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        四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)三維流場模擬與分析

        2019-10-29 09:16:48劉燕卿劉新金謝春萍徐伯俊
        紡織學(xué)報(bào) 2019年10期
        關(guān)鍵詞:捻度膠輥羅拉

        錢 成, 劉燕卿, 劉新金, 謝春萍, 徐伯俊

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

        四羅拉集聚紡是在普通環(huán)錠紡基礎(chǔ)上創(chuàng)建的一種新型的紡紗技術(shù),目的是在細(xì)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(fù)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(duì)于紡紗方式的改進(jìn)有很大的意義[1-2]。有研究對(duì)四羅拉緊密紡進(jìn)行流場模擬時(shí)認(rèn)為,吸風(fēng)槽只是在一個(gè)水平面上,從而忽略了吸風(fēng)槽斜度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,在結(jié)果分析方面,只研究了吸風(fēng)槽入口處流場大體的分布規(guī)律,缺少對(duì)于吸風(fēng)槽流場分布情況更精細(xì)的研究[3-4]。所以針對(duì)靠近牽伸膠輥處的吸風(fēng)槽的寬度和斜度進(jìn)行測量,建立吸風(fēng)槽的不規(guī)則形狀模型;同時(shí)對(duì)于吸風(fēng)槽進(jìn)行實(shí)際的測量并建立模型,得出吸風(fēng)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(gòu)建更精確的流體動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)四羅拉集聚紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)流場的分布情況進(jìn)行研究,表征吸風(fēng)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(jī)制。

        1 流體動(dòng)力學(xué)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(gè)新的氣流集聚裝置,這個(gè)氣流集聚機(jī)構(gòu)主要部件由輸出羅拉、網(wǎng)格圈、輸出膠輥和負(fù)壓異型吸管組成[4-5]。輸出羅拉和輸出膠輥既構(gòu)成控制鉗口又構(gòu)成新的阻捻鉗口,輸出羅拉通過摩擦帶動(dòng)被動(dòng)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(duì)象為無錫第七紡織機(jī)械公司生產(chǎn)的型號(hào)QFA1528的四羅拉集聚紡紗機(jī),結(jié)構(gòu)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(fēng)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(fēng)槽的傾斜角a=6°。

        圖2 四羅拉集聚紡集聚區(qū)

        在吸風(fēng)槽上設(shè)立5個(gè)Line,對(duì)有代表性的部分進(jìn)行流場檢測,如圖3所示。

        圖3 吸風(fēng)槽標(biāo)注(Line 1~5)

        1.2 流體模型的建立與計(jì)算

        在纖維集聚的過程中,集聚區(qū)的體積遠(yuǎn)大于纖維的體積,所以可以假設(shè)須條沒有對(duì)氣流的流動(dòng)產(chǎn)生影響,只有氣流控制須條的運(yùn)動(dòng);此外,吸風(fēng)槽負(fù)壓較低,吸風(fēng)槽中的氣體為黏性、不可壓縮氣體,通過預(yù)實(shí)驗(yàn)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(shè)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(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況,先假定吸氣負(fù)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(shè)定壓力進(jìn)口的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng),設(shè)定壓力出口的壓強(qiáng)為吸風(fēng)負(fù)壓,其余都為壁面,設(shè)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(jì)算模型采用穩(wěn)態(tài)、隱式求解器及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型中的standard模型,初始化采用標(biāo)準(zhǔn)初始化,并采用SIMPLE算法,離散形式為一階迎風(fēng)式,收斂精度為10-3,迭代步數(shù)設(shè)置為500。

        2 模擬結(jié)果與分析

        2.1 集聚區(qū)的氣流流動(dòng)特征

        整個(gè)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(fēng)槽的氣流速度最大,在吸風(fēng)槽的上部區(qū)域,離吸風(fēng)槽的距離越遠(yuǎn),速度越小,在吸風(fēng)槽周圍的氣流也逐級(jí)遞減。

