CN108181705B - 喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置及方法，装置包括工业内窥镜、设有对焦环的光学接口、CCD相机、数据传输模块、计算机、光源、光源镜片组、光源控制器和喷气涡流纺纱喷嘴，其中所述喷气涡流纺纱喷嘴的侧壁上设有第一通孔和第二通孔，所述工业内窥镜的工作镜管的外径与通孔的内径相适应，且工业内窥镜的工作镜管的前端插入到通孔内部，所述工业内窥镜的工作镜管前端的端面与喷嘴内腔壁面平齐，所述光学接口前端与工业内窥镜后端的目镜罩连接，所述光学接口后端与CCD相机连接，所述CCD相机通过数据传输模块与计算机进行数据连接。本发明实现对微细的纤维在喷嘴内腔气流场中加捻过程中的运动状态的实时观测的优点。

Description

喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置及方法

技术领域

本发明属纺纱过程中纤维运动状态观测装置及方法技术领域，特别是涉及一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置及方法。

背景技术

喷气涡流纺是一种利用在喷嘴中产生的高速旋转气流对纤维进行加捻的短纤纱成纱技术，其纱线引出速度最高可达300m/min～500m/min的范围。纤维在加捻过程中的运动状态决定了所形成的纱线的结构和性能，因此对纤维在成纱过程中的运动状态进行实时观测和分析，有助于对成纱结构和质量进行实时预测和在线调节。但是纤维的加捻成纱是在密闭不透光的喷嘴内部进行的，同时喷嘴内腔的结构复杂且狭小，这给纤维运动状态的实时观测带来了不便。发表于Journal of Natural Fibers,2012,9(2),117-135的文献《Experimental study on the fiber motion in the nozzle of vortex spinning viahigh-speed photography》报道了一个对喷气涡流纺纱喷嘴中的纤维运动状态进行观测的实验，作者采用高速摄影机对有机玻璃制成的、经过放大的透明喷嘴模型内部的纤维在气流中的运动状态进行了观测，观测中高速摄影机置于透明喷嘴模型壁面的外部。这一方法显然很难应用于实际工业生产中，原因在于：第一，实际工业生产中的喷气涡流纺纱喷嘴不能够采用透光的有机玻璃材料制造；第二，实际工业生产中的喷气涡流纺纱喷嘴内腔尺寸必须符合纤维加捻所需的空间与气流流动规律的要求，不能够随意进行放大；第三，高速摄影机价格高昂，难以在工业生产中大批量使用，且不便于对图像进行实时分析。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置及方法，实现对喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态的实时观测，以满足喷气涡流纺成纱过程中对纱线加捻过程进行观测的需求，解决现有喷嘴内腔的结构复杂且狭小，而给纤维运动状态的实时观测带来不便的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，包括工业内窥镜、设有对焦环的光学接口、CCD相机、数据传输模块、计算机、光源、光源镜片组、光源控制器和喷气涡流纺纱喷嘴，其中所述喷气涡流纺纱喷嘴的侧壁上设有第一通孔和第二通孔，所述工业内窥镜的工作镜管的外径与第一通孔的内径相适应，且工业内窥镜的工作镜管的前端插入到第一通孔内部，所述工业内窥镜的工作镜管前端的端面与喷嘴内腔壁面平齐，所述光学接口前端与工业内窥镜后端的目镜罩连接，所述光学接口后端与CCD相机连接，所述CCD相机通过数据传输模块与计算机进行数据连接，所述光源镜片组外部设有壳体，所述光源镜片组后方设有光源，所述光源安装在光源座上，所述光源与光源控制器连接，所述壳体的前端位于第二通孔内部，且壳体的前端面和光源镜片组的前端面均为圆弧面形，所述光源镜片组的前端面与喷嘴内腔壁面平齐，为喷嘴内腔提供照明。

