馬曉琳， 唐新軍， 宋均燕， 劉 霞， 張玉高

(1. 新疆溢達紡織有限公司， 新疆 烏魯木齊 830054； 2. 廣東溢達紡織有限公司， 廣東 佛山 528600)

集聚紡與普通環(huán)錠紡相比因其紗線具有毛羽少、強力高的特點受到市場的青睞。瑞士立達公司推出的集聚系統(tǒng)(也稱為網(wǎng)眼羅拉集聚系統(tǒng))作為集聚紡的一種在該領(lǐng)域技術(shù)上有一定優(yōu)勢[1]。網(wǎng)眼羅拉集聚系統(tǒng)是在環(huán)錠紡的基礎(chǔ)上，將前羅拉替換為大直徑的網(wǎng)眼羅拉，配合氣流導(dǎo)向元件(以下簡稱：導(dǎo)流器)、吸風(fēng)插件、牽伸膠輥、牽引膠輥等組成件，組成一套集聚系統(tǒng)，實現(xiàn)對牽伸后纖維須條的集聚[2]。

得益于網(wǎng)眼羅拉集聚系統(tǒng)獨特設(shè)計，其特點主要有以下體現(xiàn)：網(wǎng)眼羅拉集聚系統(tǒng)與其他形式集聚紡相比，其工藝符合牽伸集聚相結(jié)合的原則，結(jié)構(gòu)簡化、易損件少，機器效率高；且能耗更低，成本低。該系統(tǒng)之所以能在增加集聚效果的同時做到節(jié)能降耗，其導(dǎo)流器起了不小的作用。陸宗源[3]提到，氣流經(jīng)過導(dǎo)流器通道，在吸風(fēng)插件上空的集聚區(qū)形成環(huán)形氣流，環(huán)形氣流集中作用于集聚區(qū)，從而降低能耗。他認為，導(dǎo)流板的存在主要是保證集聚區(qū)氣流和車間空氣適當隔離，以保證集聚氣流的穩(wěn)定。沈曉來[4]認為由于導(dǎo)流器的使用，氣流主要從導(dǎo)流器兩側(cè)聚集纖維,使纖維以伸直平行的狀態(tài)聚集；并且須條在前鉗口變窄,起到縮小紡紗三角區(qū)的作用。

國內(nèi)外對導(dǎo)流器的研究更多地傾向于其節(jié)能降耗能力方面，對于導(dǎo)流器對成紗質(zhì)量影響的分析較少。本文主要研究了網(wǎng)眼羅拉集聚系統(tǒng)中的導(dǎo)流器在實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的偏移對集聚效果的影響。

1 研究背景

1.1 背景簡介

圖1為網(wǎng)眼羅拉集聚系統(tǒng)示意圖。網(wǎng)眼羅拉為中空結(jié)構(gòu)，其表面開有整圈小孔供氣流通過，吸風(fēng)插件安裝在其中空處，導(dǎo)流器與網(wǎng)眼羅拉表面有間隙地貼合，須條在網(wǎng)眼羅拉與導(dǎo)流器之間受到負壓氣流作用，以確保纖維先集聚成束，再進行加捻。有研究表明，導(dǎo)流器會增大側(cè)向集聚氣流的速度，提高負壓利用率[5-6]，使紗線須條結(jié)構(gòu)更緊密，還可減少紗線毛羽和降低紡紗能耗[7-8]。

圖1 網(wǎng)眼羅拉集聚系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of compacting system with nesting zone

理想情況下，導(dǎo)流器的安裝與網(wǎng)眼羅拉是對中配合的，即與吸風(fēng)插件槽孔對中配合，然而實際應(yīng)用中并非如此，二者間存在位置相對偏移，其中有搖架自身原因，例如長期使用后配合精度降低，以及導(dǎo)流器在使用中自身的偏移問題等。經(jīng)長期觀察發(fā)現(xiàn)，紡紗時，導(dǎo)流器在網(wǎng)眼羅拉表面的偏移可達1.5 mm；若整個結(jié)構(gòu)處于不良狀態(tài)時，偏移可達到2.5 mm，由此證明，導(dǎo)流器并不始終與底部的吸風(fēng)插件對中配合，因此，導(dǎo)流器集聚的氣流也可能存在偏移。基于此，本文主要探究導(dǎo)流器在偏移1.5、2.5 mm時是否會影響到集聚作用和成紗質(zhì)量。

