空气变形喷嘴的研究和发展

更新时间:2020-10-29 15:14 作者:EBET

  · 综合述评空气变形喷嘴的研究和发展屈银虎 1 ,仝攀瑞 1 ,王相波 2(1.西安工程大学, 西安710048;2.空军工程大学 理学院, 西安710051)摘要 :基于喷嘴是空气变形技术的关键部件 ,介绍了近几十年来空气变形喷嘴研究和制造方面的进展情况 ,重点介绍了 Taslan 型喷嘴、Hema 型喷嘴的结构及其特点。指出空气变形喷嘴研究应以提高变形速度 ,改善变形效果 ,提高制造精度和使用寿命 ,改进喷嘴结构 ,减少耗气量 ,减少调整环节 ,减少锭位差为主攻方向 。关 键 词:空气变形;喷嘴;Taslan 型喷嘴;Hema 型喷嘴;空气变形纱 ;发展中图分类号:TS102 .1文献标...

   综合述评空气变形喷嘴的研究和发展屈银虎 1 ,仝攀瑞 1 ,王相波 2(1.西安工程大学, 西安710048;2.空军工程大学 理学院, 西安710051)摘要 :基于喷嘴是空气变形技术的关键部件 ,介绍了近几十年来空气变形喷嘴研究和制造方面的进展情况 ,重点介绍了 Taslan 型喷嘴、Hema 型喷嘴的结构及其特点。指出空气变形喷嘴研究应以提高变形速度 ,改善变形效果 ,提高制造精度和使用寿命 ,改进喷嘴结构 ,减少耗气量 ,减少调整环节 ,减少锭位差为主攻方向 。关 键 词:空气变形;喷嘴;Taslan 型喷嘴;Hema 型喷嘴;空气变形纱 ;发展中图分类号:TS102 .1文献标识码 :A 文章编号 :1001-9634(2009)02-0049-04收稿日期:2008-10-06作者简介:屈银虎(1962), 男, 西安人, 教授, 博士, 主要从事快速精密铸造工艺和模具、纺织配件表面强化方面的研究开发与教学工作。0引言空气变形技木(air-jet texturing)及其应用是 50年代初由美国杜邦公司研究成功的 ,其首创产品为“Taslan” , 故又称“塔斯伦”技术 ,欧美各国至今仍沿用此名。直至 20 世纪 70 年代 ,由于空气变形丝具有短纤纱的特点及喷嘴的改进而获得较快发展。近年来 ,人们采用此技术加工的化纤长丝(纱)具有仿毛、仿麻、仿棉、仿丝等天然纤维的外观和特征 ,具有短纤纱风格,其织物具有与棉 、麻 、丝织物相似的外观和手感, 深受消费者的欢迎 [ 1] 。目前,空气变形纱已应用于服装、室内装饰织物 、汽车内饰材料以及其它工业用涂层和层压织物等[ 2]。喷嘴是空气变形(又称“喷气变形”)技术的关键部件 。空气变形技术的工艺过程是压缩空气进入喷嘴,使变形加工的复丝在喷嘴内受高速湍流(紊流)的作用,各根单丝彼此分离, 并在湍流中剧烈的运动,当长丝无张力地(即超喂)从喷嘴输出的一瞬间 ,松驰的长丝束上产生了许多丝圈、丝弧和纠缠结, 这种无规则纠缠在一起的形态使光滑的长丝变成非常柔软 、膨松 、低伸缩性的空气变形丝 。空气变形加工通过喷嘴来实现 ,空气变形工艺核心是喷嘴, 它对空气变形纱(ATY)产品质量和生产率有着决定性影响 [ 1,3-4] 。目前,尽管空气变形喷嘴的种类很多 ,但按其结构基本可归纳为两类:一类是以 Taslan 喷嘴为代表的缩放喷管型(杜邦型喷嘴),另一类是包括一个圆柱形孔的Hema 型喷嘴 。两类喷嘴的结构型式虽然不同,但其对化纤丝的空气变形作用却基本相同。几十年来,喷嘴的发展经历了一个提高速度、加强变形效果 、提高喷嘴的加工精度与使用寿命 ,减少耗气量 ,减少调整环节和减少锭位差的过程。