梁后軍++++謝睿++++周萬(wàn)懷++++劉從九++++徐守東+++李浩+++常郝

摘要

本文研究了機(jī)采棉加工過(guò)程中棉纖維長(zhǎng)度、短纖維含量隨加工工序的變化情況。棉花加工過(guò)程的主要作用是分離皮棉與棉籽及清理雜質(zhì)。清理雜質(zhì)可提升皮棉的品質(zhì)，提高棉花定級(jí)、定價(jià)；但雜質(zhì)清理過(guò)程也會(huì)造成棉花纖維損傷、棉纖維平均長(zhǎng)度下降、短纖維比重升高等。本研究以新疆地區(qū)機(jī)采棉為研究對(duì)象，選用當(dāng)前主流的鋸齒加工設(shè)備，在每道工序前后設(shè)置取樣點(diǎn)，以HVI1000檢測(cè)每道工序前后的纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度及短纖維指數(shù)這3個(gè)重要指標(biāo)。研究結(jié)果表明，現(xiàn)行鋸齒加工系統(tǒng)對(duì)纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度及短纖維指數(shù)的絕對(duì)值或相對(duì)值影響不大，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看變化顯著。

關(guān)鍵詞：機(jī)采棉；棉纖維長(zhǎng)度；長(zhǎng)度整齊度；短纖維指數(shù)；HVI1000

1 引言

新疆是我國(guó)重要的棉花生產(chǎn)基地，整個(gè)新疆棉花年產(chǎn)量約占全國(guó)棉花產(chǎn)量的60%[1]，因此新疆棉花的種植與加工對(duì)我國(guó)棉花產(chǎn)業(yè)有舉足輕重的影響。當(dāng)前新疆地區(qū)棉花加工廠生產(chǎn)出的皮棉雖然能在數(shù)量和質(zhì)量上基本滿(mǎn)足紡織行業(yè)的需求，但仍存在一些不足[2]。例如，現(xiàn)有的棉花加工系統(tǒng)所有參數(shù)都是事先設(shè)定好的，不能隨籽棉的含雜率、回潮率、喂花量等指標(biāo)的改變而動(dòng)態(tài)、智能地改變，已有多項(xiàng)研究表明含雜率、回潮率的高低對(duì)皮棉的品質(zhì)有顯著影響，因而有必要設(shè)計(jì)更加靈活、智能的皮棉加工系統(tǒng)；另一方面，軋花廠為追求高產(chǎn)出率、提高棉花的顏色級(jí)而過(guò)度清理，導(dǎo)致所軋制出的皮棉纖維產(chǎn)生一定程度的機(jī)械損傷，纖維平均長(zhǎng)度偏短、短纖維指數(shù)偏高，降低了棉花的使用價(jià)值。

高檔紡織品需要高質(zhì)量的紗線，紡優(yōu)質(zhì)紗線需選用棉纖維等級(jí)、長(zhǎng)度、單纖維強(qiáng)度和短絨指數(shù)等指標(biāo)較好的優(yōu)質(zhì)原棉。原棉的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)除受品種、產(chǎn)地及存儲(chǔ)過(guò)程不同的影響外，還與軋花、清雜的加工系統(tǒng)有很大關(guān)系。因此，研究原棉的各項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)與加工工藝過(guò)程的關(guān)系，進(jìn)而改進(jìn)加工過(guò)程、提升棉纖維的品質(zhì)越來(lái)越重要和迫切。

為此，本文從南疆和北疆各選兩個(gè)軋花廠為試驗(yàn)場(chǎng)地，以機(jī)采棉加工為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)采棉加工全過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)棉纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度及短纖維指數(shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究。取得的成果，將在一定程度上對(duì)我國(guó)機(jī)采棉加工工藝的改進(jìn)及智能化起到促進(jìn)作用，對(duì)規(guī)范機(jī)采棉加工工藝和設(shè)備配置、提升機(jī)采棉加工品質(zhì)，具有重要的參考意義。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)樣品

