超低浴比染纱机榨水装置及其榨水方法

摘要

本发明公开超低浴比染纱机榨水装置及其榨水方法，榨水装置包括气动旋转气缸、传动轴、摆臂、连杆、半月形阀板、套筒阀圈、压缩空气榨水阀和积水排放阀。榨水时，套筒阀圈转动用半月形阀板封堵住三级叶轮泵的吸入水口，截断吸入水口与主缸的连通，主缸染液、空气不能通过吸入水口进入三级叶轮泵形成断路状态，电脑控制给主缸加压缩空气，然后打开积水排放阀，压缩空气通道只能通过纱盘染液回流口与染色机主缸之间连通，当三级叶轮泵入水口已给套筒阀圈封堵时，而染液回流口与主缸之间被纱锭分隔，压缩空气只能穿过纱锭后经过纱盘染液回流口由积水排放阀排走，实现脱水。本发明结构简单，不增加染色机用水量，能降低染色时间，提高染色效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超低浴比染纱机榨水装置，特别是涉及超低浴比染纱机榨水装置及其 榨水方法。

背景技术

传统筒子纱染色机使用的榨水装置需增加染色的浴比，传统榨水装置榨水所节省的清 洗用水被传统榨水装置增加的用水所抵消，因此得不到推广使用。普通的染色由于工艺流 程和设备条件的限制，无法达到更高档次的染色要求。首先，传统染色工艺流程长(筒纱→ 进水→加染料→加元明粉→加纯碱→循环30min→脉流洗水→水位排水→进水→皂洗→水 位排水→脱水→烘干→络筒→完成)，每个环节都易造成染纱增加排水时间，造成纱锭残留 水留给下一工序清洗等麻烦，从而造成不必要的损失和浪费，且给后工序加工带来络筒机 倒纱和烘干的困难。而采用榨水（压力脱水）工艺需要在染纱机结构、控制方法等方面改 进，大大提高工作效率并减少了染色水浴比。

超低浴比三级叶轮泵染纱机（见发明专利ZL201110095749.5），包括染缸、纱架、叶轮 泵，纱架底部是纱架盘（纱盘），纱架盘上有孔与染缸内的染液输入通道相通，叶轮泵设置 于整个染缸的下面，叶轮泵为三级叶轮泵，其泵轴与内部电机轴同轴连接，染缸与三级叶 轮泵的入口相连；三级叶轮泵包括轴流级、离心级和固定导流叶轮级，轴流级和离心级通 过同一传动轴依次与电机相连，染液经过流入通道流入轴流级，从轴流级流出的染液直接 进入离心级的输入口，从离心级流出的染液经过固定导流叶轮级后进入流出通道。在工作 过程中染缸内的染液始终不超过纱架盘，浴比小于1∶3。该发明能够在染纱机中的染液低 于纱锭时达到所要求的扬程，实现染纱机的低浴比，实现节能减排的目的。

超低浴比染纱机用水量减少，较绞纱染色浴比1：3小，减小了染化料投入量，降低了 生产成本。为了充分提高筒子缸染纱机的染色效率，减少染色时间，达到节能减排效果， 目前急需设计一种超低浴比染纱机榨水装置及其榨水方法，该榨水装置应能对染色后的纱 线进行一定程度的脱水，能节省纱线烘干的能源及时间，起到节能环保的功能。

超低浴比染纱机榨水装置比传统翻转阀板式榨水装置能节约空间，达到不用增加浴比 的效果，按超低浴比染纱机与传统翻转阀板式榨水装置浴比1：3，降低到1：2.8，使用超 低浴比染纱机榨水装置浴比更少。在榨水时，把超低浴比染纱机榨水装置旋转至榨水状态， 三级叶轮泵吸入口关闭三级叶轮泵形成单向状态，使用压缩空气（如2.5bar）把纱线的一 部分水分榨走。

