轉(zhuǎn)杯復(fù)合紡成紗器內(nèi)流場模擬及紗線質(zhì)量分析

楊瑞華， 劉 超， 薛 元， 高衛(wèi)東

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

轉(zhuǎn)杯紡復(fù)合紗結(jié)合了轉(zhuǎn)杯高速、高產(chǎn)和高清潔度的優(yōu)勢以及長絲與短纖維性能互補(bǔ)的特點，具有較好的發(fā)展前景[1]。改變長絲的超喂率可生產(chǎn)轉(zhuǎn)杯紡包芯紗、合股紗、包纏紗等結(jié)構(gòu)的復(fù)合紗[2-3]。轉(zhuǎn)杯速度、捻系數(shù)和氨綸絲牽伸倍數(shù)可影響轉(zhuǎn)杯紡復(fù)合紗的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、條干和毛羽[4]。力學(xué)模型研究表明，在不同轉(zhuǎn)杯半徑和長絲牽伸倍數(shù)的條件下，棉/滌綸復(fù)合紗復(fù)合點二維坐標(biāo)位置X主要取決于轉(zhuǎn)杯半徑，Y位置主要取決于長絲喂入張力和復(fù)合紗卷繞張力的比值，復(fù)合紗成紗過程中存在短纖維成紗點和短纖維紗與長絲復(fù)合成紗點[5]。

隨著轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)性能的不斷改進(jìn)和提高，轉(zhuǎn)杯紡復(fù)合紡紗工藝技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)均有一些突破，但對轉(zhuǎn)杯紡復(fù)合成紗過程中氣流運(yùn)動的研究較為欠缺。轉(zhuǎn)杯復(fù)合成紗器內(nèi)氣體運(yùn)動特征是影響成紗過程穩(wěn)定性及紗線性能質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本文用Ansys軟件中構(gòu)建轉(zhuǎn)杯紡復(fù)合紗成紗腔體的三維幾何模型，以成紗通道內(nèi)氣流場作為模擬分析對象，對流場內(nèi)的氣體流動特征進(jìn)行數(shù)值模擬和計算，得到了流場內(nèi)氣流分布特征，以及不同轉(zhuǎn)杯速度下轉(zhuǎn)杯內(nèi)壓力和速度分布特征，并在不同轉(zhuǎn)杯速度下采用小樣機(jī)紡制了棉/氨綸復(fù)合紗，測試了復(fù)合紗線的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率、條干不勻率和毛羽值。本文研究對優(yōu)化紡紗工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量具有一定的理論參考價值。

1 紡紗通道流場三維模型建立

圖1 成紗器幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of geometry structure of spinning channel. (a) Part of spinning channel; (b) Internal section of rotor and guide tube position

對轉(zhuǎn)杯紡紗機(jī)成紗單元內(nèi)纖維輸送通道、轉(zhuǎn)杯及引紗管和長絲導(dǎo)絲管建立三維幾何模型，見圖1。轉(zhuǎn)杯直徑為46 mm，凝聚槽型為T型，滑移角為68°。成紗過程中，纖維條由給棉羅拉和給棉板喂給高速旋轉(zhuǎn)的分梳輥，完成對纖維的剝?nèi)『烷_松；高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)杯在抽氣機(jī)作用下形成強(qiáng)負(fù)壓氣流，分離的單纖維在該強(qiáng)負(fù)壓漩渦氣流作用下由纖維輸送通道向轉(zhuǎn)杯凝聚槽內(nèi)運(yùn)動，完成纖維的輸送；并在轉(zhuǎn)杯內(nèi)并合凝聚加捻，與通過導(dǎo)絲管進(jìn)入轉(zhuǎn)杯內(nèi)的長絲在轉(zhuǎn)杯內(nèi)復(fù)合成紗，經(jīng)由引紗管由引紗羅拉和引紗皮輥引出，繞在紗筒上。

2 紡紗通道的數(shù)值模擬

2.1 物理模型

轉(zhuǎn)杯紡成紗器內(nèi)氣體的高速流動可視為可壓縮黏性流動[6-7]。為簡化運(yùn)動模型，應(yīng)用湍流模型作為流場模型，忽略紡紗通道內(nèi)溫度影響和纖維運(yùn)動，氣體流動規(guī)律滿足質(zhì)量守恒和動量守恒定律[8-9]。

質(zhì)量守恒方程式為：

(1)

式中：uk為氣流速度在xk方向的分量；ρ為氣體密度。

動量守恒方程式為：

(2)

式中：ρ為氣體密度；ui為氣流速度在xi方向的分量；p為氣體壓強(qiáng)；Re為雷諾數(shù)；τij為牛頓流體黏性應(yīng)力張量。

(3)

