楊瑞華，薛元，王鴻博，高衛(wèi)東

(江南大學(xué) 生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214122)

轉(zhuǎn)杯紡以生產(chǎn)純棉紗為主，廣泛應(yīng)用于牛仔面料。該成紗技術(shù)是應(yīng)用最為普遍的一種新型成紗方法，屬于自由端紡紗，具有成紗速度快、生產(chǎn)效率高、流程短和清潔程度好等優(yōu)點(diǎn)。成紗過程中棉纖維在紡杯中有并合凝聚效應(yīng),紡杯在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，使得棉纖維在離心力的作用下產(chǎn)生抱合力及摩擦力，實(shí)現(xiàn)正常紡紗[1- 4]。隨著轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)性能的不斷改進(jìn)和提高，在紡紗工藝技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)方面有了較大突破。KONG L X等[5]借助Fluent軟件，研究了纖維在輸送通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)特征；馬開斌[6]通過測試轉(zhuǎn)杯紗的成紗強(qiáng)力，得出減少成紗細(xì)節(jié)是提高成紗強(qiáng)力的最有效辦法；LIN H T等[7]引入了纖維輸送通道特征數(shù)，得出特征數(shù)增大，纖維輸送通道氣流速度和負(fù)壓減小的結(jié)論。

文中以轉(zhuǎn)杯紡成紗器內(nèi)氣流場作為研究對(duì)象，采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)流場內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算，重點(diǎn)分析了3種不同直徑的T型轉(zhuǎn)杯凝聚槽對(duì)成紗質(zhì)量的影響，并在樣機(jī)上紡制不同直徑轉(zhuǎn)杯的紗線，測試紗線的斷裂強(qiáng)力、伸長率、條干不勻率、毛羽值。通過分析不同直徑T型槽對(duì)轉(zhuǎn)杯紡流場的影響，為選擇合適的轉(zhuǎn)杯開發(fā)優(yōu)質(zhì)細(xì)紗，提高面料質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 建立轉(zhuǎn)杯紡成紗器幾何模型

文中采用抽氣式轉(zhuǎn)杯紡紗通道，其內(nèi)部流場的三維模型如圖1所示。圖1中三維模型是根據(jù)浙江日發(fā)公司生產(chǎn)的某型號(hào)轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)的轉(zhuǎn)杯建立的，凝聚槽型為T型，直徑42 mm，滑移角68°。為了探究不同直徑的T型凝聚槽對(duì)轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場的影響，分別對(duì)直徑36，42，46 mm的轉(zhuǎn)杯進(jìn)行模擬。

圖1 轉(zhuǎn)杯紡成紗器關(guān)鍵氣流場幾何模型Fig.1 Geometric model of airflow field in rotor spinning unit and sectional view of rotor

2 轉(zhuǎn)杯紡紗通道的數(shù)值模擬

2.1 控制方程

轉(zhuǎn)杯紡成紗器內(nèi)氣體高速運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)特征為可壓縮黏性流動(dòng)。為便于模擬計(jì)算，忽略成紗過程中纖維輸送通道和轉(zhuǎn)杯內(nèi)溫度變化以及纖維運(yùn)動(dòng)對(duì)流體的影響，采用湍流模型作為流場分析模型，氣體流動(dòng)規(guī)律滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律。

質(zhì)量守恒的微分方程式為

(1)

式中：uk為氣流速度在xk方向的運(yùn)動(dòng)分量；ρ為氣體密度[8]。

動(dòng)量守恒微分方程式為

(2)

(3)

式中：ui為氣流速度在xi方向的分量；p為氣體壓強(qiáng)；Re為雷諾數(shù)；τij為牛頓流體的黏性應(yīng)力張量[8]。

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型方程進(jìn)行分析：

(4)

(5)

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍流中脈動(dòng)膨脹的貢獻(xiàn)；μt為湍流黏性系數(shù)；σk,σε分別為湍動(dòng)能k和耗散能ε對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε為用戶定義的源項(xiàng)；C1ε=1.42；C2ε=1.68；C3ε=0.09[8]。

2.2 邊界條件設(shè)置

入口邊界條件：暫不考慮從導(dǎo)紗管流入的氣流，纖維輸送通道進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流量入口，其中質(zhì)量流量qm=ρ×v×S=0.005 4 kg3/s。

出口邊界條件：以實(shí)際紡紗工藝過程為參考依據(jù)，出口邊界條件設(shè)定為壓力出口，出口靜壓為-8 kPa[1]。

固體壁面：在轉(zhuǎn)杯紡成紗過程中，紡杯可達(dá)到20萬r/min高速旋轉(zhuǎn)，因此紡杯壁面設(shè)為旋轉(zhuǎn)壁面，運(yùn)動(dòng)類型為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[9]，模擬轉(zhuǎn)速設(shè)為12萬r/min。

