Různé přístupy k predikci pevnosti tryskové příze

Moaaz Ahmed Samy Moustafa Eldeeb

Doctoral thesis

Different Approaches for Predicting Air Jet Spun Yarn Strength

Abstract:

Air jet spinning process has reached an industrial acceptance stage having developed through half a century. This study aims to contribute to the knowledge of air-jet yarn formation process by investigating the influence of selected technological parameters of the Rieter air-jet spinning machine on yarn properties, especially its strength. Furthermore, to shed light on the problem of the prediction of yarn strength. A three-dimensional numerical simulation of the airflow field inside Rieter air jet spinning nozzle has been presented. The velocity and pressure distribution were analyzed to describe the principle of yarn formation. The analysis of velocity components and static pressure revealed how the air vortices are created inside the nozzle as well as how the yarn is spun. A numerical simulation along with experimental verification were performed to investigate the influence of nozzle pressure on air jet yarn tenacity and the results were in good agreement. The results show that increasing nozzle pressure resulted initially in improving yarn tenacity, but at high-pressure, tenacity deteriorates. Different approaches have been used to predict the tenacity of air jet yarn. One of these approaches is a statistical model, where the effect of yarn linear density, delivery speed and nozzle pressure on yarn strength were investigated and a multiple regression model was used to study the combined effect of these parameters and response surfaces were obtained. Based on the different combinations of processing variables, optimal running conditions for tested materials were obtained. As a second possible approach to predict yarn strength, a mathematical model that predicts the strength of Viscose and Tencel air jet spun yarn at short gauge length has been presented which is based on an earlier model. The model is based on calculating the core fiber strength as a parallel bundle of fibers. Also, calculating the wrapper fiber strength as a bundle of fibers in the form of helical path and considering the interaction effect between the wrapper and core fibers. Fiber parameters in addition to yarn structural parameters were used to obtain the theoretical yarn tenacity at short gauge length. Results showed that the accuracy of the proposed model is satisfactory for the tested yarns set. As an alternative approach to predict air jet yarn strength, a statistical model has been presented. By using this model, the influence of the tensile tester gauge length on the ring, rotor, and air jet spun yarn tenacity and its coefficient of variation has been investigated. The model correlates yarn tenacity and coefficient of variation of yarn tenacity to gauge length. The model is based on Peirce model and assuming the 3-parameter Weibull distribution of yarn strength values. A reasonable agreement has been shown between the experimental and the predicted values. The model successfully captured the change in yarn strength and its coefficient of variation at different gauge lengths. Results confirmed that at longer gauge lengths, yarn strength decreases and its coefficient of variation decreases as well.

Abstract:

V současné době tryskové dopřádání dosáhlo po půlstoletí svého vývoje průmyslového uznání a zaujalo své místo na trhu. Cílem této práce je přispět k poznání procesu tvorby příze, zmapovat vliv vybraných technologických parametrů tryskového dopřádacího stroje na vlastnosti příze, zejména její pevnost a především poskytnout širší náhled na problematiku predikce pevnosti tryskové příze. V práci je provedena trojrozměrná numerická simulace průtokového pole vzduchu uvnitř spřádací trysky tryskového dopřádacího stroje Rieter Air-jet. Byla analyzována distribuce rychlosti a tlaku vzduchu s cílem popsat princip tvorby příze. Analýza složek rychlosti a statického tlaku vzduchu ukázala, jak jsou uvnitř trysky tvořeny vzduchové víry, stejně jako způsob, jakým se příze formuje. Byla provedena numerická simulace spolu s experimentální verifikací, která zkoumala vliv tlaku kroutícího vzduchu na pevnost příze. Výsledky simulace přinesly dobrou shodu s experimentem. Výsledky ukázaly, že zvyšující se tlak v trysce vedl zpočátku ke zlepšení pevnosti příze, ale při vysokém tlaku vzduchu se pevnost zhoršila. Ve stěžejní části práci jsou prezentovány a popsány různé možnosti přístupů k predikce pevnosti příze. Jedním z nich je statistické modelování založené na experimentálních měřeních. V rámci tohoto přístupu byl sledován vliv délkové hmotnosti příze, odtahové rychlosti a nastaveného spřádního tlaku vzduchu. Pro analýzu kombinovaného vlivu těchto parametrů pomocí responzních povrchů byl použit vícenásobný regresní model. Na základě různých kombinací mezi sledovanými technologickými veličinami byly získány optimální parametry nastavení pro testovaný materiál. Jako druhý z možných přístupů k predikci pevnosti tryskové příze je navržen matematický model. Pomocí tohoto modelu lze predikovat pevnost 100% viskozové a 100% tencelové tryskové příze na krátkých upínacích délkách. Model je založen na výpočtu pevnosti jádra příze, jakožto paralelního svazku vláken, výpočtu pevnosti obalové vrstvy vláken jakožto svazku vláken ovinutého ve šroubovici kolem jádra příze. V modelu je rovněž zohledněn interakční účinek mezi vlákny v obalu a vlákny v jádru příze. Jako vstupní parametry modelu pro výpočet teoretické pevnosti příze na krátkých upínacích délkách jsou použity parametry vláken i strukturální parametry příze. Výsledky ukázaly, že přesnost navrhovaného modelu je uspokojivá pro soubor experimentálních přízí. Jako další z možných přístupů k predikci pevnosti příze (na krátkých úsečkách) je prezentován statistický model. Pomocí modelu je zkoumán vliv upínací délky příze v trhacím přístroji na pevnost a variační koeficient pevnosti tryskové, prstencové a rotorové příze. Model vychází z Peirceova modelu a předpokládá tříparametrové Weibullovo rozdělení hodnot pevnosti příze. Mezi experimentálními a predikovanými hodnotami byla zaznamenána přiměřená shoda. Model úspěšně zachytil změny pevnosti příze a její variační koeficient při různých upínacích délkách. Výsledky potvrdily, že při větších upínacích délkách pevnost příze klesá a její variační koeficient se rovněž snižuje.

Keywords

Numerická simulace, matematické modelování, statistické modelování, vlákna, tryskové dopřádání Rieter, proud vzduchu, podíl obalových vláken, predikce pevnosti, viskóza, Weibullovo rozdělení, upínací délka, jemnost, tlak spřádního vzduchu, odváděcí rychlost, struktura

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 6. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 20. 3. 2018
• Supervisor: Ing. Eva Moučková, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering