超高速紡絲吸絲槍吸絲效率影響因素的研究*

李永貴，張齡方，葛明橋

（1.閩江學院紡織服裝技術福建省高校工程研究中心，福建 福州350108；2.生態紡織教育部重點實驗室 （江南大學），江蘇 無錫214122）

超高速紡絲 （卷繞速度6 000～12 000 m／min）已經由實驗室階段向工業化轉變。然而，傳統的以壓縮空氣為動力的吸絲槍的吸絲速度不到6 000 m／min[1-3]；因此，在超高速紡絲生頭或換筒時，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[4-5]。因此，迫切要求開發新型的超高速吸絲槍。為了給制備高性能吸絲槍 （強吸絲力和低能耗）提供技術支持，本實驗對最具代表性的滌綸FDY型吸絲槍進行了系統研究，考察了主要結構參數對吸絲能力[5-7]、 流場[8-9]和紗線運動[10-11]的影響。不同的紡絲設備、不同的產品規格及紡絲速度、不同的供氣壓力需要選取不同規格的吸絲槍。但是，這方面的研究尚未見相關報道。本實驗測試了不同紗線種類、紗線喂入速度和供氣壓力下吸絲槍的吸絲張力和壓縮空氣質量流率，分析了這些因素對吸絲槍吸絲效率的影響機理，為進一步提高吸絲槍的性能提供參考。

1 實驗

1.1 實驗裝置及方法

如圖1所示，從空壓機1出來的壓縮空氣，經過儲氣罐2、油水分離器3、流量計4和壓力表5，進入吸絲槍6。從筒子7上退繞下來的紗線被吸入吸絲槍。紗線速度由速度調節器 （喂給羅拉）9控制，由張力儀10測得的張力 （以下稱吸絲張力）間接表示吸絲槍的吸力[5-6]。

圖1 實驗裝置示意圖

1.2 吸絲槍結構及工作原理

圖2是本研究所設計的吸絲槍的結構示意圖。吸絲槍主要包括紗線吸入管①、噴嘴②、拉瓦爾管③和直管④。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。壓縮空氣流入孔均勻分布于噴嘴圓周，它們的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③與直管④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①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[4-5]。

1.3 實驗條件和材料

在本研究中，吸絲槍的結構參數采用文獻[5-7]所得的最佳值。紗線喂入速度v=200～1 200 m／min，供氣壓力p=0.4～0.6 MPa（表壓），所選擇的紗線品種及規格見表1。圖2為吸絲槍結構示意圖。

圖2 吸絲槍結構示意圖

表1 紗線品種及規格

1.4 評價方法

吸絲性能的評價指標有吸絲張力、吸絲速度和紗線吸入管入口負壓等。為了便于不同吸絲槍的性能比較，從能量效率的角度，采用吸絲效率η來評價，其定義為吸絲張力F與空氣質量流率G的比值，即η=F／G[5-7]。

2 結果與討論

2.1 紗線喂入速度及供氣壓力對吸絲效率的影響

如圖3（a）所示。不同的供氣壓力p下，隨著紗線喂入速度v從200 m／min到1 200 m／min逐漸增大，吸絲力F都呈減小趨勢。這可能是由于隨著v的增大，吸絲槍內空氣與紗線的相對速度越來越小，從而使得兩者間的摩擦力減小，通過紗線張力來反映的F就呈現減小的趨勢。當v相同時，F隨著p的增大而增大。其原因可能是，隨著p的增大，壓縮空氣流入孔中，壓縮空氣處于超臨界狀態 （馬赫數M=1）[12]空氣速度不變，空氣密度隨著p的增大而增大，從而空氣質量流量G也隨之增加，空氣密度也相應提高，從而紗線與空氣之間的摩擦力增大，結果使F提高。如圖3（b）所示，總體來看，在p一定的條件下，吸絲效率η隨著v的增大而減??；當v保持不變時，隨著p的增大，η基本呈下降趨勢。這可能是由于p越大，槍內尤其是壓縮空氣流入孔出口附近由于空間較小，使得亂流越多，造成較多的空氣動能損失，轉化成無用的熱能 （或勢能），最終降低了η。而p過小，則難以形成超音速渦流，在紗線吸入管中無法產生足夠的負壓，紗線不能被吸入，吸絲槍無法應用。

