提高棉花加工企加工能力之棉花加工設備大型化變革探討

〔鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州450004〕

一、中國棉花加工的四次變革

第一次變革是從1955年開始，“5571”型鋸齒軋花機的研發成功使我國棉花工業從手工作坊邁向工業化時代。第二次變革始于改革開放后，我國借鑒美國先進加工工藝、設備和管理經驗，研制并推廣了“121”軋花新工藝及成套設備。伴隨著裝備制造企業的崛起，我國棉花加工設備和加工水平與國際先進水平的差距明顯縮小。第三次變革始于棉花質檢體制改革，伴隨儀器化公檢與信息化采集應用，棉花加工進入規模化、規范化、現代化、國際化時代，能力追趕發達國家。第四次變革是伴隨著新疆棉花目標價格改革的實施，棉花加工進入信息化與數字化時代，加工信息化與數字化程度超越大多數棉花加工國。

二、我國棉花加工行業產能現狀

2009年質檢體制改革結束，中國的棉花加工規模、能力已經超越了美國，但存在低水平重復投資嚴重，加工能力嚴重過剩的情況。近幾年，伴隨著目標價格改革試點的實施，一些貿易企業集團、紡織企業集團、大型上市公司逐漸涉足棉花加工領域，開始采取收購、兼并、重組的方式整合加工企業，集團化公司對資源掌控能力更強，市場運作和風險防控手段更加成熟。集團化公司擁有強大資本和技術實力，迫切需要加工企業提質增效。

三、提高棉花加工企業加工能力是必然趨勢

當前影響國內棉花加工行業發展的主要問題是產能普遍較低，我國棉花加工生產線經過三十多年的發展，單條生產線平均產能接近30包/h左右，加工周期一般為80天～100天，而國外已經達到50包/h～60包/h。國內棉花主要產區新疆尤其在北疆，加工中后期氣溫驟降雨雪增多，生產線加工效率、加工質量大大降低，同時能耗增大、工人工作環境惡劣，影響了國內棉花加工行業的健康發展。如果大幅提高加工能力，假如提高到國外50包/h～60包/h的水平，那我們的加工周期長會縮短至40天～50天，也就避免了上述問題。

以集團公司運營的棉花加工龍頭骨干企業，也迫切需要提高產能，提升企業的市場競爭力。在目前設備的加工產能一定的情況下，主要以新建、兼并其它棉花企業的產能實現擴張。棉花加工設備大型化能有效提高產能，實現棉花加工業由數量型向質量型的轉變，棉花加工設備大型化變革是必然趨勢。實現棉花加工設備大型化變革要通過棉花行業政策的引導、扶持，鼓勵棉機廠家設計、制造大產能新型棉花加工設備，促進我國從棉花大國向棉花強國轉變。

四、提高棉花加工企業加工能力的探討

提高棉花加工企業加工能力的關鍵是提高設備的加工能力，本文對關鍵設備在設計、工藝、制造方面進行探討，提出提高設備產能的觀點或設計思路。

（一）鋸齒軋花機

目前，機采棉加工模式在新疆得到推廣普及，棉花加工中生產線中一般都采用適合機采棉加工量大的鋸齒軋花機做為主機。鋸齒軋花機是決定生產線皮棉質量和產量最關鍵的設備。為了適應機采棉生產線，兵團企業的鋸齒軋花機基本是以100片以上的大型機為主，一般一條15 t生產線配4臺171、168、158等機型，私人企業為了適應機采棉的產能，也有配置6臺96型的軋花機。

提高棉花加工企業加工能力，不能單純靠增加軋花機機臺數量進行低層次的產量疊加，關鍵要在軋花機的單機產量上有重大突破。

對比美國切諾基公司的244片軋花機（圖1、2、3），其單臺產量每小時達到30多包，是目前世界上產量最高的鋸齒軋花機。其鋸軸、給棉輥、刮雜板都實現了變頻直聯的形式。變頻電機直聯能精確控制各輥轉速，精確配比各輥之間的相對速度，從而達到高質、高產、節能的目的。

