異性纖維分揀機(jī)輸棉通道入口的數(shù)值模擬分析

姜博藝，孫 戩，2，張守京,2，胡 勝,2

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048;2.西安市現(xiàn)代智能紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

0 引 言

棉花產(chǎn)業(yè)是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資[1]。近年來，隨著我國棉花產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，已經(jīng)形成了從生產(chǎn)到消費(fèi)的完整產(chǎn)業(yè)鏈[2]。但我國棉花質(zhì)量存在纖維短、強(qiáng)度偏低、一致性差、異性纖維纖多等問題[3]，嚴(yán)重影響我國棉紡織品競爭力。而異性纖維分揀機(jī)的出現(xiàn)對于異性纖維的清除有著重要的作用。

異性纖維俗稱“三絲”，是指混入棉花中的非棉纖維與非本色棉纖維[4]。在棉花的采摘、收購、加工過程中會使原棉混入各種異性纖維，比如丙綸絲、布片、繩索、羽毛、絲、麻、人或動物的毛發(fā)等[5]。異性纖維會在紡紗過程中造成紗線斷頭以及影響紗線質(zhì)量，會對棉布表面造成疵點(diǎn)[6]，且異性纖維對布面外觀質(zhì)量的影響已占到所有疵點(diǎn)的第一位[7]。在異性纖維分揀機(jī)推廣使用前，多數(shù)棉紡廠有專門的工作人員在足夠的光照條件下，人工分揀出原棉中的異性纖維[8]，也有使用機(jī)械手分揀異性纖維的方式[9-10]，但效率相對較低且成本高昂。典型異性纖維分揀機(jī)包括矩形輸棉通道、風(fēng)機(jī)、CCD高速彩色攝像機(jī)、噴氣電磁閥、噴管板、廢棉通道等結(jié)構(gòu)[11]。經(jīng)開松后的原棉由風(fēng)機(jī)從矩形通道入口吸入，經(jīng)檢測通道外CCD高速彩色攝像機(jī)拍攝棉流并傳輸給電腦檢測有無異性纖維，當(dāng)檢測到異性纖維后，噴管由電磁閥控制，經(jīng)過時間延遲，等待異性纖維到達(dá)噴氣電磁閥噴嘴口下方時，電磁閥打開，高壓氣體噴出將異性纖維噴入廢棉通道[12]，最后，經(jīng)過分揀的棉花從矩形通道出口進(jìn)入下一機(jī)器。不同的異性纖維分揀機(jī)采用不同的檢測方式：可見光檢測、超聲波檢測[13]、紫外線檢測[14]、紅外線檢測等。

文獻(xiàn)[15-19]對異性纖維識別的算法模型進(jìn)行優(yōu)化，均獲得較高的異性纖維識別率，識別效率能夠達(dá)到90%以上，但異性纖維剔除準(zhǔn)確性只能達(dá)到85%左右，綜合之下，其清除效率只有75%左右。異性纖維分揀機(jī)的軸向通道結(jié)構(gòu)是影響異性纖維剔除準(zhǔn)確性的主要原因。文獻(xiàn)[20-21]采用數(shù)值模擬的方法對異性纖維分揀機(jī)的軸向通道進(jìn)行仿真分析發(fā)現(xiàn)，較大的噴嘴直徑和較大的落棉箱入口寬度有利于消除外來纖維，較小的入口速度有利于檢測截面的速度均勻分布，便于異性纖維的識別和去除。

綜上，大多數(shù)研究都是處在對于異性纖維識別和噴嘴的研究，對異性纖維分揀機(jī)輸棉通道結(jié)構(gòu)影響異性纖維去除效率的研究相對較少。輸棉通道結(jié)構(gòu)影響通道內(nèi)速度分布和棉流厚度，若速度分布不均勻，棉流會出現(xiàn)橫向漂移或棉速波動，造成異性纖維不能準(zhǔn)確到達(dá)噴嘴位置，而噴嘴噴出的高壓氣體將潔凈棉團(tuán)噴入廢棉通道；棉流過厚，則會使混在棉流的異性纖維難以被檢測到，都會使混有異性纖維的棉團(tuán)進(jìn)入下一紡織設(shè)備中，異性纖維的清除率大大降低。Fluent軟件具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能[22]，本文利用Fluent軟件對異性纖維分揀機(jī)輸棉通道和相同長度的直通道以及不同入口段結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，分析其對輸棉通道內(nèi)軸向的影響。

