段彩紗雙通道集聚紡吸風槽形狀的優(yōu)選

楊巖巖 郭明瑞 高衛(wèi)東

（江南大學，江蘇無錫，214122）

段彩紗作為一類特殊的花式紗線，多采用經(jīng)過技術(shù)改造的環(huán)錠細紗機紡制，紗線在長度上可以實現(xiàn)色彩的交替變化，彩色片段長度及分布的任意組合[1］，其獨特的風格和色彩變化的可設計性，使服裝面料具有鮮明的外觀效果和豐富的色彩，能滿足人們對個性和時尚的追求，產(chǎn)品附加值較高[2］。目前，雙通道環(huán)錠紡技術(shù)在花式紗產(chǎn)品開發(fā)上具有較大優(yōu)勢[3］。現(xiàn)有雙通道環(huán)錠紡技術(shù)主要包括雙通道后羅拉型、雙通道長短膠圈型和雙通道單牽伸區(qū)型[4］。由于雙通道集聚紡有兩個并行的牽伸區(qū)，在紡制兩組分段彩紗時，現(xiàn)有集聚紡的單斜槽將限制纖維須條的集聚，不能穩(wěn)定成紗，而賽絡紡用雙槽在兩根纖維須條交替輸出時，兩根纖維束頭、尾端無法橫向匯聚成紗。目前，利用有限元法研究集聚紡流場問題已經(jīng)被較多的學者應用[5］。

本研究基于雙通道等隔距單牽伸區(qū)型環(huán)錠紡紗技術(shù)[6］，以兩組分段彩紗為研究對象，針對目前雙通道紡紗技術(shù)使用常見的單斜槽時，兩根纖維須條匯聚過程不穩(wěn)定、紡紗容易斷頭、須條集聚需要較大負壓的問題[7］，對集聚吸風槽（簡稱集聚槽）進行優(yōu)化。利用ANSYS Workbench 有限元軟件對集聚區(qū)流場進行數(shù)值模擬，討論集聚區(qū)流場分布與紗線的特性關(guān)系。通過紡紗試驗，研究不同槽形下兩組分段彩紗成紗質(zhì)量及不同負壓下纖維須條集聚情況，優(yōu)選集聚槽形狀，優(yōu)化負壓參數(shù)和紡紗工藝，提高成紗質(zhì)量。

1 雙通道單牽伸區(qū)集聚紡紗原理

雙通道等隔距單牽伸區(qū)型環(huán)錠紡紗裝置克服了雙通道后羅拉型紡紗裝置對纖維須條控制力弱、雙通道長短膠圈型紡紗裝置存在牽伸隔距差異大的問題。該裝置取消了中羅拉，只有一個膠圈牽伸區(qū)，后上膠輥也為雙通道膠輥，后羅拉雙列并置分別與前羅拉形成各自的牽伸通道，基紗須條和飾紗須條都只經(jīng)過一個牽伸區(qū)，且牽伸隔距相同。雙通道單牽伸區(qū)集聚紡裝置如圖1 所示，兩個后羅拉可以單獨控制，分別與前羅拉形成牽伸區(qū)，可以通過調(diào)節(jié)伺服電機來控制兩根粗紗不同的牽伸比，也可以通過調(diào)節(jié)兩個后羅拉交替喂入時間來控制段彩的長度。紡紗過程中，兩根粗紗分別喂入后羅拉，經(jīng)牽伸區(qū)獨立牽伸后在前羅拉鉗口輸出，通過改造后的集聚槽匯聚，以單束纖維輸出、加捻成紗。

圖1 雙通道單牽伸區(qū)集聚紡裝置示意圖

兩組分段彩紗主要有漸變和跳變兩種形式，如圖2 所示。采用雙通道單牽伸區(qū)集聚紡時對集聚裝置的流場和集聚槽形狀有特別的要求，這是由于兩根纖維須條經(jīng)過獨立牽伸，在前羅拉鉗口以較大間距輸出，且兩根須條長度方向上存在線密度的變化，甚至是斷續(xù)狀態(tài)，在氣流集聚區(qū)需要將這種復雜狀態(tài)的兩根纖維須條橫向匯聚和縱向搭接，以保證順利成紗和紗線質(zhì)量。

