针对转杯纺发展过程中不断涌现出新产品开发难题、设备智能自动化转型升级困境等问题，基于现有研究成果，对当前转杯纺发展现状进行总结，主要包括成纱关键部件如转杯、分梳辊、喂给罗拉等机构更新及参数优化等对成纱质量的影响，并介绍了转杯纺成纱产品如纯纺纱、混纺纱及混色纱的开发现状；回顾了转杯纺设备升级换代的发展历程；重点阐述了转杯纺成纱过程中高速气流场运动的研究进展及纤维模型的构建，指出了转杯纺高速智能化发展中成纱质量优化的关键技术特点。认为：转杯纺纱器内气流和纤维运动的数值模拟研究可为转杯纺设备升级、产品开发和质量提升提供有力的理论基础和依据。转杯纺; 再循环纤维; 高速气流场; 纺纱器; 数值模拟; 纤维模型
伴随科技发展与消费升级，市场需求不断扩大，以转杯纺、喷气涡流纺为代表的新型纺纱技术不断涌现，为纺织产业提供许多性能不同、样式不同的新型纱线产品，纱线市场规模进一步扩大。其中，以转杯纺发展最为迅速，经过近50年的发展，已经成为技术最为成熟、应用最广泛的新型纺纱技术。随着转杯纺纱机性能的不断改进和提高，加上从业技术人员和科研工作者不断探索，在纺纱工艺技术、产品开发和纱线成形理论方面有了较大突破。本研究对当前转杯纺发展现状进行总结，介绍转杯纺产品开发情况，回顾转杯纺设备升级换代的发展历程，阐述转杯纺成纱过程中高速气流场运动研究进展及纤维模型，指出转杯纺高速智能化发展中成纱质量优化的关键技术特点，以期为转杯纺设备及产品研发提供参考。
1 转杯纺装置研发与参数优化
1.1 转杯纺装置研发
为克服传统转杯纺的局限性，研究者们对转杯纺装置进行了革新。转杯纺纱机的装置研发主要体现在喂给罗拉个数、分梳辊个数、排杂结构、输纤通道几何结构和转杯结构等方面。
双喂入系统即增加一个喂给罗拉，可实现两根条子同时喂给。相较于传统单喂入，双喂入系统生产的纱线条干CV、粗细节和棉结更少，转杯纱的质量显著提高。多组分异速喂入多通道装置在增加的多个喂给罗拉上加装独立的伺服电机，分别控制喂给罗拉转速，可在线控制各组分纤维喂入量，同时通过转杯实现多组分纤维混和，使转杯纺纱线在色彩与结构上更加多变。以上两种形式的喂给罗拉采用单个分梳辊，不能兼顾两种纤维分梳效果。通过增加独立控制的分梳辊可满足不同纤维原料分梳效果与纤维损伤平衡。不同机型纺机配备排杂装置的结构不同，排杂效果也存在差异。排杂装置普遍朝着大排杂口、大排杂腔方向发展，在补气方式上各有特色。排杂区结构一般为两种，即排杂和补风分开、排杂和补风合并。对比自排风式转杯纺纱机，抽气式转杯纺纱机需配备更大的排杂腔和排杂口，避免杂质和纤维的滞留；同时排杂和补气设在同一通道，有利于杂质的排出和回收纤维的托持。排杂装置的配置需要调节相应工艺参数，不适配的排杂和补气气流可能产生杂质回流等问题。输纤通道几何结构（长度、入口宽度、截面形状等）对转杯纺纱线质量有显著影响。输纤通道的几何结构决定了其入口处的涡流形态，从而影响纤维伸直度，最终对纱线质量产生影响。输纤通道的长度建议在40 mm~52 mm之间，当输纤通道长度过短，会在输纤通道入口处形成一个涡流，增加纤维碰撞弯曲的概率，造成纱线质量恶化；采用较小的通道入口，可以获得较高的纱线质量；与圆形横截面的输纤通道相比，矩形横截面的输纤通道更有利于纤维变直。转杯结构改造，可以实现花式纱和复合纱的纺制。通过在转杯滑移面上开沟槽，或者在转杯凝聚槽中设置阻尼点，可以得到竹节效应的转杯纺纱。通过改造转杯轴承结构，可实现转杯纺复合纱的纺制。如定制中空轴承，将长丝从中空轴引入转杯内，可纺制兼具短纤和长丝优点的转杯纺复合纱。
1.2 转杯纺参数优化
在转杯纺装置革新的同时，对转杯纺工艺的优化也从未停止。从20世纪90年代开始，主要通过试验的方法，针对工艺参数对纺纱过程及成纱质量的影响进行研究，其中转杯和分梳辊的各项工艺参数是影响成纱质量的主要因素。随着转杯转速或转杯直径的增加，纱线伸长率急剧下降且棉结数量显著增加；分梳辊的规格和转速对成纱质量有显著性影响，在实际生产中应根据所用原料合理选用分梳辊的规格，在保证分梳质量的条件下可适当降低分梳辊转速。
