集聚紡氣流導向元件的偏移對集聚效果的影響

馬曉琳， 唐新軍， 宋均燕， 劉 霞， 張玉高

(1. 新疆溢達紡織有限公司， 新疆 烏魯木齊 830054； 2. 廣東溢達紡織有限公司， 廣東 佛山 528600)

集聚紡與普通環(huán)錠紡相比因其紗線具有毛羽少、強力高的特點受到市場的青睞。瑞士立達公司推出的集聚系統(也稱為網眼羅拉集聚系統)作為集聚紡的一種在該領域技術上有一定優(yōu)勢[1]。網眼羅拉集聚系統是在環(huán)錠紡的基礎上，將前羅拉替換為大直徑的網眼羅拉，配合氣流導向元件(以下簡稱：導流器)、吸風插件、牽伸膠輥、牽引膠輥等組成件，組成一套集聚系統，實現對牽伸后纖維須條的集聚[2]。

得益于網眼羅拉集聚系統獨特設計，其特點主要有以下體現：網眼羅拉集聚系統與其他形式集聚紡相比，其工藝符合牽伸集聚相結合的原則，結構簡化、易損件少，機器效率高；且能耗更低，成本低。該系統之所以能在增加集聚效果的同時做到節(jié)能降耗，其導流器起了不小的作用。陸宗源[3]提到，氣流經過導流器通道，在吸風插件上空的集聚區(qū)形成環(huán)形氣流，環(huán)形氣流集中作用于集聚區(qū)，從而降低能耗。他認為，導流板的存在主要是保證集聚區(qū)氣流和車間空氣適當隔離，以保證集聚氣流的穩(wěn)定。沈曉來[4]認為由于導流器的使用，氣流主要從導流器兩側聚集纖維,使纖維以伸直平行的狀態(tài)聚集；并且須條在前鉗口變窄,起到縮小紡紗三角區(qū)的作用。

國內外對導流器的研究更多地傾向于其節(jié)能降耗能力方面，對于導流器對成紗質量影響的分析較少。本文主要研究了網眼羅拉集聚系統中的導流器在實際生產中產生的偏移對集聚效果的影響。

1 研究背景

1.1 背景簡介

圖1為網眼羅拉集聚系統示意圖。網眼羅拉為中空結構，其表面開有整圈小孔供氣流通過，吸風插件安裝在其中空處，導流器與網眼羅拉表面有間隙地貼合，須條在網眼羅拉與導流器之間受到負壓氣流作用，以確保纖維先集聚成束，再進行加捻。有研究表明，導流器會增大側向集聚氣流的速度，提高負壓利用率[5-6]，使紗線須條結構更緊密，還可減少紗線毛羽和降低紡紗能耗[7-8]。

圖1 網眼羅拉集聚系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of compacting system with nesting zone

理想情況下，導流器的安裝與網眼羅拉是對中配合的，即與吸風插件槽孔對中配合，然而實際應用中并非如此，二者間存在位置相對偏移，其中有搖架自身原因，例如長期使用后配合精度降低，以及導流器在使用中自身的偏移問題等。經長期觀察發(fā)現，紡紗時，導流器在網眼羅拉表面的偏移可達1.5 mm；若整個結構處于不良狀態(tài)時，偏移可達到2.5 mm，由此證明，導流器并不始終與底部的吸風插件對中配合，因此，導流器集聚的氣流也可能存在偏移?；诖耍疚闹饕骄繉Я髌髟谄?.5、2.5 mm時是否會影響到集聚作用和成紗質量。

1.2 研究思路

文獻[9-10]采用Fluent模擬了四羅拉集聚紡系統加裝氣流導向裝置后集聚區(qū)的氣流分布變化。流場模擬在紡紗廠的應用使很多難題得到有效快捷解決。

本文研究導流器利用ANSYS FLUENT 15.0軟件以及CFD軟件，模擬分析網眼羅拉系統中導流器發(fā)生偏移后整個集聚系統的氣流及壓強變化，從模擬結果預判紡紗質量，再進行實際紡紗驗證。具體思路如下：1)利用SolidWorks 2016軟件組建集聚系統的物理模型，并提取出需要分析的主要集聚區(qū)模型；2)利用ANSYS ICEM 15.0軟件將集聚區(qū)模型生成網格，并對網格質量進行計算；3)用ANSYS FLUENT 15.0軟件對集聚區(qū)導流器偏移后各流場進行模擬計算，得出特殊位置的速度、靜壓的分布云圖以及規(guī)律曲線；4)在網眼羅拉式集聚紡不同偏移量時，對集聚區(qū)進行CFD流場模擬結果對比分析；5)在生產車間K44型細紗機上進行紡紗實驗驗證。

