从卡摩纺导流板的变迁看集聚原理

陆宗源

（上海天问纺织新技术研究中心，上海 200125）

瑞士立达公司制造的卡摩纺装置，其原理科学、结构合理、制造精湛，可称是集聚纺纱技术的颠峰之作；由于其价格高昂，故国内企业引进甚少。

从专利申请时间上分析，集聚纺技术的发展是（立达）吸风鼓式在先，（绪森）网格圈式在后。尽管二者结构似无相同之处，其集聚纺纱的原理却相同。后者的改进主要是结构简化，并可以在环锭细纱机上应用，且以价廉、易于推广而普及。然而，后者在原理上放弃了前者诸多优越性，从而负压高、能耗增加，集聚区存在意外牵伸以致影响成纱质量。

卡摩纺装置上唯一独有的是“导流器”，虽然是一个小部件，但是其作用非凡，值得研究。

1 国内对卡摩纺导流器原理的研究

国内最早介绍导流器原理的是中原工学院的沈晓来，他认为导流器的作用是“纤维的集聚是通过气流引导元件得到进一步的强化。该元件位于打孔吸风鼓上，以确保气流只能从侧面抽出。”（如图1）［1］。

图1 导流器原理

2008年发表的《紧密纺纱气动凝聚结构的研究》［2］一文中，全面介绍了国外的集聚纺纱装置，并重点分析气流导向装置，指出由于凝聚气流方向基本上垂直于须条中发散纤维的凝聚方向，因而气流能量中只有少量轴向分量有效地用于凝聚，其效能很低；这就是采用导流板的原因（如图2）。

图2 加设导流板前后的凝聚气流

文献［3］重点介绍了K44型环锭细纱机的气流导向装置（如图3），并用试验数据得出结论：“气流导向装置的作用是使气流主要从两侧集聚纤维，可防止单纤维由于扩散而没有被集聚进入纱体中，保证了各纤维以平行状态实现较好的集聚……更大程度地缩小纺纱三角区”［3］。

图3 气流导向装置位置和作用

总之，所有国内研究者都一致认为：气流导向板是为了使气流从两侧进入集聚区，其集聚效果好。

2 立达K44型、K45型环锭细纱机气流导向的实际作用

笔者曾在立达早期产品的视频介绍上见过“气流截面图”的说明。图4中代表气流走向的小白点来自于压辊轴的导流板臂，当气流进入导向器后，经过吸风鼓表面进入吸风组件。这说明K44型细纱机气流导向装置是从顶部输入气流的，这是为了阻止空气从两侧进入集聚区。那么，过去国内一直认为空气从两侧进入以加强集聚效果的理解，这并不是立达公司设计者的本意。

图4 K44型环锭细纱机气流导向

在最近立达公司介绍K45型环锭细纱机的视频广告中，看到了气流导向器的截图如图5所示。清楚表明：气流是从导向器顶部的两个孔进入。导流板两侧和抽气鼓表面的间隙很小，阻力大，基本没有空气进入。

图5 立达K45型细纱机气流导向器

图6 赛络集聚纺气流导向器

K45型赛络集聚纺的导流板（见图6），中间只有一个进气孔，气流从两个须条的中间通过。如果按照参考文献［2］的理解，气流都是从两须条一侧经过，则垂直方向的气流就完全无集束作用，那么气流利用率等于零；而实际上K45型赛络集聚纺的成纱质量是非常好的，所需的负压也比网格圈式集聚纺小得多。由此可见气流导向板的工作原理。

现在可以明确的是，早期的K44型导向气流有专用的进气管从压辊轴到导流板，导流板的一个作用是向集聚区空间输入洁净空气，集聚区与车间环境隔离，不让含有灰尘和微纤维的车间空气进入集聚空间；而K45型细纱机导流板上无进气管［4］，这表明现代车间空气比较干净，输入洁净空气的措施不必要，进气管被简化了。导流板的作用主要是使集聚区气流和车间空气适当隔离，以保护集聚气流的稳定。

3 集聚纺气流集聚原理分析

为什么需要保护集聚区气流的稳定，就需要研究集聚气流的运动特性。

根据流体力学的原理，气体流动是因为有压强梯度，气体向压强小的方向流动，气流的强弱是梯度的大小，因此气流和压强梯度是完全一致的矢量。

压强梯度一般用等强线表示（图7中的细实线），同一条等强线上的压强相同；相邻两条等强线的压强有一定差异（事实上是连续变化的，为了表示清楚，采用了等差级数的间隔表示）。压强梯度方向是等强线的法线方向（垂直），指向压强小的区域；压强梯度大小是相邻两条等强线的距离，距离越小，压强梯度越大。

图7 集聚气流场等强线

集聚纺纱集聚区的气流源于负压管内部的低气压，在集聚槽口上形成了一个压强梯度场，这不需要任何机械限制。在无任何阻碍（无须条时）的情况下，每一点上的压强梯度方向都指向集聚槽，梯度大小向远离气槽方向递减；所以，气流都向集聚槽集中，槽口上气流最强，向外逐渐减弱直至为零。这就是集聚槽气流场，其等强线都是在以集聚槽为圆心的半圆形截面上，如图7a）所示。

