集聚纺集聚原理和网格圈节能原理

气流集聚纺集聚原理和节能

陆宗源

（安徽八一纺织器材有限公司顾问）

摘要：从纺纱原理角度对气流集聚原理、集聚纱结构、节能原理和措施进行了全面分析。指出气流集聚节能潜力很大，以期引起同仁注意研究和实践。

关键词：气流集聚；旋转气流；包络层；芯层；表层纤维开端纺；网格圈风阻（空气阻力）；集聚槽；集聚须条结构；气流罩

1 从气流集聚纱的特点

众所周知集聚纱有四大特点：

（1）毛羽少。尤其是3mm以上的有害毛羽极少，原因不是被“吸走”了，而是几乎所有纤维都被捻入纱线主体了。

（2）强度高。较同规格的环锭纱提高约20%。原因是纤维排列整齐，取向度好，加捻后纤维受力均匀，纤维强度利用率高。

（3）捻度增加。较同工艺参数的环锭纱，捻度增加约10%。因此可以适当降低纱线设计捻系数，如果锭速保持不变，可以提高前罗拉的输出速度，提高生产效率。

（4）均匀度好。与同规格的环锭纱相比条干不匀率降低，纱线质量提高。

2 气流集聚纺的纺纱模型——旋转气流

关于气流集聚纱具有的四个特点，目前业界普遍都将其形成机理归结为“消除了纺纱三角”。但是上述特点第1、2条还能勉强能够解释得通；而第3、4条则无法用此理论解释。

实际上，上述特点中的第3条——捻度增加10%是理解集聚机理的关键。这个10%捻度显然不是由锭子和钢丝圈的转速差产生的，而是在集聚区就形成了的。就是说集聚区内有“加捻”功能。

因此应该研究集聚区的加捻机理，气流集聚纺应该有不同于环锭纺的纺纱模型，见图1。图1中的左图是环锭纺的模型，称为“闭端纺”，锭子（钢丝圈）必须旋转才能加捻；中图是转杯纺的模型，称为“开端纺”，由于中间将纤维束打散后加捻，因此卷绕卷装不必旋转；右图是气流集聚纺模型，是在环锭纺模型上增加一个集聚区。总体说它还是闭端纺，但是在集聚区，未加捻的纤维束表层纤维的端部是自由的，在气流作用下，可以接受加捻。所以称为“表层开端纺”，其结果是表层纤维可以具有一定捻度。

这里得到一个重要结论：集聚气流应该是一个旋转气流。

图1 不同纺纱形式的纺纱模型

3 旋转气流的产生

集聚区的旋转气流是如何产生的？这就需要对气流的运动规律有一个基本认识：

在大气层中存在压强，只有相邻区域的空气压强不同时，气体才会流动。如果压强处处相同，空气就不可能流动（这里指的是宏观流动，不是指微观的气体分子的布朗运动）。

压强不会突变，压强差可用“压强梯度”来描述。将压强相等的点连起来称为“等强线”（实际上在空间中是一个“面”）。气体从压强高处向压强低处方向流动，气流流动的方向是梯度方向；气流的强弱是梯度的大小，因此气流是和压强梯度完全一致的一个矢量。

相邻两条等强线的压强有一定差别（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）。所以压强梯度方向是等强线的法线方向（垂直），指向压强低的区域；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。

气流的方向和大小和压强梯度是完全一致的。

集聚纺集聚区的气流是来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。在没有任何阻碍（没有须条）的情况下，等强线是以集聚槽为圆心的同心半圆，压强向远离方递减。每一点上的压强梯度方向都指向圆心（集聚槽），气流矢量也都指向集聚槽，向外逐渐减弱直到零，这就是集聚槽气流场，见图2上。当集聚槽上有须条存在时，须条总是靠向一边。靠须条的一边，由于阻力变大，压强梯度就减小，等强线变得稀疏了；而另一边正好相反，等强线变密了。于是等强线变形了，向须条方向倾斜，见图2下。气流矢量始终与等强线垂直，因此气流矢量围绕须条形成一个旋转气流场。

图2 集聚槽气流场

正是这个旋转气流，推动须条的移动、集聚和表层纤维加捻。集聚气流场的形成，只需要保证须条靠集聚槽的一边运行就可以了。

4 气流集聚后的须条结构

如何保证须条只靠一边运行？只要集聚槽有一定倾斜就行了，见图3，须条从前罗拉钳口出来，就被气流吸引到网格圈上，网格圈以相同的速度带着须条前进。网格圈下面的集聚槽（图中虚线表示）是固定不动的，因为集聚槽的倾斜，使须条不断地移动，只能靠着集聚槽的一边。这样，旋转气流就一直伴随着须条。还未加捻的须条表层纤维的端部是自由的，会随着气流发生“翻越”，经过集聚槽全部长度的须条表层纤维就会形成一个和集聚槽方向相同的包络层，这个包络层有一定捻度（真捻）。

