喷气涡流纺mvs自由端纺纱特征的研究

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1、喷气涡流纺( M V S ) 自由端纺纱特征的研究 邢明杰 青岛大学 郁崇文 ( 球华夫学 摘要：奉文首先对喷气包蛙坊和啃气竭流纺的加攮过程进行T 描述，加捻过程的描述是成班机 理研完的基础。然后对喷气竭流纺纱成纱机理的自由端特征进行7 分析，井利P H O E N I C S 软件对喷 嘴中气流竹运动进行T 幔拟，以_ 醍利用高速撮夥对纤维加捻过程进行7 拍撮，同时，结合成纱蛄构进 一步说明7 成纱机理。认为喷气塥流纺具有明显的自由端纺纱特征，但中心仍有未断裂的一定量的连 续歼堆。因此，喷气竭流纺可以看成是部分自由端纺纱、半自由蔫纺纱或亚自由端纺纱。 喷气纺纱是利用高速旋转气搋进行纺纱的新型

2、纺纱技术，自问世以来，作为一种新型纺纱方怯的 优势巳被广为认可。喷气包缠纺纱( 传统喷气纺) 的成纱机理，适宜于纺翩涤棉及5 】m m 以下的化纤， 棉纤维的长度和整齐度均较化纤蔗，不适合喷气包缠纺帆理，因此进一步提高纯棉及其他短纤维喷气 包缠纺纱的强力是狠困难的。为了改变喷气包缠纺纺纯棉纱强力偏低的不足，必须对喷气包缠纺纱的 成纱机理进行改变。喷气涡流纺是在喷气包缠纺纱基础上发展起来的一种纺纱技术，其从桃理上有了 较大的改变。 1喷气涡流纺( M V S ) 的成纱机理分析 R 前，自由端纺纱巾自由端的形成主要是采用分梳辊分梳，纵向分离纤维缅条的方法，这种方法 舍对纤维损伤和分离后成纱中纤维

3、伸育平行度差，减小r J 茈纱中纤维的有效长度，使纱的强力减小。 喷气涡流纺改变了疃气包缠纺的成纱机理。要使单纤维相互结台成具有定强力的纱线，纤维蝴 必须有两种作用，- 是往向凝聚，它使纤维不脱离纱线表面；二是轴向凝聚，使纱线获得一定强力。 喷嘴作为喷气纺纱设备的关键部件，其结构对成纱结构和质屋有着蘑要的影响。因此要对纱线加上真 捻，就要台理利用空气动力学技术，对喷嘴结构进行台理的改变，使高速旋转涡流和喷嘴内部的结构 相互配台，使得涡流对须条产生释向和轴向的作用，即气流在三维空间中对纤维产生作用，在喷嘴内 气舛云的膨胀作用下，纤维须条径向分离出尾端自由纤维，形成自由端( 或一定状态下的自由端)

4、 ，使 须条纤维相互分离，保证了年使须条在喂人端至加捻区域内产生反向捻回。枉旋转的气流作用下，尾 端自由圭f 维对内层纤维产生相对角位移完成对纤维须条的加捻而成纱。如图I 所示。 圃1 喷气* 流# 纱n = 堆加挂图2 啃气* 流# 哆( w s ) 成纱分析 一3 8 暨绎 喷嘴的主要功能足产生轴向吸力、径向分离和切向加捻，轴向吸力吸引纤维进人喷嘴使得纤维在 喷嘴内得到加速，纤维仲直，靠旋转涡流对纤维加上捻度以成纱。已有研究表明，由喷嘴内产生的轴 向速度能达到1 0 0 m s 以上，气流对纤维的加速能力很人，可以充分轴向分离纤维。此外，通过对喷嘴 结构的改变，可以达到对纤维须条的径向分离

5、，从而靠切向涡流给纤维须条加上真捻。 在喷气涡流纺纱中，将条子直接喂给牵仲装置，被牵伸的纤维通过喷嘴和生心管( 己I 纱管) ，由此 可纺成纱线，如图2 所示 从前罗拉出来的纤维束通过纺纱喷嘴的轴向气流的作用被吸引，通过聩嘴人口的最窄部分后， 到达突然扩大了的喷嘴室( 涡流室) 内，纤维柬的外层纤维受纺纱喷嘴的旋转气流的径向作用力而膨胀 扩大。然后，在引导面前部伸出引导针的前端，再次收缩，防止向有捻纱条的上游传播。纤维柬开始 接受旋转气流的影响，脱离前罗拉钳口点的纤维，其后端开始反转。谈反转纤维被拉人空心管时，在 芯纤维的四周按一定方向( 旋转气流方向) 缠绕，完成纱线的加捻。实际上，引导针的

