关键词：旋流喷嘴;;大麻/棉混纺纱;;数值模拟;;纱线受力
摘 要：大麻纤维是重要的纺织原料,但纤维粗硬、可纺性差的缺点限制了其产品的应用。旋流喷嘴是一种新型的减少环锭纱毛羽的技术,通过高速旋转气流的作用减少纱线有害毛羽。之前对旋流喷嘴的研究多集中于结构的优化与棉纺工艺,对于其他纤维的应用及气流对纱线的作用机理研究尚未涉足。本文将旋流喷嘴技术应用于大麻/棉混纺纱试验中,并借助流体力学软件研究旋流喷嘴内气流分布特点及纱线/纤维的受力,以期提高大麻/棉混纺纱质量并扩展旋流喷嘴技术的应用范围。首先运用旋流喷嘴纺纱技术对大麻/棉混纺纱进行纺纱试验。对麻纤维进行精细化处理,使其能够在棉纺设备中与棉纤维混纺,试验中改变纱线混纺比、入口压强、纱线线密度及纱线捻度捻向等因素探究对成纱质量的影响。结果表明,锭速为9 000 r/min、纱线捻系数为400~450、纱线线密度为20 tex时,旋流喷嘴对于不同混纺比的棉麻混纺纱均有显著的减羽效果,其中以大麻/棉20/80混纺纱最为显著,且旋流纺纱线表面光洁,结构紧密。随着入口压强的增大,旋流喷嘴的减羽效果越来越明显,但在达到最佳压强值后,纱线有害毛羽数量增加。大麻/棉10/90和大麻/棉20/80混纺纱的最适压强值为0.2 MPa,有害毛羽降低率分别达到87.5%和88.5%,大麻/棉40/60混纺纱的最适压强值为0.15 MPa,降低率为85%。旋流喷嘴在减少纱线有害毛羽数量的同时,轻微增加了短毛羽数量,其中对大麻/棉10/90纱线的增加量高于其他两种纱线,达到8.6%;在锭速为9 000 r/min、纱线捻系数范围为430~470、入口压强为0.2 MPa时,旋流喷嘴对10、20、30、40 tex大麻/棉40/60纱线均有不同程度的减羽效果,对20 tex纱线的减羽效果最优,达到了86%,但轻微恶化了纱线的断裂强力和条干;在锭速为9 000 r/min、纱线线密度为18 tex、入口压强为0.15 MPa时,随着细纱捻系数的增加,大麻/棉40/60旋流纺纱线的有害毛羽数量呈先减少后增多的趋势,在捻系数为400时有害毛羽指数和条干不匀率较低,捻系数为450时断裂强力和伸长值较优。旋流喷嘴对Z捻和S捻纱线均有显著减少毛羽、轻微降低断裂强度和增加条干不匀的影响,对于Z捻纱线的减羽效果更显著。其次借助流体力学模拟软件建立旋流喷嘴内气流流动模型来分析气流特性。结果表明,压缩空气从气道入口进入纱道后,分成两部分气流分别向纱道两端出口顺时针旋转流出;气流在刚进入纱道的瞬间与纱道壁面碰撞产生冲击波,使得该处气流压强较大,在冲击区域上方则形成了负压区,该区域气流速度较大,随着气流向两边出口的扩散,压强与速度越来越小;纱道内气流涡流效应明显,压强与速度的分布均呈现近壁面高而轴线附近低的特点,越靠近出口涡流效应越弱,壁面与轴线处的压强差与速度差也越小;纱道横截面上的气流压强与速度分布均在气道两侧呈对称分布,两边出口处气流压强与速度的分布明显不同,这说明气流分布特点与出口处位置无关,而与距气流入口处的距离有关。最后对纱线/纤维表面受力作理论分析和数值模拟。理论分析中,纱线主要受到切向气流压力、细纱机对纱线向下的拉力、纱道管壁对纱线的摩擦力、管壁对纱线的压力等;纱线的运动除钢丝圈带动产生的加捻自转外,还受气流的旋转推动力作用而沿纱道轴线转动;纱道内的纱线会先后经历两部分气流作用不同的区域,为开松区和包裹区,对Z捻纱线先开松后包裹的作用分布更加合理,对S捻纱线由于开松时间短使作用不充分,减羽效果明显不如Z捻纱线;通过对气流包裹纱线毛羽的可行性计算得出,气流包裹10 mm毛羽所需的时间小于纱线在纱道中运动的时间,因此纱道长度的设计足够气流发挥减羽作用。纱线-气流的耦合模拟中对流场分析可以得出,随着气流入口压强的增加,纱线表面的气流压强及各向速度分布趋势及波动状况无明显不同,只是纱线表面压强大小不同,因此压强的合理选择需要针对不同的纱线进行试验与分析;对不同线密度纱线来说,其表面气流压强与速度的分布是不同的,无论是变化趋势还是波动幅度都存在差异。在纱道直径为2 mm,入口压强为0.2 MPa的条件下,20 tex纱线表面的气流压强与速度波动较大,且波动频率较高,有利于对表面毛羽的包缠。对结构场中纱线分析可以得出,纱线在气流作用下发生的变形在气流入口处最大,靠近纱道两端变形较小,大部分纱线段处于纱道轴线附近。纤维-气流的耦合模拟结果显示,旋转气流使不同位置、不同长度及不同方向的纱线表面纤维均产生顺时针方向的包缠变形,其中在气流入口处的纤维包缠效果较差,纤维越短越不易被包缠,纤维末端的变形大于近纱线端变形。
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