2 流場模擬過程

2.1 集聚系統建模

首先要精確測量網眼羅拉集聚系統中各元件的尺寸，以及配合尺寸，用SolidWorks 2016軟件繪制出系統中各發(fā)生集聚作用的區(qū)域，建立整個集聚系統的物理模型。

圖2示出提取出的集聚區(qū)模型。所建模型的坐標原點在帶孔網眼羅拉的右側面圓心處，其中z軸與網眼羅拉軸線重合，且從原點出發(fā)向左為z軸正方向,后期建立特征面均以此坐標軸為基準。在此模型基礎上，分別繪制集聚區(qū)內導流器居中、導流器左右偏移1.5 mm、以及左右偏移2.5 mm時共5組集聚區(qū)模型圖。

圖2 集聚區(qū)提取模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of nesting zone extractable model

2.2 數值模擬計算

將繪制好的5組集聚區(qū)模型導入ANSYS ICEM 15.0軟件中，生成網格。為保證模擬結果具有可比性，網格的劃分與數值計算的條件保持一致，出口負壓統一設定為-900 Pa(-900 Pa為網眼羅拉系統所需正常負壓)。

網格劃分時需考慮質量分布，取值在0～1之間，越靠近1網格質量越高；當網格的質量均在0.3以上時，已基本達到求解要求。再將完成劃分的網格導入ANSYS FLUENT 15.0軟件中，設定求解參考值[11-12]，進行數值模擬計算。

2.3 特征面的建立

為更好地觀察導流器位置處氣流運動的實際狀態(tài)，以能夠清晰觀察氣流變化的面建立特征面。以氣流運動的橫截面建立特征面1，處于集聚區(qū)中間位置，如圖3(a)所示；特征面2為網眼羅拉的縱截面，處于網眼羅拉的中間位置，如圖3(b)所示。此外，在特征面1的基礎上，距離網眼羅拉表面高度0.1 mm建立特征線，用以觀察特征面1上方兩側的氣流或靜壓對纖維凝聚的作用大小。

圖3 特征面示意圖Fig.3 Schematic diagram of feature face. (a) Feature face 1; (b) Feature face 2

3 模擬結果分析

集聚系統主要是依靠其集聚區(qū)內負壓完成對纖維須條的集聚，集聚區(qū)內的氣流速度、負壓形態(tài)等都會影響其集聚效果，本文研究也是從這2個方面展開。

由于吸風插件為直槽，須條翻轉很微小，故模擬過程忽略集聚區(qū)須條的翻轉對實驗的影響。實驗結果表明，偏左和偏右相同距離時模擬結果具有對稱性，故本文只對居中位置、偏左1.5、2.5 mm進行對比分析。

3.1 集聚區(qū)內氣流速度分析

3.1.1 特征面上的氣流速度

建立特征面的速度云圖，云圖橫坐標根據所需要觀察的面進行設定，縱坐標表示觀察對象的氣流速度(單位為m/s)，縱坐標由下至上為數值逐漸增大，即云圖中顏色由冷色向暖色表示流速逐漸變大，如圖4所示。

圖4 特征面1上氣流速度云圖Fig.4 Flow velocity nephogram of feature face 1. (a) Center position; (b) Left 1.5 mm shifting; (c) Left 2.5 mm shifting

圖4以網眼羅拉橫截面(z軸)為橫坐標，z軸方向與纖維須條輸出方向垂直，沿z軸方向的氣流，在纖維須條輸出的過程中由兩側向中心凝聚纖維，使纖維束保持收攏狀態(tài)，對控制纖維的集聚運動起關鍵作用。

對比圖4中3幅圖，首先觀察導流器空氣通道處氣流速度：居中時，2塊范圍較為一致的藍色區(qū)域，此時兩通道處氣流速度處于均衡狀態(tài)；偏左1.5 mm時，左通道處藍色區(qū)域向深藍變化，且左通道處藍色范圍比右側通道處小，證明該通道處氣流速度有降低；偏左2.5 mm時，左氣流通道處藍色區(qū)域也偏向深藍，通道處氣流區(qū)域再度縮小，氣流速度下降，氣流速度影響范圍也在縮小。

對比圖4中網眼處和吸風插件處氣流變化：偏左1.5 mm時，由于偏移距離較小，氣流變化不大；偏左2.5 mm時，由于導流器通道與插件通道發(fā)生較大偏移，可見右側氣流速度增大，左側弱小；3個圖在吸風插件腔內遠離網眼處均有范圍相近的黃綠色區(qū)域，即偏移前后插件腔內氣流變化不大。

