張榮，馮志華，黃萌萌，張風(fēng)君，向曉東

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

紗線條干不勻常以質(zhì)量不勻率(線密度不勻率、條下不勻率)、直徑不勻率和捻度不勻率等不同的形式表現(xiàn)，其中直徑不勻率對(duì)紡織品外觀質(zhì)量的影響最突出[1]，直徑不勻率是由于紗線表面有形狀不規(guī)則的突出物。目前沒有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)紗線表面突出物進(jìn)行詳細(xì)的描述。遲開龍、潘如如以4種不同規(guī)格的純棉紗線為例，提出一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測(cè)紗線條干不勻率的方法，并發(fā)現(xiàn)紗線表面具有突起[2]。毛羽作為紗線突出物最主要的組成部分，國(guó)外對(duì)紗線毛羽有了一定的研究。Zheng-Xue和Tang研究了環(huán)錠紡毛羽對(duì)紗線表面摩擦系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)表面摩擦系數(shù)隨著錠速增加而減小，當(dāng)錠速達(dá)到一定程度，表面摩擦系數(shù)趨向于零[3]。

本文探究突出物不同間距對(duì)突出物阻力的影響。由于紗線微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，為了方便研究，本文在宏觀上以規(guī)則的球體顆粒作為紗線突出物進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模擬

1.1 流場(chǎng)模型

本文依托ZAX型噴氣織機(jī)主噴嘴設(shè)計(jì)了一種紗線牽引力測(cè)試裝置。引緯過程中，氣流速度變化比較劇烈，為了獲得平穩(wěn)的速度和密度，設(shè)計(jì)了一種測(cè)量裝置，即在導(dǎo)紗管后面加輔助管道[4]。這種裝置的流場(chǎng)模型如圖1所示，突出物分布在輔助管道中，假設(shè)其位置固定不變，流場(chǎng)模型尺寸與實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置保持一致。

圖1 流場(chǎng)模型

網(wǎng)格模型如圖2(a)和圖2(b)所示，外界壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓，圖示的氣壓入口可在Fluent中輸入相應(yīng)的氣壓參數(shù)，球狀可以以壁面(wall)處理。

圖2 流體網(wǎng)格模型

對(duì)于流場(chǎng)中球狀的顆粒，其受到的阻力大小除了與自身大小和阻力系數(shù)相關(guān)外，還與所作用的氣流速度和密度相關(guān)。本文基于Fluent對(duì)含有突出物的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可獲得不同氣壓下和不同突出物間距對(duì)應(yīng)突出物受到的氣流參數(shù)，阻力大小F可以表示為[5]：

F=ρV2ACD

式中：ρ表示氣流的密度；V表示氣流速度；A表示突出物的迎流面積；CD表示突出物的阻力系數(shù)。對(duì)于球狀顆粒，其阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，在高雷諾數(shù)流場(chǎng)下，球狀顆粒的阻力系數(shù)近似可取0.44[6]。

1.2 模擬分析

為了探究突出物間距對(duì)紗線牽引特性的影響，通過Fluent可數(shù)值模擬獲得突出物的速度及密度大小，即可通過阻力大小公式計(jì)算出突出物的阻力，從而可得到突出物間距對(duì)紗線牽引力的影響。假設(shè)突出物的直徑d為2mm，取3個(gè)突出物，其數(shù)值分析示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬示意圖

在不同主噴嘴氣壓下，通過改變突出物的間距Δx大小來(lái)計(jì)算突出物的阻力大小，進(jìn)而探究突出物不同的間距對(duì)牽引特性的影響。由圖4發(fā)現(xiàn)突出物間距對(duì)流場(chǎng)有著影響，且突出物的間距越小，這種影響越明顯。

圖4 突出物的速度云圖

本文分別研究了0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa下，突出物的間距Δx為nd，n取1/20,1/4,1/2,1,2,3,…,9,10。

通過阻力公式F=ρV2ACD可計(jì)算出相應(yīng)的阻力大小，結(jié)果如圖5所示。

圖5 突出物不同的間距受到的阻力大小

初始突出物間距為0.1mm，隨著突出物間距的增加，突出物受到的阻力大小也逐漸增加并趨于恒定。根據(jù)不同氣壓下數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于2mm的球狀突出物，間距為10mm時(shí)，阻力達(dá)到了最大。另外，突出物間距對(duì)阻力大小的影響也會(huì)隨著主噴嘴入口氣壓的增加而愈加明顯。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證突出物間距對(duì)紗線牽引力的影響，進(jìn)行了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)。在紗線上等間距固定3個(gè)直徑為2mm的球狀顆粒，如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試示意圖

圖7 顆粒模型

紗線一端固定，另一端通過掛砝碼的方式來(lái)固定，可通過掛不同質(zhì)量的砝碼來(lái)確定牽引力與應(yīng)變的關(guān)系[7]。通過數(shù)據(jù)采集儀可以采集紗線在氣流作用下的應(yīng)變大小，再通過牽引力與應(yīng)變值的關(guān)系可計(jì)算出紗線的牽引力大小。根據(jù)不同主噴嘴氣壓的大小，通過改變突出物的距離測(cè)得了紗線牽引力大小如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知突出物間距對(duì)紗線牽引力大小的影響，當(dāng)突出物間距增加到10mm時(shí)，牽引力大小趨于穩(wěn)定，這與數(shù)值模擬的結(jié)果一致。

根據(jù)紗線的牽引力公式，將含有突出物的紗線受到牽引力分解成正常紗線受到的牽引力F0和突出物受到的牽引力F′，即：

由牽引力公式可知，牽引力大小是由氣流特性和紗線特性決定的，氣流特性由氣流密度ρ和氣流速度V組成，紗線特性由紗線直徑和紗線阻力系數(shù)CD組成。由于輔助管道中氣流參數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定，可知突出物通過改變紗線直徑和紗線阻力系數(shù)CD來(lái)影響牽引力的大小。

3 結(jié)語(yǔ)

突出物作為紗線的一部分，在紡織過程中，起到了增加牽引力提高引緯效率的作用，但是突出物同時(shí)也影響紡織品的質(zhì)量。本文探究了突出物間距對(duì)紗線牽引力的影響，發(fā)現(xiàn)紗線的牽引力會(huì)隨著突出物間距增加而增加并逐漸趨于穩(wěn)定。這也說(shuō)明了并不是紗線表面突出物數(shù)量越多紗線牽引力就越大的，當(dāng)定長(zhǎng)紗線表面突出物數(shù)量無(wú)窮多時(shí)，相當(dāng)于紗線的直徑增加到了突出物直徑的大小。本文將突出物以及其邊界條件都理想化，而且沒有將突出物看作靜止?fàn)顟B(tài)，沒有考慮突出物在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)情況。