1.2 研究思路

文獻[9-10]采用Fluent模擬了四羅拉集聚紡系統(tǒng)加裝氣流導(dǎo)向裝置后集聚區(qū)的氣流分布變化。流場模擬在紡紗廠的應(yīng)用使很多難題得到有效快捷解決。

本文研究導(dǎo)流器利用ANSYS FLUENT 15.0軟件以及CFD軟件，模擬分析網(wǎng)眼羅拉系統(tǒng)中導(dǎo)流器發(fā)生偏移后整個集聚系統(tǒng)的氣流及壓強變化，從模擬結(jié)果預(yù)判紡紗質(zhì)量，再進行實際紡紗驗證。具體思路如下：1)利用SolidWorks 2016軟件組建集聚系統(tǒng)的物理模型，并提取出需要分析的主要集聚區(qū)模型；2)利用ANSYS ICEM 15.0軟件將集聚區(qū)模型生成網(wǎng)格，并對網(wǎng)格質(zhì)量進行計算；3)用ANSYS FLUENT 15.0軟件對集聚區(qū)導(dǎo)流器偏移后各流場進行模擬計算，得出特殊位置的速度、靜壓的分布云圖以及規(guī)律曲線；4)在網(wǎng)眼羅拉式集聚紡不同偏移量時，對集聚區(qū)進行CFD流場模擬結(jié)果對比分析；5)在生產(chǎn)車間K44型細紗機上進行紡紗實驗驗證。

2 流場模擬過程

2.1 集聚系統(tǒng)建模

首先要精確測量網(wǎng)眼羅拉集聚系統(tǒng)中各元件的尺寸，以及配合尺寸，用SolidWorks 2016軟件繪制出系統(tǒng)中各發(fā)生集聚作用的區(qū)域，建立整個集聚系統(tǒng)的物理模型。

圖2示出提取出的集聚區(qū)模型。所建模型的坐標原點在帶孔網(wǎng)眼羅拉的右側(cè)面圓心處，其中z軸與網(wǎng)眼羅拉軸線重合，且從原點出發(fā)向左為z軸正方向,后期建立特征面均以此坐標軸為基準。在此模型基礎(chǔ)上，分別繪制集聚區(qū)內(nèi)導(dǎo)流器居中、導(dǎo)流器左右偏移1.5 mm、以及左右偏移2.5 mm時共5組集聚區(qū)模型圖。

圖2 集聚區(qū)提取模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of nesting zone extractable model

2.2 數(shù)值模擬計算

將繪制好的5組集聚區(qū)模型導(dǎo)入ANSYS ICEM 15.0軟件中，生成網(wǎng)格。為保證模擬結(jié)果具有可比性，網(wǎng)格的劃分與數(shù)值計算的條件保持一致，出口負壓統(tǒng)一設(shè)定為-900 Pa(-900 Pa為網(wǎng)眼羅拉系統(tǒng)所需正常負壓)。

網(wǎng)格劃分時需考慮質(zhì)量分布，取值在0～1之間，越靠近1網(wǎng)格質(zhì)量越高；當網(wǎng)格的質(zhì)量均在0.3以上時，已基本達到求解要求。再將完成劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入ANSYS FLUENT 15.0軟件中，設(shè)定求解參考值[11-12]，進行數(shù)值模擬計算。

2.3 特征面的建立

為更好地觀察導(dǎo)流器位置處氣流運動的實際狀態(tài)，以能夠清晰觀察氣流變化的面建立特征面。以氣流運動的橫截面建立特征面1，處于集聚區(qū)中間位置，如圖3(a)所示；特征面2為網(wǎng)眼羅拉的縱截面，處于網(wǎng)眼羅拉的中間位置，如圖3(b)所示。此外，在特征面1的基礎(chǔ)上，距離網(wǎng)眼羅拉表面高度0.1 mm建立特征線，用以觀察特征面1上方兩側(cè)的氣流或靜壓對纖維凝聚的作用大小。

圖3 特征面示意圖Fig.3 Schematic diagram of feature face. (a) Feature face 1; (b) Feature face 2

3 模擬結(jié)果分析

集聚系統(tǒng)主要是依靠其集聚區(qū)內(nèi)負壓完成對纖維須條的集聚，集聚區(qū)內(nèi)的氣流速度、負壓形態(tài)等都會影響其集聚效果，本文研究也是從這2個方面展開。

