r o d u c t i o n r e s e a r c h e r sa r o u n dt h ew o r l du s et h eh i g hs p e e da i r f l o wi na i r - j c tt or e d u c ey a m h a i r i n e s sb yi n s t a l l i n ga na i r - j e to ns p i n n i n gm a c h i n eo rw i n d i n gm a c h i n e i nt h e a n t e r i o rr e s e a r c h ，ar e d u c i n gh a i r i n e s sje t i s d e s i g n e da n di n s t a l l e d o nw i n d i n g m a c h i n e ；i ti sp r o v e db ye x p e r i m e n tt h a ty a m h a i r i n e s si n c r e a s i n ge x t e n ti sr e d u c e d b u tt h er e s e a r c hw a sm o s t l yb a s e do ne x p e r i m e n t ，a n dt h em o v e m e n ts t a t eo fh i g h s p e e da i r f l o w i nt h e r e d u c i n g h a i r i n e s s j e t i sn o tf u l la n a l y z e d ，s ot h e h a i r i n e s s d e c r e a s i n gp r i n c i p l ec a n tb ee x p l a i n e d t h e r ea r em a i n l yt h r e ep a n si nt h i ss t u d y ：f i r s t ，t h ed i g i t a ls i m u l a t i o no ft h eh i g h s p e e da i r f i o wi nt h er e d u c i n gn o z z l e ；s e c o n d ，d e s i g n i n ga n di n s t a l l i n go ft h e s i m u l a t e d n o z z l e ；a n dt h i r d ，t h es t u d yo nt h ey a m sm o v e m e n t i nt h es i m u l a t e dn o z z l e 1 b a s e do nr e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o n ，t h ed i g i t a ls i m u l a t i o no ft h eh i g hs p e e d a i r f l o wi nt h et h r e em o d e lo ft h er e d u c i n gn o z z l ei sd o n ew i t ht h ea n s y s c f d t h e r e s u l ts h o w st h a tt h ea i r f l o wi nt h er e d u c i n gh a i r i n e s sj e ti sv o r t e x 2 m a g n i f y i n gd i m e n s i o no f t h en o z z l ew i t hf i v et i m e sa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e o fr e y n o l d sn u m b e rs i m i l a rt oc a t c ht h ey a r n sm o v e m e n ti nt h en o z z l e ，t h es i m u l a t e d n o z z l ew h i c hm a d eo fo r g a n i cg l a s sw a si n s t a l l e do nt h e1 3 3 2w i n d i n gm a c h i n e 3 u s ek o n d a kh i g hs p e e dp h o t o g r a p h yt oc a t c ht h ey a r n sm o v e m e n ti nt h e r e d u c i n gh a i r i n e s sj e ti nd i f f e r e n