发明内容

本发明的目的在于克服现已技术存在的上述不足，提供超低浴比染纱机榨水装置及其 榨水方法。具有榨水装置的超低浴比染纱机的染色架包括纱盘、吊杆和纱杆；纱盘上表面 为圆盘状，纱盘下端为空腔结构，纱盘下端底部与染纱机的中心座连接，纱盘上表面设有 纱盘出水孔、纱盘回水孔与榨水装置连接，榨水装置与三级泵连接，三级泵与电机连接； 所述吊杆孔座设置在沙盘中心上，吊杆固定安装在吊杆孔座中，纱杆底部固定在沙盘上表 面的沙盘出水孔中，纱杆为实心结构或空心结构，纱杆外套有若干纱锭，纱锭与纱杆之间 留有间隙，纱锭残留水从纱杆底部的纱盘出水孔流出排流到外边出水阀。本发明通过如下 技术方案实现。

超低浴比染纱机榨水装置，其包括气动旋转气缸、传动轴、摆臂、连杆、半月形阀板、 套筒阀圈、用于向染缸内输入空气的压缩空气榨水阀和用于排放残留水的积水排放阀；气 动旋转气缸作为动力源，与传动轴连接；传动轴通过摆臂和连杆与套筒阀圈连接，带动套 筒阀圈转动，若干个半月形阀板间隔分布在套筒阀圈上。

所述的超低浴比染纱机榨水装置中，染纱机处于染色状态时，气动旋转气缸通过传动 轴带动摆臂及连杆把动力传递至套筒阀圈，套筒阀圈转动移开封堵在三级叶轮泵吸入水口 的半月形阀板；

染纱机处于榨水状态时，气动旋转气缸通过传动轴带动摆臂及连杆把动力传递至套筒 阀圈，套筒阀圈转动使半月形阀板封堵住三级叶轮泵的吸入水口，截断三级叶轮泵吸入水 口与主缸的联通，主缸染液、压缩空气不能通过入水口进入三级叶轮泵形成断路状态。

进一步的，所述的超低浴比染纱机榨水装置中，半月形阀板的个数与染纱机三级叶轮 泵吸入水口的个数与相同，均为一个以上。

利用上述超低浴比染纱机榨水装置的榨水方法为：染纱机电脑通过指令使电磁阀输出 压缩空气到榨水装置的气动旋转气缸，气动旋转气缸通过传动轴带动摆臂及连杆把动力传 递至套筒阀圈，套筒阀圈转动用半月形阀板封堵住三级叶轮泵的吸入水口，截断三级叶轮 泵吸入水口与主缸的联通，主缸染液、压缩空气不能通过吸入水口进入三级叶轮泵形成断 路状态，电脑控制压缩空气榨水阀给主缸加压缩空气至设定值，然后打开积水排放阀，压 缩空气通道只能通过染纱机的纱盘染液回流口与染色机主缸之间连通，当三级叶轮泵吸入 水口已给套筒阀圈封堵时，而染液回流口与主缸之间被纱锭分隔，压缩空气只能穿过纱锭 后经过纱盘染液回流口由三级叶轮泵积水排放阀排走，达到脱水效果。

上述的榨水方法，具体包括如下步骤：

第一步、染纱机电脑执行榨水功能时，控制榨水装置处于榨水状态，设定榨水次数， 循环加压空气次数，榨水开始；

第二步、先关闭隔离阀（A1），阻止染液回流，延时设定时间，判断隔离阀（A1）的反 馈信息，如隔离阀不工作，则报警，如工作，进入下一步动作；

第三步、打开压缩空气榨水阀（K₁）进行加压，待加到设定的榨水压力，停止加压；

第四步、打开积水排放阀（K₂），进行排水，染缸压力降低至设定值后，关闭积水排放 阀（K₂），染纱机电脑判断加压空气次数是否达到设定值，若否，则返回第三步，若是，则 进入下一步；

