集聚賽絡紡紗導流裝置的設計與應用

孔祥江,張玉澤,江 慧,汪 軍

(東華大學 紡織學院,上海 201620)

緊密紡尤其是氣流集聚型緊密紡很大程度上改善了傳統(tǒng)環(huán)錠紡紡制紗線質量較差、毛羽較多問題。集聚型賽絡紡在環(huán)錠紡的基礎上增加了集聚裝置,使得成紗質量得到提高[1-2]。集聚紡紗系統(tǒng)主要包括氣流式和機械式紡紗系統(tǒng)。網格圈負壓式的氣流集聚作用較為柔和,得到的成紗質量較好,但是氣流利用率低,能耗較大[3]。

蘇旭中等[4]認為集聚紡紗系統(tǒng)的集聚負壓影響集聚區(qū)的氣流流速,從而影響紗線質量,成紗質量會隨負壓的增加而提高。Han等[5-6]對集聚紡紗系統(tǒng)進行了數值模擬,得到關于集聚區(qū)氣流場的結果圖,進一步分析了集聚區(qū)的結果。Saty等[7]通過數值模擬方法對緊密紡在節(jié)能降耗方面進行深入研究。陸宗源[8]研究了立達導流器的進化過程,對集聚區(qū)氣流場的情況進行闡述,認為氣流場是一個旋轉氣流,將纖維須條周圍細小毛羽卷到紗體中形成緊密的結構。楊興等[9]基于集聚紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)的須條運動狀態(tài)進行了研究探討。Malik等[10]設計了一款基于集聚紡的導流部件,將其加裝到集聚區(qū),通過紡紗實驗研究并與未加導流部件的紗線質量進行對比分析得出,導流部件可以提升成紗質量。秋黎鳳等[11]認為在集聚紡紗中加裝導流裝置后,其集聚區(qū)的側向氣流是紗線集聚和壓縮的精髓。

基于以上分析可見,針對單槽的集聚型賽絡紡研究較多,但在雙槽的集聚賽絡紡研究相對較少,因此,本文對V型斜槽的集聚賽絡紡進行深入探究,設計導流裝置,通過控制負壓變量的方法,進行數值模擬和紡紗實驗,降低集聚賽絡紡系統(tǒng)的負壓節(jié)能降耗。

1 集聚導流裝置設計

1.1 幾何模型

對集聚區(qū)幾何尺寸進行精確測量,運用solidworks軟件建立集聚區(qū)三維物理模型。根據集聚區(qū)上方空間的大小,對導流裝置的整體規(guī)模進行設計,3種導流裝置及其尺寸如圖1所示,3種導流裝置2個側面的開口使氣流從導流裝置側面以及底面進入,導流裝置Ⅰ頂面開4個孔,導流裝置Ⅲ上方開槽孔,從上方補入空氣,導流裝置Ⅱ不進行打孔。將所設計的導流裝置進行3D打印,材質為白色樹脂,實物圖如圖2所示。

單位:cm

圖2 3種導流裝置實物圖

1.2 設計原理

導流裝置設計的主要原理是使全開放的氣流場變?yōu)榘腴_放式的氣流場,減少氣流損失,防止負壓擴散,提高氣流利用效率。具體來說是加快集聚區(qū)氣流的速度,使得集聚區(qū)氣流形成一個穩(wěn)定的流場,導流裝置側面開的方孔會使側向氣流流入,上方開的孔洞會從上方進行空氣補入,在集聚區(qū)內形成一個旋轉氣流使紗線形成更為緊密的結構,進而達到提升紗線質量的目的。

圖3所示為計算區(qū)域內集聚賽絡紡紗系統(tǒng)集聚區(qū)普通集聚裝置(圖3(a))和加裝導流裝置(以加裝導流裝置Ⅰ為例,圖3(b))的幾何結構模型。集聚區(qū)為前膠輥、后膠輥表面以及集聚槽內部所組成的區(qū)域。在該幾何模型中,原點位于集聚槽末端;X軸垂直于須條運動方向;Y軸與須條運動方向相同;Z軸垂直于X-Y平面,且豎直向上。集聚槽為V型斜槽,傾斜角度為7°,且兩邊對稱,寬度均為1.5 mm。

圖3 計算區(qū)域的幾何結構模型

1.3 導流裝置的作用

圖4所示為在集聚區(qū)加裝導流裝置的前后對比圖。在集聚區(qū)內加裝導流裝置,可以使集聚區(qū)上方的開放式氣流場形成半開放式的氣流場。加裝導流裝置可以使集聚區(qū)的氣流利用率變高,減少負壓的損失,提高氣流利用效率,能夠在較低負壓下形成更好的紗線質量,對于成紗質量的提高有著至關重要的作用。

