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《东华大学》 2016年
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自捻型喷气涡流纺成纱原理及其纱线结构的相关性研究

韩晨晨  
【摘要】:当今高技术纺纱正在朝着高纺纱速度、高效率、高自动化、低能耗、绿色环保的方向发展,这同时也是提高纺织产品附加值的必要条件。喷气涡流纺纱技术具有高纺速、短流程、低能耗等优点,占据了世界纺纱技术的制高点,是极具潜力的新型纺纱技术。但喷气涡流纺纱线从加工技术方法来说,由于采用了高速涡流的加捻方式,相对于机械加捻的效率大大提高,但是高压气流容易抽拔出受纱体控制力不足的纤维,从而导致纤维被随机抽拔,使得最终纱线细节增多、条干质量下降;从纱线结构来说,喷气涡流纺纱线由芯纤维、转移包缠纤维、规则包缠纤维三部分组成,与环锭纺纱线中纤维的螺旋形态结构相比,芯纤维的平行伸直结构使得纤维之间的抱合能力较弱,致使纱线的断裂强力主要由规则包捻纤维与芯纤维的侧向摩擦力贡献,从而使纱线强力偏低。另外,喷气涡流纺纱技术自1995年日本Murata公司(其称:涡流纺)研发推出以来,由MVS851发展到如今的MVS870,在这期间只有瑞士Rieter公司(其称喷气纺)已研究并开发了喷气涡流纺J10技术与设备。我国还没有形成具有自主产权的喷气涡流纺纱技术的加工系统和产业化装备,设备严重依赖于进口,技术升级受制于国外技术。本课题以喷气涡流纺纱技术的研究现状为出发点,基于日本村田公司研发的MVS870喷气涡流纺纱系统,针对传统喷气涡流纺加工技术方法和纱线结构的不足,对其加以优化,提出自捻型喷气涡流纺的创新理论。首先借助流场数值模拟和有限元模型理论深入分析喷气涡流纺纱气流加捻过程中气流变化特征和纤维运动规律;然后基于此研究结果,设计空心锭顶端区域的结构参数,满足自由端纤维自捻的力学构想,以改变喷气涡流纺的纱线结构,完善喷气涡流纺纱线的成纱性能。主要研究内容和结论如下:(1)基于日本村田公司生产的MVS870系列喷气涡流纺纱系统,建立喷嘴内部加捻区的三维流体动力学计算模型,利用ANSYS14.0软件的FLUENT模块对加捻区内高速、可压缩、湍流气流场进行数值模拟,得到空心锭近壁面处气流特征。研究表明:喷嘴内流场压强分布关于空心锭轴线对称,压强从喷嘴入口到出口逐渐减小。空心锭的顶端平面以及以此为基础垂直向上的整个区域内,气压分布静压值较小,并且为负压分布,这样的气压分布现象对于纤维束被顺利吸入进空心锭十分有利。喷嘴内壁与空心锭外壁所形成的整个气流加捻区域的气压静压分布呈现U型的分布规律。空心锭的存在对于该气流加捻区域的气压分布规律影响显著,靠近空心锭外壁面区域内气流气压值最小,靠近空心锭顶端区域内,气流出现少量的回流现象。气流加捻区域内气流切向速度、轴向速度和径向速度都是符合旋转气流规律的。气流的切向分量主要作用于倒伏在空心锭入口周围的自由端纤维,使之进行加捻运动;气流的轴向分量主要作用于纤维束纤维,使之进行牵伸运动,但是由于作用力较小,可以忽略不计;气流的径向分量主要对纤维束外围的纤维起膨胀作用,加以气流切向分量的作用,可以使得包缠纤维数量大大增加。(2)基于流体模拟所得到的三维流场特征和弹性细杆模型的结构特点,建立纤维有限元三维模型,模拟自由端纤维在高速旋转气流作用下的运动速度和运动轨迹。研究表明:喷气涡流纺气流加捻腔中自由端纤维纤维速度随着H先逐渐增大,在H=5.25 mm处发生转折,逐渐减小。由于空心锭的特殊结构,空心锭壁面基线与轴线夹角在H=5.25 mm处发生明显变化,倒伏纤维的轴线位置由空心锭壁面基线与轴线夹角δ决定;自由端纤维的运动轨迹在空心锭顶端0mm~5.25mm内,纤维轴线与空心锭顶母线之间所夹锐角α1≈53.5°;在5.25mm~11.15之间,纤维轴线与空心锭顶母线之间所夹锐角α_2≈59.3°。