1Taslan 型喷嘴Taslan 型喷嘴又称 DuPont 型喷嘴 。最著名的Taslan9 型喷嘴是由 DuPont 公司于 1954 年推出的 ,一直使用至 20 世纪 70 年代初。数年后 , Taslan喷嘴逐渐发展成由所谓的文丘里管组成的典型结构 。文丘里管本质上是一个缩放型喷管 , 它产生超音速气流对导丝针导入的丝束产生冲击 , 使单丝发生横向位移 ,丝束在文丘里管的出口处和挡板相碰撞而产生变形。这种装置的变形室是由文丘里管和导丝针两个分立部件组成 ,加工变形纱时需要精细调整,以达到最佳变形效果。Taslan 型喷嘴从最初的 Taslan9 型喷嘴几经改进:1960 年美国杜邦公司推出 Taslan10 型喷嘴, 1980 年推出 Taslan11 型喷嘴 ,到 90 年代末推出 Taslan14 型喷嘴。该类喷嘴目前仍在使用和改进中 。1997 年杜邦的 Taslan®空气变形喷嘴部门被瑞士赫伯利公司(Heberlein)收购 [ 1,5] 。典型的 Taslan(DuPont)型喷嘴的结构如图 1 所示。】 49 【第 36卷第 2期2009 年 3 月纺织器材Textile Accessories 113 1导丝针;2原丝入口;3外壳;4紊流室;5加速送丝管;6变形丝出口;7挡丝板;8压缩空气入口。图 1 Taslan(DuPont)型喷嘴结构示意2Hema jet 喷嘴2.1瑞士赫伯利公司 Hema jet 喷嘴20 世纪 70 年代末, 瑞士赫伯利公司推出了Hema jet 喷嘴 , 喷嘴芯与喷嘴体分离, 喷嘴芯上 3个进气孔在径向等分与喷嘴轴线成一定角度 。这种喷嘴系碳化钨硬质合金制成 。变形加工中无需调整,从而降低了维护和维修成本。另外 ,由于其制造精度高,锭位差较小 ,并为适应加工平行纱与皮芯纱的不同需要, 开发了系列喷嘴芯。加工范围为 30dtex ~ 3 000 dtex ,而且耗气量也有所降低。如1982年推出的 Hema T1 ××喷嘴 , 以及两年后的 T3 ××喷嘴,其最高变形速度为 400 m/min, 而耗气量仅为 5.4 m3 /h ~ 6 .0 m 3 /h(加工 150 dtex ~ 350 dtex的中号纱)。从此加工 70 dtex ~ 350 dtex 的空气变形纱成为可能, 而且成本大幅降低 ,使空气变形纱开始涉足一直不敢问津的服装领域。用空气变形纱制成的滑雪衫表现出了优异的运动特性, 受到消费者的青睐和追捧, 销量猛增 。与此同时,用色纺丝空变纱织物制成的行李包、运动包及箱包也在市场取得了成功。但是 Hema T 系列喷嘴芯的最高可用变形速度为 500 m/min,而若要继续提高加工速度 ,纱线质量不能保证。近年来,赫伯利公司又推出了 S 系列和 A 系列Hema 喷嘴 。在 2006 年 10 月的北京第 10 届中国国际纺机展上, 该公司又展出了新款的 T-2、S-2 和A-2 系列喷嘴 ,性价比高,清洗周期比普通喷嘴可延长 3 倍。这 3个系列喷嘴的芯部均由高硬度的陶瓷制成 ,外部由坚固的金属外套包裹 ,以增加其抗冲击能力和耐破碎能力 ;而用不同的颜色的陶瓷来区分喷嘴型号 。这 3 个系列喷嘴和喷嘴套相配合, 可使化纤丝的超喂率达 60 %~ 300%;在特殊情况下, 可达到 500%,大大提高了生产率 。典型的 Hema 型喷嘴组件及喷嘴芯的结构如图2 和图 3所示。1喷嘴芯;2喂入丝;3变形丝;4挡气球。