氣流導(dǎo)向裝置對緊密紡負壓分布影響及其成紗性能

龔浩然,余 豪,胡勝伢,楊圣明,劉可帥

(1.武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430200; 2.安徽華茂紡織股份有限公司,安徽安慶 246018)

在當今的紡紗環(huán)境中,環(huán)錠紡由于其具有成紗結(jié)構(gòu)合理、適紡號數(shù)廣泛的特點,依然是現(xiàn)今主流的紡紗方式[1]。但環(huán)錠紡在成紗質(zhì)量方面還存在很大的進步空間,因此延伸出了緊密紡、扭妥紡等新技術(shù),大大改善了紗線質(zhì)量。

緊密紡是在環(huán)錠紡紗的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型紡紗方法[2]。通過在現(xiàn)有的環(huán)錠細紗機上添加纖維集聚裝置,能夠有效地減小輸出須條的寬度從而減小甚至消除加捻三角區(qū),使纖維間的控制力加強、抱合力增大,改善紗線成紗質(zhì)量。根據(jù)集聚原理,緊密紡可分為負壓式緊密紡和機械式緊密紡[5]。負壓式緊密紡由于采用負壓吸引纖維,握持較好,在不改變緊密裝置參數(shù)的情況下能適應(yīng)不同的紡紗細度要求,因此在成紗的適應(yīng)性和成紗質(zhì)量方面要優(yōu)于機械式緊密紡。但負壓式緊密紡裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,負壓產(chǎn)生的能耗較高,以及后期的清潔維護等導(dǎo)致成本相對機械式緊密紡較高。其中負壓式四羅拉網(wǎng)格圈式緊密紡,通過使用配套的網(wǎng)格圈和帶有斜向溝槽的集聚異形管并連接著吸風(fēng)系統(tǒng),在溝槽處形成的負壓會使周圍的空氣導(dǎo)向作用在網(wǎng)格圈表面的經(jīng)過牽伸后的纖維須條,產(chǎn)生纖維的集聚效果,最后經(jīng)由輸出羅拉加捻成紗。不少研究員對此展開了研究,例如,Saty等[10]利用ANSYS分析不同負氣壓對網(wǎng)格圈式緊密紡纖維集聚的影響,并實驗證明了通過增加負壓,流速增加,導(dǎo)致橫向集聚效果的更大增加。Liu等[11]開發(fā)了一種氣流導(dǎo)向裝置,可以進一步提高紗線性能,但適紡紗號受限。梅恒等[12]采用Fluent數(shù)值仿真法,通過建立計算流體動力學(xué)模型,模擬了四羅拉緊密紡系統(tǒng)加裝氣流導(dǎo)向裝置后集聚區(qū)的氣流分布變化,為改善紗線質(zhì)量和更加合理地設(shè)計緊密紡系統(tǒng)提供了理論參考。劉曉艷等[13]通過有限元軟件ANSYS對集聚區(qū)的三維流場進行數(shù)值模擬分析,得出相關(guān)規(guī)律并輔以實驗加以證明。

本文在負壓式緊密紡基礎(chǔ)上,擬設(shè)計一種具有改善集聚效果的氣流導(dǎo)向裝置,將負壓區(qū)域的多維氣流場進行控制,從而有效提高集聚效果,改善成紗質(zhì)量。

1 成紗原理

裝有氣流導(dǎo)向裝置的四羅拉網(wǎng)格圈式緊密紡裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。須條在離開羅拉鉗口線時,會受到負壓氣流的吸引,被迅速吸附到網(wǎng)格圈上對應(yīng)的吸風(fēng)口位置,然后沿著運動方向不斷向前移動。此外,通過安裝氣流導(dǎo)向裝置,須條上方的氣流得到削弱,使得須條集聚區(qū)的氣流主要從兩側(cè)流入,然后在與須條運動方向一定角度設(shè)置的吸風(fēng)口傾斜的作用下,須條纖維可以在氣流力的作用下繞其自身軸向旋轉(zhuǎn),并將纖維末端穩(wěn)固地嵌入纖維主體干中。這樣,須條纖維逐漸收縮并集聚為成紗寬度,同時加捻三角區(qū)也消失了,最終形成了一種緊密的紗線[10-11]。Liu等[11]開發(fā)的氣流導(dǎo)向裝置是一長方形無開孔的有機玻璃蓋板,通過側(cè)面的平板固定在搖架上。而本文提出的氣流導(dǎo)向裝置雖然材質(zhì)相同,但是形狀為瓦片狀(見圖2),與異性管的弧度相近,更加貼合表面。并且在蓋板上開有兩處長方形孔洞,不僅方便空氣的流通,還能改變氣流對紗線的作用方向。本裝置是以卡扣的形式固定在輸出膠輥內(nèi)側(cè),方便拆卸。