第五步、完成设定榨水次数后，关闭积水排放阀。

上述的榨水方法中，榨水装置的综合阻尼及其榨水流量通过以下公式计算确定：

设R为榨水装置排水量，榨水流量Q有以下表达公式：

R=Qt

$Q_s={\mathrm{KD}}^2\sqrt{h_w\times {(P_w-P_f)}^2},$Q_s为榨水单位时间排水量

式中：R为榨水装置排水量(m³/h)，

Q为榨水装置流量(m³/h)，

t为榨水装置的排水时间，

K为流量系数取K=0.01～0.9，

D为阻尼孔孔径(m)，

h_w为差压值(mmH₂O)，

P_w为装置外压力(Kgf/cm²)，

P_f为装置内压力(Kgf/cm²)。

上述的榨水方法中，所述榨水装置榨水时的空气压力为0～10bar、榨水流量为 0.1～10m³/min，榨水时间为0～3min。

上述的榨水方法中，在榨水空气压力p作用下，纱锭压缩压力Ps增加，纱锭的孔隙率 减小，从而染液从纱锭中渗透流出，当榨水压力Ps把纱锭残留水压榨完后，榨水过程结束； 榨水过程的染液流动速度分别为V_r，V_θ通过二维理论榨水数学模型确定，

所述二维理论榨水数学模型的建立包括：设筒子纱锭内己完全充满饱和染液，己经进 入榨水工艺；纱锭充满染液与榨水压力接触形成相对压力差，染液通过水鼓流道流向沙盘， 由于沙盘压力小，因此在纱锭外表面与纱锭内部有很大压力，形成压差把水榨干；

纱锭同一横截面平面二维榨水数学模型中，设z为纱杆轴向、r为纱锭径向变量、θ为 纱锭横截面圆心角变量，在染液流动的速度分别为V_Z，V_r，V_θ，根据质量守恒定律，单位 时间内染液微流量变化体积的改变量等于单位时间内流进与流出该纱锭的染液量之差， 即

其中C——为z、r和θ的分量；

$\frac{{\partial V}_C}{\partial t}=V_r\mathrm{rd\theta dz}+V_{\theta }\mathrm{drdz}+V_z(r+\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}})\mathrm{d\theta dr}-(V_r+\frac{{\partial V}_r}{\partial r}\mathrm{dr})(r+\mathrm{dr})\mathrm{d\theta dz}+(V_z+\frac{{\partial V}_z}{\partial z}\mathrm{dz})(r+\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}})\mathrm{d\theta dr}$

按照一维榨水微分方程的推导方法，上式化简为

$\frac{{\partial V}_C}{\partial t}=C_{\mathrm{Vr}}(\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial r}^2}+\frac{1}{r}\frac{{\partial P}_L}{\partial r})+C_{\mathrm{V\theta }}\left(\frac{1}{r}\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial \theta }^2}\right)+C_{\mathrm{VZ}}\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial Z}^2})$

式中：$C_{\mathrm{Vr}}=\frac{K_r(1+e)}{{\mathrm{\mu a}}_V},$$C_{\mathrm{V\theta }}=\frac{K_{\theta }(1+e)}{{\mathrm{\mu a}}_V},$$C_{\mathrm{VZ}}=\frac{K_Z(1+e)}{{\mathrm{\mu a}}_V}$

其中：$\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial Z}^2}=0,$$\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial \theta }^2}=0$

假设筒子纱锭榨水中在空气压榨力的作用下，纱锭中的液体只沿半径方向流动，即孔 隙中液体压力只沿半径变化，其它方向上的液体压力无变化，则代入上式解得，

$\frac{{\partial P}_L}{\partial t}=C_{\mathrm{Vr}}(\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial r}^2}+\frac{1}{r}\frac{{\partial P}_L}{\partial r})$

上式即为二维榨水理论方程，物理意义是纱锭压榨过程中纱锭液体压力随纱锭圆周半 径随着时间变化而变化，根据边界条件：

r=r₂时，$\frac{{\partial P}_L}{\partial r}=0$

若忽略介质阻力，则

r=r₁时，P_L=0

由于筒式纱锭榨水机中纱锭液体压力呈对数函数分布，所以榨水的初始条件为：

r=0时，$P_L=P_C[1-\frac{\mathrm{In}\left(\frac{r}{r_2}\right)}{\mathrm{In}\left(\frac{r_1}{r_2}\right)}]$

该公式即榨水过程中纱锭液体压力随纱锭半径及时间变化的函数，

式中：

r₁—为筒子纱饱和初始榨水时的内径；

r₂—为筒子纱饱和初始榨水时的外径；

P_L—为纱锭介质压力；P_c为z、r、θ的压力分量之和。

与现已技术中的传统染纱机相比，本发明具有如下特点与优势：

1、榨水装置能对染色后的纱线进行一定程度的脱水，能节省纱线烘干的能源及时间， 起到节能环保的功能。纱线在染色时把超低浴比染纱机榨水装置旋转至正常染色状态，三 级叶轮泵吸入口正常开启三级叶轮泵形成循环状态，染液由吸入口进入三级叶轮泵增压后 经纱杆穿过纱锭染色。在榨水时，把超低浴比染纱机榨水装置旋转至榨水状态，三级叶轮 泵吸入口关闭三级叶轮泵形成单向状态，使用压缩空气把纱线的一部分水分榨走。

2、超低浴比染纱机榨水装置比传统翻转阀板式榨水装置能节约空间，达到不用增加浴 比的效果，按超低浴比染纱机与传统翻转阀板式榨水装置浴比1：3，降低到1：2.8，使用 超低浴比染纱机榨水装置浴比更少。

附图说明

图1是超低浴比染纱机榨水示意图，图中，P空气压力；Q榨水出口；水位显示标尺 T；NO循环次数；K₁压缩空气榨水阀；K₂积水排放阀。

图2超低浴比染纱机榨水装置结构原理图，图中，1气动旋转气缸；2传动轴；3摆臂； 4连杆；5半月形阀板；6套筒阀圈；7染色筒子缸；8上喇叭管座；9下喇叭管座；10导流 隔板；11三级叶轮泵高压水；12榨水回流水口；13榨水压缩气压；14榨水流出方向；15 染液回流方向；16染色高压水流方向。

图3是榨水装置结构图，其中，1气动旋转气缸；2传动轴；3摆臂；4连杆；6半圆 形套筒阀圈。

图4是榨水装置的处于关闭状态时的结构示意图，其中，1气动旋转气缸；2传动轴； 3摆臂；4连杆；6半圆形套筒阀圈；17底架；18三级叶轮泵。

图5是榨水装置处于开启状态时的结构示意图，其中，1气动旋转气缸；2传动轴；3 摆臂；4连杆；6半圆形套筒阀圈；17底架；18三级叶轮泵。

图6是纱锭榨水数学模型示意图。

图7是二维榨水状态数学模型。

图8是榨水装置的另一视角的结构示意图，其中，1气动旋转气缸；2传动轴；3摆臂； 4连杆；6半圆形套筒阀圈；17底架；18三级叶轮泵。

图9是具有榨水装置的超低浴比染纱机外形图，图中，1气动旋转气缸；4连杆；6 半圆形套筒阀圈；7染色筒子缸；8上喇叭管座；17底架；18三级叶轮泵；19锁圈；缸盖； 21重锤；22变频电机。

图10是超低浴比染纱机的纱杆、纱锭结构图。

图11是榨水装置染色工艺流程示意图，其中；1气动旋转气缸；7染色筒子缸；11三 级叶轮泵高压水；18三级叶轮泵；22变频电机；A1隔离阀；A2加压阀；A3压差表；A4压 缩空气榨水阀；A5积水排放阀；A6染色高压阀；A7榨水压缩阀；A8压差检测器；A9热交 换器温度检测控制；A12榨水回流水口；A13榨水压缩气压；A14榨水流出方向；A15染液 回流方向；A16染色高压水流方向；B1空气入口；B2空气出口；B热交换器；C压差检测 杆；D压缩空气罐；K压缩空气罐压力平衡装置；K1空气压力调节阀；K2热交换器染液输 出控制阀。

图12是榨水工艺的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护范围不限于 此。

榨水原理如图1所示，图1有空气压力输入管道P；排残留积水的榨水出口Q；水位显 示标尺T；循环次数NO；压缩空气榨水阀K₁；积水排放阀K₂。其中榨水工艺和染色工艺 中的流程如下：染色工序开始→进水→加染料→加元明粉→加纯碱→循环30min→脉流洗水 →水位排水→进水→皂洗→水位排水→榨水（压力脱水）→完成。本发明采用压力脱水实 现纱锭脱水，同时减少纱锭残留水有利于把前工序残留水甩干，达到水洗缩短洗涤时间。 当电脑给出榨水指令，打开压缩空气榨水阀K₁，2公斤空气压力通过空气压力输入管道P 输入到染缸，纱锭在空气压力下，通过纱线空隙流入到纱盘底座，打开积水排放阀，进行 排水，其中电脑给出榨水次数NO，控制压缩空气榨水阀K₁、积水排放阀K₂开关阀可进行 设定榨水次数的动作。

