預(yù)捻環(huán)錠紡的預(yù)捻原理及其實(shí)驗(yàn)研究

陳 澄，王克毅，華志宏，韓 丹，程隆棣

（1.東華大學(xué)a.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.理學(xué)院，上海 201620；2.經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司榆次分公司，山西 晉中 030601）

預(yù)捻環(huán)錠紡的預(yù)捻原理及其實(shí)驗(yàn)研究

陳 澄1a，王克毅1a，華志宏1b，韓 丹2，程隆棣1a

（1.東華大學(xué)a.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.理學(xué)院，上海 201620；2.經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司榆次分公司，山西 晉中 030601）

為驗(yàn)證預(yù)捻環(huán)錠紡預(yù)捻機(jī)理的合理性，建立纖維微元段在氣流場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算得到單纖維運(yùn)動(dòng)軌跡，并設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，采用顯微鏡法觀察預(yù)捻須條及成紗表面結(jié)構(gòu).研究表明：?jiǎn)卫w維軌跡模擬能形象地反映預(yù)捻環(huán)錠紡預(yù)捻區(qū)纖維的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，預(yù)期的預(yù)捻原理是可行的；預(yù)捻區(qū)中須條的外層單纖維以螺旋軌跡包纏在中心須條表面.

預(yù)捻環(huán)錠紡；預(yù)捻器；紗線結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；纖維運(yùn)動(dòng)學(xué)

環(huán)錠紡已有上百年的歷史［1］，由于其可紡紗線范圍廣泛、原料適應(yīng)性廣，環(huán)錠紡仍然占據(jù)了約90%的世界短纖紗市場(chǎng)［2］.然而，環(huán)錠紡也存在缺陷，如紗線毛羽嚴(yán)重和產(chǎn)量低.為了解決這些問題，在環(huán)錠紡上進(jìn)行革新的技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如集聚紡［3］、Sirospun［4］、Solospun［5］，這些技術(shù)雖減少了紗線毛羽，但是生產(chǎn)速度還難以有效提高.文獻(xiàn)［6-7］研究表明，在環(huán)錠加捻后增加一段氣流加捻能有效減少紗線毛羽、降低紡紗斷頭.而轉(zhuǎn)杯紡［8］、噴氣紡［9］、噴氣渦流紡［10］等紡紗技術(shù)，由于引入了高速氣流，可有效提高紡紗速度和紗線產(chǎn)量.

研究［11-13］顯示，環(huán)錠紡的產(chǎn)量受限于3個(gè)主要因素：鋼領(lǐng)跑道上的鋼絲圈存在速度極限；高速紡紗時(shí)，氣圈張力呈2次函數(shù)關(guān)系遞增，氣圈過大易發(fā)生紡紗斷頭；紡紗段的加捻三角區(qū)纖維束無法承受高速化帶來的高倍增長(zhǎng)的紡紗張力，易發(fā)生紡紗段斷頭.為了解決環(huán)錠紡紗易斷頭的問題，本文提出一種新型紡紗方法——預(yù)捻環(huán)錠紡紗技術(shù).該技術(shù)通過對(duì)牽伸須條預(yù)捻，分擔(dān)一部分鋼領(lǐng)／鋼絲圈的加捻任務(wù)，再由一對(duì)握持鉗口握持，對(duì)已經(jīng)獲得初捻的須條進(jìn)行復(fù)捻，以減少紡紗段的斷頭，并提高環(huán)錠紡產(chǎn)量.為了驗(yàn)證預(yù)捻機(jī)理的合理性，本文首先通過建模計(jì)算得到預(yù)捻器中流體的速度分布規(guī)律，并以單纖維為研究對(duì)象，將其離散成珠鏈模型，建立纖維微元段在氣流場(chǎng)中繞中心須條運(yùn)動(dòng)的大變形動(dòng)力學(xué)模型；再采用Matlab模擬單纖維運(yùn)動(dòng)軌跡；最后，通過紡制預(yù)捻須條和預(yù)捻環(huán)錠紗，在顯微鏡下觀察其結(jié)構(gòu)，并結(jié)合Matlab模擬的單纖維軌跡分析預(yù)捻原理的合理性.

