從卡摩紡導(dǎo)流板的變遷看集聚原理

陸宗源

（上海天問(wèn)紡織新技術(shù)研究中心，上海 200125）

瑞士立達(dá)公司制造的卡摩紡裝置，其原理科學(xué)、結(jié)構(gòu)合理、制造精湛，可稱是集聚紡紗技術(shù)的顛峰之作；由于其價(jià)格高昂，故國(guó)內(nèi)企業(yè)引進(jìn)甚少。

從專利申請(qǐng)時(shí)間上分析，集聚紡技術(shù)的發(fā)展是（立達(dá)）吸風(fēng)鼓式在先，（緒森）網(wǎng)格圈式在后。盡管二者結(jié)構(gòu)似無(wú)相同之處，其集聚紡紗的原理卻相同。后者的改進(jìn)主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，并可以在環(huán)錠細(xì)紗機(jī)上應(yīng)用，且以價(jià)廉、易于推廣而普及。然而，后者在原理上放棄了前者諸多優(yōu)越性，從而負(fù)壓高、能耗增加，集聚區(qū)存在意外牽伸以致影響成紗質(zhì)量。

卡摩紡裝置上唯一獨(dú)有的是“導(dǎo)流器”，雖然是一個(gè)小部件，但是其作用非凡，值得研究。

1 國(guó)內(nèi)對(duì)卡摩紡導(dǎo)流器原理的研究

國(guó)內(nèi)最早介紹導(dǎo)流器原理的是中原工學(xué)院的沈曉來(lái)，他認(rèn)為導(dǎo)流器的作用是“纖維的集聚是通過(guò)氣流引導(dǎo)元件得到進(jìn)一步的強(qiáng)化。該元件位于打孔吸風(fēng)鼓上，以確保氣流只能從側(cè)面抽出?！保ㄈ鐖D1）［1］。

圖1 導(dǎo)流器原理

2008年發(fā)表的《緊密紡紗氣動(dòng)凝聚結(jié)構(gòu)的研究》［2］一文中，全面介紹了國(guó)外的集聚紡紗裝置，并重點(diǎn)分析氣流導(dǎo)向裝置，指出由于凝聚氣流方向基本上垂直于須條中發(fā)散纖維的凝聚方向，因而氣流能量中只有少量軸向分量有效地用于凝聚，其效能很低；這就是采用導(dǎo)流板的原因（如圖2）。

圖2 加設(shè)導(dǎo)流板前后的凝聚氣流

文獻(xiàn)［3］重點(diǎn)介紹了K44型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的氣流導(dǎo)向裝置（如圖3），并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：“氣流導(dǎo)向裝置的作用是使氣流主要從兩側(cè)集聚纖維，可防止單纖維由于擴(kuò)散而沒(méi)有被集聚進(jìn)入紗體中，保證了各纖維以平行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)較好的集聚……更大程度地縮小紡紗三角區(qū)”［3］。

圖3 氣流導(dǎo)向裝置位置和作用

總之，所有國(guó)內(nèi)研究者都一致認(rèn)為：氣流導(dǎo)向板是為了使氣流從兩側(cè)進(jìn)入集聚區(qū)，其集聚效果好。

2 立達(dá)K44型、K45型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)氣流導(dǎo)向的實(shí)際作用

筆者曾在立達(dá)早期產(chǎn)品的視頻介紹上見(jiàn)過(guò)“氣流截面圖”的說(shuō)明。圖4中代表氣流走向的小白點(diǎn)來(lái)自于壓輥軸的導(dǎo)流板臂，當(dāng)氣流進(jìn)入導(dǎo)向器后，經(jīng)過(guò)吸風(fēng)鼓表面進(jìn)入吸風(fēng)組件。這說(shuō)明K44型細(xì)紗機(jī)氣流導(dǎo)向裝置是從頂部輸入氣流的，這是為了阻止空氣從兩側(cè)進(jìn)入集聚區(qū)。那么，過(guò)去國(guó)內(nèi)一直認(rèn)為空氣從兩側(cè)進(jìn)入以加強(qiáng)集聚效果的理解，這并不是立達(dá)公司設(shè)計(jì)者的本意。