到21世纪，利用数理统计工具，围绕转杯纺关键部件的工艺参数，进一步探索高质量、新功能的转杯纱的最佳生产工艺，其中利用响应曲面法建立的预测回归模型，可探究捻系数和转杯速度等对转杯纱质量影响的显著性。
伴随转杯纺研究的不断深入，工艺的优化和新型装置的研发，为转杯纺新型产品开发奠定了基础，是提高纱线质量、降低生产难度和增加企业利润的有利条件，也是企业在国际市场保持竞争力的有效保障。
2 纱线产品开发
伴随转杯纺纱技术升级和工艺优化，转杯纺原料不断扩展，产品开发朝着原料多元化、结构差异化和再循环纤维高值化的方向发展。
2.1 原料多元化
近些年天然原料供需矛盾日益凸显，转杯纺产品原料不再局限于棉、麻、丝、毛等天然纤维，正逐步拓展采用涤纶、莫代尔、功能性纤维等新型纤维纺纱。通过对分梳辊与假捻盘的组合进行优选，已实现聚酰亚胺36.4 tex转杯纱的生产，为制造阻燃产品提供了新的方法。混纺纱可兼具多种原料的优良特点，在转杯纺纱机上纺制混纺比为50/50的聚对苯二甲酸丙二醇酯/棉混纺纱，与纯棉转杯纱相比，其断裂伸长率、条干不匀率、纱疵和毛羽指标都较好。同种原料不同色彩的纤维可以纺制混色纱、渐变色纱、段彩纱及彩节纱等多变的转杯纱。不同原料不同色彩的纤维可以开发出颜色、组分呈交替变化混纺混色纱。
2.2 结构差异化
为适应市场需求、拓展应用领域，通过在转杯纺纱机上加装新型装置，开发出转杯长丝短纤复合纱、竹节纱等结构差异化产品。通过加装空心转杯轴和长丝退绕装置可以纺制转杯纺长丝短纤复合纱，通过调节长丝的张力，可以形成3种不同结构的复合纱，即包芯纱、包缠纱和长丝短纤相互包缠复合纱。转杯纺复合纱优势是条干均匀度好、毛羽少、强力高等，易调节结构的特征使其在服用、装饰和产业用等均有应用。采用控制器控制喂给罗拉速度和喂给时间的方式，可生产色彩与竹节长度能灵活控制的转杯纺竹节纱。
2.3 再循环纤维高值化
近些年，再循环纤维高值化成为纺织行业关注的焦点，转杯纺具有极佳的纤维适应性，成为再循环纤维高值化利用的首选工艺。再循环纤维是废旧纺织品通过物理法或者化学法处理后，重新加工制备成的纤维原料。再循环纤维可实现废旧纺织品的回收再利用，大大提高废旧纺织品的产品附加值，实现循环、低碳与高附加值的统一。再循环纤维使用比例对转杯纺纱及织物的性能有显著影响。再生棉与原棉混纺，再生棉占比达75%时，纺制的转杯纺纱线和织物性能，与纯原棉转杯纺纱线和织物没有较大差异。立达公司的再生原料转杯纺生产线可通过75%的消费后原料与25%原棉进行混纺，可纺制高达29.38 tex的纱线，或87.5%的消费前原料（指纺纱的下脚料、织物和服装生产的边角料等未消费使用的纺织品，将其再开松形成的纤维）与涤纶进行混纺，可纺制高达19.59 tex的纱线，该再生纱线具有良好的抗起球性能，可用于从袜子到毛衣的多种应用。
转杯纺产品从单一原料（棉花）、生产品种少、档次低逐步向原料多样化、生产品种多样、高端化发展，应用领域不断扩大，不仅为企业创造良好的经济效益，也为转杯纺纱拓展了新的发展应用空间。
3 设备智能自动化升级
除了转杯纺技术进步和产品拓展，其设备自动化、智能化程度也在不断升级。转杯纺的自动化进程可以分为以下4个阶段。
第一阶段。半自动接头和半自动落筒由人工与机械共同完成。半自动接头人工仅需完成清洁转杯、拉出纱尾等前期准备工作，机械一键完成引纱工序，半自动接头的结头质量和效率远远高于人工操作；半自动落筒利用落筒输送带，代替人工运送纱管及筒子纱。浙江日发纺织机械股份有限公司研发的半自动转杯纺纱机皆搭载机电一体化的半自动接头系统，配备独立驱动、气圈补偿、电子微动等技术设备，毫秒级响应精度，保证在高速状态下接头的准确性和高质量。
