长绒棉提净式籽棉清理机关键部件设计与分析.pdf

中国棉花加工2024年第1期一、引言长绒棉纤维长度一般为33 mm39 mm，具有强力高、线密度细、成熟度好、短纤维含量低等特点，在全球棉花市场中被誉为“棉中极品”。新疆干旱少雨、热量资源丰富、昼夜温差大，独特的自然生态条件有利于长绒棉的生长，成为我国长绒棉唯一种植区域，有着“长绒棉之乡”的美誉。长绒棉是高档服饰、家纺制品的主要原材料，虽然价格高，但是手感、舒适感也更强。长绒棉棉铃较小、铃尖易扎手，早期人工采收比较困难，采摘成本较高，种植面积逐年下降，但随着人们生活水平的不断提高，对高端纺织品的需求量越来越大，长绒棉市场长期处于供不应求的状态。近几年，新疆地区尝试使用机械化采收长绒棉。然而，由于缺乏成熟的机型，因此，相关技术人员只能通过调整现有采棉机高度位置、采摘速度、摘锭转速等参数对长绒棉进行机械化采摘。因为长绒棉纤维柔长、与铃壳纠缠紧，所以目前的机械化采收长绒棉含杂率严重超高（如图1），为此需要研发新型的棉花加工设备对长绒棉进行有效的清铃除杂。本文通过对比分析长绒棉与细绒棉的自身特性对清杂效果的影响，借鉴现有提净式籽棉清理机的结构和工作原理，对长绒棉提净式籽棉清理机关键部件进行理论计算分析，为后续机采长绒棉提净式籽棉清理机的研发提供建议与思路。a机采细绒棉b机采长绒棉图1机采细绒棉与机采长绒棉对比图长绒棉提净式籽棉清理机关键部件设计与分析吴杰1毕新胜1高海强2林慧3刘文普2姜恒11.石河子大学，新疆 石河子 8320002.山东天鹅棉业机械股份有限公司，山东 济南 2500323.新疆生产建设兵团第八师石河子市农牧业机械化技术培训站，新疆 石河子 832000摘要：长绒棉品质优良，是高端纺织品的主要原料。然而，由于其纤维柔长，与铃壳等杂质附着力强，纠缠紧，导致现有提净式籽棉清理机清铃效果差，在籽棉预处理阶段，纤维损伤最大，严重影响后续轧花过程和皮棉品质。为了适应长绒棉机械化采收要求，本文通过对比分析长绒棉与细绒棉的特性，同时借鉴现有提净式籽棉清理机的结构和工作原理，对长绒棉提净式籽棉清理机U形齿条等关键部件进行了理论计算分析，为长绒棉提净式籽棉清理机的设计研发提供思路。关键词：长绒棉；籽清机；纤维损伤；籽棉特性加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用19中国棉花加工2024年第1期二、长绒棉与细绒棉特性对比分析现有提净式籽棉清理机的除杂效率和纤维损伤主要与纤维的抱合力和强度相关，不同种类的棉花，抱合力和强度也不同。棉纤维纵向呈现天然的扁平的转曲形态，其中转曲的数量和角度是影响纤维抱合力的主要因素之一。转曲数量和角度越大，抱合力也越大，在棉纺加工中越不容易产生破棉网、破卷等现象，有利于提高纤维的纺纱工艺与成品质量。然而，抱合力越大，纤维之间越不容易松散，纤维与杂质之间纠缠得越紧。研究表明，因为新疆长绒棉纤维的转曲数量和角度多于细绒棉，所以长绒棉纤维的抱合力更大，清理除杂过程中更加困难。纤维强度是指纤维在拉断时所能承受的最大负荷，纤维强度越高，在清理加工过程中越不容易发生断裂，纤维强度受温度、含水率、品种等多种因素影响。在其他条件相同的情况下，长绒棉的断裂比强度一般为4 cN/tex5 cN/tex，而细绒棉的断裂比强度一般为3 cN/tex4.5 cN/tex。相较于细绒棉，长绒棉断裂比强度更高，在籽棉清理除杂过程中能够承受的拉断力更大。三、棉纤维损伤分析通过使用细绒棉预处理设备进行了机采长绒棉清理加工后品质对比实验，结果见表1。在整个长绒棉预处理过程中，虽然提净式籽棉清理机清杂效率最高，但纤维损伤也最大，纤维长度减少了2.2 mm。为了保证长绒棉品质，有必要对提净式籽棉清理机的结构和工作原理以及棉纤维损伤原因进行分析。