圖1 氣流導(dǎo)向裝置安裝位置結(jié)構(gòu)Fig.1 Air flow guide installation position structure diagram

圖2 氣流導(dǎo)向裝置示意Fig.2 Schematic diagram of the airflow guidance device

氣流導(dǎo)向裝置的原理如圖3所示。在圖3(a)中無氣流導(dǎo)向裝置,外界氣流從各個方向被吸入吸風(fēng)口,集聚區(qū)的纖維須條受到的空氣作用力分布范圍廣,并且來自于須條上方的空氣作用力對須條集聚只起到輔助作用,而來自于兩側(cè)的空氣作用力才對須條集聚起到主要作用。但在一定的負壓下,起到主要集聚作用的兩側(cè)空氣作用力要小于上方作用力,因此對須條的集聚效果較差。

圖3(b)顯示在細紗機中加裝了氣流導(dǎo)向裝置后,外界氣流被引導(dǎo)進入紡紗區(qū)域的兩側(cè),強化了對須條的聚集效果,使得纖維能夠以平行的狀態(tài)較好地聚集,而不會因為擴散而沒有被集聚進紗體中。相比較而言,未加裝氣流導(dǎo)向裝置的緊密紡系統(tǒng)無法引導(dǎo)外界氣流進入紡紗區(qū)域的兩側(cè)。同時,須條的寬度更窄,可以更大程度地縮小紡紗三角區(qū),從而使風(fēng)壓的利用率提高,能耗減少。

圖3 氣流導(dǎo)向裝置原理示意Fig.3 Schematic diagram of the principle of the air flow guidance device

2 實 驗

2.1 試驗方案

氣流導(dǎo)向裝置紡紗示意如圖4所示。在加裝網(wǎng)格圈式緊密紡紡紗裝置和氣流導(dǎo)向裝置的華方電錠細紗機上分別紡制 14.8、9.8 tex和7.4 tex 的3種芳綸紗。其中,網(wǎng)格圈型緊密紡所設(shè)負壓為 2500 Pa。其中實驗工藝參數(shù):錠速6300 r/min,粗紗定量 2.87 g/(10 m),設(shè)定捻度900 T/m,隔距塊3.0 mm,后區(qū)牽伸倍數(shù)1.35,前羅拉線速度12.48 m/min,鋼領(lǐng)型號PG1-4254。

圖4 氣流導(dǎo)向裝置紡紗示意Fig.4 Diagram of spinning with air guide

2.2 紡紗工藝

紡制 3 種芳綸紗和 3 種加裝氣流導(dǎo)向裝置的芳綸紗的具體方案見表 1。所有紗線的生產(chǎn)和測試環(huán)境:溫度(20±2)℃,相對濕度(65±2)%。

表1 紡紗方案Tab.1 Spinning scheme

3 結(jié)果與分析

3.1 紗線毛羽性能

紗線毛羽測試采用型號為YG172C毛羽測試儀,每種規(guī)格紗線隨機測量10個片段,每個片段 10 m,測試速度30 m/min。不同規(guī)格的芳綸紗線的毛羽測試結(jié)果如表2所示。紗線毛羽是影響紗線后加工及穿著舒適性的主要因素,并且對紗線的強度也有一定的影響[14]。

表2 毛羽測試結(jié)果Tab.2 Hairiness test results 根/10m

無論是否加裝氣流導(dǎo)向裝置還是不同規(guī)格的紗線,1～2 mm有益毛羽仍然是紗線毛羽的主體組成部。由表1可知,通過對比1、3、5和2、4、6,可以看出隨著紗線線密度減小,無論是否加裝氣流導(dǎo)向裝置,紗線的毛羽數(shù)量也隨之減小;在相同線密度下分采用氣流導(dǎo)向裝置所紡紗線毛羽無論是有益毛羽還是有害毛羽都少于普通緊密紡所紡紗線,但在加裝氣流導(dǎo)向裝置后3 mm有害毛羽的降幅最低可達16%(7.4 tex),最高可達58.1%(14.8 tex)。并且紗線線密度越大,應(yīng)用氣流導(dǎo)向裝置紡制的紗線毛羽質(zhì)量越好。在紡紗過程中,纖維離開羅拉鉗口線后受到氣流的作用,氣流與纖維的運動方向相傾斜,使纖維圍繞自身進行軸向旋轉(zhuǎn),集聚效果較好。而在加裝氣流導(dǎo)向裝置后,對作用在紗線周圍的氣流方向有明顯改變,主要使氣流匯聚方向由四周改為左右兩側(cè)。并且在自身的軸向旋轉(zhuǎn)作用下,使得裸露在紗線表面的毛羽纖維在氣流的作用力下貼附在紗線表面。