图 2Hema型喷嘴组件1进丝口;2进气孔;3丝道出口;4丝道。图 3 Hema 型喷嘴芯剖面图2.2韩国有成公司 Hema jet 喷嘴除瑞士赫伯利公司制造的 Hema jet 喷嘴外 ,韩国 、英国 、日本等国家和台湾地区也有公司制造 He-ma jet 喷嘴, 80 年代以来, 国内也有不少单位在研究该类型喷嘴。韩国有成公司采用碳化钨制造的 T 系列 Hemajet 喷嘴芯 ,其表面甚至外表面都经过精细抛光, 整个表面光洁明亮, 使喷嘴芯对气流和化纤丝的摩擦阻力达到最小;而其碳化钨比陶瓷(如 Al 2 O 3 陶瓷)硬度高 ,因而更为耐磨 ,寿命更长 。在 2006 年 10 月的北京第 10 届中国国际纺机展上,韩国有成公司展出的 T 系列 Hema jet 喷嘴,有 W311、W321、W331、W341 和 W351 型共 5 个型号;其侧向3 个进气孔的直径分别为 0.60 mm 、0.75mm 、0.80 mm 、1 .00 mm 和 1.20 mm , 中心纱线.00mm 和 2.40 mm ,可用于加工涤纶 、锦纶 、丙纶的 30dtex ~ 4 000 dtex 的空气变形纱 , 加工时所需压缩空气的压力均为 0.75 MPa~ 1.2 MPa ,所能达到的变形速度为 300 m/min~ 500 m/min。该系列喷嘴清洗周期长 ,特别适合于竹节、颗粒等特种空气变形纱的生产。】 50 【纺织器材Textile Accessories Vol.36No.2Mar.2009 114 2.3英国 Fibreguide 公司的新型空气变形喷嘴Fibreguide 公司的新型 FGT 空变喷嘴(已申请专利)是基于 Venturi 和 Baffle 原理的独特开发 。FGT 喷嘴被设计成独立、平行、芯结构的形式 。进一步的实验显示, 它对 ATY 产品作用的范围甚广从诸如汽车装饰布用的涤纶长丝产品的高超喂率 ,到服装用布的尼龙产品的低超喂率均适用 。其良好的适用性得益于它内置易拆 、适合不同线密度范围的喷嘴。优良的变形性能和喷嘴的一致性 , 得益于它独特的设计和高质量的喷嘴内置件 , 而且 Fibreguide公司改进了喷嘴内空气量的控制方法, 提供了高的张力调节和高速状态下卷绕良好的稳定性。FGT喷嘴设计得非常耐用 ,操作工生头时简单易行 ,维修工清理时拆装也很方便。插入件直接位于小巧的喷嘴体内,并由快速释放盖固定 ,更换很方便。这套装置使插入件在被油剂弄脏时可以方便地更换, 因此可以最大限度地发挥机器效率 ,降低下机时间 。FGT 喷嘴的紧凑设计使它可以应用于各种设备上, 以取代现有的喷嘴。该喷嘴几何形状与通用的凸形连接件配合使用, 可以适用于现有的大多数AT Y 机器的喷嘴箱中。以 FGT 喷嘴取代现有的喷嘴 ,可以不必要求纱线与喷嘴的角度那么严格一致,可以维持并提高工艺张力的纱线日本京瓷(KYOCERA)公司的陶瓷质空气变梯形喷嘴日本京瓷公司的一个事业部专门制造纺织机械用精密陶瓷配件 ,它们也制造有 Hema 型陶瓷质空气变形喷嘴。喷嘴型号、孔径和使用范围与韩国喷嘴相似。所使用的喷嘴材质有碳化钨系列硬质合金、Al 2 O 3 和 ZrO 2 陶瓷。另外 ,台湾东鸿纺织机械有限公司在国内也设立子公司 ,专营各类纺织化纤假捻机零配件, 它们也制造 、销售各种空气变形纱喷嘴。上述几家公司的空气变形喷嘴都与瑞士赫伯利公司 Hema jet 喷嘴的基本原理和结构相似,其产品在国内均有销售 。