控制方程求解采用應(yīng)用隱式有限體積法，運(yùn)用二階迎風(fēng)格式離散對(duì)流項(xiàng)，以SIMPLE算法對(duì)流場進(jìn)行求解。

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 轉(zhuǎn)杯紡成紗器內(nèi)流場分析

對(duì)采用T型凝聚槽紡杯的成紗器內(nèi)氣流場進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算，并對(duì)3種直徑的紡杯內(nèi)氣流場運(yùn)動(dòng)特征加以對(duì)比分析。由于3種不同直徑T型凝聚槽紡紗通道內(nèi)氣流場的靜壓分布圖與速度分布矢量圖的趨勢變化微小，文中以T型凝聚槽42 mm直徑紡杯的成紗器內(nèi)氣流場為例進(jìn)行分析。

T型凝聚槽42 mm直徑紡杯的成紗器內(nèi)靜壓特征和速度特征如圖2和圖3所示。

圖2 T型凝聚槽42 mm直徑紡杯的成紗器內(nèi)靜壓特征Fig.2 Charactaristics of airflow pressure in spinning unit with T42 rotor

由圖2(a)可知，轉(zhuǎn)杯紡紗通道內(nèi)的靜壓為負(fù)壓，小于纖維輸送通道內(nèi)的靜壓。由圖2(b)和圖2(c)可見，纖維輸送通道入口處壓力最大，約為1.5 kPa，在氣流從入口到纖維輸送通道出口的運(yùn)動(dòng)過程中，正壓以大梯度迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓，出口處靜壓值最小達(dá)到約-7 kPa，該負(fù)壓梯度有利于纖維順利脫離分梳輥，在輸送通道內(nèi)完成伸直平行。由圖4可以得出，轉(zhuǎn)杯區(qū)域內(nèi)負(fù)壓大部分處于-4～-10 kPa之間，轉(zhuǎn)杯內(nèi)的負(fù)壓使得纖維快速由纖維輸送通道向轉(zhuǎn)杯內(nèi)運(yùn)動(dòng)，完成纖維的凝聚和并合。

由圖3(a)和圖3(b)可以看出，氣流速度隨著纖維輸送通道的橫截面積不斷減小，呈現(xiàn)加速運(yùn)動(dòng)的趨勢，并在出口截面達(dá)到最大值241 m/s。氣流的加速有利于纖維輸送通道中彎鉤纖維的伸直和纖維向轉(zhuǎn)杯內(nèi)順利轉(zhuǎn)移。由圖3(c)可以看出，經(jīng)纖維輸送通道，氣流高速進(jìn)入轉(zhuǎn)杯內(nèi)，沖擊紡杯壁后分成順時(shí)針和逆時(shí)針兩股氣流；在紡杯為順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)兩股氣流沿著順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)的氣流較多，逆時(shí)針方向的較少，并隨著轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)而逐漸在凝聚槽底部完成合攏。

圖3 T型凝聚槽42 mm直徑紡杯的成紗器內(nèi)速度特征Fig.3 Characteristics of airflow velocity in spinning unit with T42 rotor

3.2 轉(zhuǎn)杯直徑對(duì)凝聚槽內(nèi)氣流場的影響分析

凝聚槽規(guī)格是決定轉(zhuǎn)杯紡成紗品質(zhì)和種類的重要工藝參數(shù)，轉(zhuǎn)杯直徑是影響成紗速度的關(guān)鍵因素。圖4為不同直徑轉(zhuǎn)杯T型凝聚槽內(nèi)氣流壓力特征示意，圖5為直徑轉(zhuǎn)杯T型凝聚槽內(nèi)氣流速度分布示意，圖6為凝聚槽一周360°每隔20°對(duì)氣流壓力和速度進(jìn)行取值的數(shù)值示意。將纖維輸送通道中心線的虛擬延長線與凝聚槽的交匯處設(shè)為0°，角度沿著順時(shí)針方向增加。

由圖4可以看出，在相同工藝條件下，T36型凝聚槽內(nèi)氣流負(fù)壓在-3.7～-32.9 kPa之間，T42型凝聚槽內(nèi)氣流負(fù)壓在-4.1～-30.8 kPa之間，T46型凝聚槽內(nèi)氣流負(fù)壓在-4.1～-30.8 kPa之間。