本发明的进一步技术方案是，所述工业内窥镜为硬管工业内窥镜。

本发明的又进一步技术方案是，所述数据传输模块包括第一无线收发模块和第二无线收发模块，所述第一无线收发模块与CCD相机连接，所述第二无线收发模块与计算机连接，所述第一无线收发模块与第二无线收发模块信号连接。

本发明的再进一步技术方案是，所述数据传输模块还可为数据传输线。

本发明的再进一步技术方案是，所述第一通孔的轴线与第二通孔的轴线均沿喷气涡流纺纱喷嘴内腔的半径方向。

本发明的再进一步技术方案是，所述工业内窥镜的视向角为0°。

本发明的再进一步技术方案是，所述第一通孔的轴线与第二通孔的轴线位于与喷嘴轴线相垂直的同一平面内时，所述通孔的轴线与通孔的轴线之间所夹角度在30°～180°范围内。

本发明的更进一步技术方案是，所述第一通孔的轴线与第二通孔的轴线不在与喷嘴轴线相垂直的同一平面内时，所述第一通孔的轴线与第二通孔的轴线之间所夹角度在0°～180°范围内。

一种应用所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置的观测方法，其中包括如下步骤：

(a)经牵伸后的短纤维束进入喷气涡流纺纱喷嘴的内腔；

(b)光源的光通过光源镜片组照射到喷气涡流纺纱喷嘴内腔内；通过光源控制器调节光源的强度，以适应各种纤维运动速度下实时观测对光强的要求；

(c)纤维的图像经由工作镜管前端进入工业内窥镜；

(d)通过工业内窥镜，将喷气涡流纺喷嘴内腔内部的纤维的图像传送到喷嘴外；调节光学接口上的对焦环，使目标纤维能够在CCD相机的靶面上清晰地成像；

(e)经CCD相机对图像进行采集后，由数据传输模块将图像数据传送到计算机上，以备实时观测、存储或图像处理；

(f)通过计算机进行图像处理，对纤维的运动状态进行分析。

有益效果

本发明通过将具有细小外径的工业内窥镜从开设于喷嘴壁面的细小的通孔中穿过而抵达密闭的喷嘴内腔，从而实现对微细的纤维在喷嘴内腔气流场中加捻过程中的运动状态的实时观测，无需对喷嘴的结构、尺寸及材料进行显著的改变，也不会对喷嘴内部的气流场和纤维运动过程产生影响，且具有成本低、易实现的优点。

附图说明

图1为实施例1中喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置在纺纱状态下的旋转局部剖视图。

图2为实施例1中涡流加捻管的旋转剖视图。

图3为实施例1中沿图1中A-A线的大致结构的局部剖视图。

图4为实施例2中喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置在纺纱状态下的旋转局部剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

