針對轉杯紡發展過程中不斷涌現出新產品開發難題、設備智能自動化轉型升級困境等問題，基于現有研究成果，對當前轉杯紡發展現狀進行總結，主要包括成紗關鍵部件如轉杯、分梳輥、喂給羅拉等機構更新及參數優化等對成紗質量的影響，并介紹了轉杯紡成紗產品如純紡紗、混紡紗及混色紗的開發現狀；回顧了轉杯紡設備升級換代的發展歷程；重點闡述了轉杯紡成紗過程中高速氣流場運動的研究進展及纖維模型的構建，指出了轉杯紡高速智能化發展中成紗質量優化的關鍵技術特點。認為：轉杯紡紗器內氣流和纖維運動的數值模擬研究可為轉杯紡設備升級、產品開發和質量提升提供有力的理論基礎和依據。轉杯紡; 再循環纖維; 高速氣流場; 紡紗器; 數值模擬; 纖維模型
伴隨科技發展與消費升級，市場需求不斷擴大，以轉杯紡、噴氣渦流紡為代表的新型紡紗技術不斷涌現，為紡織產業提供許多性能不同、樣式不同的新型紗線產品，紗線市場規模進一步擴大。其中，以轉杯紡發展最為迅速，經過近50年的發展，已經成為技術最為成熟、應用最廣泛的新型紡紗技術。隨著轉杯紡紗機性能的不斷改進和提高，加上從業技術人員和科研工作者不斷探索，在紡紗工藝技術、產品開發和紗線成形理論方面有了較大突破。本研究對當前轉杯紡發展現狀進行總結，介紹轉杯紡產品開發情況，回顧轉杯紡設備升級換代的發展歷程，闡述轉杯紡成紗過程中高速氣流場運動研究進展及纖維模型，指出轉杯紡高速智能化發展中成紗質量優化的關鍵技術特點，以期為轉杯紡設備及產品研發提供參考。
1 轉杯紡裝置研發與參數優化
1.1 轉杯紡裝置研發
為克服傳統轉杯紡的局限性，研究者們對轉杯紡裝置進行了革新。轉杯紡紗機的裝置研發主要體現在喂給羅拉個數、分梳輥個數、排雜結構、輸纖通道幾何結構和轉杯結構等方面。
雙喂入系統即增加一個喂給羅拉，可實現兩根條子同時喂給。相較于傳統單喂入，雙喂入系統生產的紗線條干CV、粗細節和棉結更少，轉杯紗的質量顯著提高。多組分異速喂入多通道裝置在增加的多個喂給羅拉上加裝獨立的伺服電機，分別控制喂給羅拉轉速，可在線控制各組分纖維喂入量，同時通過轉杯實現多組分纖維混和，使轉杯紡紗線在色彩與結構上更加多變。以上兩種形式的喂給羅拉采用單個分梳輥，不能兼顧兩種纖維分梳效果。通過增加獨立控制的分梳輥可滿足不同纖維原料分梳效果與纖維損傷平衡。不同機型紡機配備排雜裝置的結構不同，排雜效果也存在差異。排雜裝置普遍朝著大排雜口、大排雜腔方向發展，在補氣方式上各有特色。排雜區結構一般為兩種，即排雜和補風分開、排雜和補風合并。對比自排風式轉杯紡紗機，抽氣式轉杯紡紗機需配備更大的排雜腔和排雜口，避免雜質和纖維的滯留；同時排雜和補氣設在同一通道，有利于雜質的排出和回收纖維的托持。排雜裝置的配置需要調節相應工藝參數，不適配的排雜和補氣氣流可能產生雜質回流等問題。輸纖通道幾何結構（長度、入口寬度、截面形狀等）對轉杯紡紗線質量有顯著影響。輸纖通道的幾何結構決定了其入口處的渦流形態，從而影響纖維伸直度，最終對紗線質量產生影響。輸纖通道的長度建議在40 mm~52 mm之間，當輸纖通道長度過短，會在輸纖通道入口處形成一個渦流，增加纖維碰撞彎曲的概率，造成紗線質量惡化；采用較小的通道入口，可以獲得較高的紗線質量；與圓形橫截面的輸纖通道相比，矩形橫截面的輸纖通道更有利于纖維變直。轉杯結構改造，可以實現花式紗和復合紗的紡制。通過在轉杯滑移面上開溝槽，或者在轉杯凝聚槽中設置阻尼點，可以得到竹節效應的轉杯紡紗。通過改造轉杯軸承結構，可實現轉杯紡復合紗的紡制。如定制中空軸承，將長絲從中空軸引入轉杯內，可紡制兼具短纖和長絲優點的轉杯紡復合紗。