压力脱水即染色榨水，染色工艺称为榨水。电脑输入设定榨水参数，参数有榨水次数、 榨水时间、排水时间等。榨水开始先打开压缩空气榨水阀K₁，同时打开积水排放阀K₂，榨 水出口Q进行排积水，按标准的排水时间延时，到延时时间后，结束榨水功能。

榨水装置结构原理图如图2所示，所述榨水装置结构：主要组成部分有：气动旋转气 缸1、传动轴2、摆臂3；连杆4、半月形阀门板5和筒阀圈6。图中，还有染色筒子缸7； 上喇叭管座8；下喇叭管座9；喇叭管中的导流隔板10；三级叶轮泵高压水11；榨水回流 水口12；榨水压缩气压13；榨水流出方向14；染液回流方向15；染色高压水流方向16。

所述榨水装置结构图3、图8所示，榨水装置结构图主要部件有：气动旋转气缸1（用 作动力源）；传动轴2；摆臂3（用于传递动力）；连杆4；半月形阀门板5；套筒阀圈6。该 榨水装置连接关系是套筒阀圈6用于打开或关闭榨水入水口，可由四个半月形阀门板及连 杆4连接组成。连杆4起到传递动力作用，由摆臂3传递动力，传动轴2连接气动旋转气 缸1产生榨水开合排水作用。

如图4所示，为榨水处于关闭状态时的结构示意图：染纱机需转换至正常染色状态时， 染纱机电脑指令通过电磁阀给4bar压缩空气到榨水装置的气动旋转气缸，气动旋转气缸带 动摆臂及连杆把动力传递至套筒阀圈，套筒阀圈转动封堵在三级叶轮泵4个吸入水口的4 件半月形阀板移开，三级叶轮泵吸入水口与主缸联通，主缸染液通过吸入水口进入三级叶 轮泵形成循环状态，染液由吸入口进入三级叶轮泵增压后经纱杆穿过纱锭染色。

如图5所示，为榨水处于开启状态时的示意图：染纱机需转换至榨水状态时，染色机 电脑指令通过电磁阀给4bar压缩空气到榨水装置的气动旋转气缸，气动旋转气缸带动摆臂 及连杆把动力传递至套筒阀圈，套筒阀圈转动用4件半月形阀板封堵住三级叶轮泵4个吸 入水口，截断三级叶轮泵入水口与主缸的联通，主缸染液、压缩空气不能通过吸入水口进 入三级叶轮泵形成断路状态。电脑控制给主缸加压缩空气至3bar，然后打开三级叶轮泵排 水阀门（积水排放阀），压缩空气通道只能通过纱盘染液回流口与染色机主缸之间连通，当 三级叶轮泵吸入水口已给套筒阀圈封堵时，而出水口与主缸之间被纱锭分隔，压缩空气只 能穿过纱锭后经过纱盘染液回流口由三级叶轮泵排水阀门（积水排放阀）排走，当压缩空 气穿过纱锭时把纱线纤维内的水分一起带走，达到脱水效果。

下面再结合附图对本发明采用的超低浴比染纱机的榨水装置数学模型作详细说明。

流体动力学方程是研究流体的流动状态、运动规律、能量转换以及流体与固体壁面间 的相互作用力等问题的方程，包括连续性方程、伯努利方程和动量方程等三大方程，他们 分别解释了流体的质量、能量及动量的关系与规律。其中的伯努利方程，用能量守恒定律 解决了液体的流动问题，在液体动力学中占据重要地位，引申到其他流体，如气体和空气 等，伯努利方程也同样适用。所以流体力学与人类日常生活和生产事业密切相关。流体力 学既包含了自然科学的基础理论，又涉及到了工程技术科学方面的应用。

帕斯卡定律：加在静止的液体或气体上的外部压强，能够大小不变地由液体或气体 向各方传递。如果作用于面积为S₁的桩体或气体表面的外力是F₁，则作用于面积为S₂的表 面上的力将是F₂，并且

