纱线气动捻接行为的仿真及实验研究

发布时间：2016-08-04 09:55

第 一 章 绪论 

1.1 研究背景及意义 
20 世纪以来纺织工业迅速发展，为扩大社会就业、促进农业和其他产业的发展做出了巨大贡献[1]。随着物质水平的提高，作为重要民生产业的纺织品的需求也在不断的增加，使得纺织纤维的产品产量和产品种类持续增长，因而纺织领域的工业技术和装备水平得到了快速地提升[2]。 在纺织品需求量增大的同时，对于纺织品质量的要求也在不断地提高，主要表现在纱线的强力和外观。在纺纱最后的络筒阶段，一方面需要将多个管筒上的纱线汇集起来，做成容量较大的筒纱，以增加纱线卷装的容纱量，另外一方面，需要将纱线上有瑕疵的地方进行剔除，即将影响纱线质量的部分纱线剪断[3]。为了提高纱线的质量，这两种情况都需要将两条断纱端头完美的连接在一起。这就要求寻找良好的纱线接合方式。 目前，较好的纱线接合的方式主要有机械捻接和气动捻接。机械捻接主要是利用旋转件搓捻或者包缠的方式将两根自由的纱头接合。由于纱线端头的退捻和加捻是通过高频率的摩擦完成，所以机械捻接一般应用于一些特殊材质的纱线如棉氨纶包芯纱、细高支纱、紧密纺纱等[4]。气动捻接则是以气流为媒介，将两根纱头在旋转气流作用下完成退捻，之后退捻的纱头被引入闭合的加捻腔内，伴随着压缩气流进入加捻腔后，腔内形成的旋转气流将两根断纱接合[5]。因而气动捻接因其成本低、操作方便、维护保养简单等特点，比其它方式应用更加广泛。 空气捻接器的型号较多，这主要由所接合的纱线的特性决定的。凭借着优良性能在纺织企业得到广泛应用的新型纤维，以其所制成的各种功能的纺织用品越来越受到大众的欢迎。为了提升新型纤维无结纱的捻接强力、减少强力不匀率和纱线表面毛羽，提高无结纱的质量和可织性，新型空气捻接器、喷气式毛羽减少装置、智能型槽筒、跟踪式气圈控制器和栅栏式张力器相结合的开环式张力控制系统等络筒新技术得到了很好的应用[6]。 虽然市场上捻接器型号很多，但是捻接器及纱线的捻接原理都大似相同。同时虽然整个纱线的捻接过程解释起来并不困难，但是对于捻接过程中气流特性和纱线的动力学特性却难以进行定性描述。一方面主要是由于退捻腔和加捻腔内复杂的流体动力学分析找不到可靠的理论支撑。
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1.2 国内外研究综述 
气动捻接是以压缩空气为媒介在退捻腔和加捻腔中先后形成不同的旋转气流场，使纱线端头完成纤维的退捻及随后解捻纤维的加捻[10]。而纱线捻接质量主要表现在纱线的捻接外观和纱线的捻接强度。由于影响纱线捻接质量的因素有很多，所以国内外的许多学者对于纱线在气流场中的运动机理做了大量的研究。因为国内气动捻接技术相对于国外起步较晚，所以对于空气捻接器的制造工艺大多是对国外技术的引进，对气动捻接技术这一块的理论研究则相对比较薄弱。目前国内研究主要着重于捻接器机构运行原理，以及结构参数及工艺参数对纱线捻接质量影响的研究。李颖、叶国铭利用机构分析和设计方法描述了纱线捻接的机构运动，并通过对捻接过程中纱线的抓取和导引机构的运动剖析设计出导纱空间机构，为空气捻接器机构的设计和改进提供理论基础[11]。肖新华、史明华则分析了自动络筒机捻接机构的传动原理，并运用 Pro/ENGINEER 对其主要零件进行了三维建模和虚拟装配，并在此基础上对捻接机构装配模型进行动态仿真分析[12]。田方圆通过对空气捻接器气体驱动机构的工作原理及运动过程的分析，建立了空气捻接器驱动构件及腔体的热力学和动力学模型。并采用Ronge-Kuta 方法对仿真模型进行求解，分析了不同因素对气阀动态过程的影响，以及气体在腔内的状态变化及瞬态特性。此外通过搭建的实验台，对理论模型进行了实验验证[13]。杨钊采用矩阵法推导了空气捻接器运动机构的关系方程，并使用  JMP  软件对纱线捻接影响因素进行了分析。同时运用 UG/Open GRIP 二次开发工具实现了捻接腔的参数化设计 [14]。 
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第 二 章 气动纱线捻接过程 