經(jīng)前期調(diào)研和分析，結(jié)合我國(guó)目前機(jī)采棉加工主流機(jī)型及工藝流程，基于地理位置（地域涵蓋南北疆）、加工設(shè)備完整性（四道籽清、三道皮清）和代表性等因素，確定在新疆機(jī)采棉種植區(qū)域選取4個(gè)設(shè)備齊全、加工工藝能代表我國(guó)機(jī)采棉加工總體水平的機(jī)采棉加工廠（南疆和北疆各兩個(gè)）作為取樣單位。其中，南疆選擇了新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師（阿拉爾）13團(tuán)棉花加工廠、第二師（庫(kù)爾勒）29團(tuán)棉花加工廠，北疆選擇了第七師（奎屯）125團(tuán)棉花加工廠、第八師（石河子）149團(tuán)棉花加工廠。每個(gè)取樣點(diǎn)選擇一個(gè)生產(chǎn)工藝最為完備的加工廠，每個(gè)加工廠選取5個(gè)棉模；分別在生產(chǎn)線上設(shè)置9個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)棉模對(duì)應(yīng)的每個(gè)取樣點(diǎn)重復(fù)取樣6次；每個(gè)廠區(qū)總計(jì)樣品量270個(gè)。

2.2 試驗(yàn)儀器

瑞士烏斯特公司（Uster Technologies）生產(chǎn)的大容量棉花纖維檢測(cè)儀（High Volume Instrument，HVI1000）。HVI1000是全球公認(rèn)的棉花分級(jí)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器[3，4]，每個(gè)樣品平均測(cè)試用時(shí)≤1min，檢測(cè)指標(biāo)多達(dá)17項(xiàng)，工作溫度（20±2）℃，工作濕度（65±3）%。HVI測(cè)試法的基本原理是利用光學(xué)纖維照影對(duì)纖維長(zhǎng)度進(jìn)行判定。光學(xué)模塊根據(jù)纖維光通量的變化，通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，獲得比較精確的照影儀曲線，從而計(jì)算出纖維的長(zhǎng)度指標(biāo)。

2.3 測(cè)試

對(duì)于籽棉樣品，首先對(duì)其進(jìn)行試軋，保留試軋雜質(zhì)、棉籽和皮棉；對(duì)所抽取的籽棉樣品均進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試軋，每份樣品試軋1kg。試軋機(jī)選用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定且通過(guò)纖維檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)當(dāng)年檢定的鋸齒衣分試軋機(jī)，同一廠區(qū)的籽棉樣品使用同一臺(tái)試軋機(jī)試軋。對(duì)于皮棉樣品，供HVI檢測(cè)分析的樣品為100g。樣品稱(chēng)量采用HZY-B（美國(guó)華志）高精度天平，量程3200g、精度0.01g。主要檢測(cè)指標(biāo)是纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度及短纖維指數(shù)。

2.4 差異分析

數(shù)據(jù)分析主要采用盒圖和t檢驗(yàn)法。盒圖直觀、清晰，t檢驗(yàn)法從統(tǒng)計(jì)學(xué)原理上判斷兩組數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確的、量化的差異，二者相互補(bǔ)充。

2.4.1 盒圖

盒圖是美國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)家約翰·圖基（John Tukey）在1977年由發(fā)明的，由最小值、下四分位數(shù)（Q1）、中位數(shù)、上四分位數(shù)（Q3）及最大值5個(gè)數(shù)值點(diǎn)組成。也可以往盒圖里面加入平均值。本文中，盒圖中的平均值用藍(lán)色菱形表示，菱形的中心所對(duì)應(yīng)的值就是平均值。由于現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)中總是存在各式各樣的“臟數(shù)據(jù)”（異常數(shù)據(jù)），為了不因這些少數(shù)的離群數(shù)據(jù)導(dǎo)致整體特征的偏移，這些離群點(diǎn)被單獨(dú)繪出（本文中用“+”表示）。上四分位數(shù)Q3與下四分位數(shù)Q1之間的距離：Q3-Q1記為IQR，稱(chēng)為四分位間距，若數(shù)據(jù)小于Q1-1.5×IQR或大于Q3+1.5×IQR，就認(rèn)為它是疑似異常值。