1.2 轉杯紡參數優化
在轉杯紡裝置革新的同時，對轉杯紡工藝的優化也從未停止。從20世紀90年代開始，主要通過試驗的方法，針對工藝參數對紡紗過程及成紗質量的影響進行研究，其中轉杯和分梳輥的各項工藝參數是影響成紗質量的主要因素。隨著轉杯轉速或轉杯直徑的增加，紗線伸長率急劇下降且棉結數量顯著增加；分梳輥的規格和轉速對成紗質量有顯著性影響，在實際生產中應根據所用原料合理選用分梳輥的規格，在保證分梳質量的條件下可適當降低分梳輥轉速。
到21世紀，利用數理統計工具，圍繞轉杯紡關鍵部件的工藝參數，進一步探索高質量、新功能的轉杯紗的最佳生產工藝，其中利用響應曲面法建立的預測回歸模型，可探究捻系數和轉杯速度等對轉杯紗質量影響的顯著性。
伴隨轉杯紡研究的不斷深入，工藝的優化和新型裝置的研發，為轉杯紡新型產品開發奠定了基礎，是提高紗線質量、降低生產難度和增加企業利潤的有利條件，也是企業在國際市場保持競爭力的有效保障。
2 紗線產品開發
伴隨轉杯紡紗技術升級和工藝優化，轉杯紡原料不斷擴展，產品開發朝著原料多元化、結構差異化和再循環纖維高值化的方向發展。
2.1 原料多元化
近些年天然原料供需矛盾日益凸顯，轉杯紡產品原料不再局限于棉、麻、絲、毛等天然纖維，正逐步拓展采用滌綸、莫代爾、功能性纖維等新型纖維紡紗。通過對分梳輥與假捻盤的組合進行優選，已實現聚酰亞胺36.4 tex轉杯紗的生產，為制造阻燃產品提供了新的方法?；旒徏喛杉婢叨喾N原料的優良特點，在轉杯紡紗機上紡制混紡比為50/50的聚對苯二甲酸丙二醇酯/棉混紡紗，與純棉轉杯紗相比，其斷裂伸長率、條干不勻率、紗疵和毛羽指標都較好。同種原料不同色彩的纖維可以紡制混色紗、漸變色紗、段彩紗及彩節紗等多變的轉杯紗。不同原料不同色彩的纖維可以開發出顏色、組分呈交替變化混紡混色紗。
2.2 結構差異化
為適應市場需求、拓展應用領域，通過在轉杯紡紗機上加裝新型裝置，開發出轉杯長絲短纖復合紗、竹節紗等結構差異化產品。通過加裝空心轉杯軸和長絲退繞裝置可以紡制轉杯紡長絲短纖復合紗，通過調節長絲的張力，可以形成3種不同結構的復合紗，即包芯紗、包纏紗和長絲短纖相互包纏復合紗。轉杯紡復合紗優勢是條干均勻度好、毛羽少、強力高等，易調節結構的特征使其在服用、裝飾和產業用等均有應用。采用控制器控制喂給羅拉速度和喂給時間的方式，可生產色彩與竹節長度能靈活控制的轉杯紡竹節紗。
2.3 再循環纖維高值化
