史倩倩，高 備，林惠婷，張玉澤，汪 軍,3

(1.東華大學(xué) 紡織學(xué)院，上海 201620；2.泉州師范學(xué)院 紡織與服裝學(xué)院，福建 泉州 362000；3.東華大學(xué) 紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

轉(zhuǎn)杯紡是目前新型紡紗領(lǐng)域中技術(shù)最成熟、應(yīng)用面最廣的紡紗技術(shù)之一。傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡的成紗流程為纖維條子經(jīng)喂給羅拉喂入，在分梳輥的梳理作用下形成單纖維，之后單纖維以負(fù)壓氣流作為載體，流經(jīng)輸纖通道后進(jìn)入轉(zhuǎn)杯，并由滑移面滑入凝聚槽形成凝聚須條，凝聚須條不斷被加捻和剝?nèi)?，剝?nèi)∠聛淼募啑l通過引紗出口來分析卷繞羅拉卷繞成筒子[1]。Sengupta等[2]利用采集技術(shù)(plucking technique)對轉(zhuǎn)杯內(nèi)紗線形成過程中的纖維集合體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。Pillay 等[3]采用示蹤纖維技術(shù)對比了轉(zhuǎn)杯紗和環(huán)錠紗的縱向結(jié)構(gòu)的差別，并用顯微鏡觀察2種紗線的橫截面，分析了紗線橫截面纖維成分和纖維轉(zhuǎn)移指數(shù)。Kimura等[4]通過研發(fā)一種新的轉(zhuǎn)杯復(fù)合紡紗系統(tǒng)，利用轉(zhuǎn)杯紡與包纏設(shè)備的結(jié)合，開發(fā)了具有新功能的空心棉紗線，并對如何開發(fā)出具有更大斷裂伸長率的紗線進(jìn)行了探索。

上述研究成果為如何改善傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗線結(jié)構(gòu)和成紗性能提供理論依據(jù)。然而傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡因單分梳技術(shù)的限制，只能純紡或者混紡性能相近的纖維原料，對于纖維性能差異較大的混紡紗卻難以順利生產(chǎn)，其主要原因在于每種規(guī)格的分梳輥只適合某種性能纖維原料。而且隨著中國紡紗產(chǎn)能的快速發(fā)展，棉花供應(yīng)緊缺的矛盾日益突出，因此轉(zhuǎn)杯紡的生產(chǎn)品種亟需擺脫僅使用棉花的依存關(guān)系，轉(zhuǎn)向開發(fā)非棉或少棉的轉(zhuǎn)杯紗，是未來轉(zhuǎn)杯紡發(fā)展的一個(gè)趨勢。毛、麻、絲和新型化纖原料的開發(fā)與使用，將會給轉(zhuǎn)杯紗注入新的生命力[5]。

雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紡紗器的特點(diǎn)是具有2個(gè)輸纖通道和2個(gè)喂給羅拉，即將原先的單喂給變?yōu)殡p喂給，并配有2個(gè)不同的分梳裝置，分別在紡紗器底座上開設(shè)出左右2個(gè)對稱的分梳腔體，從而對不同纖維條單獨(dú)喂給和分梳，解決傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡生產(chǎn)混紡紗時(shí)因分梳輥針布不能適應(yīng)纖維性能差異較大纖維的問題。有學(xué)者[6]通過增加喂給羅拉的數(shù)目，將單喂給變?yōu)殡p喂給，來提高轉(zhuǎn)杯紡紗線的質(zhì)量。有研究[7]對配有雙喂給羅拉的紡紗器也進(jìn)行了相關(guān)的探索和設(shè)計(jì)，并申請了專利。張玉澤[8]設(shè)計(jì)了具有2套喂入分梳機(jī)構(gòu)裝置的雙分梳型轉(zhuǎn)杯紡紗器，實(shí)現(xiàn)不同纖維條子的單獨(dú)喂給和分梳，為轉(zhuǎn)杯混紡紗的開發(fā)提供了新的思路。張倩[5]通過在含有2個(gè)分梳輥的F1612轉(zhuǎn)杯紡改裝機(jī)上進(jìn)行滌/棉混紡紗的紡紗實(shí)驗(yàn)，研究了轉(zhuǎn)杯紡雙分梳技術(shù)中不同喂入和分梳方式對混紡紗的成紗質(zhì)量和成紗結(jié)構(gòu)的影響，并得出轉(zhuǎn)杯紡雙分梳技術(shù)所紡混紡紗的成紗質(zhì)量符合紗線質(zhì)量要求的結(jié)論。

基于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，本文對比分析了傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡和雙喂給轉(zhuǎn)杯紡的紡紗器結(jié)構(gòu)，并數(shù)值模擬了2種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場分布特征。通過樣紗試紡實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步分析比較了傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡和雙喂給轉(zhuǎn)杯紡所紡紗線的成紗結(jié)構(gòu)和成紗性能，從而驗(yàn)證了雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紡紗技術(shù)的合理性和可行性。