由圖5可以看出，在相同工藝條件下，凝聚槽內(nèi)氣流速度特征值為T36型>T42型>T46型;在不同直徑的凝聚槽一周內(nèi)，氣流速度變化趨勢基本一致。

圖4 不同直徑轉(zhuǎn)杯T型凝聚槽內(nèi)壓力特征Fig.4 Characteristics of pressure in rotor grooves of different rotor diameter

圖5 不同直徑轉(zhuǎn)杯T型凝聚槽內(nèi)速度特征Fig.5 Characteristics of velocity in rotor grooves of different rotor diameter

由6(a)可以看出，在纖維輸送通道中心線的虛擬延長線與凝聚槽的交匯處(假設(shè)的0°位置)，凝聚槽內(nèi)的氣流壓力值最大；在0°～20°區(qū)間內(nèi)，氣流由正壓迅速降為負(fù)壓；在20°～320°區(qū)間內(nèi)，氣流壓力相差不大，比較穩(wěn)定；在320°～360°區(qū)間內(nèi)，氣流壓力又由負(fù)壓迅速增加為正壓。因此可以認(rèn)為，在0°位置左右區(qū)間內(nèi)存在正壓區(qū)，表明氣流由纖維輸送通道高速進(jìn)入另外一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域(即凝聚槽內(nèi))，形成強(qiáng)沖擊現(xiàn)象，從而形成一定的正壓。

由圖6(b)可以看出，在纖維輸送通道中心線的虛擬延長線與凝聚槽的交匯處(假設(shè)的0°和180°位置)，氣流速度為谷值40～60 m/s；在0°～20°區(qū)間內(nèi)，氣流速度快速增加，梯度較大，在20°位置處，氣流速度達(dá)到最大值120～160 m/s；20°～120°區(qū)間內(nèi)氣流速度逐漸減小，但梯度緩慢；120°～180°區(qū)間內(nèi)氣流速度又急劇減少至40～60 m/s；在180°～280°區(qū)間內(nèi)，氣流速度逐漸增大；在280°～340°區(qū)間內(nèi)，氣流速度變化很小；在340°～360°區(qū)間內(nèi)，氣流速度又迅速降低。轉(zhuǎn)杯內(nèi)高速氣流，有利于纖維運(yùn)動(dòng)和凝聚，而在0°和180°的位置處卻形成了兩個(gè)低速區(qū)，不利用纖維的凝聚和加捻，導(dǎo)致轉(zhuǎn)杯紡細(xì)紗表面纏繞纖維的存在。

圖6 不同直徑轉(zhuǎn)杯的T型凝聚槽中壓力和速度特征Fig.6 Pressure characteristics in rotor groove and velocity

4 紡紗實(shí)驗(yàn)

4.1 原料與紡紗工藝

棉粗紗規(guī)格為0.502 g/m，確定實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品為58.3 tex和36.4 tex的純棉紗，設(shè)計(jì)捻系數(shù)為460，實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Tab.1 Experimental program

4.2 紗線性能測試儀器與方法

4.2.1儀器 YG068C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀，常州第一紡織設(shè)備有限公司制造；USTER TESTER5條干測試儀、USTER TESTER5毛羽測試儀，均由蘇州烏斯特技術(shù)公司制造。

4.2.2紗線力學(xué)性能測試 參照GB/T 3916—1997《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率的測定》，預(yù)張力系數(shù)0.5 cN/tex，每管拉伸30次，拉伸速度300 m/min，取樣間隔10 cm。

條干測試：根據(jù)GB/T 3292—1997《紡織品紗條條干不勻試驗(yàn)方法》，測試速度400 m/min，測試時(shí)間1 min，吸紗器使用壓力為最大壓力的67%。

毛羽指標(biāo)測試：采用ASTM D5647—2001《用光電儀器測量紗線的毛狀特性的標(biāo)準(zhǔn)指南》，測試速度400 m/min，測試時(shí)間1 min。

4.3 結(jié)果與討論

紗線性能測試結(jié)果見表2和表3。由表2和表3可知，3種不同直徑T型轉(zhuǎn)杯所紡紗線的斷裂強(qiáng)力為T36型>T42型>T46型，斷裂伸長率為T36型>T42型>T46型，條干不勻率為T46型>T42型>T36型，毛羽值為T46型>T42型>T36型。

T36型，T42型和T46型轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流速度平均值分別為261.81，241和231.48 m/s。為了更直觀呈現(xiàn)成紗性能和氣流速度之間的關(guān)系，以3種直徑轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流速度為橫坐標(biāo)，紗線性能為縱坐標(biāo)分別具體分析。

表2 58.3 tex紗線性能Tab.2 Yarn properties of 58.3 tex

表3 36.4 tex紗線性能Tab.3 Yarn properties of 36.4 tex

圖7為采用不同直徑T型槽生產(chǎn)的紗線斷裂強(qiáng)力分布。

圖7 不同直徑T型槽紗線斷裂強(qiáng)力分布Fig.7 Breaking strength distribution of different diameters rotors with T-slot

