（纺织工程专业论文）自由端喷气纺纱的研究.pdf

青岛大学硕十学化论文 摘要 自由端喷气纺纱是利用喷嘴内部产生的高速旋转气流对纤维须条加捻成纱的一 种新型的纺纱方法，其优势已被人们普遍认司。 本文对喷嘴内流场作了理论分析，研究纤维在喷嘴高速气流场中的运动及纤维和 气流的相互作用，在理硷上阐明纤维在气流场中运动的规律，埘自由端喷气纺纱机 理作了分析。在实验探索的基础上，设计了一种自由端喷气纺纱装置。 这种纺纱方法由于采用了高速气流辅助罗拉牵伸对纤维进行分离，充分利用了牵 伸对纤维控制良好，纤维伸直、平行度好的优点，较之一般自由端纺纱中采用刺辊 开松、分离纤维的方法，这种方法具有纤维分离后伸直平行度好，纤维损伤小的优 点，更有利于改善成纱中纤维的排列形态和成纱强力。同时，该纺纱方法采用高速 旋转气流对纤维须条进行加捻，由于无高速回转件的限制，从而使得纺纱方法具有 高速的潜力。 加捻过程的描述是成纱机理研究的基础，它能帮助我们理解纱线结构和特征的形 成过程并揭示一些提高生产效率、改善纱线质量的途径。 利用高速摄影技术，对纤维加捻过程进行拍摄，并运用空气动力学和流场理论对 成纱机理、成纱结构和喷气流场的规律进行分析。 在此基础上，还就影响自由端喷气纺纱的有关工艺参数，纺纱工艺装置的设计等 方面作了许多实验，并在初步实验的基础上，利片j 模糊决策聚类、通用旋转回归设 计试验以及优化设计的方法，对有关参数作了优化。 本论文在内容上，主要包括四部分：第一部分对喷气纺纱的发展和研究现状、自 由端喷气纺纱的发展和研究现状及选题的同的意义、研究内容做了简要概述；第二 部分通过对喷嘴内流场的理论分析，对自由端喷气纺纱机理作了分析：第三部分在 实验探索的基础上设计了一种自山端喷i 纺纱装置，在保证顺利成纱的前提下，通 过理论分析和试验验证，对喷嘴的结构和纺纱工艺参数进行了合理设计，并在试验 进行过程中不断摸索喷嘴的结构，刘喷嘴的结构加以修正，运用单因子试验、f 交 设计试验、模糊决策聚类和多因f 通用旋转纰合没计试验的理论哥找山了最佳的喷 嘴结构组合和纺纱一i 艺参数，人人提高自山端喷气纱的单纱强度，纯棉喷气纺的 青岛火学硕士学位论文 单纱强度达到了同种原料环锭纺单纱强力的8 5 ；第四部分对自由端喷气纱的成纱 结构进行了初步探讨。 关键词：喷气纺纱自由端纺纱流场 成纱机理工岂参数成纱结构 s t u d y o f o p e n e n da i r i j e ts p i n n i n g a b s t r a c t o p e n e n da i r - j e ts p i n n i n gi sak i n do f n e ws p i n n i n gm e t h o d ，w h i c hu t i l i z e sh i g h s p e e d a i r f l o wp r o d u c e db yn o z z l e st of i n i s ht w i s t i n ga n dw r a p p i n g i ta d v a n t a g eh a sb e e n r e c o g n i z e dm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n ，a n di th a sd e v e l o p i n gi nah i g hs p e e di n t h e s e y e a r s 。 i nt h i sp a p e r , t h ef l o wf i e l di nt h en o z z l e si sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y t h em o v e m e n to f f i b e r si nt h e h i g h s p e e d a i r f l o wa n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nf i b e ra n da i r f l o wi s i n t e r p r e t e d t h em e c h a n i s mo fo p e n e n da i r - j e ts p i n n i n gi se x p l a i n e d a d d i t i o n a l l y , t h e s e p a r a t i o no fs p i n n i n gi sa n a l y z e d f i n a l l y , ak i n do f s p i n n i n gd e v i c eo f o p e n e n da i r - j e ti s d e s i g n e d o nt h eb a s i so f e x p e r i m e n t e d e x p l o r a t i o n c o m p a r e dw i t ht h eo r d i n a r yo p e n e n ds p i n n i n gm e t h o d s ，t h i so p