（纺织工程专业论文）喷气涡流纺纱方法研究.pdf

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。所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：错 日期：加d 了年f 月弘日 附件二： 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 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 制手段保存和汇编本学位论文。 保密d ，在二l 年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位论文作者签名：念听 、 日期：z p d 年f 月伸 指导教师签名幺试 日期：以钠月r 日 喷气涡流纺纱方法研究 摘要 喷气涡流纺纱是一种已经被公认为很有发展前景的新型纺纱方 法，其优势己被广泛认可。喷气涡流纺纱方法是通过罗拉牵伸装置将 条子或粗纱纺制成指定支数的纱线。纤维束从前罗拉输出后，经过纤 维束螺旋导入孔，经螺旋曲面对纤维束的集束，使纤维束进入中空气 室中，在喷嘴喷出的涡流的作用下，纤维束开始旋转加捻，最终形成 喷气涡流纱。由于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，有力的提高了纱的强度。 目前国内对喷气纺已经有了一定的研究，但是对喷气涡流纺的研 究还相对较少。喷气涡流纺适合于纺制纯棉纱线，由于喷嘴结构的局 限，所以不利于纺制纯涤或涤棉纱线。用原有喷嘴纺制纯涤或涤棉纱 时，出现了成纱困难，成纱强度低等问题。因此本课题主要研究内容 是对喷气涡流纺喷嘴进行改进，使之可以适用于纺制具有一定成纱质 量的纯涤或涤棉纱。本课题对喷气涡流纺纱的原理进行了解释，对影 响成纱的因素进行了分析，通过不断的理论研究和实验探索，了解了 影n 向成纱质量的原因。根据实验得出的结果，对原有喷嘴的结构进行 了改进，并首次利用数值模拟出了流场在原有喷嘴和改进后的喷嘴中 的二维分布，选出了最佳的流场分布方案，依照最合理的流场分布加 工了喷嘴，并且对改进的喷嘴进行了实验验证，选出了最优的喷嘴结 构，并纺制出了成纱质量较好的纯涤和涤棉纱，克服了喷气涡流纺纱 的局限性，拓宽了适纺范围。 本文对喷嘴的设计和改进作了详细说明，并对改进后喷嘴主要部 分的作用进行了分析。通过分析找出了影响成纱质量的主要参数，并 通过大量实验对改进后喷嘴的主要参数和纺纱工艺参数进行了优化。 对于喷嘴的主要结构参数，如螺旋曲面锥角、导引针长度、喷孔角度、 喷孔位置等进行了单因子优化，并对几个主要结构参数进行了正交实 验优化，找到了最佳的配合参数。对于纺纱工艺参数，如喷嘴气压、 前罗拉钳口到喷嘴的距离等也作了优化，并找到了最佳的配合参数， 提高了喷嘴的实用性。 关键词：喷气纺，喷气涡流纺，喷嘴，喷嘴结构，成纱性能 t h er e s e a r c hi na l r j e tv o r t e xs p i n n i n g a b s t r a c t a i rv o r t e xs p i n n i n gi st h en e ws p i n n i n gm e t h o dw h i c hi sa c c e p t e da s o n eo ft h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g i e s t h i ss y s t e mc a na l s ob ev i e w e d a s ad e v e l o p m e n ti nf a s c i n a t e dy a mt e c h n o l o g y t h em u r a t av o r t e x s p i n n i n gm e t h o dt a k e sc o t t o ns l i v e ra n d d r a f t si tt ot h ed e s i r e dy a mc o u n t b yaf o u rr o l l e r a p r o nd r a f t i n gs y s t e m t h ef i b e r sc o m eo u to ft h ef r o n t r o l l e r s ，a n ds u c k e di n t ot h es p i r a lo r if i c ea tt h ee n t r a n c eo ft h ea i rj e t n o z z l e ，a n dt h e ya r et h e n h e l dt o g e t h e rm o r ef i r m l ya st h e ym o v et o w a r d s t h et i po ft h en e e d l ep r o t r u d i n gf r o mt