轉杯紡旁路通道設計對成紗質(zhì)量的影響

林惠婷，高 備，張玉澤，史倩倩，汪 軍

(1.泉州師范學院 紡織與服裝學院, 福建 泉州 362000；2.東華大學 紡織學院, 上海 201620)

轉杯紡紗的實質(zhì)是將纖維須條分解為單纖維流，單纖維又凝聚成須條的一系列運動過程[1]。纖維條子經(jīng)喂給羅拉喂入，由分梳輥梳理形成單纖維，單纖維依靠負壓氣流，從輸纖通道轉移至轉杯凝聚槽形成凝聚須條，凝聚須條不斷被加捻和剝?nèi)?，最后?jīng)引紗管引出，并由卷繞羅拉卷繞成筒子。在整個過程中，單纖維的形態(tài)是在不斷發(fā)生變化的。經(jīng)過分梳輥梳理的伸直纖維可能因碰到紡紗通道壁面、受到通道內(nèi)氣流的影響以及成紗加捻方式的影響而發(fā)生形態(tài)改變，使得轉杯紗中的彎鉤、包纏狀等纖維所占比例較大，導致其成紗強度相對較低。

如果能提高轉杯紗中纖維的平行伸直度，將能改善轉杯紗的力學性能。改善紡紗通道尤其是輸纖通道及纖維剝?nèi)^(qū)的氣流流動狀態(tài)，是提高纖維伸直度的有效途徑。輸纖通道的幾何結構是影響其內(nèi)氣流流動狀態(tài)的主要因素。文獻[2-3]通過理論推導和實驗的方法對輸纖通道的入口形狀進行了研究認為，方形輸纖通道入口比圓形入口更有利于改善纖維形態(tài)。張禮會等[4]也提出了輸纖通道的幾個設計原則。Kong等[5]通過建立輸纖通道的二維數(shù)值模型，研究了輸纖通道形狀對其內(nèi)部氣流流動的影響。由于輸纖通道與分梳輥的特殊連接結構，使得輸纖通道入口處易產(chǎn)生氣流漩渦[5-6]。Kong等[7-8]通過模擬單纖維在輸纖通道內(nèi)的運動發(fā)現(xiàn)，該氣流漩渦會造成纖維彎曲。而在作者之前的研究中發(fā)現(xiàn)[6]，減小輸纖通道入口面積能有效地減小氣流漩渦，但不能完全讓其消除。

通過在輸纖通道一側設計旁路通道以增大輸纖通道內(nèi)的氣流量，從而提高其內(nèi)的氣流速度，消除氣流漩渦。本文通過對設計有該旁路通道的轉杯紡紗器進行數(shù)值模擬分析、紡紗試驗以及纖維形態(tài)測試，研究旁路通道對輸纖通道氣流流動狀態(tài)及成紗性能的影響，為輸纖通道的優(yōu)化設計提供指導。

1 旁路通道設計思路

輸纖通道內(nèi)的氣流流動特征對纖維形態(tài)有著重要的影響，而其氣流場分布主要由輸纖通道幾何結構決定的。張禮會等[4]曾提出輸纖通道的幾個設計原則，其中包括：提高輸纖通道入口氣流速度；減小輸纖通道剝離區(qū)空間，以便于減弱該區(qū)域的氣流漩渦。事實上，減小輸纖通道入口面積即減小了輸纖通道剝離區(qū)空間，能有效地提高輸纖通道入口的氣流速度并減小氣流漩渦，卻不能完全使其消除。

若增加與分梳輥同向流動的氣流量，輸纖通道入口的氣流速度將增大，有助于消除氣流漩渦。因此，在輸纖通道長軸一側的反向延長線上設置一個旁路通道，如圖1所示。旁路通道的入口與外界大氣相連通，紡紗時，由于轉杯與外界大氣的壓差作用，外界大氣將從旁路通道入口補入，增加輸纖通道的氣流量。

圖1 旁路通道示意圖Fig.1 Schematic diagram of bypass channel

2 流場數(shù)值解析

2.1 流場數(shù)值模型建立

所建立的轉杯紡紗器幾何計算模型及其邊界條件設置如圖2所示。其中，轉杯直徑為36 mm，轉杯出口高度為1 mm，引紗出口直徑為2 mm，分梳輥內(nèi)外徑分別為61、65 mm，分梳輥高度為24 mm，排雜通道出口截面積為20 mm×24 mm；旁路通道入口截面積為6 mm×16 mm。