e n e n da i r - j e ts p i n n i n g m e t h o dh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：t h eb e t t e rs t a t eo f s t r a i g h ta n dp a r a l l e la b o u tf i b e r a f t e rs e p a r a t i o n ，l i t t l e d a m a g et o t h ef i b e ra n dt h ea r r a n g e m e n ts t a t eo ff i b e ra n dt h e s t r e n g t ho fr e s u l t a n tf i b e r sc a r lb ei m p r o v e dm o r ee a s i l y f o rt h i sm e t h o du s e st h eh i g h s p e e da i r f l o wt oa s s i s tr o l l e rd r a f t i n gt os e p a r a t ef i b e r t h er o l l e rc a nc o n t r o lt h ef i b e r s w e l l ，s ot h ef i b e r sc a ns t r a i g h ta n dp a r a l l e lb e t t e r w h i l e ，t h eo r d i n a r yo p e n e n ds p i n n i n g m e t h o d su s et h et a k e r i nt ol o o s ea n d s e p a r a t ef i b e r s i na d d i t i o n ，t h et w i s ti si n s e r t e db y t h e h i g h s p e e da i r f l o w b e c a u s et h e r ei sn oc o n s t r a i n to f h i g h s p e e dr o t a t i n gm e m b e r , t h i s s p i n n i n gm e t h o dh a st h ep o t e n c yo f h i g h - s p e e d a p r o p e rd e s c r i p t i o no fd y n a m i ct w i s t i n gp r o c e s si st h eb a s i sf o rt h e s t u d yy a m f o r m a t i o n ，w h i c hc a nd e m o n s t r a t et h ee v o l v i n go fy a ms t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sa n d h e l p t oa t t a i nh i g h p r o d u c t i v i t ya n dt oi m p r o v ey a mp r o p e r t i e s t h i sp a p e rp r e s e n t sa d y n a m i c d i f f e r e n t i a le q u a t i o nf o rt h et w i s t i n gp r o c e s so f o p e n - e n da i r - j e ts p i n n i n gt h r o u g hs e t t i n g u p t h ek i n e m a t i c e q u a t i o no f v a r i a t i o ni nt h et w i s t i n gp r o c e s so f y a r n s i nt h i ss t u d y ，t h et w i s t i n gp r o c e s so ff i b e ri sa l s op h o t o g r a p h e d u s i n gt h et e c h n o l o g yo f h i g h s p e e dp h o t o g r a p h y a c c o r d i n gt ot h ea i rd y n a m i c sa n dt h ef l o wf i e l dt h e o r y t h e m e c h a n i s mo fy a mf o r m a t i o n ，t h es t r u c t u r eo f r e s u l t a n ty a m sa n dt h er u l eo fa i r - j e tf l o w f i e l di s a n a l y z e d o nt h i sb a s i s ，m a n ye x p e r i m e