圖4 K44型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)氣流導(dǎo)向

在最近立達(dá)公司介紹K45型環(huán)錠細(xì)紗機(jī)的視頻廣告中，看到了氣流導(dǎo)向器的截圖如圖5所示。清楚表明：氣流是從導(dǎo)向器頂部的兩個(gè)孔進(jìn)入。導(dǎo)流板兩側(cè)和抽氣鼓表面的間隙很小，阻力大，基本沒(méi)有空氣進(jìn)入。

圖5 立達(dá)K45型細(xì)紗機(jī)氣流導(dǎo)向器

圖6 賽絡(luò)集聚紡氣流導(dǎo)向器

K45型賽絡(luò)集聚紡的導(dǎo)流板（見(jiàn)圖6），中間只有一個(gè)進(jìn)氣孔，氣流從兩個(gè)須條的中間通過(guò)。如果按照參考文獻(xiàn)［2］的理解，氣流都是從兩須條一側(cè)經(jīng)過(guò)，則垂直方向的氣流就完全無(wú)集束作用，那么氣流利用率等于零；而實(shí)際上K45型賽絡(luò)集聚紡的成紗質(zhì)量是非常好的，所需的負(fù)壓也比網(wǎng)格圈式集聚紡小得多。由此可見(jiàn)氣流導(dǎo)向板的工作原理。

現(xiàn)在可以明確的是，早期的K44型導(dǎo)向氣流有專用的進(jìn)氣管從壓輥軸到導(dǎo)流板，導(dǎo)流板的一個(gè)作用是向集聚區(qū)空間輸入潔凈空氣，集聚區(qū)與車間環(huán)境隔離，不讓含有灰塵和微纖維的車間空氣進(jìn)入集聚空間；而K45型細(xì)紗機(jī)導(dǎo)流板上無(wú)進(jìn)氣管［4］，這表明現(xiàn)代車間空氣比較干凈，輸入潔凈空氣的措施不必要，進(jìn)氣管被簡(jiǎn)化了。導(dǎo)流板的作用主要是使集聚區(qū)氣流和車間空氣適當(dāng)隔離，以保護(hù)集聚氣流的穩(wěn)定。

3 集聚紡氣流集聚原理分析

為什么需要保護(hù)集聚區(qū)氣流的穩(wěn)定，就需要研究集聚氣流的運(yùn)動(dòng)特性。

根據(jù)流體力學(xué)的原理，氣體流動(dòng)是因?yàn)橛袎簭?qiáng)梯度，氣體向壓強(qiáng)小的方向流動(dòng)，氣流的強(qiáng)弱是梯度的大小，因此氣流和壓強(qiáng)梯度是完全一致的矢量。

壓強(qiáng)梯度一般用等強(qiáng)線表示（圖7中的細(xì)實(shí)線），同一條等強(qiáng)線上的壓強(qiáng)相同；相鄰兩條等強(qiáng)線的壓強(qiáng)有一定差異（事實(shí)上是連續(xù)變化的，為了表示清楚，采用了等差級(jí)數(shù)的間隔表示）。壓強(qiáng)梯度方向是等強(qiáng)線的法線方向（垂直），指向壓強(qiáng)小的區(qū)域；壓強(qiáng)梯度大小是相鄰兩條等強(qiáng)線的距離，距離越小，壓強(qiáng)梯度越大。

圖7 集聚氣流場(chǎng)等強(qiáng)線

集聚紡紗集聚區(qū)的氣流源于負(fù)壓管內(nèi)部的低氣壓，在集聚槽口上形成了一個(gè)壓強(qiáng)梯度場(chǎng)，這不需要任何機(jī)械限制。在無(wú)任何阻礙（無(wú)須條時(shí)）的情況下，每一點(diǎn)上的壓強(qiáng)梯度方向都指向集聚槽，梯度大小向遠(yuǎn)離氣槽方向遞減；所以，氣流都向集聚槽集中，槽口上氣流最強(qiáng)，向外逐漸減弱直至為零。這就是集聚槽氣流場(chǎng)，其等強(qiáng)線都是在以集聚槽為圓心的半圓形截面上，如圖7a）所示。

