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从卡摩纺导流板的变迁看集聚原理

2015-12-19陆宗源

纺织器材 2015年6期
关键词:细纱机纺纱导流

陆宗源

(上海天问纺织新技术研究中心,上海 200125)

瑞士立达公司制造的卡摩纺装置,其原理科学、结构合理、制造精湛,可称是集聚纺纱技术的颠峰之作;由于其价格高昂,故国内企业引进甚少。

从专利申请时间上分析,集聚纺技术的发展是(立达)吸风鼓式在先,(绪森)网格圈式在后。尽管二者结构似无相同之处,其集聚纺纱的原理却相同。后者的改进主要是结构简化,并可以在环锭细纱机上应用,且以价廉、易于推广而普及。然而,后者在原理上放弃了前者诸多优越性,从而负压高、能耗增加,集聚区存在意外牵伸以致影响成纱质量。

卡摩纺装置上唯一独有的是“导流器”,虽然是一个小部件,但是其作用非凡,值得研究。

1 国内对卡摩纺导流器原理的研究

国内最早介绍导流器原理的是中原工学院的沈晓来,他认为导流器的作用是“纤维的集聚是通过气流引导元件得到进一步的强化。该元件位于打孔吸风鼓上,以确保气流只能从侧面抽出。”(如图1)[1]。

图1 导流器原理

2008年发表的《紧密纺纱气动凝聚结构的研究》[2]一文中,全面介绍了国外的集聚纺纱装置,并重点分析气流导向装置,指出由于凝聚气流方向基本上垂直于须条中发散纤维的凝聚方向,因而气流能量中只有少量轴向分量有效地用于凝聚,其效能很低;这就是采用导流板的原因(如图2)。

图2 加设导流板前后的凝聚气流

文献[3]重点介绍了K44型环锭细纱机的气流导向装置(如图3),并用试验数据得出结论:“气流导向装置的作用是使气流主要从两侧集聚纤维,可防止单纤维由于扩散而没有被集聚进入纱体中,保证了各纤维以平行状态实现较好的集聚……更大程度地缩小纺纱三角区”[3]。

图3 气流导向装置位置和作用

总之,所有国内研究者都一致认为:气流导向板是为了使气流从两侧进入集聚区,其集聚效果好。

2 立达K44型、K45型环锭细纱机气流导向的实际作用

笔者曾在立达早期产品的视频介绍上见过“气流截面图”的说明。图4中代表气流走向的小白点来自于压辊轴的导流板臂,当气流进入导向器后,经过吸风鼓表面进入吸风组件。这说明K44型细纱机气流导向装置是从顶部输入气流的,这是为了阻止空气从两侧进入集聚区。那么,过去国内一直认为空气从两侧进入以加强集聚效果的理解,这并不是立达公司设计者的本意。

图4 K44型环锭细纱机气流导向

在最近立达公司介绍K45型环锭细纱机的视频广告中,看到了气流导向器的截图如图5所示。清楚表明:气流是从导向器顶部的两个孔进入。导流板两侧和抽气鼓表面的间隙很小,阻力大,基本没有空气进入。

图5 立达K45型细纱机气流导向器

图6 赛络集聚纺气流导向器

K45型赛络集聚纺的导流板(见图6),中间只有一个进气孔,气流从两个须条的中间通过。如果按照参考文献[2]的理解,气流都是从两须条一侧经过,则垂直方向的气流就完全无集束作用,那么气流利用率等于零;而实际上K45型赛络集聚纺的成纱质量是非常好的,所需的负压也比网格圈式集聚纺小得多。由此可见气流导向板的工作原理。

现在可以明确的是,早期的K44型导向气流有专用的进气管从压辊轴到导流板,导流板的一个作用是向集聚区空间输入洁净空气,集聚区与车间环境隔离,不让含有灰尘和微纤维的车间空气进入集聚空间;而K45型细纱机导流板上无进气管[4],这表明现代车间空气比较干净,输入洁净空气的措施不必要,进气管被简化了。导流板的作用主要是使集聚区气流和车间空气适当隔离,以保护集聚气流的稳定。

3 集聚纺气流集聚原理分析

为什么需要保护集聚区气流的稳定,就需要研究集聚气流的运动特性。

根据流体力学的原理,气体流动是因为有压强梯度,气体向压强小的方向流动,气流的强弱是梯度的大小,因此气流和压强梯度是完全一致的矢量。

压强梯度一般用等强线表示(图7中的细实线),同一条等强线上的压强相同;相邻两条等强线的压强有一定差异(事实上是连续变化的,为了表示清楚,采用了等差级数的间隔表示)。压强梯度方向是等强线的法线方向(垂直),指向压强小的区域;压强梯度大小是相邻两条等强线的距离,距离越小,压强梯度越大。

图7 集聚气流场等强线

集聚纺纱集聚区的气流源于负压管内部的低气压,在集聚槽口上形成了一个压强梯度场,这不需要任何机械限制。在无任何阻碍(无须条时)的情况下,每一点上的压强梯度方向都指向集聚槽,梯度大小向远离气槽方向递减;所以,气流都向集聚槽集中,槽口上气流最强,向外逐渐减弱直至为零。这就是集聚槽气流场,其等强线都是在以集聚槽为圆心的半圆形截面上,如图7a)所示。