h eo r i f i c e a tt h i ss t a g e ，t h ef i b e r s a r et w i s t e df o r mt h ef o r c eo ft h ea i rje ts t r e a m ，a n dt h e nt h ef i b e r st w i n e d o v e rt h es p i n d l ea r ew h i r l e da r o u n dt h ef i b e rc o r ea n dm a d ei n t om v s y a m a st h e ya r ed r a w ni n t ot h eh o l l o ws p i n d l e n o w , t h e r ea r es e v e r a lr e s e a r c h e si nd o m e s t i cf i e l d ，b u t 1 i t t l ei n m u r a t av o r t e xs p i n n i n g b e c a u s eo ft h es t r u c t u r eo ft h ea i rj e tn o z z l e ，t h e m u r a t av o r t e xs p i n n i n gm e t h o do n l yc a l lm a k e10 0 c o t t o ny a m ，w h e n w eu s et h i sw a yf o rp o l y e s t e ry a r n ，t h es t r e n g t ho fy a r ni sv e r yl o w s o t h em a j o rp u r p o s eo ft h i sp a p e ri su s i n gm v st om a k ep o l y e s t e ry a m t h i sp a p e re x p l a i n e dt h et h e o r yo ft h em v s ，a n a l y z e dt h ee l e m e n t so f t h em v s b ym a n yr e s e a r c h e sa n de x p e r i m e n t s ，w ed e s i g n e dan e w n o z z l e ，a n du s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w ec o m p a r et h eo l dn o z z l ew i t h t h en e wo n e ，w ec h o o s et h e o p t i m i z e s t r e a mo n e s w ef o u n dt h e o p t i m i z e dp a r a m e t e ro ft h ea i rje tn o z z l e ，a n dt h e nw ei m p r o v e do nt h e s t r u c t u r eo ft h en o z z l e t h en e wn o z z l ec a nm a k e10 0 p o l y e s t e ry a m w i t hg o o dq u a l i t y i nt h i sp a p e r , t h ed e s i g no ft h ea i rj e tn o z z l ed e v i c ei sd e s c r i b e di n d e t a i l ，t h ep a r a m e t e ra n df u n c t i o no ft h en o z z l ea r ea n a l y z e d al o to f e 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 pa m o n gt h es t r u c t u r e p 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 ra n dy a mq u a l i t y , i n c l u d i n gs c r e w a 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 ft h ea i rj e tn o z z l e ，t h el o c a t i o no f t h ea i rj e tn o z z l e ，t h en 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 o t h en o z z l e a sar e s u l ti tc a nb ec o n c l u d e dt h a t ，t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s a n dt e c h n o l o g i cp a r a m e t e rs i g n i f i c a n t l ya f f e c t st h er e s u l t i n gp r o p e r t i e so f y a m s t h ep a r a m e t e ro fm a k i n gp o l y e s t e rv o r t e xy a m sw e r eo p t i m i z e d y u z h a o s h e n g ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yy uc h o n g w e n k 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 e ，n o z z l e s t r u c t u r e ，y a mp r o p e r t i e s 7 目录 第一章概述 1 1 喷气纺纱的发展与现状 1 2 国内外对喷气纺纱机的研究 1 3 本课题研究的目的意义及内容、方法 第二章喷气涡流纺喷嘴结构及纺纱机理分析 2 1 喷气涡流纺的喷嘴结构 2 2 喷气涡流的理论分析 2 3 喷气涡流纺成纱机理 第三章喷气涡流纺纱喷嘴结构的设计 3 1 影响成纱质量因素分析 3 2 空心管结构的改进 3 3 喷嘴内流场特性的数值模拟 3 4 改进空心管结构的试验验证 3 5 数值计算与试验结果的讨论 第四章喷气涡流纺喷嘴结构参数优化 4 1 喷嘴结构参数及单因子试验分析 4 2 导引针长度和喷孔角度的组合优化 4 3 喷嘴结构参数的正交优化设计 第五章喷气涡流纺纱工艺参数的优化 5 1 主要工艺参数的作用及单因子实验分析 5 2 喷嘴气压与前罗拉钳口到引纱管距离的组合优化 第六章结论与展望 6 1 本文得到的结论 6 2 本课题存在的问题和进一步的研究方向 参考文献： 致谢 1 1 5 2 4 4 6 0 4 4 6 7 1 2 4 4 8 9 4 4 0 2 2 2 4 9 1 1 1 1 2 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 5 5 6 6 6 e 6 目 第一章概述 第一章概述弟一早僦尬 1 1 喷气纺纱的发展与现状 1 1 1 喷气纺纱的发展 喷气纺纱是继转杯纺、自捻纺、涡流纺纱后发展起来的一种新型纺纱方法。 喷气纺纱是利用旋转气流来推动须条形成高速旋转的气圈运动，使之加捻成纱的 一种新型纺纱方法，迄今已经有三十多年的历史，但纺纱技术是在最近十五年才 趋成熟。加捻器是由固定的喷嘴构成，因此无高速回转机件。这种纺纱方法单产 约为环锭纺纱的8 2 0 倍，适于纺制棉、涤棉等纱。可纺纱线特数为5 8 4 t e x 7 3 t e x ，单纱强力约为同类环锭纺纱的7 0 一- - 9 0 。与传统纺纱相比喷气纺具有 以下优点：产量高、流程短、用人少、节约能源、自动化程度高、适纺范围广等 【l 2 3 】 0 1 9 6 3 年美国杜邦公司首先开发了喷气加捻包缠纺纱法，并获得了专利。它采 用单喷嘴加捻，但因成纱强力不高而未能继续发展。日本村田公司于2 0 世纪7 0 年代初开始研究喷气纺纱机。1 9 8 1 年首次推出了适用于纺$ u 3 8 m m 纤维的8 0 1 型喷 气纺纱机，最高纺纱速度可达1 8 0 m m i n ；1 9 8 8 年对牵伸系统和喷嘴结构等进行技 术改进后推出8 0 2 型，纺纱速度达3 0 0 m m i n ；1 9 9 2 年后。又相继推出了8 0 2 h 型、 8 0 2 h r 型喷气纺纱机，最高纺纱速度3 0 0 m m i n ；这时的设备无论在牵伸系统、适 纺纤维、产质量及自动化等方面均有了进一步提高。截止至u 2 0 0 2 年底，全世界共 有喷气纺设备约2 8 万台，分布在4 6 个国家和地区，其中北美约占7 3 ，亚洲约 占1 9 ，中南美、欧洲、澳洲等约占8 。美国是拥有喷气纺纱机最多的国家， 总数约有2 0 万台。占全世界总量的7 0 。这是由于喷气纺具有工序短、效率高、 用工省的优点，被美国作为纺织业优先发展的项目。近年来美国纺锭总数及从业 人员在不断减少，但纺织产量却大幅提高，其原因就是在压缩淘汰环锭纺的同时， 大力发展了高技术的喷气纺和转杯纺。因此有关点认为，随着时代的进步和技术 的不断提高，喷气纺、转杯纺等新型纺纱大有取代环锭纺的趋势【4 0 】。 1 1 2 喷气纺纱的几种主要形式 冷 第一章概述 美国杜邦公司引入空气直接加捻的概念，首先发表了包缠纱的喷气纺纱专 利。这种方法是在单喷嘴原理基础上，另加一级强制退捻的喷嘴，使退捻包缠更 迅速有效。牵伸部分是三罗拉单皮圈形式，皮圈套在前中罗拉上，后罗拉后面有 笔架形导纱器，使喂入纤维或粗纱尽量分开。单区牵伸的目的是使纤维在牵伸部 分扩展歼来，形成边缘纤维。