圖2 兩組分段彩紗示意圖

2 集聚槽形狀優(yōu)選

集聚區(qū)的流場分布，即集聚槽的形狀和尺寸將會直接影響紗線的質(zhì)量[8］。有限元法數(shù)值模擬是研究流體力學的有效手段，被廣泛應用于集聚紡流場的研究[9-11］。本研究對比多種集聚槽形狀，分析不同槽形的負壓氣流作用對纖維須條集聚效果的影響因素和變化規(guī)律。

2.1 集聚紡流場幾何模型建立

為了建立準確的氣流場三維幾何模型，首先，實測試驗用雙通道環(huán)錠細紗機集聚紡裝置的幾何參數(shù)，然后利用SolidWorks 軟件建立集聚區(qū)流場模型。由于首先采用有限元法優(yōu)選雙通道槽形，故可以忽略集聚區(qū)纖維須條和網(wǎng)格圈對氣流場的影響，氣流場模型如圖3 所示。

圖3 集聚區(qū)流場結(jié)構(gòu)示意圖

集聚區(qū)氣流場形態(tài)主要由前膠輥和集聚輸出膠輥的結(jié)構(gòu)、相對位置以及異形管形態(tài)決定。為了避免膠輥與羅拉相切位置的微小流場幾何形態(tài)不利于有限元網(wǎng)格劃分，所以將該部分模型進行簡化，該區(qū)域遠離集聚槽，對集聚槽附近流場影響較弱，對分析不同槽形氣流場特征不會產(chǎn)生明顯影響。以異形吸風管橫截面底邊中點為坐標原點，坐標軸方向如圖3 所示，X軸與橫截面底邊重合，Y軸垂直于異形吸風管底面，Z軸垂直于異形吸風管橫截面。輸出膠輥空隙均受到負壓氣流的作用，將其設置為壓力入口，異形管一側(cè)設置為壓力出口。

2.2 槽形設計

基于雙通道環(huán)錠紡技術(shù)紡制兩組分段彩紗的成紗原理，其集聚槽形應為雙槽形，且集聚槽尾端需匯合為一體，故從雙槽形入手。以Y 形槽為例對集聚槽特征進行描述，如圖4 所示。表征雙通道集聚槽的主要參數(shù)包括：集聚槽總高度H0（固定19.2 mm）、雙槽間距D、集聚點位置P及單槽高度H和槽口寬度B。本研究旨在比較雙槽最大間距、集聚點位置和槽口寬度的集聚槽所形成流場中壓力與速度的分布規(guī)律，優(yōu)選集聚槽形狀。

圖4 集聚槽示意圖

2.2.1 集聚槽形狀

針對成紗過程的特點，首先嘗試設計了4 種不同形狀的集聚槽，有Y 形、V 形、傾斜Y 形及不對稱Y 形，如圖5 所示。考慮到雙槽集聚特點，選取雙槽部分某一平行于Z 軸并緊貼集聚槽表面的一條直線作為分析流場的特征線。

圖5 集聚槽形狀

2.2.2 不同間距

由于經(jīng)過牽伸的兩根須條以較大間距進入集聚區(qū)，將兩束纖維須條橫向匯聚，集聚槽間距會影響須條彎曲程度，進而對須條運行穩(wěn)定性和成紗質(zhì)量產(chǎn)生影響。為了比較集聚槽雙槽間距D對纖維集聚效果的影響，考慮到羅拉寬度等因素，D分別設置為16 mm、13 mm 和10 mm。

2.2.3 不同集聚點

集聚點的位置影響雙槽與單槽的比例，決定了兩束纖維匯合的早晚，以及匯合后單束纖維的集聚狀態(tài)。因此將Y 形槽根據(jù)集聚點的不同設置為3 個梯度，分別為Y1、Y2 和Y3，對應集聚點下方的單槽高度H分別為9.6 mm、6.4 mm和3.2 mm。

2.2.4 不同寬度

在前期試驗以及優(yōu)選槽形的基礎上，結(jié)合現(xiàn)有集聚紡槽形的參數(shù)，將槽口寬度B設置為1.0 mm和1.3 mm，分析相同形狀不同寬度的槽形氣流速度大小和壓力分布規(guī)律。

2.3 集聚區(qū)氣流數(shù)值仿真

幾何模型生成后，對模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元尺寸設為0.4 mm，生成網(wǎng)格后，導入Fluent進行邊界條件的設置。在流場中，壓力入口處于大氣狀態(tài)，氣壓設為101 325 Pa，根據(jù)負壓大小設置壓力出口，負壓會影響纖維匯聚形態(tài)和成紗質(zhì)量，本研究將負壓均設置為2 300 Pa。由于集聚區(qū)內(nèi)氣體為湍流，所研究模型氣體為不可壓縮氣流[12］，所以采用分離式求解器，算法采用常用的SIMPLE 算法，收斂精度選擇10-5，啟動求解器導入網(wǎng)格模型進行求解計算。