图1至图3所示了本发明的第一实施例，其中，如图1所示，短纤维束7经牵伸后从前罗拉钳口31输出，被送入位于前罗拉钳口31下游并接近前罗拉钳口31的喷气涡流纺纱喷嘴25内。在本实施例中，喷气涡流纺纱喷嘴25包括从上到下依次安装的气室罩30、涡流加捻管39、排气罩23和排气罩底盖24，气室罩30的内部装有纤维导引体保持件42。气室罩30与纤维导引体保持件42及涡流加捻管39所围成的环形区域构成气室29。纤维导引体保持件42为圆柱型，沿其轴向设有与其同轴的圆柱形通孔。如图2所示，涡流加捻管39外型为三个直径不同的圆柱组成的回转体，其中心设有通孔，在通孔的出口段为向下游方向呈一定锥度扩散的锥形孔。在涡流加捻管39大直径圆柱段的管壁4上设有贯穿的第一通孔36和第二通孔37，孔36的轴线与孔37的轴线均沿涡流加捻管内腔26的半径方向，且位于与喷嘴轴线相垂直的同一平面内，孔36的轴线与孔37的轴线之间所夹角度为70°，如图3所示。图1与图2所示的旋转剖视图的一个剖切面过喷嘴内腔轴线与孔36的轴线，另一个剖切面过喷嘴内腔轴线与孔37的轴线。在气室罩30上设有管孔65，通过图中未示出的软管与压缩空气源相连，排气罩23下部的内部装有锥体上保持件58。锥体上保持件58整体呈一圆盘形，其中心为小直径段孔和大直径段孔组成的通孔，接近外围处为分别呈对称分布、沿厚度方向贯穿的一对上排气槽孔33和一对图中未示出的上螺栓安装孔。上排气槽孔33近似呈腰圆形。锥体上保持件58的下方装有锥体下保持件59。锥体下保持件59由三个直径不等的圆柱体组合而成，从上游至下游依次为中直径段圆柱体60、大直径段圆柱体61、小直径段圆柱体62，其中中直径段圆柱体60与大直径段圆柱体61厚度相等，小直径段圆柱体62厚度最大，大直径段圆柱体61上设有分别呈对称分布、沿厚度方向贯穿的一对中排气槽孔57和一对图中未示出的中螺栓安装孔，其中中排气槽孔57与上排气槽孔33截面形状及尺寸相同。在锥体下保持件59中心轴处有一贯穿其中的引纱通道50。引纱锥体52安装在锥体上保持件58和锥体下保持件59之间。锥体上保持件58和锥体下保持件59通过图中未示出的上螺栓安装孔和中螺栓安装孔由图中未示出的螺栓连接在一起，并使中排气槽孔57与上排气槽孔33位置相对应。引纱锥体52、锥体上保持件58和锥体下保持件59为同轴布置。引纱锥体52外形整体呈圆锥形，其下游端为两个直径不等的圆柱相叠而成，且直径较小的圆柱位于上游，直径较小的圆柱上游方为两个锥度不一的锥面相叠而成，且小锥度段位于大锥度段上游。引纱锥体52的小锥度段以及大锥度段的前端部分位于涡流加捻管39的通孔内。沿引纱锥体52的轴线形成引纱通孔51。引纱通孔51和引纱通道50为同轴布置。引纱通道50的直径不小于引纱通孔51的直径。锥体下保持件59的小直径段圆柱体62的出口段外侧套有调节旋钮38。调节旋钮38的上游段直径较小，是小直径段，调节旋钮38的下游段直径较大，是大直径段。小直径段位于排气罩底盖24的小直径段孔上游方的部分设有一个环形凹槽。环形凹槽内装有弹性挡圈35。调节旋钮38通过弹性挡圈35和大直径段的尺寸限定安装于排气罩底盖24的小直径段孔内部。调节旋钮38与锥体下保持件59间通过螺纹进行连接，因此通过旋转调节旋钮38可调节锥体下保持件59连同锥体上保持件58和引纱锥体52的轴向位置。排气罩底盖24内部为与排气罩23外径值相等的大直径段孔、中直径段孔和与调节旋钮38的小直径段直径相等的小直径段孔组成的通孔，靠近外围为分别呈对称分布的一对下排气槽孔67和一对图中未示出的导向孔，其中下排气槽孔67与中排气槽孔57截面形状及尺寸相等，并使下排气槽孔67与中排气槽孔57位置相对应。

涡流加捻管39上游段的圆柱部上形成有多个与涡流加捻管39轴线呈一定倾角并沿周向等间隔分布的气流喷射孔28。气流喷射孔28朝向形成于涡流加捻管39与引纱锥体52之间的环状内腔26并向送纱方向下游侧倾斜，且气流喷射孔28的入口与气室29相连接。气流喷射孔28的出口设于涡流加捻管39的内壁27上。从气流喷射孔28中均匀地喷射气流，从而在环状内腔26内形成绕引纱锥体52旋转的旋转气流。该旋转气流依次经由锥体上保持件58上的上排气槽孔33、锥体下保持件59上的中排气槽孔57、排气罩底盖24的大直径段孔、中直径段孔和下排气槽孔67从纺纱喷嘴25中排出。