n t s a r ec a r r i e do u tt o g e t t h er e l a t e d t e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa f f e c t i n g t h e o p e n e n da i r - j e ts p i n n i n g a n dt o d e s i g n a n d o p t i m i z a t i o nd e s i g n t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e sf o u rp a r t s i nt h ef i r s tp a r t ，t h ed e v e l o p m e n to fa i r - j e t s p i n n i n g ，t h er e s e a r c ha c t u a l i t y ，t h e a i mo ft h i st h e s i sa n dt h er e s e a r c hc o n t e n ta r e i n t r o d u c e d i nt h es e c o n dp a r t ，t h ea n a l y s i so ff l o wf i e l di nt h en o z z l e sa r i dt h ef o r c ea c t i n g a n dm o v e m e n tc o n d i t i o n s i nt h et h i r dp a r t ，an o w s p i n n i n gd e v i c eo fo p e n e n da i r - j e ti s d e s i g n e do nt h e b a s i so fe x p e r i m e n te x p l o r a t i o n a tt h e p r e m i s eo fy a r n f o r m a t i o n s m o o t h l y , t h r o u g ht h e t h e o r e t i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n ，t h es t r u c t u r eo f n o z z l e sa n dt h es p i n n i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa r ed e s i g n e dr e a s o n a b l y m e a n w h i l e ，t h e s t r u c t u r eo fn o z z l e si sm o d i f i e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n te x p l o r a t i o n t h eo p t i m t i m c o m b i n a t i o nn o z z l e ss t r u c t u r ea n dt h eo p t i m u mt e c h n o l o g yp a r a n a e t e r sa r eo r t h o g o n a l d e s i g ng o tb yu s i n gt h em e t h o do fs i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n t ，f u z z yc l u s t e r i n gd e c i s i o na n d m u l t i f a c t o ru n i v e r s a lr o t a t a b l e c o m p o s i t ed e s i g n t h u s ，t h es t r a n ds t r e n g t h i nt h e o p e n - e n da i r - j e ts p i n n i n gi si n c r e a s e dg r e a t l y t h es t r a n ds t r e n g t ho fc o t t o na t t a i n s8 5 p e r c e n to fr i n gs p u ny a m s i nt h el b u rp a r t ，t h es t r u c t u r eo fr e s u l t a n ty a m si sd i s c u s s e d p r i m a r i l y y a n g l e i ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r x i n gm i n n i e k e y w o r d s ：a i r - j e ts p i n n i n g ，o p e n e n ds p i n n i n g ，a i r - f l o w , s p i n n i n gm e c h a n i s m ，t e c h n i q u e p a r a m e t e r , y a r ns t r u c t u r e 第一章概述 第一章概述 第一节新型纺纱的发展与纺纱方法的分类 人类纺纱技术的发展经历了个漫长的历史过程。