喷嘴及纺纱示意图见图1 1 及图1 2 。 卜牵伸装置2 一吸嘴3 一喷嘴4 一筒子纱 图1 1 杜邦喷嘴结构 图l 一2 杜邦包缠纺纱示意图 二十世纪七十年代联邦德国洛伊特林根研究所( r e u t l i g e n ) 设计了双孔喂 入单喷嘴纺纱装置。两根纤维条同时喂入一个牵伸单元，如图1 3 所示，前罗 拉输出的两根须条分别进入叉状的双孔喂入管1 和2 ，在管内进行汇合。双孔管 前方有一空气喷嘴3 ，利用高速气流对管l 中的须条施加假捻捻回，并一直传递 到前罗拉钳口。进入管道2 的须条纤维为边纤维，到达汇合点后才一起参加芯纤 维的假捻，通过喷嘴后须条即进行退捻，边纤维则以退捻方向包缠在芯纱上，形 成包缠纱。在这一装置上，当喷嘴纱道直径为2 6 2 9 m m ，三切线进气孔的孔 径为0 5 m m ，气压为3 k g f c m 2 时，纺纱速度可达3 5 0 m m i n 。试验结果认为捻回 越多，包缠纤维包缠越均匀，成纱品质越好【7 j 。 ll登 第一章概述 1 、2 一双孔叉状吸入管3 一喷嘴 图1 3 联邦德国包缠纺纱示意图 日本东丽公司的a j s l 0 1 型喷气纺纱机为双面下行式，其纺纱过程如图l 叫 所示。它采用四罗拉双皮圈摇架加压的超大牵伸装置，纤维须条由前罗拉输出后 即进入纱的形成区。形成区有两部分组成，一是纤维须条分离器，另一个是加捻 喷嘴。分离器的作用是使前罗拉输出的带状纤维须条，分离成为头端自由纤维， 然后经喷嘴加捻而成纱。 卜前罗拉2 一纤维分离器3 一自由纤维4 - 2 n 捻点5 一喷嘴 图l 一4 东丽m s 一1 0 1 型喷气纺纱机 日本村田公司的喷气纺纱机。如图l 一5 所示为村田n o 8 0 1 m j s 型喷气纺纱 机【1 引。它是单面下行式，采用三罗拉双短皮圈超大牵伸装置，双喷嘴加捻器。 当棉条被牵伸成一定细度后，须条进入由第一和第二两个喷嘴串联组成的加捻器 加捻成纱，然后由引纱罗拉引出至卷绕辊筒卷装成筒子纱。在引纱罗拉和卷绕辊 筒之间，设有清纱器，同时兼作断头和定长监测器。该机由于牵伸部分隔距不可 第一章概述 调节，故仅适用于纺制涤棉纱和棉型纯化纤。n o 8 0 2 m j s 型牵伸部分隔距可调， 不仅可以纺制涤棉纱，而且可以纺纯棉以及5 1 m m 中长纤维，加捻器的第二喷嘴 也作了改进，改成可调式以适用于纺制不同纱号的需要。 卜棉条2 一牵伸部分3 一空气喷嘴加捻器4 一喷嘴盒 5 一引纱罗拉6 一电子清纱器7 一筒子8 一第一喷嘴9 一第二喷嘴 图l 5n o 8 0 1 m j s 喷气纺纱示意图 如图1 6 所示为村田n o 8 8 1 b i t s 型双加捻器组成的喷气纺纱机示意图。由 两根棉条喂入同一单元，前罗拉输出的须条分别进入各自的加捻喷嘴，出加捻喷 嘴后，两根单纱在导纱器处汇合，由引纱罗拉引出经清纱器，然后绕成双纱筒子。 该机牵伸部分除罗拉工作部分加长外，基本与n o 8 0 2 机相似，加捻器结构与 n o 8 0 2 完全一样。 图1 6n o 8 8 1 m t s 喷气纺纱示意图 在1 9 9 7 年伯明翰i t b l a 展览会上，日本村阳纺机公司又推出了新型的、高产量 4 第一章概述 且易操作的m v s ( m u r a t av o r t e xs p i n n i n g ) 喷气涡流纺纱机，它与原有的m j sn o 8 0 2 相比，主要是喷嘴有了根本性的变化。目肖j m v sn o 8 6 1 新型喷气涡流纺纱能 将纱直接卷绕成锥形筒子，卷装成形良好，并装配有优良的捻接器，以及有效的 清纱和监控系统。这一新型机器能以4 5 0 m m i n 的速度纺纱。与环锭纺纱相比，m v s 的产量要高2 0 倍，与转杯纺纱相比，m v s 的产量要高3 倍。由于使粗纱、细纱和络 筒结合一体，该机能显著地节省劳动力，降低能源和维护保养所需的运转费用【吼 1 0 】 0 下图l 一7 为m v s 喷嘴结构图【1 1 1 。 图1 7m v s 喷嘴结构 我国对于喷气纺的研究始于1 9 7 8 年，先后有东华大学、天津纺院等单位对喷 气纺进行了研究，在实验室以细纱机改装的机台上进行实践探索，对有关工艺参 数和喷嘴结构进行了深入地研究。 1 2 国内外对喷气纺纱机的研究 郁崇文对纤维在喷嘴中产生的喷气流场中的受力和运动情况作了理论分析 和推导【1 2 协14 1 ，探索了利用高速压缩气流来分离纤维的可能性，在此基础上提 出了一种新的纺纱方法喷气自由端纺纱，并设计了纺纱装置进行纺纱试验。 如图l 一8 所示喷气纺纱装置，在纺纱过程中，喂入条子经罗拉牵伸由前罗拉输出， 经第一喷嘴( 分离区间) 的分离形成分离纤维自由端，气流纤维混合体进入滤网后 纤维和气流分离，纤维停留在网中，气流则从网h 艮中喷出，纱尾因加捻喷嘴的作用 第一章概述 不断将网中纤维捻在纱尾上，成纱后经输出罗拉输出。 区 喷臂 图l _ 8 喷气自由端纺纱装置示意图 经过试验作者得出了以下结论：喷气自由端纺纱的成纱质量受到许多参数如 “：、气压、两喷嘴间夹角、滤网形态的影响。