第 一 章 緒論 

1.1 研究背景及意義 
20 世紀(jì)以來紡織工業(yè)迅速發(fā)展，為擴大社會就業(yè)、促進農(nóng)業(yè)和其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻[1]。隨著物質(zhì)水平的提高，作為重要民生產(chǎn)業(yè)的紡織品的需求也在不斷的增加，使得紡織纖維的產(chǎn)品產(chǎn)量和產(chǎn)品種類持續(xù)增長，因而紡織領(lǐng)域的工業(yè)技術(shù)和裝備水平得到了快速地提升[2]。 在紡織品需求量增大的同時，對于紡織品質(zhì)量的要求也在不斷地提高，主要表現(xiàn)在紗線的強力和外觀。在紡紗最后的絡(luò)筒階段，一方面需要將多個管筒上的紗線匯集起來，做成容量較大的筒紗，以增加紗線卷裝的容紗量，另外一方面，需要將紗線上有瑕疵的地方進行剔除，即將影響紗線質(zhì)量的部分紗線剪斷[3]。為了提高紗線的質(zhì)量，這兩種情況都需要將兩條斷紗端頭完美的連接在一起。這就要求尋找良好的紗線接合方式。 目前，較好的紗線接合的方式主要有機械捻接和氣動捻接。機械捻接主要是利用旋轉(zhuǎn)件搓捻或者包纏的方式將兩根自由的紗頭接合。由于紗線端頭的退捻和加捻是通過高頻率的摩擦完成，所以機械捻接一般應(yīng)用于一些特殊材質(zhì)的紗線如棉氨綸包芯紗、細高支紗、緊密紡紗等[4]。氣動捻接則是以氣流為媒介，將兩根紗頭在旋轉(zhuǎn)氣流作用下完成退捻，之后退捻的紗頭被引入閉合的加捻腔內(nèi)，伴隨著壓縮氣流進入加捻腔后，腔內(nèi)形成的旋轉(zhuǎn)氣流將兩根斷紗接合[5]。因而氣動捻接因其成本低、操作方便、維護保養(yǎng)簡單等特點，比其它方式應(yīng)用更加廣泛。 空氣捻接器的型號較多，這主要由所接合的紗線的特性決定的。憑借著優(yōu)良性能在紡織企業(yè)得到廣泛應(yīng)用的新型纖維，以其所制成的各種功能的紡織用品越來越受到大眾的歡迎。為了提升新型纖維無結(jié)紗的捻接強力、減少強力不勻率和紗線表面毛羽，提高無結(jié)紗的質(zhì)量和可織性，新型空氣捻接器、噴氣式毛羽減少裝置、智能型槽筒、跟蹤式氣圈控制器和柵欄式張力器相結(jié)合的開環(huán)式張力控制系統(tǒng)等絡(luò)筒新技術(shù)得到了很好的應(yīng)用[6]。 雖然市場上捻接器型號很多，但是捻接器及紗線的捻接原理都大似相同。同時雖然整個紗線的捻接過程解釋起來并不困難，但是對于捻接過程中氣流特性和紗線的動力學(xué)特性卻難以進行定性描述。一方面主要是由于退捻腔和加捻腔內(nèi)復(fù)雜的流體動力學(xué)分析找不到可靠的理論支撐。
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1.2 國內(nèi)外研究綜述 
氣動捻接是以壓縮空氣為媒介在退捻腔和加捻腔中先后形成不同的旋轉(zhuǎn)氣流場，使紗線端頭完成纖維的退捻及隨后解捻纖維的加捻[10]。而紗線捻接質(zhì)量主要表現(xiàn)在紗線的捻接外觀和紗線的捻接強度。由于影響紗線捻接質(zhì)量的因素有很多，所以國內(nèi)外的許多學(xué)者對于紗線在氣流場中的運動機理做了大量的研究。因為國內(nèi)氣動捻接技術(shù)相對于國外起步較晚，所以對于空氣捻接器的制造工藝大多是對國外技術(shù)的引進，對氣動捻接技術(shù)這一塊的理論研究則相對比較薄弱。目前國內(nèi)研究主要著重于捻接器機構(gòu)運行原理，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)對紗線捻接質(zhì)量影響的研究。李穎、葉國銘利用機構(gòu)分析和設(shè)計方法描述了紗線捻接的機構(gòu)運動，并通過對捻接過程中紗線的抓取和導(dǎo)引機構(gòu)的運動剖析設(shè)計出導(dǎo)紗空間機構(gòu)，為空氣捻接器機構(gòu)的設(shè)計和改進提供理論基礎(chǔ)[11]。肖新華、史明華則分析了自動絡(luò)筒機捻接機構(gòu)的傳動原理，并運用 Pro/ENGINEER 對其主要零件進行了三維建模和虛擬裝配，并在此基礎(chǔ)上對捻接機構(gòu)裝配模型進行動態(tài)仿真分析[12]。田方圓通過對空氣捻接器氣體驅(qū)動機構(gòu)的工作原理及運動過程的分析，建立了空氣捻接器驅(qū)動構(gòu)件及腔體的熱力學(xué)和動力學(xué)模型。并采用Ronge-Kuta 方法對仿真模型進行求解，分析了不同因素對氣閥動態(tài)過程的影響，以及氣體在腔內(nèi)的狀態(tài)變化及瞬態(tài)特性。此外通過搭建的實驗臺，對理論模型進行了實驗驗證[13]。楊釗采用矩陣法推導(dǎo)了空氣捻接器運動機構(gòu)的關(guān)系方程，并使用  JMP  軟件對紗線捻接影響因素進行了分析。同時運用 UG/Open GRIP 二次開發(fā)工具實現(xiàn)了捻接腔的參數(shù)化設(shè)計 [14]。 
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第 二 章 氣動紗線捻接過程 