圖1 切諾基公司244片大型軋花機

圖2 切諾基公司244片大型軋花機的軋花部分

圖3 軋花機剖面圖

我國目前的鋸齒軋花機還是以大電機帶大皮帶輪的形式（圖4），皮帶的拉力和大皮帶輪的重力在高速旋轉時，對鋸軸徑進行了不斷地交變載荷的沖擊，經常發生主軸疲勞斷裂的事故（圖5、6）。

圖4 鋸軸皮帶傳動圖

圖5 鋸軸斷軸（1）

圖6 鋸軸斷軸（2）

我國鋸齒軋花機鋸軸大皮帶輪通過不同皮帶輪的配比傳動刮雜板、給棉輥、毛刷輥，這些輥子之間的速率是靠皮帶輪配置好的，在生產中不能根據情況進行單獨或幾個輥子之間的速度比調節。另外皮帶傳動除了對軸有較大彎矩力外，還存在傳動效率低、噪音大、工人維護不安全的因素。軋花機的片數和產量成正比例關系，增加片數能直接增加產量。我國目前市場最常用的是168片和171片軋花機。若要達到切諾基公司的244片軋花機水平，不是單純地加長鋸軸長度和所有墻板之間件號長度就能解決的。做超大型軋花機關鍵要著力解決好鋸軸的強度、剛度問題，從材料、熱處理工藝、加工工藝方面都要精益求精。切諾基公司的244片軋花機使用了全弓肋條，這種肋條由于上下兩端固定，強度較高，適合超大型軋花機使用。

（二）籽棉清理設備

1.國內籽棉清理設備現狀。

相對于鋸齒軋花機的型號眾多不同，籽棉清理設備主要參數是對應的加工量，一般是2 t～3 t、4 t～6 t、6 t～8 t、10 t等，工作幅寬一般是1.8 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m等。籽棉清理設備按類型可分為六輥筒籽棉清理機（圖7）、回收式六輥筒籽棉清理機（圖8）、提凈清鈴機等，在生產線中根據功能和效果常常組合使用，如：六輥筒籽棉+提凈式清鈴機組合（圖9），六輥筒籽棉清理機+回收式六輥筒籽棉清理機組合（圖10）。近幾年還出現了雙層六輥筒式籽棉清理機和組合式多功能籽棉清理機。

圖7 六輥筒籽棉清理機

圖8 回收式六輥筒籽棉清理機

圖9 六輥筒籽棉+清理機與清鈴機組合

圖10 六輥筒籽棉清理機+回收式六輥筒籽棉清理機組合

2.籽棉清理設備大幅度提高產能和工藝優化的方法。

籽棉清理設備在原理和結構上較簡單，產量與幅寬正相關，若想大幅度提高產能，最直接的辦法是：提高集成化，縮減工藝流程，增加幅寬；改進優化清理單元，提高除雜效率。20世紀90年代前，棉紡的前紡工藝要經過成卷工藝，需要人工將棉卷推送喂給梳棉機。20世紀90年代后，鄭紡機與德國的特呂茨勒合作，引進消化了清梳聯工藝與設備，此工藝主要是去除了成卷工藝與設備，使前方生產的物料直接喂給梳棉機。這樣也就省去了人工推送再喂給的動作，不但保證了生產線的連續運轉，增加了產量，而且能保證生產質量、降低成本。由此筆者認為軋花生產線特別是在籽棉清理階段，也可以通過縮減工藝長度，改進設計來提高產量、提高除雜效率、保證質量、降低成本。

圖11是筆者設計的組合式高效籽棉清理機。將清鈴提凈功能與雙清理機組合，又增加一大輥清理單元進行精細除雜。從組合式高效籽棉清理機開松除雜后的籽棉除雜、開松已經達到要求，可不安裝傳統工藝進入六輥筒籽棉清理機+回收式六輥筒籽棉清理機組合（圖10），從本機直接通過卸料器進入配棉絞龍，供軋花機進行軋花。

