一種紗線牽引力測量裝置的流場特性分析及牽引力的測量*

張曉飛，馮志華，張　亮，陸　慶，張　榮

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

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一種紗線牽引力測量裝置的流場特性分析及牽引力的測量*

張曉飛，馮志華，張亮，陸慶，張榮

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021)

緯紗牽引力是緯紗飛行的主要動力來源，可以在引緯時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。設計了一套緯紗牽引力的測量裝置,對其進行了詳盡的流場分析,并對緯紗牽引力進行了試驗測量。結果表明，所設計的測量裝置在輔助管道內可以獲得較平穩的速度和密度值，有利于數據的采集和分析；不同規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。試驗測量的緯紗牽引力為理論研究提供了一定的依據。

緯紗牽引力；輔助測試裝置；試驗測試；緯紗直徑

目前，國內外對于緯紗牽引力的研究主要包括理論分析和試驗測試。路翔飛等[1]針對導紗管內部各處緯紗牽引力難以通過試驗獲得的問題，提出了通過數值計算和理論分析獲得的方法。郭興峰和沈丹峰等[2-3]依據空氣動力學的一維定常絕熱摩管流理論，推導了緯紗牽引力的理論計算公式。陳亞威和金玉珍等[4-5]搭建了測試試驗臺，對緯紗的牽引力進行了試驗測試。A.Sabit等[6]制作了一根塑料管，緯紗從塑料管穿過并兩端固定，在此狀態下進行緯紗牽引力的試驗測試。郭興峰[7]對主噴嘴進行了靜止條件下的緯紗牽引力測試，并分析了影響緯紗牽引力的因素。本文設計制造一種紗線牽引力測量裝置，通過幾何建模和數值仿真來驗證牽引力測量裝置的合理性，并選取典型的紗線進行牽引力的試驗測量。

1　牽引力測量裝置的結構組成

為了準確地測量紗線牽引力，本文設計一種紗線牽引力測量裝置，其主要由DLF—3雙通道電荷電壓濾波積分放大器、INV高精度數據采集分析儀、BZ2210系列多通道動態電阻應變儀、FD—1動態張力儀、輔助連接裝置和輔助管道組成(見圖1)。其中，張力儀把應變信號傳送到動態電阻應變儀，信號通過放大器的放大作用被數據采集儀接收并傳入計算機設備。

圖1　牽引力測量裝置的結構組成

2　牽引力測量裝置的流場特性分析

2.1牽引力測試裝置內外流場模型

數值模擬的計算區域為測試裝置內流場、緯紗入口端外界大氣和輔助管道出口處自由射流區。為了方便計算，把自由射流區簡化為分段圓柱形流場。另外，由于流場模型為對稱結構，故取其一半進行研究。本文依據牽引力測試裝置的幾何參數，應用Pro/E軟件對其內外流場進行實體建模(見圖2)。

圖2　牽引力測設裝置內外流場三維模型

2.2牽引力測試裝置內外流場模型的網格劃分和邊界設定

為了對牽引力測量裝置進行數值分析，以驗證其設計的合理性，將上述三維模型導入專業網格劃分軟件Hypermesh進行網格劃分。網格劃分的原則為:結構復雜處網格劃分較密，結構簡單處網格劃分較疏。網格劃分結果如圖3所示，主要由四面體網格和六面體網格組成，網格的總數量為626 139個。將劃分好的網格模型導入流體模擬分析軟件Fluent中，進行邊界條件的設定，主要分為壓力入口、壓力出口、壁面和對稱面。

圖3　牽引力測試裝置內外流場網格劃分模型

2.3牽引力測量裝置的數值模擬結果及流場特性分析

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種不同規格的亞克力管(見表1)。為了方便牽引力的測量，使其結果更準確，選擇在紗線末端加砝碼，即兩端固定的測量方式，輔助管道的有效長度為圖1中砝碼所在豎直位置到導紗管的距離。

表1　輔助管道的分類

本文通過測試在不同表壓下供氣入口處的流量，計算出相應的入口氣流速度，計算方法和陳亮等[8]相同；然后應用Fluent軟件，模擬不同供氣壓力下測試裝置軸向中心線氣流速度及密度，并進行擬合。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種輔助管道下的測試裝置軸向氣流速度曲線

圖5　4種輔助管道下的測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相似，4組速度曲線在輔助管道內都獲得了相對穩定的一段。由圖4a和圖4b可知，在相同條件下，輔助管道內徑越小，速度越大。由圖4c和圖4d可知，輔助管道較長，獲得的平穩速度曲線也較長。

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相似，4組密度曲線在輔助管道內都獲得了相對穩定的一段，輔助管道較長，獲得的平穩密度曲線也較長。

由上述可知，設計的牽引力輔助測量裝置可以在輔助管道內獲得相對平穩的氣流速度和密度，獲得的速度及密度參數對于牽引力的推導具有重要的意義。

3　緯紗牽引力的試驗測試

3.1緯紗種類

試驗選用的紗線主要包括7種規格，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測試方法

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

ΔF=F1-F2

(1)

3.3試驗測試結果

采用上述方法對7種規格紗線分別在A、B、C和D等4種輔助管道中進行牽引力測量，測試的結果如圖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種規格的紗線在不同的輔助管道內，氣流與緯紗間牽引力隨供氣壓力的變化趨勢基本相同，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，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，這是由于測試牽引力的試驗條件的限制引起的。在試驗測試牽引力時，采取3s內的微應變，取其平均值。氣流與緯紗間的牽引力不僅與相對速度、供氣壓力有關，還與緯紗的直徑大小和毛羽的影響有關，不同規格的同種緯紗，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　結語

通過上述研究得出結論如下：1)本文設計的牽引力測量裝置通過數值模擬證明了其可行性；2)在一定的供氣壓力范圍內，氣流與緯紗間牽引力均隨供氣壓力的變化而變化；3)所測試的7種規格緯紗的牽引力均隨供氣壓力的增大而增加；4)對于不同規格的同種緯紗，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的噴氣織機主噴嘴緯紗牽引力分析與計算[J].紡織學報, 2011, 32(9):125-129.

[2] 郭興峰, 陳清華. 噴氣織機主噴嘴牽引緯紗力的計算與測試[J].紡織學報,2001,22(3):24-27.

[3] 沈丹峰, 葉國銘. 氣流引緯動力學分析與測試[J]. 絲綢,2006(5): 29-33.

[4] 陳亞威, 沈毅, 林樂. 噴氣織機主噴嘴緯紗牽引力的測試與分析[J].浙江理工大學學報,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研究[J].工程熱物理學報,2009,30(8):1309-1311.

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

[7] 郭興峰. 噴氣織機主噴嘴靜態緯紗牽引力的研究[J].棉紡織技術,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”資助項目(09-4-22D)

責任編輯馬彤

TheFlowFieldCharacteristicoftheDragForcebyUsingMeasuringDeviceandtheExperimentalMeasurementoftheDragForce

ZHANGXiaofei，FENGZhihua，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械、機電系統動態行為及其控制等方面的研究。

馮志華