1 2 種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比

相比于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)有2個(gè)可自調(diào)節(jié)的纖維須條喂給裝置以及2個(gè)不同的梳理裝置，2個(gè)輸纖通道分別位于轉(zhuǎn)杯的左右兩側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對不同纖維須條的單獨(dú)喂給和分梳。雙喂給轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)的工作原理和步驟同傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)相似，纖維離開通道出口后傾落在轉(zhuǎn)杯壁面，在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯帶動下，來自 2個(gè)輸纖通道的纖維經(jīng)凝聚槽集聚后加捻成紗，如圖1 所示。按照已有文獻(xiàn)[9-10]，假定氣流在每個(gè)輸纖通道中的流動同其在單輸纖通道中的流動相同。

2 轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場特征對比

2.1 模型建立

圖2示出數(shù)值模擬前所建立的雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紡紗器的幾何模型圖。圖中轉(zhuǎn)杯出口高度h為1 mm，轉(zhuǎn)杯高度H為15 mm，轉(zhuǎn)杯直徑d為40 mm，輸纖通道長度為43 mm，滑移角α為66°，引紗出口直徑為1 mm，輸纖通道間距離D為72 mm。傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紡紗器只有1個(gè)輸纖通道，其余結(jié)構(gòu)參數(shù)均與雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紡紗器相同。

圖1 2種轉(zhuǎn)杯紡紡紗器結(jié)構(gòu)對比圖Fig.1 Comparison chart of rotor spinning machine in two rotor spinning systems.(a) Conventional rotor spinning machine; (b) Dual-feed rotor spinning machine

圖2 雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紡紗器的幾何模型圖Fig.2 Geometric model chart of dual-feed rotor spinning machine

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是用網(wǎng)格線將計(jì)算區(qū)域離散劃分成多個(gè)互不重疊的子區(qū)域，并確定每個(gè)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置及該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體積。網(wǎng)格的形式、密度以及質(zhì)量對數(shù)值計(jì)算精度和計(jì)算效率有重要影響。實(shí)驗(yàn)中在計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化四面體單元，并在近壁區(qū)域處細(xì)化網(wǎng)格。經(jīng)網(wǎng)格劃分后，傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡和雙喂給轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)流場模型的網(wǎng)格數(shù)目分別為1 030 182和1 108 892。

2.3 邊界條件

因氣流從分梳棍分梳腔向輸纖通道流入，故實(shí)驗(yàn)中將輸纖通道入口設(shè)為速度進(jìn)口邊界。引紗通道出口與外界大氣相連通，因此將引紗通道出口設(shè)為壓力入口，轉(zhuǎn)杯內(nèi)氣流依靠抽氣機(jī)抽走，從而會在轉(zhuǎn)杯內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)，故將轉(zhuǎn)杯頂口與罩蓋之間的間隙，即轉(zhuǎn)杯出口設(shè)為壓力出口。參考先前學(xué)者的設(shè)置條件[11-12]，將入口速度設(shè)為20 m/s，入口氣壓和出口氣壓分別設(shè)為101 000、-7 000 Pa。并且實(shí)驗(yàn)中所有的固體壁面均采用無滑移邊界條件，轉(zhuǎn)杯壁面為旋轉(zhuǎn)壁面，旋轉(zhuǎn)速度即為轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速。

2.4 數(shù)值求解

通過基于FLUENT的有限體積法來求解控制方程，并使用商業(yè)CFD軟件ANSYS 14.5運(yùn)行模擬，采用SIMPLE計(jì)算方法以及二階迎風(fēng)格式求解守恒方程。在求解過程中先對模型的各個(gè)條件進(jìn)行初始化，再進(jìn)行迭代計(jì)算直至獲得收斂解，模擬收斂精度為 1× 10-4。

2.5 轉(zhuǎn)杯內(nèi)渦流對比

圖3示出雙喂給轉(zhuǎn)杯紡和傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)部氣流模擬結(jié)果?？煽闯?，2種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)轉(zhuǎn)杯內(nèi)部均產(chǎn)生渦流，但雙喂給轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)渦流狀似橢圓形，這可能是因?yàn)槲恢孟鄬σ驗(yàn)?個(gè)通道出口氣流的混合從而導(dǎo)致氣流速度的瞬間下降造成的。此外，相對于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)渦流形狀較小。渦流偏大不僅限制纖維排列改善和混合的機(jī)會，而且會引起纖維纏結(jié)和斷裂，因此，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡所紡紗線的成紗性能相對于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡會更好。