$\frac{F_1}{S_1}=\frac{F_2}{S_2}=P$

式中P是液体或气体的压强(作用于单位面积的力)。

静止流体的压强：如果均匀的液体或气体处于引力场之中，并且流体中B点的位置 低于A点，则

P_B=P_A+ρg(h_A-h_B)

式中P_A和P_B是A点和B点的压强；h_A-h_B是这两点的高度差；ρ是是液体或气体的密度。

伯努利方程揭示了液体流动过程中的能量变化规律。流动的液体不仅具有压力能和位 能，而且由于它有一定的流速，因而还具有动能。如图6所示，假定理想液体(没有粘性、不 可压缩的假想液体)在管道中作恒定流动(压力、流速和密度不变化的流动形式)，得其理想 形式为

$P_A+{\mathrm{\rho gh}}_1+\frac{{\mathrm{\rho v}}_1^2}{2}=P_B+{\mathrm{\rho gh}}_2+\frac{{\mathrm{\rho v}}_2^2}{2}$

其中：P_A、P_B一过流断面(液体在管道中流动时，垂直于流动方向的截面)ⅠⅡ处的压 力(液压传动中压力即为物理学中的压强)；

ν₁、ν₂一过流断面ⅠⅡ处的流量；

h₁、h₂一过流断面ⅠⅡ处距基准液面的高度(通常研究时，取特殊位置水平面作为基准 面)；

ρ、g一液体的密度和重力加速度。

此公式的意义为在密闭管道内作恒定流动的理想液体，其三种形式的能量在流动过程 中可以相互转化，但各个过流断面上能量之和恒为定值。实际流动液体因为有粘性，所以 流动过程中会产生摩擦力，具有能量损失；同时管道的尺寸和形状变化都会使液流产生扰 动，也引起能量损失。

超低浴比染纱机榨水装置榨水流量：超低浴比染纱机榨水装置在实际染色工艺中，控 制染液流速是按照伯努利方程标准流量公式结合榨水装置中的比流量来设计。在榨水装置 试验时。调整阻尼孔直径相当繁复，须反复试验确定。又实际流动液体在过流断面上流速(单 位时间内流过某一过流断面的液体体积)不均匀，若用平均流速计算，必然会产生误差，需 要加一个修正系数K值。因此，实际液体的伯努利方程加以调整。为了控制榨水装置的榨 水流量以及在装置中的阻尼，因此，榨水装置的综合阻尼及其榨水流量可以通过以下公式 计算：

设R为榨水装置排水量，榨水流量Q有以下表达公式。

R=Qt

$Q_s={\mathrm{KD}}^2\sqrt{h_w\times {(P_w-P_f)}^2}$

式中：R为榨水装置排水量(m³/h)

Q为榨水装置流量(m³/h)

t为装置前的流体时间

K为流量系数取K=0.01～0.9

D为阻尼孔孔径(m)

h_w为差压值(mmH₂O)

P_w为装置外压力(Kgf/cm²)

P_f为装置内压力(Kgf/cm²)

所述应用上述公式计算值涵盖所有筒子缸染纱机的榨水流量参数，在实际榨水装置的 孔直径阻尼，试验验证：以1-3MPa、0.1～10m³/min的参数在高温高压染纱机装置中使用， 榨水时间为1min至3min时，榨水装置运行正常。

二维榨水理论：筒子纱榨水机中纱锭纱锭榨水数学模型如图6所示，在榨水空气压力p 作用下，压缩压力Ps增加，纱锭的孔隙率减小，从而液体从纱锭中渗透流出。当榨水压力 Ps把纱锭残留水压榨完后，榨水过程结束。

二维理论榨水数学模型建立：设筒子纱锭内己完全充满饱和染液，己经进入榨水工艺。 纱锭充满染液与榨水压力接触形成相对压力差，染液通过水鼓流道流向沙盘，由于沙盘压 力小，因此在纱锭外表面与纱锭内部有很大压力，形成压差把水榨干。根据图6的形状假 设同一平面二维榨水的数学模型条件。为表示中心进水的纱锭圆筒均等，采用图7纱锭榨 水状态示意图来表示。