3空气变形喷嘴国内研究概况20 世纪 80 年代以来, 国内在空气变形喷嘴方面做了一定研究 ,如北京化纤工学院的王悌义等人有两份专利[ 6-7]获得批准 , 分别涉及 Hema jet 喷嘴和杜邦喷嘴 ,主要是在瑞士赫伯利公司 Hema jet 喷嘴和杜邦喷嘴的基本原理和结构基础上加以改进 。山东纺织工学院的专利(CN85204341)“带半球挡体的空气变形丝喷嘴”也在杜邦喷嘴改进上做了一定研究 [ 8] 。马继华等人利用空气动力学原理, 通过实验研究了Hema 型空气变形喷嘴的出口流场和喷嘴几何参数对流场的影响 , 提出了一种双排三孔型喷嘴 ,这种喷嘴对加工精度不太敏感 , 吹纱质量稳定,适合于批量生产 [ 9] 。王悌义等人讨论了不同结构的喷嘴所产生的喷射流的机械作用对变形丝圈形成的关系,这对在确定变形工艺条件下选用喷嘴有一定的指导意义 [ 10] 。张永信等从喷嘴材质和制造工艺方面进行了研究, 剖析了两种国外喷嘴的材质, 其材质分别是 Al 2 O 3 陶瓷和 TiC +Ni 、Mo 的硬质合金,并利用粉末烧结和电火花 、金刚石研磨等手段加工出了喷嘴样品 [ 11] 。王善元等人在使用和测试杜邦型和伊迈型两类空气变形喷嘴的基础上 , 经理论分析和实验,研制出 FD 系列空气变形喷嘴, FD 型喷嘴有良好的变形效果 、简易的操作性能及对工艺参数变化的适应性 [ 12] 。20 世纪 90 年代中期 , 赵亮[ 13]结合变形纱的变形机理 ,根据气流一元定常等熵流动的理论,阐述了空气变形喷嘴流道内最佳结构特点, 并分析研究了空气变形喷嘴的主要结构参数及其计算。张强、王悌义等人测定了不同条件下的赫伯利(Hema)型喷嘴内部流场 ,描绘了超音速 、紊流及非均匀分布偏流场 ,确定了气流的临界截面位置 ,指出了影响偏流场强度的因素及激波发生的条件, 并分析所得结果的可靠性[ 14]。张强、王悌义等人运用自行研制的 BX-SPb(属 Hema 型)喷嘴 , 就各主要结构参数与变形效果的影响因素进行了工艺对比试验与分析 ,涉及的主要参数包括喷嘴芯子截面积 、后锥角 、进气小孔间夹角 、直孔道轴向距离、进气压力及挡体存在对成纱效果的影响 , 并对各参数均提供了推荐参考值[ 15]。据报道, 北京第一纺织机械厂也有研制的BH-T 系列空气变形喷嘴。21 世纪以来,虽然空气变形纱的市场和生产快速发展, 但国内这方面的研究甚少。陈家寿等设计了一款新型空气变形喷嘴。该喷嘴在本体上装有喷嘴芯,喷嘴芯内通道与收缩锥面区及扩散管相连 ,设置两个径向均布的直径不等的进气孔, 小孔直径为大孔直径的 0.45~ 0.66 倍 ,进气孔轴线, 喷嘴芯出口端设计成 10~ 30的不对称坡面。该新型空气变形喷嘴结构合理, 可有效提高空气变形加工效能 [ 16] 。台湾富源磁器股份有限公司江德生设计了一款具有自清洁作用的空】 51 【第 36卷第 2期2009 年 3 月纺织器材Textile Accessories 115 气变形喷嘴并在国内获得专利 。其核心是在空气变形喷嘴上方设置一气压缸, 该气压缸可由置于控制箱内的程控电磁阀控制其末端的一个连杆上下摆动,并带动往复构件作往复运动,该往复构件的一侧加工有齿条,从而带动喷嘴组件上的齿轮,可使喷嘴组件顺时针-逆时针旋转 。由于纤维线体与喷嘴芯的接触点随时在改变, 所以可使纤维游离残留物不易附着,具有自清洁作用 ,同时可增加和稳定产品品质,减少保养所需人力和时间 ,降低保养费用[ 17]。