在下列条件下：分离喷嘴气压p l = o 1 0 2 m p a ， 加捻喷嘴气压p 2 = 0 2 5 5 m p a ，两喷嘴间夹角= 4 5 。，喷气自由端纺纱的成纱质量 如表l 一1 所示。 表l 一1 喷气自由端纺纱的成纱质量( 3 6 t e x 纯棉纱) l 条干( c v )单纱强力( c n )强力( c v )伸长率( )伸长率( c v ) 断裂功( c j ) i 1 8 0 82 0 1 51 3 8 1 7 0 4 1 8 5 l4 1 7 8 i 曾泳春，郁崇文采用2 d 模型对喷气纺喷嘴中的气流流动进行数值计算【l5 1 ，并 与其他研究者的实验研究结果进行了分析比较。根据计算结果描述了喷嘴中气流 流动特征，重点分析了参数对气流流动特征以及成纱性能的影响。得出以下结论： ( 1 ) 喷孔出口速度越大，喷嘴内气流轴向速度越大，在喷嘴入口处形成的负压也越 大，有利于纤维的进入和纤维在喷嘴内的加速，成纱性能好。( 2 ) 喷孔倾角对喷嘴 内气流轴向速度的影响比较复杂，当倾角增大到一定值时，中心负压将不足以吸 引纤维进入，选择4 5 。的倾角，喷嘴内气流轴向速度分布均匀，成纱性能好。( 3 ) 喷孔位置对喷嘴内气流流动特征影响不明显。 邢明杰，唐佃花等从以下几个方面对喷气纺纱进行了研鲥1 6 j ： l 、纺纱速度。作者分别选取纺纱速度为1 2 0 、1 3 0 、1 4 0 、1 5 0 、1 6 0 、1 7 0 、 1 8 0 、1 9 0 、2 0 0m m i n 行实验。其它参数：第一喷嘴内径为2 m m ，喷孔直径为0 。4 m m ， 孔数为4 个，喷孔角度为4 5 ：第二喷嘴的入口内径为2 m m ，其出口内径为4 m m ，喷 孔直径为0 3 m m ，孔数为8 个，喷孔角度为9 0 ；开纤管长度为8 m m ，槽数为4 个，槽 深为0 8 m m ：第一喷嘴气压为2 9 5 k p a ，第二喷嘴气压为4 4 2 k p a ；纺纱速度为 6 第一章概述 1 8 0 m m i m 所纺纱为1 8t e x 的涤7 0 棉3 0 纱，经过试验实验结果见表1 2 。 表1 2 纺纱速度与成纱强力关系 纺纱速度( m m i n )单纱强力( c n ) 1 2 01 2 6 4 1 3 0 1 6 8 1 1 4 01 9 9 0 1 5 02 2 3 3 1 6 02 4 4 1 1 7 02 6 1 o 1 8 0 2 7 0 5 1 9 02 7 4 5 2 0 02 8 3 4 2 、前罗拉钳口与第一喷嘴隔距。作者分别选取了1 1 、1 2 、1 3 、1 4 、1 5 、1 6 、 1 7 、1 8 、1 9 m m 的隔距进行实验，纺纱速度为1 8 0m m i n ，其它参数同纺纱速度的实 验。实验结果见表1 3 。 表1 3 前罗拉钳口与第一喷嘴隔距与成纱强力关系 隔距( r a m ) 单纱强力( a n ) 1 12 4 3 3 1 22 5 3 9 1 32 5 9 6 1 42 6 6 3 1 52 6 8 3 1 62 6 1 7 1 72 5 7 7 1 82 2 6 5 1 92 2 4 7 3 、纺纱气压。为了说明纺纱气压对成纱强力的影响，找出最佳的气压配置， 第一喷嘴气压分别选取1 9 6 、2 4 5 、2 9 5 、3 4 3 、3 9 2k p a ，第二喷嘴气压分别选取 2 9 5 、3 4 3 、3 9 2 、4 4 2 、4 9 0k p a 进行实验。纺纱速度为1 8 0 m m i n ，其它参数同纺 纱速度的实验。实验结果见表l 一4 。从表4 可以看出，纺纱气压对成纱强力有很 大影响，随着气压的升高，成纱强力先增大后减小，当第一喷嘴气压为2 9 5 k p a ， 第二喷嘴气压为3 9 2k p a 时成纱强力最高。最后作者得出结论通过对纺纱速度、 前钳口与第一喷嘴隔距、纺纱气压的实验结果及理论分析可以看出，纺纱工艺参 数对成纱强力也有很大的影响：纺纱速度越高，成纱强力也越高；当前钳口与第 一喷嘴隔距为1 5 姗左右时成纱强力较高；当第一喷嘴气压取2 9 5k p a 左右，第二 喷嘴气压取3 9 2k p a 左右时的成纱强力较高。 第一章概述 表1 4 纺纱气压与成纱强力关系 第一喷嘴气压第二喷嘴气压( k p a )单纱强力( c n ) 1 9 6 2 9 52 7 4 3 2 4 5 3 4 3 2 8 4 4 2 9 5 3 9 22 8 7 8 3 4 3 4 4 2 2 6 8 0 3 9 2 4 9 02 6 2 5 m k b h o r t a k k e 1 7 1 等从纺纱速度方面做了大量的研究试验，得出了当采用 m j s 型纺纱机在纺纱速度为2 8 5 m m i n 的时候，可以纺出较好的纱线。当纺纱速 度为3 0 5 m m i n 时纱线强力有微弱的下降，但条干的均匀度没有太大变化，而毛 羽却大大增加。 