段彩纱双通道集聚纺吸风槽形状的优选

杨岩岩 郭明瑞 高卫东

（江南大学，江苏无锡，214122）

段彩纱作为一类特殊的花式纱线，多采用经过技术改造的环锭细纱机纺制，纱线在长度上可以实现色彩的交替变化，彩色片段长度及分布的任意组合[1］，其独特的风格和色彩变化的可设计性，使服装面料具有鲜明的外观效果和丰富的色彩，能满足人们对个性和时尚的追求，产品附加值较高[2］。目前，双通道环锭纺技术在花式纱产品开发上具有较大优势[3］。现有双通道环锭纺技术主要包括双通道后罗拉型、双通道长短胶圈型和双通道单牵伸区型[4］。由于双通道集聚纺有两个并行的牵伸区，在纺制两组分段彩纱时，现有集聚纺的单斜槽将限制纤维须条的集聚，不能稳定成纱，而赛络纺用双槽在两根纤维须条交替输出时，两根纤维束头、尾端无法横向汇聚成纱。目前，利用有限元法研究集聚纺流场问题已经被较多的学者应用[5］。

本研究基于双通道等隔距单牵伸区型环锭纺纱技术[6］，以两组分段彩纱为研究对象，针对目前双通道纺纱技术使用常见的单斜槽时，两根纤维须条汇聚过程不稳定、纺纱容易断头、须条集聚需要较大负压的问题[7］，对集聚吸风槽（简称集聚槽）进行优化。利用ANSYS Workbench 有限元软件对集聚区流场进行数值模拟，讨论集聚区流场分布与纱线的特性关系。通过纺纱试验，研究不同槽形下两组分段彩纱成纱质量及不同负压下纤维须条集聚情况，优选集聚槽形状，优化负压参数和纺纱工艺，提高成纱质量。

1 双通道单牵伸区集聚纺纱原理

双通道等隔距单牵伸区型环锭纺纱装置克服了双通道后罗拉型纺纱装置对纤维须条控制力弱、双通道长短胶圈型纺纱装置存在牵伸隔距差异大的问题。该装置取消了中罗拉，只有一个胶圈牵伸区，后上胶辊也为双通道胶辊，后罗拉双列并置分别与前罗拉形成各自的牵伸通道，基纱须条和饰纱须条都只经过一个牵伸区，且牵伸隔距相同。双通道单牵伸区集聚纺装置如图1 所示，两个后罗拉可以单独控制，分别与前罗拉形成牵伸区，可以通过调节伺服电机来控制两根粗纱不同的牵伸比，也可以通过调节两个后罗拉交替喂入时间来控制段彩的长度。纺纱过程中，两根粗纱分别喂入后罗拉，经牵伸区独立牵伸后在前罗拉钳口输出，通过改造后的集聚槽汇聚，以单束纤维输出、加捻成纱。

图1 双通道单牵伸区集聚纺装置示意图

两组分段彩纱主要有渐变和跳变两种形式，如图2 所示。采用双通道单牵伸区集聚纺时对集聚装置的流场和集聚槽形状有特别的要求，这是由于两根纤维须条经过独立牵伸，在前罗拉钳口以较大间距输出，且两根须条长度方向上存在线密度的变化，甚至是断续状态，在气流集聚区需要将这种复杂状态的两根纤维须条横向汇聚和纵向搭接，以保证顺利成纱和纱线质量。

图2 两组分段彩纱示意图

2 集聚槽形状优选

集聚区的流场分布，即集聚槽的形状和尺寸将会直接影响纱线的质量[8］。有限元法数值模拟是研究流体力学的有效手段，被广泛应用于集聚纺流场的研究[9-11］。本研究对比多种集聚槽形状，分析不同槽形的负压气流作用对纤维须条集聚效果的影响因素和变化规律。

2.1 集聚纺流场几何模型建立

为了建立准确的气流场三维几何模型，首先，实测试验用双通道环锭细纱机集聚纺装置的几何参数，然后利用SolidWorks 软件建立集聚区流场模型。由于首先采用有限元法优选双通道槽形，故可以忽略集聚区纤维须条和网格圈对气流场的影响，气流场模型如图3 所示。

图3 集聚区流场结构示意图

集聚区气流场形态主要由前胶辊和集聚输出胶辊的结构、相对位置以及异形管形态决定。为了避免胶辊与罗拉相切位置的微小流场几何形态不利于有限元网格划分，所以将该部分模型进行简化，该区域远离集聚槽，对集聚槽附近流场影响较弱，对分析不同槽形气流场特征不会产生明显影响。以异形吸风管横截面底边中点为坐标原点，坐标轴方向如图3 所示，X轴与横截面底边重合，Y轴垂直于异形吸风管底面，Z轴垂直于异形吸风管横截面。输出胶辊空隙均受到负压气流的作用，将其设置为压力入口，异形管一侧设置为压力出口。