1 預(yù)期預(yù)捻環(huán)錠紡紡紗原理

預(yù)期預(yù)捻環(huán)錠紡紡紗原理如圖1所示.須條經(jīng)過牽伸之后進(jìn)入空氣預(yù)捻器，須條外層中張開的自由端受到預(yù)捻器中旋轉(zhuǎn)渦流的預(yù)捻作用對(duì)中心須條進(jìn)行包纏.從握持羅拉出來的預(yù)捻須條再接受環(huán)錠加捻的作用，中心須條加上捻度.預(yù)捻器橫截面如圖2所示，預(yù)捻器包括須條入口、紗線出口、總進(jìn)氣口、氣室、氣體入口和出口、腔體6個(gè)部分.其中，腔體為倒錐形，腔體入口和出口部分截面都為圓形；須條入口和紗線出口采用半月形，輔助羅拉加強(qiáng)對(duì)須條的握持，須條入口端為4 mm×2 mm的半月形，紗線出口為2.5 mm×1.5 mm的半月形；總進(jìn)氣口分布在連接外部氣壓泵，氣體入口有4個(gè)，均勻分布在環(huán)形氣室內(nèi)側(cè)，以總進(jìn)氣口為中心軸對(duì)稱分布，氣體由總進(jìn)氣口進(jìn)入，通過環(huán)形氣室均勻進(jìn)入4個(gè)氣體入口，進(jìn)入腔體，在腔體中形成環(huán)狀渦流場(chǎng).流場(chǎng)預(yù)捻器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示.

圖1 預(yù)捻環(huán)錠紗紡紗原理圖Fig.1 Schematic diagram of the pre-twisting ring spun technology

圖2 預(yù)捻器橫截面Fig.2 Longitudinal cross section of pre-twister

圖3 預(yù)捻器結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）Fig.3 Parameters of pre-twister（unit：mm）

2 數(shù)值模擬

2.1 流體建模與計(jì)算

根據(jù)腔體尺寸，利用Solidworks 12軟件建立如圖4所示流體模型.其中，須條沿y軸負(fù)向輸送，x軸和z軸方向?yàn)轭A(yù)捻器徑向.流體模型的紗線出口底部幾何中心為原點(diǎn).

圖4 流體模型Fig.4 Fluid model

應(yīng)用ANSYS 14.0軟件中Fluent模塊對(duì)預(yù)捻器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.由于流體模型較復(fù)雜，采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格，計(jì)算模型采用可實(shí)現(xiàn)的Realizableκ-ε模型，流體材料定義為理想氣流模型，流體溫度設(shè)置為300 K.圖4共包含10個(gè)氣流進(jìn)出口邊界面，氣流入口邊界（inlet）位置如圖中箭頭所示，其他9個(gè)灰色面均為氣流出口邊界（outlet），流體模型中剩下的面均定義為壁面.氣流進(jìn)出口邊界條件如表1所示.

表1 進(jìn)出口邊界條件設(shè)定Table 1 Setting parameters of boundary conditions

預(yù)捻器腔體部分不同位置的氣流速度值可由Tecplot 360軟件提取出來，通過氣流速度分布獲得預(yù)捻器內(nèi)流場(chǎng)規(guī)律.氣流速度可分為兩個(gè)部分：切向速度和軸向速度.切向速度對(duì)預(yù)捻器中的纖維起預(yù)捻作用，而軸向速度主要起輸送須條的作用.本文的目的主要是討論預(yù)捻器預(yù)捻原理的合理性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，在模擬纖維運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，僅考慮切向氣流速度對(duì)單纖維的作用.

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

從有效預(yù)捻區(qū)的x Oy平面截取不同z軸位置處的氣流切向速度，得速度的分布圖如圖5所示，其中，L1，L2，L3，L4，L5分別為z值為8.0，7.5，7.0，6.5和6.0 mm處氣流的切向速度值.

圖5 氣流切向速度分布圖Fig.5 The distribution of fluid tangential velocity

由圖5可知，流場(chǎng)中氣流切向速度分布規(guī)律為中心區(qū)域穩(wěn)定、周圍有旋轉(zhuǎn)渦流場(chǎng).因此，如果喂入一平行須條到預(yù)捻器中，那么旋轉(zhuǎn)的渦流場(chǎng)會(huì)讓須條外層中張開的纖維自由端包纏在中心須條上，而中心須條不受旋轉(zhuǎn)渦流場(chǎng)的作用.

3 纖維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 纖維運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，取預(yù)捻器腔體部分進(jìn)行分析，并將纖維離散成珠鏈模型.珠子的直徑與常用棉纖維當(dāng)量直徑相等，珠子密度略大于棉纖維密度；鏈的直徑和密度忽略不計(jì).模型的具體參數(shù)如表2所示.

表2 纖維動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算參數(shù)Table 2 Parameters of fiber dynamic model

牽伸過的須條喂入預(yù)捻器時(shí)，由于前羅拉的握持作用，須條呈扁平帶狀，經(jīng)過氣流快速預(yù)捻作用后，須條由扁平帶狀變成圓柱形，寬度變窄.為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將腔體部分須條的幾何形態(tài)簡(jiǎn)化為規(guī)則的幾何形態(tài)，假設(shè)預(yù)捻前的須條截面為跑道形，預(yù)捻后的須條截面為圓形.

