棉花收獲機籽棉輸送系統的設計驗證

〔山東天鵝棉業機械股份有限公司研發中心，山東濟南250032〕

目前，天鵝4MZ-3A型棉花收獲機的籽棉輸送系統采用的是稀釋流懸浮輸送方式，即以低真空吸送式為主，高壓壓送式為輔的混合輸送方式。

一、氣力輸送系統原理

這種輸送方式結合了兩種輸送方式各自的優點，在風機的正壓作用下，將采摘臺落棉區散落的籽棉壓送到各個進料口，然后在風機的負壓作用下，以低真空吸送的方式，將籽棉送入輸送管道b在經過管道內的送風口后，管道內的氣壓輸送由負壓轉換到正壓，最后籽棉被送到集棉箱。如圖1所示。

圖1 氣力輸送系統原理

低真空吸送為主的輸送系統，其優點在于，即使進料口管道不嚴密，也能有效減少棉絮等在管道中的溢出，提高輸送質量。

二、氣力輸送系統設計的重要參數確定

（一）含雜籽棉輸送量G物

1.4MZ-3A棉花收獲機正常采收作業速度v=5 km/h，則其作業效率p=210s/667m2。

2.高產棉田的棉花產量約m=450kg/667m2。

3.單位時間輸送籽棉質量方程式為：

式中λ為含雜修正系數，取1.25，

理論單位時間輸棉體積：

式中：Vm—單位質量棉花所占體積，約0.027m3/kg；

Vu—單位時間內理論輸送籽棉體積。

考慮到棉花開放程度、種植方式及棉花收獲機速度變化等情況，使用采摘系數（1.5～2.0）取單位時間輸棉體積：V=2Vu=2×0.058≈0.11m3

（二）籽棉輸送混合比μ（即輸料管內含雜籽棉與空氣量之比）

式中：G物—單位時間所輸送的含雜籽棉質量（kg/s）；

G氣—單位時間內通過輸料管的空氣質量（kg/s）。

輸送一定量的物料所需空氣與輸送混合比μ成反比。μ值大，所需的空氣少，則消耗的動力也減少。

表1 混合比推薦值

（三）輸送風量Qa

式中：ρ—空氣密度取1.29kg/m3，

Qa—輸送風量，m3/s。

（四）輸送風速v

輸送籽棉時，輸送風速v要比籽棉的懸浮臨界速度v1大，才能使籽棉被輸送，參照表2，考慮到輸送過程中，籽棉的濕度、成熟度、籽棉與管壁之間的摩擦、黏附，以及彎道處的壓降等問題，取v1的補充系數為1.3，輸送速度為懸浮臨界速度的1.8倍～2.0倍。

確定輸送風速v=1.3×v1×2=1.3×7.0×2=18.2（m/s）

表2 棉花懸浮臨界速度

三、輸送管道尺寸的確定

（一）本系統為中壓輸送，送風管道為內壁光滑的橡膠軟管，直徑160 mm。

（二）為了棉花的有效輸送，管道采用內壁光滑的白鐵皮并避免直角彎道。

（三）輸送高度和長度：根據設計圖紙提升高度H=4.7 m，輸送長度L=1.95 m，彎頭數量為2，轉變角度為60°，彎曲半徑為200 mm。

（四）根據輸送風速、風量、輸棉體積來確定輸送管道截面尺寸應不小于：

本棉花收獲機有3個進料口，則每個進料口截面尺寸應不小于：

本棉花收獲機進料口尺寸為0.28×0.217≈0.06 m2符合要求。

根據管道截面尺寸和從實驗室確定的數據或從曲線圖表查得的阻力系數K，就可以進一步計算空氣總壓力，它是由全部設備阻力和用空氣與物料混合的條件以伯努利方程式得出，適用于各種類型的輸送方式和設備。

四、離心式風機的選用和參數校核

（一）離心式風機的主要結構參數

1.葉輪外徑D；

2.葉輪寬度 b；

3.葉輪出口角β。

葉輪按葉片出口角的不同可以分為三種：

（1）前向式—葉片彎曲方向與旋轉方向相同，β1＞90°（90°～160°），如圖2所示。

圖2 β1＞90°葉輪

（2）后向式—葉片彎曲方向與旋轉方向相反，β2＜90°（20°～70°），如圖3所示。

（3）徑向式—葉片出口沿徑向安裝，β3=90°，如圖4所示。

圖3 β2＜90°葉輪

圖4 β3＝90°葉輪

（二）離心式風機的葉輪特點

前向式葉輪的特點是葉片形狀與空氣在離心力作用下的運動方向完全相反，由于空氣與葉片之間的撞擊劇烈，因此能量損失和噪音都較大，故效率就低。

后向式葉輪葉片的彎曲度較小，而且符合氣體在離心力作用下的運動方向，由于空氣與葉片之間的撞擊很小，因此能量損失和噪音較小，效率較高。為此在現代生產的風機中，特別是功率大的風機多數用后向式。