式中：uj為氣流速度在xj方向的分量；δik為komecker delta函數(shù)；u為氣體的動力學(xué)黏度。

采用標(biāo)準(zhǔn)κ-? 湍流模型方程對成紗器內(nèi)氣流運(yùn)動特性進(jìn)行分析：

ρε-YM+Sk

(4)

(5)

式中：Gk為平均速度梯度引起的湍動能κ的產(chǎn)生項；Gb為浮力引起的湍動能κ的產(chǎn)生項；YM為可壓縮湍流中脈動膨脹的貢獻(xiàn)；μt為湍流黏性系數(shù)；σk和σε分別為湍動能κ和耗散能ε對應(yīng)的普朗特常數(shù)；Sk和Sε為用戶定義的源項；C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=0.09[6]。

2.2 邊界條件設(shè)置

出口邊界：根據(jù)成紗過程中具體工藝條件，出口邊界設(shè)為壓力出口，出口靜壓為-8 kPa[10]。

固體壁面：設(shè)高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，

運(yùn)動類型為旋轉(zhuǎn)[9]，轉(zhuǎn)速為12萬r/min。

采用四面體網(wǎng)格對紡紗通道幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對流項采用二階迎風(fēng)格式離散，應(yīng)用SIMPLE算法對流場進(jìn)行求解。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 紡紗通道內(nèi)流場分析

圖2、3分別示出紡紗器內(nèi)各部件靜壓分布及氣流速度特征示意圖。

圖2 紡紗器內(nèi)各部件靜壓分布圖Fig.2 Static pressure distributions in spinning channel.(a) Spinning unit; (b) Tube for fiber transportation; (c) Rotor

由圖2可知，導(dǎo)絲管內(nèi)的主體靜壓為-9 kPa左右，引紗管內(nèi)的靜壓為正壓，主體處于4 kPa。纖維輸送通道入口處(與分梳輥相通處)壓力最大，達(dá)到6 kPa，在纖維輸送的過程中，靜壓由正壓變?yōu)樨?fù)壓，出口處靜壓值最小，為-9 kPa左右。纖維輸送通道內(nèi)由正到強(qiáng)負(fù)的壓力場使短纖維脫離分梳輥向轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)杯內(nèi)的靜壓大部分為-9 kPa，輸棉通道出口與轉(zhuǎn)杯滑移面交匯處由于高速氣流與轉(zhuǎn)杯壁的沖擊作用存在小部分高壓區(qū)，在18.8～61.8 kPa之間。

圖3 成紗過程中氣流速度特征示意圖Fig.3 Speed characteristics of airstream during spinning. (a) Spinning unit; (b) Tube for fiber transportation; (c) Rotor

從圖3中可看出，導(dǎo)絲管內(nèi)氣流速度在165～220 m/s之間，有較大速度差，在氣流的加速度作用下，長絲便于到達(dá)轉(zhuǎn)杯，與短纖維束復(fù)合成紗。氣流在纖維輸送通道內(nèi)呈更大加速度的運(yùn)動，入口處速度為50 m/s左右，出口處速度為386 m/s，該通道內(nèi)加速氣流有助于伸直平行彎鉤纖維，纖維順利到達(dá)轉(zhuǎn)杯。轉(zhuǎn)杯的高速旋轉(zhuǎn)與抽氣風(fēng)機(jī)的工作作用在轉(zhuǎn)杯內(nèi)形成了強(qiáng)負(fù)壓的高速氣流。由于轉(zhuǎn)杯的高速旋轉(zhuǎn)，氣流以386 m/s的高速從纖維輸送通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯，與高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯壁形成強(qiáng)烈的沖擊，分成正、反2個方向運(yùn)動的氣流，并在轉(zhuǎn)杯內(nèi)高速運(yùn)動。2股氣流在轉(zhuǎn)杯內(nèi)位置1處相撞形成二次沖擊，之后可觀察到其各自又繞導(dǎo)絲管口隨轉(zhuǎn)杯作圓周運(yùn)動，并在如圖所示2處交匯合股。合股后的氣流隨轉(zhuǎn)杯高速旋轉(zhuǎn)繼續(xù)在轉(zhuǎn)杯內(nèi)運(yùn)動。這種由于高速氣流與杯壁的沖擊而形成的氣流分股，又在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯帶動下再次合股的現(xiàn)象中，氣流的分股使得少量纖維被逆向帶動，從而形成包纏纖維，該氣流運(yùn)動特征有力地解釋了轉(zhuǎn)杯成紗表面特有的包纏纖維形成的原因。

3.2 轉(zhuǎn)杯速度對杯內(nèi)靜壓和速度分布影響

作為轉(zhuǎn)杯紡紗的重要部件，轉(zhuǎn)杯速度與成紗質(zhì)量和產(chǎn)量密切相關(guān)。本文以入口速度1為50 m/s，入口速度2為175 m/s，出口壓力為-8 kPa，轉(zhuǎn)杯速度為2.0、2.5、3.0萬r/min，對轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流場分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。表1示出轉(zhuǎn)杯內(nèi)壓力和速度分布范圍。

