高小龍，李斌※，高海強(qiáng)，劉向新，王士國(guó)，劉洋，王濤

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司）

0 引言

新疆長(zhǎng)絨棉是我國(guó)高端色織、家紡和特種紡織品的主要原材料，其纖維柔長(zhǎng)，被稱(chēng)為“棉中極品”[1]。新疆作為我國(guó)唯一的長(zhǎng)絨棉商業(yè)化生產(chǎn)區(qū)，2016 年長(zhǎng)絨棉的種植面積達(dá)到14.89萬(wàn)hm2，主要種植在阿瓦提縣、沙雅縣以及兵團(tuán)第一師部分團(tuán)場(chǎng)[2]。

近年來(lái)新疆地區(qū)長(zhǎng)絨棉種植面積逐漸縮小，2020年長(zhǎng)絨棉的種植面積下降至3.7萬(wàn)hm2，相比2016年下降了75.15%[3,4]。除了受價(jià)格和紡織企業(yè)需求等影響外，長(zhǎng)絨棉種植面積還因人工采收成本的增加而逐年縮小[5,6]，因此，長(zhǎng)絨棉機(jī)械化采收是解決當(dāng)前困境的有效途徑。

機(jī)采長(zhǎng)絨棉含雜率較高，而現(xiàn)有棉花清理設(shè)備多為細(xì)絨棉清理設(shè)備，直接用于長(zhǎng)絨棉清理會(huì)導(dǎo)致棉纖維損耗過(guò)大，為此，山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司研發(fā)出一款適用于長(zhǎng)絨棉清理的皮棉清理機(jī)，在清雜的過(guò)程中降低了機(jī)械對(duì)纖維的損傷，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了皮棉清理機(jī)的清雜效率以及對(duì)纖維長(zhǎng)度的損耗，為機(jī)采長(zhǎng)絨棉規(guī)模化發(fā)展提供基礎(chǔ)。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

皮棉清理機(jī)由塵籠、前后剝棉羅拉、給棉板、給棉羅拉、牽伸羅拉、牽伸光輥、刺輥、排雜刀和毛刷等組成，結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 皮棉清理機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

皮棉清理機(jī)工作時(shí)，皮棉通過(guò)風(fēng)機(jī)引風(fēng)作用從皮棉入口進(jìn)入，與自轉(zhuǎn)的塵籠撞擊并吸附在塵籠網(wǎng)面上形成棉膜，當(dāng)棉膜達(dá)到一定厚度時(shí)，前剝棉羅拉和后剝棉羅拉將棉膜剝落下來(lái)并向下輸送至牽伸羅拉與牽伸光輥，完成第一次清雜。牽伸羅拉與牽伸光輥通過(guò)高于剝棉羅拉的轉(zhuǎn)速將排出的棉層變薄并喂入棉板與給棉羅拉，隨后刺輥在棉板與給棉羅拉的握持下將棉層鉤拉梳理并高速旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，雜質(zhì)懸浮在刺輥外層并被排雜刀切割下來(lái)落入排雜箱，完成第二次清雜。雜質(zhì)在機(jī)器下端通過(guò)管道被風(fēng)吸走，刺輥上剩余纖維被毛刷刷入皮棉出口，在總集棉引風(fēng)的吸引下運(yùn)輸?shù)胶蠓健?/p>

2 主要技術(shù)特點(diǎn)

（1）牽伸羅拉與牽伸光輥的轉(zhuǎn)速（線速度）大于前剝棉羅拉和后剝棉羅拉，將排出的棉層變薄并送向后方。

（2）毛刷輥的直徑大于刺輥的直徑，直徑比為3:2，此結(jié)構(gòu)能夠減輕振動(dòng)，確保裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。

（3）第一次清雜過(guò)程不涉及鋸齒形刺輥和其他刺輥，不會(huì)損傷皮棉纖維長(zhǎng)度。

（4）皮棉出口下方開(kāi)有補(bǔ)風(fēng)口，可提供一定量的風(fēng)力，彌補(bǔ)引風(fēng)不足產(chǎn)生的問(wèn)題。

（5）調(diào)節(jié)板可調(diào)節(jié)風(fēng)口大小，根據(jù)不同的清理等級(jí)提供不同大小的風(fēng)量。

（6）給棉板弧形結(jié)構(gòu)的軸線與給棉羅拉的軸線相同，能進(jìn)一步握持棉層，將厚度相對(duì)均勻的棉層提供給刺輥，以便刺輥進(jìn)行相對(duì)均勻的鉤拉。