当集聚槽上有须条存在时,由于集聚槽的倾斜,须条总是靠向一边,使空气阻力发生变化:靠须条一边的气流阻力变大,压强梯度减小,等强线变得稀疏;而另一边正好相反,等强线变形为长轴向须条方向倾斜的椭圆。从图7b)明显可以看出气流方向不是完全指向中心,而是围绕须条形成的旋转气流场,正是这个旋转气流推动须条纤维的移动、集聚。由此可见,集聚槽倾斜的主要作用是产生旋转的集聚气流场,树立这一概念非常重要。

负压越大,这个旋转流场的范围也越大,须条周围的内层最强,越向外层则越弱。实际上,起集聚作用的只是内层气流,只要它有足够的强度,就能完成纤维集聚。然而,气流运动的连续性使它带动外层气流的旋转,集聚气流成为一个气流团。它能保护内层有效旋转气流的稳定,不受外界气流的干扰。

由于立达卡摩纺的导流板使集聚空间和外界隔离,更好地保护集聚区的旋转气流,因此称为“保护罩”也更为确切(见图8)。

图8 K45型细纱机的导流板

如果认为导流板是迫使气流从两侧进入集中到须条并发生“冲撞”,而且接着一个90°的急转弯(见图1)。从流体动力学原理来看是非常不利的;因为在须条附近发生激烈的湍流,势必会彻底地破坏旋转气流。

4 K46型细纱机导流器的创新

在第17届上海国际纺织工业展览会上,立达公司展出了K46型细纱机的集聚纺纱装置模型,将系列导流元件进行了改革[5]。

K46型细纱机的集聚纺纱装置,除了吸风鼓的形状和尺寸与K45型相同外,其吸风插件、气流导向器都有很大的改革。吸风插件命名为“光明”(Bright),图9所示的集聚槽无斜度,出风口缩小了一半多。图10为K46型细纱机导流板。

图9 K46型细纱机集聚纺纱装置

图10 K46型细纱机导流板

K46型细纱机导流器不再是K45型导流器顶上有一个或两个进气孔,而是变成由两片透明有机玻璃单片相互插入的组合体,进气通道改为迷宫式的、方向相反的两个斜长孔,空气进入要经过一个曲折的通道。

其最大的创新是:气流经由迷宫式的导流器通道,到达吸风插件“光明”上空的集聚区的气流形成“环型气流”(Quality into ring through air guide element),因此它就不需要采用集聚槽倾斜的形式了,这就为进一步降低能耗创造了条件。

须条纤维的被集聚,主要有两个动作:一是须条的宽度缩小;二是外露的纤维端捻入纱体,从而使纱线光洁。网格圈式集聚纺是依靠集聚槽的倾斜,形成旋转气流来完成第二个动作(纤维端捻入);而它又带来了第三个动作,就是推动须条整体位移。

这三个动作都需要能量,也都来自于气流。K46型的集聚区节能设计思路,就基于对三个动作的精打细算:

a) 由导流器产生旋转气流,取消了集聚槽的倾斜,集聚气流就不需要推动须条整体平移(这部分能量为主要部分),节约了能量;

b) 开放式集聚区(网格圈式)的旋转气流必然要带动一个气团一起转动,气团保护中心旋转气流的稳定消减了车间大气流动的冲击;因为这种冲击很多,源于巡回吹风装置和人工机台清洁,然而,K46型的导流器使集聚空间和车间空间基本隔离,因此不需要有外层气团保护,可以使运动气团减到最小,达到节能效果;

c) 集聚区被约束在一个极小的空间,旋转气流主要任务只是将纤维集中和将须条外露的纤维端捻入主体,而这种纤维端数量很少,这两个运动需要的能量很少(只需要推动部分纤维),旋转气团中的有效成分实际上很少;因此,这种隔离方式可以极大地减少气体流量,从而可以进一步减小负压。

据立达公司称,在集聚区、包括吸风鼓的大截面空气通道,结合新型导流器,可以节省17%的能耗;而整个节能集聚纺纱装置(包括吸风管道、废棉笛管和风机)节能可高达63%。

5 结语

在不到10年的时间里,立达公司对集聚纺装置进行了多次改造,目的即为了降低能耗。特别是K46型细纱机,称之为“以最低能耗获得完全紧密纱线”的集聚纺细纱机。

立达公司宣称“如果考虑生产成本非常低,新的K46型双面吸风系统使生产每千克纱的能耗更低;因此,现在用高能耗的网格圈式集聚纺代替K46型成为不必要。”因为纺织企业购置设备的一次性投入大,可以很快地从生产成本降低中得到补偿,而这是长期受惠的利润来源。

立达不断地创新,很值得进入全民创新时代的我国从事集聚纺的同仁学习,且最值得我们学习的是对气流集聚原理基础理论研究的步步深入,这是机构创新取之不尽的源泉。

[1]沈晓来.立达K44紧密纺装置主要元件的作用[J].上海纺织科技,2005(2):27-28.

[2]朱鹏,倪远.紧密纺纱气动凝聚结构的研究[J].棉纺织技术,2008,36(11):22-25.

[3]王超,谢春萍,苏旭中,等.紧密纺集聚区气流导向装置的应用效果[J].棉纺织技术,2011,39(8):15-17.

[4]Syrien Harald Schwippl.在卡摩纺纱机K44上采用天丝超细纤维和棉纤维加工织造用COM4®卡摩纱的特性研究[J].Technology SYS,2007(April).

[5]RZETER.K46Compact Spinning Machine——For fullycompacted yarns with lowest energy consumption[Z].

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