纤维导引体保持件42内部装有纤维导引体41。纤维导引体41做成大致上是上游段为圆柱体、下游段为圆锥体、沿着旋转气流的旋转方向一边从上端圆柱体直径处沿纵向将一侧拧扭切除的形状，因而在其外轮廓表面形成一螺旋面21，该圆柱体的直径与纤维导引体保持件42内部的圆柱形通孔的内径大致相等，使得纤维导引体41的螺旋面21与纤维导引体保持件42的内壁43间形成一沿着旋转气流的旋转方向扭转的输纤通道66。纤维导引体41在输纤通道66出口附近设有一个用于将短纤维束7导入引纱通孔51并阻止下游捻度向上游传递的针状部件56。环状内腔26内的旋转气流在输纤通道66的入口处产生负压。在该负压的作用下，经前罗拉钳口31输出的短纤维束7沿输纤通道66被吸入涡流加捻管39的环状内腔26内。涡流加捻管39的环状内腔26内的旋转气流使进入其中的短纤维束7高速旋转，经加捻形成结构紧密的喷气涡流纱32。纱32经引纱通孔51和引纱通道50从喷嘴25中输出。纱32的输出速度最高可达500m/min。在本实施例中，纱32的输出速度为300m/min。

喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置包括工业内窥镜10、设有对焦环8的光学接口13、CCD相机3、数据传输模块34、计算机18、光源14、光源镜片组15和光源控制器16。在本实施例中，工业内窥镜10为硬管工业内窥镜。工业内窥镜10的工作镜管11的前端插入到通孔36内部，工业内窥镜10的工作镜管11前端的端面12与涡流加捻管39内腔壁面27相平齐，工业内窥镜10的工作镜管11的外径与通孔36的内径相适应。在本实施例中，工业内窥镜10的工作镜管11的外径为2.7mm，视向角为0°。工业内窥镜10的工作镜管11前端的外部可套有一图中未示出的薄弹性层，以使其与通孔36间形成过盈配合，以防止气体泄漏。工业内窥镜10后端的目镜罩22与光学接口13前端相连接，光学接口13后端连接CCD相机3，CCD相机3通过数据传输模块34与计算机18进行数据连接。在本实施例中，数据传输模块34包括第一无线收发模块5和第二无线收发模块6，其中第一无线收发模块5与CCD相机3连接，第二无线收发模块6与计算机18连接，第一无线收发模块5与第二无线收发模块6信号连接。

在本实施例中，光源14采用超高亮度发光二极管。光源14前设有一次透镜49，由一次透镜49将光源14封装于芯片支架48上。一次透镜49呈半球形，用于将光源14发射出的光线进行汇聚。二次透镜9为内全反射式，呈杯状，安装于一次透镜49前方并与一次透镜49紧密组合，用于将光源14发射光线的角度再次汇聚。芯片支架48、光源14、一次透镜49、二次透镜9安装于光源座17内。光源座17前方装有壳体19。壳体19外形上为两个直径不同的圆柱连接而成的形状，分为小直径段46和大直径段47，其中小直径段46的外径与通孔37的内径大致相等，在本实施例中，小直径段46的外径为3mm。小直径段46的前端位于通孔37内部。小直径段46内部的前端嵌有镜片53。镜片53整体上呈圆柱形。小直径段46的前端面20与镜片53靠近环形内腔26的面54为圆弧面形，并与环形内腔26的壁面27的形状相适应，且与环形内腔26的壁面27平齐。镜片53的内侧面55为平面。镜片53的后部装有外侧为平面、内侧为凹球面的凹透镜1。镜片53和凹透镜1的直径与小直径段46的内径相适应。小直径段46的外部可套有一图中未示出的薄弹性层，使其与通孔37间形成过盈配合，以防止气体泄漏。凹透镜1用于将经二次透镜9汇聚的光线进行发散，以便使光线覆盖整个环形内腔26。一次透镜49、二次透镜9、凹透镜1和镜片53共同构成光源镜片组15。光源14的光强由光源控制器16进行实时调节。