（7）順棉板的三角結(jié)構(gòu)能防止皮棉出口以及刺輥回帶棉花，保證風(fēng)運(yùn)通暢。

3 主要部件

第二次清雜的工作過(guò)程如圖2，主要部件為除雜刀與刺輥。工作時(shí)刺輥?lái)槙r(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，刺輥上的針刺勾拉住含雜質(zhì)的棉纖維，雜質(zhì)由于離心作用懸浮在刺輥外層，除雜刀向左上角微傾固定在機(jī)具上，與旋轉(zhuǎn)的棉纖維發(fā)生碰撞，此時(shí)雜質(zhì)會(huì)脫離棉纖維并順著除雜刀傾角滑落，但此時(shí)棉纖維會(huì)與除雜刀產(chǎn)生碰撞，造成棉纖維損傷，這也是影響長(zhǎng)絨棉纖維長(zhǎng)度的主要環(huán)節(jié)[7,8]。

圖2 除雜刀清雜示意

圖3為皮棉清理機(jī)中除雜刀、給棉板與刺輥的位置示意，這3個(gè)部件是影響皮棉清理機(jī)清雜效率以及導(dǎo)致纖維長(zhǎng)度損耗的主要部件。

圖3 除雜刀、給棉板與刺輥位置示意

除雜刀的清理效果與兩個(gè)因素相關(guān)，一是除雜刀相對(duì)于給棉板的距離L1，二是除雜刀與刺輥的距離L2。當(dāng)L1大L2小時(shí)，除雜效果理想但降低衣分，損耗較多；當(dāng)L1小L2大時(shí)，損耗較少，但除雜梳理效果差，雜質(zhì)較多，因此需要根據(jù)具體情況確定除雜刀合適的相對(duì)位置[9]。

除雜刀的數(shù)量也影響皮棉的除雜效果，除雜刀數(shù)量越多，排出雜質(zhì)越多，但排出的有效纖維也越多，本設(shè)備除雜刀的數(shù)量為4 個(gè)，數(shù)量太多會(huì)影響其他部件的安裝位置，數(shù)量太少則影響除雜效果[10]。

當(dāng)刺輥與除雜刀進(jìn)行第二次清雜時(shí)，需要雜質(zhì)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大于棉層產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此，考慮到設(shè)備尺寸及產(chǎn)生合適的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將刺輥的直徑定為400 mm，毛刷的直徑定為600mm，此時(shí)毛刷受力與刺輥受到的沖擊都較小，相對(duì)延長(zhǎng)了二者的使用壽命。

4 應(yīng)用與試驗(yàn)

為驗(yàn)證皮棉清理機(jī)的實(shí)際使用效果，2023 年3 月在阿克蘇地區(qū)的永華棉業(yè)有限責(zé)任公司開(kāi)展長(zhǎng)絨棉清理試驗(yàn)，清理樣品為機(jī)采長(zhǎng)絨棉，加工工藝按照長(zhǎng)絨棉清理加工工藝執(zhí)行，試驗(yàn)采集指標(biāo)為含雜率和纖維長(zhǎng)度。

4.1 清雜效率試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前，從清前（清后）皮棉取樣處（圖4）隨機(jī)取樣約1000g，并從中取出50 g 樣品通過(guò)YG041 型原棉雜質(zhì)分析機(jī)進(jìn)行皮棉與雜質(zhì)的分離，取出雜質(zhì)后稱(chēng)重并按式（1）計(jì)算得出清雜效率，試驗(yàn)共進(jìn)行7 組，去除兩個(gè)極端值，計(jì)算出皮棉清理機(jī)平均清雜效率。清雜試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果如表1。

表1 清雜試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

圖4 清前（清后）皮棉取樣處

式中m1--清前皮棉試樣雜質(zhì)質(zhì)量，g；m2--清后皮棉試樣雜質(zhì)質(zhì)量，g。

通過(guò)計(jì)算，皮棉清理機(jī)平均清雜效率為49.3%。

4.2 纖維長(zhǎng)度試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前從清前（清后）皮棉取樣處隨機(jī)取樣50g，通過(guò)YG041 型原棉雜質(zhì)分析機(jī)進(jìn)行皮棉與雜質(zhì)的分離，并使用粗、密梳棉針進(jìn)行梳理，用鑷子隨機(jī)夾取3 根棉纖維測(cè)量長(zhǎng)度，得出清雜前后的皮棉纖維長(zhǎng)度，試驗(yàn)共進(jìn)行3 組，纖維長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 纖維長(zhǎng)度測(cè)試結(jié)果

通過(guò)測(cè)量比較，皮棉清理機(jī)在清雜過(guò)程中對(duì)長(zhǎng)絨棉的纖維長(zhǎng)度損耗較小，滿足使用要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)皮棉清理機(jī)的清雜效率與纖維長(zhǎng)度損耗的測(cè)量，驗(yàn)證該設(shè)備在長(zhǎng)絨棉上的實(shí)際使用效果。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，皮棉清理機(jī)的清雜總效率約為49.3%，對(duì)纖維長(zhǎng)度的損耗較低，能夠應(yīng)用在機(jī)采長(zhǎng)絨棉的后續(xù)清雜過(guò)程中。該設(shè)計(jì)為新疆機(jī)采長(zhǎng)絨棉的發(fā)展提供了技術(shù)性支持，加快了我國(guó)主要農(nóng)作物全程機(jī)械化的進(jìn)程。