2.4.2 t檢驗(yàn)

t檢驗(yàn)主要用于樣本含量較小、總體標(biāo)準(zhǔn)差σ未知的正態(tài)分布，是用t分布理論來(lái)推論差異發(fā)生的概率，從而比較兩個(gè)平均數(shù)的差異是否顯著。檢驗(yàn)結(jié)果中的關(guān)鍵指標(biāo)是P值，P>a（顯著性水平）表明兩組數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異，反之差異顯著。本文使用t檢驗(yàn)分析加工前后棉纖維的長(zhǎng)度、整齊度及短纖維指數(shù)是否發(fā)生了統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著變化。

3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析包括使用盒圖直觀展示3種指標(biāo)隨加工工序的變化趨勢(shì)以及使用t檢驗(yàn)分析加工前后各指標(biāo)是否發(fā)生了顯著變化。

3.1 纖維長(zhǎng)度

圖1是4個(gè)加工廠纖維長(zhǎng)度與加工工序之間的關(guān)系。盒圖上下的“+”號(hào)表示異常數(shù)據(jù)，盒體（矩形框）中的菱形表示均值，橫線表示中位數(shù)，由于一批數(shù)據(jù)的均值與中位數(shù)一般相差不大，因此二者離得很近。由圖1可見(jiàn)，4個(gè)加工廠的纖維長(zhǎng)度基本在28mm～30mm內(nèi)，各加工廠棉纖維長(zhǎng)度隨著加工工序的不斷推進(jìn)總體呈遞減趨勢(shì)，最后一道工序時(shí)的纖維長(zhǎng)度均低于第一道工序時(shí)的長(zhǎng)度，說(shuō)明加工過(guò)程對(duì)棉纖維長(zhǎng)度的確有影響。但是從圖中也可以看出棉纖維長(zhǎng)度并不是隨加工工序穩(wěn)步減少的，中間存在波動(dòng)，這主要是由于：棉花加工系統(tǒng)中，棉花在管道中不停流動(dòng)，下一道工序采集到的樣本并不是與上一道樣本嚴(yán)格對(duì)應(yīng)的，也很難做到嚴(yán)格一一對(duì)應(yīng)；雖然HVI是公認(rèn)的棉花分級(jí)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)儀器，但在檢測(cè)纖維長(zhǎng)度方面還存在不足，測(cè)試數(shù)據(jù)有一定波動(dòng)性[5]。endprint

表1是對(duì)第一道工序和最后一道工序進(jìn)行t檢驗(yàn)的結(jié)果，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上檢測(cè)加工前后纖維平均長(zhǎng)度是否發(fā)生了顯著變化，顯著性水平a=0.05。從表1中可以看出，雖然加工前后纖維平均長(zhǎng)度變化的絕對(duì)值小于0.8mm，但統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果顯示加工前后纖維平均長(zhǎng)度發(fā)生了顯著變化。

3.2 長(zhǎng)度整齊度

長(zhǎng)度整齊度是對(duì)棉纖維長(zhǎng)度分布狀態(tài)的描述，是反映棉纖維長(zhǎng)度分布的集中性與離散性的指標(biāo)。整齊度好，棉纖維長(zhǎng)度分布比較集中，短絨含量少，對(duì)紡紗生產(chǎn)和成紗質(zhì)量有利。

由上式可見(jiàn)，長(zhǎng)度整齊度是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)。式中，平均長(zhǎng)度是指在照影曲線圖中，從纖維數(shù)量100%處做照影曲線的切線，切線與長(zhǎng)度坐標(biāo)軸相交點(diǎn)所顯示的長(zhǎng)度；上半部平均長(zhǎng)度指試驗(yàn)棉束中從最長(zhǎng)纖維起至占全部纖維重量1/2處的纖維長(zhǎng)度。