第二阶段。全自动接头技术在半自动接头的基础上，结合自动清洁技术，利用气流对转杯内壁和凝聚槽进行自动清洁，压缩空气将清除的沉积物吹出并排出转杯；机械手完成拉纱尾工作，实现全自动引纱。自动落筒利用落纱小车、机械手完成空筒与满筒的更换。以立达公司R系列、赐来福公司的BD系列和Autocoto系列为代表，其全自动接头技术搭载生头系统，配合落纱小车，在快速换筒接头的同时保障结头质量。
第三阶段。纱线质量控制系统主要有以下功能，一是检测并清除有害纱疵、异性物质等；二是记录纱线疵点数量和纱线条干不匀率等主要纱线质量指标；三是具有中央操控系统，可集成调控、数据整合、宏观监测。该系统可将每个纺纱锭位传来的生产和质量数据（速度、效率、停车及其产生原因）等进行长期分析，有效保障该锭位纱线的质量。
第四阶段。自动运输系统包括两个部分，一是条筒和筒子自动化运输，二是筒纱自动打包及运送系统。自动运输系统通过程序控制运输车，实现满筒和空筒在并条机和转杯纺纱机之间的循环运输。筒纱自动打包及运送系统可实现筒纱的自动称重、自动装袋封膜、自动输送、自动堆栈，兼具袋口自动检测、自动装填、自动排紧功能，袋口缝合紧靠，筒纱装填紧凑。智能自动化设备的应用，各类辅助系统的诞生与开发，现在先进的转杯纺纱机集启动监测、断头自停、自动生头、自动落纱、工艺参数自动显示、张力控制、生产数据自动处理等功能于一体。但全自动的转杯纺纱机价格昂贵，且国内自主生产的转杯纺纱机与国外先进转杯纺纱机仍有很大差距，关键部件仍受制于人，设备升级仍有很大进步空间。
4 转杯纺成纱通道中气流场研究
随着计算机技术的高速发展，许多学者运用计算流体动力学（CFD）数值模拟转杯纺纺纱器（分梳辊、输纤通道、转杯等用于纺纱的主要部件）中气流和纤维的运动情况，以更好地揭示转杯纱成纱机理，推动转杯纺技术的发展。转杯纺的数值模拟研究主要集中在对转杯纺纺纱器件内气流场运动特征的研究，以及纤维模型和纤维运动的研究。
4.1 各纺纱器内气流场分布规律
4.1.1 转杯内气流场分布规律
转杯纺依靠纺纱器内高速气流带动纤维运动，完成成纱过程。目前，关于输纤通道和转杯内气流运动的研究较多。其中通过输纤通道的高速气流，撞击到转杯滑移面上形成两股大小不一、流向相反的气流，大部分的气流顺着转杯转向流动，小部分的气流逆向而行；当主气流与逆向的小气流相撞汇合，形成明显的回流，汇合后的气流减速流向转杯中心，因此形成沿转杯圆周方向的大旋涡。同时，顺转杯转向的主气流受抽气机的抽气作用，部分气流沿斜上方流向转杯出口，气流速度明显下降并且产生回流趋势，在输纤通道出口上方形成一个小气流旋涡。沿转杯轴方向来观察气流流动，转杯内气流流动方向由下往上，呈上升状态。这是因为在转杯离心力和负压作用下，进入转杯内部的两股气流从下向上旋转流动，大部分气流从转杯出口流出。
输纤通道出口侧存在较大湍流速度，气流速度明显大于同水平面其他位置的气流速度。转杯内壁面为旋转壁面，假捻盘、输纤通道和导纱管等外壁为静止壁面。从静止壁面到旋转壁面，气流速度逐渐增大，最大速度位于凝聚槽内，转杯底部出现大面积低速区。在凝聚槽内，气流切向速度远远大于轴向速度，切向速度大，有利于纤维的凝聚和加捻。
纺纱器内气流压力的大小及分布直接影响着转杯纺的成纱质量。转杯内部静压为负值，有利于纤维流入转杯，由于输纤通道出口上方旋涡存在，使该处附近的转杯小范围形成高压区。转杯内气流的高速运动产生了动压，动压分布与气流速度分布对应，动压在凝聚槽水平截面上呈环形层状分布，且从转杯中心向凝聚槽边缘逐渐增大，有助于纤维束稳定的凝聚。有研究表明输纤通道内部存在明显速度梯度和压力梯度。气流在渐缩型的输纤通道内呈加速运动，且在输纤通道出口处速度达到最大，加速的气流场有利于纤维消除弯钩和定向运动。最大静压值位于输纤通道入口处，从输纤通道入口到出口，压力由正压转为负压，在出口处达到最大负压值；动压与静压变化趋势相反，此消彼长。