ty a mp a t hd i a m e t e ra n da i rp r e s s t h ey a r nm o v e s a s t h es h a p eo fc o l u m n h e l i c a li nt h er e d u c i n gh a i r i n e s sj e t ，t h a ti st os a y , u n d e r t h ee f f e c t o fa i r f l o w , t h ey a r nf o r m sa i rl o o p s ，g o i n gu p w a r d sw h i l er o t a t i n gi nc o l u m n - h e l i c a l w a y , w h i c hi si nl i n ew i t ht h et h e o r ya n a l y s i s o nt h ew h o l e i ts e e m st h a tt h er e d u c t i o no fy a r nh a i r i n e s sm o s t l ya t t r i b u t e st o t h ef u n c t i o no fv o r t e xw h e nt h ey a mg e t st h r o u g ht h er e d u c i n gh a i r i n e s sj e t v o r t e x m a k e st h ey a r nt of o r ma i rl o o p s ，m o v i n gi nc o l u m n h e l i c a lw a y i nt h i sp r o c e s s ，y a r n h a i r i n e s si sw r a p p e di n t oy a r nb o d ys ot h a ty a r nh a i r i n e s sd e c r e a s e s k e y w o r d s ：y a mh a i r i n e s s ，f i n i t ee l e m e n t ，r e d u c i n gh a i r i n e s sj e t ，a i r f l o w ，a i rl o o p 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些杰堂或其他教育机构的学位或 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了谢意。 学位论文作者签名：- i - 尽 , 4 疼签字日期：矽7 年肛月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些盔堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 秘套君 签字日期：0 7 年，纠z 7 日签字日期：年，纠7 日 导师签名： 辩醐母7 7 学位论文的主要创新点 1 利用大型通用有限元软件a n s y s 中的计算流体力学功能，对安装在络筒 机上的减羽喷嘴的三维模型内的气流的运动状态进行数值模拟，揭示减羽喷嘴内 的气流运动状态。 2 采用k o d a k _ m o t i o nc o r d e ra n a l y z e rs r c 高速摄影机，利用高速摄影技 术捕捉络筒机上纱线在经过减羽喷嘴时的运动状态。 3 通过模拟减羽喷嘴的三维模型内气流的运动状态和捕捉纱线的运动状态， 有助于解释络筒机上纱线经过减羽喷嘴时纱线毛羽的减除机理。 第一章绪论 1 1 毛羽的产生及其危害 第一章绪论 纱线的毛羽是个比较复杂的问题，它不仅与选用的原料、半制品的光洁度、 纱线加工的环境有关系，还与生产中所采用的工艺措施有很大的关系。大量的生 产实践证明，纱线的毛羽主要产生于纺纱工序，增加于络筒工序，减少于浆纱工 序。在纺纱工序，纱线毛羽的产生主要是由于加捻三角区的存在，当须条从前 罗拉输出时，由于加捻作用而使须条中原来平行排列的纤维与纱轴成一定的倾斜 角度，须条截面形状逐渐由扁平状变成近似圆形细纱，形成加捻三角区。处在加 捻三角区边缘的纤维，将克服纤维间的阻力而向内部转移，处在纱轴中心附近的 纤维则被挤出。纤维发生由外到内和由内到外的转移，而且一根纤维可能反复多 次转移。转移的结果是使纤维的表面形成毛羽。络筒工序是毛羽增长最严重的工 序。有资料显示心1 ，纱线经络简后，毛羽一般可增加5 0 1 5 0 ，有的可达2 5 0 。一般认为络纱张力、络筒速度、槽筒材料、张力盘和清纱器是造成纱线毛羽 增加的主要因素。这主要是纱线受到各摩擦部件摩擦力的作用，导致埋入不深的 纤维被抽拔出来形成毛羽或将原短毛羽摩擦成长毛羽。 