c a r lal a w r e n c e 1 8 1 9 2 0 2 1 1 等通过微观分析，把喷气纱中的纤维形态分为 三类：即第一类结构，均匀包缠纤维；第二类随机包缠纤维和第三类未包缠纤维。 随着纺纱工艺条件的变化，每一类出现的频率和平均长度都不相同，均有包缠结 构的第一、二类承担纺纱强力，其中第一类比第二类更重要，第三类对成纱强力 没有贡献。通过选择气压、纺纱速度、张力牵伸、两喷嘴喷射孔间距等，影响各 类纤维的频率和平均长度，从而改变纺纱强力。 李雪刚等通过以下方面对m j s 喷气纺纱进行了研究【2 2 】： 1 、牵伸倍数，m j s 罗拉牵伸区的总牵伸倍数根据纺纱的原料情况最大可达1 9 2 倍左右，最小为1 0 8 倍，后牵伸倍数1 3 3 0 ，主牵伸区的牵伸倍数一般在2 0 , - - , 4 0 倍之间，其具体牵伸倍数参考数值见表5 。表1 5 指的是般质量的棉花，如 棉花质量好，条子质量好些，牵伸倍数可以略大些。 表1 5 一般质量棉花牵伸参考( 芯纱：涤纶、精梳纱、长丝等) 原料a 区牵伸 总牵伸 精梳普梳 纯化纤1 3 3 0 1 8 0 2 0 棉1 3 3 01 6 0 1 5 0 3 5 棉1 3 3 o 1 5 01 4 0 5 0 9 6 棉 1 3 3 01 3 0 1 2 0 6 0 棉 1 3 - - 3 01 1 0 1 0 0 2 、喷嘴压力，唢嘴压力对成纱强力、毛羽等有很大影响，m j s 8 0 2 h r 有两个 8 第一章概述 喷嘴，根据原料、纱的强力要求、纱的手感要求设定其喷嘴压力，在生产新的品 种时对喷嘴的压力必须进行试验，确保成纱质量。喷嘴的压力一般按下列范围配 置。第一喷嘴压力2 4 5 1 0 4 - - 2 9 4x1 0 4 p a ，第二喷嘴压力4 9 1 0 4 - - - 5 8 8 1 0 4 p a 。 3 、罗拉隔距m j s 8 0 2 h r 罗拉隔距可以根据所纺原料进行调节，但由于目前该 机以生产化纤及化纤与棉混品种为主，前牵伸区配置是适纺棉型化纤的皮圈架， 纺纯棉时前区隔距无法调小，除非另购置棉型皮圈架。m j s 8 0 2 h r 罗拉隔距设置见 表1 6 。 表1 哪m j s 8 0 2 h r 罗拉隔距设置 罗拉前区( r a m )中区( r a m )后区( 彻) 上罗拉4 2 4 8 5 3 6 4 13 6 4 2 下罗拉3 7 - - 一4 43 6 4 5 3 6 4 5 注：本表隔距为生产4 0 r a m 以下长度的纤维，如生产更跃至5 1 n u n 长度的纤维，则牵伸装置 调整为双区牵伸，隔距可再调大。 4 、下销高度，下销高度对纤维的顺利牵伸有很大影响，在m j s 8 0 2 h r 喷气纺 纱机上更是如此，在品种调整时，必须进行优选试验，以确保成纱质量。 5 、第一喷嘴与前罗拉隔距，此隔距根据纱号情况一般在3 8 7 - - 4 0 5 m m 范围 内调节，隔距大则包缠纤维多，隔距小则包缠纤维少。 6 、输出速度，纺纱速度对成纱手感、毛羽及断头率均有很大影响，m j s 8 0 2 h r 的输出速度，根据纺纱的原料类型、纱号、半制品质量确定，一般在1 5 0 3 0 0 m m i n 之间。 7 、集棉器隔距，m j s 8 0 2 h r 的集棉器非常重要，由于牵伸速度非常快，无集 棉器将使纺纱非常困难，该机集棉器配置根据类型和纱号情况在2 8m r f l 间调节。 通过试验作者得出结论：m j s 影响成纱强力的最主要因素是第一喷嘴的压力，一 般情况下，压力高，强力高；影响毛羽、手感的因素主要是第二喷嘴的压力，压 力高，毛羽少、手感硬，此外速度低、毛羽少、手感硬。影响条干、粗细节、棉 结的主要因素是主牵伸倍数和后牵伸倍数。 r r a j a n i c k a m 2 3 】通过建立喷气纺纱中纤维性能一工艺参数一结构一性能关系 模型，分析了不同结构以及纱段之间是如何相互影响的，而且解释了试验中观察 9 第一章概述 到完全断裂、非完全断裂以及完全滑脱而断裂的现象。 w il l i a m0 x e n h a m 2 4 】等做了试验，认为喷嘴喷射孔角度对成纱强力的影响最 大，第一喷嘴的角度由4 0 0 改至5 0 0 时成纱强力会有很大提高。并且当其他工艺 条件相同时，第一喷嘴压力从o 9 8 1 0 5 p a 增大到1 9 6 x1 0 5 p a 时，纱线的韧性、伸 长显著增加。但是当压力增大到1 9 6 1 0 5 p a 以上时，喷孔出口速度己达到临界状 态，压力对纱线性能的影响不再明显。 高晓平等对双喷嘴纱条的加捻过程作出了解释【2 4 】：在前罗拉至引纱罗拉之 间，配置双喷嘴加捻器。两个喷嘴的气流旋转方向相反，而且第二喷嘴n 。的涡流 强度比第一喷嘴n 。的涡流强度大。n 。使前罗拉送出的纤维须条x 中的一部分纤维x ： 从须条中分离出来成为头端自由纤维。当头端自由纤维进入第一喷嘴n 。内时，受 到旋转气流的作用，使之在假捻须条x 。上作初始包缠。其包缠方向为n 气流的旋 向z ，与假捻方向s 相反。这时x 。初始包缠的螺距为p 。