近些年，再循環纖維高值化成為紡織行業關注的焦點，轉杯紡具有極佳的纖維適應性，成為再循環纖維高值化利用的首選工藝。再循環纖維是廢舊紡織品通過物理法或者化學法處理后，重新加工制備成的纖維原料。再循環纖維可實現廢舊紡織品的回收再利用，大大提高廢舊紡織品的產品附加值，實現循環、低碳與高附加值的統一。再循環纖維使用比例對轉杯紡紗及織物的性能有顯著影響。再生棉與原棉混紡，再生棉占比達75%時，紡制的轉杯紡紗線和織物性能，與純原棉轉杯紡紗線和織物沒有較大差異。立達公司的再生原料轉杯紡生產線可通過75%的消費后原料與25%原棉進行混紡，可紡制高達29.38 tex的紗線，或87.5%的消費前原料（指紡紗的下腳料、織物和服裝生產的邊角料等未消費使用的紡織品，將其再開松形成的纖維）與滌綸進行混紡，可紡制高達19.59 tex的紗線，該再生紗線具有良好的抗起球性能，可用于從襪子到毛衣的多種應用。
轉杯紡產品從單一原料（棉花）、生產品種少、檔次低逐步向原料多樣化、生產品種多樣、高端化發展，應用領域不斷擴大，不僅為企業創造良好的經濟效益，也為轉杯紡紗拓展了新的發展應用空間。
3 設備智能自動化升級
除了轉杯紡技術進步和產品拓展，其設備自動化、智能化程度也在不斷升級。轉杯紡的自動化進程可以分為以下4個階段。
第一階段。半自動接頭和半自動落筒由人工與機械共同完成。半自動接頭人工僅需完成清潔轉杯、拉出紗尾等前期準備工作，機械一鍵完成引紗工序，半自動接頭的結頭質量和效率遠遠高于人工操作；半自動落筒利用落筒輸送帶，代替人工運送紗管及筒子紗。浙江日發紡織機械股份有限公司研發的半自動轉杯紡紗機皆搭載機電一體化的半自動接頭系統，配備獨立驅動、氣圈補償、電子微動等技術設備，毫秒級響應精度，保證在高速狀態下接頭的準確性和高質量。
第二階段。全自動接頭技術在半自動接頭的基礎上，結合自動清潔技術，利用氣流對轉杯內壁和凝聚槽進行自動清潔，壓縮空氣將清除的沉積物吹出并排出轉杯；機械手完成拉紗尾工作，實現全自動引紗。自動落筒利用落紗小車、機械手完成空筒與滿筒的更換。以立達公司R系列、賜來福公司的BD系列和Autocoto系列為代表，其全自動接頭技術搭載生頭系統，配合落紗小車，在快速換筒接頭的同時保障結頭質量。
第三階段。紗線質量控制系統主要有以下功能，一是檢測并清除有害紗疵、異性物質等；二是記錄紗線疵點數量和紗線條干不勻率等主要紗線質量指標；三是具有中央操控系統，可集成調控、數據整合、宏觀監測。該系統可將每個紡紗錠位傳來的生產和質量數據（速度、效率、停車及其產生原因）等進行長期分析，有效保障該錠位紗線的質量。
第四階段。自動運輸系統包括兩個部分，一是條筒和筒子自動化運輸，二是筒紗自動打包及運送系統。自動運輸系統通過程序控制運輸車，實現滿筒和空筒在并條機和轉杯紡紗機之間的循環運輸。筒紗自動打包及運送系統可實現筒紗的自動稱重、自動裝袋封膜、自動輸送、自動堆棧，兼具袋口自動檢測、自動裝填、自動排緊功能，袋口縫合緊靠，筒紗裝填緊湊。智能自動化設備的應用，各類輔助系統的誕生與開發，現在先進的轉杯紡紗機集啟動監測、斷頭自停、自動生頭、自動落紗、工藝參數自動顯示、張力控制、生產數據自動處理等功能于一體。但全自動的轉杯紡紗機價格昂貴，且國內自主生產的轉杯紡紗機與國外先進轉杯紡紗機仍有很大差距，關鍵部件仍受制于人，設備升級仍有很大進步空間。