圖3 紗線喂入速度v和供氣壓力p對吸絲效率的影響

2.2 紗線品種及規格對吸絲效率的影響

全拉伸絲 (FDY)和拉伸變形絲 （DTY）是滌綸長絲中應用最為廣泛的兩種。我們用這兩類長絲的10種紗線 （見表1）來進行實驗，通過改變紗線品種與細度來考察紗線特征對吸絲槍吸絲效率的影響規律。設定v=600 m／min，p=0.5 MPa。

如圖4所示，隨著FDY、DTY紗線線密度增大，F隨之增加，η也隨之提高。這主要是因為，對于同一類紗線，紗線直徑隨著紗線線密度增加而增加，從而增加了紗線與空氣之間的摩擦力，即提高了F。同一細度的不同紗線，在同一條件下，FDY受到的F要比DTY的F大。這可能是因為DTY紗線具有較高的彈性，盡管單絲有波狀屈曲，增大了與空氣的摩擦力，但由于DTY有卷曲，實際喂入速度比設計給定值大，所以實測F值會較小，總體表現出來的F就小于相同細度的FDY紗線。隨著紗線種類及規格的變化，空氣質量流量G基本不變，因此本文未列出，其影響可以忽略不計，原因可能是紗線直徑相對吸絲槍氣道直徑來說很小，對氣流流場的影響很小。η與F變化趨勢相似。

圖4 紗線種類和細度對吸絲效率的影響

3 結論

本實驗研究了實驗條件和紗線種類與規格對吸絲槍吸絲效率的影響。結果表明：

（1） 對同一種紗線，在p一定的條件下，隨著v的增加，吸絲力F和吸絲效率η呈現減小趨勢；v一定時，隨著p的增大，F和空氣質量流量G均增大，但η呈下降趨勢。

（2）在p和v一定的條件下，同一類紗線，線密度越大，F和η越大；對于相同細度的FDY與DTY， FDY受到的F較大，η較高。

（3）僅通過增加供氣壓力來提高吸絲槍作用的辦法并不可行。

[1] RICHTER H H.Yarn handling apparatus： US， 345 2910[P].1969-07-01.

[2] VANDERIPHA.Yarnhandlingmethodandapparatus：US，3570339[P].1971-03-16.

[3] MCFALL A J.Yarn-handling device:US，4181247[P].1980-01-01.

[4] 張齡方，李永貴，葛明橋.國內外吸絲槍的研究進展 [J].合成纖維工業，2012，35(6):43-46.

[5] 李永貴，張齡方，葛明橋.吸絲槍噴嘴結構設計[J].化纖與紡織技術，2013，12(1):40-44.

[6] LI Y，ZHANG L，GE M，et al.Design of the nozzle of a yarn suction gun for fully drawn yarn[J].Textile Research Journal， 2014， 84(2):225-230.

[7] IEMOTO Y， TANOUE S， HOSOKAWA J， LI Y et al.Geometry effect of air suction gun on the yarn suction characteristics[J].J Tex Eng， 2008， 54(2):41-47.

[8] LI Y，IEMOTO Y，TANOUE S et al.Numerical simulation of airflow characteristics in air suction gun[J].J Tex Eng， 2010， 56(4):97-106.

[9] LI Y，IEMOTO Y，TANOUE S et al.Numerical analysis of the geometrical effects on the airflow characteristics of an air suction gun[J].J Tex Eng， 2010， 56(6):163-172.

[10] LI Y，IEMOTO Y，TANOUE S et al.Yarn posture in an air suction gun[J].J Tex Eng， 2010， 56(6):173-179.

[11] LI Y，IEMOTO Y，TANOUE S et al.Yarn motion in an air suction gun[J].J Tex Eng， 2011， 57(2):1-7.

[12] FINNEMORE E J，FRANZINI J B.Fluid Mechanics with Engineering Applications[M].10th ed.New York:McGraw-Hill Companies， Inc.， 2002:600-601.