在我国，春秋战国时代纺纱技 术已有了雏型，出现了采用手摇纺车等手工纺制纱线的技术。手摇纺车的出现，标 志着人类纺织技术的开始。在1 8 世纪中期，由于工业革命的发生，大大促进了生产 和技术的发展，诞生了机器纺纱，先后有走锭、翼锭、帽锭和环锭等纺纱技术问世。 它们将原先由手工进行的、问断的、互相分离的纺纱过程( 加捻、卷绕) 合并在一起， 由机械来完成，大大提高了生产速度和成纱质量。以环锭纺为代表的加捻及纺纱方 法的革新，把纺纱技术推进到一个新的阶段。但是，在这种传统的纺纱技术中，由 于环锭机加捻卷绕机构一体化的特点，从而在机械上为进一步提高纺纱速度和劳动 生产率带来了种种限制。受成纱原理的限制，在现有条件下，环锭纺纱的速度和产 量很难再进一步大幅度提高。因此，丌辟新型纺纱的途径，研究新型纺纱的方法以 提高纺纱产量和开发新的纱线品种成为人们努力的方向之一。 1 i i 新型纺纱的发展 纺纱技术的发展一直未曾停止，从2 0 世纪的5 0 年代起，先后涌现出成纱机理与 环锭纺截然不同的转杯纺、喷气纺、静电纺、摩擦纺、平行纺、涡流纺、自捻纺等 新型纺纱技术。近年来，又有喷气自由端纺纱，以及在环锭纺上稍做革新而形成的 赛罗纺、赛罗菲、索罗纺( 国内又称缆型纺) 和紧密纺等纺纱新技术的出现。这些新 型纺纱技术的出现，既有利于纺纱技术与设备水平的提升，也为成纱质量的提高和 产品风格的多样性提供了可能。 1 1 1 1 成纱机理不同于环锭纺的新型纺纱 早在1 9 0 7 年，森莫威廉( s a m u a lw i l l i a m s ) 就提出了把加捻作用和卷绕作用分 开的设想。1 9 3 7 年，瑞士人伯塞尔森( b e r t h e l s o n ) 提出了转杯纺雏型川，2 0 世纪 6 0 年代开始进入了较大规模的研究和试验，1 9 6 5 年，波尔诺( b r n o ) 展出了出捷克 研制成功的k s _ 2 0 0 型转杯纺样机，在实用上首次获得突破性的成就2 1 ，并逐步进 入了工业化生产。目前，转杯纺无论是从技术上还是设备方面都有了很大的发展和 完善，并且仍在不断地进步，从而使转杯纺的生产效率、产品质量均有了迅速的提 高，同时，也大大拓宽了转杯纺的应用领域。在国际上目前的整个纺纱规模中，环 锭和转杯纺占9 5 以上。其中，转杯纺的头数占到环锭纺锭子数的3 5 ( 欧洲 此比例为2 5 ) ，转杯纺生产的产品按长度来计，占到总纱量的2 5 ，若按重量来 计，转杯纱占到总纱量的4 0 左右。相对而言，我国的转杯纺发展较世界水平还有 一定的差距，目前转杯纺的锭数在6 5 万头发右，只占到坏锭的2 。由此可见，转 童璺查堂婴堂篁堡茎 。 杯纺在我国还有较大的发展空间，据有关文献预测f 3 】，到2 0 1 0 年左右，我国的转杯 纺头数有望达到( 1 2 0 一1 5 0 ) 万头。 2 0 世纪4 0 年代，美国人e s k e n n e d y 提出静电纺纱的没想【4 j ，并申请了专利， 我国在5 0 年代术期丌始研究静电纺纱，并在技术水平等方面达到了相当的水平。2 0 世纪6 0 年代初期，美国杜邦( d u p o n t ) 公司提出了第一个喷气纺纱专利”j ，以后， 有关专利不断提出，日本于7 0 年代开始大规模研究，并于8 0 年代初，由村田( m u r a t a ) 公司等将喷气纺纱机逐步推向市场【6 。2 0 世纪7 0 年代初，澳大利亚首先研制了自捻 纺纱机，并与1 9 7 1 年在巴黎展出了m k i 型自捻纺纱机，后来英国、法国也研制出 具有两个加捻系统的低线密度包缠自捻纺纱机。摩擦纺于1 9 7 3 年由奥地利的费舍尔 博士( d le r n s tf e h r e r ) 提出专利，并相继推出了d r e f 的i 型、i i 型、i i i 型等机器 6 1 ， 我国也对摩擦纺纱机进行了研究，并开发了具有特色的机型。涡流纺纱最早由德国 哥茨弗莱德( g a t z 伍e d ) 于1 9 5 7 年设计的，1 9 7 5 年波兰在米兰i t m a 展览会上展出 了p f 一1 x 型涡流纺纱机，我国也研制出了自己的机型1 6 】。此外，还有平行纺、管道 纺等几十种新型纺纱方法先后问世。 这些新型纺纱的方法和技术的出现，突破了传统纺纱的成纱机理，使得纺纱速度 的提高，卷装的增大成为可能，使劳动生产率大幅度提高，花色品种大大增多，从 而有力地推动了纺纱技术的发展。 1 1 1 2 基于环锭纺的新型纺纱技术 除了新型纺纱以外，环锭纺本身也在不断革新和完善，出现了新的纺纱技术如紧 密纺纱( c o m p a c ts p i n n i n g 或c o n d e n s e rs p i n n i n g ) 等。