錢 成， 劉燕卿， 劉新金， 謝春萍， 徐伯俊

(生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

四羅拉集聚紡是在普通環(huán)錠紡基礎上創(chuàng)建的一種新型的紡紗技術，目的是在細紗紡紗的過程中減小或消除加捻三角區(qū)，從而減少紗線的毛羽，提高成紗質(zhì)量。目前，氣流負壓式集聚紡是使用量較大的集聚紡紗形式，所以研究氣流分布的情況對于紡紗方式的改進有很大的意義[1-2]。有研究對四羅拉緊密紡進行流場模擬時認為，吸風槽只是在一個水平面上，從而忽略了吸風槽斜度對計算結果的影響，在結果分析方面，只研究了吸風槽入口處流場大體的分布規(guī)律，缺少對于吸風槽流場分布情況更精細的研究[3-4]。所以針對靠近牽伸膠輥處的吸風槽的寬度和斜度進行測量，建立吸風槽的不規(guī)則形狀模型；同時對于吸風槽進行實際的測量并建立模型，得出吸風槽不同寬度上的不同斜度和靠近牽伸膠輥處的不規(guī)則形狀尤為重要。本文通過構建更精確的流體動力學模型,對四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)流場的分布情況進行研究，表征吸風槽入口處不同位置的靜壓分布及速度分布，以便更深入地了解四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)的集聚機制。

1 流體動力學模型的建立

1.1 四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)的介紹

集聚紡紗裝置就是在原有牽伸裝置的前羅拉鉗口前端加裝一個新的氣流集聚裝置，這個氣流集聚機構主要部件由輸出羅拉、網(wǎng)格圈、輸出膠輥和負壓異型吸管組成[4-5]。輸出羅拉和輸出膠輥既構成控制鉗口又構成新的阻捻鉗口，輸出羅拉通過摩擦帶動被動的輸出膠輥，如圖1所示[6-7]。

1—輸出膠輥；2—輸出羅拉；3—異型管；4—牽伸膠輥；5—前羅拉。

本文的研究對象為無錫第七紡織機械公司生產(chǎn)的型號QFA1528的四羅拉集聚紡紗機，結構如圖2所示，輸出膠輥的直徑和和牽伸前膠輥的直徑均為28 mm，輸出膠輥與前膠輥的間距為6 mm，前羅拉的直徑為22 mm，吸風槽在靠近膠輥位置的寬度為5 mm，靠近輸出膠輥位置寬度為1.5 mm，總長度為26 mm，吸風槽的傾斜角a=6°。

圖2 四羅拉集聚紡集聚區(qū)

在吸風槽上設立5個Line，對有代表性的部分進行流場檢測，如圖3所示。

圖3 吸風槽標注(Line 1～5)

1.2 流體模型的建立與計算

在纖維集聚的過程中，集聚區(qū)的體積遠大于纖維的體積，所以可以假設須條沒有對氣流的流動產(chǎn)生影響，只有氣流控制須條的運動；此外，吸風槽負壓較低,吸風槽中的氣體為黏性、不可壓縮氣體，通過預實驗得到網(wǎng)格圈的透氣率為0.8。建立的流體模型的流場分布區(qū)域見圖4。

圖4 氣流速度分布圖

設置X軸為須條的輸出方面，Y軸為須條的厚度方向，Z軸為須條的橫向聚集方向，異型管聚集區(qū)的中心為O點。根據(jù)實際情況，先假定吸氣負壓為P=-2 800 Pa，探討四羅拉集聚紡系統(tǒng)集聚區(qū)域氣流分布情況，設定壓力進口的壓強為大氣壓強，設定壓力出口的壓強為吸風負壓，其余都為壁面，設定為無滑移邊界條件，離散形式采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格的尺寸間距為0.45 mm，網(wǎng)格總數(shù)為2 258 653。

計算模型采用穩(wěn)態(tài)、隱式求解器及標準k-ε湍流模型中的standard模型，初始化采用標準初始化，并采用SIMPLE算法,離散形式為一階迎風式，收斂精度為10-3，迭代步數(shù)設置為500。

2 模擬結果與分析

2.1 集聚區(qū)的氣流流動特征

整個四羅拉集聚紡物理模型的氣流分布矢量圖如圖5所示?？梢钥闯觯拷L槽的氣流速度最大，在吸風槽的上部區(qū)域，離吸風槽的距離越遠，速度越小，在吸風槽周圍的氣流也逐級遞減。

圖5 集聚區(qū)氣流速度矢量圖

從吸風槽的速度分布矢量圖可以看出須條受吸風槽的作用情況，吸風槽出口處的情況如圖5(a)所示，可以看出吸風槽兩邊的氣流在異型管的作用下從兩側往吸風槽；吸風槽出口剖面的情況如圖5(b)所示，可以看出更少的空氣從吸風槽的入口中心部分區(qū)域流入吸風槽，使吸風槽中心線兩側受到氣流的影響產(chǎn)生橫向氣流力，有利于須條寬度上的有效集聚上升。

2.2 吸風槽入口靜壓分布規(guī)律

吸風槽入口處靜壓分布規(guī)律直接對集聚區(qū)氣流的流動情況產(chǎn)生影響，Line1、Line2、Lin3為吸風槽入口寬度上有代表性的幾個連線，吸風槽Line1、Line2、Line3的靜壓分布情況如圖6所示。