在络筒过程中，纱线从纱管上退绕时，由于摩擦纱段的存在而受到摩擦，其 结果导致毛羽的增加，就一只管纱而言，毛羽增加的幅度是不一样的。满管时， 摩擦纱段较短，纱线毛羽增加少，随着退绕的进行，纱管裸出部分不断增加，摩 擦纱段长度不断增大，毛羽也逐渐增加。特别是管底退绕时，纱线对纱管的摩擦 纱段急剧增大，毛羽增加较多。络筒时，为了减少纱线张力的波动，在纱线形成 气圈的部位安装了气圈破裂器。纱线在运动中一直与气圈破裂器接触摩擦，毛羽 由此而增加。纱线与气圈破裂器接触摩擦的程度，也与管纱退绕的部位有关。满 管时，气圈直径较小，摩擦较轻，越靠近管底，气圈直径越大，摩擦也越剧烈。 络筒速度越高，纱线跳动越严重，纱线与气圈破裂器、张力器、清纱器以及 槽筒的碰撞和摩擦加剧，毛羽明显增加，特别是在机械状态不理想，工艺参数不 够恰当的情况下，速度越高，毛羽增加的幅度越大。 清纱器的作用是清除纱线上的杂质和疵点。当清纱器隔距不同时，毛羽的增 加幅度也不一样。隔距越小，毛羽增加幅度越大，当隔距小络筒速度高时，毛羽 增加更多。因此所用电子清纱器的清纱特性应尽可能与要清除的纱疵划分设定相 靠拢，以取得良好的清纱效果。 络筒之所以能使毛羽显著增加，槽筒摩擦传动影响最大。尤其是络卷圆锥形 第一章绪论 筒子时，由于沿筒子母线的直径大小不等，所以在筒子的母线上只有一个传动点 等于槽筒的表面线速度，其余各点在卷绕过程中均产生滑移。也就是说，筒子上 的纱线不断地受到槽筒的摩擦。就筒子上的某一层纱而言，越是靠近筒子的两端， 筒子与槽筒的速度差越大，对纱线的摩擦越严重，毛羽增加也越多，而靠近传动 点，速度差异小，摩擦较轻，毛羽增加较少。 适当的毛羽对织物的保暖性有较好的作用，并且短毛羽可以增加织物的亲肤 性。但是，如果纱线毛羽过多，将产生不利的影响。如果纱线上的毛羽过多且分 布的不均匀，易造成部分织物产生条影、云斑、及纬档等口儿钔。另外由于伸出纱 体外的毛羽比纱体内的纤维更易染色，从而形成染色后的色差，形成疵点，同样 也严重影响了织物的外观。随着无梭织机的广泛应用，因其小梭口、大张力、高 速度的工艺特点，纱线之间相互作用的频率激增，毛羽的存在使纱线之间严重交 缠，对织造的影响更加突出。在喷气织机上引起经纱断头和纬纱阻断，在剑杆和 片梭织机上引起经纱阻挡断头，从而影响织造效率。据资料啼1 反应，在喷气织机 上，由于经停和纬停的比例分别为3 0 和7 0 ，而7 0 的纬停中绝大多数与经 纱有关，也就是说毛羽的存在导致梭口不清，使引纬不能顺利进行。因此，减少 纱线的毛羽非常重要。 1 2 减少毛羽的方法 1 2 1 合理控制各工序的工艺参数 1 合理选择原料 毛羽大多是由短纤维的外露而形成，因此纱条内纤维根数越多，头尾数越多， 造成毛羽的可能性越大；而纤维长度越短，产生毛羽的机会也越多。因此在选择 原料时，应按品种控制纤维细度、长度、整齐度及短纤维率；控制低成熟度纤维 的含量，避免经精梳后半制品中短纤维率的增加呻1 。 2 改善半制品结构和光洁度 良好的半制品结构就是须条中纤维的分离度、平行伸直度好，短纤维含量少， 干扰纤维运动的棉结杂质少，有利于细纱装置对纤维运动的控制，从而减少毛羽。 3 细纱工序措施 1 ) 适当提高粗纱捻系数 在细纱工序n 1 ，有许多毛羽在纱条离开前罗拉时就已存在，因此加强纤维在 牵伸区的凝聚作用，减少牵伸对纤维的扩散作用，对减少毛羽很有利。为此，适 当提高粗纱捻系数，放大细纱后区罗拉中心距、减少后区牵伸倍数，让须条留有 一定捻回并进入前牵伸区，有利于防止纤维的过分扩散以减少毛羽。 第一章绪论 2 ) 采用软胶辊和内外花纹胶圈有利于减少毛羽数 皮辊软度、表面性能对须条的握持力有直接影响，当皮辊软度增加，可减小 浮游区长度，增加对钳口的握持力，减小加捻三角区的宽度和长度，有效控制纤 维，从而减少毛羽。 3 ) 前罗拉适当前移 前罗拉钳口线前移3 舢，可以减少须条在前罗拉上的包围弧，使加捻力矩更 接近于前罗拉钳口从而缩小加捻三角区，因此能使毛羽数减少。 4 ) 适当提高细纱捻系数 生产实践中提高细纱捻系数有利于降低毛羽，但细纱捻系数的选择主要取决 于最后产品对细纱品质的要求，因为捻系数小时，纱条对纤维的密集作用减弱， 使纱线在加工中容易产生毛羽，捻系数过大，会使纱线手感发硬，细纱机产量降 低。因此必须在兼顾细纱品质及生产率时，适当增加细纱捻系数，以利于降低细 纱毛羽。 5 ) 合理选择锭速 在纺纱特数和纤维细度一定的前提下，锭速超过一定范围后，毛羽数随着锭 速的增加而增加。因为，锭速增加，纱线与钢丝圈和导纱钩接触压力增加，摩擦 力增加，并且钢丝圈速度也增加，使钢丝圈运行不稳，同时纱线离心力增加，使 纤维容易从纱体中甩出形成毛羽。 6 ) 钢领和钢丝圈要适当配合 钢丝圈过轻，运行不平稳，使纱线气圈与隔纱板摩擦加大，同时钢丝圈运动 的接触面积要大，可减少压强及热磨损，增强运转中的稳定性。钢丝圈的选择要 与纺纱支数相适应。在生产中要掌握好钢丝圈、钢领的走熟期、稳定期和衰减期 三个阶段，按期更换钢丝圈和钢领。 