        圖5 集聚區(qū)氣流速度矢量圖

        從吸風(fēng)槽的速度分布矢量圖可以看出須條受吸風(fēng)槽的作用情況,吸風(fēng)槽出口處的情況如圖5(a)所示,可以看出吸風(fēng)槽兩邊的氣流在異型管的作用下從兩側(cè)往吸風(fēng)槽;吸風(fēng)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(fēng)槽的入口中心部分區(qū)域流入吸風(fēng)槽,使吸風(fēng)槽中心線兩側(cè)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(fēng)槽入口靜壓分布規(guī)律

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

        圖6 吸風(fēng)槽不同位置處靜壓分布情況

        由于吸風(fēng)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(gè)位置的氣流分布情況很相似,在吸風(fēng)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(fēng)槽的兩側(cè)逐漸降低,靠近壁面的部分約等于大氣壓強(qiáng)值。

        從圖6可以看出,吸風(fēng)槽Line1、Line2、Line3兩側(cè)的靜壓量大致成對(duì)稱分布,表明吸風(fēng)槽6°的斜度并沒有對(duì)入口的氣流產(chǎn)生影響,可以推算出吸風(fēng)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(fēng)槽距離變大而減小,但在吸風(fēng)槽中心處上方的位置,4個(gè)位置的線條均呈現(xiàn)壓強(qiáng)平穩(wěn)態(tài)勢,幾乎沒有波動(dòng),不受吸風(fēng)槽轉(zhuǎn)動(dòng)方向存在的傾斜角的影響。

        2.3 吸風(fēng)槽出口處速度分布規(guī)律

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

        負(fù)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(diǎn)沿著中心點(diǎn)呈中心對(duì)稱,大小相似,速度方向相反,說明氣流從吸風(fēng)槽兩側(cè)向中間靠攏;圖8(b)中Y軸的分量均為負(fù)值且分布均勻,這對(duì)須條有吸附作用,使須條可以緊貼吸風(fēng)槽,從而氣流可以更好的對(duì)須條進(jìn)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(fēng)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(fēng)槽入口處(pressure_outlet)的速度分量

        圖9示出Line5(在吸風(fēng)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(duì)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(fēng)槽是傾斜的,須條Z軸兩側(cè)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(huì)對(duì)須條略微產(chǎn)生加捻,之前也有學(xué)者通過分析實(shí)驗(yàn)證明了附加捻度的存在[8-10],所以Z軸向的氣流對(duì)于須條不僅有聚集作用,還有一定的加捻作用。

        3 紡紗實(shí)驗(yàn)

        3.1 紡紗工藝

        采用QFA1528型細(xì)紗機(jī)(無錫第七紡織機(jī)械公司),在吸風(fēng)槽負(fù)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(shè)置3組標(biāo)號(hào)為1、2、3、4。設(shè)計(jì)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(hào)為U1ULudr4/0。

        3.2 紗線性能測試

        采用YG068C型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀(蘇州長風(fēng)紡織機(jī)電有限公司)測試紗線的力學(xué)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(qiáng)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(jié)果與討論

        表1示出紗線的性能測試結(jié)果??芍?,隨著負(fù)壓值的增大,紗線的強(qiáng)力提高,斷裂伸長降低。因?yàn)樨?fù)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(fù)壓的增大,紗線的毛羽減少,條干不勻增加。因?yàn)樨?fù)壓增大,纖維縱向受力增加,另外橫向氣流對(duì)纖維還有一定的聚集作用,所以增加了長絲對(duì)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(dá)到100%,實(shí)際捻度會(huì)略小于設(shè)計(jì)捻度,但在四羅拉聚集紡中,如表1所示,與設(shè)計(jì)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(fēng)槽是傾斜的,須條橫向聚集方向兩側(cè)的氣流速度不同,導(dǎo)致須條兩側(cè)所受氣流力不同,須條中所受氣流力大的一側(cè)纖維向受力小的一側(cè)移動(dòng),造成須條翻滾,從而在聚集區(qū)形成了附加捻度。

        圖9 吸風(fēng)槽Line5上方的速度分量分布

        表1 紗線的性能測試結(jié)果

        4 結(jié) 論

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

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