FDY吸丝枪喷嘴结构设计*

李永贵，张龄方，葛明桥

(生态纺织教育部重点实验室(江南大学)，江苏 无锡214122)

超高速纺丝(卷绕速度6 000～12 000 m/min)已经由实验室阶段向工业化转变。然而，传统的吸丝枪吸丝速度低。在生头或换筒时，不得不先降低卷绕速度，待吸丝枪捕获纱线完成生头或换筒后，再回到正常的卷绕速度。这使得高速纺丝不能完全实现，超高速卷绕机也不能完全发挥其作用。因此，迫切要求开发新型的超高速吸丝枪。但是人们对吸丝枪的研究还不系统，只有少量的文献报道［1－17］。吸丝枪是一种流体机械，流体分布对吸丝枪的性能有很大影响，而吸丝枪内部空气流路决定其流体分布。为了制备高性能吸丝枪，需要对吸丝枪的结构进行系统研究，包括喷嘴、拉瓦尔管等。论文研究了FDY吸丝枪的喷嘴结构对吸丝张力及吸丝效率的影响，为制备高性能吸丝枪提供理论依据。

1 实验

1.1 实验装置及方法

如图1所示，从空压机①出来的压缩空气进入并储存在储气罐②中，经过油水分离器③、流量计④和压力表⑤，进入吸丝枪⑥。从筒子⑦上退绕下来的纱线被吸入吸丝枪。纱线速度由速度调节器(喂给罗拉)⑨控制，由张力仪⑩测得的张力(以下称吸丝张力)间接表示吸丝枪的吸力。

图1 实验装置示意图

1.2 吸丝枪结构及工作原理

图2是本研究所设计的吸丝枪的结构示意图。吸丝枪主要包括纱线吸入管①、喷嘴②、拉瓦尔管③和直管④。压缩空气通过入口进入气室，然后从压缩空气流入孔喷出，进入喷嘴丝道。压缩空气流入孔均匀分布于喷嘴圆周，它们的轴心线具有吸丝枪轴心线的轴向和周向分量。纱线推进管由拉瓦尔管③与直管④组成。从压缩空气流入孔喷出的气流以螺旋运动形式通过推进管，最后从直管排出。由于空气旋流中心产生了强烈的负压区，因此，纱线吸入管①入口处呈负压，纱线容易被吸入。纱线被吸入吸丝枪后，进入推进管。在推进管内，螺旋气流对纱线产生强烈的推进作用。最后，纱线与气流一起被排出吸丝枪外。

喷嘴结构参数包括压缩空气流入孔孔数N、孔径d、角度φ以及喷嘴扩大角θ，如表1所示。纱线喂入速度为600 m/min，供气压力为0.5 MPa(表压)，纱线为166.7 dtex/48 f涤纶FDY长丝。

图2 吸丝枪结构示意图(压缩空气流入孔孔数N=4)

表1 吸丝枪结构参数

1.3 评价方法

吸丝性能的评价指标有吸丝强力、吸丝速度、吸力等。为了便于对不同吸丝枪的性能比较，我们从能量效率的角度，采用吸丝效率η来评价，其定义为纱线张力F与空气质量流量G的比值，即η=F/G。

2 结果与讨论

2.1 压缩空气流入孔孔数N的影响

图3表示压缩空气流入孔孔数N对吸丝枪性能的影响。其它结构参数为φ=150°、θ=60°，流入孔进气总面积为14.5 m2。N=1时，吸丝枪不能把丝吸入。原因可能是:空气从孔口喷出，迅速向四周膨胀扩散，形不成涡流，无法产生吸力。随着N的增大，从孔口喷出的气流横向膨胀受到相互限制，主要沿螺旋线状向前运动，形成涡流，对纱线吸力增加，在N=3时吸丝力F最大。N大于3时，气流间冲突增强，动能损耗增大，对纱线的作用力趋于缓和。由于进气孔总面积相等，消耗的空气流量G三者较为接近，吸丝效率η的变化趋势与F接近。综合判断最佳喷孔数为N=3。

图3 压缩空气流入孔孔数N对吸丝枪性能的影响(φ =150°，θ=60°)

2.2 压缩空气流入孔孔径d的影响

压缩空气流入孔孔径d对吸丝枪性能的影响如图4所示。其它三个结构参数分别为N=3、φ=150°、θ=60°。d 小于2.2 mm 时，吸丝力 F 随d增大而增大;d=2.2 mm时，F达到最大值;d大于2.2 mm时，F随d增大而减小。空气流量G随d增加而增大。其原因可能是，在压缩空气流入孔中发生气流哽咽，流速和密度不变，其空气流量与气孔面积成正比。所以空气流量随着d的增大而增大，吸丝效率η随d减小而增大。为了便于加工，并保证加工精度，孔径不宜太小。因此，本研究选择d为1.6 mm。

图4 压缩空气流入孔孔径d对吸丝枪性能的影响(N=3，φ =150°，θ=60°)