4 精梳工艺 经过精梳加工的纱线强力有所提高，光泽改善，同时短纤维含量的降低也意 味着纱线单位重量中的纤维根数的减少，相应的纤维突出纱线表面行形成毛羽的 可能性也随之减少。因此，精梳工艺既能充分地提高纱线品质，又减少了毛羽。 5 烧毛工艺 烧毛是一个十分复杂、成本高昂但是又有效的纱线处理过程。在络筒与清纱 之后，纱线以固定速度喂入一个明火之上，突出于纱体主干之外的毛羽被烧焦而 去除。 1 2 2 采用新型的成纱技术 1 喷气纺纱 3 第一章绪论 喷气纺纱口1 是利用压缩空气在喷嘴内产生螺旋气流对牵伸后的须条进行“假 捻一解捻一反向包缠 的原理成纱的。喷气纺纱中须条经四罗拉双短胶圈牵伸装 置约1 5 0 倍左右的牵伸后，依靠加捻器中的负压吸入加捻器，接受空气涡流的加 捻。加捻器由第一喷嘴和第二喷嘴串接而成，两个喷嘴所喷出的气流旋转方向必 须相反，并且第二喷嘴的速度大于第一喷嘴的速度。由于前罗拉输出的须条为带 状，带的边缘有一部分纤维未被马上捻合，但是边缘纤维的自由端到达喷嘴入e l 时，被已加捻的纱芯抓住而加捻。此时纱芯已被加上捻度正，边缘纤维被抓取后 又被加上捻度r ，那么纱芯的捻度为丁+ 正，而边缘纤维形成的外层纤维的捻 度只有r ，当纱线过了第二喷嘴后开始解捻，产生反向旋转。当表面纤维捻度 为零时，即r ：0 ，则纱芯仍有捻度正，继续解捻。当纱芯捻度解为零时，既正= o ， 则纱芯表面边缘纤维产生反向包缠，其捻度为ti 一互。喷气纺纱成纱的最大优 点是毛羽少、纱线起球少、吸湿快干、强力均匀、条干疵点少。 2 集聚纺 由于在传统的细纱机前罗拉钳口到导纱钩之间形成一个纺纱三角区，其中的 纤维完全失控，容易产生毛羽。集聚纺纱方法是在环锭纺纱技术的基础上加装一 套集聚装置，以增加对从前罗拉钳口到加捻点的加捻三角区内纤维的控制，消除 了加捻三角区、减少毛羽、提高强力呻1 。在第9 届c i t m e 上展出的大量细纱机 上都附有集聚装置。目前的集聚纺装置有r i t e r 公司的c o m 4 、s u e s s e n 公司的e l i t e 和z i n s e r 公司的a i r c o m t e x ，其主要是利用气流吸力来凝聚牵伸后的须条；而印 度r o t o c r a f t 公司开发的r o c o s 装置则利用磁力的方法凝聚牵伸后的须条阻1 。 虽然集聚纺纱能减少毛羽提高强力但是存在如下缺点： 1 ) 设备投资资金大，固定成本高，另外因需要气流集聚，车间内的空气流 动快，其它工序的飞花易在此集聚，因此需加强清洁工作； 2 ) 由于纱线毛羽减少及更加光滑整齐的外观，带来捻结方面的问题。一是 纱线上接头较为明显，二是由于没有那些有助于退捻、开松及并和再加捻的外部 游离纤维而使空气捻结变得更加困难。 3 s o l o s p u n 索罗纺( s o l o s p u n ) 口1 是1 9 9 8 年由澳大利亚英联邦研究机构以及国际羊毛局和 新西兰羊毛研究组织共同开发成功的新型纺纱方法。在传统羊毛精纺细纱机前罗 拉下方增加一对特殊沟槽罗拉，开有一系列圆周方向的浅槽，但并不在圆周方向 连续，而是将圆周分为四区，在区和区之间留有无槽圆柱条形面，这样能使环锭 气圈向上传来的加捻作用继续传入槽区，能使精纺毛纱表面短纤维完全有效捻入 纱中，大大增加了纱的强度，试验发现s o l o s p u n 纱的毛羽较少、较光洁、耐磨 性较高、手感柔软光滑。 4 第一章绪论 1 2 3 采用新型络筒技术减少毛羽 1 控制络筒机速度 络纱速度采用变频调速，开车时按预设程序慢速启动，以减少筒子与槽筒间 的摩擦，控制动态张力均匀，减少纱线毛羽。 2 设计新型气圈控制器 采用气圈控制器n 町，气圈破裂器以减少纱线退绕时气圈过大造成与空气及周 围零部件的摩擦碰撞，从而减少毛羽的产生。日本村田公司设计制造了上下移动 式气圈控制器b a l o n 如图1 1 所示。该气圈控制器，跟踪管纱余量下降以保持 从管纱退绕开始到结束退绕时张力的恒定，b a l o n 实现高速度、高质量地卷绕筒 子，配合张力程控系统应用。优越性能为：高速卷绕、高生产量、抑制脱圈、减 少飞花、减少毛羽、减少棉结。 图1 一l 可移动式气圈控制器 1 气圈控制器2 咣电传感器卜管纱 3 采用先进张力器 国外先进络筒机采用栅式张力器n ，弹簧加压或气动加压张力器调节，稳定 络纱张力。意大利s a v i o 与青岛纺机合作生产的自动络筒机采用弹簧加压；村 田公司新型络筒机上安装了p e a r l - - d 张力盘式毛羽消除器与张力程控管理系统 配合使用，能生产低毛羽的筒子，适宜任何后工序的加工。减少毛羽特别是长毛 羽，而保持环锭纱的手感。 上述减少毛羽的方法，有的是通过合理的控制各工序的工艺参数，还有是采 用新型的成纱和络筒技术，减少纱线的毛羽。集聚纺的出现消除了传统细纱机上 的加捻三角区，减少了毛羽。对于络筒工序来说，虽然通过控制络筒速度可以达 到减少纱线毛羽的目的，但是不符合络筒机向高速化发展的趋势，在实际生产中 可操作性比较小。 