國(guó)內(nèi)外吸絲槍的研究進(jìn)展

張齡方，李永貴，葛明橋

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

吸絲槍是一種流體機(jī)械，通過(guò)氣流噴射作用和纖維與氣流之間的摩擦作用吸引并輸送紗線，用于紡絲或化纖加工時(shí)將紗線牽引到筒子上，在國(guó)內(nèi)也稱為生頭吸槍。吸絲槍是化纖生產(chǎn)必不可少的器件，市場(chǎng)對(duì)更加高效的吸絲槍的需求不斷增加。然而，關(guān)于吸絲槍的研究報(bào)道較少。因此，有必要對(duì)吸絲槍進(jìn)行系統(tǒng)研究。作者將對(duì)吸絲槍的機(jī)理和研究進(jìn)行歸納總結(jié)。在對(duì)有關(guān)吸絲槍的文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)與分析的基礎(chǔ)上，提出吸絲槍的研究發(fā)展趨勢(shì)，為高性能吸絲槍的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 吸絲槍的工作原理

從圖1可知，壓縮空氣通過(guò)入口進(jìn)入氣室，然后從壓縮空氣流入孔噴出，進(jìn)入噴嘴絲道［1］。

圖1 典型的吸絲槍及噴嘴結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of a typical yarn suction gun and nozzle

從圖1(b)可知。4個(gè)壓縮空氣流入孔均勻分布于噴嘴圓周，其軸心線具有吸絲槍軸心線的軸向和周向分量。紗線推進(jìn)管由拉瓦爾管與直管組成。從壓縮空氣流入孔噴出的氣流以螺旋運(yùn)動(dòng)形式通過(guò)推進(jìn)管，最后從直管排出。由于空氣旋流中心產(chǎn)生了強(qiáng)烈的負(fù)壓區(qū)，因此，紗線吸入管入口處呈負(fù)壓，紗線容易被吸入。紗線被吸入吸絲槍后，進(jìn)入推進(jìn)管。在推進(jìn)管內(nèi)，螺旋氣流對(duì)紗線產(chǎn)生強(qiáng)力的推進(jìn)作用。最后，紗線與氣流一起被排出吸絲槍外。壓縮空氣是吸絲槍最常用的工作流體，另外高壓水流也有應(yīng)用。日本東洋紡織公司和東麗公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了利用高壓水流代替壓縮空氣的吸絲槍［2－3］。

2 吸絲槍的應(yīng)用及性能要求

吸絲槍主要用于紡絲生頭、換筒操作和廢絲的回收。從圖2可見(jiàn)，在熔融紡絲初始，聚合物從噴絲孔擠出，然后被吸絲槍牽引經(jīng)過(guò)導(dǎo)絲輥等裝置，最后纏繞到筒子上，開(kāi)始生產(chǎn)，該操作稱為生頭。當(dāng)卷裝達(dá)到預(yù)定重量時(shí)，用吸絲槍吸住紗線。移去管紗，并換上空紗管。然后，用吸絲槍將紗線纏繞在新的筒子上，開(kāi)始新的生產(chǎn)。吸絲槍還可用于廢絲的回收，即從紗筒表面將廢絲吸走，送入廢絲箱［4－5］。近年來(lái)，吸絲槍也開(kāi)始用于非織造布的生產(chǎn)［6－7］。合適的吸絲槍必須確保能夠及時(shí)吸走紗線，且不會(huì)由于吸絲張力過(guò)大而導(dǎo)致紗線斷裂。因此，吸絲槍的設(shè)計(jì)與紡絲速度、紗線規(guī)格密切相關(guān)，總體上講，要求吸絲槍具有較強(qiáng)的吸絲能力，噪音低，能耗低，結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，耐磨損，易于使用和維修。由于使用高壓空氣，有時(shí)空氣壓力高于1.2 MPa，所以，對(duì)安全性要求也高。

圖2 熔融紡絲流程示意Fig.2 An example of apparatus for melt spinning process

3 吸絲槍的研究進(jìn)展

3.1 提高吸絲槍吸力

吸絲槍可以采用與噴氣織機(jī)相似的空氣流路［8－9］，僅僅通過(guò)氣流的文丘里效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生吸力。例如，Miller等在對(duì)廢紗回收裝置［4］的基礎(chǔ)上，首次提出的一種手持式吸絲槍［10］，如圖3所示。