1—前膠輥; 2—集聚管;3—網格圈;4—輸出膠輥;5—集聚賽絡紗;6—導流裝置。

2 集聚賽絡紡集聚區(qū)數值模擬

將上述集聚區(qū)的三維物理模型導入至ansys fluent軟件中進行集聚區(qū)氣流場的數值模擬。

2.1 系統(tǒng)描述

根據網格圈負壓式集聚賽絡紡紗系統(tǒng)的工作原理[12],集聚管內部氣流受到抽氣機抽吸被排出,使得外界大氣通過集聚槽向集聚管補入。由于抽氣機的抽風負壓較小,可假定集聚區(qū)的氣流為不可壓、黏性的湍流流動。由于集聚區(qū)置于大氣環(huán)境中,直接與大氣相接觸,故集聚區(qū)的氣流處于大氣溫濕度中,基本上維持在相同的溫度狀態(tài),認定氣流場的溫度恒定,滿足控制方程中的質量守恒和動量守恒。

由于假定集聚區(qū)內的氣流流動沒有發(fā)生能量交換,因此氣流場滿足連續(xù)方程和動量方程[13]。

連續(xù)方程:由于集聚區(qū)氣流為不可壓縮流體,故氣體密度不隨時間發(fā)生變化,則其連續(xù)方程為:

div(ρv)=0

(1)

式中:ρ為氣體密度,kg/m3;v為氣體的速度矢量。

動量方程:動量守恒方程也稱為Navier-Stokes方程(簡稱N-S方程),其表達如下:

(2)

式中:t為時間,s;vi是速度矢量ν在坐標分量xii=1,2,3方向的分量,m/s;μ是動力黏度,Pa·s;p為流體微元體上的壓力,N;Si為xi方向的廣義源項;i=1,2,3。

采用k-e標準湍流模型進行計算,采用SIMPLEC算法進行求解,初始化后將迭代次數設置為500次進行計算求解。

2.2 邊界條件

進口邊界:所有的壓力進口處均與大氣直接相連,靜壓值設置為標準大氣壓,即1.013 25×105Pa。除此之外,在導流裝置中,設計的開口孔洞處也均與大氣直接相連,靜壓值也設置為大氣壓。

出口邊界:將集聚管與風機相連的管道設為壓力出口邊界,靜壓值為集聚負壓。

多孔躍升邊界:集聚槽表面套有網格圈,將網格圈表面設置為多孔躍升邊界,用來模擬網格圈對氣流的影響。

固體邊界:其他剩余邊界設置為固體邊界,所有固體壁面均遵循無滑移原則。

2.3 工況設計

針對集聚賽絡紡能耗較高的問題,根據出口負壓的不同設計5種工況。工況A:普通集聚賽絡紗,出口負壓2 000 Pa;工況B:普通集聚賽絡紗,出口負壓1 000 Pa;工況C:帶有導流裝置Ⅰ的集聚賽絡紗,出口負壓1 000 Pa;工況D:帶有導流裝置Ⅱ的集聚賽絡紗,出口負壓1 000 Pa;工況E:帶有導流裝置Ⅲ的集聚賽絡紗,出口負壓1 000 Pa。以5種工況分別進行數值模擬以及紡紗實驗。

3 數值模擬計算結果分析

應用solidworks軟件建立集聚賽絡紡紗系統(tǒng)的三維物理模型,將繪制的三維物理模型導入到ansys fluent軟件中進行數值模擬。

圖5所示為集聚區(qū)X-Z截面的速度云圖。對比在5種工況,可以明顯看出;工況A集聚槽附近的氣流速度最大,這是因為工況A的集聚負壓大,負壓越大,氣流速度越大,在相同條件下,集聚力度也越大,成紗質量更好。在出口負壓均為1 000 Pa時,對比B、C、D、E 4種工況可以看出,加裝導流裝置后,集聚槽附近的氣流速度明顯高于普通的集聚裝置的速度,集聚力度更強。

圖5 集聚區(qū)X-Z截面的速度云圖

圖6所示為5種工況下集聚區(qū)X-Z截面的氣流速度矢量圖。外界大氣從集聚區(qū)上方的空間中向集聚槽內部流入,然后從集聚管的一側流出。5種工況集聚槽附近的氣流流線分布均最密集,其他區(qū)域的流線分布均較為稀疏。相對而言,工況A集聚槽附近的氣流流線最密集的流速最大,為63 m/s,對于氣流集聚效果最好。在相同負壓條件下,對比B、C、D、E 4種工況,未加裝導流裝置的最大流速為43 m/s,加裝導流裝置集聚槽附近的流速均大于43 m/s,但在圖中工況D的速度矢量圖中顯示的流線與工況A、B差別較小,主要是因為導流裝置Ⅱ的上方沒有空氣補入,對氣流流向影響較小。