随着络筒机速度的不断提高，如何控制高速络筒机毛羽的增长幅度，成为人 5 第一章绪论 仃 关注的一个问题。科学技术的发展和空气动力学等理论的不断完善，给纺织工 业带来了一定的变革。气流，尤其是高速气流，被来越广泛的应用到纺织生产中。 此时，人们逐渐认识到，是不是可以通过高速气流来减少纱线的毛羽，尤其是高 速络筒上纱线毛羽的增长。国内外的研究人员在这方面已经进行了一些研究，主 要是通过在细纱机或者是络筒机上安装一个气流喷嘴，利用气流喷嘴内高速气流 的作用减少纱线的毛羽。虽然气流喷嘴的减羽效果已经通过实验得到了验证，但 是纱线在经过气流喷嘴时，毛羽的减除机理还不太清楚，需要进一步的研究。这 也是本课题研究的重点。 1 3 课题的提出、目的和意义 1 3 1 课题的提出 目前为了适应市场对纱线、织物的高质量要求，提高产品的竞争力，纺织企 业逐渐意识到引进世界上先进自动络筒机的重要性。与此同时，伴随着络筒速度 的高速化，络筒工序纱线毛羽大幅增长。因此，对于高速络筒来说，减少络筒过 程中纱线毛羽的增长幅度是非常必要的。 前面的研究工作中，曾经设计了一个减羽喷嘴，将其安装在意大利s a v l 0 与 青岛宏大纺机联合生产的e s p e r o m 型自动络筒机上的两个圆型气动张力盘之 间。通过实验证实，在络筒机上安装减羽喷嘴以后，在一定程度上降低了纱线毛 羽的增长幅度，但是这些研究工作主要基于实验的研究，并没对减羽喷嘴内的高 速气流的运动状态进行全面分析，也就无法解释纱线在经过减羽喷嘴时毛羽的减 除机理。 随着计算机技术的不断发展，有限元分析技术迅速从结构工程强度分析计算 扩展到各个学科领域。可以说，凡涉及空间形态的物质结构，不论是以固体、流 体还是场的存在形式，有限元都是非常行之有效的分析方法。本课题利用有限元 中分析流场的功能分析减羽喷嘴中气流的运动状态。 1 3 2 课题研究的目的 纱线在络筒过程中毛羽有一定幅度增加，为了降低纱线在经过络筒工序时 纱线毛羽的增加幅度，通过在络筒机上安装减羽喷嘴来降低络筒工序毛羽的增加 幅度，其减羽效果已经通过实验得到了验证。但是，纱线通过减羽喷嘴时，纱线 毛羽的减除机理目前还不太清楚。因此，本课题就是在前面研究的基础上，利用 有限元分析络筒机上减羽喷嘴内气流的运动状态，利用高速摄像技术捕捉减羽喷 6 第一章绪论 嘴内纱线的运动状态，进而分析利用气流减羽喷嘴减少络纱毛羽的机理。 1 3 3 课题研究的意义 1 减羽喷嘴的减羽效果已经通过实验得到了验证，通过应用有限元分析减羽 喷嘴内的气流运动状态，可以进一步了解纱线在减羽喷嘴中的运动状态，指导实 际生产。 2 有限元技术应用于纺织领域的研究主要是纺织机件的结构力学分析，后 来逐步扩展到纤维、纱线织物等柔性材料的分析。关于应用有限元分析技术对流 场问题的分析，相关报道很少。本课题通过分析减羽喷嘴中气流的运动状态，捕 捉纱线在减羽喷嘴中的运动状态，有助于解释纱线通过减羽喷嘴时纱线毛羽的减 除机理，还可以填补有限元技术在分析络筒工序中通过气流减少纱线毛羽的空 白。 1 4 本文的创新之处 1 利用大型通用有限元软件a n s y s 中的计算流体力学功能，对安装在络筒 机上的减羽喷嘴的三维模型内的气流的运动状态进行数值模拟，揭示减羽喷嘴内 的气流运动状态。 2 采用k o d a km o t i o nc o r d e ra n a l y z e rs r c 高速摄影机，利用高速摄影技 术捕捉络筒机上纱线在经过减羽喷嘴时的运动状态。 3 通过模拟减羽喷嘴的三维模型内气流的运动状态和捕捉纱线的运动状态， 有助于解释络筒机上纱线经过减羽喷嘴时纱线毛羽的减除机理。 7 第二章气流喷嘴在减少纱线毛羽上的应用 第二章气流喷嘴在减少纱线毛羽上的应用 正是由于纱线毛羽的诸多危害，国内外的研究人员采取各种办法减少纱线的 毛羽。在传统的减少毛羽的方法中，浆纱工序是减少纱线毛羽的一个重要手段， 纱线上浆的主要目的是帖伏毛羽，增加纱线的耐磨程度以及增强伸长。但是，上 浆所引起纱线毛羽的大幅度降低，并不是真正的毛羽减少，而是凭借毛羽帖伏使 可测毛羽数减少。近来，国内外的研究人员采取了一种新的减少毛羽的方法，也 就是在细纱机和络筒机上安装一种减羽装置来减少纱线的毛羽，这是一种能减少 纱线毛羽的方法，其减羽效果已经通过大量的实验得到了验证。 2 1 纺纱工序减少纱线毛羽 一在纺纱工序，一些学者通过在传统的环锭纺纱机上添加一些简单的装置来减 少纱线毛羽。w a n g n 2 1 在传统细纱机加捻三角区的下方安装一个空气喷嘴，其安 装示意图如图2 - - 1 所示。在w a n g 的文章中指出纱线毛羽的增加与气流的方向 有关。气流旋转方向与纱线捻度方向一致有利于减少纱线毛羽。k a l y a n a r a m a n l l 3 1 在细纱机上的加捻三角区添加一个喷气式空气涡流管，结构简图如图2 - - 2 所示。 