由于須條截面變化發(fā)生在預(yù)捻器內(nèi)部，難以測(cè)量其實(shí)際尺寸，所以以下須條尺寸采用假定值.假設(shè)須條截面由跑道型變成圓形發(fā)生在2 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)，截面形狀改變前一瞬間須條截面直徑為1 mm，長(zhǎng)度為2 mm的跑道型，預(yù)捻后變成直徑為0.4 mm的圓柱形須條.腔體內(nèi)部須條示意圖如圖6所示.

圖6 預(yù)加捻段須條示意圖Fig.6 Diagram of pre-twisting strand

不考慮纖維的拉伸彈性和扭轉(zhuǎn)彈性，通過建立噴嘴內(nèi)纖維微元段i的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來討論噴嘴內(nèi)單纖維的運(yùn)動(dòng)軌跡.

假設(shè)纖維微元段i自進(jìn)入有效預(yù)捻區(qū)至離開有效預(yù)捻區(qū)所需的時(shí)間為T，將T劃分為多個(gè)時(shí)間段，則可獲得微元段在不同時(shí)刻的加速度和速度，進(jìn)而獲得單根纖維的運(yùn)動(dòng)軌跡.建立三維坐標(biāo)系描述纖維運(yùn)動(dòng)，如圖7所示，須條輸送方向?yàn)閦軸方向.

圖7 描述纖維運(yùn)動(dòng)的三維坐標(biāo)系Fig.7 Three-dimensional coordinate system of the motion trail of fiber

取任一時(shí)刻t的任一珠子i進(jìn)行分析.珠子i與珠子i＋1之間的距離固定，因此珠子i有位置約束方程：

其中：i＝1，2，…，n；x i，y i和z i為珠子i在t時(shí)刻的位置；li為鏈長(zhǎng)，當(dāng)i＝1，2，…，n-1時(shí)，li為常量；當(dāng)i＝n時(shí)，li為變量.

其中：vf為須條輸出速度.

由拉格朗日第一類方程可得到纖維動(dòng)力學(xué)方程如式（3）所示.

其中：mi為珠子i的質(zhì)量；qi為t時(shí)刻珠子i在x軸，y軸或z軸上的位移，即x i，y i和z i；φi為珠子i的位置約束方程；λk為拉格朗日系數(shù)；∑Fi為珠子i在x軸，y軸或z軸方向上所受的分力.因?yàn)椴豢紤]纖維與中心須條和預(yù)捻器內(nèi)壁面之間的關(guān)系，∑Fi僅僅包括氣流作用在珠子i上的驅(qū)動(dòng)力.作用在珠子i上的總驅(qū)動(dòng)力可由式（4）計(jì)算得到.

其中：ρ為氣流密度；vi為t時(shí)刻氣流相對(duì)珠子i的速度；Ai為迎流面積；CDi為珠子i在t時(shí)刻的圓柱繞流阻力系數(shù)，是關(guān)于雷諾數(shù)（Re）的函數(shù)，可由CD相對(duì)于Re的圖來確定.Re的定義為

其中：v為流體運(yùn)動(dòng)速度；υ為流體運(yùn)動(dòng)黏度；d為在t時(shí)刻珠子i所在位置的腔體直徑.

根據(jù)式（4）可推導(dǎo)氣流驅(qū)動(dòng)力在x軸，y軸，z軸上的分量F xi，F(xiàn)yi，F(xiàn)zi.

其中：vix，viy，viz分別為v i在x軸，y軸，z軸上的分量.

最終式（3）可變成

對(duì)約束方程（1）求二次導(dǎo)得到加速度約束方程組.

3.2 計(jì)算與結(jié)果分析

由聯(lián)立式（9）～（16）可得到一微分方程組A·B＝C，矩陣A中的元素為t時(shí)刻各相鄰珠子之間的位置差，矩陣B中的元素由各珠子加速度及其拉格朗日乘子組成，矩陣C中的元素為各珠子所受驅(qū)動(dòng)力.微分方程組反映了t時(shí)刻相鄰珠子間的位置、珠子加速度與氣流驅(qū)動(dòng)力之間的關(guān)系.采用龍格庫(kù)塔法估算t＋1時(shí)刻各個(gè)珠子的速度和位置以及氣流驅(qū)動(dòng)力.最后可得到所有時(shí)刻各個(gè)珠子之間的位置關(guān)系，描繪出纖維在這一流場(chǎng)中的軌跡.

為了避免在計(jì)算中出現(xiàn)纖維與壁面或者中心須條相交叉的情況，纖維與壁面及中心須條的邊界條件采用罰函數(shù).

利用Matlab編程計(jì)算微分方程組，并畫出各個(gè)珠子在腔體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的軌跡，如圖8所示.其中，輪廓線l1表示中心須條，輪廓線l2表示腔體，每?jī)蓚€(gè)小點(diǎn)之間包含10個(gè)微元段.由圖8可知，外層纖維自由端以螺旋線軌跡包纏在中心須條上.