當(dāng)集聚槽上有須條存在時(shí)，由于集聚槽的傾斜，須條總是靠向一邊，使空氣阻力發(fā)生變化：靠須條一邊的氣流阻力變大，壓強(qiáng)梯度減小，等強(qiáng)線變得稀疏；而另一邊正好相反，等強(qiáng)線變形為長(zhǎng)軸向須條方向傾斜的橢圓。從圖7b）明顯可以看出氣流方向不是完全指向中心，而是圍繞須條形成的旋轉(zhuǎn)氣流場(chǎng)，正是這個(gè)旋轉(zhuǎn)氣流推動(dòng)須條纖維的移動(dòng)、集聚。由此可見(jiàn)，集聚槽傾斜的主要作用是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的集聚氣流場(chǎng)，樹(shù)立這一概念非常重要。

負(fù)壓越大，這個(gè)旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)的范圍也越大，須條周圍的內(nèi)層最強(qiáng)，越向外層則越弱。實(shí)際上，起集聚作用的只是內(nèi)層氣流，只要它有足夠的強(qiáng)度，就能完成纖維集聚。然而，氣流運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性使它帶動(dòng)外層氣流的旋轉(zhuǎn)，集聚氣流成為一個(gè)氣流團(tuán)。它能保護(hù)內(nèi)層有效旋轉(zhuǎn)氣流的穩(wěn)定，不受外界氣流的干擾。

由于立達(dá)卡摩紡的導(dǎo)流板使集聚空間和外界隔離，更好地保護(hù)集聚區(qū)的旋轉(zhuǎn)氣流，因此稱為“保護(hù)罩”也更為確切（見(jiàn)圖8）。

圖8 K45型細(xì)紗機(jī)的導(dǎo)流板

如果認(rèn)為導(dǎo)流板是迫使氣流從兩側(cè)進(jìn)入集中到須條并發(fā)生“沖撞”，而且接著一個(gè)90°的急轉(zhuǎn)彎（見(jiàn)圖1）。從流體動(dòng)力學(xué)原理來(lái)看是非常不利的；因?yàn)樵陧殫l附近發(fā)生激烈的湍流，勢(shì)必會(huì)徹底地破壞旋轉(zhuǎn)氣流。

4 K46型細(xì)紗機(jī)導(dǎo)流器的創(chuàng)新

在第17屆上海國(guó)際紡織工業(yè)展覽會(huì)上，立達(dá)公司展出了K46型細(xì)紗機(jī)的集聚紡紗裝置模型，將系列導(dǎo)流元件進(jìn)行了改革［5］。

K46型細(xì)紗機(jī)的集聚紡紗裝置，除了吸風(fēng)鼓的形狀和尺寸與K45型相同外，其吸風(fēng)插件、氣流導(dǎo)向器都有很大的改革。吸風(fēng)插件命名為“光明”（Bright），圖9所示的集聚槽無(wú)斜度，出風(fēng)口縮小了一半多。圖10為K46型細(xì)紗機(jī)導(dǎo)流板。

圖9 K46型細(xì)紗機(jī)集聚紡紗裝置

圖10 K46型細(xì)紗機(jī)導(dǎo)流板

K46型細(xì)紗機(jī)導(dǎo)流器不再是K45型導(dǎo)流器頂上有一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)氣孔，而是變成由兩片透明有機(jī)玻璃單片相互插入的組合體，進(jìn)氣通道改為迷宮式的、方向相反的兩個(gè)斜長(zhǎng)孔，空氣進(jìn)入要經(jīng)過(guò)一個(gè)曲折的通道。

其最大的創(chuàng)新是：氣流經(jīng)由迷宮式的導(dǎo)流器通道，到達(dá)吸風(fēng)插件“光明”上空的集聚區(qū)的氣流形成“環(huán)型氣流”（Quality into ring through air guide element），因此它就不需要采用集聚槽傾斜的形式了，這就為進(jìn)一步降低能耗創(chuàng)造了條件。

須條纖維的被集聚，主要有兩個(gè)動(dòng)作：一是須條的寬度縮小；二是外露的纖維端捻入紗體，從而使紗線光潔。網(wǎng)格圈式集聚紡是依靠集聚槽的傾斜，形成旋轉(zhuǎn)氣流來(lái)完成第二個(gè)動(dòng)作（纖維端捻入）；而它又帶來(lái)了第三個(gè)動(dòng)作，就是推動(dòng)須條整體位移。