2.1 前言 

在纺织行业中，气动技术被广泛地应用于各个领域。其中包括转杯气流纺纱，涡旋气流纺纱，喷气织机气流引纬，空气捻接器气动捻接等[39-41]。而在这些应用中，空气捻接器的气动捻接则成为实现纱线断头以无结头接合并改善纱线质量的一项关键技术[42]。由气动退捻和气动加捻两个过程构成的气动式纱线捻接是一个涉及多根纤维在流场作用下的复杂运动过程。在气动退捻过程中，压缩气流在退捻腔几何结构的影响下，转变成螺旋气流并迫使腔内的纱头解捻成散开的纤维须条。当两根解捻的纱线端头拖入加捻腔后，加捻腔内形成的螺旋气流则引导两束解捻纤维须条相互缠绕，最终得到一根无结头的捻成纱。

 

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2.2 气动纱线退捻过程 
如图 2.1(a) 所示，空气捻接器的主要关联构件包括：夹纱器，主腔盖，由进气管和退捻管组成的退捻腔，剪纱器和加捻腔。在捻接器运行前，两根纱线以相互叠合的方式平行放置在捻接器沟槽内。随着进气阀的打开，两端的剪纱器在凸轮机构的驱动下将纱线尾端剪断。随后由进气管流出的压缩气流将纱线端头吹进退捻管内，并在退捻管内转变成螺旋气流迫使纱头完成纤维的解捻，如图 2.1 (b)。如图 2.2(a)，随着纱线端头退捻的完成，在牵引杆和夹纱器拖杆的拖拽下，解捻的纱线断头以相互平行的方式被引入到加捻腔内。然后在凸轮的驱动下主腔盖被关闭，加捻气路被打开。压缩气流从进气孔进入加捻腔后转化成的螺旋气流。在腔内气流的作用下，解捻的纤维须条以螺旋的方式相互缠绕。最终形成如图 2.2(b) 所示的无结头的捻成纱。 
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第 三 章 关键结构参数对纱线退捻效果的影响 .............. 8 
3.1 前言 .......... 8 
3.2 几何模型及仿真建模 ........ 8 
3.3 数值仿真算法 ....... 9 
3.3.1 边界条件 .............. 10 
3.3.2 网格无关性 ........... 11 
3.4 仿真结果分析 ..... 12
3.5 纱线退捻的实验研究 ...... 19 
3.6 本章小结 ............ 22 第 
四 章 捻接腔内气流场特性对纱线捻接质量的影响 ............. 23 
4.1 前言 ........ 23 
4.2 数值仿真 ............. 23 
4.2.1 仿真模型 ..... 23 
4.2.2 仿真方法 ..... 24 
4.3 结果和讨论 ......... 24
4.4 实验方法 ............. 30 
4.5 本章小节 ............. 31 
第 五 章 加捻过程中纤维运动及结头形成机理的研究 ............. 32 
5.1 前言 ........ 32 
5.2 仿真和实验方法 ............. 32
5.3 结果与讨论 ......... 35
5.4 本章小结 ............ 44

