集聚纺是21世纪纺纱领域中发展最为迅速和应用最为广泛的纺纱技术,是在传统环锭纺基础上进行改进与革新而发展起来的新技术。与环锭纺相比,集聚纺在成纱强度、毛羽等质量指标上有明显的优势,但目前应用中也遇到一些困难,比如普遍存在能耗大、自主知识产权缺乏等问题。前期的文献研究对集聚机理问题和集聚过程的分析尚缺乏科学合理的解释。本文以网格圈负压式的集聚纺纱系统作为研究对象,从集聚区须条的结构分析入手,结合存在附加捻度的现象,通过合理的假设以及单纤维运动学分析,建立半自由端加捻模型;通过模拟计算与试验验证,提出更为明确的集聚机理。本文的主要研究内容包括以下五个方面:(1)集聚区须条分层结构与半自由端加捻模型的研究首先基于集聚纱存在附加捻度的现象,提出集聚区须条呈分层结构的设想,即“半自由端加捻”机理;然后将单纤维简化为珠-簧链模型,推导单纤维球的运动方程,建立半自由端加捻模型并对自由端纤维的数量进行估算与分析;最后设计试验验证方法,采用超景深三维数码显微镜对集聚纱进行分层拍照,验证其分层结构的存在。(2)集聚区气流场分布模型的建立与分析建立集聚区气流场的计算流体动力学模型,在确定集聚区几何模型和边界条件的基础上,采用FLUENT软件对所建立的集聚区气流场计算模型进行数值求解,获得集聚区内的气流流动特征,为半自由端加捻模型的求解提供依据,为研究气流在集聚纺中的作用机理提供分析工具。(3)集聚区须条张力模型的研究通过力学和运动学分析建立直线形集聚斜槽须条张力模型,得到张力解析解及其与集聚槽长度的变化规律,讨论集聚须条与网格圈摩擦因数、集聚管曲率半径、集聚斜槽倾斜角、集聚负压和须条半径等与张力值的关系;然后采用同样的方式对弧线形集聚槽须条张力进行建模与分析;最后通过求解基于弧线形集聚槽的集聚纱附加捻度的计算值,并将其与试验值进行对比,间接验证张力模型的正确性。(4)半自由端加捻模型的求解与集聚机理阐述首先在获得集聚区气流场分布与须条张力分布的基础上对单纤维球的运动轨迹求解;其次分析集聚槽的倾斜角、集聚负压、须条线密度、集聚槽宽度和集聚槽形状对纤维运动轨迹的影响;然后采用超景深三维数码显微镜观测集聚区须条的捻度,验证半自由端加捻模型的正确性;然后估算不同线密度环锭纱中自由端纤维的数量;最后对集聚机理进行较为明确的阐述,为节能式集聚装置的设计提供理论依据。(5)节能式集聚纺纱装置的设计与实践根据以上研究结果,将集聚区须条的吸附与加捻作用分开,设计了两种类型的气流导流装置,通过流场计算和纺纱试验的方法分析成纱质量并验证节能效果。通过本文的设想、建模、求解与试验分析,可以得到如下结论:(1)集聚区须条分层结构与半自由端加捻模型的研究论文认为集聚区须条为分层结构,表层存在一端被握持的自由端纤维,内部为两端受握持的主体非自由端纤维,自由端纤维在集聚负压和集聚槽的共同作用下,围绕主体纤维进行加捻,即形成半自由端加捻机理;通过对单纤维球力学和运动学分析建立半自由端加捻模型,得出求解该模型的两个必要条件是获得集聚区气流场分布和须条张力分布。半自由端加捻的数值求解后可得到单根自由端纤维的近似运动轨迹,并给出了环锭纱自由端纤维数量的估算方法;超景深三维数码显微镜的分层拍摄结果验证了集聚纱分层结构的存在。(2)集聚区气流场分布模型的建立与分析由集聚区气流场计算可知:集聚槽上方区域的气流静压值接近大气压;越靠近集聚槽,气流静压值越低,形成负压区域;集聚管内部的气流静压值均低于大气压。