轉杯紡旁路通道設計對成紗質量的影響

林惠婷，高 備，張玉澤，史倩倩，汪 軍

(1.泉州師范學院 紡織與服裝學院, 福建 泉州 362000；2.東華大學 紡織學院, 上海 201620)

轉杯紡紗的實質是將纖維須條分解為單纖維流，單纖維又凝聚成須條的一系列運動過程[1]。纖維條子經喂給羅拉喂入，由分梳輥梳理形成單纖維，單纖維依靠負壓氣流，從輸纖通道轉移至轉杯凝聚槽形成凝聚須條，凝聚須條不斷被加捻和剝取，最后經引紗管引出，并由卷繞羅拉卷繞成筒子。在整個過程中，單纖維的形態(tài)是在不斷發(fā)生變化的。經過分梳輥梳理的伸直纖維可能因碰到紡紗通道壁面、受到通道內氣流的影響以及成紗加捻方式的影響而發(fā)生形態(tài)改變，使得轉杯紗中的彎鉤、包纏狀等纖維所占比例較大，導致其成紗強度相對較低。

如果能提高轉杯紗中纖維的平行伸直度，將能改善轉杯紗的力學性能。改善紡紗通道尤其是輸纖通道及纖維剝取區(qū)的氣流流動狀態(tài)，是提高纖維伸直度的有效途徑。輸纖通道的幾何結構是影響其內氣流流動狀態(tài)的主要因素。文獻[2-3]通過理論推導和實驗的方法對輸纖通道的入口形狀進行了研究認為，方形輸纖通道入口比圓形入口更有利于改善纖維形態(tài)。張禮會等[4]也提出了輸纖通道的幾個設計原則。Kong等[5]通過建立輸纖通道的二維數值模型，研究了輸纖通道形狀對其內部氣流流動的影響。由于輸纖通道與分梳輥的特殊連接結構，使得輸纖通道入口處易產生氣流漩渦[5-6]。Kong等[7-8]通過模擬單纖維在輸纖通道內的運動發(fā)現，該氣流漩渦會造成纖維彎曲。而在作者之前的研究中發(fā)現[6]，減小輸纖通道入口面積能有效地減小氣流漩渦，但不能完全讓其消除。

通過在輸纖通道一側設計旁路通道以增大輸纖通道內的氣流量，從而提高其內的氣流速度，消除氣流漩渦。本文通過對設計有該旁路通道的轉杯紡紗器進行數值模擬分析、紡紗試驗以及纖維形態(tài)測試，研究旁路通道對輸纖通道氣流流動狀態(tài)及成紗性能的影響，為輸纖通道的優(yōu)化設計提供指導。

1 旁路通道設計思路

輸纖通道內的氣流流動特征對纖維形態(tài)有著重要的影響，而其氣流場分布主要由輸纖通道幾何結構決定的。張禮會等[4]曾提出輸纖通道的幾個設計原則，其中包括：提高輸纖通道入口氣流速度；減小輸纖通道剝離區(qū)空間，以便于減弱該區(qū)域的氣流漩渦。事實上，減小輸纖通道入口面積即減小了輸纖通道剝離區(qū)空間，能有效地提高輸纖通道入口的氣流速度并減小氣流漩渦，卻不能完全使其消除。

若增加與分梳輥同向流動的氣流量，輸纖通道入口的氣流速度將增大，有助于消除氣流漩渦。因此，在輸纖通道長軸一側的反向延長線上設置一個旁路通道，如圖1所示。旁路通道的入口與外界大氣相連通，紡紗時，由于轉杯與外界大氣的壓差作用，外界大氣將從旁路通道入口補入，增加輸纖通道的氣流量。

圖1 旁路通道示意圖Fig.1 Schematic diagram of bypass channel

2 流場數值解析

2.1 流場數值模型建立

所建立的轉杯紡紗器幾何計算模型及其邊界條件設置如圖2所示。其中，轉杯直徑為36 mm，轉杯出口高度為1 mm，引紗出口直徑為2 mm，分梳輥內外徑分別為61、65 mm，分梳輥高度為24 mm，排雜通道出口截面積為20 mm×24 mm；旁路通道入口截面積為6 mm×16 mm。