硬管工业内窥镜10包括工作镜管11、镜体63、目端接管64和目镜罩22。工作镜管11内装有若干图中未示出的传像透镜，传像透镜前端装有图中未示出的物镜，工作镜管11后端连接镜体63，镜体63后端连接目端接管64，目端接管64后端连接目镜罩22，目镜罩22内装有图中未示出的目镜。物镜、传像透镜和目镜组成的光学系统用于将被观测到的纤维40的图像传送到喷嘴25外面。

目镜罩22的后部安装于光学接口13内，光学接口13后端通过螺纹连接在CCD相机3前端。光学接口13上设有对焦环8，调节光学接口13上的对焦环8，使目标纤维40能够在CCD相机3的图中未示出的靶面上清晰地成像。

CCD相机3用于对工业内窥镜10传送出的图像进行采集。在本实施例中，CCD相机3的分辨率为1600×1200，像素尺寸为4.4μm×4.4μm，最大帧速为20帧/s，最小曝光时间为1/100000s。在本实施例中，CCD相机3的曝光时间为1/80000s。CCD相机3与第一无线收发模块5信号连接；用于图像存储和处理的计算机18与第二无线收发模块6信号连接。第一无线收发模块5与第二无线收发模块6之间进行无线通信。第一无线收发模块5与第二无线收发模块6都包括处理器和射频模块。

喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测方法包括如下步骤：

(1)经牵伸后的短纤维束7进入喷气涡流纺纱喷嘴25的内腔26；

(2)光源14的光通过光源镜片组15照射到喷气涡流纺纱喷嘴内腔26内；光源14的强度可由光源控制器16进行调节，以适应各种纤维运动速度下实时观测对光强的要求；

(3)纤维40的图像经由工作镜管11前端进入工业内窥镜10；

(4)通过工业内窥镜10，将喷气涡流纺喷嘴内腔26内部的纤维40的图像传送到喷嘴25外；调节光学接口13上的对焦环8，使目标纤维40能够在CCD相机3的靶面上清晰地成像；

(5)经CCD相机3对图像进行采集后，由第一无线收发模块5发射到第二无线收发模块6上，再将图像数据传送到计算机18上，以备实时观测、存储或图像处理；

(6)计算机18通过图像处理，对纤维40的运动状态进行分析。

实施例2

如图4所示的实施形式与图1不同的地方主要是沿形成纤维导引体41的圆柱体与圆锥体的轴线设有一贯穿的芯丝导引孔45，用于纺制喷气涡流纺包芯纱2时对芯丝44进行导引。在本实施例中，芯丝导引孔45的内径为0.25mm。芯丝导引孔45与引纱锥体52的引纱通孔51同轴布置。环状内腔26内的旋转气流在输纤通道66的入口处产生负压。在该负压的作用下，经前罗拉钳口31输出的短纤维束7沿输纤通道66被吸入涡流加捻管39的环状内腔26内。由前罗拉钳口31输出的芯丝44经贯穿纤维导引体41的芯丝导引孔45进入涡流加捻管39的环状内腔26内，随后被导入引纱锥体52的引纱通孔51内。涡流加捻管39的环状内腔26内的旋转气流使进入其中的短纤维束7包缠在以一定速度向下游输送的芯丝44外部，形成中心为芯丝44、外包短纤维40的喷气涡流纺包芯纱2。纺成的喷气涡流纺包芯纱2经引纱通孔51和引纱通道50从喷嘴25中输出。

本实施例与前述实施例的另一处不同在于数据传输模块34为数据传输线，即使用数据传输线将CCD相机3与计算机18直接进行连接，经CCD相机3对图像进行采集后，由数据传输线将图像数据传送到计算机18上。

Claims (9)