圖3 Miller型吸絲槍Fig.3 Yarn suction gun of Miller's type

利用該裝置，一個(gè)人能夠用一只手完成整個(gè)引紗操作，從而使換裝操作更加容易。然而，在操作過(guò)程中，需要從高吸力-低張力向低吸力-高張力不斷地轉(zhuǎn)換調(diào)整。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，美國(guó)杜邦公司［11－13］對(duì) Miller型吸絲槍做了改進(jìn)，使得吸絲槍能夠快速捕獲運(yùn)動(dòng)中的紗線，從而有效減少紗線張力的波動(dòng)，捕獲、切斷和牽引紗線過(guò)程中保持合適的紗線張力，無(wú)需張力調(diào)整操作。該裝置對(duì)滌綸的引絲速度達(dá)到3 000 m/min，被認(rèn)為對(duì)滌綸的大規(guī)模生產(chǎn)起了實(shí)質(zhì)性的推進(jìn)作用。但是，上述吸絲槍無(wú)法產(chǎn)生足夠吸絲力，在處理3 000～5 000 m/min的紗線時(shí)，無(wú)法滿足高速紡絲的要求。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，成本較低，可在低速紡絲加工時(shí)使用。

采用渦流可以大幅度提高吸絲槍性能。由于采用渦流，紗線也隨氣流做螺旋線運(yùn)動(dòng)，大大增加了紗線在氣流中的長(zhǎng)度，空氣與紗線的接觸面積大幅提高。在管壁附近，空氣密度大，氣流速度高。故氣流與紗線的摩擦力大大增加，從而使紗線的推進(jìn)速度大幅度提高。Richte等［14］在管尾端增加螺旋槽，使進(jìn)入吸絲槍內(nèi)的壓縮空氣呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)，見(jiàn)圖4。在0.55 MPa的供氣壓力下，該吸絲槍能夠處理速度為4 572 m/min的紗線。

圖4 Richter型的帶螺旋凹槽的吸絲槍Fig.4 A conduit with helical grooves in yarn suction gun of Richter's type

Vanderip［15］對(duì)上述吸絲槍做了一些改進(jìn)。Sighieri等開(kāi)發(fā)了一種吸絲槍，如圖5所示，其噴嘴沒(méi)有壓縮空氣流入孔，而是在噴嘴表面刻一條螺旋槽，同樣可以使槍內(nèi)產(chǎn)生高速螺旋氣流，提高紗線排放能力［16］。

圖5 噴嘴有螺旋槽的吸絲槍Fig.5 Yarn suction gun with a nozzle having a helical groove

McFall［5］綜合了 Miller和 Richter型吸絲槍的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖6所示。

圖6 McFall型吸絲槍Fig.6 Yarn suction gun of McFall's type

在壓縮空氣流入部錐形體表面有5條或6條凹槽，該槍具有較高的效率和較低的噪音，在0.55 MPa的壓力下，吸絲速度達(dá)到4 570 m/min。

Tseng在McFall型吸絲槍基礎(chǔ)上增加了加速管［17］。該槍結(jié)構(gòu)接近于現(xiàn)代吸絲槍?，F(xiàn)代吸絲槍多采用高速旋流。盡管其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工精度要求高，制造成本高，但是主要的發(fā)展趨勢(shì)。

圖7 有加速器的吸絲槍Fig.7 Yarn suction gun with an accelerator

采用高壓水流(壓力不高于0.78 MPa)的吸絲槍的吸絲速度不低于 4 500 m/min［2－3］，但是，其裝置復(fù)雜。由于水不足以產(chǎn)生高真空度，需要在吸絲槍的前端加裝其他裝置來(lái)提高初始階段的吸絲能力。

3.2 減低噪音

供給吸絲槍的壓縮空氣壓力為0.4～1.2 MPa(表壓)，甚至更高，槍中的高速氣流產(chǎn)生刺耳的噪音。因此，降低其噪音水平，一直是該領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。可通過(guò)采用特殊設(shè)計(jì)和特殊材料在一定程度上解決降低噪音。如圖7所示的嵌入圓柱是塑料或環(huán)氧樹(shù)脂制成的，可以降低噪音。適當(dāng)角度的凹槽存在也能顯著降低噪音水平。當(dāng)凹槽的角度為0°時(shí)，吸絲槍的噪音為82 dB，而角度為30°時(shí)，噪音僅為60 dB［5］。用水做吸絲槍的工作流體也可以明顯降低噪音［2－3］。