圖3 氣流流線和湍流黏度圖Fig.3 Chart of stream traces and turbulent viscosity.(a) Flow simulation of dual-feed rotor spinning;(b) Flow simulation of conventional rotor spinning

2.6 氣流速度分布對比

由轉(zhuǎn)杯紡的成紗原理可知，纖維的排列和集聚成紗在轉(zhuǎn)杯凝聚槽中進(jìn)行[13]。圖4示出在不同凝聚槽角度和位置下2種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)的轉(zhuǎn)杯凝聚槽周圍的氣流速度分布。從圖4(a)、(b)可以看出，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡系統(tǒng)凝聚槽的氣流速度較傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡系統(tǒng)的氣流速度高，并且中間出現(xiàn)明顯的波動，除此之外，2種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)凝聚槽處氣流速度的整體趨勢較為一致。從y=3 mm時(shí)，X-Z平面上氣流速度的變化可以看出，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡的氣流速度在X軸上的分布更為對稱，而傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡在X軸負(fù)方向處的氣流速度相對x軸正反向的氣流速度相對偏高，二者間的差異是因?yàn)閭鹘y(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)的氣流由于單輸纖通道會在通道出口附近產(chǎn)生高速氣流，而雙喂給轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)正好抵消了這種氣流量差異，并且可以穩(wěn)定通道出口處的氣流，從而減少了渦流結(jié)構(gòu)的不均勻性，故其可以在纖維流向引紗通道的過程中對纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)啬酆图幽怼?/p>

圖4 轉(zhuǎn)杯凝聚槽處氣流速度分布Fig.4 Velocity distribution at rotor groove.(a) y=2 mm, at different angles of rotor groove; (b) y=4 mm, at different angles of rotor groove;(c) section y=3 mm along X-axis

2.7 靜壓分布對比

在轉(zhuǎn)杯紡成紗過程中，輸纖通道中的氣流速度可達(dá)分梳輥表面速度的5倍。而轉(zhuǎn)杯中的負(fù)壓是保持預(yù)期氣流速度的重要因素。圖5示出坐標(biāo)為y=2 mm 時(shí)X-Z平面上沿著X軸的雙喂給轉(zhuǎn)杯紡和傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)轉(zhuǎn)杯內(nèi)的負(fù)壓對比?？芍p喂給轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)壓絕對值低于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)。前者較低的負(fù)壓現(xiàn)象是由于雙輸纖通道的存在使2通道出口的氣流在轉(zhuǎn)杯內(nèi)相遇從而氣壓降低，并且較低的負(fù)壓有利于避免纖維的纏結(jié)，同時(shí)降低氣流加捻過程中的落纖率。

圖5 2種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)轉(zhuǎn)杯內(nèi)負(fù)壓對比圖Fig.5 Comparison of negative pressure inside rotor of two different rotor spinning systems

3 紗線結(jié)構(gòu)與性能對比

3.1 基本實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗單元的分梳輥速度為6 500 r/min，轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為51 000 r/min，紗線傳輸速度為60.44 m/min。雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗單元的分梳輥速度為8 000 r/min，轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速為 51 000 r/min，紗線傳輸速度為68.75 m/min。實(shí)驗(yàn)所紡紗線規(guī)格分別為34、42 tex，混紡紗線原料分別為棉纖維(長度為29 mm，線密度為1.8 dtex)和粘膠纖維(長度為 38 mm，線密度為1.67 dtex)。實(shí)驗(yàn)過程中限定基本參數(shù)與測試儀器不變，結(jié)合紗線的品種和紡紗技術(shù)的改變，對比分析傳統(tǒng)型和雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗技術(shù)所紡紗線結(jié)構(gòu)、斷裂強(qiáng)度以及條干均勻度的變化。在測試試樣之前，試樣均被放置在恒溫恒濕室(溫度為(20±2) ℃，相對濕度為(65±2)%)進(jìn)行調(diào)濕 24 h以達(dá)到平衡狀態(tài)。

3.2 紗線結(jié)構(gòu)對比分析

采用日本日立公司生產(chǎn)的TM3000掃描電子顯微鏡，選取傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡和雙喂給轉(zhuǎn)杯紡所紡的一定長度的樣紗制成實(shí)驗(yàn)標(biāo)本，并對其進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理后，將所得實(shí)驗(yàn)標(biāo)本分別置于60和400放大倍數(shù)下，從而可觀察到2種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)所紡紗線在橫截面和徑向上的紗線結(jié)構(gòu)及空間構(gòu)象，如圖6所示。2種紗線結(jié)構(gòu)的橫截面掃描電子顯微 (SEM)圖像在外觀上并無區(qū)別。但由徑向圖可知，相較于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗線結(jié)構(gòu)，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗線結(jié)構(gòu)在徑向上包纏更加緊密，毛羽較少，這是因?yàn)殡p喂給轉(zhuǎn)杯紡紡紗器的第2個(gè)喂給分梳裝置對纖維進(jìn)行了有效地開松，從而使其徑向結(jié)構(gòu)更加規(guī)整。