2.2 槽形设计

基于双通道环锭纺技术纺制两组分段彩纱的成纱原理，其集聚槽形应为双槽形，且集聚槽尾端需汇合为一体，故从双槽形入手。以Y 形槽为例对集聚槽特征进行描述，如图4 所示。表征双通道集聚槽的主要参数包括：集聚槽总高度H0（固定19.2 mm）、双槽间距D、集聚点位置P及单槽高度H和槽口宽度B。本研究旨在比较双槽最大间距、集聚点位置和槽口宽度的集聚槽所形成流场中压力与速度的分布规律，优选集聚槽形状。

图4 集聚槽示意图

2.2.1 集聚槽形状

针对成纱过程的特点，首先尝试设计了4 种不同形状的集聚槽，有Y 形、V 形、倾斜Y 形及不对称Y 形，如图5 所示。考虑到双槽集聚特点，选取双槽部分某一平行于Z 轴并紧贴集聚槽表面的一条直线作为分析流场的特征线。

图5 集聚槽形状

2.2.2 不同间距

由于经过牵伸的两根须条以较大间距进入集聚区，将两束纤维须条横向汇聚，集聚槽间距会影响须条弯曲程度，进而对须条运行稳定性和成纱质量产生影响。为了比较集聚槽双槽间距D对纤维集聚效果的影响，考虑到罗拉宽度等因素，D分别设置为16 mm、13 mm 和10 mm。

2.2.3 不同集聚点

集聚点的位置影响双槽与单槽的比例，决定了两束纤维汇合的早晚，以及汇合后单束纤维的集聚状态。因此将Y 形槽根据集聚点的不同设置为3 个梯度，分别为Y1、Y2 和Y3，对应集聚点下方的单槽高度H分别为9.6 mm、6.4 mm和3.2 mm。

2.2.4 不同宽度

在前期试验以及优选槽形的基础上，结合现有集聚纺槽形的参数，将槽口宽度B设置为1.0 mm和1.3 mm，分析相同形状不同宽度的槽形气流速度大小和压力分布规律。

2.3 集聚区气流数值仿真

几何模型生成后，对模型进行网格划分，网格单元尺寸设为0.4 mm，生成网格后，导入Fluent进行边界条件的设置。在流场中，压力入口处于大气状态，气压设为101 325 Pa，根据负压大小设置压力出口，负压会影响纤维汇聚形态和成纱质量，本研究将负压均设置为2 300 Pa。由于集聚区内气体为湍流，所研究模型气体为不可压缩气流[12］，所以采用分离式求解器，算法采用常用的SIMPLE 算法，收敛精度选择10-5，启动求解器导入网格模型进行求解计算。

2.4 模拟结果分析

2.4.1 流场横向汇聚方向气流速度比较

集聚区气流速度分布对纤维的运动产生直接影响，对于气流式集聚纺技术，扁平带状纤维须条在集聚区受气流作用横向汇聚，减少了加捻区边缘纤维数量，增加了纤维的伸直平行度，这是集聚纺提升纱线质量最主要的原因。所以重点分析集聚槽双槽区域横向汇聚方向气流场速度。

4 种不同形状集聚槽在Z轴方向的速度分量如图6 所示。对于不同形状的槽形，负压气流所产生的速度也略有不同。图中纵坐标数字表示Z轴方向上气流速度的大小，正负表示气流速度的方向，横坐标表示Z轴坐标即集聚槽横向位置。集聚区气流在横向位置的流速和分布决定其对纤维须条的有效汇聚作用强度。从图6 可以看出，V 形槽所能达到的峰值流速最大，倾斜Y 形槽的峰值流速最小，Y 形槽和不对称Y 形槽集聚槽较为接近且略小于V 形槽。故后续试验主要针对Y形槽和V 形槽进行参数优化。

图6 Z 轴方向的速度分量

2.4.2 双槽不同间距气流速度比较

两组分段彩纱纺制过程中两束纤维须条以较大间距进入气流集聚区，将其横向汇聚是一个必要环节，而气流集聚纺对纤维须条运动方向大范围改变主要依靠集聚槽走向来实现，在集聚槽之外的区域横向汇聚气流较弱。选取不同间距Y形集聚槽双槽部分的两条直线来分析集聚区速度分布规律，集聚槽间距分别为16 mm、13 mm、10 mm，单槽高度H为9.6 mm，槽口宽度为1.0 mm。线1 为距集聚槽顶点1 mm（X=9.55 mm）位置，线2距集聚点1 mm（X=2 mm）位置，如图7 所示。在集聚槽两侧接近2 mm 区域，图7 所示红色区域的气流仍具有较大流速，超过该范围集聚气流速度明显衰减。