而有些新型纺纱就是在环锭纺 的基础上进行稍许改动而形成的，如包覆纺( w r a ps p i n n i n g ) 、包芯纺( c o r e s p u n ) 、 赛罗纺( s i r o s p u n ) 、赛罗菲尔( s i r o f i l ) 、索罗纺( s o l o s p u n ) 等。这些纺纱技术的出现 和形成，对于提高纺纱质量，丰富纺织产品的风格等将起到有利的促进作用。 近几年发展起来的紧密纺纱系统，研制比较成功的主要有德国的s u e s s e n 公司( 其 产品是e l i t e 集聚纱) ，z i n s e r ( a i r c o r n t e x 7 0 0 ) 公司，m a l 公司，瑞士的r i e t e r 公 司( 其产品是c o m 4 卡摩纱) 以及美国的i t v 公司t ”。紧密纺的研究在国内刚刚起步。 紧密纺纱技术的思想是对前罗拉输出的须条再加上一对控制罗拉。其中，下罗拉有 吸风集聚作用，使须条较紧密的排列，大大减少了传统细纱机中加捻三角区中须条 带的宽度，有利于将须条中的纤维可靠地捻卷到纱条中，从而可较大幅度地减少毛 羽，同时吸风也有利于纤维在加捻卷绕时有再一次的伸直机会，从而提高成纱强力。 据有关纺机生产商的资料介绍，在同样的纺纱条件下、此种纺纱的毛羽较传统环锭 纺减少约2 0 ，强力可提高约1 0 ，同时，条干均匀度、机器效率等也有不同程度 的提高。该技术的另一优点是与原细纱机完全一致，只多出一对集聚罗拉，在原环 锭细纱机上也可进行改装，挡车操作也与原车一致。 s i r o s p u n 纺纱技术是澳大利亚羊毛工业研究院( c s i r o ) 于1 9 7 5 1 9 7 6 年发明，并 与国际羊毛局( 1 w s ) 共同研究发展出来的新型纺纱方法m j 。1 9 7 8 1 9 8 0 年s i r o s p u n 被 引进到西欧进行实用化生产，1 9 9 0 年后全世界范围内得到推广应用州。s i r o s p u n 纺 纱原理：两根粗纱以一定的间距平行喂入环锭细纱机的同一牵伸机构，以平行状念 同时被牵伸，从前罗拉夹持点出来后形成保持定间距的两根纤维束，此两极须条 由于前罗拉以下的环锭加捻作用自然汇聚，捻合成股线，然后经过导纱钩、钢丝圈 卷取到纱管上，成为s i r o s p u n 纱线。 1 1 2 新型纺纱的分类 随着纺纱技术的发展和产品结构的调整，目前最广泛接受和使用的新型纺纱的方 法主要的有成纱机理不同于环锭纺的新型纺纱技术如转杯纺纱、喷气纺纱，摩擦纺 纱、静电纺纱、涡流纺纱、自捻纺纱、平行纺纱等和基于环锭纺的新型纺纱技术如 紧密纺、赛罗纺、索罗纺等。它们的成纱机理各不相同，从而对其成纱结构、成纱 性能以及进一步的应用有较大的影响。 各类新型纺纱方法的特点由其纺纱器机构决定，根据其成纱机理f 主要是加捻的 性质) ，可以概括地分为自由端纺纱、非自由端纺纱和基于环锭纺的锭子加捻三大类。 1 1 2 1 非自由端纺纱 对于非自由端纺纱如喷气包缠纺、自捻纺、平行纺等，其纤维须条在纺纱过程中 是完全连续输出的。所以，其纤维的输送通常是由与环锭纺相类似的罗拉牵伸装置 来完成的，罗拉牵伸有其独特的优点，它在牵伸过程中对纤维有较强的控制，从而 使纤维的排列更加伸直、平行，为成纱质量提供了保证。但是，过高的罗拉速度会 由于机械振动、磨损严重而受到限制。对于喷气包缠纺，高速回转的前罗拉所产生 的附面层还会使喷嘴入口处的纤维运动受到一定的干扰，此外，非自由端纺纱中， 纤维在凝聚加捻( 假捻) 时，两端均受到机械控制，从而使成纱紧密度高及纤维在凝 聚成纱的过程中伸直平行度好。 1 1 2 2 自由端纺纱 对于自由端纺纱，如转杯纺、摩擦纺、静电纺等，由于纤维凝聚成纱是通过真捻 的方式，因此，必须在纤维的输送过程中确保产生一个断裂点( 自由端) ，以满足加 真捻的要求，通常是加捻之前把连续的纤维束断开，连续的纤维束大体上是在其轴 向被断开，或者在其径向分离出边缘纤维( 一端自由纤维) 。这往往采用分梳辊对纤 维进行分解，以确保纤维的分离而形成自由端，但是，分梳辊带来了两个问题：一 是纤维在分梳过程中受到刺辊的打击而损伤，从而使纤维的平均长度减小，短绒增 加；二是刺辊分梳后，纤维产生了弯钩，恶化了纤维的伸直平行度，虽然，在分梳 后的纤维输送过程中都采用具有一定速度梯度的气流来输送纤维，以期提高纤维的 伸直平行度，但是，许多文献指出，对于弯曲程度较大的纤维，依靠般的气流速 青岛人学硕f 学位论文 度梯度来伸直纤维，其效果是有限的。因此，这种自由端纺纱方法对成纱强力的影 响是先天的，同时，用高速气流输送纤维时，可能还会存在气流带动纤维高速运动， 冲撞到低速运动的纱尾上面使纤维排列更加紊乱的情况( 如摩擦纺、涡流纺) 。 新型纺纱中目前的加抡主要是机械加捻和气流加捻两大类，与机械加捻相比，气 流加捻具有结构简单、紧凑，无高速回转件，有利于高速无磨损、噪音小等优点， 但由于气流对纱条的控制不强，加捻不稳定，能耗大，成纱强力也相对较低。目前， 利用气流加捻的纺纱方法主要是喷气纺和涡流纺。在喷气纺中，压缩空气产生的高 速回转气流的回转速度可达几百万r m i n ，虽然喷气加捻的效率较低，但根据实际测 试，纱条的实际回转速度仍可达1 0 , - , 2 5 万r m i n ，足以满足高速纺纱的要求。