1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)CS808型號異性纖維分揀機(jī)的輸棉通道得到流體域，考慮分析重點(diǎn)為棉流通道入口段，忽略距離較遠(yuǎn)的電磁噴氣閥和廢棉通道部分，其三維模型如圖1(a)所示。除可拆卸的矩形彎曲通道外，輸棉通道均是由矩形直通道組成，因此分析相同長度矩形直通道對了解彎曲通道影響檢測通道內(nèi)的軸向速度分布很有必要。根據(jù)原輸棉通道中心線的長度來確定直通道的長度，為1 616 mm。由于通道在寬度方向上截面完全相同，可以將三維模型簡化為二維模型，能夠大大減少計(jì)算量，在以后的計(jì)算中均采用二維模型，如圖1(b)所示。

(a)三維模型 (b)二維模型圖 1 輸棉通道模型Fig.1 Cotton conveying channel model

通過可拆卸彎曲通道將異性纖維分揀機(jī)與其他設(shè)備連接，是不可或缺的組成部分，因此對不同彎曲通道的入口角度對通道內(nèi)軸向的影響進(jìn)行分析。

當(dāng)通道截面高度越高，通過的棉流厚度越厚，混在棉流中心的異性纖維難以被檢出，則通過降低通道截面高度d來直接減小棉流厚度，提升異性纖維的檢出率。

為減少通道上下兩側(cè)對棉流的影響，使棉流靠近通道中心位置，在棉流入口設(shè)置擴(kuò)散器[23]，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 擴(kuò)散器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of fan diffuser

文獻(xiàn)[23]對擴(kuò)散器的研究中，計(jì)算得到擴(kuò)張角在7°～11°時，通道的水頭損失最小。并經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散器入口長度L1及收縮長度L2為100 mm，擴(kuò)張角a、b均為7°，斷面比n=2.5時效果最好，但沒有考慮擴(kuò)張角a、b不同時的情況。本文對比分析L1、L2、n保持不變，a=b=7°；a=7°，b=11°；a=11°，b=7°；a=b=11°時4種情況輸棉通道內(nèi)軸向速度的情況。

對模型完成建模后，導(dǎo)入ANSYS 18.2中，通過ANSYS 18.2自帶的Mesh網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行邊界層設(shè)置，并完成網(wǎng)格劃分后，在Fluent中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，基于壓力求解，材料為理想空氣，入口速度為8 m/s，出口壓力為0 Pa。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 原輸棉通道

通過分析得到異性纖維分揀機(jī)輸棉通道內(nèi)的壓力云圖和速度云圖，在凸壁部位存在低壓區(qū)域，凹壁部位存在高壓區(qū)，由于壓力差的存在，凸壁部位軸向速度增大，凹壁側(cè)速度減小。當(dāng)軸向速度分布均勻時，軸向沿管道均勻運(yùn)動，當(dāng)流經(jīng)彎曲通道時，軸向速度發(fā)生劇烈變化，對檢測通道速度分布有很大影響。因此，彎曲通道會嚴(yán)重影響棉流穩(wěn)定性，對異性纖維的識別和剔除造成障礙。

為了解彎曲通道對檢測通道內(nèi)的影響，分別對直通道和檢測通道內(nèi)截面高度在10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm位置的通道軸向速度曲線進(jìn)行比較分析，如圖3所示。

