气流导向装置对紧密纺负压分布影响及其成纱性能

龚浩然,余 豪,胡胜伢,杨圣明,刘可帅

(1.武汉纺织大学纺织科学与工程学院,武汉 430200; 2.安徽华茂纺织股份有限公司,安徽安庆 246018)

在当今的纺纱环境中,环锭纺由于其具有成纱结构合理、适纺号数广泛的特点,依然是现今主流的纺纱方式[1]。但环锭纺在成纱质量方面还存在很大的进步空间,因此延伸出了紧密纺、扭妥纺等新技术,大大改善了纱线质量。

紧密纺是在环锭纺纱的基础上发展起来的一种新型纺纱方法[2]。通过在现有的环锭细纱机上添加纤维集聚装置,能够有效地减小输出须条的宽度从而减小甚至消除加捻三角区,使纤维间的控制力加强、抱合力增大,改善纱线成纱质量。根据集聚原理,紧密纺可分为负压式紧密纺和机械式紧密纺[5]。负压式紧密纺由于采用负压吸引纤维,握持较好,在不改变紧密装置参数的情况下能适应不同的纺纱细度要求,因此在成纱的适应性和成纱质量方面要优于机械式紧密纺。但负压式紧密纺装置结构复杂,负压产生的能耗较高,以及后期的清洁维护等导致成本相对机械式紧密纺较高。其中负压式四罗拉网格圈式紧密纺,通过使用配套的网格圈和带有斜向沟槽的集聚异形管并连接着吸风系统,在沟槽处形成的负压会使周围的空气导向作用在网格圈表面的经过牵伸后的纤维须条,产生纤维的集聚效果,最后经由输出罗拉加捻成纱。不少研究员对此展开了研究,例如,Saty等[10]利用ANSYS分析不同负气压对网格圈式紧密纺纤维集聚的影响,并实验证明了通过增加负压,流速增加,导致横向集聚效果的更大增加。Liu等[11]开发了一种气流导向装置,可以进一步提高纱线性能,但适纺纱号受限。梅恒等[12]采用Fluent数值仿真法,通过建立计算流体动力学模型,模拟了四罗拉紧密纺系统加装气流导向装置后集聚区的气流分布变化,为改善纱线质量和更加合理地设计紧密纺系统提供了理论参考。刘晓艳等[13]通过有限元软件ANSYS对集聚区的三维流场进行数值模拟分析,得出相关规律并辅以实验加以证明。

本文在负压式紧密纺基础上,拟设计一种具有改善集聚效果的气流导向装置,将负压区域的多维气流场进行控制,从而有效提高集聚效果,改善成纱质量。

1 成纱原理

装有气流导向装置的四罗拉网格圈式紧密纺装置结构如图1所示。须条在离开罗拉钳口线时,会受到负压气流的吸引,被迅速吸附到网格圈上对应的吸风口位置,然后沿着运动方向不断向前移动。此外,通过安装气流导向装置,须条上方的气流得到削弱,使得须条集聚区的气流主要从两侧流入,然后在与须条运动方向一定角度设置的吸风口倾斜的作用下,须条纤维可以在气流力的作用下绕其自身轴向旋转,并将纤维末端稳固地嵌入纤维主体干中。这样,须条纤维逐渐收缩并集聚为成纱宽度,同时加捻三角区也消失了,最终形成了一种紧密的纱线[10-11]。Liu等[11]开发的气流导向装置是一长方形无开孔的有机玻璃盖板,通过侧面的平板固定在摇架上。而本文提出的气流导向装置虽然材质相同,但是形状为瓦片状(见图2),与异性管的弧度相近,更加贴合表面。并且在盖板上开有两处长方形孔洞,不仅方便空气的流通,还能改变气流对纱线的作用方向。本装置是以卡扣的形式固定在输出胶辊内侧,方便拆卸。

图1 气流导向装置安装位置结构Fig.1 Air flow guide installation position structure diagram

图2 气流导向装置示意Fig.2 Schematic diagram of the airflow guidance device

气流导向装置的原理如图3所示。在图3(a)中无气流导向装置,外界气流从各个方向被吸入吸风口,集聚区的纤维须条受到的空气作用力分布范围广,并且来自于须条上方的空气作用力对须条集聚只起到辅助作用,而来自于两侧的空气作用力才对须条集聚起到主要作用。但在一定的负压下,起到主要集聚作用的两侧空气作用力要小于上方作用力,因此对须条的集聚效果较差。

图3(b)显示在细纱机中加装了气流导向装置后,外界气流被引导进入纺纱区域的两侧,强化了对须条的聚集效果,使得纤维能够以平行的状态较好地聚集,而不会因为扩散而没有被集聚进纱体中。相比较而言,未加装气流导向装置的紧密纺系统无法引导外界气流进入纺纱区域的两侧。同时,须条的宽度更窄,可以更大程度地缩小纺纱三角区,从而使风压的利用率提高,能耗减少。

图3 气流导向装置原理示意Fig.3 Schematic diagram of the principle of the air flow guidance device

2 实 验

2.1 试验方案

气流导向装置纺纱示意如图4所示。在加装网格圈式紧密纺纺纱装置和气流导向装置的华方电锭细纱机上分别纺制 14.8、9.8 tex和7.4 tex 的3种芳纶纱。其中,网格圈型紧密纺所设负压为 2500 Pa。其中实验工艺参数:锭速6300 r/min,粗纱定量 2.87 g/(10 m),设定捻度900 T/m,隔距块3.0 mm,后区牵伸倍数1.35,前罗拉线速度12.48 m/min,钢领型号PG1-4254。