2.4 模擬結(jié)果分析

2.4.1 流場橫向匯聚方向氣流速度比較

集聚區(qū)氣流速度分布對纖維的運動產(chǎn)生直接影響，對于氣流式集聚紡技術(shù)，扁平帶狀纖維須條在集聚區(qū)受氣流作用橫向匯聚，減少了加捻區(qū)邊緣纖維數(shù)量，增加了纖維的伸直平行度，這是集聚紡提升紗線質(zhì)量最主要的原因。所以重點分析集聚槽雙槽區(qū)域橫向匯聚方向氣流場速度。

4 種不同形狀集聚槽在Z軸方向的速度分量如圖6 所示。對于不同形狀的槽形，負壓氣流所產(chǎn)生的速度也略有不同。圖中縱坐標數(shù)字表示Z軸方向上氣流速度的大小，正負表示氣流速度的方向，橫坐標表示Z軸坐標即集聚槽橫向位置。集聚區(qū)氣流在橫向位置的流速和分布決定其對纖維須條的有效匯聚作用強度。從圖6 可以看出，V 形槽所能達到的峰值流速最大，傾斜Y 形槽的峰值流速最小，Y 形槽和不對稱Y 形槽集聚槽較為接近且略小于V 形槽。故后續(xù)試驗主要針對Y形槽和V 形槽進行參數(shù)優(yōu)化。

圖6 Z 軸方向的速度分量

2.4.2 雙槽不同間距氣流速度比較

兩組分段彩紗紡制過程中兩束纖維須條以較大間距進入氣流集聚區(qū)，將其橫向匯聚是一個必要環(huán)節(jié)，而氣流集聚紡對纖維須條運動方向大范圍改變主要依靠集聚槽走向來實現(xiàn)，在集聚槽之外的區(qū)域橫向匯聚氣流較弱。選取不同間距Y形集聚槽雙槽部分的兩條直線來分析集聚區(qū)速度分布規(guī)律，集聚槽間距分別為16 mm、13 mm、10 mm，單槽高度H為9.6 mm，槽口寬度為1.0 mm。線1 為距集聚槽頂點1 mm（X=9.55 mm）位置，線2距集聚點1 mm（X=2 mm）位置，如圖7 所示。在集聚槽兩側(cè)接近2 mm 區(qū)域，圖7 所示紅色區(qū)域的氣流仍具有較大流速，超過該范圍集聚氣流速度明顯衰減。

線1、線2 在Z軸方向的速度分量分別如圖8、圖9 所示，圖中豎線為輔助線條，表示集聚槽兩側(cè)邊緣位置。

圖8 線1 在Z 軸方向的速度分量

圖9 線2 在Z 軸方向的速度分量

從圖8 可以看出，線1 在Z軸方向上從左往右，氣流在集聚槽左側(cè)邊緣約2 mm 處開始產(chǎn)生橫向速度，并快速增大，在槽口邊緣附近達到峰值，往槽中心處逐漸減小，氣流在槽中心附近換向，在靠近集聚槽右側(cè)邊緣處增加至峰值，超出集聚槽右側(cè)邊緣時線1 在Z軸方向的氣流快速減小，范圍約為2 mm。沿著線1，雙集聚槽的Z向氣流形態(tài)相似，都是由兩側(cè)向槽中心對流，對纖維起集聚作用。同理，從圖9 可以看出，線2 距離集聚點較近速度分量在槽口邊緣達到最大值，沿著集聚槽兩側(cè)逐漸降低，說明氣流從兩側(cè)流入集聚槽內(nèi)部，但是，隨著集聚槽間距的減小，速度分量極值點略有不同。上述結(jié)果表明，雙集聚槽對纖維束的有效作用范圍不超過集聚槽邊緣兩側(cè)各2 mm。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在同樣負壓條件下，雙槽間距為16 mm 的集聚槽早于其他槽集聚達到峰值且最大，無論是剛匯入集聚槽的線1 還是兩根纖維即將匯聚的線2 位置，雙槽間距為16 mm 的集聚槽比13 mm 和10 mm 的流速更高，更有利于纖維的集聚，可以推斷出雙槽間距為16 mm 的集聚槽紡紗具有更高的強度。由于采用的雙通道紡紗裝置的兩個牽伸通道中心間距為17.5 mm，所以為保證輸出須條在集聚區(qū)的有效作用范圍內(nèi)，雙槽最大間距理論上不能小于13.5 mm。考慮到實際紡紗過程各參數(shù)調(diào)控精度，需將雙槽最大間距進一步放大，因此本研究所選雙槽間距為16 mm 較為合理。