在涡流 纺纱中，其纱条的加捻和凝聚类似于转杯纺，只是用涡流代替了高速回转的转杯， 减少了机械方面对高速的限制，但工艺上的限制仍然存在，即：过高的速度引起纱 尾离心力的剧增，引起纺纱张力过大而使断头增加。涡流纺中的回转气流是由风机 产生负压而吸入纺纱器中，气流回转速度约十几万转分，纱条实际回转速度为几万 转分，均较喷气纺低。 1 1 2 3 基于环锭纺的锭子加捻 这种纺纱技术基于环锭纺的锭子加捻，利用环锭纺的成纱机理，主要是对纺纱机 的机构、喂入方式和加捻三角区对纤维的控制。这些纺纱方法或是优化了环锭纺技 术，通过改变纤维的排列和结构，使成纱物理性雠n g l 观大大改善；或是赋予了纱 线特殊的风格和特点，使织物具有了独特的风格。 第二节喷气包缠纺的发展与现状 1 2 1 喷气包缠纺的发展 喷气纺纱的发展历史虽已有四十多年，但在最近十五年才逐渐趋于成熟。它是利 用高速旋转气流，对牵伸后的须条进行假捻包缠，使前罗拉输出的须条加捻成纱的 一种新型纺纱方法，以其质量优、流程短、产量高、自动化程度高等综合技术水平 和经济优势成为当前国内外纺织业瞩目的高新技术。加捻器由固定的喷嘴构成，无 高速回旋机件，因此其纺纱的速度可达3 5 0 m m i n 。自美国杜邦( d up o n t ) 公司于 二十世纪六十年代首先提出喷气加捻包缠纺纱专利后，一些国家相继开展了对这种 纺纱技术的研究。其中，日本和德国的几家公司取得的成就尤为显著。 喷气纺纱机按加捻器形式区分，主要有单喷嘴、双喷嘴、喷嘴和加捻罗拉结合等 种类i 按进气方式可分为单进气和双进气两种；按纤维凝聚形式分，有棉条喂入经 罗拉牵伸装鬻( 三罗拉双皮圈、四罗拉双皮圈及五罗拉双皮圈) ，还有采用分梳辊或 钊辊分梳，经凝聚成纤维须条，也有采用分梳辊和罗拉相结合的形式。以卜多种形 4 第一革概述 式的喷气纺纱机大部分只停留在实验研究阶段。上世纪六七十年代，有关单喷嘴和 双喷嘴喷气纺纱技术的专利不断出现，但迄今为止形成大规模产业和商业化生产的 并不多。 1 9 6 3 年，美国杜邦公司首次发明喷气包缠纺，它采用单喷嘴加捻，因其成纱强 力不高而未能继续发展。1 9 7 6 年，联邦德国洛伊特林根( r e u t l i g e n ) 纺纱技术研究 所设计了新型的双孔喂入单喷嘴喷气纺纱，主要用于加工长纤维的包缠纺纱，并具 有花色纱的特征，其纺纱速度可达3 5 0 m m i n 。2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初，同本开 始较大规模的喷气纺纱研究。村田( m u r a t a ) 公司在美国杜邦公司单喷嘴喷气纺纱 技术的基础上研制双喷嘴喷气包缠纺纱机，1 9 8 0 年研制成功，1 9 8 1 年投入商业生产： 经过2 0 余年的发展和改进，形成了m j s 8 0 1 、m j s 8 0 2 系列双喷嘴包缠纺纱机；继 m j s 系列之后，推出了第三代喷气纺纱机r j s 8 0 4 和集纺纱、并纱、络筒为一体的 m t s 8 8 1 型多功能双纱并合喷气纺纱机【6 j 。与此同时，东丽( t o r a y ) 公司推出了 a j s l 0 1 、a j s l 0 2 单喷嘴纺纱机，丰田( t o y o t a ) 公司推出了t y s 双喷嘴纺纱机， 但形成商品并占领市场的只有村田机械公司。8 0 年代后期，德国的苏逊( s u s s e n ) 公司在1 9 8 7 年1 0 月巴黎国际纺织机械展览会上推出了p l y f i l 型喷气纺纱机。p l y f i l 型喷气纺纱机由两根须条经由各自喷嘴加捻后合并在一起形成股线，由于单纱捻度 低( 强力也低) ，在捻线机上加捻时可大大减少为抵消单纱捻度而需要的股线捻度， 使捻线机产量提高了3 0 4 0 ，同时p l y f i l 型喷气纺纱机本身的出纱速度也可达 3 0 0 m m i n 以上1 9 j o 。 我国也自1 9 7 8 年以来，先后有东华大学( 原中国纺织大学) 、天津工业大学( 原 天津纺织工学院) 、上海纺织科学研究所等单位对喷气纺纱进行了研究，在实验室里 以细纱机改装的机台上进行实践探索，改造或生产了简易的喷气纺纱机，对有关的 工艺参数和喷嘴结构进行了深入的研究。上海国棉六厂研制出了s f a 5 8 0 2 a 型双面 上行式喷气纺纱机和z x 8 7 1 型半自动接头机，并通过了上海市的鉴定，但未能批量 生产和销售【1 “。2 0 0 3 年1 2 月，在上海国际纺织机械展览会上展出东华大学、青岛 大学与上海太平洋集团进行合作研制出了第一台国产喷气纺纱机k p f 0 2 型机旧。 喷气纺纱的规模从全世界角度来说还相对较小。目前，无论从已有的头数还是从 纱的产量来说，环锭纺纱都是主角。主要原因是喷气纺纱的成纱强力较低，尤其是 纯棉纱的强力更低，如m j s 8 0 1 型喷气纺纱机所纺纯棉纱的强力仅为同类环锭纱强 力的5 0 - 6 0 ，这是现存的喷气纺纱难以克服的障碍。虽然m j s 8 0 2 各型喷气纺纱 机号称可纺纯棉纱，实际上仍存在上述问题。但喷气纺纱经过三十余年的发展，已 经取得了长足的进步和广泛的认可。