圖2 幾何計算模型及邊界條件Fig.2 Geometric model and boundary conditions

邊界條件設置。入口邊界：排雜通道、引紗通道以及旁路通道均為補氣入口，入口靜壓值為標準大氣壓。出口邊界：轉杯出口，壓力值為-7 000 Pa。固體邊界：所有的固體壁面均采用無滑移邊界條件。此外，轉杯壁面和分梳輥壁面為旋轉壁面，轉速分別為100 000 、6 000 r/min。

采用穩(wěn)態(tài)、隱式求解器、RNGk-e湍流模型及壁面函數法對氣流場進行計算，采用二階迎風格式離散對流項，最終采用SIMPLE算法對流場進行求解。

2.2 數值計算結果分析

圖3示出輸纖通道入口附近不同y截面的氣流流線圖。可知，各y截面處的氣流流線均是平滑的直線型分布，在傳統(tǒng)輸纖通道入口出現的氣流漩渦被消除了，從而更有利于纖維運動。

圖3 輸纖通道不同截面氣流流線圖Fig.3 Velocity streamlines of different transport channel sections

圖中還表明，輸纖通道入口截面處的氣流速度分布更為均勻，氣流速度在輸纖通道中心要比壁面附近的略高，但是差異并不是太大。從整體上看，速度主要分布在15～35 m/s。在此次算例中，分梳輥轉速為6 000 r/min，即分梳輥的圓周速度約為19.16 m/s，被分梳輥所握持的纖維的速度與分梳輥的圓周速度相同。定義剝離牽伸倍數為分梳輥表面氣流速度與分梳輥圓周速度之比。據研究[9]，為良好地進行纖維剝取，剝離牽伸倍數應大于1.5，剝離牽伸倍數越大，輸纖通道中纖維運動形態(tài)越好，成紗強度也就越大。圖4示出的纖維剝取區(qū)的氣流速度分布云圖。可看出，該區(qū)域的氣流速度高達30 m/s，其剝離牽伸倍數為1.57，傳統(tǒng)輸纖通道的纖維剝取區(qū)剝離牽伸倍數則不高于1.15。由圖4還可看出，在z=-10 mm和z=-2 mm截面中，傳統(tǒng)輸纖通道的氣流速度沿著輸纖通道出口方向先減小后增大，改進后的氣流速度則是沿著出口方向逐漸增大。由于纖維從分梳輥鋸齒脫離并進入氣流場后，其運動基本上只受到氣流的控制，因此輸纖通道內持續(xù)增大的氣流速度有助于纖維得到連續(xù)的加速，從而提高纖維的平行伸直度，減少彎鉤和不規(guī)則的纖維。

注：單位為m/s。圖4 傳統(tǒng)與改進轉杯紡紗器的纖維剝取區(qū)不同截面處的速度分布云圖Fig.4 Velocity contours of different fiber separation sections in conventional and modified rotor spinning units

3 試驗測試

本文以傳統(tǒng)和設置有旁路通道的轉杯紡紗器進行紡紗試驗和纖維形態(tài)測試，并采用T檢驗法對紡紗測試結果進行分析。

3.1 紡紗試驗

采用2種紡紗器分別紡制34 tex棉紗、42 tex棉紗、34 tex粘膠紗和34 tex棉/粘膠(50/50)混紡紗，共4組8管紗線。具體紡紗參數如表1所示。

表1 紡紗參數Tab.1 Spinning parameters

試驗所測試的紗線性能指標包括斷裂強度、條干不勻率、粗細節(jié)和 ≥ 3 mm毛羽指數等。測試前，先將試樣置于恒溫恒濕室(溫度(20±2) ℃，相對濕度(65±2)%)進行調濕24 h至平衡狀態(tài)。紗線力學性能測試在YG061型電子單紗強力機上進行，每次測試30次，測試時采用等速伸長(CRE)的方式，拉伸速度為500 mm/min，隔距為(500 ±2 )mm。采用長嶺CT3 000條干不勻測試儀測試成紗條干，測試速度為200 m/min。每個試樣測試10個樣本，每次測試100 m，即每個試樣共測試1 000 m。毛羽指數測試采用YG172 A毛羽測試儀進行，測試速度為30 m/min。每個試樣測試10個樣本，每次測試10 m，即每個試樣共測試100 m。以上所有的測試均在恒溫恒濕條件下進行。

3.2 纖維形態(tài)測試

在轉杯紡紗不同階段，纖維所呈現出來的形態(tài)各不相同，纖維形態(tài)的分類方法也是多種多樣[10]。本文采用文獻[11]所提出來的關于纖維形態(tài)的分類，如圖5所示。