，如图1 q 所示： 图1 q 头端自由纤维进入第一喷嘴内时 头端自由纤维x 。进入第二喷嘴后退捻，随着假捻纱芯x 。的强烈退捻作用，x ： 纤维以z 向j j n 捻，螺距为p ：，由于p ： u 图1 1 3 涤棉混纺比例与成纱不匀关系 t a t s u k im a t s u o 和t a t s u m o r im a t s u m o t o 3 1 】将m v s 纺纱与传统环锭纺和自 由端纺纱作了比较，经过大量试验他们得出了以下结论： 第一章概述 图1 1 4m v s 纺纱与传统环锭纺和自由端纺纱比较 ( 注：纱线均为纯棉，1 9 6 8 r e x 。o e r s ：o p e n e n dr o t o rs p u nr s ：r i n gy a r n s ) 1 3 本课题研究的目的意义及内容、方法 1 3 1 本课题研究的目的意义 喷气纺纱技术，在我们国家仅占总纺纱能力的o 4 ，剔除大约6 0 台外资直接 出口使用，在我国市场能力还是很小的，它的特点并没有被开发出来( 一般用于 针织，机织使用极少) ，发展的功能更没有被利用( 开发特色、花色纱线) 。但 其以用工少、耗能比低的优势及生产的先进性已显露出来，以生产n e 3 0 ，产量 3 3 0 k g h 的普梳纯棉纱为例，m v s 纺纱较之环锭纺纱节约5 0 面积，而用人仅为环 锭纺的4 0 ，耗电量也较之环锭纺节约3 0 ，并且m v s 保养的零部件也较之环锭纺 少。但由于目前喷气纺设备完全依赖进口，单机价格高，项目投资大。以一万锭 环锭纺设备作类比，采用喷气纺设备，投资约高出环锭约2 3 倍。在目前国内劳 动力成本相对较低的情况下，企业积极性不高，缺少内在的推动力。因此只有设 备价格降下来，企业才能在优势比较中作出抉择。所以喷气纺在我国要发展，必 须走主机国产化之路，应尽快研制出我国自己的喷气纺纱机和关键器材，从而降 低设备价格，降低运行成本，推进纺纱技术的革命。正如国家纺织总局许坤元所 讲n 1 ，从长远发展、从技术的优势看，发展喷气纺纱技术是势在必行，要尽快研 制出我们自己的喷气纺机，降低投入成本，这样就能进一步推进纺纱技术的一场 革命。所以本课题的研究意义在于争取研制出拥有自主知识产权的喷气纺纱机， 从而降低喷气纺纱机价格以及降低生产运营成本，从而达到扩大喷气纺纱规模， 推动纺纱技术的革新与发展。 1 3 2 本课题研究的内容、方法 1 2 第一章概述 日本村田公司早在1 9 9 5 年就推出了m r s 喷气涡流纺纱机，并于1 9 9 9 年在法 国巴黎展览会上展出，而2 0 0 2 年1 0 月才在我国展出，国内现在对m v s 喷气涡流 纺纱机的研究较少。前人仅仅对m v s 纺制纯棉纱线进行了研究。所以本课题的研 究内容主要是：研究喷气涡流纺纱的成纱机理和纺纱工艺。m r s 纺纱的特点是适 合纺制纯棉纱线，但对于涤棉混纺或纯涤纺纱存在着纱线强力低，成纱质量不好 等等缺陷，本课题的目标就是，通过不断的试验，对m r s 纺纱机件进行改进，特 别是对喷嘴进行改进，运用数值模拟流场运动，找出最佳的流场分布，改进喷嘴 结构，并运用最优化设计理论和方法，找出最佳的喷嘴结构参数以及最优的纺纱 工艺参数，使之适用于纺制纯涤纱或涤棉混纺纱，争取达到较好的纱线强力，控 制强力不匀等成纱指标，以扩大m v s 纺纱的适应性。所以本课题研究的重点是在 保证顺利成纱的前提下，找出最佳的喷嘴结构参数以及最优的纺纱工艺参数，以 提高m v s 纺制涤棉或纯涤纱线的强力。 第二章喷气涡流纺喷嘴结构及纺纱机理分析 第二章喷气涡流纺喷嘴结构及纺纱机理分析 2 1 喷气涡流纺的喷嘴结构 2 1 1 喷嘴的主要结构 本试验所用喷气涡流纺的喷嘴结构如图2 一l 所示，主要由喷嘴座1 、螺旋 曲面2 和空心管6 组成。 1 3 图2 1 喷嘴结构示意图 呈锥形的螺旋曲面2 嵌套在喷嘴座1 的顶部，这样就在螺旋曲面2 和喷嘴座 1 的内壁之间形成了一个螺旋形通道即纤维束导入孔3 ，纤维导入孔3 呈螺旋状 并且逐渐缩小。镶嵌并固定在螺旋曲面2 的中心位置的导引针4 ，针尖指向喷嘴 内部，其长度可进行适当调节。在喷嘴座的侧面可以看到开通的喷气孔1 1 ，气 流通过外接空气压缩机进入迸气管9 ，然后进入到喷嘴l 和气罩7 形成的中空气 室8 中，再通过喷嘴上的切向的喷气孔1 1 进入喷嘴座的中空室墨从而在中空 气室5 中形成涡流，从而对纤维束进行加捻。由于旋转气流的作用纤维在中空室 中呈伞状倒伏在空心管的锥面6 1 上，纤维束经旋转气流加捻成纱后，经空心管 中心通道6 2 输送出去。气流在喷嘴内完成加捻作用后，通过气流排出通道1 0 排到喷嘴外。空心管6 靠两个螺钉1 3 中下方的那个固定在固定支架上。喷嘴座 靠螺钉固定在固定支架上。整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。 以下是喷嘴主要零部件的分析说明。 第二章喷气涡流纺喷嘴结构及纺纱机理分析 2 1 2 喷嘴座 喷嘴座的内壁由几段与轴向夹角不同的锥面组成，如图2 2 所示。