紗線表面突出物間距對紗線牽引特性的影響

張榮，馮志華，黃萌萌，張風(fēng)君，向曉東

(蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

紗線條干不勻常以質(zhì)量不勻率(線密度不勻率、條下不勻率)、直徑不勻率和捻度不勻率等不同的形式表現(xiàn)，其中直徑不勻率對紡織品外觀質(zhì)量的影響最突出[1]，直徑不勻率是由于紗線表面有形狀不規(guī)則的突出物。目前沒有相關(guān)文獻(xiàn)對紗線表面突出物進(jìn)行詳細(xì)的描述。遲開龍、潘如如以4種不同規(guī)格的純棉紗線為例，提出一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)檢測紗線條干不勻率的方法，并發(fā)現(xiàn)紗線表面具有突起[2]。毛羽作為紗線突出物最主要的組成部分，國外對紗線毛羽有了一定的研究。Zheng-Xue和Tang研究了環(huán)錠紡毛羽對紗線表面摩擦系數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)表面摩擦系數(shù)隨著錠速增加而減小，當(dāng)錠速達(dá)到一定程度，表面摩擦系數(shù)趨向于零[3]。

本文探究突出物不同間距對突出物阻力的影響。由于紗線微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，為了方便研究，本文在宏觀上以規(guī)則的球體顆粒作為紗線突出物進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模擬

1.1 流場模型

本文依托ZAX型噴氣織機(jī)主噴嘴設(shè)計了一種紗線牽引力測試裝置。引緯過程中，氣流速度變化比較劇烈，為了獲得平穩(wěn)的速度和密度，設(shè)計了一種測量裝置，即在導(dǎo)紗管后面加輔助管道[4]。這種裝置的流場模型如圖1所示，突出物分布在輔助管道中，假設(shè)其位置固定不變，流場模型尺寸與實驗測試裝置保持一致。

圖1 流場模型

網(wǎng)格模型如圖2(a)和圖2(b)所示，外界壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓，圖示的氣壓入口可在Fluent中輸入相應(yīng)的氣壓參數(shù)，球狀可以以壁面(wall)處理。

圖2 流體網(wǎng)格模型

對于流場中球狀的顆粒，其受到的阻力大小除了與自身大小和阻力系數(shù)相關(guān)外，還與所作用的氣流速度和密度相關(guān)。本文基于Fluent對含有突出物的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，可獲得不同氣壓下和不同突出物間距對應(yīng)突出物受到的氣流參數(shù)，阻力大小F可以表示為[5]：

F=ρV2ACD

式中：ρ表示氣流的密度；V表示氣流速度；A表示突出物的迎流面積；CD表示突出物的阻力系數(shù)。對于球狀顆粒，其阻力系數(shù)與雷諾數(shù)有關(guān)，在高雷諾數(shù)流場下，球狀顆粒的阻力系數(shù)近似可取0.44[6]。

1.2 模擬分析

為了探究突出物間距對紗線牽引特性的影響，通過Fluent可數(shù)值模擬獲得突出物的速度及密度大小，即可通過阻力大小公式計算出突出物的阻力，從而可得到突出物間距對紗線牽引力的影響。假設(shè)突出物的直徑d為2mm，取3個突出物，其數(shù)值分析示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬示意圖

在不同主噴嘴氣壓下，通過改變突出物的間距Δx大小來計算突出物的阻力大小，進(jìn)而探究突出物不同的間距對牽引特性的影響。由圖4發(fā)現(xiàn)突出物間距對流場有著影響，且突出物的間距越小，這種影響越明顯。

圖4 突出物的速度云圖

本文分別研究了0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa下，突出物的間距Δx為nd，n取1/20,1/4,1/2,1,2,3,…,9,10。

通過阻力公式F=ρV2ACD可計算出相應(yīng)的阻力大小，結(jié)果如圖5所示。

圖5 突出物不同的間距受到的阻力大小

初始突出物間距為0.1mm，隨著突出物間距的增加，突出物受到的阻力大小也逐漸增加并趨于恒定。根據(jù)不同氣壓下數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，對于2mm的球狀突出物，間距為10mm時，阻力達(dá)到了最大。另外，突出物間距對阻力大小的影響也會隨著主噴嘴入口氣壓的增加而愈加明顯。

2 實驗測試

為了驗證突出物間距對紗線牽引力的影響，進(jìn)行了如圖6所示的實驗。在紗線上等間距固定3個直徑為2mm的球狀顆粒，如圖7所示。

圖6 實驗測試示意圖

圖7 顆粒模型

紗線一端固定，另一端通過掛砝碼的方式來固定，可通過掛不同質(zhì)量的砝碼來確定牽引力與應(yīng)變的關(guān)系[7]。通過數(shù)據(jù)采集儀可以采集紗線在氣流作用下的應(yīng)變大小，再通過牽引力與應(yīng)變值的關(guān)系可計算出紗線的牽引力大小。根據(jù)不同主噴嘴氣壓的大小，通過改變突出物的距離測得了紗線牽引力大小如圖8所示。

圖8 實驗測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可知突出物間距對紗線牽引力大小的影響，當(dāng)突出物間距增加到10mm時，牽引力大小趨于穩(wěn)定，這與數(shù)值模擬的結(jié)果一致。

根據(jù)紗線的牽引力公式，將含有突出物的紗線受到牽引力分解成正常紗線受到的牽引力F0和突出物受到的牽引力F′，即：

由牽引力公式可知，牽引力大小是由氣流特性和紗線特性決定的，氣流特性由氣流密度ρ和氣流速度V組成，紗線特性由紗線直徑和紗線阻力系數(shù)CD組成。由于輔助管道中氣流參數(shù)相對比較穩(wěn)定，可知突出物通過改變紗線直徑和紗線阻力系數(shù)CD來影響牽引力的大小。

3 結(jié)語

突出物作為紗線的一部分，在紡織過程中，起到了增加牽引力提高引緯效率的作用，但是突出物同時也影響紡織品的質(zhì)量。本文探究了突出物間距對紗線牽引力的影響，發(fā)現(xiàn)紗線的牽引力會隨著突出物間距增加而增加并逐漸趨于穩(wěn)定。這也說明了并不是紗線表面突出物數(shù)量越多紗線牽引力就越大的，當(dāng)定長紗線表面突出物數(shù)量無窮多時，相當(dāng)于紗線的直徑增加到了突出物直徑的大小。本文將突出物以及其邊界條件都理想化，而且沒有將突出物看作靜止?fàn)顟B(tài)，沒有考慮突出物在流場中運動情況。