圖6 集聚區(qū)X-Z截面速度矢量圖

集聚槽上的纖維須條受到3個方向力的共同作用實現(xiàn)集聚:一是X軸方向上的側向氣流作用力,這個力的作用下,須條的寬度減小;二是Y軸方向的牽伸力,是牽伸羅拉的牽伸帶動使須條向前牽伸運動,基本上與氣流無關;三是Z軸方向上的擠壓力,氣流主要對X軸和Z軸方向的集聚力產生影響。從集聚槽寬度方向(X-Z截面)取出一個截面進行分析,以確定其特征。

圖7(a)所示為Z軸氣流速度隨著X軸方向距離的變化分布規(guī)律,出口負壓為2 000 Pa的普通集聚裝置的Z軸速度最大,因集聚負壓不同,負壓越大,速度越大。圖7(b)所示為X軸氣流速度隨著X軸方向距離的變化分布規(guī)律,在靠近集聚槽兩側,依然是負壓越大,速度越大,位于集聚槽中心的纖維須條主要受到上方氣流向下的擠壓作用,而位于集聚槽兩側邊緣的纖維須條主要受到水平方向氣流的作用。

圖7 各個工況在X-Z截面處沿X軸方向的速度分布

4 紡紗實驗及測試

4.1 材料與設備

材料采用普梳純棉粗紗,粗紗定量為12.9 g/(10 m)。

設備采用東華大學改裝的多功能數字細紗機,配有三羅拉負壓式集聚紡紗裝置。采用YG172A型紗線毛羽測試儀(陜西長嶺紡織機電科技有限司)、YG061FQ型電子單紗強力儀(萊州市電子儀器有限公司)、CT3000型條干均勻度測試分析儀(陜西長嶺紡織機電科技有限公司)儀器測試紗線性能,主要指標包括紗線毛羽、強伸性能以及條干均勻度。在測試各項指標之前,將所有紗線放置于恒溫恒濕室內48 h,然后在恒溫恒濕室內進行紗線質量檢測。

4.2 實驗設計與測試

在改裝的細紗機上,將自主設計的3種導流裝置安裝在集聚區(qū)中,出口負壓設置為1 000 Pa,未加裝導流裝置的出口負壓分別設置為1 000和2 000 Pa,分別紡制線密度為18.2、14.6 tex紗線,捻度750 捻/m,捻向為Z捻,錠速設置為6 000 r/min。按照上述條件,通過控制變量方法,共紡制10管紗線,每管紗線1 000 m。

4.3 實驗結果與分析

根據4.2節(jié)所紡紗線各個指標如表1所示。在強伸性能方面,紡制2種線密度的紗線性能差別不大,加裝導流裝置的集聚賽絡紗與普通集聚賽絡紗斷裂強度和斷裂伸長率相當;在毛羽指數方面,2種線密度的紗線有著不同的變化規(guī)律,對于18.2 tex的紗線,在加裝導流裝置,毛羽指數沒有降低,反而升高,這主要是由于紡紗過程中,鋼絲圈的選取不利于紡紗的進行,增加了紡紗斷頭,在接頭的過程中,產生了大量有害毛羽,同時斷掉的須條進入負壓管,影響了負壓的穩(wěn)定性。后續(xù)選取合適的鋼絲圈紡制14.6 tex的紗線紡紗過程穩(wěn)定,負壓在一定范圍內,加裝導流裝置的成紗毛羽均低于未加裝導流裝置的成紗毛羽,這主要是由于集聚區(qū)氣流場在導流裝置的加裝下,側向氣流的流入,氣流集聚在集聚槽附近,形成更加緊密的結構,有利于減少成紗毛羽。在條干均勻度方面,加裝導流裝置對2種線密度紗線的影響不大,條干均勻度基本沒有改變。

表1 紗線質量指標

綜上所述,3種導流裝置對于降低負壓、節(jié)約能耗均有效果,2種紗線的節(jié)能降耗的效果而言,14.6 tex的紗線相較于18.2 tex的紗線效果更好,在集聚賽絡紡紗系統(tǒng)中加裝這3種導流裝置,有利于提高成紗性能,達到節(jié)能降耗的目的。

5 結 論

本文通過數值模擬以及紡紗實驗,對于集聚賽絡紡集聚區(qū)的氣流場的流場情況以及成紗質量進行分析,得出以下結論。

①隨著出口負壓越大,集聚槽附近的流速越大,在氣流場中,導流裝置的加裝改變了原來的氣流分布,在相同條件下提高了氣流流速,側向氣流和上方空氣的補入有利于須條的集聚。

②通過紡紗實驗得出,加裝導流裝置(集聚負壓1 000 Pa)所紡制出來的紗線與普通集聚賽絡紗(集聚負壓2 000 Pa)質量相當,甚至更好,有利于改善紗線性能。