表1机采长绒棉经清理设备清理后品质对比项目平均长度/mm平均含杂率/%籽棉原籽棉41.411.9倾斜式籽清机40.910.4提净式籽清机38.77.5倾斜式籽清机37.94.0回收式籽清机36.52.8（一）提净式籽棉清理机结构和工作原理提净式籽棉清理机主要用于清除棉铃、棉壳等体积较大的杂质。现有提净式籽棉清理机结构组成基本相同，一般由除铃壳机和除棉秆机两部分组成，其上部是除铃壳机，主要由大U形齿条辊、刷棉辊、抛掷式输送器等组成；下部是除棉秆机，主要由U形齿条辊、刷棉辊、格条栅及排杂绞龙等组成，其结构如图2所示。提净式籽棉清理机主要通过阻铃板阻隔和钢丝刷变形过程阻挡并剥落棉铃、棉壳等体积较大的杂质，通过U形齿条辊转动产生的惯性离心力并与排杂棒、格条栅摩擦撞击分离碎叶、沙土等体积较小的杂质。1234567891011121314151617181、2、3.抛掷式输送器；4.翻板；5.阻铃板；6、10、12.钢丝刷；7.排杂棒；8.大U形齿条辊；9、13、15.刷棉辊；11、14、16.工作辊；17.格条栅；18.排杂绞龙图2提净式籽棉清理机结构图（二）纤维损伤原因分析笔者认为籽棉经过提净式籽棉清理机清理后造成纤维损伤大的主要原因有以下三种：1.部分棉纤维在倾斜式籽棉清理机清理时虽然未发生断裂，但其内部结构已经遭到破坏，导致纤维强力大大减弱，为此在经过提净式籽棉清理机时更容易发生断裂。2.棉纤维经过锯齿多次强烈的钩拉作用导致纤维损伤。3.籽棉与排杂棒、格条栅的猛烈撞击产生的力大于纤维自身的强力，导致纤维发生断裂。为了提高提净式籽棉清理机的清杂效率并减少对长绒棉纤维的损伤，有必要设计一种适用于长绒棉清铃除杂的提净式籽棉清理机。四、长绒棉提净式籽棉清理机结构设计探讨（一）国内外研究现状为了适应机采长绒棉清铃除杂，国内外相关人员对提净式籽棉清理机的结构进行了不同的设计和改造。C.B.Armijo等人对原有的长绒棉提净式籽棉加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用20中国棉花加工2024年第1期清理机进行了改进，他们在刷棉辊后方增加了楔形件以减小落棉损失，在回收辊下方新增了格条栅以提高清杂效率，结构如图3所示。刘文普等人设计了一种三辊提净式籽棉清理机，该籽清机由一个U形齿条辊、一个刷棉辊、一个回收锯齿辊组成，其结构简单，对长绒棉纤维的损伤较小，结构示意如图4所示。123456b改造后a原机1.齿条辊；2.刷棉辊；3.钢丝刷；4.排杂棒；5.楔形件；6.格条栅图3长绒棉提净式籽棉清理机改造前后对比123456781.阻铃板；2.大U形齿条辊；3.刷棉辊；4.回收锯齿条辊；5.格条栅；6.排杂绞龙；7.排杂棒；8.钢丝刷图43辊提净式籽棉清理机（二）U形齿条的理论计算分析为了减小锯齿钩拉造成的长绒棉纤维损伤，国内外设计的长绒棉提净式籽棉清理机齿条辊的数量要少于普通提净式籽棉清理机。由于齿条辊数量的减少会降低其除杂效率，因此，通过对杂质和籽棉运动时的受力分析，对提净式籽棉清理机的关键结构进行设计用来提高清杂效率。图5表示锯齿的几个重要参数，其中表示工作角，较大时，锯齿的穿刺力和抓取力较强；表示齿尖角，较大时，齿强度较高；表示内角，越大，可容纳纤维的能力较强；l表示齿距，l较大时，锯齿钩住籽棉的能力强。l图5锯齿重要参数提净式籽棉清理机对长绒棉进行清理除杂时，杂质受到离心力F和附着力Ff作用。其中：F=mv2r=m2r=m(2n60)2r（1）式中：m杂质质量，kg；n齿条辊转速，r/min；r旋转半径，m。通过对杂质受力分析表明，当提高齿条辊的转速并增大辊筒半径时，离心力会增大，有利于长绒棉的清理除杂；但辊筒半径越大，齿条辊承受的应力也越大，对齿条辊本身、轴承、轴承座等机械结构的强度要求越高。