假设同一平面二维榨水数学模型用图7二维榨水状态数学模型来建立，取如图7所示， 设在z(纱杆轴向)、r(纱锭径向)、θ(纱锭横截面圆心角方向)上染液流进的速度分别为V_Z，V_r， V_θ，根据质量守恒定律，单位时间内染液微流量变化体积的改变量等于单位时间内流 进与流出该纱锭的染液量之差，即

其中C——为z、r和θ的分量；

$\frac{{\partial V}_C}{\partial t}=V_r\mathrm{rd\theta dz}+V_{\theta }\mathrm{drdz}+V_z(r+\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}})\mathrm{d\theta dr}-(V_r+\frac{{\partial V}_r}{\partial r}\mathrm{dr})(r+\mathrm{dr})\mathrm{d\theta dz}+(V_z+\frac{{\partial V}_z}{\partial z}\mathrm{dz})(r+\frac{\mathrm{dr}}{\mathrm{dt}})\mathrm{d\theta dr}$

按照一维榨水微分方程的推导方法，上式化简为

$\frac{{\partial V}_C}{\partial t}=C_{\mathrm{Vr}}(\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial r}^2}+\frac{1}{r}\frac{{\partial P}_L}{\partial r})+C_{\mathrm{V\theta }}\left(\frac{1}{r}\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial \theta }^2}\right)+C_{\mathrm{VZ}}\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial Z}^2})$

式中：$C_{\mathrm{Vr}}=\frac{K_r(1+e)}{{\mathrm{\mu a}}_V},$$C_{\mathrm{V\theta }}=\frac{K_{\theta }(1+e)}{{\mathrm{\mu a}}_V},$$C_{\mathrm{VZ}}=\frac{K_Z(1+e)}{{\mathrm{\mu a}}_V}$

其中：$\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial Z}^2}=0,$$\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial \theta }^2}=0$

根据二维榨水的定义，假设筒子纱锭榨水中在空气压榨力的作用下，纱锭中的液体只 沿半径方向流动，即孔隙中液体压力只沿半径变化，其它方向上的液体压力无变化，则代 入上式解得，

$\frac{{\partial P}_L}{\partial t}=C_{\mathrm{Vr}}(\frac{{\partial }^2{P}_L}{{\partial r}^2}+\frac{1}{r}\frac{{\partial P}_L}{\partial r})$

上式即为二维榨水理论方程，物理意义是纱锭压榨过程中纱锭液体压力随纱锭圆周半 径随着时间变化而变化。根据图6和图7可知边界条件：

r=r₂时，$\frac{{\partial P}_L}{\partial r}=0$

若忽略介质阻力，则

r=r₁时，P_L=0

由于筒式纱锭榨水机中纱锭液体压力呈对数函数分布，所以榨水的初始条件为：

r=0时，$P_L=P_C[1-\frac{\mathrm{In}\left(\frac{r}{r_2}\right)}{\mathrm{In}\left(\frac{r_1}{r_2}\right)}]$

该公式即榨水过程中纱锭液体压力随纱锭半径及时间变化的函数。

式中：

r₁—为筒子纱饱和初始榨水时的内径；

r₂—为筒子纱饱和初始榨水时的外径；

P_L—为纱锭介质压力；P_c为z、r、θ的压力分量之和。

具有榨水装置的超低浴比染纱机外形图如图9所示。缸盖20和锁圈19用于锁定缸盖， 缸盖与缸身配合使染缸筒体形成密闭容器，安全联锁保护是用于缸盖和缸身配合形成染缸 筒体密闭容器，安全联锁使到操作者在确认缸盖安全与缸身安全联锁的装置。重锤21提供 缸盖开盖时的平衡力矩。染色筒子缸7储存被染织物和染液的容器作用。三级叶轮泵18提 供染纱机染液循环所需动力。底架17作用是支撑三级叶轮泵与电机的基础，起到定位主缸 身作用。加料泵提供溶液注入到主缸时的动力，副缸是储存高浓度染料、助剂的容器，待 需要时，把溶液通过加料泵输送到主缸中，搅拌器使染料充分溶解，使其均匀，喉路是使 染液输送到所需位置。