這三個(gè)動(dòng)作都需要能量，也都來(lái)自于氣流。K46型的集聚區(qū)節(jié)能設(shè)計(jì)思路，就基于對(duì)三個(gè)動(dòng)作的精打細(xì)算：

a） 由導(dǎo)流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，取消了集聚槽的傾斜，集聚氣流就不需要推動(dòng)須條整體平移（這部分能量為主要部分），節(jié)約了能量；

b） 開(kāi)放式集聚區(qū)（網(wǎng)格圈式）的旋轉(zhuǎn)氣流必然要帶動(dòng)一個(gè)氣團(tuán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，氣團(tuán)保護(hù)中心旋轉(zhuǎn)氣流的穩(wěn)定消減了車間大氣流動(dòng)的沖擊；因?yàn)檫@種沖擊很多，源于巡回吹風(fēng)裝置和人工機(jī)臺(tái)清潔，然而，K46型的導(dǎo)流器使集聚空間和車間空間基本隔離，因此不需要有外層氣團(tuán)保護(hù)，可以使運(yùn)動(dòng)氣團(tuán)減到最小，達(dá)到節(jié)能效果；

c） 集聚區(qū)被約束在一個(gè)極小的空間，旋轉(zhuǎn)氣流主要任務(wù)只是將纖維集中和將須條外露的纖維端捻入主體，而這種纖維端數(shù)量很少，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)需要的能量很少（只需要推動(dòng)部分纖維），旋轉(zhuǎn)氣團(tuán)中的有效成分實(shí)際上很少；因此，這種隔離方式可以極大地減少氣體流量，從而可以進(jìn)一步減小負(fù)壓。

據(jù)立達(dá)公司稱，在集聚區(qū)、包括吸風(fēng)鼓的大截面空氣通道，結(jié)合新型導(dǎo)流器，可以節(jié)省17%的能耗；而整個(gè)節(jié)能集聚紡紗裝置（包括吸風(fēng)管道、廢棉笛管和風(fēng)機(jī)）節(jié)能可高達(dá)63%。

5 結(jié)語(yǔ)

在不到10年的時(shí)間里，立達(dá)公司對(duì)集聚紡裝置進(jìn)行了多次改造，目的即為了降低能耗。特別是K46型細(xì)紗機(jī)，稱之為“以最低能耗獲得完全緊密紗線”的集聚紡細(xì)紗機(jī)。

立達(dá)公司宣稱“如果考慮生產(chǎn)成本非常低，新的K46型雙面吸風(fēng)系統(tǒng)使生產(chǎn)每千克紗的能耗更低；因此，現(xiàn)在用高能耗的網(wǎng)格圈式集聚紡代替K46型成為不必要。”因?yàn)榧徔椘髽I(yè)購(gòu)置設(shè)備的一次性投入大，可以很快地從生產(chǎn)成本降低中得到補(bǔ)償，而這是長(zhǎng)期受惠的利潤(rùn)來(lái)源。

立達(dá)不斷地創(chuàng)新，很值得進(jìn)入全民創(chuàng)新時(shí)代的我國(guó)從事集聚紡的同仁學(xué)習(xí)，且最值得我們學(xué)習(xí)的是對(duì)氣流集聚原理基礎(chǔ)理論研究的步步深入，這是機(jī)構(gòu)創(chuàng)新取之不盡的源泉。

［1］沈曉來(lái).立達(dá)K44緊密紡裝置主要元件的作用［J］.上海紡織科技，2005（2）：27－28.

［2］朱鵬，倪遠(yuǎn).緊密紡紗氣動(dòng)凝聚結(jié)構(gòu)的研究［J］.棉紡織技術(shù)，2008，36（11）：22－25.

［3］王超，謝春萍，蘇旭中，等.緊密紡集聚區(qū)氣流導(dǎo)向裝置的應(yīng)用效果［J］.棉紡織技術(shù)，2011，39（8）：15－17.

［4］Syrien Harald Schwippl.在卡摩紡紗機(jī)K44上采用天絲超細(xì)纖維和棉纖維加工織造用COM4?卡摩紗的特性研究［J］.Technology SYS，2007（April）.

［5］RZETER.K46Compact Spinning Machine——For fullycompacted yarns with lowest energy consumption［Z］.