一种纱线牵引力测量装置的流场特性分析及牵引力的测量*

张晓飞，冯志华，张　亮，陆　庆，张　荣

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021)



一种纱线牵引力测量装置的流场特性分析及牵引力的测量*

张晓飞，冯志华，张亮，陆庆，张荣

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021)

纬纱牵引力是纬纱飞行的主要动力来源，可以在引纬时给予纬纱所需的速度，使得气流引纬能够满足织造工艺要求。设计了一套纬纱牵引力的测量装置,对其进行了详尽的流场分析,并对纬纱牵引力进行了试验测量。结果表明，所设计的测量装置在辅助管道内可以获得较平稳的速度和密度值，有利于数据的采集和分析；不同规格的纱线在相同条件下获得的牵引力大小和纬纱直径及毛羽有关。试验测量的纬纱牵引力为理论研究提供了一定的依据。

纬纱牵引力；辅助测试装置；试验测试；纬纱直径

目前，国内外对于纬纱牵引力的研究主要包括理论分析和试验测试。路翔飞等[1]针对导纱管内部各处纬纱牵引力难以通过试验获得的问题，提出了通过数值计算和理论分析获得的方法。郭兴峰和沈丹峰等[2-3]依据空气动力学的一维定常绝热摩管流理论，推导了纬纱牵引力的理论计算公式。陈亚威和金玉珍等[4-5]搭建了测试试验台，对纬纱的牵引力进行了试验测试。A.Sabit等[6]制作了一根塑料管，纬纱从塑料管穿过并两端固定，在此状态下进行纬纱牵引力的试验测试。郭兴峰[7]对主喷嘴进行了静止条件下的纬纱牵引力测试，并分析了影响纬纱牵引力的因素。本文设计制造一种纱线牵引力测量装置，通过几何建模和数值仿真来验证牵引力测量装置的合理性，并选取典型的纱线进行牵引力的试验测量。

1　牵引力测量装置的结构组成

为了准确地测量纱线牵引力，本文设计一种纱线牵引力测量装置，其主要由DLF—3双通道电荷电压滤波积分放大器、INV高精度数据采集分析仪、BZ2210系列多通道动态电阻应变仪、FD—1动态张力仪、辅助连接装置和辅助管道组成(见图1)。其中，张力仪把应变信号传送到动态电阻应变仪，信号通过放大器的放大作用被数据采集仪接收并传入计算机设备。

图1　牵引力测量装置的结构组成

2　牵引力测量装置的流场特性分析

2.1牵引力测试装置内外流场模型

数值模拟的计算区域为测试装置内流场、纬纱入口端外界大气和辅助管道出口处自由射流区。为了方便计算，把自由射流区简化为分段圆柱形流场。另外，由于流场模型为对称结构，故取其一半进行研究。本文依据牵引力测试装置的几何参数，应用Pro/E软件对其内外流场进行实体建模(见图2)。

图2　牵引力测设装置内外流场三维模型

2.2牵引力测试装置内外流场模型的网格划分和边界设定

为了对牵引力测量装置进行数值分析，以验证其设计的合理性，将上述三维模型导入专业网格划分软件Hypermesh进行网格划分。网格划分的原则为:结构复杂处网格划分较密，结构简单处网格划分较疏。网格划分结果如图3所示，主要由四面体网格和六面体网格组成，网格的总数量为626 139个。将划分好的网格模型导入流体模拟分析软件Fluent中，进行边界条件的设定，主要分为压力入口、压力出口、壁面和对称面。

图3　牵引力测试装置内外流场网格划分模型

2.3牵引力测量装置的数值模拟结果及流场特性分析

为了获得尽可能大范围的射流轴向速度，辅助管道主要选用了8种不同规格的亚克力管(见表1)。为了方便牵引力的测量，使其结果更准确，选择在纱线末端加砝码，即两端固定的测量方式，辅助管道的有效长度为图1中砝码所在竖直位置到导纱管的距离。

表1　辅助管道的分类

本文通过测试在不同表压下供气入口处的流量，计算出相应的入口气流速度，计算方法和陈亮等[8]相同；然后应用Fluent软件，模拟不同供气压力下测试装置轴向中心线气流速度及密度，并进行拟合。不同辅助管道的射流轴向速度和密度曲线分别如图4、图5所示。

图4　4种辅助管道下的测试装置轴向气流速度曲线

图5　4种辅助管道下的测试装置轴向气流密度曲线

由图4可知，在其他条件不变的情况下，4组速度曲线的变化趋势相似，4组速度曲线在辅助管道内都获得了相对稳定的一段。由图4a和图4b可知，在相同条件下，辅助管道内径越小，速度越大。由图4c和图4d可知，辅助管道较长，获得的平稳速度曲线也较长。

由图5可知，在其他条件不变的情况下，4组密度曲线的变化趋势相似，4组密度曲线在辅助管道内都获得了相对稳定的一段，辅助管道较长，获得的平稳密度曲线也较长。

由上述可知，设计的牵引力辅助测量装置可以在辅助管道内获得相对平稳的气流速度和密度，获得的速度及密度参数对于牵引力的推导具有重要的意义。

3　纬纱牵引力的试验测试

3.1纬纱种类

试验选用的纱线主要包括7种规格，分别是气流纺粘胶纱(OER):OER21S、OER16S、OER13.5S和OER10.5S；气流纺纯涤纱(OET):OET16S、OET13S和OET10S。