依照上述方法建立分析特征面2，橫坐標為網眼羅拉縱截面(x軸)，縱坐標表示該截面內的速度大小變化。得到與特征面1一致的規(guī)律，在特征面2上，隨氣流導向元件出現偏移，導流器通道處氣流出現不對稱，表現出氣流速度降低。

3.1.2 速度特征數據分析

為定量描述氣流的變化規(guī)律及導流器偏移的影響程度，提取特征線1上的速度數據。特征線1為特征面1內距離網眼羅拉表面0.1 mm時建立的線，可觀察網眼羅拉處集聚方向的氣流變化，如圖5所示。橫坐標表示與纖維須條輸出方向垂直的方向，即建立的坐標z軸，范圍5～29 mm正好是導流器的寬度，17 mm處為集聚中心位置也是網眼羅拉中心位置；縱坐標為沿z軸方向的速度，正數表示與z軸正方向相同(從右往左)，負數相反。

圖5 速度特征線Fig.5 Characteristic line of velocity

3條特征線均以z軸17 mm處為中心，居中位置時在集聚方向上氣流速度最大值為15 m/s，寬度范圍在11～22 mm，且以集聚中心呈兩邊對稱趨勢，可見居中時導流器2個通道較為均衡地對11～22 mm范圍內的纖維起集聚作用；偏左1.5 mm時兩邊氣流不再對稱，集聚方向上氣流速度的最大值為17 m/s，氣流集聚范圍在13～23 mm之間，從圖中可看出集聚中心左邊集聚范圍縮小，集聚氣流速度略微增大；集聚中心右邊集聚范圍增大，但相比居中位置時集聚中心右側的氣流速度降低，氣流最大值為12.5 m/s；同理，觀察偏左2.5 mm，集聚方向上氣流速度的最大值為15 m/s，集聚范圍在14～23 mm，集聚中心左側集聚范圍再減小，氣流速度最大為15 m/s，集聚中心右側氣流速度較居中特征線有降低，最大速度為14 m/s，且狀態(tài)不穩(wěn)定。

由此判斷，導流器的偏移可使集聚中心兩邊的氣流速度發(fā)生變化，且氣流集聚范圍也發(fā)生偏移，結合特征面1和2云圖，判斷偏移1.5 mm時，導流器所集聚的氣流較為對稱，集聚范圍較居中時變化不大，但氣流在網孔內的驟降可能影響集聚效果；偏移2.5 mm時，極度不對稱的集聚氣流也可能對集聚效果造成不良影響。

3.2 集聚區(qū)氣流靜壓分析

3.2.1 特征面1上的靜壓

與速度分析方法相同，建立特征面上1的靜壓云圖如圖6所示。圖中橫坐標為網眼羅拉橫截面(z軸)，縱坐標表示靜壓大小，由下至上靜壓逐漸增大。

圖6 特征面1氣流靜壓云圖Fig.6 Flow static pressure nephogram of feature face 1. (a) Center position; (b) Left 1.5 mm shifting; (c) Left 2.5 mm shifting

對比圖6中3個不同位置：導流器的2個氣流通道處和網眼處顏色也無明顯變化，說明此2處氣流靜壓無明顯變化；觀察吸風插件腔內，3個圖腔內主要為黃色和綠色，偏左1.5 mm時靠近網眼處黃色區(qū)域比居中時多些，說明1.5 mm偏移比居中位置靜壓略有增大，向左偏移2.5 mm時，網眼處黃色區(qū)域繼續(xù)增大，說明2.5 mm偏移后網眼處靜壓較前二者還有增大。整體來看，導流器的偏移使網眼處靜壓有增大，插件腔內靜壓局部有變化，但不明顯。

依照上述方法建立分析特征面2，網眼羅拉縱截面(x軸)為橫坐標，縱坐標表示該截面內的靜壓大小。觀察分析得出：導流器通道處以及網眼處均無明顯顏色變化，即此二處氣流靜壓變化不大，居中與偏左1.5 mm時吸風插件處壓強變化主要體現在導流器通道兩端所對應的插件腔內；導流器偏移1.5 mm與居中相比，壓強在導流器上下端均有靜壓增強趨勢；偏左2.5 mm與居中時相比在靜壓上變化不大。

3.2.2 靜壓特征數據分析

為定量描述氣流的變化規(guī)律及偏移影響程度，提取了特征線1的靜壓數據圖，如圖7所示。特征線1的選擇為特征面1內距離網眼羅拉表面0.1 mm時建立的線，主要是為觀察網眼羅拉橫截面方向上的氣流靜壓變化。