线1、线2 在Z轴方向的速度分量分别如图8、图9 所示，图中竖线为辅助线条，表示集聚槽两侧边缘位置。

图8 线1 在Z 轴方向的速度分量

图9 线2 在Z 轴方向的速度分量

从图8 可以看出，线1 在Z轴方向上从左往右，气流在集聚槽左侧边缘约2 mm 处开始产生横向速度，并快速增大，在槽口边缘附近达到峰值，往槽中心处逐渐减小，气流在槽中心附近换向，在靠近集聚槽右侧边缘处增加至峰值，超出集聚槽右侧边缘时线1 在Z轴方向的气流快速减小，范围约为2 mm。沿着线1，双集聚槽的Z向气流形态相似，都是由两侧向槽中心对流，对纤维起集聚作用。同理，从图9 可以看出，线2 距离集聚点较近速度分量在槽口边缘达到最大值，沿着集聚槽两侧逐渐降低，说明气流从两侧流入集聚槽内部，但是，随着集聚槽间距的减小，速度分量极值点略有不同。上述结果表明，双集聚槽对纤维束的有效作用范围不超过集聚槽边缘两侧各2 mm。数值模拟结果表明，在同样负压条件下，双槽间距为16 mm 的集聚槽早于其他槽集聚达到峰值且最大，无论是刚汇入集聚槽的线1 还是两根纤维即将汇聚的线2 位置，双槽间距为16 mm 的集聚槽比13 mm 和10 mm 的流速更高，更有利于纤维的集聚，可以推断出双槽间距为16 mm 的集聚槽纺纱具有更高的强度。由于采用的双通道纺纱装置的两个牵伸通道中心间距为17.5 mm，所以为保证输出须条在集聚区的有效作用范围内，双槽最大间距理论上不能小于13.5 mm。考虑到实际纺纱过程各参数调控精度，需将双槽最大间距进一步放大，因此本研究所选双槽间距为16 mm 较为合理。

2.4.3 不同集聚点压力云图分布比较

图10 表示了不同集聚点位置的集聚槽所形成流场在异形吸风管表面的压力分布，双槽间距为16 mm，槽口宽度为1.0 mm。根据纤维须条运行路径分析可知，集聚点位置靠上时，须条沿集聚槽运行，其倾斜角度较大，纤维弯曲幅度大，维持纤维须条沿集聚槽稳定运行所需要的流场压力越大；当集聚点位置靠下时，纤维须条沿集聚槽运行所走路径较为平直，无明显拐点，此时维持纤维须条沿集聚槽稳定运行所需流场压力较小。从图10 可以看出，在给定同样总负压条件下，不同集聚点位置集聚槽负压大小无明显影响，所以集聚点位置靠下更有利于纤维须条稳定汇聚。

图10 不同集聚点压力云图分布

2.4.4 不同槽口宽度压力云图分布比较

V 形槽不同槽口宽度的压力云图如图11 所示，双槽间距为16 mm。从图11可以看出，1.3 mm宽度的槽口比1.0 mm 宽度的槽口所形成流场的负压峰值更大，且高压区域面积也较大，对维持纤维须条稳定运行更有利，可以更好地实现横向汇聚。

图11 不同槽口宽度压力云图分布

3 试验方案

基于双通道单牵伸区集聚环锭纺装置纺制多种两组分段彩纱，结合模拟结果，分别对集聚槽总高度19.2 mm、集聚槽宽度1.3 mm、双槽间距16 mm 的3 种Y 形槽（Y1 槽、Y2 槽、Y3 槽，单槽高度H分别为9.6 mm、6.4 mm 和3.2 mm）和V 形槽进行纺纱试验。原料均采用定量为4.2 g/10 m的黑、白两色纯棉粗纱，纺制细度为25 tex 不同混纺比的两组分段彩纱，捻系数均为360，锭速为9 000 r/min。3 种Y 形槽和V 形槽负压均采用2 300 Pa，黑色纯棉与白色纯棉纺纱混纺比分别为10∶90、30∶70、50∶50、70∶30、90∶10。根据所纺纱线性能和质量指标优选槽形。随后在最优槽形的基础上采用高速摄像技术观察纤维须条集聚效果，再进一步优选负压参数。

采用YG020A 型单纱强力仪测试纱线强度，测试速度500 mm/min，预加张力0.5 cN/tex，每个试样测试30 次；USTER TESTER5 型条干仪测试纱线条干均匀度和疵点，每个品种测试5 管，测试速度400 m/min，测试时间1 min；采用ZWEIGLE HL400 型毛羽仪测试纱线毛羽，每个品种测试5 管，测试速度400 m/min，测试长度100 m。所有样品在标准条件下放置24 h 后进行测试。