3.2 紗線條干性能

紗線條干使用型號為USTER4-S條干儀,速度200 m/min,時間2 min。條干均勻度是指紗線在軸向的粗細均勻程度,是衡量紗線質(zhì)量的重要指標,是能在一定程度上反映紗線外觀和結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。紗線的疵點和不勻會造成后期織造斷紗,影響生產(chǎn)率[15]。

由表3可知,隨著紗線的線密度的增大,無論是否采用氣流導(dǎo)向裝置,紗線的條干、細節(jié)、粗結(jié)和棉結(jié)都有一定的降低。紡制相同線密度的紗線時,采用氣流導(dǎo)向裝置所紡紗線的條干性能差于普通緊密紡,并且在細節(jié)、粗節(jié)和棉結(jié)方面有所惡化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是:紗線表層裸露的纖維在氣流導(dǎo)向裝置內(nèi)部強氣流的作用下重新包纏集聚在紗線表面,但是卻無法調(diào)控毛羽包纏精度,導(dǎo)致紗線條干性能方面略有惡化。

表3 條干測試結(jié)果Tab.3 Yarn evenness test results

3.3 紗線強伸性能

紗線強力性能采用YG063G單紗強力儀測試,每管紗線測試10次,每段試樣長度500 mm,采用等速伸長方式,拉伸預(yù)加張力0.5 cN/tex?？椢锏膹娏μ岣卟粌H與織物的組織結(jié)構(gòu)有關(guān),還與紗線的力學(xué)性能有關(guān)。紗線的強力提高可以有效的降低紡紗過程中的斷頭率,還能在一定的程度上降低紡紗的捻度從而提高錠速進而提高紗線的產(chǎn)量。并且紗線的強力提高也為后期的織造、染整等工序創(chuàng)造了良好的條件。不同規(guī)格的紗線的斷裂強力如圖5所示。

由圖5可知,無論是否采用氣流導(dǎo)向裝置所紡紗線的斷裂強力和斷裂伸長率都是隨著紗線的線密度的增大而增大。而對比相同線密度紗線時發(fā)現(xiàn)采用氣流導(dǎo)向裝置紡出的紗線強力都明顯好于普通緊密紡,斷裂伸長率有所增加。在氣流導(dǎo)向裝置的作用下,14.8 tex紗線強力相比于原紗強力提升了3.0%、9.8 tex紗線強力相比于原紗強力提升了5.2%、7.4 tex紗線強力相比于原紗強力提升了7.4%,不難看出隨著紗線的線密度減小,紗線的強力提高程度有所增加。須條所承受的附加捻度和纖維斷裂的同時性是影響紗線強度的主要因素。采用氣流導(dǎo)引裝置的網(wǎng)格圈緊密紡在集聚過程中產(chǎn)生的附加捻度較大,使紗體中的纖維相互間的扭轉(zhuǎn)和纏結(jié)更加明顯,而氣流導(dǎo)引裝置的存在,大大提高了紗線兩側(cè)的氣流速度,從而大大提高了纖維間的抱合力,使紗線在紡紗過程中斷裂較少,強度提高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計和建立了帶有氣流導(dǎo)向裝置的緊密紡,探究了該氣流導(dǎo)向裝置對不同線密度成紗性能的影響,并與無氣流導(dǎo)向裝置的緊密紡紗線質(zhì)量進行對比,得出以下結(jié)論:

a)對紗線毛羽的影響。在氣流導(dǎo)向裝置的作用下,紗線周圍的氣流方向有明顯改變,主要使氣流匯聚方向由四周改為左右兩側(cè)。并且在自身的軸向旋轉(zhuǎn)作用下,使得裸露在紗線表面的毛羽纖維在氣流的作用力下貼附在紗線表面,紗線的毛羽數(shù)量整體降低。在氣流導(dǎo)向裝置的作用影響下,14.8 tex紗線的3 mm毛羽降低了58.1%,9.8 tex紗線的 3 mm 毛羽降低了18.8%,7.4 tex紗線的3 mm毛羽降低了16.0%。

b)對條干的影響。裸露在紗線表面的毛羽在氣流的作用下重新包纏在紗線表面,但由于氣流導(dǎo)向裝置內(nèi)部氣流不能調(diào)控毛羽包纏精度,導(dǎo)致紗線條干、粗細節(jié)、棉結(jié)有所惡化。

c) 對強力的影響。氣流導(dǎo)向裝置對紗線的強力有明顯的提升作用,并且隨著線密度的降低,強力提升效果明顯。14.8 tex紗線強力提升了3.0%、9.8 tex紗線強力提升了5.2%、7.4 tex紗線強力提升了7.4%。