纱线表面突出物间距对纱线牵引特性的影响

张荣，冯志华，黄萌萌，张风君，向晓东

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021)

0 引言

纱线条干不匀常以质量不匀率(线密度不匀率、条下不匀率)、直径不匀率和捻度不匀率等不同的形式表现，其中直径不匀率对纺织品外观质量的影响最突出[1]，直径不匀率是由于纱线表面有形状不规则的突出物。目前没有相关文献对纱线表面突出物进行详细的描述。迟开龙、潘如如以4种不同规格的纯棉纱线为例，提出一种基于数字图像处理技术检测纱线条干不匀率的方法，并发现纱线表面具有突起[2]。毛羽作为纱线突出物最主要的组成部分，国外对纱线毛羽有了一定的研究。Zheng-Xue和Tang研究了环锭纺毛羽对纱线表面摩擦系数的影响，发现表面摩擦系数随着锭速增加而减小，当锭速达到一定程度，表面摩擦系数趋向于零[3]。

本文探究突出物不同间距对突出物阻力的影响。由于纱线微观结构的复杂，为了方便研究，本文在宏观上以规则的球体颗粒作为纱线突出物进行研究。

1 数值模拟

1.1 流场模型

本文依托ZAX型喷气织机主喷嘴设计了一种纱线牵引力测试装置。引纬过程中，气流速度变化比较剧烈，为了获得平稳的速度和密度，设计了一种测量装置，即在导纱管后面加辅助管道[4]。这种装置的流场模型如图1所示，突出物分布在辅助管道中，假设其位置固定不变，流场模型尺寸与实验测试装置保持一致。

图1 流场模型

网格模型如图2(a)和图2(b)所示，外界压力为一个标准的大气压，图示的气压入口可在Fluent中输入相应的气压参数，球状可以以壁面(wall)处理。

图2 流体网格模型

对于流场中球状的颗粒，其受到的阻力大小除了与自身大小和阻力系数相关外，还与所作用的气流速度和密度相关。本文基于Fluent对含有突出物的流场进行数值模拟，可获得不同气压下和不同突出物间距对应突出物受到的气流参数，阻力大小F可以表示为[5]：

F=ρV2ACD

式中：ρ表示气流的密度；V表示气流速度；A表示突出物的迎流面积；CD表示突出物的阻力系数。对于球状颗粒，其阻力系数与雷诺数有关，在高雷诺数流场下，球状颗粒的阻力系数近似可取0.44[6]。

1.2 模拟分析

为了探究突出物间距对纱线牵引特性的影响，通过Fluent可数值模拟获得突出物的速度及密度大小，即可通过阻力大小公式计算出突出物的阻力，从而可得到突出物间距对纱线牵引力的影响。假设突出物的直径d为2mm，取3个突出物，其数值分析示意图如图3所示。

图3 数值模拟示意图

在不同主喷嘴气压下，通过改变突出物的间距Δx大小来计算突出物的阻力大小，进而探究突出物不同的间距对牵引特性的影响。由图4发现突出物间距对流场有着影响，且突出物的间距越小，这种影响越明显。

图4 突出物的速度云图

本文分别研究了0.3MPa、0.4MPa和0.5MPa下，突出物的间距Δx为nd，n取1/20,1/4,1/2,1,2,3,…,9,10。

通过阻力公式F=ρV2ACD可计算出相应的阻力大小，结果如图5所示。

图5 突出物不同的间距受到的阻力大小

初始突出物间距为0.1mm，随着突出物间距的增加，突出物受到的阻力大小也逐渐增加并趋于恒定。根据不同气压下数据可发现，对于2mm的球状突出物，间距为10mm时，阻力达到了最大。另外，突出物间距对阻力大小的影响也会随着主喷嘴入口气压的增加而愈加明显。

2 实验测试

为了验证突出物间距对纱线牵引力的影响，进行了如图6所示的实验。在纱线上等间距固定3个直径为2mm的球状颗粒，如图7所示。

图6 实验测试示意图

图7 颗粒模型

纱线一端固定，另一端通过挂砝码的方式来固定，可通过挂不同质量的砝码来确定牵引力与应变的关系[7]。通过数据采集仪可以采集纱线在气流作用下的应变大小，再通过牵引力与应变值的关系可计算出纱线的牵引力大小。根据不同主喷嘴气压的大小，通过改变突出物的距离测得了纱线牵引力大小如图8所示。

图8 实验测试结果

根据测试结果可知突出物间距对纱线牵引力大小的影响，当突出物间距增加到10mm时，牵引力大小趋于稳定，这与数值模拟的结果一致。

根据纱线的牵引力公式，将含有突出物的纱线受到牵引力分解成正常纱线受到的牵引力F0和突出物受到的牵引力F′，即：

由牵引力公式可知，牵引力大小是由气流特性和纱线特性决定的，气流特性由气流密度ρ和气流速度V组成，纱线特性由纱线直径和纱线阻力系数CD组成。由于辅助管道中气流参数相对比较稳定，可知突出物通过改变纱线直径和纱线阻力系数CD来影响牵引力的大小。

3 结语

突出物作为纱线的一部分，在纺织过程中，起到了增加牵引力提高引纬效率的作用，但是突出物同时也影响纺织品的质量。本文探究了突出物间距对纱线牵引力的影响，发现纱线的牵引力会随着突出物间距增加而增加并逐渐趋于稳定。这也说明了并不是纱线表面突出物数量越多纱线牵引力就越大的，当定长纱线表面突出物数量无穷多时，相当于纱线的直径增加到了突出物直径的大小。本文将突出物以及其边界条件都理想化，而且没有将突出物看作静止状态，没有考虑突出物在流场中运动情况。