(a)直通道

(b)檢測通道圖 3 不同通道軸向內(nèi)速度曲線Fig.3 Axial velocity curve of different channel

從圖3可知，輸棉通道相比于相同長度的直通道在檢測通道0～0.4 m內(nèi)軸向速度有很大地波動。從圖3(a)可知，直通道的中心位置軸向速度沿流動方向0～0.3 m內(nèi)增大，最后穩(wěn)定于8.43 m/s左右，靠近壁面位置由于受邊界層影響，軸向速度減小直至趨于穩(wěn)定。圖3(b)中輸棉檢測通道受到彎曲通道內(nèi)靜壓差的影響，出現(xiàn)較大的軸向速度波動，在靠近凸壁一側(cè)為逆壓梯度，軸向速度減小；在靠近凹壁一側(cè)為順壓梯度，軸向速度增大。一段距離后通道內(nèi)壓力梯度恢復(fù)正常，軸向速度趨向于平穩(wěn)，因此在靠近凸壁一側(cè)軸向速度先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，而凹壁軸向速度趨勢相反。由此可知，彎曲通道的存在使檢測通道內(nèi)軸向速度有較大波動，且延長軸向速度趨于穩(wěn)定的通道長度，是導(dǎo)致軸向速度分布不均勻的重要原因。若使檢測通道處于軸向速度穩(wěn)定段，剔除系統(tǒng)的擊中率將會有所提升。

2.2 入口角度

原入口角度為40°，可通過減小入口角度，使氣流更平穩(wěn)的通過彎曲通道。入口角度α分別為30°、20°時，檢測通道內(nèi)截面高度為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm位置的軸向速度曲線，如圖4所示。

(a) 入口角度為30°

(b)入口角度為20°圖 4 不同入口角度軸向速度曲線Fig.4 Axial velocity curve of different inlet angles

從圖4可知，彎曲通道內(nèi)的低壓區(qū)域和高壓區(qū)域面積隨入口角度α的減小而減小，相應(yīng)的對于檢測通道內(nèi)的影響也減小，尤其在檢測通道0.1～0.3 m內(nèi)的軸向速度波動有顯著減小，且靠近中心位置軸向速度在0.15 m位置基本趨于穩(wěn)定，相比原輸棉通道提前了0.25 m。如圖4(a)中入口角度為20°時，軸向速度更加平穩(wěn)，但在設(shè)備安裝上會增大異性纖維分揀機(jī)的體積，成本也隨之增加。因此，選擇入口角度為30°既能減小軸向速度波動，使軸向速度更快地趨于平穩(wěn)，也能有效的節(jié)省成本。

2.3 通道截面高度

原通道截面高度為80 mm,當(dāng)通道截面高度d為70 mm時，在檢測通道截面高度為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm位置的軸向速度曲線如圖5(a)所示，當(dāng)通道截面高度d為60 mm時，在檢測通道截面高度為10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm位置的軸向速度曲線如圖5(b)所示。

(a)通道截面高度為70 mm

(b)通道截面高度為60 mm圖 5 不同通道截面高度軸向速度曲線Fig.5 Axial velocity curve of different channel section heights

隨著通道截面高度d減小，彎曲通道內(nèi)的整體壓力和速度均增大，因此通道內(nèi)湍流強(qiáng)度也增大，軸向穩(wěn)定性降低。從圖5(a)可知，通道截面高度為70 mm時軸向速度在0.5 m處穩(wěn)定于8.5 m/s，相較于原通道延長了0.1 m；從圖5(b)可知，通道高度為60 mm時，檢測通道內(nèi)軸向速度趨向于8.6 m/s左右，穩(wěn)定性不高，中心位置軸向速度有下降的趨勢。降低通道高度對于減小檢測通道0.05～0.3 m內(nèi)的軸向速度波動也有一定效果，但會延長速度的穩(wěn)定距離，且通道截面高度為60 mm時，中心位置的軸向速度不能很好的穩(wěn)定，相比之下通道截面高度為70 mm時效果更好。

2.4 擴(kuò)散器

對于不同擴(kuò)張角的擴(kuò)散器，檢測通道內(nèi)截面高度在10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm、60 mm、70 mm位置的軸向速度曲線如圖6所示。