圖7 靜壓特征線Fig.7 Characteristic line of static pressure

圖7中，縱坐標為靜壓(負壓大小)：居中位置時負壓的作用區(qū)域在12～21 mm，靜壓最大值為-450 Pa，偏左1.5 mm靜壓最大值為-480 Pa，負壓作用區(qū)域在13～23 mm；偏左2.5 mm靜壓最大值為-440 Pa，作用區(qū)域在14～24 mm；由此看出，氣流靜壓大小隨導流器的偏移出現變化，且靜壓區(qū)域發(fā)生了向右偏移，推測其集聚點發(fā)生偏移，可導致成紗質量的下降。

4 實驗驗證

4.1 實驗設計

為進一步驗證模擬分析結果，進行了實際紡紗實驗。使用K44型細紗機配備第3代導流器，分別紡制線密度為9.72和7.28 tex這2個品種單紗。實驗保證使用同配棉，同定量粗紗，相同細紗工藝、車間環(huán)境，并做到同錠、同紡紗高度做對比。紡紗前先進行K44型細紗機搖架居中校準，再根據設計好的刻度條先偏左2.5 mm固定，進行紡紗，依次由左至右完成5組實驗，實驗時關閉K44型細紗機上的粗紗橫動裝置，保證粗紗喂入位置不變，每組實驗重復3次。

測試儀器：使用USTER TESTER4型條干儀測試紗線的條干CVm值、毛羽指數，測試速度為400 m/min,測試時間設置為2.5 min。以10管測試的平均值作為最終結果；使用USTER TENSORAPID 4型單紗強力儀測試紗線強力指標，測試速度為5 m/min，共測10管樣紗，每管紗測10次，同樣取平均值作為最終結果。測試的標準實驗條件為：相對濕度(65±2)%，溫度(20±2) ℃，測試前紗線在標準實驗條件下平衡48 h以上。

4.2 實驗結果分析

表1、2示出試紡的2組測試結果。表中呈現了5個特征點的物測指標，表中L表示向左偏移，M為居中位置，R表示向右偏移。

表1 9.72 tex單紗質量數據表Tab.1 Quality data table of 9.72 tex

表2 7.28 tex單紗質量數據表Tab.2 Quality data table of 7.28 tex

根據2組單紗測試結果分析得：

1)條干CVm值，居中位置略優(yōu)于左右偏移1.5 mm和左右偏移2.5 mm；偏移增多，條干CVm值呈現升高趨勢，偏移達到2.5 mm時條干CVm值與居中位置相比上升了3%。

2)毛羽指數H，在偏移1.5 mm時與居中相比有所增加，但不明顯，當偏移達到2.5 mm后毛羽指數有明顯增大趨勢，比居中位置毛羽指數上升了約8%。

3)拉伸強力，居中位置也是略優(yōu)于左右偏移。

結果表明，第3代導流器在左右偏移1.5 mm時紡紗，其成紗質量稍有降低，若由于各種原因導致導流器偏移繼續(xù)增大，則其成紗質量會明顯下降。

5 結 論

使用CFD數值模擬方法，研究網眼羅拉集聚紡集聚區(qū)內氣流在導流器發(fā)生偏移后的運動特性及規(guī)律，結合模擬對比分析和實際紡紗測試得出以下結論。

1)導流器偏左或偏右1.5 mm可輕微減弱集聚方向的氣流速度，集聚氣流整體較為對稱，伴隨高度改變，速度有增大趨勢；導流器左右偏移1.5 mm會使壓強有降低趨勢，但程度較低。結合紡紗實驗結果，導流器偏移1.5 mm對紡紗質量無明顯影響。

2)導流器左右偏移2.5 mm，集聚方向呈現出明顯的不對稱氣流，且氣流大小波動明顯，集聚氣流范圍也不對稱。同時紡紗結果驗證了模擬分析，條干CVm值與毛羽指數都變差，由此得出2.5 mm的偏移將影響成紗質量。

3)實際紡紗得出導流器的左右偏移1.5 mm，其成紗整體質量無明顯下降，也就是說導流器左右1.5 mm偏移帶來的負壓和氣流速度改變可輕微改變成紗質量，但整體影響不大。即壓強的減小程度不至于影響集聚效果，但偏移達到2.5 mm時，成紗條干和毛羽指數有明顯惡化趨勢。

綜上，對質量管理而言，網眼羅拉集聚紡系統中導流器在紡紗時左右偏移1.5 mm，不會影響其集聚紡紗效果；對生產管理而言，需要定期檢查設備以防出現更大偏移致使成紗質量的惡化。此外，利用CFD數值模擬方法做紡織研究分析，可更加全面、直觀地得出真實的流場效果，為紡紗設備的剖析提供了可靠的方法。

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