圖5 纖維的形態(tài)分類Fig.5 Classification of fiber configuration

由于獲取纖維在輸纖通道中的運動形態(tài)比較困難，本文通過獲取纖維在轉杯凝聚槽中的形態(tài)分布來進行對比驗證。

采用示蹤纖維法獲取纖維的形態(tài)圖像，以粘膠纖維為試驗原料，試驗前先對粘膠纖維進行染色。首先從白色粘膠條子中取一小撮纖維，用直接染色法將這部分纖維染成深藍色，隨后在85 ℃的溫度下烘烤5 h以確保纖維上色和干燥。為使染色纖維在條子中均勻分布，將染色纖維與條子同時在并條機中并和，最終條子的定量為1 437 tex。

試驗時，將混有示蹤纖維(染色纖維)的條子從喂給羅拉喂入，約6 s后停止運行機器，此時在轉杯凝聚槽中會形成帶有示蹤纖維的纖維環(huán)。待轉杯完全停止運行后，采用鑷子小心地將纖維環(huán)夾出來。用剪刀打開纖維環(huán)，并將其平鋪放置在Canon Scan 9000F Mark II掃描儀上進行掃描，掃描的分辨率為1 200像素，得到的圖片為.JPG格式。由于纖維環(huán)非常細，每個纖維環(huán)至多含有 1根示蹤纖維。掃描后得到的纖維圖像如圖6所示。分別采用2種紡紗系統(tǒng)進行示蹤纖維圖像收集，每種紡紗器收集不少于100根示蹤纖維圖像。最后按照圖5對所獲取的纖維的形態(tài)進行歸類。

圖6 纖維掃描圖像及經過MatLab處理的圖像Fig.6 Fiber images obtained by scanning and after processing in MatLab.(a)After scanning；(b)MatLab treated

4 試驗結果分析

4.1 成紗性能對比分析

在Minitab 17.0中對成紗性能的所有測試結果采用T檢驗方差分析法進行顯著性檢驗，顯著性水平a=0.05。

4.1.1斷裂強度對比

表2示出采用傳統(tǒng)和改進的紡紗器所紡紗線的斷裂強度的均值對比。改進的紡紗器所紡的34 tex棉紗、42 tex棉紗、34 tex粘膠紗和34 tex棉/粘膠(50/50)混紡紗的斷裂強度分別為15.59、15.04、8.67、10.61 cN/tex，相比于傳統(tǒng)轉杯紗，分別增長了12.97%、10.43%、8.51%、7.61%。

表2 成紗斷裂強度對比

進一步對這4組紗線的斷裂強度進行T檢驗分析，結果見表3。由表可以看出，4組紗線斷裂強度的T檢驗P值均小于顯著性水平0.05，因此，輸纖通道中旁路通道的設計對轉杯紗的斷裂強度是有顯著性影響的。究其原因，從旁路通道補入輸纖通道內的氣流消除了原本產生于輸纖通道入口處的漩渦，纖維通過輸纖通道時，不再受到漩渦的不良影響而產生彎鉤等不良形態(tài)，從而提高了纖維的平行伸直度。此外，補入氣流增大了纖維剝取區(qū)的氣流速度，提高了剝離牽伸倍數，使得纖維更易被剝離。因此纖維在成紗中的排列形態(tài)更加良好，成紗斷裂強度得以提高。

表3 不同紗線的斷裂強度T檢驗方差分析Tab.3 Analysis on variance of yarn tenacity of different yarns cN/tex

4.1.2條干不勻對比

選取紗線條干不勻率CVm(%)、細節(jié)(-50%)、粗節(jié)(+50%)和棉結(+280%)等4個指標進行檢驗分析，結果如表4～7所示。

表4 成紗CV值對比Tab.4 Comparison of yarn CV %

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

表5 成紗細節(jié)(-50%)對比Tab.5 Comparison of yarn thin places (-50%) 個/km

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

表6 成紗粗節(jié)(+50%)對比Tab.6 Comparison of yarn thick places (+50%) 個/km

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

表7 成紗棉節(jié)(+280%)對比Tab.7 Comparison of yarn neps (+280%) 個/km

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

為簡化，略去方差分析檢驗表，每組紗線相應性能指標的方差分析結果在表中用A和B表示，AA表示2組均值沒有顯著性差異，AB表示2組均值有顯著性差異。由表可看出，改進的轉杯紡紗器對于34 tex棉紗的CVm(%)、細節(jié)(-50%)、粗節(jié)(+50%)和棉結(+280%)是有顯著性提高的。對其他3組紗線的CVm(%)、細節(jié)(-50%)、粗節(jié)(+ 50%)和棉結(+280%)則沒有顯著性影響。從總體上看，改進的轉杯紡紗器對紗線條干的影響受紗線類別的限制而有所不同。

