國內外吸絲槍的研究進展

張齡方，李永貴，葛明橋

(江南大學生態紡織教育部重點實驗室，江蘇無錫214122)

吸絲槍是一種流體機械，通過氣流噴射作用和纖維與氣流之間的摩擦作用吸引并輸送紗線，用于紡絲或化纖加工時將紗線牽引到筒子上，在國內也稱為生頭吸槍。吸絲槍是化纖生產必不可少的器件，市場對更加高效的吸絲槍的需求不斷增加。然而，關于吸絲槍的研究報道較少。因此，有必要對吸絲槍進行系統研究。作者將對吸絲槍的機理和研究進行歸納總結。在對有關吸絲槍的文獻進行總結與分析的基礎上，提出吸絲槍的研究發展趨勢，為高性能吸絲槍的開發提供參考。

1 吸絲槍的工作原理

從圖1可知，壓縮空氣通過入口進入氣室，然后從壓縮空氣流入孔噴出，進入噴嘴絲道［1］。

圖1 典型的吸絲槍及噴嘴結構示意Fig.1 Schematic diagram of a typical yarn suction gun and nozzle

從圖1(b)可知。4個壓縮空氣流入孔均勻分布于噴嘴圓周，其軸心線具有吸絲槍軸心線的軸向和周向分量。紗線推進管由拉瓦爾管與直管組成。從壓縮空氣流入孔噴出的氣流以螺旋運動形式通過推進管，最后從直管排出。由于空氣旋流中心產生了強烈的負壓區，因此，紗線吸入管入口處呈負壓，紗線容易被吸入。紗線被吸入吸絲槍后，進入推進管。在推進管內，螺旋氣流對紗線產生強力的推進作用。最后，紗線與氣流一起被排出吸絲槍外。壓縮空氣是吸絲槍最常用的工作流體，另外高壓水流也有應用。日本東洋紡織公司和東麗公司設計開發了利用高壓水流代替壓縮空氣的吸絲槍［2－3］。

2 吸絲槍的應用及性能要求

吸絲槍主要用于紡絲生頭、換筒操作和廢絲的回收。從圖2可見，在熔融紡絲初始，聚合物從噴絲孔擠出，然后被吸絲槍牽引經過導絲輥等裝置，最后纏繞到筒子上，開始生產，該操作稱為生頭。當卷裝達到預定重量時，用吸絲槍吸住紗線。移去管紗，并換上空紗管。然后，用吸絲槍將紗線纏繞在新的筒子上，開始新的生產。吸絲槍還可用于廢絲的回收，即從紗筒表面將廢絲吸走，送入廢絲箱［4－5］。近年來，吸絲槍也開始用于非織造布的生產［6－7］。合適的吸絲槍必須確保能夠及時吸走紗線，且不會由于吸絲張力過大而導致紗線斷裂。因此，吸絲槍的設計與紡絲速度、紗線規格密切相關，總體上講，要求吸絲槍具有較強的吸絲能力，噪音低，能耗低，結構緊湊，質量輕，耐磨損，易于使用和維修。由于使用高壓空氣，有時空氣壓力高于1.2 MPa，所以，對安全性要求也高。

圖2 熔融紡絲流程示意Fig.2 An example of apparatus for melt spinning process

3 吸絲槍的研究進展

3.1 提高吸絲槍吸力

吸絲槍可以采用與噴氣織機相似的空氣流路［8－9］，僅僅通過氣流的文丘里效應來產生吸力。例如，Miller等在對廢紗回收裝置［4］的基礎上，首次提出的一種手持式吸絲槍［10］，如圖3所示。

圖3 Miller型吸絲槍Fig.3 Yarn suction gun of Miller's type

利用該裝置，一個人能夠用一只手完成整個引紗操作，從而使換裝操作更加容易。然而，在操作過程中，需要從高吸力-低張力向低吸力-高張力不斷地轉換調整。為了克服這個缺點，美國杜邦公司［11－13］對 Miller型吸絲槍做了改進，使得吸絲槍能夠快速捕獲運動中的紗線，從而有效減少紗線張力的波動，捕獲、切斷和牽引紗線過程中保持合適的紗線張力，無需張力調整操作。該裝置對滌綸的引絲速度達到3 000 m/min，被認為對滌綸的大規模生產起了實質性的推進作用。但是，上述吸絲槍無法產生足夠吸絲力，在處理3 000～5 000 m/min的紗線時，無法滿足高速紡絲的要求。但其結構簡單，加工方便，成本較低，可在低速紡絲加工時使用。

采用渦流可以大幅度提高吸絲槍性能。由于采用渦流，紗線也隨氣流做螺旋線運動，大大增加了紗線在氣流中的長度，空氣與紗線的接觸面積大幅提高。在管壁附近，空氣密度大，氣流速度高。故氣流與紗線的摩擦力大大增加，從而使紗線的推進速度大幅度提高。Richte等［14］在管尾端增加螺旋槽，使進入吸絲槍內的壓縮空氣呈螺旋狀運動，見圖4。在0.55 MPa的供氣壓力下，該吸絲槍能夠處理速度為4 572 m/min的紗線。

圖4 Richter型的帶螺旋凹槽的吸絲槍Fig.4 A conduit with helical grooves in yarn suction gun of Richter's type

Vanderip［15］對上述吸絲槍做了一些改進。Sighieri等開發了一種吸絲槍，如圖5所示，其噴嘴沒有壓縮空氣流入孔，而是在噴嘴表面刻一條螺旋槽，同樣可以使槍內產生高速螺旋氣流，提高紗線排放能力［16］。

