新疆機采棉初加工研究的現狀及對策

曹吉強 程 璐 張純宇 袁少琦 徐 紅

（新疆大學，新疆烏魯木齊，830046）

新疆是我國的優質棉花生產基地，1990 年后我國每年三分之一以上的棉花產自新疆；2019 年新疆棉花產量達500.2 萬噸，占全國84.9%。自1794 年3 月WHITNEY Eli 的軋花機專利提出至今，棉花初加工設備研發從機械化到智能化，纖維品質從工藝優化到工藝監控，相關研究一直被眾專家關注，但結合新疆區位氣候特點與棉花加工實際方面的研究內容較為鮮見［1-5］。在棉花初加工的多道工序中，軋花對纖維性能的影響較大，對后續紗線及織物產品質量優劣起著至關重要的作用［6-8］。新疆機采棉在低溫環境下軋花加工，對棉纖維原生品質的額外損傷直接影響著我國棉花行業在世界上的競爭力。隨著機采棉的迅速普及，這一問題愈加凸顯，近2 年雖有所改善，但并沒有解決根本問題。

本研究采用文獻分析法，借助中國知網（以下簡稱CNKI）以及Web of Science（以下簡稱WOS）對國內外機采棉初加工相關文獻進行可視化分析研究，結合近20 年新疆機采棉初加工現狀，從低溫環境角度發現新疆機采棉初加工存在的問題及相應解決對策，為棉花初加工研究提供參考。

1 機采棉的初加工總體情況

在CNKI 中，選取“棉花加工”作為檢索關鍵詞，時間限制在2020 年以前（含2020 年），共計檢索出3 030 篇相關研究文獻，高級檢索中添加關鍵詞“機采棉”，時間限定為近20 年，篩選出了226篇相關研究文獻；在WOS 中，時間設定與CNKI中相同，以“cotton processing”為關鍵詞，共檢索出62 511 篇相關研究文獻，添加精煉檢索結果“machine-harvested cotton”或“machine pick-up cotton”或“cotton harvesting machine”，有相關文獻612 篇。

1.1 文獻量分析

通過檢索關鍵詞得到近20 年關于機采棉初加工的文章數據，對CNKI 檢索到的226 篇文獻和WOS 中的612 篇文獻進行分析，統計每年文獻量分布，具體如圖1 所示。從圖1 可以看出，有關機采棉初加工的文獻數量隨時間大體呈上升趨勢，但近2 年有下降趨勢；從歷年整體數據看，該研究方向越來越不被社會各界重視。在國內，相關研究在2013 年達到最多，有32 篇相關文獻；在國外，2017 年有70 篇相關文獻，近2 年也有所下降。WOS 以及CNKI 中的文獻類型有90%以上為期刊文章、專利和學位論文，少數為標準、圖書和報紙等。

圖1 近20 年CNKI 和WOS 文獻量分布圖

1.2 研究方向分析

為了更為直觀地了解機采棉初加工各研究方向所占比例，表1 和表2 分別展現了國內、國外各研究方向的占比。

由表1 和表2 可知，國內排在前5 名的研究內容依次為輕工業手工業（48.44%）、農業經濟（16.80%）、農業工程（16.80%）、農作物（7.03%）和工業經濟（5.86%）。其中，輕工業手工業占主體地位；細化研究主題發現，關于籽棉回潮率的相關文獻占比較大，這是棉花初加工中的重要組成部分；國外機采棉初加工各研究內容占比排前5名的依次為農業（30.22%）、設備儀器（26.90%）、工程技術（11.73%）、材料科學（6.36%）、化學（5.96%）。可以看出，國外研究主要還是分布在農業、設備儀器和工程技術等方向，其他還涉及材料科學、化學等領域。

表1 國內機采棉初加工各研究內容占比

表2 國外機采棉初加工各研究內容占比

2 新疆機采棉初加工現狀

2.1 軋花原理與工藝

WHITNEY Eli 的軋花專利使棉花加工呈爆發式增長。鋸齒軋花機工作原理為：籽棉通過一個裝有系列鋸齒的裝置，通過篩網/柵欄軋花；由于篩網/柵欄隔距小，鋸齒將棉纖維從棉籽上鉤拉下來，并將棉纖維拖過網眼/柵欄，從而完成軋花過程。根據軋花機的工作原理，將軋花機分為皮輥軋花和鋸齒軋花［9］；皮輥軋花主要用于長絨棉軋花，對纖維性能的損傷較小；鋸齒軋花主要適用于細絨棉，其對棉纖維性能損傷較為嚴重，機采棉所使用的是鋸齒軋花機。目前軋花機也在不斷更新換代，如近些年研發的新型雙鋸筒高產軋花機（HSRG）［10］，與傳統軋花機相比，棉結含量與纖維長度指標得到較大改善。

機采棉軋花加工基本工藝流程［11］：籽棉→重雜物、三絲清理→籽棉烘干→籽棉清理（二道）→籽棉烘干、籽棉調濕→籽棉清理（二道）→軋花→氣流式皮棉清理→鋸齒式皮棉清理（二道）→皮棉調濕→皮棉打包→棉包信息采集與自動標識。張成梁等［12］采用監控層、控制層、設備層的構架模式，完成關鍵設備自動化升級改造，還有學者提出了在線實時監控，確保生產順利進行［13-14］。軋花加工重點關注加工工藝的智能化控制［15］，尤其在新疆部分區域機采棉已經實現規模化種植、批量化生產、統一化管理和智能化加工的一體化流水線模式［16］。

2.2 回潮率監測

回潮率是影響棉花初加工中纖維品質的重要因素，也是軋花加工研究的熱點。回潮率過高或過低都對軋花加工造成不良影響［17-19］；要保證軋花工序順利進行，最佳回潮率控制為6.5%～8.5%［20］；在此區間內，棉纖維既有一定的彈性，又能保持強度。目前，測定棉花回潮率的方法分為直接法和間接法［21-22］，分離線式和在線式兩種方式；離線式主要用于棉花收購、棉花檢驗、驗收結算和儲運過程中。為了提高回潮率測量效率，李洋等［23］人設計了一種基于PLC 和組態網的控制系統；賈冬等［24］人提出一種棉包回潮率自動檢測裝置；臧利濤［25］提出了一種解決手持插針式棉花回潮率檢測方式；董全成等［26］提供了一種新的控制策略，當回潮率、籽棉等級等因素發生變化時，實時控制棉花喂入量，保持合適的籽棉卷的密度，從而達到自動控制目的。以上檢測系統、裝置、方式對檢測的效率、便捷度及一致性起到較好的推動作用，促進了回潮率檢測的發展，極大的提升了檢測效率，還節省了人力和財力。

2.3 烘干設備研究

回潮率過高時需要烘干。籽棉烘干設備于1930 年［27］在美國開始使用，過度烘干影響最明顯的是棉纖維長度受損。調控回潮率的方式就是烘干；BYLER R K［28］在清棉、軋花等加工前把水分控制到合適的范圍內，以提高加工質量，并研究對烘干過程進行實時控制［29］；王昊鵬等［30］人研究了籽棉熱風烘干控制干基含水率模型，具有更高的烘干效率和更好的干基含水率一致性。谷國富［31］分析了塔式氣流皮棉加濕機的特點，皮棉在加濕氣流的輸送過程中被加濕，使皮棉回潮率得到有效控制。

2.4 棉纖維性能損傷

棉纖維性能可以直接反映棉花初加工的質量。機采棉棉花葉屑與雜質含量高，在軋花加工過程中清理除雜加工次數和力度增加，造成機采棉長度、長度整齊度、短纖維率、斷裂比強度惡化明顯，長度損失嚴重，短纖維率過高，斷裂比強度處在極差檔次，對后道紡紗會產生十分不利的影響［32］。RAY S J［33］和LE S［34］也 在 研 究 如 何 在 籽棉與皮棉的清理工序提高清理效果、減少纖維損傷等問題；徐紅研究表明，每經過一道皮清工序，棉纖維長度即減少0.5 mm 左右，短纖含量減少0.8 個百分點～1.5 個百分點，棉結數量成倍增長；謝占林等［35-37］人研究表明，軋花工序對纖維內在品質損傷最大，占到整個加工中40%以上，特別是軋花后籽屑顆粒、棉結數增幅較大［38-39］。為了 改 善 纖 維 性 能 損 傷 現 狀，BOYKIN J C［40］和MICHAEL S C［41］提出，通過控制回潮率可以改善纖維長度、強度等性能；李群華等［42］認為，需進一步推動棉花種植方式、加工檢驗、采棉設備方面的技術進步，使棉纖維品質質量得到保障。