据不完全统计，截止到2 0 0 3 年底，全世界共有 喷气纺纱设备约2 5 万头左右，分布在约4 0 个国家，其中北美约占8 0 ，亚洲约占 15 ，中南美洲、欧洲、澳大利、非洲约占5 。美国是捌有喷气纺纱机最多的目 青岛大学硕：l 学位论文 家，总数约有1 8 万头，约占全世界总量的7 5 。我国自1 9 8 5 年江苏丹阳棉纺厂首 次引进1 0 台日本村田m j s 8 0 1 型喷气纺纱机以来，先后有重庆、湖北嘉鱼、蒲圻、 上海、山东五莲、河南焦作、广东肇庆、天津六棉、西北一棉等地也引进了m j s 系 列喷气纺纱机【l 。目f ；i 国内的喷气纺纱设备总量已达2 0 0 台左右。 1 2 2 国内外的研究状况 喷气包缠纺纱利用喷射气流在喷嘴内产生高速旋转的空气涡流，推动经牵伸装置 牵伸后输出的具有一定宽度的纤维须条形成高旋转的气圈运动，同时分离出一部分 头端自由纤维，以一定的捻角和压力包缠在另一部分纱芯纤维束的外表，形成具有 一定强力的假捻包缠纱的结构。 迄今为止，国内外学者对喷气包缠纺的成纱机理、成纱特征和成纱工艺参数等作 了大量的理论分析和实验探索。 1 2 2 1 喷气包缠纺成纱机理的研究状况 金佩新、苗孟河等【i l ”j 对喷气纺纱的成纱机理作了大量的理论分析和实验验证， 确立了喷气纺纱中包缠纤维的形成机理。言宏元、翁毅、于修业【1 2 】分析了喷气纺纱 的成纱结构，纱芯外包缠纤维捻度的形成机理，认为纱芯外层确有一定的真捻，且 纱的毛羽方向具有一致性，其形成机理为假捻退捻包缠与捻差形成真捻两者的结合。 邢明杰、唐佃花【2 7 通过对喷气纺纱成纱机理的理论探讨，提出了提高喷气包缠纱强 力的理论和途径，并对第一喷嘴和第二喷嘴结构进行了设计改进和纺纱工艺参数的 合理选择，使单纱强力达到了预期的目标。b h o r a t a k k e m k 、n i s h i m u r a t 芹f i m a t s u o t 【l 认为纤维束从牵伸罗拉送出，一些边纤维被分离出来，在稍后时汇入纤维束， 它们在第一喷嘴中和纤维束一起以相同的方向被加捻，但获得的捻度较低。在第二 喷嘴中，这些纤维以相反的方向被加捻，形成包缠，使喷气纱获得一定强力。m j s 制造商所持的观点【1 6 】是：纤维束和边纤维从牵伸罗拉送出，进入第一喷嘴后维在气流 作用下被卷绕在假捻的纤维束上。纤维束在第二喷嘴内解捻，由于第二喷嘴与第一 喷嘴的气流方向相反，且第二喷嘴中气流的加捻作用比第一喷嘴大，因此解捻的过 程越过第一喷嘴达到牵伸罗拉出口。第二喷嘴的解捻使第一喷嘴产生的包缠纤维更 紧地包缠在纤维束上，赋予喷气纱强力。这也是。g r o s b e r g 等 1 8 】建立了加捻运动学 的数学模型，用理论分析的方法研究了单喷嘴和双喷嘴喷气纺假捻的捻度分如。 1 2 2 2 喷气包缠纺成纱特征和成纱工艺的研究状况 w o x e n h a m 等i l 9 j 认为喷嘴的结构对纱线的强力有着重要的影响。喷孔的角度影 , p j 月, j j 更大。如果将第一喷嘴的角度由4 0 度改为5 0 度，纱线的强力会由很大的提高； c a r la l a w r e n c e 等1 2 u j 通过微观分析，把喷气纱中纤维妁形态结构分为三类：第一类 结构为均匀包缠纤维，第二类结构为随机包缠纤维，第三类结构为未包缠纤维。当 第一苹概述 纺纱工艺条件变化时，每一类出现的频率和平均长度都不相同，其中，第三类结构 对纱强没有任何贡献，而具有包缠结构的第一类结构与第二类结构承担纱线强力， 其中第一类结构比第二类结构更重要。通过实验选择各种纺纱参数，如气压、纺纱 速度、张力牵伸、两喷嘴隔距等，对各类纤维的频率和平均长度影响，从而影响纱 线强力；郁崇文、张文赓f 2 1 1 运用激光多普勒测速仪对喷气纺喷嘴中的气流场以及有 关参数对喷嘴中气流场分布的影响作了测试分析，所得的结果对掌握喷气纺喷嘴中 的气流场的分布规律、合理地设计喷嘴、优化有关参数等提供了依据；r r a j a n i c k a m l 2 2 j 通过建立喷气纺纱中纤维性能一工艺参数一结构一性能关系模型，分析了不同结构 以及纱段之间是如何相互影响，而且解释了实验中观察到完全断裂和非完全断裂以 及完全滑脱而断裂的现象。他还指出，纱线断裂强力随第一类结构长度和出现频率 的增加，同时随第三类结构的减少而增加，还认为包缠纤维存在最佳的包缠长度； 王建坤等 2 3 , 2 4 , 2 5 1 分析了喷气纺纱喷嘴的主要结构参数( 喷嘴的直径、喷孔角度等) 对喷气纱质量的影响，并通过二次回归正交实验设计和多因子的计算机辅助设计， 得出结论：当第一喷嘴直径为3 9 8 m m ，喷嘴的喷孔角度为5 4 9 度；第二喷嘴直径 为3 9 8 m m ，喷嘴的喷孔角度为8 3 3 度时，可获得最佳的喷气纱质量；戴伟锋、王 灯明1 2 6 1 通过实验数据及理论分析，找到适合细旦纤维喷气纺的喷嘴结构参数，来提 高喷气纱的强力，为推广细旦纤维喷气纺高支纱提供依据；邢明杰、郁崇文、唐佃 花【2 副利用通用旋转组合设计的方法研究了喷气纺纱机上两个喷嘴喷射孔的位置与喷 气纱强力的关系，建立了优化后的参数。邢明杰、唐佃花、郁崇文 2 9 谰述了纺纱速 度、前罗拉钳口与第一喷嘴隔距、纺纱气压三大工艺参数对喷气纱强力的影响，并 通过实验找出了最优的参数。