图3 包络层的形成

气流集聚纺的特点不是简单地消除了纺纱三角（这仅是集聚的结果），而是使须条在加捻前就改变了纱线结构——形成了有一定捻度的包络层。这样的集聚机理，可以很完美地阐述集聚纺纱具有四大特点的原因：

（1）须条受到加捻以前，已经具有双层结构：表层是有一定捻度的包络层；中间是纤维平行度好、排列整齐的芯层。加捻时，表层捻度和加捻方向相同（目前集聚槽倾斜方向），表层在继续加捻时，包络层纤维端部只会收缩，不会扩散；同时包络层“保护”了内层纤维不会散开，

由此成纱外露毛羽较少。

2、芯层内的纤维，在被包络层保护下被加捻，内外纤维之间不能交换，平行度好，受力均匀，因此成纱强度高。

3、因为加捻以前，包络层已经有一定捻度，钢丝圈加捻使捻度叠加。因此成纱捻度提高，外面捻度高，里层捻度略低。

4、在集聚区内，纤维有两种运动：表层纤维向一个方向翻越；芯层须条主体向一个方向移动，有平移也有滚动（即使有滚动成分，但那是假捻）。前者纤维翻越使表层纤维重新排列，形成真捻同时，由于力学平衡原理，纤维落到须条细节处的比较多（这种现象称之为“填谷”），见图4。这样，包络层的捻度是不均匀的，细节处的捻度会略大于粗节处。而机构设计在集聚区有5%以上的“集聚牵伸”，这样粗节处的牵伸会大于细节处，所以集聚纱的条干均匀度会有所改善。

图4 “填谷”效应

5 气流集聚纺的节能问题

我国目前已经有一千多万锭的集聚纺纱锭，并且还在迅速增长中，其中绝大多数是采用网格圈式集聚纺。业内专家普遍的观点是：集聚纺纱装置将成为环锭纺纱机的必配部件（如立达细纱机）。

气流集聚纺能耗相对较高的问题始终是人们最关注的问题。一台集聚纺细纱机的装机功率要比普通环锭纺细纱机增加四分之一。我们注意到瑞士立达的“抽气鼓式”集聚纺比绪森的网格圈式集聚纺的能耗要小得多，立达公司一直在坚持研究集聚纺的节能问题，从K44、K45到K46，每一代新型号都有新的节能措施推出。K46型细纱机是能耗最低的集聚纺细纱机，这是事实。虽然机器的价格还明显比网格圈式集聚纺细纱机高，但是低能耗节约的生费用很快就能收回投资，而以后长期使用将获得明显的经济效益。

集聚纺纱质量提高最明显的指标是毛羽，实践表明毛羽指标在相当宽的负压范围内并不敏感，因而国内使用者为了“安全”，宁愿采用较高的负压。但是，能耗是和负压呈平方关系，这是不符合绿色、减排要求的。应该在保证毛羽符合要求的情况下，使用最小的负压值。

气流推动纤维运动，就需要能量交换。深入研究能量交换的原理，最大限度地提高能量交换效率，消除无效能量消耗，才能达到节能的目的。

气体有压力，是因为气体分子是在不停地运动（布朗运动），这是气体能量的存在形式。气压差异造成气体分子的宏观运动，就是气流。纤维在气流中，气体分子对纤维发生撞击，将动能转移给纤维使其运动。

虽然气体分子质量m和纤维质量M相差悬殊，但是在数量巨大的气体分子连续不断的撞击下，也足以使纤维获得足够的动量MV，获得速度V。按照动量守恒原理：∑mv=MV，见图5，可见纤维获得速度的大小取决于两个因素：气体分子的数量和分子的宏观速度v。

集聚纺装置在通道面积和阻力相同的情况下，流量和流速成正比关系，集束气流的“流速”和“流量”才是决定集束效果的直接因素；而“负压”只是一个调节流速和流量的间接参数。

图5 气体分子与纤维的能量交换

单在在使用集聚纺的过程中，企业往往只知道控制负压，因为集聚纺设备显示流量是困难的，而显示负压则比较容易。但是推动纤维完成集聚运动需要一定的流量，流量不足就不能够完成集聚运动，而流量过大则会浪费能源。