3 機采棉初加工中存在的問題及解決對策

3.1 機采棉初加工存在的問題

首先，軋花加工環境較差。軋花企業的生產廠房為造價低廉的彩板房，缺少基本采暖設施，且籽棉露天堆放，尤其是在有雨雪的冬季，不附加任何預處理直接加工。新疆地區早晚溫差大，手采棉軋花加工的起始時間為9 月初，機采棉初加工從10 月10 日左右開始，持續2 個～4 個月，這一時期室外溫度在30 ℃至-10 ℃，甚至是-20 ℃，低溫下棉纖維力學性能變化較為明顯，急需關注此溫度下纖維的性能。

其次，棉纖維在各工段溫度、回潮率不能得到有效控制。實際軋花加工中，軋花廠超過一半時間，甚至三分之二時間生產廠房內溫度低于10 ℃，甚至在0 至5 ℃之間，回潮率往往在5%左右，甚至低至3%，偏低的溫度下棉纖維的平衡回潮率低，棉纖維呈現“內干外濕”的狀態，棉結、索絲大量增加，且抗打擊能力變差，外濕導致軋花加工時堵塞機器，嚴重時還會損壞設備。

最后，低溫低回潮軋花對纖維品質影響嚴重。偏低的溫度下棉纖維的平衡回潮率低，空氣的飽和絕對含濕量也很低，導致軋花加工時空氣與籽棉都呈放濕狀態，使狹小的棉箱中空氣的相對濕度趨于飽和或過飽和狀態，導致棉花品質明顯降低，即使降速加工，其皮棉質量仍難以保證，而且軋花企業全方位的溫度調控卻因能耗大、成本高而難以實施。常溫下軋花可以通過加濕或烘燥調控軋花前籽棉的回潮率，但是在低溫環境下加濕并不能使籽棉獲得有利的軋花回潮率狀態，難以兼顧纖維高強伸性與無纏繞設備的要求。

3.2 相應對策

首先，從源頭解決采購時對棉花含水量的監測。對于含水率高的籽棉予以退回或分類堆置，即堆放籽棉時按照分級分垛原則放置收購的籽棉，貨場遇到雨雪天氣時用篷布將棉垛蓋上，從外環境解決棉花回潮率過高或過低的問題。

其次，在籽棉軋花前，了解外場籽棉實時實際回潮率，及時調整工藝參數，可以在每個工段采用一種軋花加工的增/測溫加濕控制方法［43］，監控各工段的不同相對濕度，根據環境變化隨時調整溫濕度，保證各工段纖維內部水分子變化可控，實現籽棉溫度和回潮率達到加工要求。

最后，進一步革新軋花設備與工藝，使用具有籽棉加濕控溫的軋花加工新工藝與裝備［44］，對軋花與皮棉清理工序進行保溫調濕，對皮棉滑道調節回潮率，可有效提高皮棉的綜合等級；還可使用紅外加熱、遠紅外輻射入射到纖維表面，輻射能被大部分吸收，纖維吸收的遠紅外輻射轉變成熱能使纖維加熱，通過調整籽棉處于“內濕外干”的狀態，保證棉纖維有良好的力學性能與柔曲性，減少對棉纖維的直接損傷，便于軋花加工。

4 結語

本研究采取文獻分析法對新疆機采棉初加工進行了梳理總結，CNKI 及WOS 文獻數據表明，國內外有關機采棉初加工的研究文獻近兩年數量均呈下降趨勢；同時，纖維品質的下降也說明對此領域的研究有其緊迫性。

結合目前新疆機采棉初加工現狀分析，棉花初加工是棉花產業鏈中的一個重要加工環節，其受到設備、檢測技術和外界環境因素的影響。目前棉花初加工工藝設備不斷進步，向宜于纖維質量保證、設備全流程管理、監測和控制方向發展。對棉花初加工現狀的問題，應建立企業自動化、智能化、一體化的質量管理監測體系，促進棉花加工向精細化、數據化、安全化方向發展，從種植方式、加工檢驗、采棉設備等方面，實現標準化和規模化機采棉生產。針對低溫低回潮軋花的問題，應采用籽棉加濕控溫的軋花加工新工藝與裝備，從而經濟、有效地解決困擾軋花廠的溫控問題。加工設備的革新及環境影響仍是目前迫切需要關注的領域，研究低溫導致低回潮的棉花初加工對推動棉花加工產業技術升級具有重要意義。