一種紗線牽引力測(cè)量裝置的流場(chǎng)特性分析及牽引力的測(cè)量*

張曉飛，馮志華，張　亮，陸　慶，張　榮

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

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一種紗線牽引力測(cè)量裝置的流場(chǎng)特性分析及牽引力的測(cè)量*

張曉飛，馮志華，張亮，陸慶，張榮

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

緯紗牽引力是緯紗飛行的主要?jiǎng)恿?lái)源，可以在引緯時(shí)給予緯紗所需的速度，使得氣流引緯能夠滿足織造工藝要求。設(shè)計(jì)了一套緯紗牽引力的測(cè)量裝置,對(duì)其進(jìn)行了詳盡的流場(chǎng)分析,并對(duì)緯紗牽引力進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的測(cè)量裝置在輔助管道內(nèi)可以獲得較平穩(wěn)的速度和密度值，有利于數(shù)據(jù)的采集和分析；不同規(guī)格的紗線在相同條件下獲得的牽引力大小和緯紗直徑及毛羽有關(guān)。試驗(yàn)測(cè)量的緯紗牽引力為理論研究提供了一定的依據(jù)。

緯紗牽引力；輔助測(cè)試裝置；試驗(yàn)測(cè)試；緯紗直徑

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于緯紗牽引力的研究主要包括理論分析和試驗(yàn)測(cè)試。路翔飛等[1]針對(duì)導(dǎo)紗管內(nèi)部各處緯紗牽引力難以通過(guò)試驗(yàn)獲得的問(wèn)題，提出了通過(guò)數(shù)值計(jì)算和理論分析獲得的方法。郭興峰和沈丹峰等[2-3]依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的一維定常絕熱摩管流理論，推導(dǎo)了緯紗牽引力的理論計(jì)算公式。陳亞威和金玉珍等[4-5]搭建了測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)緯紗的牽引力進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。A.Sabit等[6]制作了一根塑料管，緯紗從塑料管穿過(guò)并兩端固定，在此狀態(tài)下進(jìn)行緯紗牽引力的試驗(yàn)測(cè)試。郭興峰[7]對(duì)主噴嘴進(jìn)行了靜止條件下的緯紗牽引力測(cè)試，并分析了影響緯紗牽引力的因素。本文設(shè)計(jì)制造一種紗線牽引力測(cè)量裝置，通過(guò)幾何建模和數(shù)值仿真來(lái)驗(yàn)證牽引力測(cè)量裝置的合理性，并選取典型的紗線進(jìn)行牽引力的試驗(yàn)測(cè)量。

1　牽引力測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)組成

為了準(zhǔn)確地測(cè)量紗線牽引力，本文設(shè)計(jì)一種紗線牽引力測(cè)量裝置，其主要由DLF—3雙通道電荷電壓濾波積分放大器、INV高精度數(shù)據(jù)采集分析儀、BZ2210系列多通道動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、FD—1動(dòng)態(tài)張力儀、輔助連接裝置和輔助管道組成(見圖1)。其中，張力儀把應(yīng)變信號(hào)傳送到動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，信號(hào)通過(guò)放大器的放大作用被數(shù)據(jù)采集儀接收并傳入計(jì)算機(jī)設(shè)備。

圖1　牽引力測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)組成

2　牽引力測(cè)量裝置的流場(chǎng)特性分析

2.1牽引力測(cè)試裝置內(nèi)外流場(chǎng)模型

數(shù)值模擬的計(jì)算區(qū)域?yàn)闇y(cè)試裝置內(nèi)流場(chǎng)、緯紗入口端外界大氣和輔助管道出口處自由射流區(qū)。為了方便計(jì)算，把自由射流區(qū)簡(jiǎn)化為分段圓柱形流場(chǎng)。另外，由于流場(chǎng)模型為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故取其一半進(jìn)行研究。本文依據(jù)牽引力測(cè)試裝置的幾何參數(shù)，應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)其內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)體建模(見圖2)。

圖2　牽引力測(cè)設(shè)裝置內(nèi)外流場(chǎng)三維模型

2.2牽引力測(cè)試裝置內(nèi)外流場(chǎng)模型的網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)定