在气流运动中，流量和负压的乘积是功率消耗：

W=△P×Q

Q=△P/R

W=△P2×R

式中：

W：功率；

△P：负压值；

Q:流量

R：网格圈的风阻（空气通过的阻力），与网格圈的结构有关。

因此，降低风阻R和流量Q，都能降低功耗W。

5.1降低风阻——网格圈的空气阻力

众所周知，立达公司空心罗拉式的的卡摩纺（Com4），所需负压在500-1000Pa；而三罗拉或四罗拉网格圈式紧密纺，所需负压在2000-3000Pa。在2011年上海国际纺机展上，有国内两家开发商将四罗拉网格圈式集聚纺改用空心罗拉机构后，原来4.5kW的风机改为了2.5kW，功率降低了45%。何以有如此大的悬殊呢？其中的差别只有一个，就是‘空心罗拉’和‘网格圈’的空气阻力有所不同。

空心罗拉孔是大圆孔，直径0.8mm，面积0.5026mm2，密度80孔/cm2，空隙率：41%。

网格圈是小方孔（矩形），边长0.0867mm，孔面积0.0074mm2,密度3600孔/cm2，空隙率27%（按绪森五星网圈的标准数据）。

空气通道的阻力和其面积和周长有关，与面积大小成反比，与孔的边界周长成正比：

r=L/S

式中：

R：通道阻力系数；

L：通道边界长度；

S：通道截面积。

阻力系数与通道形状和大小有关，方孔的阻力系数是相同面积的圆孔的1.57倍；一个大正方孔的阻力系数是总面积相同的4个小正方孔的三分之二，见图6。

图6 不同孔径的阻力系数对比

用如此方法估算，网格圈的阻力系数是空心罗拉的2.75倍。只要网格圈降低风阻，就可以降低负压，减小功率消耗。因此，网格圈式集聚纺要大幅度降低能耗最简单的方法，是研制低阻力的节能网格圈，大幅度地降低负压。

5.2 网格圈的透气特性

早在第一次制订网格圈行业标准之前，业界就非常关注网格圈的透气性，但由于缺乏有效的测试手段，目前网格圈国家标准规定采用“空隙率”作为检测透气性的技术指标，空隙率的计算公式是：

空隙率%=（10-经丝直径×经线密度）（10-纬丝直径×纬线密度）

其中丝径单位为“mm”；线密度单位是“根/cm”。

虽然用空隙率来作为网格圈透气性指标并不理想，但它还是与透气性是有较强的相关性的。

最合理的方法是采用专用测试仪来进行实际测量，它和织物透气性的测试原理是一样的，但是因为样品面积太小而无法在织物透气性测试仪上进行测试。2016年安徽八一纺织器材公司定制了一台“网格圈透气性专用测试仪”，将织物透气性测试仪的圆形测试孔改为与集聚槽相似

的标准形状，使测试流量尽量接近实际使用条件。

实际测试表明，在目前常用负压范围内，网格圈的透气流量和负压基本符合线性关系，普通网格圈的特性曲线图见图7，横坐标是流量（单位是CL/min、）；纵坐标是负压（单位是帕Pa）。如果实际使用负压为2300Pa的话，实际流量在60L/min左右。

图7 网格圈特性曲线图

为了使用和计算方便，这里将特性曲线斜率的倒数T称为透气特性指数，T=L/P。那么，上述网格圈的透气指数T=1.37。透气指数越大，说明透气性越好。

6节能网格圈

节能网格圈的结构特点是将工作区的线密度降低，减小风阻。为保证其机械强度，两侧设置线密度大的“传动区”（或称“加强区”），见图8所示。经测试，节能网格圈工作区的透气指数T=1.96,透气特征曲线见图9。

图8 节能网格圈的结构

图9 节能网格圈的透气特征曲线

在其他生产条件不变的情况下，将普通网格圈更换成节能网格圈，可以将集聚负压降低到：P=P0×T0/T，式中：P为节能网格圈使用的负压；P0为普通网格圈使用的负压；T为节能网格圈的透气指数；T0为原网格圈的透气指数。按该公式调整集聚负压，保证了流量不变，所以除了能耗降低之外，成纱指标基本上不会改变。

石家庄恒新集团在四罗拉集聚纺细纱机上对节能网格圈的纺纱性能进行了同锭、同粗纱对比试验，见表1。

从表130%，而功耗反而增加了4%，这是因为风量增加了，这是符合风机特性的。将风机频率由50Hz依次降到40、35、30Hz，风机功耗大幅度降低，而纱线毛羽、条干不匀率指标变化不大在30Hz时功耗降低了60%。说明网格圈节能潜力很大。

按照透气指数T值计算，在流量相同的条件下，节能网格圈使用负压应为1376Pa，与表1中40Hz时的负压（1350Pa）最为接近，节能为25.6%，这可以看作是安全的使用负压。