第 五 章 纤维运动及结头形成机理的研究

5.1 前言 
由前文的研究可以看出，解捻纤维之间的缠绕特性将决定最终捻成纱的捻接质量。可是在加捻过程中，多根纤维在加捻腔内的交缠行为十分复杂。这是一个涉及接触-碰撞的动力学以及流体-固体相互作用的计算难题。因此一个令人信服的定量理论分析是很难进行的。虽然通过计算流体力学软件计算出气流场特性，并进而基于流场特性推断出纤维捻接的行为具有一定的价值，但是定性地定义湍流模型和计算数值算法仍然有些困难，这也就有可能产生一个不充分或者不适合的流场特性以及捻接行为的阐述[45]。此外，虽然捻成纱的包缠模型能够描述气流特性对最终捻成纱强度的关系，但是加捻腔内的捻接过程以及相对应的纤维运动依旧没有清晰地揭露。因此为了进一步研究解捻纤维在加捻腔内的运动特性以及结头的成形机理，本章采用流场仿真及可视化实验相结合的方法来揭露纤维运动的加接过程。图 5.1 显示了纱线纱头退捻成纤维须条后引入加捻腔的示意图。如图 5.1(a) 所示，两根相对的由解捻须条构成的样纱以叠合的方式被引入到加捻腔内，且每根纱线尾端都由夹纱器夹紧固定。如图 5.1(b) 呈现的是加捻腔内解捻须条的叠合关系。如图两根纱线的解捻须条都相对平行，且纤维须条的中间部分覆盖住了呈现中心对称分布的进气口 1 和 2。当气流由进气口进入加捻腔后，气流在腔内几何结构的影响下转变成螺旋气流并促使纤维须条的自由端头缠绕到相对的另一根纱线上。随着须条自由端头在螺旋气流作用下不断地缠绕，无结头的捻成纱最终形成。 
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总结 

气动纱线捻接是以空气为媒介，实现两根断纱以无结头形式捻接成型的重要技术。整个纱线的捻接过程涉及到多根柔性纤维接触碰撞以及和螺旋气流场的耦合作用，对于柔性体在流体中运动的分析具有借鉴意义。本文首先运用流体仿真分析和可视化的实验方法对退捻腔内纱线纱头的退捻效果进行分析。进而总结出退捻腔的结构参数对捻成纱捻接效果的影响规律。其次，借助于捻成纱包缠模型和加捻腔内的流场分析，总结出加捻腔的工艺参数对于纤维包缠效果的影响规律。最后通过加捻腔的流场特性和可视化实验相结合的方法，分析出待加捻纤维须条在加捻过程中的运动特性以及结头形成机理。通过本文的研究工作，所得的结论主要有以下几个方面： 
（1）以退捻腔的结构参数对纱线纱头退捻效果影响规律的目的出发。通过对建立的退捻腔流体仿真模型的仿真结果的数据分析，可以总结出进气喷嘴切角 β，进气喷嘴旋转角 α，以及进气喷嘴中心相对退捻管中心的偏距 e 决定了退捻腔内的气流形态。其中，进气喷嘴切角 β 被设计来诱导从进气喷嘴喷射出的轴向气流分出一部分转换为径向气流。随着由轴向和径向组成的气流进入退捻管后，与壁面发生碰撞而转变成周向气流。而进气喷嘴旋转角 α 和偏距 e 共同影响着气流在退捻管壁面上的入射角并以此改变周向气流的强度。这也就影响着最终纱头的退捻效果。 
（2）基于透明退捻腔的可视化的实验平台，通过高速摄影仪对纱头运动捕获的实验结果进行验证了退捻腔的结构参数对纱线纱头退捻效果分析的结果。即旋转角和偏距能够有效地诱导的周向气流强度。随着周向气流强度的增大，纱头退捻不完全的现象将有效地改善。但是随着周向气流强度的增大，有可能导致纱头上纤维过度退捻。 
（3）根据流体仿真软件对于加捻腔的流体计算分析结果，由加速流道进入旋转流道的喷射气流在与加捻腔壁面发生碰撞后形成涡旋气流，并作为包缠力来驱使解捻纤维包缠到原纱条干上，并基于此得到了不同涡旋强度下的捻成纱包缠模型。 
（4）基于强力测试平台，，通过对不同进气压力下捻成纱的捻接强度进行测试，验证捻成纱包缠模型的可靠性。不断增大的进气压力，有效地改善了解捻纤维的包缠效果以避免纱线端头的不充分捻接。然而随着进气压力持续地增长，过度的捻接也会发生。 
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参考文献(略)

本文编号：84505