由于吸風(fēng)插件為直槽，須條翻轉(zhuǎn)很微小，故模擬過程忽略集聚區(qū)須條的翻轉(zhuǎn)對實驗的影響。實驗結(jié)果表明，偏左和偏右相同距離時模擬結(jié)果具有對稱性，故本文只對居中位置、偏左1.5、2.5 mm進行對比分析。

3.1 集聚區(qū)內(nèi)氣流速度分析

3.1.1 特征面上的氣流速度

建立特征面的速度云圖，云圖橫坐標根據(jù)所需要觀察的面進行設(shè)定，縱坐標表示觀察對象的氣流速度(單位為m/s)，縱坐標由下至上為數(shù)值逐漸增大，即云圖中顏色由冷色向暖色表示流速逐漸變大，如圖4所示。

圖4 特征面1上氣流速度云圖Fig.4 Flow velocity nephogram of feature face 1. (a) Center position; (b) Left 1.5 mm shifting; (c) Left 2.5 mm shifting

圖4以網(wǎng)眼羅拉橫截面(z軸)為橫坐標，z軸方向與纖維須條輸出方向垂直，沿z軸方向的氣流，在纖維須條輸出的過程中由兩側(cè)向中心凝聚纖維，使纖維束保持收攏狀態(tài)，對控制纖維的集聚運動起關(guān)鍵作用。

對比圖4中3幅圖，首先觀察導(dǎo)流器空氣通道處氣流速度：居中時，2塊范圍較為一致的藍色區(qū)域，此時兩通道處氣流速度處于均衡狀態(tài)；偏左1.5 mm時，左通道處藍色區(qū)域向深藍變化，且左通道處藍色范圍比右側(cè)通道處小，證明該通道處氣流速度有降低；偏左2.5 mm時，左氣流通道處藍色區(qū)域也偏向深藍，通道處氣流區(qū)域再度縮小，氣流速度下降，氣流速度影響范圍也在縮小。

對比圖4中網(wǎng)眼處和吸風(fēng)插件處氣流變化：偏左1.5 mm時，由于偏移距離較小，氣流變化不大；偏左2.5 mm時，由于導(dǎo)流器通道與插件通道發(fā)生較大偏移，可見右側(cè)氣流速度增大，左側(cè)弱小；3個圖在吸風(fēng)插件腔內(nèi)遠離網(wǎng)眼處均有范圍相近的黃綠色區(qū)域，即偏移前后插件腔內(nèi)氣流變化不大。

依照上述方法建立分析特征面2，橫坐標為網(wǎng)眼羅拉縱截面(x軸)，縱坐標表示該截面內(nèi)的速度大小變化。得到與特征面1一致的規(guī)律，在特征面2上，隨氣流導(dǎo)向元件出現(xiàn)偏移，導(dǎo)流器通道處氣流出現(xiàn)不對稱，表現(xiàn)出氣流速度降低。

3.1.2 速度特征數(shù)據(jù)分析

為定量描述氣流的變化規(guī)律及導(dǎo)流器偏移的影響程度，提取特征線1上的速度數(shù)據(jù)。特征線1為特征面1內(nèi)距離網(wǎng)眼羅拉表面0.1 mm時建立的線，可觀察網(wǎng)眼羅拉處集聚方向的氣流變化，如圖5所示。橫坐標表示與纖維須條輸出方向垂直的方向，即建立的坐標z軸，范圍5～29 mm正好是導(dǎo)流器的寬度，17 mm處為集聚中心位置也是網(wǎng)眼羅拉中心位置；縱坐標為沿z軸方向的速度，正數(shù)表示與z軸正方向相同(從右往左)，負數(shù)相反。

圖5 速度特征線Fig.5 Characteristic line of velocity

3條特征線均以z軸17 mm處為中心，居中位置時在集聚方向上氣流速度最大值為15 m/s，寬度范圍在11～22 mm，且以集聚中心呈兩邊對稱趨勢，可見居中時導(dǎo)流器2個通道較為均衡地對11～22 mm范圍內(nèi)的纖維起集聚作用；偏左1.5 mm時兩邊氣流不再對稱，集聚方向上氣流速度的最大值為17 m/s，氣流集聚范圍在13～23 mm之間，從圖中可看出集聚中心左邊集聚范圍縮小，集聚氣流速度略微增大；集聚中心右邊集聚范圍增大，但相比居中位置時集聚中心右側(cè)的氣流速度降低，氣流最大值為12.5 m/s；同理，觀察偏左2.5 mm，集聚方向上氣流速度的最大值為15 m/s，集聚范圍在14～23 mm，集聚中心左側(cè)集聚范圍再減小，氣流速度最大為15 m/s，集聚中心右側(cè)氣流速度較居中特征線有降低，最大速度為14 m/s，且狀態(tài)不穩(wěn)定。