外界大气从四周流向集聚槽,越靠近集聚槽,气流的速度就越大。从集聚槽左、右两侧流向集聚槽的加速气流有可能使须条截面从扁平形收缩为近似圆形,而从集聚槽上方流向集聚管的加速气流使纤维须条被吸附在网格圈上。集聚区的这种气流分布规律使得纤维须条产生集聚效果。集聚槽倾斜角度从0°变化到10°时,集聚区的x方向和Z方向的气流速度分布规律均较为相似;随着集聚槽倾斜角从0°增大到5°,集聚区x方向气流速度略微增大;随着集聚槽倾斜角继续增大,x方向气流速度值几乎没有变化。集聚槽宽度从1mm增大到1.5mm,集聚区的x方向气流速度和z方向气流速度都有所增大。集聚管出口负压从2000Pa增大到3000Pa时,集聚区的x方向和z方向气流速度都明显增大,这表明集聚负压的增加能对纤维须条产生更大的集聚作用。集聚槽形状也对集聚区气流速度分布有较大影响,弧线形集聚槽集聚区内的x方向和z方向气流速度均比直线形集聚槽集聚区内相对应方向的气流速度高,这表明其集聚效果应该更好。(3)集聚区须条张力模型的研究直线形斜槽集聚区须条张力模型解析解为(?)弧线形槽集聚区须条张力模型方程组为:模拟计算的结果表明:集聚槽倾斜角β、集聚负压p、集聚管曲率半径R、须条半径r、须条与网格圈的摩擦因数μ对须条张力均有不同程度的影响。通过附加捻度的计算值和试验值的比较,间接验证了张力模型的正确性,为半自由端加捻模型的求解提供了必要的条件。(4)半自由端加捻模型的求解与集聚机理阐述在获得集聚区流场分布和集聚区须条张力分布的基础上,可得到单纤维在集聚区的近似运动轨迹。其中集聚槽倾斜角度、集聚负压和集聚槽形状对轨迹的影响较为显著。在本试验的计算条件下,集聚槽倾斜角10°与5°相比,须条捻度从56.5捻/m增大到82.6捻/m;集聚负压为2000Pa和3000Pa时,对应的须条捻度分别为56.5捻/m和76.3捻/m;直线形集聚斜槽(倾斜角5°)与弧线形集聚槽相比,两者须条的捻度分别为56.5捻/m和76.3捻/m;须条线密度为9.7tex与15.3tex时,对应的须条捻度分别为61.7捻:/m和56.5捻/m;集聚槽宽度为1mm与1.5mm时,对应的须条捻度分别为56.5捻/m和53.2捻/m。线密度为58.3tex的集聚区须条显微镜照片结果显示:实测捻度值为65.4捻/m,与计算值55.2捻/m较为吻合。估算出的参与半自由端加捻的自由端纤维数量约为3～8根,占截面总纤维根数的比例很低,但它们对集聚效果的作用很大。通过分析、模拟计算和试验,网格圈负压式集聚纺的集聚机理明确了集聚负压的两个作用分别是:将须条主体吸附在网格圈上的吸附作用和促使自由端纤维对主体纤维进行螺旋包缠的加捻作用。集聚槽的倾斜是为了与气流场分布相配合,通过半自由端加捻获得更好的集聚效果。(5)节能式集聚纺纱装置的设计与实践设计了两种气流导流节能装置,试验结果表明:两种导流装置均能有效降低负压,导流装置Ⅱ效果更稳定。采用该装置在负压1000Pa的试验条件下纺纱,与负压2000Pa的常规集聚纱相比,两者在29.5tex、19.7tex、14.8tex三种纱线线密度的情况下成纱质量几乎没有差。这为降低集聚纺能耗提供了有效的思路和示范。论文对网格圈负压式集聚纺半自由端加捻模型和集聚机理展开了研究,研究结果不仅具有很好的学术价值,而且具有实用前景,同时探索的节能型集聚纺纱装置能够为集聚纺纱的进步与发展提供借鉴。