3.3 提高耐久性和簡(jiǎn)便性

吸絲槍必須具有合適的尺寸和形狀，便于操作和安放。通常它用輕質(zhì)材料制成，如鋁和不銹鋼。吸入管尤其是其末端的材料必須具有很好的耐磨性，但是硬度又要相對(duì)較低，以免碰傷紡絲器件。吸絲槍的輕量化、小型化和耐久化仍是今后的一項(xiàng)重要課題。采用新型復(fù)合材料有可能解決這方面的問(wèn)題。如采用尼龍/玻璃纖維復(fù)合材料代替不銹鋼可提高吸絲槍的耐久和簡(jiǎn)便性［18］。

4 吸絲槍的研究方向

目前，超高速紡絲已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)室階段向工業(yè)化轉(zhuǎn)變。然而，傳統(tǒng)的吸絲槍吸絲速度低，在生頭或換筒時(shí)，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(shí)現(xiàn)，超高速卷繞機(jī)也不能完全發(fā)揮其作用。因此，迫切要求開(kāi)發(fā)新型的超高速吸絲槍。另外，健康、環(huán)保、節(jié)能減排是當(dāng)今世界的發(fā)展潮流。因此，吸絲槍的研究也應(yīng)該從下面5個(gè)方面展開(kāi)。

(1)吸絲槍氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。吸絲槍為流體機(jī)械，流體分布直接影響到吸絲槍的性能。而氣道結(jié)構(gòu)決定其流體分布。因此，應(yīng)在現(xiàn)有吸絲槍的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更加合理的流體分布，從而提高對(duì)紗線的捕獲能力和推進(jìn)力。

(2)吸絲槍流場(chǎng)分布理論研究。通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值分析(模擬)兩種方法對(duì)吸絲槍的流場(chǎng)進(jìn)行分析，尤其是采用數(shù)值分析軟件(如Fluent，Ansys等)可以更加直觀地分析空氣密度、速度等的分布情況，可以進(jìn)一步闡明其工作機(jī)理，并獲得更加合理的氣道結(jié)構(gòu)。

(3)紗線在吸絲槍中的運(yùn)動(dòng)分析。分析紗線在吸絲槍中的運(yùn)動(dòng)有助于進(jìn)一步闡明吸絲槍的工作機(jī)理，更為有效地控制紗線運(yùn)動(dòng)，提高吸絲張力，為進(jìn)一步提高吸絲槍的性能提供理論基礎(chǔ)，可以采用高速數(shù)碼攝像機(jī)來(lái)捕捉紗線的運(yùn)動(dòng)。

(4)吸絲槍材料和表面加工精度研究。應(yīng)深入研究制造吸絲槍的材料和輔料(如管道等)，如新型的復(fù)合材料，減輕重量，提高耐磨損性能，減少對(duì)紡絲設(shè)備尤其是陶瓷導(dǎo)絲輥損傷。提高氣道表面加工精度可以減少紗線與管壁、空氣與管壁的摩擦力，從而提高吸絲速度。

(5)吸絲槍性能的評(píng)價(jià)方法。目前，關(guān)于吸絲槍性能的評(píng)價(jià)尚無(wú)統(tǒng)一的方法，這使得研究人員難于和別人開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品相比較做出改進(jìn)。大多數(shù)評(píng)價(jià)方法是在一定的供氣壓力下，測(cè)試紗線速度。但是，對(duì)于不同規(guī)格的紗線，在其他條件一定的情況下，引紗速度也不一樣。所以，還是沒(méi)有可比性。Y.Iemoto等從能量效率的角度出發(fā)，曾提出采用吸絲張力與壓縮空氣質(zhì)量流量之比(吸絲效率)來(lái)評(píng)價(jià)吸絲槍性能［1］。這和吸絲槍的能量消耗聯(lián)系起來(lái)，有利于核算其經(jīng)濟(jì)性。但是，仍舊不能直接反應(yīng)吸絲速度。噪音水平、能耗應(yīng)該逐步納入吸絲槍的評(píng)價(jià)指標(biāo)中。因此，關(guān)于吸絲槍性能的評(píng)價(jià)方法還需要深入探討。

總之，應(yīng)該對(duì)吸絲槍氣道結(jié)構(gòu)、流場(chǎng)分布、紗線形態(tài)和評(píng)價(jià)方法等進(jìn)行系統(tǒng)的研究，從而找到提高吸絲槍性能、降低能耗的途徑，最終制備出更加高效的吸絲槍。

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