氣流導(dǎo)向裝置對(duì)緊密紡負(fù)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(dāng)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(hào)數(shù)廣泛的特點(diǎn),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(jìn)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(lái)的一種新型紡紗方法[2]。通過(guò)在現(xiàn)有的環(huán)錠細(xì)紗機(jī)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(qiáng)、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(fù)壓式緊密紡和機(jī)械式緊密紡[5]。負(fù)壓式緊密紡由于采用負(fù)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(xì)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(jī)械式緊密紡。但負(fù)壓式緊密紡裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,負(fù)壓產(chǎn)生的能耗較高,以及后期的清潔維護(hù)等導(dǎo)致成本相對(duì)機(jī)械式緊密紡較高。其中負(fù)壓式四羅拉網(wǎng)格圈式緊密紡,通過(guò)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(fù)壓會(huì)使周圍的空氣導(dǎo)向作用在網(wǎng)格圈表面的經(jīng)過(guò)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(duì)此展開(kāi)了研究,例如,Saty等[10]利用ANSYS分析不同負(fù)氣壓對(duì)網(wǎng)格圈式緊密紡纖維集聚的影響,并實(shí)驗(yàn)證明了通過(guò)增加負(fù)壓,流速增加,導(dǎo)致橫向集聚效果的更大增加。Liu等[11]開(kāi)發(fā)了一種氣流導(dǎo)向裝置,可以進(jìn)一步提高紗線性能,但適紡紗號(hào)受限。梅恒等[12]采用Fluent數(shù)值仿真法,通過(guò)建立計(jì)算流體動(dòng)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(jì)緊密紡系統(tǒng)提供了理論參考。劉曉艷等[13]通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)集聚區(qū)的三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得出相關(guān)規(guī)律并輔以實(shí)驗(yàn)加以證明。

本文在負(fù)壓式緊密紡基礎(chǔ)上,擬設(shè)計(jì)一種具有改善集聚效果的氣流導(dǎo)向裝置,將負(fù)壓區(qū)域的多維氣流場(chǎng)進(jìn)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(kāi)羅拉鉗口線時(shí),會(huì)受到負(fù)壓氣流的吸引,被迅速吸附到網(wǎng)格圈上對(duì)應(yīng)的吸風(fēng)口位置,然后沿著運(yùn)動(dòng)方向不斷向前移動(dòng)。此外,通過(guò)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(kāi)發(fā)的氣流導(dǎo)向裝置是一長(zhǎng)方形無(wú)開(kāi)孔的有機(jī)玻璃蓋板,通過(guò)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(jiàn)圖2),與異性管的弧度相近,更加貼合表面。并且在蓋板上開(kāi)有兩處長(zhǎng)方形孔洞,不僅方便空氣的流通,還能改變氣流對(duì)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(wú)氣流導(dǎo)向裝置,外界氣流從各個(gè)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(lái)自于須條上方的空氣作用力對(duì)須條集聚只起到輔助作用,而來(lái)自于兩側(cè)的空氣作用力才對(duì)須條集聚起到主要作用。但在一定的負(fù)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(duì)須條的集聚效果較差。

圖3(b)顯示在細(xì)紗機(jī)中加裝了氣流導(dǎo)向裝置后,外界氣流被引導(dǎo)進(jìn)入紡紗區(qū)域的兩側(cè),強(qiáng)化了對(duì)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(huì)因?yàn)閿U(kuò)散而沒(méi)有被集聚進(jìn)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(wú)法引導(dǎo)外界氣流進(jìn)入紡紗區(qū)域的兩側(cè)。同時(shí),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(shí) 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)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(xì)紗機(jī)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(fù)壓為 2500 Pa。其中實(shí)驗(yàn)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(hào)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(jiàn)表 1。所有紗線的生產(chǎn)和測(cè)試環(huán)境:溫度(20±2)℃,相對(duì)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(cè)試采用型號(hào)為YG172C毛羽測(cè)試儀,每種規(guī)格紗線隨機(jī)測(cè)量10個(gè)片段,每個(gè)片段 10 m,測(cè)試速度30 m/min。不同規(guī)格的芳綸紗線的毛羽測(cè)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(duì)紗線的強(qiáng)度也有一定的影響[14]。

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

無(wú)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(guò)對(duì)比1、3、5和2、4、6,可以看出隨著紗線線密度減小,無(wú)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(wú)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(dá)16%(7.4 tex),最高可達(dá)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(guò)程中,纖維離開(kāi)羅拉鉗口線后受到氣流的作用,氣流與纖維的運(yùn)動(dòng)方向相傾斜,使纖維圍繞自身進(jìn)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(duì)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(hào)為USTER4-S條干儀,速度200 m/min,時(shí)間2 min。條干均勻度是指紗線在軸向的粗細(xì)均勻程度,是衡量紗線質(zhì)量的重要指標(biāo),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(diǎn)和不勻會(huì)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(wú)論是否采用氣流導(dǎo)向裝置,紗線的條干、細(xì)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(shí),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(xì)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(qiáng)氣流的作用下重新包纏集聚在紗線表面,但是卻無(wú)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(cè)試結(jié)果Tab.3 Yarn evenness test results

3.3 紗線強(qiáng)伸性能

紗線強(qiáng)力性能采用YG063G單紗強(qiáng)力儀測(cè)試,每管紗線測(cè)試10次,每段試樣長(zhǎng)度500 mm,采用等速伸長(zhǎng)方式,拉伸預(yù)加張力0.5 cN/tex。織物的強(qiáng)力提高不僅與織物的組織結(jié)構(gòu)有關(guān),還與紗線的力學(xué)性能有關(guān)。紗線的強(qiáng)力提高可以有效的降低紡紗過(guò)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(jìn)而提高紗線的產(chǎn)量。并且紗線的強(qiáng)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(qiáng)力如圖5所示。

由圖5可知,無(wú)論是否采用氣流導(dǎo)向裝置所紡紗線的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長(zhǎng)率都是隨著紗線的線密度的增大而增大。而對(duì)比相同線密度紗線時(shí)發(fā)現(xiàn)采用氣流導(dǎo)向裝置紡出的紗線強(qiáng)力都明顯好于普通緊密紡,斷裂伸長(zhǎng)率有所增加。在氣流導(dǎo)向裝置的作用下,14.8 tex紗線強(qiáng)力相比于原紗強(qiáng)力提升了3.0%、9.8 tex紗線強(qiáng)力相比于原紗強(qiáng)力提升了5.2%、7.4 tex紗線強(qiáng)力相比于原紗強(qiáng)力提升了7.4%,不難看出隨著紗線的線密度減小,紗線的強(qiáng)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(shí)性是影響紗線強(qiáng)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(guò)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(guò)程中斷裂較少,強(qiáng)度提高。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)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(duì)不同線密度成紗性能的影響,并與無(wú)氣流導(dǎo)向裝置的緊密紡紗線質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比,得出以下結(jié)論:

a)對(duì)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(duì)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(xì)節(jié)、棉結(jié)有所惡化。

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