2.1 前言 

在紡織行業(yè)中，氣動技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。其中包括轉(zhuǎn)杯氣流紡紗，渦旋氣流紡紗，噴氣織機氣流引緯，空氣捻接器氣動捻接等[39-41]。而在這些應(yīng)用中，空氣捻接器的氣動捻接則成為實現(xiàn)紗線斷頭以無結(jié)頭接合并改善紗線質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù)[42]。由氣動退捻和氣動加捻兩個過程構(gòu)成的氣動式紗線捻接是一個涉及多根纖維在流場作用下的復(fù)雜運動過程。在氣動退捻過程中，壓縮氣流在退捻腔幾何結(jié)構(gòu)的影響下，轉(zhuǎn)變成螺旋氣流并迫使腔內(nèi)的紗頭解捻成散開的纖維須條。當(dāng)兩根解捻的紗線端頭拖入加捻腔后，加捻腔內(nèi)形成的螺旋氣流則引導(dǎo)兩束解捻纖維須條相互纏繞，最終得到一根無結(jié)頭的捻成紗。

 

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2.2 氣動紗線退捻過程 
如圖 2.1(a) 所示，空氣捻接器的主要關(guān)聯(lián)構(gòu)件包括：夾紗器，主腔蓋，由進氣管和退捻管組成的退捻腔，剪紗器和加捻腔。在捻接器運行前，兩根紗線以相互疊合的方式平行放置在捻接器溝槽內(nèi)。隨著進氣閥的打開，兩端的剪紗器在凸輪機構(gòu)的驅(qū)動下將紗線尾端剪斷。隨后由進氣管流出的壓縮氣流將紗線端頭吹進退捻管內(nèi)，并在退捻管內(nèi)轉(zhuǎn)變成螺旋氣流迫使紗頭完成纖維的解捻，如圖 2.1 (b)。如圖 2.2(a)，隨著紗線端頭退捻的完成，在牽引桿和夾紗器拖桿的拖拽下，解捻的紗線斷頭以相互平行的方式被引入到加捻腔內(nèi)。然后在凸輪的驅(qū)動下主腔蓋被關(guān)閉，加捻氣路被打開。壓縮氣流從進氣孔進入加捻腔后轉(zhuǎn)化成的螺旋氣流。在腔內(nèi)氣流的作用下，解捻的纖維須條以螺旋的方式相互纏繞。最終形成如圖 2.2(b) 所示的無結(jié)頭的捻成紗。 
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第 三 章 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對紗線退捻效果的影響 .............. 8 
3.1 前言 .......... 8 
3.2 幾何模型及仿真建模 ........ 8 
3.3 數(shù)值仿真算法 ....... 9 
3.3.1 邊界條件 .............. 10 
3.3.2 網(wǎng)格無關(guān)性 ........... 11 
3.4 仿真結(jié)果分析 ..... 12
3.5 紗線退捻的實驗研究 ...... 19 
3.6 本章小結(jié) ............ 22 第 
四 章 捻接腔內(nèi)氣流場特性對紗線捻接質(zhì)量的影響 ............. 23 
4.1 前言 ........ 23 
4.2 數(shù)值仿真 ............. 23 
4.2.1 仿真模型 ..... 23 
4.2.2 仿真方法 ..... 24 
4.3 結(jié)果和討論 ......... 24
4.4 實驗方法 ............. 30 
4.5 本章小節(jié) ............. 31 
第 五 章 加捻過程中纖維運動及結(jié)頭形成機理的研究 ............. 32 
5.1 前言 ........ 32 
5.2 仿真和實驗方法 ............. 32
5.3 結(jié)果與討論 ......... 35
5.4 本章小結(jié) ............ 44

