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          纤维运动特性新研究:提升纺织速度、提高产品质量

          发布时间▄■▓:2018-10-23 阅读数:287

                  纺织业是浙江省经济的重要支柱产业,浙江省同时也是纺织和纺织装备生产大省,但并不是强省▄▓。省内有大量的纺织机械制造企业,但浙江省纺织机械制造企业原始创新极弱,缺乏核心技术和自主知识产权,基本只能生产中低端产品▓█,主要靠低成本、低价格赢得市场竞争,难以为我省纺织业实现跨越发展和在国际竞争中占据有利地位提供支撑作用。

          用气体做动力来传输纤维在复合材料█■▄、纺织工业、化学工业、造纸工业等许 多领域具有广泛的应用前景,尤其在纺织工业中███。如转杯纺纱,利用气流对纤维进行分梳、剥离、杂质排除▓▓、输送以及凝聚,纤维在气流中的指向、均匀度、扭曲度等直接决定了成品的质地▄■▄、强度和手感;喷气涡流纺纱,利用喷射气流形成涡流完成纺纱工艺,涡流场影响纤维旋转端的形成和纤维被吹散分离效果■■■,影响加捻程度;空气捻接,利用气流使两纤维发生相互缠绕的过程,纤维在气流中缠绕模式▄■▄■、缠绕紧密度等决定捻接强度、接头尺寸。

          金玉珍,教授▓▄▓▄、博士、硕士生导师,浙江理工大学“521人才培养计划”中青年骨干人才,主要从事气体动力型纺织装备内流特性▄▓、纺织机械的优化设计以及生物识别技术研究▓█▄■。曾参与多项国家自然科学基金、省科技计划重大项目、省自然科学基金以及省科技厅项目。在浙江省自然科学基金的帮助下▄■▓,金老师于2014 1 月的起的“纤维在高速气流场中运动、形变特性研究”项目已于 2017 12 月顺利结题验收,该研究共发表论文 13 篇▄▓,其中 SCI 检索 7 篇;获得发明专利 5项,实用新型专利 1 项;转入国家级科研项目 1 项▓█。

          未来,这些研究的成果都可实现向生产应用领域的转化。

           

           

          小纤维有大学问

           

          布料、纤维在我们日常生活中随处可见█■▄,和我们的生活紧密联系。但是看似纤细柔巧的纤维,却是一个极其复杂的动力学系统,纤维在高速气流场的运动过程中███,气流与纤维相互影响。比如,悬浮于流场中的单根纤维,在流场作用下具有明显的柔性变形▓▓,包括伸缩、弯曲、扭转等,而纤维的存在及运动也将改变高速气流场的密度▄■▄、速度、旋转角速度等,对两者的研究涉及多相流动力学、流变学■■■、湍流理论、统计力学、多体动力学等多个学科分支。在气体动力型纺织装备中▄■▄■,作为加工对象的柔性纤维和织物同时起传递运动和力的作用,和高速气流产生极为复杂的非线性强耦合作用。在高速条件下,这种耦合作用对装备的整体动态特性产生极为重要的影响▓▄▓▄,决定纺织装备的生产速度、产品质量和能耗水平。比如,在国产的转杯纺纱装备中▄▓,产品工艺性能参数与流动参数▓█▄■、零部件几何结构参数之间的关系等关键技术没有被很好地揭示,很容易导致转杯纺纱机的纱线粘度不匀、容易断线、粗节不均等▄■▓。虽然国际上各大纺织装备生产商均投入巨大人力、物力进行研究,但相关研究成果目前都还是公司核心机密。

          目前▄▓,我国虽然有不少学者对气体动力型纺织装备的这一核心共性科学问题--气体-纤维两相流运动这一流动系统进行了一些研究,并取得了一定的成果,但与国外大公司在研究水平和成果积累上存在巨大差距。其主要原因一是纤维是柔性体▓█,纤维几何形状上的非各向同性的特点,使得除了确定纤维的受力之外,还要确定纤维的取向,这增加了描述纤维运动的方程数量及求解的难度█■▄;二是纤维运动特性与高速气流场中速度、旋转角速度、漩涡卷起-发展-脱落等的联系机理、纤维对气流场的反向作用机理███、混合物的应力与应变率的关系十分复杂,导致气体-纤维两相流模型难以建立。由于这些关键问题没有得到很好的解决,极大的制约了我国高性能气体动力型纺织装备的研制和应用▓▓。因此,发挥团队力量和学科交叉的优势,针对纤维在气流场中的运动开展基础研究,不仅具有学术价值▄■▄,而且对相关的应用领域也具有指导意义。

          金老师的此项研究拟以转杯纺纱机中纤维与气流场相互耦合运动为研究对象,通过分析柔性纤维在气流场中的受力情况、取向分布和动力学模型■■■,构建气体-纤维两相耦合流动模型,开展基于两相耦合模型的数值计算和实验研究,从而揭示柔性纤维在高速气流场内运动规律,建立纤维运动▄■▄■、柔性形变与气流场特性之间的关系,从基础研究出发,注重原始创新,形成有自主知识产权的系列研究成果▓▄▓▄,不仅推动相关学科基础理论的发展,也可为气体动力型纺织装备的自主创新、升级优化提供理论依据和技术基础。

            

           

                             

           

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          新纺纱机机▄▓:更快▓█▄■、更稳、更高效

           

           

          经过金老师的团队研究之后,目前的纺纱流程相比起传统的机械可更快速,更稳定▄■▓,纤维在转杯里的贴合性会更好。

          “因为贴合性更好,这样一来织布机里出来的布均匀度就会更好。其纺纱速度比以往的效果要快了五分之一左右▄▓。”对于自己团队的工作成果,金老师倍感激动。

          当前▓█,金老师团队所改良后的纺纱机主要还是用于棉纤维的织造,这是因为棉纤维表面有着天然的螺旋状扭转,在未扭转处呈现扁平带状形态,棉纤维强力参数较高█■▄,强度较大,此外,棉纤维本身具有多孔性、弹性高的优点███,纤维之间能通过大量空气。当人体温度和外部温度存在温差时,空气可以自由穿透棉纤维,所以▓▓,纯棉纤维纺织品具有良好的透气性。 此外,棉纤维还有柔软性、卫生性▄■▄、吸湿性等特点和优点。

          气体动力型纺织装备的改良和研制是一项复杂而艰难的工程。一方面,气体动力型纺织装备中纤维与气流相互耦合运动的研究■■■,也离不开大量的计算机硬件和数据支持。

          “金老师这一个键盘敲下去,学院里的计算机就要‘不眠不休’地运作几天几夜。▄■▄■”浙江理工大学机械与自动控制学院的李秦川老师感慨说。“金老师的工作是很辛苦的。”

          另一方面▓▄▓▄,气体动力型纺织装备的每一次改良和发展,都需要各种基础理论的支持,只有像流体力学这样的理论性基础学科发展了,气体动力型纺织装备才能不断的改进▄▓,变得更加优良▓█▄■,拥有更强的适应性。当前,流体力学领域,还存在着大量的未解难题▄■▓,如被称为“千禧年七大数学难题之一”的纳维斯方程,就依然是一个悬而未解的数学难题,每一次突破一个流体力学的数学难题▄▓,都像是翻一座大山,打一场大仗。

            

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                               (作者:高天峰   通讯员▓█:周丽敏)

           

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