圖2 幾何計算模型及邊界條件Fig.2 Geometric model and boundary conditions

邊界條件設置。入口邊界：排雜通道、引紗通道以及旁路通道均為補氣入口，入口靜壓值為標準大氣壓。出口邊界：轉杯出口，壓力值為-7 000 Pa。固體邊界：所有的固體壁面均采用無滑移邊界條件。此外，轉杯壁面和分梳輥壁面為旋轉壁面，轉速分別為100 000 、6 000 r/min。

采用穩(wěn)態(tài)、隱式求解器、RNGk-e湍流模型及壁面函數(shù)法對氣流場進行計算，采用二階迎風格式離散對流項，最終采用SIMPLE算法對流場進行求解。

2.2 數(shù)值計算結果分析

圖3示出輸纖通道入口附近不同y截面的氣流流線圖。可知，各y截面處的氣流流線均是平滑的直線型分布，在傳統(tǒng)輸纖通道入口出現(xiàn)的氣流漩渦被消除了，從而更有利于纖維運動。

圖3 輸纖通道不同截面氣流流線圖Fig.3 Velocity streamlines of different transport channel sections

圖中還表明，輸纖通道入口截面處的氣流速度分布更為均勻，氣流速度在輸纖通道中心要比壁面附近的略高，但是差異并不是太大。從整體上看，速度主要分布在15～35 m/s。在此次算例中，分梳輥轉速為6 000 r/min，即分梳輥的圓周速度約為19.16 m/s，被分梳輥所握持的纖維的速度與分梳輥的圓周速度相同。定義剝離牽伸倍數(shù)為分梳輥表面氣流速度與分梳輥圓周速度之比。據(jù)研究[9]，為良好地進行纖維剝?nèi)。瑒冸x牽伸倍數(shù)應大于1.5，剝離牽伸倍數(shù)越大，輸纖通道中纖維運動形態(tài)越好，成紗強度也就越大。圖4示出的纖維剝?nèi)^(qū)的氣流速度分布云圖?？煽闯?，該區(qū)域的氣流速度高達30 m/s，其剝離牽伸倍數(shù)為1.57，傳統(tǒng)輸纖通道的纖維剝?nèi)^(qū)剝離牽伸倍數(shù)則不高于1.15。由圖4還可看出，在z=-10 mm和z=-2 mm截面中，傳統(tǒng)輸纖通道的氣流速度沿著輸纖通道出口方向先減小后增大，改進后的氣流速度則是沿著出口方向逐漸增大。由于纖維從分梳輥鋸齒脫離并進入氣流場后，其運動基本上只受到氣流的控制，因此輸纖通道內(nèi)持續(xù)增大的氣流速度有助于纖維得到連續(xù)的加速，從而提高纖維的平行伸直度，減少彎鉤和不規(guī)則的纖維。

注：單位為m/s。圖4 傳統(tǒng)與改進轉杯紡紗器的纖維剝?nèi)^(qū)不同截面處的速度分布云圖Fig.4 Velocity contours of different fiber separation sections in conventional and modified rotor spinning units

3 試驗測試

本文以傳統(tǒng)和設置有旁路通道的轉杯紡紗器進行紡紗試驗和纖維形態(tài)測試，并采用T檢驗法對紡紗測試結果進行分析。

3.1 紡紗試驗

采用2種紡紗器分別紡制34 tex棉紗、42 tex棉紗、34 tex粘膠紗和34 tex棉/粘膠(50/50)混紡紗，共4組8管紗線。具體紡紗參數(shù)如表1所示。

表1 紡紗參數(shù)Tab.1 Spinning parameters

試驗所測試的紗線性能指標包括斷裂強度、條干不勻率、粗細節(jié)和 ≥ 3 mm毛羽指數(shù)等。測試前，先將試樣置于恒溫恒濕室(溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%)進行調(diào)濕24 h至平衡狀態(tài)。紗線力學性能測試在YG061型電子單紗強力機上進行，每次測試30次，測試時采用等速伸長(CRE)的方式，拉伸速度為500 mm/min，隔距為(500 ±2 )mm。采用長嶺CT3 000條干不勻測試儀測試成紗條干，測試速度為200 m/min。每個試樣測試10個樣本，每次測試100 m，即每個試樣共測試1 000 m。毛羽指數(shù)測試采用YG172 A毛羽測試儀進行，測試速度為30 m/min。每個試樣測試10個樣本，每次測試10 m，即每個試樣共測試100 m。以上所有的測試均在恒溫恒濕條件下進行。