河南某企业对节能网格圈纺纱性能进行了同锭、同粗纱对比试验，连续7天的测试平均数据见表2。

从表2

7 减少流量

从公式W=Q2×R可知，功耗与流量是平方关系，在保证纱线质量的前提下，减少流量的节能效果更为明显。

瑞士立达公司对集聚纺节能技术的研究最为深入， Com4系列空心罗拉式（吸风鼓）除了打孔式空心罗拉节能以外，还对如何减少空气流量进行了深入研究。在集聚纺细纱机上设计了空气“导向器”，并不断进行改进。

Com4集聚纺纱机是唯一在集聚区设置气流罩的，最早的设计是有一个“供气”管，见图10。设置气流罩的目的有两个：一是导入清洁空气，有利于纱线质量；二是减少旋转气团，降低能量消耗。

图10 Com4气流罩

在集聚区，气流要推动纤维横向运动，需要的能量是很小的。但是暴露在车间大气空间的集聚区旋转气流，会受到空气流动的干扰（例如巡回吹吸风）。为稳定有效旋转气流，需要一个

较大的旋转气流来保护须条周围的有效旋转气流。而这个保护气流团只能依靠有效旋转气流的

带动，这就增加了能量消耗，见图11。

图11

图11 有效旋转气流

气流罩的作用之一就是将集聚区空间和车间大气空间隔离，旋转气流值发生在较小的集聚区空间内。

江南大学纺织服装学院曾经做过在网格圈集聚区上增加“导流板”的试验，结论是当导流板离开网格圈的高度太小时，会导致毛羽显著增加，最小高度不能小于3mm。这可以理解为旋

转气流的最小半径在3mm左右，这也是集聚空间的必要高度。

图12是K45型细纱机的气流罩。气流从顶部气流空进入，旋转气流是倾斜纱路自然形成的，有气流罩的保护，不会受到车间大气流的干扰。由于空间小，旋转气流带动的“气团”也小得

多，明显地减少了气团的动能。

图12 K45型细纱机的气流罩

在第15届上海国际纺机展览会上，立达展出了K46细纱机的紧密纺部件模型，除了吸鼓的形状和尺寸保留原样以外，吸风插件、气流导向器（元件）都做了很大的改进。其中改变最大

的是导流器，它不再是K45的那种简单的只有顶上的一个或两个进气孔形式，而是变成有两片

透明有机玻璃单片相互插入的组合体，进气通道成为“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，见图13。通过“迷宫式”通道进入集聚区的气流，形成

了集聚区需要的旋转气流，这样它的集聚槽就不需要倾斜了，见图14。

图13 K46细纱机的导流器

图14 K46细纱机的集聚槽

气流对须条的“集聚”运动，有两个部分，一是旋转气流推动表层外露纤维端部旋转翻越；第二是推动须条整体平移，让须条沿着集聚槽斜向运动。这两个部分都需要能量。前者是“集聚”功能必要的；后者是为了产生旋转气流，而后者的能量消耗要大于前者。现在旋转气流已经由气流罩产生，就不需要集聚槽倾斜了，须条没有平移运动了，这一部分能量就节约下来了。

K46细纱机的导流器覆盖整个集聚区域，可以最合理地引导气流。气流稳定地通过集聚区，不受外界气流的干扰，使集聚纤维所需的空气流量最小，结合大截面的风道保证了最低能耗率。据称，大断面空气通道结合新型导流器，可以降低17%的能耗。，

在不到十年的时间里，立达公司对集聚纺机构进行了多次改造，宗旨很明确：“降低能耗”。特别是K46型被称为“以最低能耗获得完全紧密纱线”的集聚纺细纱机（For fully-compacted yarns with lowest energy consumption）。

8 结语

气流集聚纺的节能研究，潜力很大。对世界上拥有最多集聚纺设备的国家的节能减排，将具有很大的实际意义，值得我们着力去探讨。而在当今这个已经进入“全民创新”的时代，立达公司从基本原理入手进行技术革新的精神，很值得我国从事集聚纺的同仁学习。

参考文献

[1]陆宗源.紧密纺气流集束原理和纱线结构[J].纺织器材（中国学术期刊电子杂志）.2011,38(1)

[2]陆宗源.紧密纺节能的研究[M].2012年度陈维稷优秀论文奖.中国纺织工程学会.

[3]王超、谢春萍、苏旭中.集聚纺集聚区气流导向装置的应用效果[J].纺织器材.2011年8月.

[4]立达公司样本：RETER K46 Compact Spinning Machine—For fully-compacted yarns with lowest energy consumption.