集聚導(dǎo)流裝置對(duì)成紗質(zhì)量的影響研究

YONIS HASSAN SATY Malik 林惠婷 汪 軍

（1.東華大學(xué)，上海，201620；2.泉州師范學(xué)院，福建泉州，362000）

隨著我國(guó)紡紗技術(shù)的不斷提升與創(chuàng)新，所紡制紗線的質(zhì)量越來(lái)越好，人們對(duì)紗線品質(zhì)的要求逐漸提高，表現(xiàn)在對(duì)紗線的強(qiáng)力、毛羽、條干、疵點(diǎn)等方面有較高的要求。在傳統(tǒng)環(huán)錠紡紗機(jī)上加裝集聚紡裝置，將已牽伸達(dá)到成紗線密度要求的須條“先集聚，后加捻”，使集聚區(qū)中的須條截面從扁平狀變?yōu)榻茍A形以減小加捻三角區(qū)，從而減少成紗毛羽，提高成紗條干均勻度和強(qiáng)伸性能。該紡紗方式被稱為集聚紡紗技術(shù)，目前已在行業(yè)廣泛應(yīng)用［1-4］。

現(xiàn)有的集聚紡紗系統(tǒng)主要有機(jī)械集聚型和負(fù)壓氣流集聚型兩種，其中，負(fù)壓氣流集聚型是當(dāng)前主流的集聚紡紗技術(shù)。楊興等［5］認(rèn)為網(wǎng)格圈負(fù)壓集聚紡較適合在國(guó)內(nèi)發(fā)展，紡制紗線的條干均勻度較好。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)［6-8］，在網(wǎng)格圈負(fù)壓集聚紡紗系統(tǒng)中，網(wǎng)格圈目數(shù)、集聚負(fù)壓、集聚槽形狀等參數(shù)對(duì)集聚紗質(zhì)量均有較大影響。其中，集聚負(fù)壓還關(guān)系到紡紗能耗的問(wèn)題。

針對(duì)集聚紡紗負(fù)壓能耗較大的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了3 種工況，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)普通集聚裝置和集聚導(dǎo)流裝置的氣流場(chǎng)進(jìn)行分析，并采用試驗(yàn)手段對(duì)比分析了兩種集聚裝置所紡的集聚紗性能。

1 集聚導(dǎo)流裝置的流場(chǎng)數(shù)值解析

集聚區(qū)氣流對(duì)纖維須條起到吸附和加捻兩方面的作用。吸附作用是將纖維須條吸附在網(wǎng)格圈上，以便于集聚；加捻作用則是使自由端纖維圍繞主體纖維包纏。目前，集聚紡系統(tǒng)使用一個(gè)負(fù)壓源同時(shí)兼顧這兩個(gè)作用，負(fù)壓能耗在2 000 Pa～3 000 Pa。若在集聚區(qū)采用導(dǎo)流裝置，將氣流的吸附與加捻作用分開(kāi)實(shí)施，在保證成紗質(zhì)量的情況下降低負(fù)壓，可達(dá)到降耗的目的。

1.1 幾何模型

本研究所采用的集聚導(dǎo)流裝置及其尺寸如圖1 所示。該導(dǎo)流裝置是在網(wǎng)格圈上方的集聚區(qū)域內(nèi)增加一個(gè)套件，如圖2 所示，使氣流從導(dǎo)流裝置底下兩側(cè)進(jìn)入集聚空間，并在導(dǎo)流裝置一側(cè)開(kāi)一個(gè)斜向下的槽，頂面開(kāi)兩個(gè)孔，從上方補(bǔ)入空氣，從而將集聚槽上方全開(kāi)放式氣流場(chǎng)轉(zhuǎn)換為半封閉式氣流場(chǎng)。

圖1 導(dǎo)流部件及其尺寸

圖2 計(jì)算區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)與邊界條件

1.2 系統(tǒng)描述

假設(shè)集聚區(qū)的氣流場(chǎng)為不可壓縮、黏性的湍流流動(dòng)，氣流場(chǎng)中的氣流基本不發(fā)生能量交換，可認(rèn)定氣流場(chǎng)中的溫度分布是均勻恒定的，因此滿足質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒定律。

流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型及壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，用SIMPLEC 算法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解。