3.2 纖維形態(tài)測試

在轉杯紡紗不同階段，纖維所呈現(xiàn)出來的形態(tài)各不相同，纖維形態(tài)的分類方法也是多種多樣[10]。本文采用文獻[11]所提出來的關于纖維形態(tài)的分類，如圖5所示。

圖5 纖維的形態(tài)分類Fig.5 Classification of fiber configuration

由于獲取纖維在輸纖通道中的運動形態(tài)比較困難，本文通過獲取纖維在轉杯凝聚槽中的形態(tài)分布來進行對比驗證。

采用示蹤纖維法獲取纖維的形態(tài)圖像，以粘膠纖維為試驗原料，試驗前先對粘膠纖維進行染色。首先從白色粘膠條子中取一小撮纖維，用直接染色法將這部分纖維染成深藍色，隨后在85 ℃的溫度下烘烤5 h以確保纖維上色和干燥。為使染色纖維在條子中均勻分布，將染色纖維與條子同時在并條機中并和，最終條子的定量為1 437 tex。

試驗時，將混有示蹤纖維(染色纖維)的條子從喂給羅拉喂入，約6 s后停止運行機器，此時在轉杯凝聚槽中會形成帶有示蹤纖維的纖維環(huán)。待轉杯完全停止運行后，采用鑷子小心地將纖維環(huán)夾出來。用剪刀打開纖維環(huán)，并將其平鋪放置在Canon Scan 9000F Mark II掃描儀上進行掃描，掃描的分辨率為1 200像素，得到的圖片為.JPG格式。由于纖維環(huán)非常細，每個纖維環(huán)至多含有 1根示蹤纖維。掃描后得到的纖維圖像如圖6所示。分別采用2種紡紗系統(tǒng)進行示蹤纖維圖像收集，每種紡紗器收集不少于100根示蹤纖維圖像。最后按照圖5對所獲取的纖維的形態(tài)進行歸類。

圖6 纖維掃描圖像及經(jīng)過MatLab處理的圖像Fig.6 Fiber images obtained by scanning and after processing in MatLab.(a)After scanning；(b)MatLab treated

4 試驗結果分析

4.1 成紗性能對比分析

在Minitab 17.0中對成紗性能的所有測試結果采用T檢驗方差分析法進行顯著性檢驗，顯著性水平a=0.05。

4.1.1斷裂強度對比

表2示出采用傳統(tǒng)和改進的紡紗器所紡紗線的斷裂強度的均值對比。改進的紡紗器所紡的34 tex棉紗、42 tex棉紗、34 tex粘膠紗和34 tex棉/粘膠(50/50)混紡紗的斷裂強度分別為15.59、15.04、8.67、10.61 cN/tex，相比于傳統(tǒng)轉杯紗，分別增長了12.97%、10.43%、8.51%、7.61%。

表2 成紗斷裂強度對比

進一步對這4組紗線的斷裂強度進行T檢驗分析，結果見表3。由表可以看出，4組紗線斷裂強度的T檢驗P值均小于顯著性水平0.05，因此，輸纖通道中旁路通道的設計對轉杯紗的斷裂強度是有顯著性影響的。究其原因，從旁路通道補入輸纖通道內(nèi)的氣流消除了原本產(chǎn)生于輸纖通道入口處的漩渦，纖維通過輸纖通道時，不再受到漩渦的不良影響而產(chǎn)生彎鉤等不良形態(tài)，從而提高了纖維的平行伸直度。此外，補入氣流增大了纖維剝?nèi)^(qū)的氣流速度，提高了剝離牽伸倍數(shù)，使得纖維更易被剝離。因此纖維在成紗中的排列形態(tài)更加良好，成紗斷裂強度得以提高。

表3 不同紗線的斷裂強度T檢驗方差分析Tab.3 Analysis on variance of yarn tenacity of different yarns cN/tex

4.1.2條干不勻對比

選取紗線條干不勻率CVm(%)、細節(jié)(-50%)、粗節(jié)(+50%)和棉結(+280%)等4個指標進行檢驗分析，結果如表4～7所示。

表4 成紗CV值對比Tab.4 Comparison of yarn CV %

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

表5 成紗細節(jié)(-50%)對比Tab.5 Comparison of yarn thin places (-50%) 個/km

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

表6 成紗粗節(jié)(+50%)對比Tab.6 Comparison of yarn thick places (+50%) 個/km

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

表7 成紗棉節(jié)(+280%)對比Tab.7 Comparison of yarn neps (+280%) 個/km

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

為簡化，略去方差分析檢驗表，每組紗線相應性能指標的方差分析結果在表中用A和B表示，AA表示2組均值沒有顯著性差異，AB表示2組均值有顯著性差異。由表可看出，改進的轉杯紡紗器對于34 tex棉紗的CVm(%)、細節(jié)(-50%)、粗節(jié)(+50%)和棉結(+280%)是有顯著性提高的。對其他3組紗線的CVm(%)、細節(jié)(-50%)、粗節(jié)(+ 50%)和棉結(+280%)則沒有顯著性影響。從總體上看，改進的轉杯紡紗器對紗線條干的影響受紗線類別的限制而有所不同。

