（一）加捻腔中纤维运动模拟与验证

基于有限单元法的纤维模型，通过纤维/气流耦合动力学模型的建立与求解模拟纤维在喷气涡流纺加捻腔中的运动。模拟发现纤维尾端在加捻中发生弯曲变形和螺旋形回转，呈波形运动，并在不同位置处与空心锭内壁发生频繁接触，如图3-16所示。纤维首先受到假捻作用，随后其尾端从纤维须条中扩展出来，成为自由分离状态。处于自由状态的纤维尾端通过周期性的螺旋回转，包缠在纤维须条上形成纱线。成纱的性能与纤维的运动规律有关，纤维的运动规律等受纺纱工艺参数（如喷嘴气压和纺纱速度）、喷嘴结构参数（如喷孔倾角、喷孔直径、喷嘴入口到空心锭子距离和空心锭子锥角）以及纤维类型（如棉纤维、黏胶纤维、莱赛尔纤维和涤纶）不同程度影响。纤维的分离程度越高，包缠周期数越多，回转幅度越大，则成纱的强力越高。但加捻腔中纤维/气流耦合动力学模型的建立需进一步改进，无法准确反映加捻腔中纤维的运动特征。

进一步，利用高速摄影技术，对自制的喷气涡流纺加捻腔中纤维运动进行实验观测，证实了纤维释放以后，位于喷孔出口附近区域的纤维部分在喷孔中喷射气流的作用下向外发生弯曲并开始绕喷嘴轴线进行回转，随后带动上游的纤维部分发生弯曲并开始回转；纤维尾端在空心锭子入口处发生了“倒伏”现象，并贴服在空心锭子外表面进行周期性回转。

图3-16　纤维尾端在Y轴方向的位移值随时间变化的模拟规律

（二）加捻腔中纤维受力分析

加捻腔中纤维的自由尾端受力分析如图3-17所示，纤维自由尾端受到切向气流作用力Ft、轴向气流作用力Fp、离心力Fc及与空心锭子外表面的摩擦力Fm的作用；嵌入纱体的纤维头端受到纱体的握持力为Fy。其中轴向气流作用力F p沿自由尾端纤维轴向分力为Fpa、沿自由尾端纤维法向分力为Fpn；离心力Fc沿自由尾端纤维轴向分力为Fca、沿自由尾端纤维法向分力为Fcn；摩擦力Fm沿自由尾端纤维轴线的分力为Fma。

图3-17　加捻腔中纤维自由尾端的受力分析(www.daowen.com)

喷气涡流纺成纱过程中，纤维的受力决定了其运动状态。控制喷嘴气压、喷孔倾角、喷嘴入口内径、空心锭外径等参数可改变喷嘴内部流场速度，导致切向、轴向、径向气流对纤维的作用力发生变化。自由端纤维受到切向气流作用力Ft时，自由端纤维将绕空心锭子轴旋转，从而形成喷气涡流纱的包缠纤维。轴向气流使倒伏在空心锭子上部外表面的纤维自由端帖服于空心锭子，离心力的作用使纤维自由端脱离空心锭子外表面。

（1）当dFpn≤dFcn时，纤维的自由端开始脱离空心锭外表面，这将不利于自由端纤维理顺伸直，阻碍加捻的顺利进行，该情况在加工中应尽量避免。

（2）当Fca+Fpa≥Fma+Fy时，位于纱体中的纤维头端将受到抽拔（取等号时表示纤维开始抽拔瞬间）。当进入空心锭子入口处纱尾的纤维头端完全从纱体中抽拔出时，该纤维就会成浮游纤维，在气流作用下极有可能形成落纤。纤维从纱线中抽拔就意味着纱线单位长度的定重减少，从而引起纱线细节产生。定义纤维开始抽拔瞬间时自由尾端纤维旋转的角速度为临界角速度ωfc。当纤维旋转角速度ωf大于临界角速度ωfc时纤维头端将从纱体中抽拔，反之不会被抽拔。

临界角速度ωfc随着进入纱尾的纤维头端长度li增加而增加；纤维半径rf越大，ωfc越小，如图3-18所示。由此可知：随着纤维头端长度的增加和纤维半径的减小，从纱尾中抽拔出纤维头端需要更大的加速度，即需要更大的喷嘴气压；直径大的纤维比直径小的纤维的临界角速度小，则在同一喷嘴气压条件下，直径大的纤维纺纱时落纤、成纱细节较多。喷嘴气压增加可增强喷嘴加捻腔内涡流的流速，进而增加纤维自由尾端纤维绕纱轴旋转角速度，从而增加包缠强度，提高成纱强力；但是大的喷嘴气压将导致ωf超过ωfc，从而引起对进入纱尾的纤维头端的抽拔，造成落纤量及纱线细节的增加。为此增加喷嘴气压首先提高纱线强力有利，超过某临界值后对纱线质量提高不利。

图3-18　不同rf时ωfc与li关系曲线

须条在负压的作用下被吸入加捻腔，在进入初始阶段，纤维头端进入纱尾的长度较短，易受气流干扰，被气流带走，产生落纤。加大前罗拉握持点与空心锭子的距离将减弱对纤维的控制，当纤维头端进入纱尾的长度较短时，纤维自由端旋转角速度大于临界角速度，更易产生落纤，成纱细节。为此增加喷嘴内部负压，适当减小前罗拉握持点与空心锭的距离可减少落纤、细节的产生。