2.4.3 不同集聚點壓力云圖分布比較

圖10 表示了不同集聚點位置的集聚槽所形成流場在異形吸風管表面的壓力分布，雙槽間距為16 mm，槽口寬度為1.0 mm。根據(jù)纖維須條運行路徑分析可知，集聚點位置靠上時，須條沿集聚槽運行，其傾斜角度較大，纖維彎曲幅度大，維持纖維須條沿集聚槽穩(wěn)定運行所需要的流場壓力越大；當集聚點位置靠下時，纖維須條沿集聚槽運行所走路徑較為平直，無明顯拐點，此時維持纖維須條沿集聚槽穩(wěn)定運行所需流場壓力較小。從圖10 可以看出，在給定同樣總負壓條件下，不同集聚點位置集聚槽負壓大小無明顯影響，所以集聚點位置靠下更有利于纖維須條穩(wěn)定匯聚。

圖10 不同集聚點壓力云圖分布

2.4.4 不同槽口寬度壓力云圖分布比較

V 形槽不同槽口寬度的壓力云圖如圖11 所示，雙槽間距為16 mm。從圖11可以看出，1.3 mm寬度的槽口比1.0 mm 寬度的槽口所形成流場的負壓峰值更大，且高壓區(qū)域面積也較大，對維持纖維須條穩(wěn)定運行更有利，可以更好地實現(xiàn)橫向匯聚。

圖11 不同槽口寬度壓力云圖分布

3 試驗方案

基于雙通道單牽伸區(qū)集聚環(huán)錠紡裝置紡制多種兩組分段彩紗，結(jié)合模擬結(jié)果，分別對集聚槽總高度19.2 mm、集聚槽寬度1.3 mm、雙槽間距16 mm 的3 種Y 形槽（Y1 槽、Y2 槽、Y3 槽，單槽高度H分別為9.6 mm、6.4 mm 和3.2 mm）和V 形槽進行紡紗試驗。原料均采用定量為4.2 g/10 m的黑、白兩色純棉粗紗，紡制細度為25 tex 不同混紡比的兩組分段彩紗，捻系數(shù)均為360，錠速為9 000 r/min。3 種Y 形槽和V 形槽負壓均采用2 300 Pa，黑色純棉與白色純棉紡紗混紡比分別為10∶90、30∶70、50∶50、70∶30、90∶10。根據(jù)所紡紗線性能和質(zhì)量指標優(yōu)選槽形。隨后在最優(yōu)槽形的基礎上采用高速攝像技術(shù)觀察纖維須條集聚效果，再進一步優(yōu)選負壓參數(shù)。

采用YG020A 型單紗強力儀測試紗線強度，測試速度500 mm/min，預加張力0.5 cN/tex，每個試樣測試30 次；USTER TESTER5 型條干儀測試紗線條干均勻度和疵點，每個品種測試5 管，測試速度400 m/min，測試時間1 min；采用ZWEIGLE HL400 型毛羽儀測試紗線毛羽，每個品種測試5 管，測試速度400 m/min，測試長度100 m。所有樣品在標準條件下放置24 h 后進行測試。

4 結(jié)果分析

4.1 強伸性能對比

不同槽形紡制不同混紡比紗線的斷裂強度和斷裂伸長率測試結(jié)果如圖12、圖13 所示。可以看出，兩組分混紡比對段彩紗成紗強伸性能有明顯影響，當兩組分比例接近時成紗質(zhì)量較優(yōu)，這是因為此時兩通道牽伸倍數(shù)接近，有利于兩根粗紗的均勻牽伸。試驗的3 種Y 形槽與V 形槽的本質(zhì)區(qū)別主要是雙槽匯聚點位置的差異，結(jié)果表明：V 形槽的強伸性能最好。可能是V形槽的匯聚點最低，兩束纖維在V 形槽底的圓弧位置匯聚，這一過程更有利于纖維伸直平行，從而提高了紗線強伸性能。