由此判斷，導(dǎo)流器的偏移可使集聚中心兩邊的氣流速度發(fā)生變化，且氣流集聚范圍也發(fā)生偏移，結(jié)合特征面1和2云圖，判斷偏移1.5 mm時，導(dǎo)流器所集聚的氣流較為對稱，集聚范圍較居中時變化不大，但氣流在網(wǎng)孔內(nèi)的驟降可能影響集聚效果；偏移2.5 mm時，極度不對稱的集聚氣流也可能對集聚效果造成不良影響。

3.2 集聚區(qū)氣流靜壓分析

3.2.1 特征面1上的靜壓

與速度分析方法相同，建立特征面上1的靜壓云圖如圖6所示。圖中橫坐標為網(wǎng)眼羅拉橫截面(z軸)，縱坐標表示靜壓大小，由下至上靜壓逐漸增大。

圖6 特征面1氣流靜壓云圖Fig.6 Flow static pressure nephogram of feature face 1. (a) Center position; (b) Left 1.5 mm shifting; (c) Left 2.5 mm shifting

對比圖6中3個不同位置：導(dǎo)流器的2個氣流通道處和網(wǎng)眼處顏色也無明顯變化，說明此2處氣流靜壓無明顯變化；觀察吸風(fēng)插件腔內(nèi)，3個圖腔內(nèi)主要為黃色和綠色，偏左1.5 mm時靠近網(wǎng)眼處黃色區(qū)域比居中時多些，說明1.5 mm偏移比居中位置靜壓略有增大，向左偏移2.5 mm時，網(wǎng)眼處黃色區(qū)域繼續(xù)增大，說明2.5 mm偏移后網(wǎng)眼處靜壓較前二者還有增大。整體來看，導(dǎo)流器的偏移使網(wǎng)眼處靜壓有增大，插件腔內(nèi)靜壓局部有變化，但不明顯。

依照上述方法建立分析特征面2，網(wǎng)眼羅拉縱截面(x軸)為橫坐標，縱坐標表示該截面內(nèi)的靜壓大小。觀察分析得出：導(dǎo)流器通道處以及網(wǎng)眼處均無明顯顏色變化，即此二處氣流靜壓變化不大，居中與偏左1.5 mm時吸風(fēng)插件處壓強變化主要體現(xiàn)在導(dǎo)流器通道兩端所對應(yīng)的插件腔內(nèi)；導(dǎo)流器偏移1.5 mm與居中相比，壓強在導(dǎo)流器上下端均有靜壓增強趨勢；偏左2.5 mm與居中時相比在靜壓上變化不大。

3.2.2 靜壓特征數(shù)據(jù)分析

為定量描述氣流的變化規(guī)律及偏移影響程度，提取了特征線1的靜壓數(shù)據(jù)圖，如圖7所示。特征線1的選擇為特征面1內(nèi)距離網(wǎng)眼羅拉表面0.1 mm時建立的線，主要是為觀察網(wǎng)眼羅拉橫截面方向上的氣流靜壓變化。

圖7 靜壓特征線Fig.7 Characteristic line of static pressure

圖7中，縱坐標為靜壓(負壓大小)：居中位置時負壓的作用區(qū)域在12～21 mm，靜壓最大值為-450 Pa，偏左1.5 mm靜壓最大值為-480 Pa，負壓作用區(qū)域在13～23 mm；偏左2.5 mm靜壓最大值為-440 Pa，作用區(qū)域在14～24 mm；由此看出，氣流靜壓大小隨導(dǎo)流器的偏移出現(xiàn)變化，且靜壓區(qū)域發(fā)生了向右偏移，推測其集聚點發(fā)生偏移，可導(dǎo)致成紗質(zhì)量的下降。

4 實驗驗證

4.1 實驗設(shè)計

為進一步驗證模擬分析結(jié)果，進行了實際紡紗實驗。使用K44型細紗機配備第3代導(dǎo)流器，分別紡制線密度為9.72和7.28 tex這2個品種單紗。實驗保證使用同配棉，同定量粗紗，相同細紗工藝、車間環(huán)境，并做到同錠、同紡紗高度做對比。紡紗前先進行K44型細紗機搖架居中校準，再根據(jù)設(shè)計好的刻度條先偏左2.5 mm固定，進行紡紗，依次由左至右完成5組實驗，實驗時關(guān)閉K44型細紗機上的粗紗橫動裝置，保證粗紗喂入位置不變，每組實驗重復(fù)3次。

