李永貴，張齡方，葛明橋

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇 無錫214122)

超高速紡絲(卷繞速度6 000～12 000 m/min)已經由實驗室階段向工業(yè)化轉變。然而，傳統(tǒng)的吸絲槍吸絲速度低。在生頭或換筒時，不得不先降低卷繞速度，待吸絲槍捕獲紗線完成生頭或換筒后，再回到正常的卷繞速度。這使得高速紡絲不能完全實現，超高速卷繞機也不能完全發(fā)揮其作用。因此，迫切要求開發(fā)新型的超高速吸絲槍。但是人們對吸絲槍的研究還不系統(tǒng)，只有少量的文獻報道［1－17］。吸絲槍是一種流體機械，流體分布對吸絲槍的性能有很大影響，而吸絲槍內部空氣流路決定其流體分布。為了制備高性能吸絲槍，需要對吸絲槍的結構進行系統(tǒng)研究，包括噴嘴、拉瓦爾管等。論文研究了FDY吸絲槍的噴嘴結構對吸絲張力及吸絲效率的影響，為制備高性能吸絲槍提供理論依據。

1 實驗

1.1 實驗裝置及方法

如圖1所示，從空壓機①出來的壓縮空氣進入并儲存在儲氣罐②中，經過油水分離器③、流量計④和壓力表⑤，進入吸絲槍⑥。從筒子⑦上退繞下來的紗線被吸入吸絲槍。紗線速度由速度調節(jié)器(喂給羅拉)⑨控制，由張力儀⑩測得的張力(以下稱吸絲張力)間接表示吸絲槍的吸力。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 吸絲槍結構及工作原理

圖2是本研究所設計的吸絲槍的結構示意圖。吸絲槍主要包括紗線吸入管①、噴嘴②、拉瓦爾管③和直管④。壓縮空氣通過入口進入氣室，然后從壓縮空氣流入孔噴出，進入噴嘴絲道。壓縮空氣流入孔均勻分布于噴嘴圓周，它們的軸心線具有吸絲槍軸心線的軸向和周向分量。紗線推進管由拉瓦爾管③與直管④組成。從壓縮空氣流入孔噴出的氣流以螺旋運動形式通過推進管，最后從直管排出。由于空氣旋流中心產生了強烈的負壓區(qū)，因此，紗線吸入管①入口處呈負壓，紗線容易被吸入。紗線被吸入吸絲槍后，進入推進管。在推進管內，螺旋氣流對紗線產生強烈的推進作用。最后，紗線與氣流一起被排出吸絲槍外。

噴嘴結構參數包括壓縮空氣流入孔孔數N、孔徑d、角度φ以及噴嘴擴大角θ，如表1所示。紗線喂入速度為600 m/min，供氣壓力為0.5 MPa(表壓)，紗線為166.7 dtex/48 f滌綸FDY長絲。

圖2 吸絲槍結構示意圖(壓縮空氣流入孔孔數N=4)

表1 吸絲槍結構參數

1.3 評價方法

吸絲性能的評價指標有吸絲強力、吸絲速度、吸力等。為了便于對不同吸絲槍的性能比較，我們從能量效率的角度，采用吸絲效率η來評價，其定義為紗線張力F與空氣質量流量G的比值，即η=F/G。

2 結果與討論

2.1 壓縮空氣流入孔孔數N的影響

圖3表示壓縮空氣流入孔孔數N對吸絲槍性能的影響。其它結構參數為φ=150°、θ=60°，流入孔進氣總面積為14.5 m2。N=1時，吸絲槍不能把絲吸入。原因可能是:空氣從孔口噴出，迅速向四周膨脹擴散，形不成渦流，無法產生吸力。隨著N的增大，從孔口噴出的氣流橫向膨脹受到相互限制，主要沿螺旋線狀向前運動，形成渦流，對紗線吸力增加，在N=3時吸絲力F最大。N大于3時，氣流間沖突增強，動能損耗增大，對紗線的作用力趨于緩和。由于進氣孔總面積相等，消耗的空氣流量G三者較為接近，吸絲效率η的變化趨勢與F接近。綜合判斷最佳噴孔數為N=3。