(3)根据喷气涡流纺的成纱机理,结合力学扭矩及加速度原理等理论方法分析自由端纤维在高速旋转气流下的受力情况,确立自由端纤维在绕空心锭顶端旋转过程中产生自捻所需的临界力学条件。研究表明:纤维在气流加捻过程中发生自捻的临界条件为T_f≥(dθ/dl)×R_t,提出增加空心锭顶端壁面与自由端纤维之间的摩擦力,有利于纤维发生自捻,增大自捻纤维卷入纱体中的形变量。分析了自由端纤维自捻的运动过程,随着自由端纤维滚动时间t_(max)的不同,最终卷绕到纱体中的形变量也会发生改变。当t_(max)T_f,最终卷绕到纱体中的自由端纤维形变量为(dθ/dl)×t_(max),达到最大形变量T_f/R_t 后,纤维绕空心锭壁面做纯滑动运动;当t_(max)=T_f,自由端纤维达到最大形变量时,恰好结束绕空心锭旋转运动;当t_(max)T_f,最终卷绕到纱体中的自由端纤维形变量为(dθ/dl)×T_t,自由端纤维未能达到最大型变量便结束绕空心锭旋转运动。从理论上分析了自捻型喷气涡流纺纱技术的可行性。(4)结合自由端纤维产生自捻所需的临界力学条件和在高速旋转气流下的运动轨迹,设计自捻型喷气涡流纺空心锭。建立自捻型喷气涡流纺喷嘴内部流体动力学模型,通过数值模拟验证该设计方案的合理性,并对比不同设计方案下的自捻型空心锭对自由端纤维自捻的作用强度。结合实际生产,采用3D打印技术制作不同设计方案下的自捻型喷气涡流纺空心锭进行试纺,对比分析样纱的成纱性能。研究表明:自捻型喷气涡流纺空心锭顶端的槽体结构使气流在槽体内部出现短暂停滞效应,槽体附近的气压值随着槽体走向与空心锭锥顶母线之间夹角的减小、槽体数量的增多而降低。气流推力、卷吸能力和气流速度分量(切向速度、径向速度和轴向速度)随着气压的降低而增大;对比传统喷气涡流纺和自捻型喷气涡流纺纱线性能,在一定范围内增大倒伏纤维与空心锭表面摩擦力,更有利于倒伏纤维滚动产生自捻,提高纱线的强伸性能和条干均匀性能,但是超过一定范围之外时,摩擦力对加捻旋转运动的阻碍作用占主导地位,使得纱线拉伸断裂性能减弱,纱线结构变得松散,毛羽增多。(5)基于自捻型喷气涡流纺样纱,结合纤维示踪以及高倍显微镜等方法研究自捻型喷气涡流纺纱线结构及空间构象。再运用微积分方法、力学扭矩等方法分析自捻型喷气涡流纺纱线在拉伸断裂过程中的断裂机理。研究表明:自捻型喷气涡流纺纱线外观形态同传统喷气涡流纺相似,都具有环锭纺纱线相似的外观,但自捻型喷气涡流纺的纱线规则包缠纤维的包缠角较大;芯纤维平行伸直,包缠纤维包缠于新纤维外部而成纱,两部分的过渡为转移包缠纤维,长度较短,同一根纤维规则包缠部分的包缠角不恒定一致;纱线中的纤维大部分具有自捻形变;自捻型喷气涡流纺纱线拉伸断裂强力为滑脱部分纤维的表面摩擦力和断裂部分纤维强力之和,卷绕到自捻型喷气涡流纺纱体中的纤维自捻会发生适量弹性形变恢复使得纱线结构更加紧密,纤维表面正压力q与纤维间的相互接触面积A同时增大,则滑脱长度lc减小,断裂部分纤维根数增多,自捻型喷气涡流纺纱线断裂强力随断裂部分纤维根数的增多而增大,比传统型喷气涡流纺纱线强力提高了(△)P,其中(△)P≥0,且随着自捻纤维的形变量dθ增大而增大。根据上述研究结论,可以看出自捻型喷气涡流纺通过改变空心锭参数,实现纤维自捻,有效的弥补了传统喷气涡流纺纱加工技术的不足,优化了传统喷气涡流纺的纱线结构,提高了传统喷气涡流纺的成纱性能。自捻型喷气涡流纺的研究为我国研发具有自主产权的新型喷气涡流纺技术和设备奠定了基础。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TS104

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