測試儀器：使用USTER TESTER4型條干儀測試紗線的條干CVm值、毛羽指數(shù)，測試速度為400 m/min,測試時間設(shè)置為2.5 min。以10管測試的平均值作為最終結(jié)果；使用USTER TENSORAPID 4型單紗強力儀測試紗線強力指標，測試速度為5 m/min，共測10管樣紗，每管紗測10次，同樣取平均值作為最終結(jié)果。測試的標準實驗條件為：相對濕度(65±2)%，溫度(20±2) ℃，測試前紗線在標準實驗條件下平衡48 h以上。

4.2 實驗結(jié)果分析

表1、2示出試紡的2組測試結(jié)果。表中呈現(xiàn)了5個特征點的物測指標，表中L表示向左偏移，M為居中位置，R表示向右偏移。

表1 9.72 tex單紗質(zhì)量數(shù)據(jù)表Tab.1 Quality data table of 9.72 tex

表2 7.28 tex單紗質(zhì)量數(shù)據(jù)表Tab.2 Quality data table of 7.28 tex

根據(jù)2組單紗測試結(jié)果分析得：

1)條干CVm值，居中位置略優(yōu)于左右偏移1.5 mm和左右偏移2.5 mm；偏移增多，條干CVm值呈現(xiàn)升高趨勢，偏移達到2.5 mm時條干CVm值與居中位置相比上升了3%。

2)毛羽指數(shù)H，在偏移1.5 mm時與居中相比有所增加，但不明顯，當偏移達到2.5 mm后毛羽指數(shù)有明顯增大趨勢，比居中位置毛羽指數(shù)上升了約8%。

3)拉伸強力，居中位置也是略優(yōu)于左右偏移。

結(jié)果表明，第3代導(dǎo)流器在左右偏移1.5 mm時紡紗，其成紗質(zhì)量稍有降低，若由于各種原因?qū)е聦?dǎo)流器偏移繼續(xù)增大，則其成紗質(zhì)量會明顯下降。

5 結(jié) 論

使用CFD數(shù)值模擬方法，研究網(wǎng)眼羅拉集聚紡集聚區(qū)內(nèi)氣流在導(dǎo)流器發(fā)生偏移后的運動特性及規(guī)律，結(jié)合模擬對比分析和實際紡紗測試得出以下結(jié)論。

1)導(dǎo)流器偏左或偏右1.5 mm可輕微減弱集聚方向的氣流速度，集聚氣流整體較為對稱，伴隨高度改變，速度有增大趨勢；導(dǎo)流器左右偏移1.5 mm會使壓強有降低趨勢，但程度較低。結(jié)合紡紗實驗結(jié)果，導(dǎo)流器偏移1.5 mm對紡紗質(zhì)量無明顯影響。

2)導(dǎo)流器左右偏移2.5 mm，集聚方向呈現(xiàn)出明顯的不對稱氣流，且氣流大小波動明顯，集聚氣流范圍也不對稱。同時紡紗結(jié)果驗證了模擬分析，條干CVm值與毛羽指數(shù)都變差，由此得出2.5 mm的偏移將影響成紗質(zhì)量。

3)實際紡紗得出導(dǎo)流器的左右偏移1.5 mm，其成紗整體質(zhì)量無明顯下降，也就是說導(dǎo)流器左右1.5 mm偏移帶來的負壓和氣流速度改變可輕微改變成紗質(zhì)量，但整體影響不大。即壓強的減小程度不至于影響集聚效果，但偏移達到2.5 mm時，成紗條干和毛羽指數(shù)有明顯惡化趨勢。

綜上，對質(zhì)量管理而言，網(wǎng)眼羅拉集聚紡系統(tǒng)中導(dǎo)流器在紡紗時左右偏移1.5 mm，不會影響其集聚紡紗效果；對生產(chǎn)管理而言，需要定期檢查設(shè)備以防出現(xiàn)更大偏移致使成紗質(zhì)量的惡化。此外，利用CFD數(shù)值模擬方法做紡織研究分析，可更加全面、直觀地得出真實的流場效果，為紡紗設(shè)備的剖析提供了可靠的方法。

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