圖3 壓縮空氣流入孔孔數N對吸絲槍性能的影響(φ =150°，θ=60°)

2.2 壓縮空氣流入孔孔徑d的影響

壓縮空氣流入孔孔徑d對吸絲槍性能的影響如圖4所示。其它三個結構參數分別為N=3、φ=150°、θ=60°。d 小于2.2 mm 時，吸絲力 F 隨d增大而增大;d=2.2 mm時，F達到最大值;d大于2.2 mm時，F隨d增大而減小。空氣流量G隨d增加而增大。其原因可能是，在壓縮空氣流入孔中發(fā)生氣流哽咽，流速和密度不變，其空氣流量與氣孔面積成正比。所以空氣流量隨著d的增大而增大，吸絲效率η隨d減小而增大。為了便于加工，并保證加工精度，孔徑不宜太小。因此，本研究選擇d為1.6 mm。

圖4 壓縮空氣流入孔孔徑d對吸絲槍性能的影響(N=3，φ =150°，θ=60°)

2.3 壓縮空氣流入孔角度φ的影響

圖5 表示了壓縮空氣流入孔角度φ對吸絲槍性能的影響。φ＜150°時，F隨φ增大而增大，φ=150°時達到最大。這是由于氣流在紗線推進管中同時作周向和軸向運動，紗線也會隨之作相應的螺旋運動。因此，當φ增大時，所形成渦流的螺旋間距會變小，紗線在紗線推進管中的長度增加，紗線與空氣的摩擦力隨之增加，即紗線張力隨之變大。φ=160°時，氣流的周向作用力會增大，但是軸向作用力會減小，紗線的推進力也會減小。F與η變化相似。根據η的大小，綜合判斷φ=150°比較合理。該實驗結果與以前的研究［1］一致。

圖5 壓縮空氣流入孔角度φ對吸絲槍性能的影響(N=3，d=1.6 mm，θ=60°)

2.4 噴嘴擴大角角度θ的影響

從圖6中可以看出，θ＜60°時，F隨θ的增加而增大，空氣流量G隨θ的增加而減小。在θ=60°時，F達到最大值，G達到最小值。θ＞60°時，隨θ的增加，F呈減小趨勢，而G隨之增大。原因分析如下:θ過小時，從壓縮空氣流入孔噴出并膨脹的部分氣流會倒流入紗線吸入管，導致空氣旋流中心產生的負壓變小，氣流對紗線的吸力減弱;隨著θ的增大，氣流分布越來越合理;θ過大時，噴嘴處氣流膨脹空間小，噴到拉瓦爾管收縮管壁而返回的氣流多，亂流增加，這又使得氣流對紗線吸力變弱。根據F與η綜合判斷，噴嘴最佳擴大角為θ=60°。

圖6 噴嘴擴大角角度θ對吸絲槍性能的影響(N=3，d=1.6 mm，φ =150°)

2.5 與以前研究的比較

以前的研究［1］沒有考慮壓縮空氣進入孔孔數和孔徑的影響，采用N=4、d=2 mm。在此條件下得到最佳結構參數φ=150°、θ=60°，其F=26 cN、η =2.54(cN·s)/g。本研究所得最佳結構參數為 N=3、d=1.6 mm、φ =150°、θ=60°，其F=32 cN、η =9.26(cN·s)/g。吸絲槍性能有大幅度提高。

3 結論

(1)壓縮空氣流入孔孔數N=3、壓縮空氣流入孔孔徑d=1.6 mm、壓縮空氣流入孔角度φ=150°、噴嘴擴大角度θ=60°時，吸絲效率η最優(yōu)。

(2)噴嘴結構設計中N、d、φ參數對吸絲效率有顯著影響。

(3)吸絲張力F與吸絲效率η變化趨勢比較接近，根據η來評價吸絲槍性能更加合理。

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