应用气流技术提高纺织加工速度、降低生产成本已成为纺织领域重要研究方向之一,如喷气纺纱技术、喷气织造技术的广泛应用为纺织工业的发展和纺织技术的进步带来了质的飞跃。但是由于气流本身的复杂性以及纤维结构的特殊性,目前国内外学者与科研人员对气流在纺织工业中的具体应用技术还缺乏系统的研究,导致气流技术在实际应用过程中还是存在较大的局限性,无法发挥气流技术所应具有的优势,并无意识地导致能源消耗的浪费以及生产成本的增加。紧密纺采用气流技术对完成牵伸后的纤维须条进行集聚,使得最终成纱结构和成纱性能大大优化。经过十多年的发展已经具备了一定的产业化基础,据中国棉纺织行业协会统计,截止2010年国内紧密纺设备已经超过700万锭。但是国内纺机企业更多只是对国外纺机企业技术资料的转移、测绘和仿制,少数来自引进技术和二次开发消化吸收,严重缺少具有自主知识产权的产品。究其原因,根本上是因为缺乏基础理论研究,至今不能建立完整的紧密纺理论体系:如研究紧密纺集聚流场的气流流动特征,定量阐述气流对纤维的集聚作用,为集聚流场的优化提供理论依据;研究单纤维以及须条整体在集聚区的运动学和动力学模型,定量阐述纤维的集聚力学过程、不同机构与不同性状纤维的相互关系,为机构优化提供理论依据;研究纤维须条结构的变化对加捻三角区成纱机理的影响,定量阐述紧密纺与环锭纺加捻过程中纤维运动的力学差异,为成纱结构和成纱性能的优化提供理论依据。针对上述问题,本文对紧密纺成纱机理从力学角度进行了系统的研究,并主要从以下两个方面进行突破:一是通过采用计算流体力学的方法对紧密纺集聚流场进行数值模拟,研究不同形状吸风槽(直形槽、斜形槽、异形槽)的集聚流场与集聚效果之间的关系,并通过建立单纤维模型研究纤维及须条在集聚区的运动轨迹,为紧密纺集聚机理的进一步发展和完善提供理论依据;二是通过建立加捻三角区的纤维受力模型,对紧密纺加捻过程中的成形机理与纱线结构进行研究,并从力学角度对紧密纺纱线毛羽少、强力高等特性做出解释,从而为紧密纺技术及其产品的深化推广应用提供理论支撑。主要研究内容和结论如下:(1)通过建立网格圈型紧密纺集聚区的计算流体动力学模型,首先对特定负压下异形槽集聚区的流动特性进行分析,然后比较了不同负压对集聚流场流动特性的影响。研究结果表明:在一定负压作用下,集聚区的气流静压分布整体上表现为中间小、两端大的规律,但就气流速度而言,纤维须条集聚方向的速度分量和垂直方向的速度分量表现为中间大、两端小,只有纤维须条输送方向的气流速度分布规律与气流静压分布相一致;当改变负压大小时,随着负压值的增加,集聚方向的速度随之增加,有助于提高集聚效果,但垂直方向和输送方向的速度分量如果增加过大也可能对集聚效果产生负面影响。(2)通过建立直形槽、斜形槽、异形槽三种网格圈型紧密纺集聚区的计算流体动力学模型,对比分析不同吸风槽集聚流场的流动特征。研究结果表明:三个不同形状吸风槽的静压等值线的分布规律基本类似,呈现由中间向两端逐渐减小的趋势;直形槽与斜形槽相比,集聚气流静压均关于吸风槽的中心线对称,其最大值、最小值及衰减规律几乎一致,区别只在于结构上倾斜了 6°;斜形槽与异形槽相比,集聚气流静压整体变化规律类似,但由于异形槽本身结构不对称,因此其静压分布也不呈现绝对对称。就集聚效果而言,主要取决于沿纤维集聚方向的速度分量Vy:沿Y轴方向,以吸风槽中心线L为中心,速度从零开始增加,到达两边界线S1、S2时速度达到最大值,然后开始衰减;沿X轴方向,与静压分布规律一致,同样呈现中间大,前后两头速度较小的分布规律。