圖6 2種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)所紡紗線SEM圖像對比Fig.6 Comparison of SEM images of yarns spun in two rotor spinning systems.(a) Dual-feed cross-sectional view; (b) Conventional spun yarn cross-sectional view; (c) Dual-feed longitudinal view; (d) Conventional longitudinal section

3.3 紗線斷裂強(qiáng)度與毛羽指標(biāo)對比分析

紗線力學(xué)性能測試在YG061型電子單紗強(qiáng)力機(jī)上進(jìn)行，每次測試30次，測試時(shí)采用等速伸長(CRE)的方式，拉伸速度為(500±10) mm/min，隔距為(500±2) mm，預(yù)加張力為(0.5±0.1) cN/tex，測試結(jié)果見表1。采用YG172 A毛羽測試儀進(jìn)行毛羽指數(shù)(≥3 mm)測量，測試速度為30 m/min。每個(gè)試樣測試10個(gè)樣本，每次測試10 m，即每個(gè)試樣共測試100 m，測試結(jié)果見表1。

表1 紗線強(qiáng)伸性能及毛羽指標(biāo)對比Tab.1 Comparison of yarn tensile properties and hairiness index

由表1可知：4組紗線中雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗的斷裂強(qiáng)度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗，其增幅分別為19.18%、30.15%、24.98%和25.63%；在斷裂伸長率方面，2種紗線并無顯著區(qū)別；而就毛羽指數(shù)來講，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗的毛羽指數(shù)顯著低于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗，4組實(shí)驗(yàn)分別降低了25.88%、29.78%、30.36%以及49.09%。由此可得，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紡紗器的雙喂給分梳裝置對纖維的有效開松作用使其所紡紗線相較于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗線的毛羽更少，結(jié)構(gòu)更加緊密，從而使其紗線斷裂強(qiáng)度更大。

3.4 紗線條干性能對比分析

條干不勻率和紗疵測試在長嶺CT 3000條干不勻測試儀上進(jìn)行，測試速度為200 m/min。每個(gè)試樣測試10個(gè)樣本，每次測試100 m，即每個(gè)試樣共測試1 000 m。測試結(jié)果見表2。

表2 紗線條干性能對比Tab.2 Comparison of yarn evenness performance

由表2可知，相比于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗線，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗線的條干不勻率均有所降低，4組實(shí)驗(yàn)分別下降了9.50%、3.51%、3.75%和10.10%；而在紗疵方面，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗線細(xì)節(jié)以及棉結(jié)較傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗線略微降低，但就紗線粗節(jié)而言，2種紗線并無明顯差異。綜上可知，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗線的條干性能相較于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗線有所提高，這主要是由于前者的紗線結(jié)構(gòu)更加緊密，從而其在成紗加捻過程中的落纖率降低，進(jìn)而改善了紗線的條干性能。

4 結(jié) 論

本文在分析比較了傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡和雙喂給轉(zhuǎn)杯紡的紡紗器結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)杯內(nèi)部流場分布特征以及所紡紗線結(jié)構(gòu)性能后，得出結(jié)論如下。

1)雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紡紗器因其具備的2套喂給裝置和梳理裝置可實(shí)現(xiàn)對不同纖維須條的單獨(dú)喂給和分梳，并且其開松梳理作用相較傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡效果更充分。

2)雙喂給轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)渦流狀似橢圓形，且相比于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)渦流，前者的形狀較小，減少了引起纖維纏結(jié)和斷裂的機(jī)會；2種轉(zhuǎn)杯紡成紗系統(tǒng)凝聚槽處氣流速度的整體趨勢較為一致，但雙喂給轉(zhuǎn)杯紡的氣流速度相對較高，且氣流速度分布更為對稱，從而降低了渦流結(jié)構(gòu)的不均勻性，有利于纖維的凝聚和加捻；雙喂給轉(zhuǎn)杯紡轉(zhuǎn)杯內(nèi)負(fù)壓絕對值相比于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡的負(fù)壓絕對值偏低，而較低的負(fù)壓易于避免纖維的纏結(jié)，同時(shí)可降低氣流加捻過程中的落纖率。

3)雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗線在外觀結(jié)構(gòu)上較傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗線包纏更為緊密，毛羽相對較少；相比于傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)杯紡紗線，雙喂給轉(zhuǎn)杯紡紗線的紗線強(qiáng)度相對較高，且后者的毛羽指數(shù)和條干不勻均有所降低，紗線的細(xì)節(jié)以及棉結(jié)也相對較少，紗線的成紗性能整體有明顯改善。

FZXB