為了對(duì)牽引力測(cè)量裝置進(jìn)行數(shù)值分析，以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性，將上述三維模型導(dǎo)入專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的原則為:結(jié)構(gòu)復(fù)雜處網(wǎng)格劃分較密，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單處網(wǎng)格劃分較疏。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，主要由四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格組成，網(wǎng)格的總數(shù)量為626 139個(gè)。將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入流體模擬分析軟件Fluent中，進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，主要分為壓力入口、壓力出口、壁面和對(duì)稱面。

圖3　牽引力測(cè)試裝置內(nèi)外流場(chǎng)網(wǎng)格劃分模型

2.3牽引力測(cè)量裝置的數(shù)值模擬結(jié)果及流場(chǎng)特性分析

為了獲得盡可能大范圍的射流軸向速度，輔助管道主要選用了8種不同規(guī)格的亞克力管(見表1)。為了方便牽引力的測(cè)量，使其結(jié)果更準(zhǔn)確，選擇在紗線末端加砝碼，即兩端固定的測(cè)量方式，輔助管道的有效長(zhǎng)度為圖1中砝碼所在豎直位置到導(dǎo)紗管的距離。

表1　輔助管道的分類

本文通過(guò)測(cè)試在不同表壓下供氣入口處的流量，計(jì)算出相應(yīng)的入口氣流速度，計(jì)算方法和陳亮等[8]相同；然后應(yīng)用Fluent軟件，模擬不同供氣壓力下測(cè)試裝置軸向中心線氣流速度及密度，并進(jìn)行擬合。不同輔助管道的射流軸向速度和密度曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4　4種輔助管道下的測(cè)試裝置軸向氣流速度曲線

圖5　4種輔助管道下的測(cè)試裝置軸向氣流密度曲線

由圖4可知，在其他條件不變的情況下，4組速度曲線的變化趨勢(shì)相似，4組速度曲線在輔助管道內(nèi)都獲得了相對(duì)穩(wěn)定的一段。由圖4a和圖4b可知，在相同條件下，輔助管道內(nèi)徑越小，速度越大。由圖4c和圖4d可知，輔助管道較長(zhǎng)，獲得的平穩(wěn)速度曲線也較長(zhǎng)。

由圖5可知，在其他條件不變的情況下，4組密度曲線的變化趨勢(shì)相似，4組密度曲線在輔助管道內(nèi)都獲得了相對(duì)穩(wěn)定的一段，輔助管道較長(zhǎng)，獲得的平穩(wěn)密度曲線也較長(zhǎng)。

由上述可知，設(shè)計(jì)的牽引力輔助測(cè)量裝置可以在輔助管道內(nèi)獲得相對(duì)平穩(wěn)的氣流速度和密度，獲得的速度及密度參數(shù)對(duì)于牽引力的推導(dǎo)具有重要的意義。

3　緯紗牽引力的試驗(yàn)測(cè)試

3.1緯紗種類

試驗(yàn)選用的紗線主要包括7種規(guī)格，分別是氣流紡粘膠紗(OER):OER21S、OER16S、OER13.5S和OER10.5S；氣流紡純滌紗(OET):OET16S、OET13S和OET10S。

3.2測(cè)試方法

由表1可知，輔助管道A-2的有效長(zhǎng)度為120mm，A-1的有效長(zhǎng)度為80mm，A-1和A-2的其他條件相同，所以其有效區(qū)的速度和密度基本一致，測(cè)試時(shí)先測(cè)出A-2的緯紗牽引力F1，再測(cè)出A-1的緯紗牽引力F2，則可以獲得長(zhǎng)度為40mm的緯紗牽引力為：

ΔF=F1-F2

(1)

3.3試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

采用上述方法對(duì)7種規(guī)格紗線分別在A、B、C和D等4種輔助管道中進(jìn)行牽引力測(cè)量，測(cè)試的結(jié)果如圖6所示，圖中a～g分別代表OER21S、OER16S、OER13.5S、OER10.5S、OET16S、OET13S和OET10S等7種規(guī)格。