比较分析直形槽和斜形槽集聚区的Vy分布规律,其区别同样只体现在与吸风槽倾斜角6°相对应的偏转,其它特征均无差异,也就是单从气流作用力角度来说两者差异并不是很大,但如果考虑气流与纤维之间的耦合作用以及纤维在集聚区的运动轨迹,倾角的存在可能还是会对集聚效果产生影响;比较分析斜形槽和异形槽集聚区的Vy分布规律,总体上也是表现为较大的相似性,但由于异形槽不具有严格的对称中心线,因此两侧S1和S2存在一定的速度差异,从而使得纤维须条会沿着速度为零的等值线偏向S1侧输出,最终可能通过须条的翻转获得比直形槽和斜形槽更好的集聚效果。就凝聚效果而言,主要取决于垂直纤维输送方向的速度分量Vz:沿Y轴方向,吸风槽两边界线S1、S2以外气流速度接近于零,靠近中心线L方向气流速度逐渐增加,至中心线气流速度达到最大值;沿X轴方向,与Vy分布规律和静压分布规律一致,同样呈现中间大、前后两头小。比较分析直形槽和斜形槽集聚区的Vz分布规律,其区别与Vy也基本一致,同样单从气流作用力角度来说,两者对纤维须条的凝聚效果基本没有太大差异,但如果考虑气流与纤维之间的耦合作用以及纤维在集聚区的运动轨迹,倾角的存在可能还是会对纤维的凝聚效果产生影响;比较分析斜形槽和异形槽集聚区的Vz分布规律,基本分布规律差异不明显,但异形槽的气流速度整体有所增加,因此单就凝聚效果来看,气流力的作用是使松散的纤维须条尽可能紧密并贴服于网格圈输出,同时保持该状态直到输出罗拉钳口,也就是说异形槽比斜形槽更容易获得稳定的凝聚效果。(3)在完成集聚流场数值模拟的基础上,选择刚性纤维模型,通过建立动力学方程分析纤维在集聚区的运动轨迹及其集聚机理。研究结果表明:采用直形槽时,纤维须条最终凝聚在槽的中心位置处输出;采用斜形槽时,纤维须条最终凝聚在槽的侧边S1处输出;采用异形槽时,纤维须条最终也凝聚在槽的侧边S1处输出。当考虑纤维—气流双向耦合作用时,纤维须条主体附近存在旋转流场,使得单纤维存在被纤维须条吸附或者包缠的作用,并最终对紧密纺纱线的捻度及毛羽等性能指标产生影响;当考虑纤维的弹性模量和头端长度的影响时,弹性模量越小或者头端长度越长,产生吸附或者包缠作用的可能性就越大,也可以从侧面解释紧密纺纱线长毛羽相对更少的原因。(4)将纤维从输出罗拉输出后在加捻三角区的运动分成三个阶段:头端自由尾端握持阶段、两端握持阶段、尾端自由头端握持阶段,通过建立加捻三角区的纤维力学模型研究紧密纺的成纱结构和成纱性能。研究结果表明:由于紧密纺技术使得加捻三角区大大减小,因此纤维在加捻三角区运动时缩短了第一阶段(产生头端毛羽)和第三阶段(产生尾端毛羽)的持续时间,同时又延长了第二阶段的持续时间。即纤维呈自由状态的持续时间缩短,毛羽产生的概率减小;纤维受控状态的持续时间延长,更有利于提高纤维在最终纱线中的利用率。同时通过建立纱线强力与纤维伸长率的力学模型,并引入预伸长系数λ(0≤λ≤1)用于表征纤维的转移程度,研究了不同预伸长系数λ条件下纤维伸长率的变化规律,并得出紧密纺纱线由于加捻三角区纤维的内外转移程度小于环锭纺纱线,其最终纱线强力相对更高。(5)通过设计5组实验方案,分别针对不同纱线支数在不同负压条件下的纱线性能以及不同吸风槽对纱线性能的影响进行对比分析。研究结果表明:与传统环锭纺纱线相比,紧密纺纱线的短毛羽普遍降低38%-62%,而3mm及3mm以上有害毛羽的改善效果更为明显,降低幅度在65%-80%之间;紧密纺纱线的强伸性能也有所改善,断裂强力普遍提高20%左右;对于不同形状的吸风槽,异形槽网格圈型紧密纺的优势最为显著,其所纺纱线3mm及3mm以上毛羽数量降低90%左右,断裂强力和断裂强度提高12-25%左右,斜形槽次之,直形槽效果最差。