圖12 紗線斷裂強度對比

圖13 紗線斷裂伸長率對比

4.2 毛羽對比

毛羽測試結(jié)果如圖14 所示，可以看出V 形槽紡紗3 mm 以上有害毛羽（S3 毛羽根數(shù)）比Y 形槽的少，且隨著兩組分段彩紗的比例變化，毛羽數(shù)也隨著變化，呈現(xiàn)先減后增的趨勢，在混紡比為50∶50 時最小。根據(jù)模擬結(jié)果顯示，V 形槽的橫向氣流速度稍大，來自側(cè)面的負壓氣流增加橫向集聚力，減少了纖維須條的寬度，促進了紡紗三角區(qū)的消除，有利于毛羽的減少。

圖14 紗線S3 毛羽根數(shù)對比

4.3 條干均勻度和棉結(jié)對比

條干均勻度和棉結(jié)測試結(jié)果如圖15、圖16 所示。相較于其他槽形，V 形槽的紗線條干略優(yōu)，隨著集聚點位置下移紗線條干變優(yōu)，且棉結(jié)數(shù)量更少。由于槽形的改變，紗線的均勻度得到改善，氣流速度的增加使紗線邊緣纖維轉(zhuǎn)移，紗體中纖維分布更均勻，從而提高紗線的條干均勻度。同時V形槽所紡紗線的棉結(jié)數(shù)量更少，主要是因為V 形槽比較平直，纖維須條無明顯拐點，在運行過程中纖維頭端折彎勾結(jié)數(shù)量較少，減少棉結(jié)的形成。

圖15 紗線條干CV 對比

圖16 紗線棉結(jié)對比

4.4 不同負壓集聚情況

從上述試驗結(jié)果可知，V 形槽成紗質(zhì)量較好，采用高速攝像機進一步拍攝V 形槽在不同負壓下纖維須條的集聚狀態(tài)，觀察須條形態(tài)和寬度的差異，為優(yōu)選負壓參數(shù)提供借鑒。所拍攝圖片基于Phantom LAB110 型高速攝像機，拍攝幀率1 000 幀/s，采樣間隔為0.5 ms，曝光時間100 μs。紡紗品種混紡比為50∶50，負壓分別為2 300 Pa、2 700 Pa、3 100 Pa、3 500 Pa，其余紡紗條件相同，結(jié)果如圖17 所示。

圖17 不同負壓下集聚區(qū)纖維須條形態(tài)

由圖17 可以看出，隨著負壓的增大，纖維束的集聚效果有所提升，當負壓超過一定范圍，纖維束的集聚效果變差。當負壓為2 300 Pa 時，纖維束寬度較寬，集聚效果不理想；當負壓增大至2 700 Pa 時，纖維束集聚效果明顯提升，在負壓進一步升高至3 100 Pa 時，纖維束的集聚效果同樣較為理想，但與2 700 Pa 時相比區(qū)別不明顯，當負壓進一步增大至3 500 Pa 時，纖維束集聚效果反而變差。這是因為負壓增大到一定程度后，垂直于纖維運行平面的氣流壓力過大，纖維與網(wǎng)格圈之間的摩擦阻力增大，導致橫向集聚氣流不能有效對纖維須條進行集聚。綜上，V 形槽在2 700 Pa負壓下可以有效對纖維須條集聚，且能耗水平較低。

5 結(jié)論

本研究基于雙通道單牽伸區(qū)集聚環(huán)錠紡裝置紡制兩組分段彩紗，根據(jù)成紗原理對集聚槽形態(tài)的要求，探究了不同槽形、集聚槽參數(shù)和負壓對兩組分段彩紗成紗質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：根據(jù)數(shù)值模擬試驗，Y 形槽和V 形槽在流場壓力和速度分布上有明顯的優(yōu)勢，有助于纖維須條的集聚；雙槽間距為16 mm、槽口寬度為1.3 mm、總高度為19.2 mm 的槽形流場分布更有利。通過對成紗性能對比，得出V 形槽所紡紗線綜合性能優(yōu)于其他槽形，與數(shù)值模擬結(jié)果的分析結(jié)論比較一致，集聚負壓存在最優(yōu)值，負壓過小和過大都不利于纖維須條良好集聚，說明集聚區(qū)的流場分布與紗線性能有明顯的關(guān)系。因此，采用雙通道單牽伸區(qū)集聚環(huán)錠紡裝置紡制兩組分段彩紗時，配置V 形集聚槽有利于提高成紗質(zhì)量。