4.2 纺纱器结构与工艺参数对气流场运动的影响
4.2.1 纺纱器的几何参数对气流场运动的影响
转杯直径范围一般为28 mm~56 mm，而转杯直径的选择通常取决于纤维原料的长度和转杯的转速。随着转杯直径的增大，转杯内气流旋涡数量逐渐减少，且气流速度有所增大，凝聚槽圆周的气流速度分布趋于平稳，更有利于成纱稳定。对36 mm、42 mm和46 mm共3种不同直径U型凝聚槽的转杯纺纱器内气流场进行数值模拟，其结果表明：3种不同直径的转杯内气流场的静压分布和速度分布趋势基本一致；受输纤通道出口处旋涡的影响，气流在输纤通道出口附近的压力大小排序为U36>U46>U42，而其他流域压力大小排序为U46>U42>U36，压力随转杯直径的增加递减。
凝聚槽类型对转杯内气流场分布有影响。以直径为36 mm的G、T、U、S共4种凝聚槽内气流场特征为例，4种槽型的气流速度大小排序为G型>T型>U型>S型；受输纤通道出口处旋涡的影响，输纤通道出口附近静压大小排序为G型>S型>U型>T型，其余角度位置处静压大小排序为S型>U型>T型>G型。这4种类型凝聚槽转杯底部都出现了旋涡，其中T型、G型、U型凝聚槽的转杯内旋涡形态比V型密集。
转杯滑移角主要影响正对着输纤通道出口转杯壁面处的气流速度分布。转杯滑移角的增大带来气流速度和转杯内部负压值的减小，影响气流的输送作用，不利于纤维转移；滑移面角度越大，输纤通道出口处动压区面积便越大，凝聚槽内动压越小，影响纤维伸直和成纱条干质量。当滑移角大于24.5°时，转杯滑移面上有回流产生；高速转杯自身离心力产生的凹形变形使转杯滑移面上气流容易形成回流。输纤通道位置同样会影响纺纱器的运行。当输纤通道出口靠近转杯底部时，涡流差异大，易造成转杯振动，机械磨损，从而降低转杯使用寿命；当输纤通道出口靠近转杯出口时，输纤通道内压强和速度梯度较大，有利于纤维伸直平行，但由于距离出口近，因此落棉率较高。转杯转速对转杯内气流流动有显著影响。随着转速增大，转杯内的大旋涡先向中心轴移动，再远离中心轴；同时，转速越高，气流旋转流动趋势越明显，凝聚槽内切向力越大，离心力越大，凝聚和加捻效果越好。转杯出口负压对转杯内气流分布影响显著。随着转杯出口负压增大，输纤通道出口的旋涡体积增大，且旋涡处气流速度显著增大，输纤通道内的速度梯度增大，从而提高输纤通道气流牵伸倍数，有利于纤维的伸直和定向。
4.3 短纤维在气流场内的运动研究
短纤维在高速气流场内运动成纱属于气流⁃纤维两相流问题。两相流运动通常采用拉格朗日⁃欧拉法来模拟，其中重要的一步就是建立纤维模型。常见的纤维模型有两类，一类是不可变形的刚性模型，如颗粒、刚性圆柱体等；另一类为可弯曲、拉伸和扭转的柔性模型，如球链模型、椭球链模型、点链模型和柱链模型。采用柔性纤维模型模拟的研究，多针对单根纤维，与实际的转杯纺纱器内纤维数量相差甚远。对纤维运动的研究主要集中在输纤通道，对纺纱器其他元件尤其转杯内的研究较少。因此，未来的研究可以重点突破多根、柔性纤维在输纤通道和高速转杯等纺纱关键元件内的运动分布和形态变化的问题，为进一步深入理解转杯纺成纱机理提供理论基础。
5 总结与展望
近年来，我国纺织业成本明显上升，在国际竞争中的压力增大。转杯纺工序短、产量高、原材料适用范围广，可有效减少人工、材料成本。伴随越来越多的人才和资源的投入，产学研的齐头并进，我国企业、高校在转杯纺工艺优化、产品开发、设备升级等方面进行了深入研究，其中高速气流作为转杯纺的核心，转杯内气流流动与纤维运动决定了成纱质量和性能，通过数值模拟的方法研究气流和纤维运动，为优化工艺参数和改进转杯结构提供了有力的理论基础和依据。但与发达国家相比，我国转杯纺研究虽发展快速，但基础仍然较弱，相信在各方的不断努力下，我国转杯纺会迎来新的发展机遇。
资料来源：《棉纺织技术》
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