4.1.3毛羽指數(shù)對比

毛羽對成紗的性能、質(zhì)量和后工序加工都有很大影響。試驗選取≥3 mm的紗線毛羽指數(shù)進行評價。毛羽指數(shù)測試及其檢驗結果如表8所示。T檢驗分析表被省略，顯著性檢驗結果在表8中注明。由表中可以得出，改進的轉杯紡紗器對棉紗的毛羽沒有顯著性影響，但是對34 tex的粘膠紗和棉/粘膠混紡紗的毛羽卻有顯著性影響，這2種紗線的毛羽指數(shù)均顯著性降低。

表8 毛羽指數(shù)對比Tab.8 Comparison of yarn hairiness

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

4.2 纖維形態(tài)對比

表9示出2種不同紡紗器的轉杯凝聚槽中不同形態(tài)纖維的比例分布。可知，在改進的轉杯紡紗器中，后彎鉤纖維和前彎鉤纖維所占的比例分別為5.20%和8.09%，在傳統(tǒng)轉杯紡紗器中，這2者的比例分別為8.96%和15.67%，即改進的轉杯紡紗器使得后彎鉤和前彎鉤纖維的比例分別下降了41.96%和48.37%。成圈、對折和完全不規(guī)則纖維的比例變化不大。在傳統(tǒng)轉杯紡紗器中，近似伸直的纖維所占的比例為43.28%，改進后，該比例提升了將近25.55%，為54.34%。從以上分析可以看出，近似伸直纖維的增多主要在于前、后彎鉤纖維的減少。

表9 不同形態(tài)的纖維所占比例Tab.9 Percentages of different fiber configurations %

纖維形態(tài)分布在2種紡紗器中出現(xiàn)差異的主要原因可能是：1)旁路通道補氣，增大了輸纖通道內(nèi)的氣流量，同時也消除了輸纖通道入口的漩渦，降低了纖維受漩渦影響而出現(xiàn)彎鉤、打折的風險；2)纖維剝?nèi)^(qū)氣流速度的增大，提高了剝離牽伸倍數(shù)，使得輸纖通道中纖維運動的形態(tài)更加良好；3)輸纖通道入口處的氣流速度分布更加均勻，從而使得纖維能在輸纖通道中得到持續(xù)加速，使彎鉤纖維更容易被伸直。因此，在改進后的輸纖通道中，彎鉤纖維的數(shù)量降低了。而對于打圈、對折和完全不規(guī)則的纖維而言，這幾類纖維的伸直度都是比較低，較難以伸直，即使增大氣流牽伸力度也很難伸直這幾類纖維，因此在2種紡紗器中，這幾類纖維所占的比例幾乎不變。

5 結 論

本文通過對設置有旁路通道的輸纖通道進行三維氣流場數(shù)值模擬分析、紡紗試驗和纖維形態(tài)測試分析，研究了旁路通道對氣流場分布和轉杯成紗性能的改善情況，得到如下結論。

1)通過在輸纖通道長軸一側的反向延長線上設置一個旁路通道，該旁路通道可消除輸纖通道入口處的氣流漩渦，氣流速度沿著輸纖通道出口方向逐漸增大，使纖維運動得到持續(xù)加速。此外，還提高了纖維剝?nèi)^(qū)的氣流速度，使纖維剝離牽伸倍數(shù)由原來的不高于1.15增加到了1.57，這對改善纖維伸直度是有利的。

2)改進的轉杯紡紗器可有效地提高成紗斷裂強度，但是對成紗條干不勻和毛羽指數(shù)的影響則根據(jù)紗線類別的不同而有所不同。在改進的轉杯紡紗器中，前彎鉤纖維和后彎鉤纖維所占比例均有一定程度的降低，說明消除氣流漩渦和提高纖維剝?nèi)^(qū)速度有助于這2類纖維的伸直，但對伸直度較低的成圈、對折和完全不規(guī)則纖維的伸直作用不大。

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