徑向式出口葉片在我國已不常用，在某些要求耐磨耐腐蝕的風機中，常用徑向出口直葉片。

本棉花收獲機離心式高壓風機功率大、效率高，采用的就是后向式葉輪。

（三）風機傳動方式的設計

本棉花收獲機的風機傳動選用V型帶傳動，因為帶傳動的傳動比的范圍大，而V型帶的工作接觸面和帶輪的工作接觸面充分接觸，產生較大的摩擦力，有效地提高風機的性能。

1.確定計算功率Pca。

風機驅動馬達功率P=16 kW，轉速2 200 r/min，風機轉速n1=4 000 r/min

由機械設計手冊查的工作情況系數Ka=1.2，故Pca=Ka·P=1.2×16=19.2 kW

2.選擇V帶的帶型。

根據Pca、n1查機械設計手冊，選用B型。

3.確定帶輪的基準直徑d1，并驗算帶速v。

（1）初選小帶輪的基準直徑d11，查機械設計手冊，取其基準直徑d11=125 mm。

（2）驗算帶速v：

因為5 m/s＜v＜30 m/s，所以帶速合適。

4.計算大帶輪的基準直徑。

根據機械設計手冊，圓整為250 mm。

5.確定V帶的中心距a和基準長度Ld。

（1）根據公式0.7（d11+d12）≤2（d11+d12）

初定中心距a0=500 mm

（2）由公式計算所需的基準長度

查機械設計手冊，選B型帶的基準帶長Ld=1 600 mm

（3）按公式計算實際中心距a

中心距的變化范圍為476 mm～548 mm。

6.驗證小帶輪上的包角α1。

7.計算帶的根數z。

（1）計算單根V帶的額定功率Pr

由d11=1 125 mm和n1=4 000 r/min，查機械設計手冊得P0=5.76 kW

根據n1=4 000 r/min，傳動比i=2，查機械設計手冊得：

查機械設計手冊，Kα=0.96，KL=0.92，于是

（2）計算V帶的根數z。

計算結果取4根。

8.計算單根V帶的初拉力的最小值F0min

查機械設計手冊得B型帶的單位長度質量q=0.18 kg/m，所以

應使帶的實際初拉力F0＞F0min。

9.計算壓軸力 Fp。

壓軸力的最小值為

（四）帶傳動的動力參數計算

（五）帶輪的設計計算

根據已經確定好的帶輪的基準直徑和轉速來確定材料、形式；通過查機械設計手冊來確定輪槽、輪輻和輪轂的尺寸、粗糙度和其他技術要求。

（六）選好風機型號及帶輪、V型帶后，測得本棉花收獲機采用的風機主要參數

工作轉速為4 100 r/min；

風機功率≤16 kW；

出口風速 V1≥81 m/s；

應用風速（輸棉管道出口風速）V2≥25 m/s；

出口靜壓為12.7 mm H2O；

出口全壓為416 mm H2O；

風量Q為3.83 m3/s；

近距離噪聲102 db。

（七）選用風機及設計的管道的參數驗證

輸棉管道風速與輸送風速比較：V2＞v，滿足輸送要求。

風機出風量Q＞Qa，滿足輸送要求。

五、料氣分離與除雜

本設備的料器分離主要使用格條柵和網孔板將棉花與風及雜質進行分離，其中格條柵兼具導流作用，將棉花導入棉箱后側，而不至于貼在棉箱頂部，如圖5所示。

圖5 料氣分離與除雜示意圖

實驗證明，網孔板網孔大小對機采棉的含雜率和后續機采棉加工有重要影響。網孔直徑在10 mm～20 mm時，對塵土、細雜等的排除效果最好。

六、結論

本文對本型號的棉花收獲機采用的籽棉輸送系統進行了驗證，其系統設計、風機選擇、管道設計、料氣分離設計等都達到了設計要求。通過試驗，其輸送效果優良，能較好地達到輸送籽棉的要求。☆