4 结果分析

4.1 强伸性能对比

不同槽形纺制不同混纺比纱线的断裂强度和断裂伸长率测试结果如图12、图13 所示。可以看出，两组分混纺比对段彩纱成纱强伸性能有明显影响，当两组分比例接近时成纱质量较优，这是因为此时两通道牵伸倍数接近，有利于两根粗纱的均匀牵伸。试验的3 种Y 形槽与V 形槽的本质区别主要是双槽汇聚点位置的差异，结果表明：V 形槽的强伸性能最好。可能是V形槽的汇聚点最低，两束纤维在V 形槽底的圆弧位置汇聚，这一过程更有利于纤维伸直平行，从而提高了纱线强伸性能。

图12 纱线断裂强度对比

图13 纱线断裂伸长率对比

4.2 毛羽对比

毛羽测试结果如图14 所示，可以看出V 形槽纺纱3 mm 以上有害毛羽（S3 毛羽根数）比Y 形槽的少，且随着两组分段彩纱的比例变化，毛羽数也随着变化，呈现先减后增的趋势，在混纺比为50∶50 时最小。根据模拟结果显示，V 形槽的横向气流速度稍大，来自侧面的负压气流增加横向集聚力，减少了纤维须条的宽度，促进了纺纱三角区的消除，有利于毛羽的减少。

图14 纱线S3 毛羽根数对比

4.3 条干均匀度和棉结对比

条干均匀度和棉结测试结果如图15、图16 所示。相较于其他槽形，V 形槽的纱线条干略优，随着集聚点位置下移纱线条干变优，且棉结数量更少。由于槽形的改变，纱线的均匀度得到改善，气流速度的增加使纱线边缘纤维转移，纱体中纤维分布更均匀，从而提高纱线的条干均匀度。同时V形槽所纺纱线的棉结数量更少，主要是因为V 形槽比较平直，纤维须条无明显拐点，在运行过程中纤维头端折弯勾结数量较少，减少棉结的形成。

图15 纱线条干CV 对比

图16 纱线棉结对比

4.4 不同负压集聚情况

从上述试验结果可知，V 形槽成纱质量较好，采用高速摄像机进一步拍摄V 形槽在不同负压下纤维须条的集聚状态，观察须条形态和宽度的差异，为优选负压参数提供借鉴。所拍摄图片基于Phantom LAB110 型高速摄像机，拍摄帧率1 000 帧/s，采样间隔为0.5 ms，曝光时间100 μs。纺纱品种混纺比为50∶50，负压分别为2 300 Pa、2 700 Pa、3 100 Pa、3 500 Pa，其余纺纱条件相同，结果如图17 所示。

图17 不同负压下集聚区纤维须条形态

由图17 可以看出，随着负压的增大，纤维束的集聚效果有所提升，当负压超过一定范围，纤维束的集聚效果变差。当负压为2 300 Pa 时，纤维束宽度较宽，集聚效果不理想；当负压增大至2 700 Pa 时，纤维束集聚效果明显提升，在负压进一步升高至3 100 Pa 时，纤维束的集聚效果同样较为理想，但与2 700 Pa 时相比区别不明显，当负压进一步增大至3 500 Pa 时，纤维束集聚效果反而变差。这是因为负压增大到一定程度后，垂直于纤维运行平面的气流压力过大，纤维与网格圈之间的摩擦阻力增大，导致横向集聚气流不能有效对纤维须条进行集聚。综上，V 形槽在2 700 Pa负压下可以有效对纤维须条集聚，且能耗水平较低。

5 结论

本研究基于双通道单牵伸区集聚环锭纺装置纺制两组分段彩纱，根据成纱原理对集聚槽形态的要求，探究了不同槽形、集聚槽参数和负压对两组分段彩纱成纱质量的影响。结果表明：根据数值模拟试验，Y 形槽和V 形槽在流场压力和速度分布上有明显的优势，有助于纤维须条的集聚；双槽间距为16 mm、槽口宽度为1.3 mm、总高度为19.2 mm 的槽形流场分布更有利。通过对成纱性能对比，得出V 形槽所纺纱线综合性能优于其他槽形，与数值模拟结果的分析结论比较一致，集聚负压存在最优值，负压过小和过大都不利于纤维须条良好集聚，说明集聚区的流场分布与纱线性能有明显的关系。因此，采用双通道单牵伸区集聚环锭纺装置纺制两组分段彩纱时，配置V 形集聚槽有利于提高成纱质量。