图4 气流导向装置纺纱示意Fig.4 Diagram of spinning with air guide

2.2 纺纱工艺

纺制 3 种芳纶纱和 3 种加装气流导向装置的芳纶纱的具体方案见表 1。所有纱线的生产和测试环境:温度(20±2)℃,相对湿度(65±2)%。

表1 纺纱方案Tab.1 Spinning scheme

3 结果与分析

3.1 纱线毛羽性能

纱线毛羽测试采用型号为YG172C毛羽测试仪,每种规格纱线随机测量10个片段,每个片段 10 m,测试速度30 m/min。不同规格的芳纶纱线的毛羽测试结果如表2所示。纱线毛羽是影响纱线后加工及穿着舒适性的主要因素,并且对纱线的强度也有一定的影响[14]。

表2 毛羽测试结果Tab.2 Hairiness test results 根/10m

无论是否加装气流导向装置还是不同规格的纱线,1～2 mm有益毛羽仍然是纱线毛羽的主体组成部。由表1可知,通过对比1、3、5和2、4、6,可以看出随着纱线线密度减小,无论是否加装气流导向装置,纱线的毛羽数量也随之减小;在相同线密度下分采用气流导向装置所纺纱线毛羽无论是有益毛羽还是有害毛羽都少于普通紧密纺所纺纱线,但在加装气流导向装置后3 mm有害毛羽的降幅最低可达16%(7.4 tex),最高可达58.1%(14.8 tex)。并且纱线线密度越大,应用气流导向装置纺制的纱线毛羽质量越好。在纺纱过程中,纤维离开罗拉钳口线后受到气流的作用,气流与纤维的运动方向相倾斜,使纤维围绕自身进行轴向旋转,集聚效果较好。而在加装气流导向装置后,对作用在纱线周围的气流方向有明显改变,主要使气流汇聚方向由四周改为左右两侧。并且在自身的轴向旋转作用下,使得裸露在纱线表面的毛羽纤维在气流的作用力下贴附在纱线表面。

3.2 纱线条干性能

纱线条干使用型号为USTER4-S条干仪,速度200 m/min,时间2 min。条干均匀度是指纱线在轴向的粗细均匀程度,是衡量纱线质量的重要指标,是能在一定程度上反映纱线外观和结构的重要参数。纱线的疵点和不匀会造成后期织造断纱,影响生产率[15]。

由表3可知,随着纱线的线密度的增大,无论是否采用气流导向装置,纱线的条干、细节、粗结和棉结都有一定的降低。纺制相同线密度的纱线时,采用气流导向装置所纺纱线的条干性能差于普通紧密纺,并且在细节、粗节和棉结方面有所恶化。出现这种现象的原因主要是:纱线表层裸露的纤维在气流导向装置内部强气流的作用下重新包缠集聚在纱线表面,但是却无法调控毛羽包缠精度,导致纱线条干性能方面略有恶化。

表3 条干测试结果Tab.3 Yarn evenness test results

3.3 纱线强伸性能

纱线强力性能采用YG063G单纱强力仪测试,每管纱线测试10次,每段试样长度500 mm,采用等速伸长方式,拉伸预加张力0.5 cN/tex。织物的强力提高不仅与织物的组织结构有关,还与纱线的力学性能有关。纱线的强力提高可以有效的降低纺纱过程中的断头率,还能在一定的程度上降低纺纱的捻度从而提高锭速进而提高纱线的产量。并且纱线的强力提高也为后期的织造、染整等工序创造了良好的条件。不同规格的纱线的断裂强力如图5所示。

由图5可知,无论是否采用气流导向装置所纺纱线的断裂强力和断裂伸长率都是随着纱线的线密度的增大而增大。而对比相同线密度纱线时发现采用气流导向装置纺出的纱线强力都明显好于普通紧密纺,断裂伸长率有所增加。在气流导向装置的作用下,14.8 tex纱线强力相比于原纱强力提升了3.0%、9.8 tex纱线强力相比于原纱强力提升了5.2%、7.4 tex纱线强力相比于原纱强力提升了7.4%,不难看出随着纱线的线密度减小,纱线的强力提高程度有所增加。须条所承受的附加捻度和纤维断裂的同时性是影响纱线强度的主要因素。采用气流导引装置的网格圈紧密纺在集聚过程中产生的附加捻度较大,使纱体中的纤维相互间的扭转和缠结更加明显,而气流导引装置的存在,大大提高了纱线两侧的气流速度,从而大大提高了纤维间的抱合力,使纱线在纺纱过程中断裂较少,强度提高。

4 结 论

本文设计和建立了带有气流导向装置的紧密纺,探究了该气流导向装置对不同线密度成纱性能的影响,并与无气流导向装置的紧密纺纱线质量进行对比,得出以下结论:

a)对纱线毛羽的影响。在气流导向装置的作用下,纱线周围的气流方向有明显改变,主要使气流汇聚方向由四周改为左右两侧。并且在自身的轴向旋转作用下,使得裸露在纱线表面的毛羽纤维在气流的作用力下贴附在纱线表面,纱线的毛羽数量整体降低。在气流导向装置的作用影响下,14.8 tex纱线的3 mm毛羽降低了58.1%,9.8 tex纱线的 3 mm 毛羽降低了18.8%,7.4 tex纱线的3 mm毛羽降低了16.0%。

b)对条干的影响。裸露在纱线表面的毛羽在气流的作用下重新包缠在纱线表面,但由于气流导向装置内部气流不能调控毛羽包缠精度,导致纱线条干、粗细节、棉结有所恶化。

c) 对强力的影响。气流导向装置对纱线的强力有明显的提升作用,并且随着线密度的降低,强力提升效果明显。14.8 tex纱线强力提升了3.0%、9.8 tex纱线强力提升了5.2%、7.4 tex纱线强力提升了7.4%。