圖11 組合式高效籽棉清理機

3.組合式高效籽棉清理機工作過程。

籽棉被負壓吸入籽棉卸料器1中，通過內置的塵籠實現氣纖分離，籽棉落入組合式高效籽棉清理機2中。在籽棉下落通道上設置有可調擋板3，當清理手摘棉時，逆時針關閉，籽棉可不經過提凈部分而直接進入清理階段。機采籽棉先經過開松刺輥4得到初步開松后進入由鋼絲刷5、U形齒輥6、塵棒7組成的鈴殼大雜提凈單元。鋼絲刷5配合U形齒輥6的齒條握持住棉纖維高速旋轉，并與塵棒7不斷擊打，將籽棉中的鈴殼等大雜通過離心力甩到第二組提凈單元，籽棉由毛刷輥8剝取進入刺釘輥19和塵棒漏底20組成的清理單元。第1組清理單元在清大雜的同時也甩出部分籽棉和帶殼籽棉，在與塵棒7擊打后，帶殼籽棉破碎或裂開，這些含雜籽棉若排掉會造成衣分的巨大損失。第2組提凈單元由U形齒輥9、塵棒10、塵棒漏底11和鋼絲刷5組成。在第2組提凈階段將第1提凈單元輸送的含雜帶殼籽棉繼續清理，U形齒輥9將能鉤掛到的棉纖維勾起在鋼絲刷5配合下與塵棒10、塵棒漏底11進行擊打繼續除雜，第2組提凈單元的雜質被排入第3組提凈單元。第3組提凈單元由U形齒輥12、塵棒13、塵棒漏底14、鋼絲刷5組成。U形齒輥12將能提取的棉纖維盡量提取。鈴殼類大雜通過排雜絞龍18排出本機。U形齒輥9和U形齒輥12輥面的籽棉被設置在兩輥之間的毛刷輥8同時剝取，排到刺釘輥19和塵棒漏底20組成的清理單元。

籽棉清理單元，借用了近幾年市場上新出的雙層清理機。籽棉清理部分設置有上回收輥15、中回收輥16、下回收輥17功能原理和提凈類似。被除過鈴殼大雜的籽棉被籽棉刺釘輥20和塵棒漏底21作用，使籽棉不斷與塵棒擊打并震動、松懈，使棉稈、棉葉、土雜類雜質從塵棒間排出完成清理。籽棉清理單元設置了上下兩層各6組的清理單元，設置了可調擋板22。清理手摘棉時，如果雜質較少，可將可調擋板22打開，使籽棉只經上層的6組的清理單元后即可排入下道工序。

經提凈和清理后的籽棉進入大輥清理單元。角鋼塵棒22、大輥清理單元由大清理輥23、大清理輥漏底24、出棉管道25、隔斷板26、毛刷輥27組成。大清理輥23上包覆有U形齒條，在高速轉動時勾取棉纖維，同時在鋼絲刷5配合下與角鋼塵棒22、大清理輥漏底24進行擊打繼續除雜。在大輥清理單元是精細除雜，雜質通過塵棒之間的間隙落入排雜絞龍18后被排出本機。除雜后的籽棉通過毛刷輥27將輥面的籽棉剝下，剝下的籽棉通過出棉管道25進入軋花工序。隔斷板26的作用是切割大清理輥23表面層氣流，利于負壓將籽棉抽走。

4.組合式高效籽棉清理機的優點。

組合式高效籽棉清理機應用在目前軋花生產線中，將提凈、清鈴、開松、清理、精細除雜的功能集于一身，該機縮短了工藝流程，使工藝更加緊湊順暢。大清理輥23直徑較大，有較大的排雜區域。大清理輥漏底24是結合棉紡織技術的在線可調三角塵棒，能使排雜達到最理想狀況。該機的使用不但降低了工程、電耗、人工的成本，在具有較大幅寬下保證較大產能和清理質量，而且更符合將來大產能軋花生產線的應用。組合式高效籽棉清理機的應用縮短了工藝流程、工作效率更高、不需要高架、更容易維護操作，符合將來大產能軋花生產線的應用。