圖5 噴嘴有螺旋槽的吸絲槍Fig.5 Yarn suction gun with a nozzle having a helical groove

McFall［5］綜合了 Miller和 Richter型吸絲槍的結構特點，如圖6所示。

圖6 McFall型吸絲槍Fig.6 Yarn suction gun of McFall's type

在壓縮空氣流入部錐形體表面有5條或6條凹槽，該槍具有較高的效率和較低的噪音，在0.55 MPa的壓力下，吸絲速度達到4 570 m/min。

Tseng在McFall型吸絲槍基礎上增加了加速管［17］。該槍結構接近于現代吸絲槍。現代吸絲槍多采用高速旋流。盡管其結構比較復雜，加工精度要求高，制造成本高，但是主要的發展趨勢。

圖7 有加速器的吸絲槍Fig.7 Yarn suction gun with an accelerator

采用高壓水流(壓力不高于0.78 MPa)的吸絲槍的吸絲速度不低于 4 500 m/min［2－3］，但是，其裝置復雜。由于水不足以產生高真空度，需要在吸絲槍的前端加裝其他裝置來提高初始階段的吸絲能力。

3.2 減低噪音

供給吸絲槍的壓縮空氣壓力為0.4～1.2 MPa(表壓)，甚至更高，槍中的高速氣流產生刺耳的噪音。因此，降低其噪音水平，一直是該領域的一項重要課題?？赏ㄟ^采用特殊設計和特殊材料在一定程度上解決降低噪音。如圖7所示的嵌入圓柱是塑料或環氧樹脂制成的，可以降低噪音。適當角度的凹槽存在也能顯著降低噪音水平。當凹槽的角度為0°時，吸絲槍的噪音為82 dB，而角度為30°時，噪音僅為60 dB［5］。用水做吸絲槍的工作流體也可以明顯降低噪音［2－3］。

3.3 提高耐久性和簡便性

吸絲槍必須具有合適的尺寸和形狀，便于操作和安放。通常它用輕質材料制成，如鋁和不銹鋼。吸入管尤其是其末端的材料必須具有很好的耐磨性，但是硬度又要相對較低，以免碰傷紡絲器件。吸絲槍的輕量化、小型化和耐久化仍是今后的一項重要課題。采用新型復合材料有可能解決這方面的問題。如采用尼龍/玻璃纖維復合材料代替不銹鋼可提高吸絲槍的耐久和簡便性［18］。

4 吸絲槍的研究方向

目前，超高速紡絲已經由實驗室階段向工業化轉變。然而，傳統的吸絲槍吸絲速度低，在生頭或換筒時，不得不先降低卷繞速度，待吸絲槍捕獲紗線完成生頭或換筒后，再回到正常的卷繞速度。這使得高速紡絲不能完全實現，超高速卷繞機也不能完全發揮其作用。因此，迫切要求開發新型的超高速吸絲槍。另外，健康、環保、節能減排是當今世界的發展潮流。因此，吸絲槍的研究也應該從下面5個方面展開。

(1)吸絲槍氣道結構優化設計。吸絲槍為流體機械，流體分布直接影響到吸絲槍的性能。而氣道結構決定其流體分布。因此，應在現有吸絲槍的基礎上設計出更加合理的流體分布，從而提高對紗線的捕獲能力和推進力。

(2)吸絲槍流場分布理論研究。通過實驗或數值分析(模擬)兩種方法對吸絲槍的流場進行分析，尤其是采用數值分析軟件(如Fluent，Ansys等)可以更加直觀地分析空氣密度、速度等的分布情況，可以進一步闡明其工作機理，并獲得更加合理的氣道結構。

(3)紗線在吸絲槍中的運動分析。分析紗線在吸絲槍中的運動有助于進一步闡明吸絲槍的工作機理，更為有效地控制紗線運動，提高吸絲張力，為進一步提高吸絲槍的性能提供理論基礎，可以采用高速數碼攝像機來捕捉紗線的運動。

(4)吸絲槍材料和表面加工精度研究。應深入研究制造吸絲槍的材料和輔料(如管道等)，如新型的復合材料，減輕重量，提高耐磨損性能，減少對紡絲設備尤其是陶瓷導絲輥損傷。提高氣道表面加工精度可以減少紗線與管壁、空氣與管壁的摩擦力，從而提高吸絲速度。

(5)吸絲槍性能的評價方法。目前，關于吸絲槍性能的評價尚無統一的方法，這使得研究人員難于和別人開發的產品相比較做出改進。大多數評價方法是在一定的供氣壓力下，測試紗線速度。但是，對于不同規格的紗線，在其他條件一定的情況下，引紗速度也不一樣。所以，還是沒有可比性。Y.Iemoto等從能量效率的角度出發，曾提出采用吸絲張力與壓縮空氣質量流量之比(吸絲效率)來評價吸絲槍性能［1］。這和吸絲槍的能量消耗聯系起來，有利于核算其經濟性。但是，仍舊不能直接反應吸絲速度。噪音水平、能耗應該逐步納入吸絲槍的評價指標中。因此，關于吸絲槍性能的評價方法還需要深入探討。

總之，應該對吸絲槍氣道結構、流場分布、紗線形態和評價方法等進行系統的研究，從而找到提高吸絲槍性能、降低能耗的途徑，最終制備出更加高效的吸絲槍。

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