1.3 邊界條件

邊界條件的設(shè)置如圖2（a）所示，具體包括如下。

（1）進(jìn)口邊界：外界空氣從前膠輥和輸出膠輥之間空隙區(qū)域的左右兩側(cè)面和上下頂面流入集聚區(qū)，4 個(gè)面均設(shè)置為進(jìn)口邊界。在導(dǎo)流裝置中，導(dǎo)流部件上方兩個(gè)孔、側(cè)方的斜槽入口均設(shè)為進(jìn)口邊界，所有進(jìn)口邊界均為大氣壓，其靜壓值為1.013 25×105Pa。

（2）出口邊界：將集聚管與離心風(fēng)機(jī)相連接的面設(shè)為壓力出口邊界，靜壓值即為集聚負(fù)壓。

（3）多孔躍升邊界條件：將集聚槽表面被網(wǎng)格圈所包覆的平面設(shè)置為多孔躍升邊界，滲透率設(shè)置為1×10-7，多孔平面厚度設(shè)置為0.09 mm。

（4）固體邊界：計(jì)算區(qū)域的其他各個(gè)面為固體壁面，遵循無(wú)滑移邊界條件。

1.4 工況設(shè)計(jì)

根據(jù)以上所建立的計(jì)算模型，分別對(duì)以下3種工況進(jìn)行模擬分析，即工況A：普通集聚裝置，出口負(fù)壓為2 000 Pa；工況B：普通集聚裝置，出口負(fù)壓為1 000 Pa；工況C：集聚導(dǎo)流裝置，出口負(fù)壓為1 000 Pa。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

得到集聚區(qū)三維氣流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖4 集聚區(qū)X-Z 截面的速度矢量圖

圖3 為X-Z 截面（即Y=0 mm，集聚槽中心）的速度云圖。從圖中可以看出，不管是在哪種工況下，集聚槽上方的氣流速度均比較低，在集聚槽附近的氣流速度迅速增大，在集聚管內(nèi)氣流速度又降低。

圖3 集聚區(qū)X-Z 截面的速度云圖

此外，在工況A 中（即出口負(fù)壓為2 000 Pa 時(shí)）集聚槽處的氣流總速度最高。但是，當(dāng)負(fù)壓相同時(shí)（均為1 000 Pa），使用集聚導(dǎo)流裝置的氣流速度要比普通集聚裝置高。

圖4為3 種工況下集聚槽的氣流速度矢量圖。由圖4 可看出，外界大氣從前膠輥和輸出膠輥之間的空隙區(qū)域沿著集聚槽上方以遞增的速度向集聚管內(nèi)流動(dòng)，繼而從集聚管與負(fù)壓吸風(fēng)系統(tǒng)相連接的側(cè)面流出。從集聚槽上方流向集聚槽內(nèi)的加速氣流可以使集聚區(qū)內(nèi)的纖維須條受到氣流的作用力，從而使得纖維須條緊緊貼附在集聚槽的網(wǎng)格圈上，達(dá)到集聚的效果。圖4 中顯示，氣流速度比較密集的流線分布于集聚槽及其前后區(qū)域，其他區(qū)域則逐漸減小。出口負(fù)壓越高（工況A），集聚槽的集聚力度越大；當(dāng)出口負(fù)壓相同時(shí)（工況B 和工況C），集聚導(dǎo)流裝置的流線分布比普通的流線分布更為密集，更有利于纖維的集聚。

集聚槽上的纖維須條受3 個(gè)方向力的共同作用實(shí)現(xiàn)集聚：一是Y軸方向上的橫向集聚力，在這個(gè)力的作用下，纖維束的寬度減小，紡紗三角區(qū)減?。欢荴軸方向的牽伸力，向前牽引纖維須條；三是Z軸方向上的集聚力，使纖維束緊貼在網(wǎng)格圈表面，保持纖維束結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以提高纖維凝聚效果。其中，X軸方向的牽伸力主要受牽伸羅拉速度以及加壓壓力等因素的影響，與氣流關(guān)系不大。氣流主要對(duì)Y軸和Z軸方向的集聚力產(chǎn)生影響。

截取沿著集聚槽寬度方向（X=3 mm，Z=1.2 mm）處的截面，圖5 和圖6 分別顯示了這3 種工況下，在該截面處的Y軸方向的氣流速度和Z軸方向的氣流速度的分布規(guī)律。圖5 顯示，集聚槽中Y軸方向的氣流速度在其寬度方向上的變化較大，在3 種工況下，纖維束左側(cè)的流速為正，而右側(cè)的流速為負(fù)，這表明氣流是沿著集聚槽寬度方向從左右兩側(cè)流入集聚槽中心，因此對(duì)纖維產(chǎn)生凝聚效果。越靠近集聚槽中心，氣流速度越小，在集聚槽中心線處幾乎為零。