（三）皮棉清理設備

1.鋸齒皮棉清理機。

在機采棉生產線中，從軋花機排出的皮棉清理主要由鋸齒式皮棉清理機和氣流式皮棉清理機來完成。其中鋸齒式皮棉清理機因其優異的除雜能力而擔負了主要的除雜任務，鋸齒輥直徑主要有φ400和φ600等規格，有效工作寬度為2 000 mm、2 600 mm、3 000 mm等。早幾年，鋸齒式皮棉清理機都是通過給棉板夾持喂給鋸齒輥的，一般加工機采棉時要連續過兩臺皮清機。由于給棉板對棉纖維的握持較緊，因此，齒條輥對棉纖維的開松、梳理力度較大，雖然最終降低了皮棉的雜質，但是棉纖維的長度受到了破壞。目前，一般加工機采棉時會先過一臺有給棉板的皮棉清理機，再過一臺沒有給棉板的皮棉清理機。沒有給棉板的皮棉清理機對棉纖維是松弛喂給，避免了強力開松帶來的弊端。因為鋸齒輥每100 mm長度清理的皮棉是一定量的，所以目前如果想大幅提高皮棉清理機的產量最有效的手段就是增加幅寬，增加幅寬的同時刺輥直徑最好選用φ600或以上直徑，大直徑的鋸齒輥筒使排雜區域更大，排雜刀排布更合理。

2.氣流皮棉清理機。

氣流皮棉清理機本機沒有動力，相當于過棉通道，通過通道的急轉和收窄提速，利用“附壁”效應和慣性原理，將不易改變方向的大、重雜質甩出本機，完成氣流除雜。經初步氣流皮清清理的皮棉再進入一道或兩道鋸齒皮棉清理機進行強力開松除雜。

目前國內外的氣流皮棉清理機工作原理是相同的，外形也近似，機幅由1.5 m、1.8 m、2 m、2.2 m、2.5 m、3 m等多種尺寸來搭配不同片數的軋花機。

3.多刀組高效氣流皮棉清理機的設計與工藝配置。

據國外研究數據表明，一道鋸齒皮棉清理機將導致棉纖維長度損失約0.25 mm。在機采棉加工生產線中，皮棉經過兩臺鋸齒皮棉清理機的清理后，經檢測后纖維長度損失不是0.5 mm，而是1 mm～1.2 mm。隨著我國棉紡織行業的提質升級，高端產品的高支紗對原棉要求更為嚴格。在種子、種植、采收條件與工藝一定的情況下，加工環節直接影響到皮棉最終品質。業界對保持籽棉原生品質的呼聲愈來愈高，保持籽棉原生品質就是指在加工過程中盡量少地破壞棉纖維的天然特性。在眾多質量指標中，長度指標極為重要，長度是紡高支紗的最重要條件。在棉花加工中，降低纖維長度損耗的同時，其強度、整齊度等指數也會有相應的提升。筆者根據棉紡設計經驗設計出多刀組高效氣流皮棉清理機（如圖12所示）。

圖12 多刀組高效氣流皮棉清理機

4.多刀組高效氣流皮棉清理機工作過程。

從鋸齒軋花機軋出的松散纖維被氣流吹、吸送進入本機（圖12）的棉道3，在向上急轉折處設有除雜點4，此段和普通氣流清理機結構、原理是完全一致的。棉纖被吹、吸入氣流皮棉清理機的棉道，從入口到轉折處氣流速度逐漸加快，在轉折處，纖維因質量較小隨氣流轉彎向上運動；雜質的質量較大、慣性大，難以改變原有的運動方向而繼續向前運動，因而雜質從可調縫隙中被拋向擋板，滑出機外完成氣流皮棉清理機的除雜任務。過除雜點4的皮棉沿著本機的棉道3繼續上行，與第一排雜刀組5撞擊。第一排雜刀組5是一組可調三角塵棒，可根據需要在線調節角度，圖中是放平的位置，即形成過棉通道，不除雜。當調節后，皮棉在負壓抽吸“附壁”效應下，與刀尖作用，將雜質甩出。雜質從每兩刀之間的縫隙穿過，落入機體1內的排雜絞龍2內，排出本機。同樣原理，籽棉繼續上行，與第二排雜刀組8作用進行除雜。通過觀察窗6可以觀察落雜情況并根據需要調節第一、二排雜刀組。