当集聚槽上有须条存在时，由于集聚槽的倾斜，须条总是靠向一边，使空气阻力发生变化：靠须条一边的气流阻力变大，压强梯度减小，等强线变得稀疏；而另一边正好相反，等强线变形为长轴向须条方向倾斜的椭圆。从图7b）明显可以看出气流方向不是完全指向中心，而是围绕须条形成的旋转气流场，正是这个旋转气流推动须条纤维的移动、集聚。由此可见，集聚槽倾斜的主要作用是产生旋转的集聚气流场，树立这一概念非常重要。

负压越大，这个旋转流场的范围也越大，须条周围的内层最强，越向外层则越弱。实际上，起集聚作用的只是内层气流，只要它有足够的强度，就能完成纤维集聚。然而，气流运动的连续性使它带动外层气流的旋转，集聚气流成为一个气流团。它能保护内层有效旋转气流的稳定，不受外界气流的干扰。

由于立达卡摩纺的导流板使集聚空间和外界隔离，更好地保护集聚区的旋转气流，因此称为“保护罩”也更为确切（见图8）。

图8 K45型细纱机的导流板

如果认为导流板是迫使气流从两侧进入集中到须条并发生“冲撞”，而且接着一个90°的急转弯（见图1）。从流体动力学原理来看是非常不利的；因为在须条附近发生激烈的湍流，势必会彻底地破坏旋转气流。

4 K46型细纱机导流器的创新

在第17届上海国际纺织工业展览会上，立达公司展出了K46型细纱机的集聚纺纱装置模型，将系列导流元件进行了改革［5］。

K46型细纱机的集聚纺纱装置，除了吸风鼓的形状和尺寸与K45型相同外，其吸风插件、气流导向器都有很大的改革。吸风插件命名为“光明”（Bright），图9所示的集聚槽无斜度，出风口缩小了一半多。图10为K46型细纱机导流板。

图9 K46型细纱机集聚纺纱装置

图10 K46型细纱机导流板

K46型细纱机导流器不再是K45型导流器顶上有一个或两个进气孔，而是变成由两片透明有机玻璃单片相互插入的组合体，进气通道改为迷宫式的、方向相反的两个斜长孔，空气进入要经过一个曲折的通道。

其最大的创新是：气流经由迷宫式的导流器通道，到达吸风插件“光明”上空的集聚区的气流形成“环型气流”（Quality into ring through air guide element），因此它就不需要采用集聚槽倾斜的形式了，这就为进一步降低能耗创造了条件。

须条纤维的被集聚，主要有两个动作：一是须条的宽度缩小；二是外露的纤维端捻入纱体，从而使纱线光洁。网格圈式集聚纺是依靠集聚槽的倾斜，形成旋转气流来完成第二个动作（纤维端捻入）；而它又带来了第三个动作，就是推动须条整体位移。

这三个动作都需要能量，也都来自于气流。K46型的集聚区节能设计思路，就基于对三个动作的精打细算：

a） 由导流器产生旋转气流，取消了集聚槽的倾斜，集聚气流就不需要推动须条整体平移（这部分能量为主要部分），节约了能量；

b） 开放式集聚区（网格圈式）的旋转气流必然要带动一个气团一起转动，气团保护中心旋转气流的稳定消减了车间大气流动的冲击；因为这种冲击很多，源于巡回吹风装置和人工机台清洁，然而，K46型的导流器使集聚空间和车间空间基本隔离，因此不需要有外层气团保护，可以使运动气团减到最小，达到节能效果；

c） 集聚区被约束在一个极小的空间，旋转气流主要任务只是将纤维集中和将须条外露的纤维端捻入主体，而这种纤维端数量很少，这两个运动需要的能量很少（只需要推动部分纤维），旋转气团中的有效成分实际上很少；因此，这种隔离方式可以极大地减少气体流量，从而可以进一步减小负压。

据立达公司称，在集聚区、包括吸风鼓的大截面空气通道，结合新型导流器，可以节省17%的能耗；而整个节能集聚纺纱装置（包括吸风管道、废棉笛管和风机）节能可高达63%。

5 结语

在不到10年的时间里，立达公司对集聚纺装置进行了多次改造，目的即为了降低能耗。特别是K46型细纱机，称之为“以最低能耗获得完全紧密纱线”的集聚纺细纱机。

立达公司宣称“如果考虑生产成本非常低，新的K46型双面吸风系统使生产每千克纱的能耗更低；因此，现在用高能耗的网格圈式集聚纺代替K46型成为不必要。”因为纺织企业购置设备的一次性投入大，可以很快地从生产成本降低中得到补偿，而这是长期受惠的利润来源。

立达不断地创新，很值得进入全民创新时代的我国从事集聚纺的同仁学习，且最值得我们学习的是对气流集聚原理基础理论研究的步步深入，这是机构创新取之不尽的源泉。

［1］沈晓来.立达K44紧密纺装置主要元件的作用［J］.上海纺织科技，2005（2）：27－28.

［2］朱鹏，倪远.紧密纺纱气动凝聚结构的研究［J］.棉纺织技术，2008，36（11）：22－25.

［3］王超，谢春萍，苏旭中，等.紧密纺集聚区气流导向装置的应用效果［J］.棉纺织技术，2011，39（8）：15－17.

［4］Syrien Harald Schwippl.在卡摩纺纱机K44上采用天丝超细纤维和棉纤维加工织造用COM4®卡摩纱的特性研究［J］.Technology SYS，2007（April）.

［5］RZETER.K46Compact Spinning Machine——For fullycompacted yarns with lowest energy consumption［Z］.