4 轉杯紡成紗通道中氣流場研究
隨著計算機技術的高速發展，許多學者運用計算流體動力學（CFD）數值模擬轉杯紡紡紗器（分梳輥、輸纖通道、轉杯等用于紡紗的主要部件）中氣流和纖維的運動情況，以更好地揭示轉杯紗成紗機理，推動轉杯紡技術的發展。轉杯紡的數值模擬研究主要集中在對轉杯紡紡紗器件內氣流場運動特征的研究，以及纖維模型和纖維運動的研究。
4.1 各紡紗器內氣流場分布規律
4.1.1 轉杯內氣流場分布規律
轉杯紡依靠紡紗器內高速氣流帶動纖維運動，完成成紗過程。目前，關于輸纖通道和轉杯內氣流運動的研究較多。其中通過輸纖通道的高速氣流，撞擊到轉杯滑移面上形成兩股大小不一、流向相反的氣流，大部分的氣流順著轉杯轉向流動，小部分的氣流逆向而行；當主氣流與逆向的小氣流相撞匯合，形成明顯的回流，匯合后的氣流減速流向轉杯中心，因此形成沿轉杯圓周方向的大旋渦。同時，順轉杯轉向的主氣流受抽氣機的抽氣作用，部分氣流沿斜上方流向轉杯出口，氣流速度明顯下降并且產生回流趨勢，在輸纖通道出口上方形成一個小氣流旋渦。沿轉杯軸方向來觀察氣流流動，轉杯內氣流流動方向由下往上，呈上升狀態。這是因為在轉杯離心力和負壓作用下，進入轉杯內部的兩股氣流從下向上旋轉流動，大部分氣流從轉杯出口流出。
輸纖通道出口側存在較大湍流速度，氣流速度明顯大于同水平面其他位置的氣流速度。轉杯內壁面為旋轉壁面，假捻盤、輸纖通道和導紗管等外壁為靜止壁面。從靜止壁面到旋轉壁面，氣流速度逐漸增大，最大速度位于凝聚槽內，轉杯底部出現大面積低速區。在凝聚槽內，氣流切向速度遠遠大于軸向速度，切向速度大，有利于纖維的凝聚和加捻。
紡紗器內氣流壓力的大小及分布直接影響著轉杯紡的成紗質量。轉杯內部靜壓為負值，有利于纖維流入轉杯，由于輸纖通道出口上方旋渦存在，使該處附近的轉杯小范圍形成高壓區。轉杯內氣流的高速運動產生了動壓，動壓分布與氣流速度分布對應，動壓在凝聚槽水平截面上呈環形層狀分布，且從轉杯中心向凝聚槽邊緣逐漸增大，有助于纖維束穩定的凝聚。有研究表明輸纖通道內部存在明顯速度梯度和壓力梯度。氣流在漸縮型的輸纖通道內呈加速運動，且在輸纖通道出口處速度達到最大，加速的氣流場有利于纖維消除彎鉤和定向運動。最大靜壓值位于輸纖通道入口處，從輸纖通道入口到出口，壓力由正壓轉為負壓，在出口處達到最大負壓值；動壓與靜壓變化趨勢相反，此消彼長。
4.2 紡紗器結構與工藝參數對氣流場運動的影響
4.2.1 紡紗器的幾何參數對氣流場運動的影響
轉杯直徑范圍一般為28 mm~56 mm，而轉杯直徑的選擇通常取決于纖維原料的長度和轉杯的轉速。隨著轉杯直徑的增大，轉杯內氣流旋渦數量逐漸減少，且氣流速度有所增大，凝聚槽圓周的氣流速度分布趨于平穩，更有利于成紗穩定。對36 mm、42 mm和46 mm共3種不同直徑U型凝聚槽的轉杯紡紗器內氣流場進行數值模擬，其結果表明：3種不同直徑的轉杯內氣流場的靜壓分布和速度分布趨勢基本一致；受輸纖通道出口處旋渦的影響，氣流在輸纖通道出口附近的壓力大小排序為U36>U46>U42，而其他流域壓力大小排序為U46>U42>U36，壓力隨轉杯直徑的增加遞減。