4.1.3毛羽指數對比

毛羽對成紗的性能、質量和后工序加工都有很大影響。試驗選取≥3 mm的紗線毛羽指數進行評價。毛羽指數測試及其檢驗結果如表8所示。T檢驗分析表被省略，顯著性檢驗結果在表8中注明。由表中可以得出，改進的轉杯紡紗器對棉紗的毛羽沒有顯著性影響，但是對34 tex的粘膠紗和棉/粘膠混紡紗的毛羽卻有顯著性影響，這2種紗線的毛羽指數均顯著性降低。

表8 毛羽指數對比Tab.8 Comparison of yarn hairiness

注：AA表示無顯著性差異；AB表示有顯著性差異。

4.2 纖維形態(tài)對比

表9示出2種不同紡紗器的轉杯凝聚槽中不同形態(tài)纖維的比例分布。可知，在改進的轉杯紡紗器中，后彎鉤纖維和前彎鉤纖維所占的比例分別為5.20%和8.09%，在傳統(tǒng)轉杯紡紗器中，這2者的比例分別為8.96%和15.67%，即改進的轉杯紡紗器使得后彎鉤和前彎鉤纖維的比例分別下降了41.96%和48.37%。成圈、對折和完全不規(guī)則纖維的比例變化不大。在傳統(tǒng)轉杯紡紗器中，近似伸直的纖維所占的比例為43.28%，改進后，該比例提升了將近25.55%，為54.34%。從以上分析可以看出，近似伸直纖維的增多主要在于前、后彎鉤纖維的減少。

表9 不同形態(tài)的纖維所占比例Tab.9 Percentages of different fiber configurations %

纖維形態(tài)分布在2種紡紗器中出現差異的主要原因可能是：1)旁路通道補氣，增大了輸纖通道內的氣流量，同時也消除了輸纖通道入口的漩渦，降低了纖維受漩渦影響而出現彎鉤、打折的風險；2)纖維剝取區(qū)氣流速度的增大，提高了剝離牽伸倍數，使得輸纖通道中纖維運動的形態(tài)更加良好；3)輸纖通道入口處的氣流速度分布更加均勻，從而使得纖維能在輸纖通道中得到持續(xù)加速，使彎鉤纖維更容易被伸直。因此，在改進后的輸纖通道中，彎鉤纖維的數量降低了。而對于打圈、對折和完全不規(guī)則的纖維而言，這幾類纖維的伸直度都是比較低，較難以伸直，即使增大氣流牽伸力度也很難伸直這幾類纖維，因此在2種紡紗器中，這幾類纖維所占的比例幾乎不變。

5 結 論

本文通過對設置有旁路通道的輸纖通道進行三維氣流場數值模擬分析、紡紗試驗和纖維形態(tài)測試分析，研究了旁路通道對氣流場分布和轉杯成紗性能的改善情況，得到如下結論。

1)通過在輸纖通道長軸一側的反向延長線上設置一個旁路通道，該旁路通道可消除輸纖通道入口處的氣流漩渦，氣流速度沿著輸纖通道出口方向逐漸增大，使纖維運動得到持續(xù)加速。此外，還提高了纖維剝取區(qū)的氣流速度，使纖維剝離牽伸倍數由原來的不高于1.15增加到了1.57，這對改善纖維伸直度是有利的。

2)改進的轉杯紡紗器可有效地提高成紗斷裂強度，但是對成紗條干不勻和毛羽指數的影響則根據紗線類別的不同而有所不同。在改進的轉杯紡紗器中，前彎鉤纖維和后彎鉤纖維所占比例均有一定程度的降低，說明消除氣流漩渦和提高纖維剝取區(qū)速度有助于這2類纖維的伸直，但對伸直度較低的成圈、對折和完全不規(guī)則纖維的伸直作用不大。

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