(a)a=b=7°

(b)a=7°，b=11°

(c)a=11°，b=7°

(d)a=b=11°圖 6 不同參數(shù)擴(kuò)散器軸向速度曲線Fig.6 Axial velocity curve of diffuser with different parameters

從圖6可知，安裝擴(kuò)散器后，由于其結(jié)構(gòu)特征，當(dāng)管道收縮時，壓力減小，軸向速度增大；當(dāng)管道擴(kuò)張時，壓力增大，軸向速度減小，且軸向?qū)⒉辉倬o貼壁面，與壁面發(fā)生分離。因此軸向速度在靠近中心位置顯著增大，出現(xiàn)明顯分層，可使棉流靠近通道中心位置，從而減小棉流厚度，便于對混在棉流中的異性纖維進(jìn)行檢測。其中，擴(kuò)張角b的大小影響檢測通道內(nèi)軸向速度分布。由圖6(a)、圖6(c)可知，當(dāng)b=7°時，通道中心位置軸向速度都能夠很好地穩(wěn)定在9 m/s左右，a=7°時，檢測通道0～0.2 m內(nèi)通道中心的軸向速度比a=11°時大，靠近壁面的軸向速度卻比a=11°時小，因此a=11°時比a=7°時通道內(nèi)整體軸向速度較為平穩(wěn)，且擴(kuò)散器的長度更短；由圖6可知，當(dāng)b=11°時，相對于b=7°時使檢測通道0～0.2 m內(nèi)凸壁一側(cè)軸向速度增大，凹壁一側(cè)軸向速度減小，0.2 m之后凹壁一側(cè)軸向速度高于凸壁一側(cè)軸向速度，將導(dǎo)致棉流整體靠近凹壁一側(cè)。綜合對比，當(dāng)擴(kuò)散器a=11°，b=7°時，整體效果更好。

3 結(jié) 論

1) 對異性纖維分揀機(jī)輸棉通道與直通道的分析中發(fā)現(xiàn)，彎曲通道位置存在靜壓差，是導(dǎo)致通道內(nèi)軸向速度不穩(wěn)定的重要原因，且延長速度趨于穩(wěn)定的通道長度；若使檢測通道處于速度穩(wěn)定段，則處于通道中心部位的軸向速度能夠穩(wěn)定在8.45 m/s，此時剔除系統(tǒng)的擊中率將會有所提升。

2) 當(dāng)異性纖維分揀機(jī)的入口角度α減小，通道低壓區(qū)域和高壓區(qū)域所占通道面積逐漸減小，檢測通道0.1～0.3 m內(nèi)的軸向速度波動顯著減小，且在0.15 m位置速度基本趨于穩(wěn)定，比原輸棉通道提前0.25 m。相比入口角度為20°時，入口角度為30°能在減小速度波動的基礎(chǔ)上，有效的節(jié)省成本。

3) 通過降低通道截面高度，能夠直接減小棉流厚度，彎曲通道內(nèi)的整體壓力和速度均增大；其對于減小通道0.1～0.3 m內(nèi)的軸向速度波動也有一定效果，但不顯著，且會延長軸向速度趨于穩(wěn)定的通道長度；當(dāng)通道截面高度為60 mm時，中心位置的軸向速度不能很好地趨于穩(wěn)定，相比之下通道截面高度為70 mm效果更好。

4)在棉流入口設(shè)置擴(kuò)散器可使棉流更加靠近通道中間位置，減小通道的上下壁面對棉流的影響。對不同參數(shù)擴(kuò)散器分析發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)張角b的大小對通道內(nèi)的速度分布起到重要作用；且當(dāng)a=11°，b=7°時，相較于文獻(xiàn)[17]中擴(kuò)張角取a=b的情況，擴(kuò)散器對檢測通道內(nèi)棉流起到的效果更好。

在后續(xù)的研究中會針對軸向穩(wěn)定問題進(jìn)一步研究，并以仿真分析的結(jié)果為指導(dǎo)，開展實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步優(yōu)化異性纖維分揀機(jī)輸棉通道軸向特性，以提升異性纖維的剔除率。