1.一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，包括工业内窥镜(10)、设有对焦环(8)的光学接口(13)、CCD相机(3)、数据传输模块(34)、计算机(18)、光源(14)、光源镜片组(15)、光源控制器(16)和喷气涡流纺纱喷嘴(25)，所述喷气涡流纺纱喷嘴25包括从上到下依次安装的气室罩30、涡流加捻管39、排气罩23和排气罩底盖24，其特征在于，所述喷气涡流纺纱喷嘴(25)的涡流加捻管39的侧壁(4)上设有与中心通孔连通的第一通孔(36)和第二通孔(37)，所述工业内窥镜(10)的工作镜管(11)的外径与第一通孔(36)的内径相适应，且工业内窥镜(10)的工作镜管(11)的前端插入到第一通孔(36)内部，所述工业内窥镜(10)的工作镜管(11)前端的端面(12)与喷嘴内腔壁面(27)平齐，所述光学接口(13)前端与工业内窥镜(10)后端的目镜罩(22)连接，所述光学接口(13)后端与CCD相机(3)连接，所述CCD相机(3)通过数据传输模块(34)与计算机(18)进行数据连接，所述光源镜片组(15)外部设有壳体(19)，所述光源镜片组(15)后方设有光源(14)，所述光源(14)安装在光源座(17)上，所述光源(14)与光源控制器(16)连接，所述壳体(19)的前端位于第二通孔(37)内部，且壳体(19)的前端面(20)和光源镜片组(15)的前端面(54)均为圆弧面形，所述光源镜片组(15)的前端面(54)与喷嘴内腔壁面(27)平齐，为喷嘴内腔(26)提供照明。

2.根据权利要求1所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，其特征在于，所述工业内窥镜(10)为硬管工业内窥镜。

3.根据权利要求1所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，其特征在于，所述数据传输模块(34)包括第一无线收发模块(5)和第二无线收发模块(6)，所述第一无线收发模块(5)与CCD相机(3)连接，所述第二无线收发模块(6)与计算机(18)连接，所述第一无线收发模块(5)与第二无线收发模块(6)信号连接。

4.根据权利要求1所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，其特征在于，所述数据传输模块(34)还可为数据传输线。

5.根据权利要求1所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，其特征在于，所述第一通孔(36)的轴线与第二通孔(37)的轴线均沿喷气涡流纺纱喷嘴内腔(26)的半径方向。

6.根据权利要求1所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，其特征在于，所述工业内窥镜(10)的视向角为0°。

7.根据权利要求1所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，其特征在于，所述第一通孔(36)的轴线与第二通孔(37)的轴线位于与喷嘴(25)轴线相垂直的同一平面内时，所述第一通孔(36)的轴线与第二通孔(37)的轴线之间所夹角度在30°～180°范围内。

8.根据权利要求1所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置，其特征在于，所述第一通孔(36)的轴线与第二通孔(37)的轴线不在与喷嘴(25)轴线相垂直的同一平面内时，所述第一通孔(36)的轴线与第二通孔(37)的轴线之间所夹角度在0°～180°范围内。

9.一种应用权利要求1所述的一种喷气涡流纺纱喷嘴内纤维运动状态实时观测装置的观测方法，其特征在于：包括如下步骤：

(a)经牵伸后的短纤维束(7)进入喷气涡流纺纱喷嘴(25)的内腔(26)；

(b)光源(14)的光通过光源镜片组(15)照射到喷气涡流纺纱喷嘴内腔(26)内；通过光源控制器(16)调节光源(14)的强度，以适应各种纤维运动速度下实时观测对光强的要求；

(c)纤维(40)的图像经由工作镜管(11)前端进入工业内窥镜(10)；

(d)通过工业内窥镜(10)，将喷气涡流纺喷嘴内腔(26)内部的纤维(40)的图像传送到喷嘴(25)外；调节光学接口(13)上的对焦环(8)，使目标纤维(40)能够在CCD相机(3)的靶面上清晰地成像；

(e)经CCD相机(3)对图像进行采集后，由数据传输模块(34)将图像数据传送到计算机(18)上，以备实时观测、存储或图像处理；

(f)通过计算机(18)进行图像处理，对纤维(40)的运动状态进行分析。