6、个重要作用是 引导纤维头端进入空心管中，纤维头端进入空心管后，尾端膨胀，井被气流加捻成纱。 2 喷气涡流纺( M V S ) 成纱机理的进一步分析 喷气祸流纺( M V S ) 具有一定的自由端纺纱的特征：分离纤维、凝聚、剥取、加捻等过程，分析如下 2 1 分离纤维 从前罗拉出来的纤维束，通过纺纱喷嘴的轴向漉的作用被吸引，进入加捻器( 涡流室) ，在引导针 的作用下，纤维前端进人空心管的中孔，与此同时，纤维的后端脱离了前岁 i j ：的控制，通过喷管的最 窄部位后，到达突然扩大了的喷嘴室内，纤维乘的外层纤维受纺纱喷懦的旋转气流的径向作用力面膨 胀扩大，脱离了纤雏束的主体，呈现了断裂状态。需要指

7、出的足，引导面、引导针及其。洫共同的作 用，形成了纤维在进入涡流室初期，即在引导针附近的断裂状态。 2 2 凝聚( 自由端的形成) 、纤7 目3 首嘴室自气m * 流动 进入涡漉室柏气流有喷孔气流j 、人纤孔气流I i ，两股气流在涡漉室内形成一个较为复杂的流场 气流通过空心管的中孔及四周孔隙排出。 从喷孔进入的气流I ，以空问螺旋状运动，可分成三个方向运动：鲫可分最w 【T 、轴向分胃W m 径向分量W i r 。气流I 的旋转流量为： W t = w + W W l ： ( 1J 切向分量w 【r 形成旋转涡流，井对须条进行加挂；轴向分1 w t u 从空心管四周排走和进入空心管 ( 引纱

8、孔) ；径向分量w 响中心运动的同时，由于空心管顶端( 圆锥面) 的摩擦作用，使气流逐渐减少 一部分进入空心管，另- 部分沿锥面又回流到空心管的四周而排走。 入纤孔气流1 1 从 纤孔经引导曲面进入喷噍室( 涡流室) ，进入喷嘴室后，空间突躲增太，使气漉 产生扩散，最后，进入空心管和空心管的四周而排走。 3 9 一 驾 镀 扎献悃是小 月殇落H察 值得指出的是，这些气漉漉动过程中相互影响，共同完成纺纱过程。 凝聚是指在加捻器中形成新的纤维须条，纤雏随着纤维流进入喷嘴室，在引导针的作用下，前端 并未脱离纱体而进入引纱孔( 空心管中孔) ，纤维后端在脱离前罗拉的钳n 握持后，由于气流的扩敢和 引导

9、面的柞用，使外层纤维脱离了须条主体，因此，在喷嘴室内，以空心管顶孔为输出点，在其后部 形成了类似于菊花开放形状( 图5 ) 我火箭尾部喷射气流形状的纤维体，为喷气涡流纺的自由端纱尾。 由于气流从空心管四周流出，因而部分纤维疆盖在空心管的锥形顶部。 实际 中心部分仍有连续的纤维，本文认为，这龋分纤维也是必要的，它可以更好的引导纤维 进人空心管中孔。可以看出，引导针的作用之一是引导纤维进入空心管中孔，引导曲面的作用除作为 纤维的通道、引导纤维进入喷嘴室外，还能更好地分离与断裂纤维。山于仍有未断裂的一定盈的芯纤 维，因此，喷气涡流纺可以看成是部分自由端纺纱、半自由端纺纱或亚自巾端纺纱。 2 3 刺取

10、 种子纱由窄心管中孔进入喷嘴室后( 借助f 接头器) ，与入纤孔进入纤维的前端搭接，然后被引出 井在末端形成半自由端纱尾，该纱尾连续不断地被引山，并连续币断地有纤维进入喷嘴宦形成新的半 自由端纱尾，实现了连续纺纱。 瞥 a 炒尾模扭 b 高速挺* 目4 自自# 妙尾( & 采) 2 4 加撩 引纱昆在被引出的同时，由于旋转气流的作斤j ，删阍扩展出来的纤维，枉中心纤维( 将成为纱的 芯纤维) 的四周按一定方向( 旋转气流方向) 缠绕，从而完成纱线的加捻。纺成的纱则由导出罗拉吼一 定速度输出，经卷绕机构绕成筒子纱。值得指出，这种尾端纤维包缠加捻方式不同于纱体整体旋转加 捻方式。 、 由上述分析可

11、以看出，喷气涡流纺有明显的自m 端纺纱特征，尾端自由状态纤维的数量班定了加 捻的程度，且仍有芯纤维存在，泣芯纤维可以引导纤维更好地与前端输出纱条搭接。合理的涡流窒缡 构和气流流动，可以增加尾端白由状态纤维的敬蜃，增加加捻程度。 3 喷气涡流纺纺纱机理的实验分析 31P H O E N l C S 流场模拟 喷嘴中利用了气流的旋转对纱条进行加捻，利) f P H O E N I C S 软件可以对喷嚆中气流的运动进行 横拟，得出一个直现的结果。图5 、图6 所示是对喷璐的气流模拟结果，模拟条件包括鹾力、速度的设 置，都是按照实际纺纱的参数。 柏一 竺竺。，竺。“ 一 _ u - _ I _ _