前罗 图2 - - 1w a n g 在纺纱工序减少毛羽方法的安装示意图 8 第二章气流喷嘴在减少纱线毛羽上的应用 进气孔 道 图2 2k a l y a n a r a m a n 改进减羽装置结构简图 图2 - - 3j o e n 改进减羽装置结构简图 k a l y a n a r a m a n 认为空气压力的合理选择对降低纱线毛羽有显著影响，选择低 压或高压纱线毛羽都会增加，仅当空气压力为0 5 b a r 时纱线毛羽数较少。j e o n n 盯 也采用类似的方法控制纱线毛羽，但使用的原理是吸气式的，其结构如图2 3 9 * 一帝气a 醯少纱线毛ml ，的用 所示： j c o n 探时了空气涡流管的主喷嘴的直径、喷嘴长度、喷嘴数量和形状对纱线 毛羽的影响，其中主喷孔和副喷孔的直径对纱线毛羽的影响较大，副喷孔的位置 和喷嘴内气压的太小次之，其它参数影响不明显。 根据以上结果，j e o n 选用喷嘴的结构参数为：喷嘴长度为4 0 m m ，主喷孔直 径为l m m ，副喷孔直径15 r a m 、倾斜角6 0 度、扎数为4 且位于喷嘴中部，喷头 呈v 型，在喷嘴内的气压为一定值的条件下进行纺纱，经测试3 r a m 咀l 的毛羽 减少了5 0 以上。改进后的纱线强力和仲长有所提高而不匀率有所下降。纱线 条于没有明显恶化。由于3 r a m 以上的毛羽明显减少，纱线的外观得到显著改善。 22 络简工序减少纱线毛羽 w a n g “”在络筒机卜添加村田公司喷气纺纱机上的喷嘴来控制纱线毛羽。其安 装示意周如图2 4 所示。在w a n g 的文章中指出纱线毛羽的增加与气流的方向 有芙。气流旋转方向与纱线捻度方向一致有利于减少纱线毛羽。f a i s h n a s w a m y “ 作出了类似的研究，从k r i s h n a s w a m y 的研究中可以发现，保持空气的压力为 1 5 b a r 这一适当的值对减少纱线毛羽较为有利，w a n g 和k f i s h n a s w a m y 的研究 论文中采用的络筒速度分别为4 0 0 米分和6 0 0 米分，远远低十自动络筒机的 速度，另外由于在设计时没有考虑自动络筒机在纱线接头时纱线出入喷嘴的方 式，所以无法直接应用在自动络简机上同本村田公司“7 1 已开发出与自动络筒机 柑匹配的纱线减羽装置其结构简图如图2 5 ，2 6 所示。 一壤简 纱线张力器 r 空气喷嘴 【i 清纱器 + 纱线张力器 管纱 图2 - - 4w a n g 在络筒工序减少毛羽方法的安装示意图 第二二章气流喷嘴在减少纱线毛羽上的应用 空气 制板 喷气孔 图2 5 村田公司减羽装置示意图 纱线通道切向 塞子 图2 6 涡流管及其附件结构图 该减羽装置通过喷气孔喷射高速气流，在纱线通道内形成涡流，使纱线毛羽 重新缠绕在纱线表面上来控制毛羽的增加。其优点是有一纱线通道切向入口，可 第二章气流喷嘴在减少纱线毛羽上的应用 让纱线自由出入纱线通道，保证了络筒过程的自动化，在工作时，利用一塞子堵 住纱线通道切向入口，防止气体从纱线通道泄漏，节约生产成本，利用上下控制 板来控制纱线捻度的传递。 另外，国内的研究人员也在这方面做了一些研究工作，取得了一定的成绩。 朗军n 鲫在上述研究的基础上，设计了一种带搓抹器的涡流管，称之为改进毛羽减 少装置，将络筒机( a u t o c o n2 3 8 ) 上的上蜡装置去掉，并在该位置安装毛羽 减少装置，利用毛羽减少装置来减少纱线的毛羽，改进的毛羽减少装置、在络筒 机上的安装示意图及涡流管整体结构图如图2 7 ，2 8 ，2 - - 9 所示。 l 一搓抹器 2 一涡流管 3 一涡流管纱线入口通道 m 圈线位置 5 一气圈波腹 卜清纱器上导纱板 l l 一加捻区长度 l 2 一退捻区长度 图2 7 改进毛羽减少装置 第二章气流喷嘴在减少纱线毛羽上的应用 1 i 风i l 毛羽 口9 电子 l 张力 j 预清i 图2 8 毛羽减少装置安装示意图 3 2 1 一弹性舌簧 2 一纱线通道 3 一涡流管狭槽 4 ，6 一涡流管进气喷孔 5 一气室 6 图2 9 毛羽减少装置涡流管整体结构图 该装置具有以下优点： ( 1 ) 利用络筒机上原有的张力装置施加张力，可调节气圈形状，由于没有添 加额外的张力装置，避免纱线毛羽的进一步增加，纱线经过减羽装置以后，由于 第二章气流喷嘴在减少纱线毛羽上的应用 无其它的张力装置，利于毛羽减少效果的保持。 ( 2 ) 从气圈的形状来看，由于采用不对称结构，使气流假捻导致的气圈线的 波幅位于涡流管的下端，避免波幅处纱线与涡流管内壁大面积接触。 ( 3 ) 采用不对称结构后，纱线与涡流管内壁的距离增加，利于纱线毛羽在气 流的带动下充分旋转，同时由于在涡流管内开始形成加捻，所以纱线毛羽的包缠 效果能够得到有效的保证。 ( 4 ) 采用搓抹器后，纱线毛羽在摩擦力的作用下，能够进一步包缠到纱线表 面上，利于纱线毛羽的进一步减少。 