圖6　4種輔助管道下牽引力隨供氣壓力的變化

由圖6可知， 7種規(guī)格的紗線在不同的輔助管道內(nèi)，氣流與緯紗間牽引力隨供氣壓力的變化趨勢(shì)基本相同，即隨著供氣壓力的增加，氣流與緯紗間牽引力逐漸增大；供氣壓力較小時(shí)，不同緯紗的牽引力相差較小，隨著供氣壓力的增加，不同緯紗的牽引力差別逐漸增大，在供氣壓力為0.5MPa時(shí)差別最大；同樣的供氣壓力下，氣流與緯紗間牽引力從大到小的順序是g→f→d→c→e→b→a。有的曲線偶爾有所交叉，這是由于測(cè)試牽引力的試驗(yàn)條件的限制引起的。在試驗(yàn)測(cè)試牽引力時(shí)，采取3s內(nèi)的微應(yīng)變，取其平均值。氣流與緯紗間的牽引力不僅與相對(duì)速度、供氣壓力有關(guān)，還與緯紗的直徑大小和毛羽的影響有關(guān)，不同規(guī)格的同種緯紗，緯紗的直徑越大，氣流與緯紗的牽引力越大；反之，緯紗的直徑越小，氣流與緯紗間牽引力越小。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究得出結(jié)論如下：1)本文設(shè)計(jì)的牽引力測(cè)量裝置通過(guò)數(shù)值模擬證明了其可行性；2)在一定的供氣壓力范圍內(nèi)，氣流與緯紗間牽引力均隨供氣壓力的變化而變化；3)所測(cè)試的7種規(guī)格緯紗的牽引力均隨供氣壓力的增大而增加；4)對(duì)于不同規(guī)格的同種緯紗，緯紗的直徑越大，氣流與紗線的牽引力越大；反之，緯紗的直徑越小，氣流與緯紗間牽引力越小。

[1] 路翔飛, 馮志華, 孫中奎，等. 基于Fluent的噴氣織機(jī)主噴嘴緯紗牽引力分析與計(jì)算[J].紡織學(xué)報(bào), 2011, 32(9):125-129.

[2] 郭興峰, 陳清華. 噴氣織機(jī)主噴嘴牽引緯紗力的計(jì)算與測(cè)試[J].紡織學(xué)報(bào),2001,22(3):24-27.

[3] 沈丹峰, 葉國(guó)銘. 氣流引緯動(dòng)力學(xué)分析與測(cè)試[J]. 絲綢,2006(5): 29-33.

[4] 陳亞威, 沈毅, 林樂(lè). 噴氣織機(jī)主噴嘴緯紗牽引力的測(cè)試與分析[J].浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,24(3):238-242.

[5] 金玉珍, 韓濤, 胡旭東，等. 紗線飛行的理論分析與試驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào),2009,30(8):1309-1311.

[6]SabitA,MansourHM.Analysisofairflowinair-jetfillinginsertion[J].TextileResearchJournal, 1991, 61(4):253-258.

[7] 郭興峰. 噴氣織機(jī)主噴嘴靜態(tài)緯紗牽引力的研究[J].棉紡織技術(shù),1997,25(4):226-228.

[8]ChenL,FengZH,DongTZ,etal.Numericalsimulationoftheinternalflowfieldofanewmainnozzleinanair-jetloombasedonFluent[J].TextRes.J.，2015，85(15): 1590-1601.

* 江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(09-4-22D)

責(zé)任編輯馬彤

TheFlowFieldCharacteristicoftheDragForcebyUsingMeasuringDeviceandtheExperimentalMeasurementoftheDragForce

ZHANGXiaofei，F(xiàn)ENGZhihua，ZHANGLiang，LUQing，ZHANGRong

(CollegeofMechanicalandElectricEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215021,China)

Dragforceisthemainpowersourcefortheweftinsertion,whichcanprovideanecessaryflyingratethatsatisfiestherequirementoftheweavingprocess.Anewtestissetupforthemeasuringofthedragforcebewteenairandweft.Then,theflowfieldcharacteristicisanalyzeddetailedly.Finally,anexperimentaboutthewefts’forceisconducted.Theresultsshowthatasteadyvelocityanddensityvaluesaregainedinthedesignedmeasuringdesiveoftheauxiliarypipeline,whichiseasytocollectdataandanalyze,thedragforcegainedisrelatedtodiameteroftheyarnandyarnhairinessunderdifferentspecificationsinthesameconditions.Theresultsprovideacertainbasisforthetheoreticalresearch.

dragforce，measuringdevice，experimentalmeasurement，diameteroftheyarn

2015-11-01

TS101．2A

張曉飛(1989-)，男，碩士研究生，主要從事新型紡織機(jī)械、機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為及其控制等方面的研究。

馮志華