曾泳春、邢明杰、唐佃花等【3 0 】采用数据模拟和实验研 究喷嘴压力、喷孔倾角度和喷孔位置等喷嘴参数对喷气纱拉伸性能的影响，以数据 模拟结果进行预测，并用实验方法验证，表明2 种方法得出的结果是一致。 从上述大量的文献与实验中可以看出，同其它包缠纺纱一样，由于喷气纺纱的包 缠成纱机理的限制它要求所纺纤维具有较长的长度，而对于长度较短的纤维如棉等 喷气包缠纱，其成纱强力很低，目前一般纯棉喷气纱的强力仅为同支环锭纱的5 0 6 0 。同时，由于棉纤维的性能及喷气包缠成纱机理的限制( 棉纤维长度较短，短 纤维含量高，易引起包缠不匀) 从而使成纱强力难以进一步提高。 第三节自由端喷气纺纱的发展 作为一种新型纺纱技术的重要代表喷气纺纱在国际纺织界迅速崛起，其优势 已被广为认可。但是喷气包缠纺受其假捻包缠成纱机理的限制，纯棉喷气包缠纱成 青岛大学硕士学位论文 纱强力较低。由于棉纤维本身的性能无法调整，进一步提高纯棉喷气纱的强力是相 当困难的 2 , 6 , 3 1 】。为了改变现存喷气包缠纺纱强力偏低的不足，国内外的纺织学者改 变了喷气纺成纱机理，使原来连续的须条在一定的距离内形成自由端，成为自由端 喷气纺纱。 1 3 1 自由端纺纱的原理 自由端纺纱是2 0 世纪5 0 年代逐步发展起来的新型纺纱方法。所谓自由端纺纱就 是纺纱过程中在某处将连续的纤维束断开，使纱尾形成自由状态，以保证纱条加上 真捻1 6 j 。自由端纺纱有多种方式，其基本特点在于喂入端一定形成自由端。通常是 加捻之前把连续的纤维束断开，连续的纤维束大体上是在其轴向被断开，或者在其 径向分离出边缘纤维( 一端自由纤维) 。经过断裂( 分离) 后的纤维又必须重新凝聚 起来成为连续的须条，再经加捻而卷绕成筒子( 如图1 1 ) 。 l 一喂入端2 一自由端3 一加捻部件4 纱线5 一输出端 图1 1 自由端纺纱加捻示意图 自由端喷气纺纱是一种新的自由端纺纱方法，它是根据自由端成纱机理，合理应 用空气动力学技术，使纺纱技术更趋完善和合理化的一种纺纱方法。为了使自由端 纺纱达到加捻与卷绕作用分开，又要保证获得真捻，就必须改变现有传统纺纱系统 的加捻方法，使真捻产生在加捻部件道卷绕部件之间的这段区域内，而不使须条喂 入端至加捻部件区域内产生反向捻回，就必须使喂入须条断开或纤维相互分离，使 得纤维成为相互分散又连续的纤维流，也就是在喂入端至加捻部件之间的须条形成 自由端。自由端的形成，通常采用“断裂”纤维集合体的方法。目前自由端的形成 通常采用两种方法纵向断裂纤维须条和径向分离头端自由纤维。自由端喷气纺 纱方法通过高速高压的空气流场，完成对纤维集合体的丌松、输送、凝聚和加捻而 成纱的。 1 3 2 自由端喷气纺纱的发展 自由端喷气纺纱的研究始于二十世纪后期，国内外的纺织学者对自由端喷气纺纱 进行了有益的探索。 目前，研究自由端喷气纺纱方法比较成熟并进行工业化生产的是日本村| 千| 公司。 浚公司于1 9 9 5 年推出了自由端喷气纺纱机( m u r a t a v o r t e xs p i n n i n g ，简称m v s ) 1 3 2 1 。 第一章概述 m v s 是在喷气包缠纺的基础上发展起来的种全新的纺纱方法，利用气流喷射在喷 嘴内产生高速旋转气流，使须条的边缘纤维( 一端自由纤维) 的自由端对内层纤维 产生相对角位移，使须条获得真捻而成纱3 2 , 3 3 , 3 4 ( 如图1 2 ) j 1 一螺旋引导面2 一引导针3 一涡流室4 一喷射孔 5 一凝聚纤维6 一圆锥形凝聚面7 一空心锭子8 一纱线 图1 , 2 日本m v s 纺纱装置 经过罗拉牵伸的须条，被吸入喷嘴前端的螺旋引导面( 1 ) ，螺旋引导面对纤维有 着良好的控制，同时和针状物( 2 ) 一起，防止了捻回向前罗拉钳口的传递，使得纤维 须条是以平行松散的带状纤维束，输送到空心锭子前端。 纺纱器的西个喷射孑l ( 4 1 与锥形圆锥管道上圆形涡流室( 3 ) 相切，形成旋转气流， 并沿空心锭锥形顶端在锥形通道旋转下移，从排气孔排出。当纤维的末端脱离喷嘴 前端的螺旋引导面和针状物的控制时，由于气流的膨胀作用，对产生须条的径向作 用力，依靠高速气流与纤维之问的摩擦力，使之足以克服了纤维与纤维之间的联系 力，从而达到分解成单纤维的目的。须条的纤维互相分离，产生大量的边缘纤维( 头 端自由纤维) ，从而产生自由端，覆盖在空心锭子( 7 ) i - 。同时对短绒也有清除作用。 纤维的另一端根植于纱体内，在空心锭子入口的集束和高速回转涡流的旋转作用力 的共同作用下，使边缘纤维( 头端自由纤维) 沿着锭子旋转，当纤维被牵引到锭子 内时，纤维沿着锭子的回转而获得一定捻度。纤维束沿着锭子包缠的角度及回转角 度都是可以控制的，纤维束完成凝聚和加捻成纱 r l j ( j = 1 ，2 ，n ) 3 一( 5 ) 则方案a l 在各个指标之下均劣于方案a k ，保留a k ，弃去a l 。经过这样的处理之后， 保留下来的方案为非劣方案。不妨碍一般性，假设方案a l ，a 2 ，a 。均为非劣 方案。 ( 4 ) 求关于方案( 决策点集) 的理想最优化点a + 和理想最劣点a a + = ( n + ，r 2 + ，r n + )3 一( 6 ) a 一= ( r 1 一，r 2 一，