长绒棉皮棉清理机的试验与应用

高小龙，李斌※，高海强，刘向新，王士国，刘洋，王涛

（1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2.山东天鹅棉业机械股份有限公司）

0 引言

新疆长绒棉是我国高端色织、家纺和特种纺织品的主要原材料，其纤维柔长，被称为“棉中极品”[1]。新疆作为我国唯一的长绒棉商业化生产区，2016 年长绒棉的种植面积达到14.89万hm2，主要种植在阿瓦提县、沙雅县以及兵团第一师部分团场[2]。

近年来新疆地区长绒棉种植面积逐渐缩小，2020年长绒棉的种植面积下降至3.7万hm2，相比2016年下降了75.15%[3,4]。除了受价格和纺织企业需求等影响外，长绒棉种植面积还因人工采收成本的增加而逐年缩小[5,6]，因此，长绒棉机械化采收是解决当前困境的有效途径。

机采长绒棉含杂率较高，而现有棉花清理设备多为细绒棉清理设备，直接用于长绒棉清理会导致棉纤维损耗过大，为此，山东天鹅棉业机械股份有限公司研发出一款适用于长绒棉清理的皮棉清理机，在清杂的过程中降低了机械对纤维的损伤，并通过试验测试了皮棉清理机的清杂效率以及对纤维长度的损耗，为机采长绒棉规模化发展提供基础。

1 设备结构与工作原理

1.1 设备结构

皮棉清理机由尘笼、前后剥棉罗拉、给棉板、给棉罗拉、牵伸罗拉、牵伸光辊、刺辊、排杂刀和毛刷等组成，结构如图1。

图1 皮棉清理机结构示意

1.2 工作原理

皮棉清理机工作时，皮棉通过风机引风作用从皮棉入口进入，与自转的尘笼撞击并吸附在尘笼网面上形成棉膜，当棉膜达到一定厚度时，前剥棉罗拉和后剥棉罗拉将棉膜剥落下来并向下输送至牵伸罗拉与牵伸光辊，完成第一次清杂。牵伸罗拉与牵伸光辊通过高于剥棉罗拉的转速将排出的棉层变薄并喂入棉板与给棉罗拉，随后刺辊在棉板与给棉罗拉的握持下将棉层钩拉梳理并高速旋转，在离心力作用下，杂质悬浮在刺辊外层并被排杂刀切割下来落入排杂箱，完成第二次清杂。杂质在机器下端通过管道被风吸走，刺辊上剩余纤维被毛刷刷入皮棉出口，在总集棉引风的吸引下运输到后方。

2 主要技术特点

（1）牵伸罗拉与牵伸光辊的转速（线速度）大于前剥棉罗拉和后剥棉罗拉，将排出的棉层变薄并送向后方。

（2）毛刷辊的直径大于刺辊的直径，直径比为3:2，此结构能够减轻振动，确保装置的平稳运行。

（3）第一次清杂过程不涉及锯齿形刺辊和其他刺辊，不会损伤皮棉纤维长度。

（4）皮棉出口下方开有补风口，可提供一定量的风力，弥补引风不足产生的问题。

（5）调节板可调节风口大小，根据不同的清理等级提供不同大小的风量。

（6）给棉板弧形结构的轴线与给棉罗拉的轴线相同，能进一步握持棉层，将厚度相对均匀的棉层提供给刺辊，以便刺辊进行相对均匀的钩拉。

（7）顺棉板的三角结构能防止皮棉出口以及刺辊回带棉花，保证风运通畅。

3 主要部件

第二次清杂的工作过程如图2，主要部件为除杂刀与刺辊。工作时刺辊顺时针高速旋转，刺辊上的针刺勾拉住含杂质的棉纤维，杂质由于离心作用悬浮在刺辊外层，除杂刀向左上角微倾固定在机具上，与旋转的棉纤维发生碰撞，此时杂质会脱离棉纤维并顺着除杂刀倾角滑落，但此时棉纤维会与除杂刀产生碰撞，造成棉纤维损伤，这也是影响长绒棉纤维长度的主要环节[7,8]。

图2 除杂刀清杂示意

图3为皮棉清理机中除杂刀、给棉板与刺辊的位置示意，这3个部件是影响皮棉清理机清杂效率以及导致纤维长度损耗的主要部件。

图3 除杂刀、给棉板与刺辊位置示意

除杂刀的清理效果与两个因素相关，一是除杂刀相对于给棉板的距离L1，二是除杂刀与刺辊的距离L2。当L1大L2小时，除杂效果理想但降低衣分，损耗较多；当L1小L2大时，损耗较少，但除杂梳理效果差，杂质较多，因此需要根据具体情况确定除杂刀合适的相对位置[9]。

除杂刀的数量也影响皮棉的除杂效果，除杂刀数量越多，排出杂质越多，但排出的有效纤维也越多，本设备除杂刀的数量为4 个，数量太多会影响其他部件的安装位置，数量太少则影响除杂效果[10]。

当刺辊与除杂刀进行第二次清杂时，需要杂质的转动惯量大于棉层产生的转动惯量，因此，考虑到设备尺寸及产生合适的转动惯量，将刺辊的直径定为400 mm，毛刷的直径定为600mm，此时毛刷受力与刺辊受到的冲击都较小，相对延长了二者的使用寿命。

4 应用与试验

为验证皮棉清理机的实际使用效果，2023 年3 月在阿克苏地区的永华棉业有限责任公司开展长绒棉清理试验，清理样品为机采长绒棉，加工工艺按照长绒棉清理加工工艺执行，试验采集指标为含杂率和纤维长度。

4.1 清杂效率试验方案

试验前，从清前（清后）皮棉取样处（图4）随机取样约1000g，并从中取出50 g 样品通过YG041 型原棉杂质分析机进行皮棉与杂质的分离，取出杂质后称重并按式（1）计算得出清杂效率，试验共进行7 组，去除两个极端值，计算出皮棉清理机平均清杂效率。清杂试验数据与结果如表1。

表1 清杂试验数据与结果

图4 清前（清后）皮棉取样处

式中m1--清前皮棉试样杂质质量，g；m2--清后皮棉试样杂质质量，g。

通过计算，皮棉清理机平均清杂效率为49.3%。

4.2 纤维长度试验方案

试验前从清前（清后）皮棉取样处随机取样50g，通过YG041 型原棉杂质分析机进行皮棉与杂质的分离，并使用粗、密梳棉针进行梳理，用镊子随机夹取3 根棉纤维测量长度，得出清杂前后的皮棉纤维长度，试验共进行3 组，纤维长度测试结果见表2。

表2 纤维长度测试结果

通过测量比较，皮棉清理机在清杂过程中对长绒棉的纤维长度损耗较小，满足使用要求。

5 结论

通过对皮棉清理机的清杂效率与纤维长度损耗的测量，验证该设备在长绒棉上的实际使用效果。经过试验测量，皮棉清理机的清杂总效率约为49.3%，对纤维长度的损耗较低，能够应用在机采长绒棉的后续清杂过程中。该设计为新疆机采长绒棉的发展提供了技术性支持，加快了我国主要农作物全程机械化的进程。