圖6 吸風槽不同位置處靜壓分布情況

由于吸風槽為傾斜的，所以Line1、Line2、Line3在Z軸上的位置也處于傾斜的分布，但3個位置的氣流分布情況很相似，在吸風槽中心處的靜壓值最大，靠近入口的最大氣壓值為-2 800 Pa，然后沿著吸風槽的兩側逐漸降低，靠近壁面的部分約等于大氣壓強值。

從圖6可以看出，吸風槽Line1、Line2、Line3兩側的靜壓量大致成對稱分布，表明吸風槽6°的斜度并沒有對入口的氣流產(chǎn)生影響，可以推算出吸風槽橫向的靜壓成“U”型分布。

圖7示出Line4上方不同位置的靜壓?？梢钥闯觯红o壓隨著離吸風槽距離變大而減小，但在吸風槽中心處上方的位置，4個位置的線條均呈現(xiàn)壓強平穩(wěn)態(tài)勢，幾乎沒有波動，不受吸風槽轉動方向存在的傾斜角的影響。

2.3 吸風槽出口處速度分布規(guī)律

吸風槽出口處速度分布直接對氣流對須條的集聚效果產(chǎn)生影響，整個吸風槽出口處的速度分布情況如圖8所示。

負值表示速度方向與正值的速度方向相反。圖8(a)中的曲線點沿著中心點呈中心對稱，大小相似，速度方向相反，說明氣流從吸風槽兩側向中間靠攏；圖8(b)中Y軸的分量均為負值且分布均勻，這對須條有吸附作用，使須條可以緊貼吸風槽，從而氣流可以更好的對須條進行握持和聚集；圖8(c)中的整體分布情況與和圖8(a)的情況相似，但在靠近吸風槽壁面位置，由于氣流的堆積作用，越靠近壁面，速度越大。

圖7 Line4上方不同位置的靜壓

圖8 吸風槽入口處(pressure_outlet)的速度分量

圖9示出Line5(在吸風槽中心，沿壁面相平行的一條線)的速度分布情況，X軸向速度分量沿中心對稱，Y軸向速度分量幾乎不變，但Z軸的情況略有差異，由于吸風槽是傾斜的，須條Z軸兩側的氣流速度不同，說明須條受到氣流的力不同，造成須條翻滾，從而會對須條略微產(chǎn)生加捻，之前也有學者通過分析實驗證明了附加捻度的存在[8-10]，所以Z軸向的氣流對于須條不僅有聚集作用，還有一定的加捻作用。

3 紡紗實驗

3.1 紡紗工藝

采用QFA1528型細紗機(無錫第七紡織機械公司)，在吸風槽負壓分別為-2 800、-3 000、-3 200、-3 400 Pa 的條件下紡制14.6 tex的棉紗，分別設置3組標號為1、2、3、4。設計捻系數(shù)為380，錠速為 10 000 r/min，隔距塊為3.0 mm，鋼絲圈型號為U1ULudr4/0。

3.2 紗線性能測試

采用YG068C型全自動單紗強力儀(蘇州長風紡織機電有限公司)測試紗線的力學性能。拉伸次數(shù)為10次/管，取樣間隔為500 mm，按照 GB/T 3916—2013《紡織品卷裝紗單根紗線斷裂強力和斷裂伸長率的測定(CRE法)》測試。

采用烏斯特?茲韋格HL400(瑞士烏斯特公司)檢測毛羽指數(shù)和紗線條干均勻度。測試長度為200 m。

3.3 結果與討論

表1示出紗線的性能測試結果。可知，隨著負壓值的增大，紗線的強力提高，斷裂伸長降低。因為負壓越大，氣流速度值受力減弱，單根纖維的伸直平行度減弱，從而條干CV值增加。由表1還可知，隨著負壓的增大，紗線的毛羽減少，條干不勻增加。因為負壓增大，纖維縱向受力增加，另外橫向氣流對纖維還有一定的聚集作用，所以增加了長絲對短纖維的包纏效果，纖維相互之間聚集緊密，毛羽減少；傳統(tǒng)環(huán)錠紡的加捻效率不能達到100%，實際捻度會略小于設計捻度，但在四羅拉聚集紡中，如表1所示，與設計的捻度100.7捻/(10 cm)相比，4組紗線的捻度都增加，這是由于吸風槽是傾斜的，須條橫向聚集方向兩側的氣流速度不同，導致須條兩側所受氣流力不同，須條中所受氣流力大的一側纖維向受力小的一側移動，造成須條翻滾，從而在聚集區(qū)形成了附加捻度。

圖9 吸風槽Line5上方的速度分量分布

表1 紗線的性能測試結果

4 結 論

本文采用ANSYS Fluent Release 16.0軟件對四羅拉集聚紡系統(tǒng)的流場進行數(shù)值計算，得到了吸風槽的速度和靜壓分布情況，異型管結構方便氣流對須條的聚集結果為：1)吸風槽6°的斜度沒有對入口的橫向靜壓產(chǎn)生影響，吸風槽橫向的靜壓成“U”型分布；2)吸風槽靜壓隨著離吸風槽距離變大而平穩(wěn)減小，無明顯波動，不受吸風槽轉動方向存在傾斜角的影響，且不同軸向氣流的速度分量對須條的作用效果不同；3)吸風槽兩側氣流的速度分量不同，橫向聚集方向氣流因有速度差會對須條產(chǎn)生附加捻度；4)隨吸風槽氣壓的增大，紗線的強力增大，斷裂伸長降低，毛羽減少，條干不勻增加。