本榨水装置可用于发明专利“一种超低浴比染纱机的纱架装置”（中国发明专利，专 利号ZL201110233378.2）。纱架包括纱架吊杆、纱盘、纱杆、水鼓，且纱杆套筒周边有开 孔；纱杆内部有纱杆水鼓；沙盘上表面为圆盘状，沙盘下端为空腔结构。改进的光身水鼓 （即纱杆），这种设计的不足是纱杆套筒周边开孔产生染液流动阻力，直接影响染液冲击 纱锭使到染色效果没有得到最大效率节能。早期设计的筒子纱染纱机纱架染液流动过程为： 沙盘下端底部与染纱机的中心座连接，染液从底部流进纱盘座，沙盘上表面设有沙盘出水 孔、沙盘回水孔和吊杆孔座，吊杆孔座设置在沙盘中心上，纱杆固定在沙盘上表面的盘出 水孔中，纱杆为空心的筒体结构。

所述纱杆、纱锭结构图如图10所示。本榨水装置在原有的专利技术基础上，把纱杆作 为榨水装置其中一个部件。所述纱杆取消了套筒，纱锭堆叠在纱杆的外侧上沿不同高度水 平截面的圆周上层叠出一个没有套筒的纱杆，纱杆上安装一个重力锁头的碟片锁盖，使到 纱杆在纱锭堆叠中锁紧压实，纱杆纵面上形成空心水柱包含光身水鼓，使到染液经过纱锭 到纱笼外边达到节能效果。改进的染纱机的光身水鼓（纱杆不再是开孔的套筒）为空心或 实心结构，浴比从原来1公斤纱锭需要大于5公斤水，改变为1：3，光身水鼓使到染色阻 力减少，染色质量稳定，控制效果好。

如图11，为带有榨水装置的超低浴比染纱机的染色工艺流程示意图。图中有：气动旋 转气缸1；染色筒子缸7；三级叶轮泵高压水11；榨水回流水口A12；榨水压缩气压A13； 榨水流出方向A14；染液回流方向A15；染色高压水流方向A16；三级叶轮泵18；变频电机 22；隔离阀A1；加压阀A2；压差表A3；榨水空气阀A4；积水排放阀A5；染色高压阀A6； 榨水压缩阀A7；压差检测器A8；热交换器温度检测器A9；空气入口B1；空气出口B2；热 交换器B；压差检测器C；压缩空气罐D；K压缩空气罐压力平衡装置；K1空气压力调节阀 1；K2热交换器染液输出控制阀。所述的榨水工艺动作过程是：先关闭隔离阀A1，延时10s； 判断隔离阀A1的反馈信息，如不工作，则报警，如接通，进入下一步动作，打开加压阀A2 进行加压，待加到设定的榨水压力（在机械常数可设定，一般设定2.5bar），停止加压。打 开积水排放阀A5，进行排水。排至0.2bar后，关闭压缩空气榨水阀A4。按设定的次数， 循环加压、榨水。待完成设定的次数后，打开积水排放阀A5进行排积水，按标准的排水时 间延时间到，则结束榨水功能，进入下一步染色工艺。

图12是电脑控制榨水程序流程图。

第一步、染纱机电脑执行榨水功能时，控制榨水装置处于榨水状态，设定榨水次数， 循环加压空气次数，榨水开始；

第二步、先关闭隔离阀A1，阻止染液回流，延时10秒，判断隔离阀A1的反馈信息， 如隔离阀不工作，则报警，如工作，进入下一步动作；

第三步、打开压缩空气榨水阀K₁进行加压，待加到设定的榨水压力（一般设定2.5bar）， 停止加压；

第四步、打开积水排放阀K₂，进行排水，染缸压力降低至设定值（如0.2bar）后，关 闭积水排放阀K₂，染纱机电脑判断加压空气次数是否达到设定值，若否，则返回第三步， 若是，则进入下一步；

第五步、完成设定榨水次数后，关闭积水排放阀。

本发明结构简单，且能降低染料、助剂、能源、水资源的消耗，提高染色效率。榨水 装置能对染色后的纱线进行一定程度的脱水，能节省纱线烘干的能源及时间，起到节能环 保的功能。