第 五 章 纖維運動及結(jié)頭形成機理的研究

5.1 前言 
由前文的研究可以看出，解捻纖維之間的纏繞特性將決定最終捻成紗的捻接質(zhì)量�？墒窃诩幽磉^程中，多根纖維在加捻腔內(nèi)的交纏行為十分復(fù)雜。這是一個涉及接觸-碰撞的動力學(xué)以及流體-固體相互作用的計算難題。因此一個令人信服的定量理論分析是很難進行的。雖然通過計算流體力學(xué)軟件計算出氣流場特性，并進而基于流場特性推斷出纖維捻接的行為具有一定的價值，但是定性地定義湍流模型和計算數(shù)值算法仍然有些困難，這也就有可能產(chǎn)生一個不充分或者不適合的流場特性以及捻接行為的闡述[45]。此外，雖然捻成紗的包纏模型能夠描述氣流特性對最終捻成紗強度的關(guān)系，但是加捻腔內(nèi)的捻接過程以及相對應(yīng)的纖維運動依舊沒有清晰地揭露。因此為了進一步研究解捻纖維在加捻腔內(nèi)的運動特性以及結(jié)頭的成形機理，本章采用流場仿真及可視化實驗相結(jié)合的方法來揭露纖維運動的加接過程。圖 5.1 顯示了紗線紗頭退捻成纖維須條后引入加捻腔的示意圖。如圖 5.1(a) 所示，兩根相對的由解捻須條構(gòu)成的樣紗以疊合的方式被引入到加捻腔內(nèi)，且每根紗線尾端都由夾紗器夾緊固定。如圖 5.1(b) 呈現(xiàn)的是加捻腔內(nèi)解捻須條的疊合關(guān)系。如圖兩根紗線的解捻須條都相對平行，且纖維須條的中間部分覆蓋住了呈現(xiàn)中心對稱分布的進氣口 1 和 2。當(dāng)氣流由進氣口進入加捻腔后，氣流在腔內(nèi)幾何結(jié)構(gòu)的影響下轉(zhuǎn)變成螺旋氣流并促使纖維須條的自由端頭纏繞到相對的另一根紗線上。隨著須條自由端頭在螺旋氣流作用下不斷地纏繞，無結(jié)頭的捻成紗最終形成。 
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總結(jié) 

氣動紗線捻接是以空氣為媒介，實現(xiàn)兩根斷紗以無結(jié)頭形式捻接成型的重要技術(shù)。整個紗線的捻接過程涉及到多根柔性纖維接觸碰撞以及和螺旋氣流場的耦合作用，對于柔性體在流體中運動的分析具有借鑒意義。本文首先運用流體仿真分析和可視化的實驗方法對退捻腔內(nèi)紗線紗頭的退捻效果進行分析。進而總結(jié)出退捻腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對捻成紗捻接效果的影響規(guī)律。其次，借助于捻成紗包纏模型和加捻腔內(nèi)的流場分析，總結(jié)出加捻腔的工藝參數(shù)對于纖維包纏效果的影響規(guī)律。最后通過加捻腔的流場特性和可視化實驗相結(jié)合的方法，分析出待加捻纖維須條在加捻過程中的運動特性以及結(jié)頭形成機理。通過本文的研究工作，所得的結(jié)論主要有以下幾個方面： 
（1）以退捻腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對紗線紗頭退捻效果影響規(guī)律的目的出發(fā)。通過對建立的退捻腔流體仿真模型的仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，可以總結(jié)出進氣噴嘴切角 β，進氣噴嘴旋轉(zhuǎn)角 α，以及進氣噴嘴中心相對退捻管中心的偏距 e 決定了退捻腔內(nèi)的氣流形態(tài)。其中，進氣噴嘴切角 β 被設(shè)計來誘導(dǎo)從進氣噴嘴噴射出的軸向氣流分出一部分轉(zhuǎn)換為徑向氣流。隨著由軸向和徑向組成的氣流進入退捻管后，與壁面發(fā)生碰撞而轉(zhuǎn)變成周向氣流。而進氣噴嘴旋轉(zhuǎn)角 α 和偏距 e 共同影響著氣流在退捻管壁面上的入射角并以此改變周向氣流的強度。這也就影響著最終紗頭的退捻效果。 
（2）基于透明退捻腔的可視化的實驗平臺，通過高速攝影儀對紗頭運動捕獲的實驗結(jié)果進行驗證了退捻腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對紗線紗頭退捻效果分析的結(jié)果。即旋轉(zhuǎn)角和偏距能夠有效地誘導(dǎo)的周向氣流強度。隨著周向氣流強度的增大，紗頭退捻不完全的現(xiàn)象將有效地改善。但是隨著周向氣流強度的增大，有可能導(dǎo)致紗頭上纖維過度退捻。 
（3）根據(jù)流體仿真軟件對于加捻腔的流體計算分析結(jié)果，由加速流道進入旋轉(zhuǎn)流道的噴射氣流在與加捻腔壁面發(fā)生碰撞后形成渦旋氣流，并作為包纏力來驅(qū)使解捻纖維包纏到原紗條干上，并基于此得到了不同渦旋強度下的捻成紗包纏模型。 
（4）基于強力測試平臺，，通過對不同進氣壓力下捻成紗的捻接強度進行測試，驗證捻成紗包纏模型的可靠性。不斷增大的進氣壓力，有效地改善了解捻纖維的包纏效果以避免紗線端頭的不充分捻接。然而隨著進氣壓力持續(xù)地增長，過度的捻接也會發(fā)生。 
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參考文獻(略)

本文編號：84505