12、- 自j _ - - - - - _ - _ L n L 目5 喷嘴自姒自栽自气流( 轴向) h _ “- - _ 目z E - _ _ - _ _ _ 一“- - _ - _ _ _ E 罩z 8 _ - _ - - - - l 、 q 喷n ”截自气m b 喷孔端截自气m 圉6 嗜嘴主自概自气流【扫向) 由图5 可以看出气流从纤维人口进入喷嚆室后，产生扩散，向四周流动，气流的选种流动特征利 下纤维尾端狂脱离罗拉握持进人喷嘴室后，形成自由状态，但是气流的中心始终是竖直方向，在该中 心扫岜动中，存在纤维可以认为，中世有一韶分的纤维挺有形成自由端，在成纱过程中形成了纱甚。 枉沿圆周均布的喷口处(

13、 四孔) ，气魂进人喷嘴( 图6 曲的速度是根高的，然后速度有所下降，气流在此 截面上形成回转。中心速度最小，越向外层速度越大，值是靠近内壁处由于阻尼作用，速度下降。而 在喷n 人n 上方悃6 b ) ，回转气浅均匀，速度相差不大，可以认为，纤维在此处梭回转包缠而成纱。 3 2 纺纱过程的高速摄影 为了直观地观察喷嘴中纤维的加捻情况，本文采用Y M o t l o n P r o T M 高i g C M O SP C I 摄像机来完成 纤维运动图像的捕捉。M o d 衄P r o 拥有1 2 8 0x1 0 2 4 像素的垒帧分辨率，记录速度达每秒1 0 , 0 0 0 帧电子 快门的曝光时

14、间从2P 秒开始以2 p 秒遵增刊l 帧速度，帧储存容量最大可达6 G B 。 为了能够观察刊喷嘴内的纤维运动和加捻运动情况，用透明的有机玻璃材料莉作了噎嘴，同样由 于单纤维 细，只有2 0 “1 1 1 左右，在高速摄影中很难捕捉到清晰的闰像，该实验研究的目的是观察鲆 维在喷嘴中运动的形态，在实验中用纤维束代替单纤维。 高速摄影图像中。观察到了开放状的尾端自由状态纤维( 如图4 b 所示) 。 由于涡流室内直径报小，且喷嘴入口处有一定的轴向速度，当纤维进入纤维纱道后，在喷嘴人口 处受到轴向速度的作用，因此，一开始纤维保持平直的形状，使边纤维主要以平行于喷嘴轴向的形志 进入喷嘴。压缩空气进入加

15、捻区经过环形收缩通道到达空心管四周环豫，由于通遭截面越来越小，气 4 1 流逐步加速。当纤维的头端刊达喷孔后，纤维柬受到气流强烈昀经向速度和轴向速度的作用。由于纤 维的初始位置尾端巳经伸出到纤维须条的外部，在经向速度和轴向速度的作用下向外分离，渐渐地离 开纤维额条的主体，形成尾端自由状悫纤维。圈7 足对一根边纤维在喷嘴叶T 运动状况的模拟，即尾端 自由状纤维的形成过程。 = ：。妒一 圃7 尾* 自由状# 堆在喷嘴中n 形成i t 程 边纤维在形成自由状尾端的同时受到r 切向速度的作用包缠在纱体上，从而在喷璃中完成包缠运 动，使得尾端自由纤维以螺旋的状忐包缠在纱体上。尾端自由纤维就足通过这样的

16、包缠运动包覆在纱 体上，i i 使喷气涡流纱获得强力。 3 3 成纱结构与成纱机理 从喷气涡流纱结构分析也可以验证上述机理分析。囤8 、囤9 为喷气涡流纱结构照片。可以看出， 喷气谒流纱由部分芯纤维和外层的加捻纤维组成，外层纤维占到7 0 ，外层纤维有明显的螺旋加捻特 征，不同于喷气包缠纺纱的包缠特征，只有处于一端自由状态的纤维加捻成纱时，才能成为这样的状 志。此外，外层纤维的捻缠有明显的方向性，而只有纤维尾端脱离纱的主体，加捻后，才能形成这样 的方向。 因此，从最终成纱中纤维的排列状态也可以验证前述机理的分析，说明喷气描流纺是一定程度的 自由端纺纱，呵且足尾端冉由端纺纱。 目8 w s 纱线# 构目 目9 球# 堆在纱中捧列 4 结论 通过对涡流室内气流流动的模拟与分析，借助高速摄影，得出喷气涡流纺是靠气流完成分离、凝 聚，剥取，加捻等作用，具有明显的自由端纺纱的特征。由于中心部分仍有部分连续的纤维，这部分 纤维又是正