表1 成紗過程中轉(zhuǎn)杯內(nèi)的氣流速度和負(fù)壓Tab.1 Airflow velocity and negative pressure in rotor during spinning

注：“～”表示約等于。

根據(jù)伯努利效應(yīng)[7]：流體的流速越大，物體與流體接觸的表面上其壓力會越??；流體的流速越小，壓力會越大。結(jié)合表1可知，當(dāng)轉(zhuǎn)杯速度為3.0萬r/min時，轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的速度值最大，所以靜壓值最小，當(dāng)轉(zhuǎn)杯速度為2.0萬r/min時，轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流的速度值最小，所以靜壓值最大。

4 紡紗實驗

4.1 原料與紡紗工藝

選用棉纖維作為短纖維組分，氨綸絲(線密度為7.78 tex)作為長絲組分，棉粗紗定量為5.02 g/10 m，確定實驗產(chǎn)品為58.3 tex的棉/氨綸復(fù)合紗，設(shè)計捻系數(shù)為460，長絲牽伸倍數(shù)為3.6，分梳輥速度為6 000 r/min，實驗其他參數(shù)見表2。

表2 實驗參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

4.2 紗線性能測試

參照GB/T 3916—1997《紡織品 卷裝紗 單根紗線斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率的測定》，采用YG068C型全自動單紗強(qiáng)力儀測試紗線的力學(xué)性能。測試參數(shù)為：預(yù)加張力0.5 cN/tex；拉伸次數(shù)30次/管；拉伸速度500 mm/min；取樣間隔500 mm。

參照GB/T 3292—1997 《紡織品 紗條條干不勻試驗方法 電容法》，采用USTER TESTER5條干儀，測試紗線條干均勻度。測試速度為200 m/min，測試時間為1 min。

參照ASTM D 5647—2001《用光電儀器測量紗線的毛狀特性的標(biāo)準(zhǔn)指南》，采用USTER TES TER5條干儀測試紗線毛羽。

4.3 結(jié)果與討論

紗線的性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 紗線的性能測試結(jié)果Tab.3 Test results of yarn properties

由表3可知，轉(zhuǎn)杯速度增加，紗線斷裂強(qiáng)力提高，斷裂伸長率降低。這是因為轉(zhuǎn)杯速度增加，轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流速度提高，纖維束受到的張力即拉伸力增強(qiáng)，則纖維伸直平行度提高；同時纖維受到的離心力增大，纖維束抱合緊密度增加。

由表3還可見，隨著轉(zhuǎn)杯速度的增加，紗線條干不勻率增加，毛羽值減少。成紗過程中，由于轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)速度的增加，單位時間進(jìn)入轉(zhuǎn)杯內(nèi)的纖維根數(shù)增多，則高速氣流需要帶動的纖維數(shù)量增加，單根纖維受力消弱，伸直平行度減弱，從而成紗條干的CV值增加；轉(zhuǎn)杯速度提高，纖維束和長絲受到的離心力和張力都增加，從而復(fù)合紗線的緊密度增大，長絲對短纖維的包纏作用增強(qiáng)，且高速氣流對杯壁的沖擊效應(yīng)更加強(qiáng)烈，成紗表面的纏繞纖維增加，包覆緊密，多向復(fù)合作用下，成紗毛羽減少。

5 結(jié) 論

1)導(dǎo)絲管內(nèi)的靜壓為負(fù)壓，引紗管內(nèi)的靜壓為正壓；纖維輸送通道入口處為正壓，出口處靜壓最小，為-9 kPa；輸送通道出口與轉(zhuǎn)杯滑移面交匯處存在小部分高壓區(qū)，轉(zhuǎn)杯內(nèi)負(fù)壓在9 kPa左右。

2)氣流在漸縮型的纖維輸送通道中加速運(yùn)動，出口處速度值達(dá)到386 m/s；由于轉(zhuǎn)杯的高速旋轉(zhuǎn)，從纖維輸送通道進(jìn)入轉(zhuǎn)杯的高速氣流，與轉(zhuǎn)杯壁形成強(qiáng)烈的沖擊，形成正、反2個方向(順時針、逆時針)運(yùn)動的氣流，并隨轉(zhuǎn)杯的高速運(yùn)動而在轉(zhuǎn)杯內(nèi)合股。這種由于高速氣流與同樣高速旋轉(zhuǎn)杯壁的沖擊而形成的氣流分股并再次合股的運(yùn)動特征，合理地解釋了轉(zhuǎn)杯成紗表面特有包纏纖維的形成原因。

3)轉(zhuǎn)杯速度增加，氣流速度增大，靜壓減?。粡?fù)合紗線斷裂強(qiáng)力增加，斷裂伸長率降低，條干不勻率增加，毛羽值減小。

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