进行齿条辊设计时，应在满足机械强度要求的前提下提高辊筒转速，使杂质的离心力大于附着力，实现高效率的除杂。为了减少落棉损失、提高刷棉效率并减少纤维损伤，有必要对长绒棉的运动过程进行受力分析。长绒棉在齿条辊旋转的过程中受到重力G、支持力N、摩擦力f、空气阻力Fw以及离心力F的共同作用，如图6所示。只有当籽棉与锯齿的摩擦力f大于离心力、重力以及空气阻力形成的滑脱力F1时，长绒棉才能被锯齿牢固抓住。fF1（2）F1=Fcos-Gcos-Fwsin（3）f=(Fwcos+Fsin-Gsin)（4）F=mv2r（5）Fw=12CSV2（6）式中：工作角，；重力与摩擦力夹角，；m籽棉质量，kg；v线速度，m/s；r齿条辊半径，m；c空气阻力系数；s籽棉迎风面积，m2；空气密度，kg/m3。加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用21中国棉花加工2024年第1期由公式（2）（3）（4）（5）（6）可知，籽棉的滑脱力与工作角、籽棉质量、齿条辊半径、籽棉所处位置、旋转速度、籽棉迎风面积等相关。锯齿的工作角是影响滑脱力的主要因素之一，由于工作角越大，滑脱力越小，籽棉越不容易滑脱，但随着工作角的增大，齿尖角和内角也会减小，导致锯齿强度和工作效率降低，因此设计齿条时工作角不应过大。摩擦力不仅与上述因素相关，还与棉花种类相关，不同种类的棉花摩擦系数也不同。在相同的条件下，长绒棉与锯齿的摩擦力比细绒棉大，被锯齿抓得更紧，可以增大锯齿转速，提高除杂效率。在籽棉旋转的过程中，籽棉所处的位置在不断变化，而籽棉所处的位置决定了重力与摩擦力夹角的大小。当=90时，如图6位置二所示，摩擦力达到最小值；当=180时，如图6位置三所示，滑脱力达到最大值。当籽棉旋转到这两个位置时最容易脱落，同时也是刷棉辊刷棉效率最高、纤维损伤最小的位置；但因为位置二是籽棉刚进入除杂阶段，不适合刷棉，所以位置三是刷棉辊刷棉的最佳位置。位置一位置二位置三位置四FwNFfFwNFfFwNFfFwNF（）f图6不同位置籽棉受力示意图五、建议通过上述分析，对长绒棉的清理和长绒棉提净式籽棉清理机的设计提出以下四点建议。（一）清理前进行开松处理由于长绒棉纤维与杂质之间抱合力较大，纠缠紧密，因此在进入提净式籽棉清理机前应进行开松处理，使杂质充分暴露在籽棉表面，减小纤维与杂质之间的附着力，从而提高清杂效率。（二）合理设计齿条辊利用齿条辊旋转产生的离心力抛除杂质，是杂质分离的主要方式。为了减少锯齿钩拉对长绒棉纤维造成的损伤，应尽量减少齿条辊的数量，同时，可以适当提高转速并增大辊筒直径，以增加离心力，从而提高清铃效果。在不影响锯齿强度和工作效率的情况下，增大锯齿工作角，减少落棉损失。（三）合理布局齿条辊和刷棉辊的相对位置及时将籽棉从锯齿上刷落是减小纤维损伤的重要方式。当籽棉与锯齿摩擦力最小时，籽棉最容易滑落，也是刷棉辊刷棉的最佳时机，齿条辊和刷棉辊的布局如图7所示。121.齿条辊；2.刷棉辊图7齿条辊和刷棉辊的相对位置（四）设计合理的排杂区域排杂区域小，则排出的铃壳等杂质容易被齿条钩住，重回籽棉流中；排杂区域大，则不利于排出籽棉的回收，造成不必要的损失。六、总结本文通过对比长绒棉和细绒棉的物理特性，分析了籽棉纤维损伤的原因，并对提净式籽棉清理机关键部件进行理论计算分析，提出了针对性的建议。研究结果为机采长绒棉提净式籽棉清理机的研发提供了思路，有助于减少长绒棉纤维损伤，提高皮棉品质，促进我国长绒棉产业全程机械化发展，提高广大棉农和棉花加工行业的经济利益和社会效益。加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用加工技术与应用22