20 世纪 80 、90 年代国内研究的 Hema 型喷嘴 ,大多设置两个侧面进气小孔 , 两孔轴线,小孔轴线与中心纱线 年以来 ,国内仍有人在研究 、改进两个侧向进气孔的喷嘴[ 16];而在此期间, 瑞士、韩国 、日本等国的喷嘴特别是 Hema 型喷嘴,已从两个进气孔发展到三个进气孔 ,这三个进气孔大小相同 、均匀分布在喷嘴芯圆柱体上,这样以来, 喷嘴芯内部及化纤纱线出口(喷嘴大端)的气流流场应该更稳定一些,有利于生产控制。4结束语空气变形喷嘴是空气变形技术的关键部件。空气变形丝随空气变形喷嘴的结构和制造精度的改进而获得较快发展 ,并且空气变形喷嘴的性能制约或限制着空气变形丝的生产 。近年来 ,空气变形技术发展迅速 ,空气变形纱应用范围越来越广 ;因此 , 空气变形喷嘴的结构日趋合理, 制造精度日益提高, 表面越来越光洁。韩国制造的 Hema 喷嘴甚至外表面也整体抛光,使喷嘴芯对气流和化纤丝的摩擦阻力达到最小 ,而其碳化钨比陶瓷(如 Al 2 O 3 陶瓷)硬度高,因而更为耐磨,寿命更长。参考文献:[ 1] 吴广峰, 高冬梅, 钟琳.空气变形工艺及其发展前景[ J] .天津纺织科技, 1996(4):15-19.[ 2] 崔青年.阻燃丙纶空气变形纱机舱座椅面料的织造[ J] .产业用纺织品, 1998(2):9-13.[ 3] 徐心华, 李允成.涤纶长丝生产[ M] .北京:纺织工业出版社, 1998:344-352.[ 4] 贝津泷, 徐炽.聚酯纤维手册[ M] .北京:中国纺织出版社, 1995:342-355.[ 5] 张静, 王善元.空气变形技术及其进展[ J] .纺织导报,2006(1):46-50.[ 6] 王 悌义.装 置半 圆柱 挡体 的空 气 变形 喷嘴:中国,CN87210190[ P] .1988-05-25.[ 7] 王悌义, 张宗林.空气变形喷嘴:中国, CN86205282[ P] .1986-07-22.[ 8] 山东纺织工学院.带半球挡体的空气变形丝喷嘴:中国,CN85204341[ P] .1986-06-25.[ 9] 马继华, 杨载明, 孙鸣雁.Hema 空气变形喷嘴的试验研究[ J] .北京航空学院学报, 1988(1):25-30.[ 10] 王悌义, 李星星.空气变形喷嘴结构与形成稳定丝圈的分析[ J] .北京服装学院学报(自然科学版), 1988(1).[ 11] 张永信, 李仕倞, 方文.空气变形喷嘴材质和制造工艺的研究[ J] .北京化纤工学院学报, 1988(2):62-66.[ 12] 王善元, 刘华, 吴仲良, 等.FD 系列空气变形喷嘴的研制及工艺试验分析[ J] .纺织学报, 1988(9).[ 13] 赵亮.空气变形喷嘴流道的理论分析及主要结构参数的确定[ J] .合成纤维, 1995(5):23-25.[ 14] 张强, 王悌义.赫马(Hema)型喷嘴流场测定与分析[ J] .纺织学报, 1995, 16(2):19-22.[ 15] 张强, 王悌义.赫马(Hema)型喷嘴主要结构参数对变形工艺的影响[ J] .合成纤维工业, 1995, 18(1):17-20.[ 16] 陈家寿.新型空气变形喷嘴 :中国, 02292921.5[ P] .2002-12-19.[ 17] 江 德 生.具 有 自 我 清 洁 空 气 变 形 喷 嘴:中 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