3.2测试方法

由表1可知，辅助管道A-2的有效长度为120mm，A-1的有效长度为80mm，A-1和A-2的其他条件相同，所以其有效区的速度和密度基本一致，测试时先测出A-2的纬纱牵引力F1，再测出A-1的纬纱牵引力F2，则可以获得长度为40mm的纬纱牵引力为：

ΔF=F1-F2

(1)

3.3试验测试结果

采用上述方法对7种规格纱线分别在A、B、C和D等4种辅助管道中进行牵引力测量，测试的结果如图6所示，图中a～g分别代表OER21S、OER16S、OER13.5S、OER10.5S、OET16S、OET13S和OET10S等7种规格。

图6　4种辅助管道下牵引力随供气压力的变化

由图6可知， 7种规格的纱线在不同的辅助管道内，气流与纬纱间牵引力随供气压力的变化趋势基本相同，即随着供气压力的增加，气流与纬纱间牵引力逐渐增大；供气压力较小时，不同纬纱的牵引力相差较小，随着供气压力的增加，不同纬纱的牵引力差别逐渐增大，在供气压力为0.5MPa时差别最大；同样的供气压力下，气流与纬纱间牵引力从大到小的顺序是g→f→d→c→e→b→a。有的曲线偶尔有所交叉，这是由于测试牵引力的试验条件的限制引起的。在试验测试牵引力时，采取3s内的微应变，取其平均值。气流与纬纱间的牵引力不仅与相对速度、供气压力有关，还与纬纱的直径大小和毛羽的影响有关，不同规格的同种纬纱，纬纱的直径越大，气流与纬纱的牵引力越大；反之，纬纱的直径越小，气流与纬纱间牵引力越小。

4　结语

通过上述研究得出结论如下：1)本文设计的牵引力测量装置通过数值模拟证明了其可行性；2)在一定的供气压力范围内，气流与纬纱间牵引力均随供气压力的变化而变化；3)所测试的7种规格纬纱的牵引力均随供气压力的增大而增加；4)对于不同规格的同种纬纱，纬纱的直径越大，气流与纱线的牵引力越大；反之，纬纱的直径越小，气流与纬纱间牵引力越小。

[1] 路翔飞, 冯志华, 孙中奎，等. 基于Fluent的喷气织机主喷嘴纬纱牵引力分析与计算[J].纺织学报, 2011, 32(9):125-129.

[2] 郭兴峰, 陈清华. 喷气织机主喷嘴牵引纬纱力的计算与测试[J].纺织学报,2001,22(3):24-27.

[3] 沈丹峰, 叶国铭. 气流引纬动力学分析与测试[J]. 丝绸,2006(5): 29-33.

[4] 陈亚威, 沈毅, 林乐. 喷气织机主喷嘴纬纱牵引力的测试与分析[J].浙江理工大学学报,2007,24(3):238-242.

[5] 金玉珍, 韩涛, 胡旭东，等. 纱线飞行的理论分析与试验研究[J].工程热物理学报,2009,30(8):1309-1311.

[6]SabitA,MansourHM.Analysisofairflowinair-jetfillinginsertion[J].TextileResearchJournal, 1991, 61(4):253-258.

[7] 郭兴峰. 喷气织机主喷嘴静态纬纱牵引力的研究[J].棉纺织技术,1997,25(4):226-228.

[8]ChenL,FengZH,DongTZ,etal.Numericalsimulationoftheinternalflowfieldofanewmainnozzleinanair-jetloombasedonFluent[J].TextRes.J.，2015，85(15): 1590-1601.

* 江苏省“六大人才高峰”资助项目(09-4-22D)

责任编辑马彤

TheFlowFieldCharacteristicoftheDragForcebyUsingMeasuringDeviceandtheExperimentalMeasurementoftheDragForce

ZHANGXiaofei，FENGZhihua，ZHANGLiang，LUQing，ZHANGRong

(CollegeofMechanicalandElectricEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215021,China)

Dragforceisthemainpowersourcefortheweftinsertion,whichcanprovideanecessaryflyingratethatsatisfiestherequirementoftheweavingprocess.Anewtestissetupforthemeasuringofthedragforcebewteenairandweft.Then,theflowfieldcharacteristicisanalyzeddetailedly.Finally,anexperimentaboutthewefts’forceisconducted.Theresultsshowthatasteadyvelocityanddensityvaluesaregainedinthedesignedmeasuringdesiveoftheauxiliarypipeline,whichiseasytocollectdataandanalyze,thedragforcegainedisrelatedtodiameteroftheyarnandyarnhairinessunderdifferentspecificationsinthesameconditions.Theresultsprovideacertainbasisforthetheoreticalresearch.

dragforce，measuringdevice，experimentalmeasurement，diameteroftheyarn

2015-11-01

TS101．2A

张晓飞(1989-)，男，硕士研究生，主要从事新型纺织机械、机电系统动态行为及其控制等方面的研究。

冯志华