a b 段的 斜面锥度与螺旋曲面的相同，以便于螺旋曲面嵌套在a b 段内，螺旋曲面未和喷 嘴座接触的空间构成了纤维束的螺旋导入孔。图中b c 段为一个圆柱面，它可以 使纤维束能够在导引针的引导下，保持集束状态下前进，不会松散。纤维束在导 引针引导下到达c d 段，c d 段为c 端小d 端大的喇叭状。气流从b c 段到达c d 段， 会引起旋转气流的扩散，这种扩散使自由端纤维从纤维束中分离出来。d e 段和 c d 段结构相似，但锥度比c d 段小，空心管的锥面与d e 段的锥面共同形成了一 个锥形通道。在e f 段锥度又有所减小，这在一定程度上保证了涡流的强度，并 使飞花杂质等顺利排出。 图2 2 喷嘴剖面不恿图 2 1 3 喷气孔 喷气孔中心线与喷嘴的内径切线有一定的倾斜角，这样可使纤维离开管壁回 转，由于喷气孔中心线与喷嘴的内径切线有一定的倾斜角，所以纤维回转时均离 开管壁，这样就减少了纤维与管壁的摩擦，减小了纤维运动的阻力，提高了加捻 效率，如图2 3 所示。 图2 3 喷气孔处剖面示意图 2 1 4 螺旋曲面 螺旋曲面如图2 4 所示，其螺旋曲面的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的趋势，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 第二章喷气涡流纺喷嘴结构及纺纱机理分析 集束性。螺旋曲面上切线l 与螺旋曲面下切线3 的夹角称为螺旋曲面的螺旋角q ， a 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集 束性。导引针4 镶嵌并固定在螺旋曲面的中心位置，针尖指向喷嘴内部，其长度 可进行适当调节，导引针的主要作用是可以使纤维束保持集束状态前进，不致分 散；此外在喷嘴中加捻的纱线由于有导引针的存在，其捻度不会上传至纤维束， 起到了阻止捻度上传的作用。 1 一上切线，2 一螺旋曲面，3 一下切线，4 一导引针，a 一螺旋曲面的螺旋角 图2 4 螺旋曲面示意图 2 1 5 空，b 管 空心管对成纱起辅助作用，如图2 5 所示，空心管前端呈圆锥面，后端呈 圆柱状。锥面的作用是承载呈伞状倒伏的自由端纤维，自由端纤维经涡流在锥面 上搓捻包缠到芯纱上。加捻后的纱线通过空心管中心通道输出，如图2 5 所示 中心通道的前后内径不同，前端细、短，后端粗、长。空心管内径的大小与形成 纱线的细度有关，当纺制细度较细的纱时，宜用内径较小的空心管。对一定细度 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， 还可以适当减小纱线毛羽和提高纱线强力，但是纺出的纱手感较硬，有可能增加 棉结；内径较大时，空心管的容积空间变大，纱线有膨松柔软的感觉。所以综合 上述二者的特点做成前端细、短，后端粗、长的形状。 前端细部后端粗部 2 2 喷气涡流理论分析 前端锥面 图2 5 空心管剖面示意图 1 6 第二章喷气涡流纺喷嘴结构及纺纱机理分析 2 2 1 微元流体切向速度分析 气流质点的速度矢量是一空间矢量。为分析方便起见，微元流常按其三个分 速度方向即：切向速度、轴向速度和径向速度来研究其性质，其中切向速度数值 最大。 在主速度矢量的三个分速度中，一般来说，数值最大的是切向速度。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值及离旋转轴心的距离的大小。通过前人的 理论分析发现m 1 ，切向速度圪与半径r 之间的关系： 圪，”= c ，c 一常数，n 一指数 ( 2 一1 ) 涡流场沿径向分为两个区域，距离旋转轴心半径为r 。为界，在半径为r 。的 圆柱面上切向速度最大。大于r 。的区域为势流旋转区，也称为势涡或自由涡， 此时上式中n = l 。小于r 0 的区域为似固体旋转区，也称为涡核或刚体涡，此时上 式中n 一1 。r o 为涡核半径。对于喷气纺纱来说，由于纱道直径小，纱道内的涡 流流动场主要属于似固体旋转区。如图2 6 就是切向速度的分布图【3 2 t3 3 3 4 1 。 1 一理想分布2 - 实际分布3 谶区4 嘲固体旋转区。5 - 萌葫蕈转区 图2 q 切向速度的分布图 2 2 2 喷嘴内气体流动分析： 压缩空气由喷射孔射入喷嘴内壁形成涡流，由于切向主喷流向涡室阻抗小的一 端方向流动，而涡室阻抗大的一端则产生吸引能力形成一个次流流动，它有助于 纤维或纱线吸入喷嘴内。如图2 7 ： 第二章喷气涡流纺喷嘴结构及纺纱机理分析 喷射速度：k ：喷射速度：k = 图2 7 喷嘴内气体流动分布 ( 2 - 2 ) 上式中：只一气室空气压力，丑一管内空气压力，岛一气室空气密度，p 一管内空 气压力，k 一收缩系数。 2 2 3 切向速度分布 由于流体的粘性作用，在喷嘴中形成似固体旋转区，但由于流体与管壁间的 摩擦，附面层沿轴向逐渐增厚，喷嘴中的似固体旋转区的范围沿轴向逐渐减少趋 势，像一个截头圆锥，如下图2 8 ： 图2 8 似固体旋转区沿轴向衰减