5.多刀組高效氣流皮棉清理機的優點。

該機全封閉結構，不會對風量有較大的損失。占地面積、位置與普通氣流皮棉清理機沒大的區別，便于老廠改造。該機除雜點4已經和普通氣流皮棉清理機除雜效率持平，再加上排雜刀組的連續應用，除雜量遠遠超過只有一個排雜點的普通氣流皮棉清理機。通過增加幅寬來增加產量，通過多刀組大量增加排雜點來提高除雜效率。除雜量大和對纖維幾乎沒有損傷是本機最大的優點。經過實踐，多刀組高效氣流皮棉清理機和一臺鋸齒式皮棉清理機聯合使用，最終皮棉雜質≤2.5%時，就可以避免使用兩臺鋸齒式皮棉清理機，降低對棉纖長度的損傷。

（四）打包及附屬設備

大幅提高生產線產能，提高打包機速度及壓力是最后的關鍵一環。增加速度可滿足生產線產量大幅提高的需要，增加壓力可使包型穩定、膨脹率降低、增加裝載率、降低崩包的情況，目前國內500 t快速打包機已有初步嘗試。若打包速度大幅提高，原來靠人工完成的穿帶打扣、刷嘜工序則必須改成自動化。貨場自動碼包系統在大產能生產線實現后也會迅速發展。

（五）應對大產量的烘干、加濕設備

機采籽棉是接近成熟時噴灑脫葉劑，籽棉中尚含有較多水分，采摘時的環境天氣情況對籽棉中水分影響也很關鍵，比如早上結露時和中午采摘的籽棉水分就相差很大。因為機采棉在采摘時將大量的棉桃、棉稈、葉屑與籽棉混合在一起收回，所以機采棉比手摘棉有較多的雜質，正常含雜率在8%～16%。機采棉回潮率一般在9%～16%。當籽棉回潮率大于9%時，雜質和棉纖維的附著力會隨著水分的增加而加大，使之很難被清除，軋出的皮棉含雜量也隨之增加。保證機采棉加工質量控制籽棉回潮率是關鍵因素之一。在加工量大幅提高的情況下，提高烘干設備的產量和效能非常關鍵。

1.大產量烘干清理一體機簡介。

美國切諾基公司生產了目前世界最大產量的244片軋花機，在機采棉生產中為了給大型軋花機配套，必須有相應的大型籽棉烘干設備。圖13、14是諾基公司生產的大型烘干清理一體機。籽棉通過豎向放置的箱體，箱體內有多根葉片輥，葉片輥轉動既阻礙籽棉的流速又避免堵車，使熱空氣能快速多次穿過籽棉層達到烘干作用。烘干后，熱氣流繼續伴隨籽棉增強烘干效果。籽棉進入到由大腔體和15根輥組成的籽棉清理單元。由于資料不全，照片模糊，因此，圖中15根輥有無相對應的塵格漏底還需資料的進一步證明。若大幅或翻倍提高機采棉生產線產量，國外已經應用的這種大型烘干設備值得分析探討（參看本人論文“大型機采棉生產線開松烘干一體機的設計”）。

圖13 烘干清理一體機側視截圖

圖14 烘干清理一體機斜側截圖

2.籽棉加濕設備。

通過烘干后籽棉含水率大都在3.5%～6.0%，過低的回潮率會使棉纖維剛性和強度下降而變得脆弱。為此在充分落雜后要進行人工強制干預，提高籽棉的回潮率，使其增加纖維強度與剛度，在接下來的軋花和皮清階段更能抵抗機械沖擊，降低對纖維品質的破壞。