2.3 压缩空气流入孔角度φ的影响

图5 表示了压缩空气流入孔角度φ对吸丝枪性能的影响。φ＜150°时，F随φ增大而增大，φ=150°时达到最大。这是由于气流在纱线推进管中同时作周向和轴向运动，纱线也会随之作相应的螺旋运动。因此，当φ增大时，所形成涡流的螺旋间距会变小，纱线在纱线推进管中的长度增加，纱线与空气的摩擦力随之增加，即纱线张力随之变大。φ=160°时，气流的周向作用力会增大，但是轴向作用力会减小，纱线的推进力也会减小。F与η变化相似。根据η的大小，综合判断φ=150°比较合理。该实验结果与以前的研究［1］一致。

图5 压缩空气流入孔角度φ对吸丝枪性能的影响(N=3，d=1.6 mm，θ=60°)

2.4 喷嘴扩大角角度θ的影响

从图6中可以看出，θ＜60°时，F随θ的增加而增大，空气流量G随θ的增加而减小。在θ=60°时，F达到最大值，G达到最小值。θ＞60°时，随θ的增加，F呈减小趋势，而G随之增大。原因分析如下:θ过小时，从压缩空气流入孔喷出并膨胀的部分气流会倒流入纱线吸入管，导致空气旋流中心产生的负压变小，气流对纱线的吸力减弱;随着θ的增大，气流分布越来越合理;θ过大时，喷嘴处气流膨胀空间小，喷到拉瓦尔管收缩管壁而返回的气流多，乱流增加，这又使得气流对纱线吸力变弱。根据F与η综合判断，喷嘴最佳扩大角为θ=60°。

图6 喷嘴扩大角角度θ对吸丝枪性能的影响(N=3，d=1.6 mm，φ =150°)

2.5 与以前研究的比较

以前的研究［1］没有考虑压缩空气进入孔孔数和孔径的影响，采用N=4、d=2 mm。在此条件下得到最佳结构参数φ=150°、θ=60°，其F=26 cN、η =2.54(cN·s)/g。本研究所得最佳结构参数为 N=3、d=1.6 mm、φ =150°、θ=60°，其F=32 cN、η =9.26(cN·s)/g。吸丝枪性能有大幅度提高。

3 结论

(1)压缩空气流入孔孔数N=3、压缩空气流入孔孔径d=1.6 mm、压缩空气流入孔角度φ=150°、喷嘴扩大角度θ=60°时，吸丝效率η最优。

(2)喷嘴结构设计中N、d、φ参数对吸丝效率有显著影响。

(3)吸丝张力F与吸丝效率η变化趋势比较接近，根据η来评价吸丝枪性能更加合理。

［1］Iemoto Y，Tanoue S，Hosokawa J，Li Y et al.Geometry effect of air suction gun on the yarn suction characteristics［J］.J Tex Eng，2008，54(2):41 －47.

［2］Li Y，Iemoto Y，Tanoue S，Takasu S.Numerical simulation of airflow characteristics in air suction gun［J］.J Tex Eng，2010，56(4):97－106.

［3］Li Y，Iemoto Y，Tanoue S，Takasu S.Numerical analysis of the geometrical effects on the airflow characteristics of an air suction gun［J］.J Tex Eng，2010，56(6):163－172.

［4］Li Y，Iemoto Y，Tanoue S，Takasu S.Yarn posture in an air suction gun［J］.J Tex Eng，2010，56(6):173－179.

［5］Li Y，Iemoto Y，Tanoue S，Takasu S.Yarn motion in an air suction gun［J］.Tex Eng，2011，57(2):1 －7.

［6］Miller C E.Yarn handling device［P］.US:2667964，1954－02－02.

［7］Ashby W C，Bunting Jr W W，Meagher R，et al.Improved yarn handling sucker gun［P］.US:3094262，1963－06－18.

［8］Bunting Jr W W，Meagher R，Swayne K C，et al.Yarn handling apparatus［P］.US:3175290，1965 －03－30.

［9］Richter H H.Yarn handling apparatus［P］.US:3452910，1969－07－01.

［10］Vanderip H A.Yarn handling method and apparatus［P］.US:3570339，1971－03－16.

［11］Yamaguti K，Takahashi S.Yarn suction apparatus［P］.Japanese:SHO51－28424，1976－07－17.

［12］Sighieri P，Colleoni G.Device for capturing and removing textile yarns by suction and pneumatic entraining［P］.US:4114790，1978 －09 －19.

［13］McFall A J.Yarn － handling device［P］.US:4181247，1980 －01 －01.

［14］Sano T，Sekido T，Ogasawara M.Yarn－threading method and device［P］.US:4844315，1989 －07－04.

［15］Tseng C.Ultra－high speed suction gun［P］.US:5857606，1999－01－12.

［16］金子明，东屋延夫，滨砂博之.用于生产非织造织物的空气吸枪［P］.中国:91109278.1，1999－03－18.

［17］赵宏，吴琼.FDY吸枪的枪嘴改造及应用价值［J］.化纤与纺织，1996(5):47－48.