由圖7可以看出，T型轉(zhuǎn)杯凝聚槽內(nèi)氣流速度大，則紗線強(qiáng)力大，凝聚槽內(nèi)氣流速度小，則紗線強(qiáng)力小。轉(zhuǎn)杯中紗條受到的離心力

(1)

式中：m為單位長度紗條的質(zhì)量；v為轉(zhuǎn)杯回轉(zhuǎn)線速度；r為圓周半徑(轉(zhuǎn)杯直徑的一半)。

式(1)表明，轉(zhuǎn)杯的直徑越小，氣體運(yùn)動(dòng)速度越大，纖維在凝聚槽內(nèi)受到的離心力就越大，從而聚集更緊密，纖維抱合效果更好。纖維須條越緊實(shí)，橫截面越小，從而加捻阻力減小，捻回傳遞長度縮短，形成的紗線強(qiáng)力增加。所以直徑最小的T36型轉(zhuǎn)杯紡出的紗線強(qiáng)力最大，T42型轉(zhuǎn)杯紡出的紗線強(qiáng)力大于T46型轉(zhuǎn)杯。

圖8為采用不同直徑T型槽紡制紗線的斷裂伸長率分布情況。

圖8 不同直徑T型槽紗線斷裂伸長率分布Fig.8 Breaking elongation distribution of different diameters rotors with T-slot

由圖8可以看出，凝聚槽內(nèi)的氣流速度越大，紗線的斷裂伸長率就越大，與紗線斷裂強(qiáng)力的分布有著相似的規(guī)律性。

圖9為采用不同直徑T型槽生產(chǎn)紡紗的條干不勻率分布情況。圖10為不同直徑T型槽紡制紗線的毛羽值分布情況。

圖9 不同直徑T型槽紗線條干不勻率分布Fig.9 Yarn evenness CV distribution of different diameters rotors with T-slot

圖10 不同直徑T型槽紗線毛羽值分布Fig.10 Yarn hairiness distribution of different diameters rotors with T-slot

從圖9和圖10可以看出，氣流速度越大，紗線的條干不勻率和毛羽值就越小。纏繞纖維的存在使得轉(zhuǎn)杯紡紗產(chǎn)生毛羽的因素復(fù)雜[10]。凝聚槽內(nèi)氣流速度越小，導(dǎo)致紗條直徑越大，影響捻度的傳遞，從而紗條上的捻度就越易向剝離點(diǎn)傳遞且延伸，使得捻回傳遞長度增大，纏繞纖維增多，紗線表面的毛羽逐漸增多。因此，T46型轉(zhuǎn)杯凝聚槽內(nèi)的氣流速度最小，其形成的纏繞纖維最多，所紡紗線的毛羽值也最大。

5 結(jié)語

成紗質(zhì)量是影響面料性能的關(guān)鍵因素，文中研究了轉(zhuǎn)杯紡成紗器中的流體特征，并對(duì)成紗工藝進(jìn)行了優(yōu)化，具體包括以下4個(gè)方面：

1)以T42型凝聚槽為例，纖維輸送通道入口處氣流為正壓值，在出口處氣流為負(fù)壓值，氣流壓差達(dá)到-8 kPa左右。

2) 氣流在纖維輸送通道中隨著其橫截面積的逐漸減少而呈加速運(yùn)動(dòng)，在出口處達(dá)到241 m/s；氣流經(jīng)纖維輸送通道高速進(jìn)入轉(zhuǎn)杯內(nèi)時(shí)，沖擊紡杯壁后分成順時(shí)針和逆時(shí)針兩股氣流；在紡杯為順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)兩股氣流沿著順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)的氣流較多，逆時(shí)針方向的較少，并隨著轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)而逐漸在凝聚槽底部完成合攏，形成一股氣流。

3)在0° ～360°區(qū)間內(nèi)，轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流速度為T36型>T42型>T46型；在20° ～340°區(qū)間內(nèi)，氣流負(fù)壓為T46型>T42型>T36型，即負(fù)壓絕對(duì)值T36型>T42型>T46型；但在0°(即360°)位置處，由于纖維輸送通道氣壓的沖擊作用，轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流壓力為T36型>T46型>T42型。

4)3種不同直徑T型轉(zhuǎn)杯所紡紗線的斷裂強(qiáng)力為T36型>T42型>T46型，斷裂伸長率T36型>T42型>T46型，條干不勻率T46型>T42型>T36型，毛羽值為T46型>T42型>T36型。

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