對(duì)比這3 種工況，當(dāng)出口負(fù)壓較大時(shí)（即工況A），集聚槽兩側(cè)氣流最大速度相比于另外兩種工況都要大，而對(duì)比工況B 和工況C，可發(fā)現(xiàn)工況C的氣流最大速度大于工況B，這說(shuō)明集聚導(dǎo)流裝置可增大集聚槽側(cè)面氣流，從而增強(qiáng)對(duì)纖維須條的橫向集聚。圖6 顯示，Z軸方向的氣流速度在集聚槽中心一段范圍內(nèi)（-0.5 mm～0.5 mm）較大，而靠近集聚槽兩側(cè)氣流速度減小。出口負(fù)壓越大，氣流Z速度越大。圖5 和圖6 顯示，位于集聚槽中心的纖維須條主要受到向下氣流的擠壓作用，而位于集聚槽兩側(cè)邊緣的纖維須條主要受到來(lái)自水平方向氣流的作用；這兩方面的作用使得纖維須條可能從扁平狀收縮為圓形，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維須條的凝聚，其中導(dǎo)流部件主要起到增大水平方向氣流力的作用。

圖5 Y 軸方向上的氣流速度分布

圖6 Z 軸方向上的氣流速度分布

3 試驗(yàn)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方案

采用配置有三羅拉網(wǎng)格圈負(fù)壓式集聚裝置的DHU X01 型多功能數(shù)字細(xì)紗機(jī)進(jìn)行紡紗試驗(yàn)。以棉為原料，紡制29.2 tex、19.6 tex、14.6 tex 共3種線密度紗線，粗紗定量6 g/10 m，錠速10 000 r/min，捻向Z 捻，集聚導(dǎo)流裝置的集聚負(fù)壓1 000 Pa，普通集聚裝置的集聚負(fù)壓1 000 Pa 和2 000 Pa。

3.2 結(jié)果分析

采用XL-1A 型全自動(dòng)單紗強(qiáng)力儀、YG172A型紗線毛羽測(cè)試儀、CT3000 型條干均勻度測(cè)試分析儀等分別測(cè)試紗線的各性能指標(biāo)，結(jié)果如圖7～圖9 所示。

由圖7 可以看出，不管是哪一種線密度紗線，對(duì)于普通集聚裝置，增大出口負(fù)壓均可減少成紗毛羽。這可能是由于負(fù)壓增大，集聚區(qū)氣流的總速度增加，集聚效果更好。相比而言，集聚導(dǎo)流裝置的成紗毛羽比普通集聚裝置的兩種工況都要低，這是由于集聚導(dǎo)流裝置底部?jī)蓚?cè)的氣流對(duì)纖維須條的橫向凝聚增大，減小了纖維寬度，有利于消除毛羽。圖8 顯示，在3 種工況下，3 種線密度紗線的斷裂強(qiáng)力相差不大，但總體上，集聚導(dǎo)流紗的斷裂強(qiáng)力要略高一點(diǎn)，這可能是由于橫向氣流增大纖維須條的凝聚，使紗線變得更緊湊。圖9所示，3 種工況下的3 種線密度紗的條干均勻度是比較接近的。

圖7 集聚導(dǎo)流紗和普通集聚紗3 mm 毛羽數(shù)對(duì)比

圖8 集聚導(dǎo)流紗和普通集聚紗斷裂強(qiáng)力對(duì)比

圖9 集聚導(dǎo)流紗和普通集聚紗斷裂條干CV 對(duì)比

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，采用集聚導(dǎo)流裝置對(duì)降低成紗毛羽有較好的效果，其成紗的斷裂強(qiáng)力和條干均勻度與普通集聚紗幾乎一致。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)普通集聚裝置和集聚導(dǎo)流裝置的氣流場(chǎng)及成紗質(zhì)量進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論。

（1）出口負(fù)壓越大，集聚區(qū)氣流速度越大；出口負(fù)壓一樣時(shí)，集聚導(dǎo)流裝置的Y軸方向的氣流速度高于普通集聚裝置，而Z軸方向氣流速度則相差不大，這表明導(dǎo)流裝置可增大集聚槽對(duì)纖維須條的橫向集聚。

（2）增大出口負(fù)壓可減少成紗毛羽，集聚導(dǎo)流紗的毛羽比普通集聚紗低，但在3 種工況下，集聚紗的斷裂強(qiáng)力和條干CV相差不大，說(shuō)明集聚導(dǎo)流裝置能在較低能耗下可保證所紡集聚紗的品質(zhì)。