圖15是國外的籽棉加濕設備，圖16為籽棉加濕設備在線應用情況。此設備在國外有應用，但不普及。國內按此原理制造后也在生產線應用過，效果也不是很理想。主要原因分析如下：1.目前軋花廠大部分是承包加工，承包商主要是以產量拿承包費，雖然也有棉花加工的質量意識，但是主動提高棉花加工質量的意識不強，并且棉花質量提高帶來的效益沒有產量提高帶來的多；2.現在為了加強環保措施，很多地方已經禁用燃煤的方式提供熱能，很多企業被動地接受使用電能，電能的使用成本較高，抑制了用戶對需要大量熱能的籽棉加濕的應用；3.大部分加工者對棉花的雜質、色澤等表面問題比較關注，對直接影響紡織成紗的長度、長度整齊度等關注不夠；4.國內設計制造的類似設備技術性能不過關，達不到預期，抑制了市場需求。

圖15 籽棉加濕設備

圖16 籽棉加濕設備在線應用

筆者認為，按國外的原理設計出的籽棉加濕效果不理想主要是系統問題。主要是目前持續的、大量的、經濟的供熱還有很大困難。其它如水的霧化、凈化也有一定因素。

筆者認為，必須立足國情，用較少的熱能完成籽棉加濕，可以利用設計來提高熱能的利用率。主要改進和設計特點：1.籽棉由不確定的被動加濕改進為強制穿透式主動加濕。強力穿透式加濕不會產生緊靠兩側壁的籽棉表面濕，而中間層加不上的情況；強力穿透式加濕均勻，加濕量大且可靠；2.強制穿透式主動加濕由負壓吸引導向，氣流方向可控，不會產生大量冷凝水黏附到兩側箱壁上或流到軋花機內；3.由于負壓吸引導向，熱濕氣流不再向上“頂出”，避免了落棉不順堵塞輸送機的情況。本設計加濕箱在上，抽吸箱在對側下方，增加了加濕的路線和時間，氣流斜向下的方向與籽棉運動方向基本一致，不會產生阻力發生堵車現象；4.原設計的尾氣排放到大氣，尾氣帶有一定的溫度，直接排放造成了能源浪費。強制穿透式主動加濕能將排出帶有一定溫度的尾氣被風機負壓抽吸送到熱源重新加熱，形成了閉環系統，初步估算可節約能源20%～30%。閉環系統使得自動控制能順利實現。

（六）除塵設備

未來棉花加工的大趨勢除了大產量、高質量是其特征外，環保也是一大亮點。目前針對軋花生產線，除塵器主要沿用傳統的沙克籠除塵器（圖17）。由于棉花加工風量大、工況不穩定、雜質構成復雜導致沙克籠除塵器效果較差，從排風筒出來的大量灰塵隨風飄蕩，污染環境，危害人員健康，許多棉花加工企業經常被環保部門勒令停工整改。隨著人們環保意識的加強和環保法規的不斷完善，努力降低棉花加工企業的排塵已經成為共識。鄭州棉麻工程技術設計研究所開發的多級復合圓籠除塵機組（圖18）在新疆機采棉生產線得到了應用并通過環保檢測。

圖17 傳統沙克籠除塵器

圖18 新型多層圓籠除塵器

五、總結

大幅提高棉花加工生產線的產能并且保證質量，需要對生產線所有設備進行升級改造或重新設計。這對設計水平、材料、加工工藝、加工設備、生產組織、人員素質都是較大的挑戰。

我國的棉花加工行業的四次變革是由引進驅動、跟隨模仿驅動、改革驅動、政策驅動完成的。歷經四次變革后，我國棉花加工行業水平已經達到了國際水準，在棉花加工信息化與數字化程度超越大多數棉花加工國，在生產線產能、單機產能、加工質量方面還弱于最先進國家。根據行業及市場形勢綜合分析，筆者認為，第五次變革應是市場驅動，核心是保證質量、大幅提高產量，同時完善信息化與數字化，其最明顯特征是大幅提高產量。第五次變革可能不會像以往歷次變革有比較清晰的階段或時間點，第五次變革可能正在醞釀發生，邊界比較模糊，是由量變慢慢積聚成質變的過程。☆