圖8 纖維軌跡圖Fig.8 The trajectory of fibers

4 實(shí) 驗(yàn)

采用如表3所示的紡紗參數(shù)，在細(xì)紗機(jī)上紡制15.34 tex的精梳棉紗.

表3 預(yù)捻環(huán)錠紡紗參數(shù)Table 3 Setting parameters of pre-twisting ring spun technology

5 結(jié)果與討論

為了了解預(yù)捻須條和預(yù)捻環(huán)錠紗的表面結(jié)構(gòu)，紡制預(yù)捻須條和預(yù)捻環(huán)錠紗，并利用顯微鏡觀察兩者的結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖9所示.由圖9可以看出，預(yù)捻須條和預(yù)捻環(huán)錠紗均呈現(xiàn)出“皮芯”結(jié)構(gòu).預(yù)捻須條的結(jié)構(gòu)分為包纏纖維和中心須條兩部分，其中，包纏纖維是指在氣流作用下包纏在中心須條表面的自由端纖維，中心須條中的纖維因?yàn)闆]有受到旋轉(zhuǎn)渦流的影響而相互平行.預(yù)捻環(huán)錠紗由包纏纖維和中心有捻紗線組成，而中心有捻紗線由中心須條受環(huán)錠加捻后形成，其與普通環(huán)錠紗的結(jié)構(gòu)基本相同.預(yù)捻須條上表面包纏纖維的運(yùn)動(dòng)軌跡與前文模擬得到的單纖維運(yùn)動(dòng)軌跡相同，這說明本文建立的纖維動(dòng)力學(xué)模型有一定的研究意義，能形象地反映單纖維在預(yù)捻器腔體中的運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖9 預(yù)捻須條和預(yù)捻環(huán)錠紗的表面結(jié)構(gòu)Fig.9 Appearances of pre-twisting strand and pre-twisted ring spun yarn

6 結(jié) 語

本文基于一種新型紡紗方法——預(yù)捻環(huán)錠紡技術(shù)，研究其預(yù)捻原理的合理性，理論計(jì)算結(jié)果表明，喂入預(yù)捻器中的須條外層纖維自由端受到旋轉(zhuǎn)渦流場(chǎng)的作用后會(huì)包纏在中心須條表面，而中心須條由于處于穩(wěn)定的流場(chǎng)區(qū)域而不旋轉(zhuǎn).實(shí)驗(yàn)觀察也得到相同的預(yù)捻機(jī)理，同時(shí)由于預(yù)捻的存在，預(yù)捻須條和預(yù)捻環(huán)錠紗均呈現(xiàn)出“皮芯”結(jié)構(gòu).預(yù)捻須條由包纏纖維和中心須條組成；預(yù)捻環(huán)錠紗由包纏纖維和中心有捻紗組成.其中，中心須條中纖維呈互相平行狀態(tài)，中心有捻紗的結(jié)構(gòu)與普通環(huán)錠紗相同.本文研究結(jié)果為預(yù)捻環(huán)錠紡的預(yù)捻機(jī)理提供理論依據(jù)，所建立的纖維動(dòng)力學(xué)模型可以為后續(xù)噴嘴設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論指導(dǎo).

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Pre-twisting Theory and Experimental Research of Pre-twisting Ring Spun Technology

CHENCheng1a，WANGKe-yi1a，HUAZhi-hong1b，HANDan2，CHENGLong-di1a

（a.Key Laboratory of Textile Science ＆Technology，Ministry of Education；b.College of Science，1.Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Jingwei Textile Machinery Co.Ltd.，Yuci Branch，Jinzhong 030601，China）

In order to prove the rationality of twisting theory of the pre-twisting ring spinning，a dynamic model of infinitesimal element of fiber in the airflow filed was established to obtain the trajectory of fiber.The structure of the pre-twisting strand and the pre-twisting spun yarn under the microscope was observed.The research results indicate that the simulation of fiber trajectory is able to reflect the fiber motion morphology in the pre-twisting field of the pre-twsiting ring spinning；expected twisting theory is rational.The fibers at the outer layer of the strand are wrapped in a spiral on the core strand in the pretwisting field.

pre-twisting ring spinning；pre-twister；yarn structure；numerical simulation；fiber dynamic

TS 104.1

A

2014-08-05

長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（IRT1220）

陳 澄（1991—），女，湖北仙桃人，碩士研究生，研究方向?yàn)轭A(yù)捻環(huán)錠紡的預(yù)捻機(jī)理.E-mail：2120042＠m(xù)ail.dhu.edu.cn

程隆棣（聯(lián)系人），男，教授，E-mail：ldch＠dhu.edu.cn

1671-0444（2015）05-0602-06