由圖2可見(jiàn)，4個(gè)加工廠各工序?qū)?yīng)的纖維長(zhǎng)度整齊度基本在區(qū)間[82-85]內(nèi)，各加工廠棉纖維的長(zhǎng)度整齊度隨著加工工序的不斷推進(jìn)總體呈遞減趨勢(shì)，最后一道工序時(shí)的纖維長(zhǎng)度整齊度均低于第一道工序時(shí)的長(zhǎng)度整齊度，說(shuō)明加工過(guò)程對(duì)棉纖維長(zhǎng)度整齊度有一定影響。但是從圖中也可以看出棉纖維長(zhǎng)度整齊度并不是隨加工工序穩(wěn)步減少的，中間也存在波動(dòng)。

表2是對(duì)第一道工序和最后一道工序時(shí)長(zhǎng)度整齊度進(jìn)行t檢驗(yàn)的結(jié)果，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上檢測(cè)加工前后纖維平均長(zhǎng)度整齊度是否發(fā)生了顯著變化，顯著性水平a=0.05。從表2中可以看出，雖然加工前后纖維平均長(zhǎng)度整齊度變化的絕對(duì)值小于1.2，但統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果顯示加工前后纖維平均長(zhǎng)度整齊度發(fā)生了顯著變化。

3.3 短纖維指數(shù)

短纖維指數(shù)（SFI）是指HVI大容量測(cè)試儀測(cè)試棉纖維長(zhǎng)度時(shí)，小于12.7mm或16.5mm纖維根數(shù)（或重量）占纖維總根數(shù)（或重量）的百分率，因此短纖維指數(shù)也是一個(gè)無(wú)量綱的指標(biāo)。在我國(guó)，短纖維一般是指長(zhǎng)度16mm以下的纖維。短纖維指數(shù)與長(zhǎng)度整齊度緊密相關(guān)，常作為反映棉纖維長(zhǎng)度整齊度狀況的參考指標(biāo)之一。

由圖3可見(jiàn)，4個(gè)加工廠各工序?qū)?yīng)的短纖維指數(shù)基本在區(qū)間[11-16]內(nèi)，各加工廠棉纖維的短纖維指數(shù)隨著加工工序的不斷推進(jìn)總體呈上升趨勢(shì)，最后一道工序時(shí)的短纖維指數(shù)均高于第一道工序時(shí)的短纖維指數(shù)，說(shuō)明加工過(guò)程的確會(huì)造成短纖維數(shù)量增加。但是從圖中也可以看出短纖維指數(shù)并不是隨加工工序穩(wěn)步增加的，中間也存在波動(dòng)，其原因與3.1節(jié)中棉纖維長(zhǎng)度隨加工工序波動(dòng)的情況類(lèi)似。

表3是對(duì)第一道工序和最后一道工序時(shí)短纖維指數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn)的結(jié)果，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上檢測(cè)加工前后短纖維指數(shù)是否發(fā)生了顯著變化，顯著性水平a=0.05。從表3中可以看出，雖然加工前后纖維平均短纖維指數(shù)變化的絕對(duì)值小于3，但統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果顯示加工前后纖維平均短纖維指數(shù)發(fā)生了顯著變化。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了加工過(guò)程對(duì)纖維長(zhǎng)度及其關(guān)聯(lián)指標(biāo)的影響。采用HVI1000檢測(cè)了纖維長(zhǎng)度及與其緊密相關(guān)的長(zhǎng)度整齊度、短纖維指數(shù)兩項(xiàng)指標(biāo)隨加工工序的變化情況。盒圖分析結(jié)果顯示纖維長(zhǎng)度及長(zhǎng)度整齊度隨加工工序的推進(jìn)整體呈下降趨勢(shì)，短纖維指數(shù)呈上升趨勢(shì)；統(tǒng)計(jì)學(xué)t檢驗(yàn)顯示加工前與加工后纖維長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度及短纖維指數(shù)均發(fā)生了顯著變化。該研究可為我國(guó)棉花加工工藝的改進(jìn)和優(yōu)化提供一定的理論參考和數(shù)據(jù)支撐。

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（作者單位：梁后軍、謝睿、周萬(wàn)懷、李浩、常郝，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)；劉從九、徐守東，安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)棉花工程研究所）endprint