为了满足自动络筒机的接头需要，必须对涡流管进行开槽，但是开槽后易导 致气流的泄漏，不利于提高气流的旋转角速度，所以在涡流管狭槽处添加弹性舍 簧，其作用在于减少气流从涡流管狭槽中的泄漏，利于提高气流的旋转性能。这 一点与村田公司的非常相似。 纵上所述，不管是在纺纱工序，还是在络筒工序，国内外的研究人员都对气 流喷嘴进行了一定的研究工作，虽然设计的气流喷嘴具有一定的差异性，并且认 为影响气流喷嘴减羽的因素也不同，w a n g 认为气流的方向对纱线毛羽的减少影 响显著，k a l y a n a r a m a n 认为空气压力的合理选择对降低纱线毛羽有显著影响， 但是都通过实验证实气流喷嘴对减少纱线的毛羽具有一定的效果。上述研究虽然 通过实验证明了气流喷嘴的减羽效果，并分析了气流方向、空气压力等因素对气 流喷嘴减羽效果的影响，但是并没有对气流喷嘴中的气流的运动状态进行研究， 也就无法从根本上解释纱线通过气流喷嘴时毛羽的减除机理。 1 4 第三章有限元及其在纺织上的应用 第三章有限元及其在纺织上的应用 3 1 有限元分析技术简介 有限元分析技术是2 0 世纪5 0 年代末出现的处理固体力学的一种非常有效的 数值方法，但巨大的运算量长期制约着这种方法在工程实践中的应用。随着计算 机技术的快速发展和普及，有限元技术迅速从结构工程强度分析计算扩展到各个 学科领域。可以说，凡涉及空间形态的物质结构，不论是以固体、流体还是场的 形式存在，有限元都是非常行之有效的分析方法。 通过有限元分析，可使设计人员在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的 技术性能，从而减少设计成本、缩短设计和分析的循环周期、增加产品和工程的 可靠性。随着众多简单易用的有限元分析软件的出现，有限元分析技术将越来越 容易地为普通工程技术人员所掌握，显现出极大的应用前景。 3 1 1 有限单元法的基本思想钉 1 物体离散化 将某个工程结构离散为由各种连接单元组成的计算模型，这一步称作单元剖 分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来。单元节点的设置、性 质、数目等应视问题的性质，描述变形形态要根据需要和变形精度确定。一般情 况，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。 所以有限元法中分析的结构已不是原有的物体或结构物，而是同样的材料由众多 单元以一定的方式连接成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只 是近似的。如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况符 合。 2 单元特性分析 ( 1 ) 选择未知量模型在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时 称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分 节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有 限单元法中位移法应用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化以后，就可以把单元中的一些物理量 如位移、应变和应力等用节点位移表示。这是可以对单元中节点位移的分布采用 一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中将位移表示为坐标变 量的简单函数，这种函数称为位移模式或位移函数，如y ；y 口，仍，其中a ，是待 第三章有限元及其在纺织上的应用 定函数，够是与坐标有关的某种函数。 ( 2 ) 分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、 位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键 一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程 式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 ( 3 ) 计算等效节点力物体离散化以后，假定力是通过节点从一个单元传 递到另一个单元。但是，对于实际的连接体力是从单元的公共边界传递到另一个 单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等 效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。 3 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来， 形成整体的有限元方程 砀一， ( 3 1 ) 式中k 一整体结构的刚度矩阵； g 一节点位移矩阵； 厂一载荷矩阵。 