凝聚槽類型對轉杯內氣流場分布有影響。以直徑為36 mm的G、T、U、S共4種凝聚槽內氣流場特征為例，4種槽型的氣流速度大小排序為G型>T型>U型>S型；受輸纖通道出口處旋渦的影響，輸纖通道出口附近靜壓大小排序為G型>S型>U型>T型，其余角度位置處靜壓大小排序為S型>U型>T型>G型。這4種類型凝聚槽轉杯底部都出現了旋渦，其中T型、G型、U型凝聚槽的轉杯內旋渦形態比V型密集。
轉杯滑移角主要影響正對著輸纖通道出口轉杯壁面處的氣流速度分布。轉杯滑移角的增大帶來氣流速度和轉杯內部負壓值的減小，影響氣流的輸送作用，不利于纖維轉移；滑移面角度越大，輸纖通道出口處動壓區面積便越大，凝聚槽內動壓越小，影響纖維伸直和成紗條干質量。當滑移角大于24.5°時，轉杯滑移面上有回流產生；高速轉杯自身離心力產生的凹形變形使轉杯滑移面上氣流容易形成回流。輸纖通道位置同樣會影響紡紗器的運行。當輸纖通道出口靠近轉杯底部時，渦流差異大，易造成轉杯振動，機械磨損，從而降低轉杯使用壽命；當輸纖通道出口靠近轉杯出口時，輸纖通道內壓強和速度梯度較大，有利于纖維伸直平行，但由于距離出口近，因此落棉率較高。轉杯轉速對轉杯內氣流流動有顯著影響。隨著轉速增大，轉杯內的大旋渦先向中心軸移動，再遠離中心軸；同時，轉速越高，氣流旋轉流動趨勢越明顯，凝聚槽內切向力越大，離心力越大，凝聚和加捻效果越好。轉杯出口負壓對轉杯內氣流分布影響顯著。隨著轉杯出口負壓增大，輸纖通道出口的旋渦體積增大，且旋渦處氣流速度顯著增大，輸纖通道內的速度梯度增大，從而提高輸纖通道氣流牽伸倍數，有利于纖維的伸直和定向。
4.3 短纖維在氣流場內的運動研究
短纖維在高速氣流場內運動成紗屬于氣流?纖維兩相流問題。兩相流運動通常采用拉格朗日?歐拉法來模擬，其中重要的一步就是建立纖維模型。常見的纖維模型有兩類，一類是不可變形的剛性模型，如顆粒、剛性圓柱體等；另一類為可彎曲、拉伸和扭轉的柔性模型，如球鏈模型、橢球鏈模型、點鏈模型和柱鏈模型。采用柔性纖維模型模擬的研究，多針對單根纖維，與實際的轉杯紡紗器內纖維數量相差甚遠。對纖維運動的研究主要集中在輸纖通道，對紡紗器其他元件尤其轉杯內的研究較少。因此，未來的研究可以重點突破多根、柔性纖維在輸纖通道和高速轉杯等紡紗關鍵元件內的運動分布和形態變化的問題，為進一步深入理解轉杯紡成紗機理提供理論基礎。
5 總結與展望
近年來，我國紡織業成本明顯上升，在國際競爭中的壓力增大。轉杯紡工序短、產量高、原材料適用范圍廣，可有效減少人工、材料成本。伴隨越來越多的人才和資源的投入，產學研的齊頭并進，我國企業、高校在轉杯紡工藝優化、產品開發、設備升級等方面進行了深入研究，其中高速氣流作為轉杯紡的核心，轉杯內氣流流動與纖維運動決定了成紗質量和性能，通過數值模擬的方法研究氣流和纖維運動，為優化工藝參數和改進轉杯結構提供了有力的理論基礎和依據。但與發達國家相比，我國轉杯紡研究雖發展快速，但基礎仍然較弱，相信在各方的不斷努力下，我國轉杯紡會迎來新的發展機遇。
資料來源：《棉紡織技術》
公安備案號：11010502039965??? 