4 求解未知节点位移 求解有限元方程( 3 1 ) 得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选 择合适的计算方法。 通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合 ，分是为 了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。 3 2 有限元分析技术的实现方法 有限元分析技术一开始就与计算机技术密切相关，有限元分析技术的具体应 用也主要是依靠软件来实现的，现在计算机的运行速度越来越快，用于有限元分 析计算的时间越来越短，一般只有几分钟或几个小时，而建立一个复杂的模型往 往要花费几天的时间。目前许多有限元分析软件对此重点进行了改进，具有很强 的前置建模和后置数据处理模块，用户能以可视化图形方式直观快速地进行网格 自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、 等值云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。当今有限元分析系统的另一个 特点是与通用c a d 软件集成使用，即用c a d 软件完成部件的设计后，自动生成有限 元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行设计和计算，直 到满意为止，这极大的提高了设计水平和设计效率。 1 6 第三章有限元及其在纺织上的应用 在本课题中，使用的有限元分析软件是美国的a n a l y s i ss y s t e m ( 简称 a n s y s ，以下用a n s y s ) 软件。 3 3a n s y s 简介 a n s y s 删2 小2 2 m 3 3 是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型计算 机辅助工程( 简称c a e ，以下用c a e ) 通用有限元分析软件，可广泛用于核工业、 铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土 木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利，以及日用家电等一般工业的科学 研究。 3 3 1a n s y s 的发展历史 a n s y s 从1 9 7 1 年的2 0 版本至如今的1 1 0 版本，已有3 0 多年的历史。目前已 有许多国际化大公司以a n s y s 作为其标准。其版本号的第1 个数字表示软件本身有 重大的改进及更新，从第2 个数字表示有小幅度改进及更新。 3 3 2a n s y s 的组成 1 前处理模块 该模块用于定义求解所需的数据，用户可以选择坐标系统、单元类型、定义 实常数和材料特性、建立实体模型并对其进行网格划分、控制节点和单元，以及 定义耦合和约束方程等。通过运行一个统计模块，用户还可以预测求解过程所需 的文件大小及内存。 在a n s y s 中可以用三种方法建立模型：实体建模、直接生成和模型导入( 导 入c a d 模型) - _ o 对于实体建模，需要描述模型的几何边界，建立对单元大小和形 状的控制，然后令a n s y s 自动生成所有的节点和单元。与实体建模不同，直接 生成方法在定义a n s y s 实体模型之前，必须确定每个节点的位置，以及每个单 元的大小、形状和连接。 尽管有些数据直接生成是可能的，直接生成方法基本上是依次传递的，这种 方法在建立有限元网格时需要记录所有的节点号，这种记录对比较大的模型来说 工作量很大，且容易出错。实体建模一般比直接生成方法更加有效和通用，是建 模的首选方法。 2 求解模块 在前处理阶段完成建模以后，用户在求解阶段通过求解器获得分析结果。在 该阶段用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始用 1 7 第三章有限元及其在纺织上的应用 有限元求解。 3 后处理模块 该模块可以通过友好的用户界面获得求解过程的计算结果并对这些结果进 行计算，这些结果可进行包括位移、温度、应力、应变、速度和热流等，输出形 式有图形显示和数据列表两种。在交互式后处理过程中，图形可联机输出到显示 设备上或脱机输出到绘图仪上。由于后处理阶段完全同a n s y s 前处理和求解阶段 集成在一起，故求解结果已保存到数据库中且能立即查看。 后处理访问数据集的方法有两种，一种是用通用后处理器p o s t l 检查整个模 型或模型的某一部分中任意一个特定数据集的结果；二是用时间历程后处理器 p o s t 2 6 跨多个数据集检查选择的部分模型数据，如特定节点的位移或单元应力。 从结果文件中读出的数据保存在a n s y s 数据库中，后处理允许访