機采棉清理加工設備存在的問題與建議

楊星宇，李 斌※，高海強，劉向新，王士國，劉 洋，王 濤

（1.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.山東天鵝棉業機械股份有限公司）

0 引言

2022 年全國棉花種植面積達到300.03 萬hm2，總產量597.7 萬t，其中新疆棉花種植面積占全國種植面積的83%，產量占全國總產量的90%。由此可見，新疆棉業的發展對全國的經濟發展具有至關重要的戰略意義。國內外的研究人員針對棉花機器采摘后需要進行的包括大雜的清理、異性纖維清理、棉鈴清理和皮棉清理等加工環節設計研發了相應的加工設備，實現了對原棉的高效清理，極大地提高了生產效益。

棉花可分為細絨棉（陸地棉）、長絨棉（海島棉）和粗絨棉（中棉）。粗絨綿產量低，纖維粗短，難以用于機紡，已被逐漸淘汰；細絨棉適應性強、產量高，是我國種植面積最大的棉花品種；長絨棉雖然種植范圍小，但由于其品質優良，質感柔和，已成為高附加值紡織品及服裝中不可或缺的優質原料[1]。長絨棉的生長對陽光和溫度的需求高，其種植地主要位于新疆南部的阿克蘇地區[2].。

相較于細絨棉，長絨棉棉鈴小、鈴尖易扎手，人工采收困難，采收效率低下且成本高昂，因此實現長絨棉大規模機械化采收已經是大勢所趨。長期實踐證明機采長絨棉是完全可行的[3]，然而相較于人工采收的長絨棉，機采長絨棉存在大量棉鈴殼、殘膜和秸稈等雜質，因此需要進行一系列清理加工，但目前我國棉花的清理加工設備主要針對種植面積大、產量高的細絨棉，針對鈴殼韌性差、清理要求高的長絨棉的加工設備的研究較少，機采長絨棉的清理仍缺少專門的設備。為解決機采棉加工設備對機采長絨棉針對性不強、清理效果差等問題，本文總結了細絨棉清理加工設備的原理與特點，以期為后續機采長絨棉清理加工裝備的開發研究提供建議與思路。

1 棉花異性纖維清理機

在新疆，棉花種植基本上都采用覆膜種植的方式，該方法能為棉花的生長提供良好的環境，但在機器采收時采摘頭在工作時會對部分地膜與棉花進行無差別采收，導致地膜混入棉花中并進入后續的加工環節，如果不能及時去除，將會極大影響棉花加工后的品質，因此需要專門的機具來去除殘膜等異性纖維。

邯鄲金獅棉機有限公司[4]對現有的棉花清理機進行了改進，在相關清理設備上增加了排雜網與釘齒滾筒等部件，其結構示意如圖1。籽棉被均勻送入機具后被軟特雜清理部中的旋轉輥充分松開，之后基于各類雜質和棉花的物理性質差異，雜質、籽棉和殘膜等異性纖維在風機管道的風力和塵籠引風氣流的共同作用下逐漸與棉花分離并隨著氣流的運動附著在塵籠上的篩網表面，累積到一定程度后被剝雜輥刷落，掉入盛雜箱中。這種運用氣流完成籽棉清理和除雜的設備不易損傷棉絮，對棉花品質影響較小，但在清理效率上存在不足。從當前的應用情況來看，風力除雜的效率僅為傳統機械清理效率的20%[5]。

圖1 棉花異性纖維棉葉清理機結構示意

華中農業大學的王巧華等[6]搭建了棉花異性纖維靜電分離平臺（圖2）。工作時，由于棉花與異性纖維質量不同且二者荷載的電荷極性和電荷量存在較大差異，因此棉花與異性纖維的混合物在通過上下極板形成的電場時可以被分離。該研究利用圖像處理技術提取機采棉中不同面積和不同破損程度的殘膜的特征并根據殘膜形態與所帶電荷之間存在的關聯關系采用聚類算法將殘地膜分為三個等級。該研究通過反復試驗確定了最大程度除去不同級別殘膜所需要的最佳荷電時間與壓板電壓等參數，實現了異性纖維的高效去除，對一級、二級、三級殘膜的去除率分別能達到96.2%、98.1%和97.2%。采用靜電吸附雜質的方法除雜效果良好，但其產生的帶電工作環境存在安全隱患。

圖2 機采棉殘膜靜電吸附分離平臺結構示意

Loptex 公司[7]設計的原棉揀出機將超聲波檢測技術與光電檢測技術相融合。工作時，原棉會經過具有穿透性的超聲波檢測以及光電感應檢測兩道檢測工序，這兩道工序的檢測準確性好，靈敏度高，對非透明異性纖維的清理效果好，但是對于普遍采用覆膜種植的新疆棉花來說適用性不強。

2 棉鈴清理機

在機采棉的加工過程中，棉鈴清理機是實現機采棉高效清理必不可少的設備。棉鈴清理機集開松、提凈、回收等多種功能為一體，其作用在于清除籽棉中的棉鈴、棉殼、僵瓣棉和硬雜等各種雜質[8]，從而提高皮棉的加工質量。為了解決棉鈴清理機受風力輸送系統的影響而出現的喂花不均勻問題，棉機制造企業組織專家團隊開展了廣泛的調研并開發出提凈式籽棉清理技術[9]，這種新型的智能清鈴裝備不僅可以提高鈴殼和棉稈的分離效果，還能將纖維損傷控制在一定范圍內。采用這種技術可以提高棉花的加工質量和生產線的運轉效率，從而提高企業的經濟效益。

邯鄲金獅棉機有限公司推出了小輥筒棉鈴清理設備和大輥筒棉鈴清理設備[10]，小輥筒棉鈴清理機為了提高清理效率設置了二級提凈清理裝置，但對棉花的二次勾拉增加了棉纖維被破壞的可能性。隨著保長度、降短纖、減損傷理念的出現，小輥筒棉鈴清理機已經無法滿足棉花加工企業對棉鈴清理的要求，于是研發出改進后的大輥筒棉鈴清理機。大輥筒棉鈴清理機一般由喂花部、開松部、清鈴部、回收部、排雜絞龍部和旁路等部分組成，如圖3。大輥筒清鈴機取消了二級提凈清理，增加了輥筒的直徑和輥筒的數量，將開松輥的直徑增加到400 mm，數量增加到3 個。隨著輥筒直徑的增大，即使在相同的線速度下，輥筒的轉速也會降低。增加輥筒的數量可以更充分地擊打開由喂花輥落下的棉花，使其均勻地散落在大U 型齒條輥上。這樣的設計可以使籽棉在齒條輥軸向上的分布更加均勻，從而使鈴殼和棉稈更容易暴露在籽棉外表面，方便清理和排出。相較于小輥筒清理機，大輥筒清鈴機使用壽命更長，穩定性更好，且排雜桿的增加使棉鈴被排除的幾率更大，棉鈴的清理效果更好。從結構上來看，大輥筒棉鈴清理機更簡潔，雖然去掉了小輥筒棉鈴清理機中的二次清理部，但清理效率并未因此受到影響。

圖3 大輥筒棉鈴清理機結構

3 皮棉清理機

皮棉清理是棉花加工中的重要一環，該環節的清理效果直接影響到加工出的皮棉質量。含雜多的皮棉會導致棉花的評級下降，造成企業經濟效益受損。在皮棉的清理過程中有諸多因素會對皮棉清理機的清理效果造成明顯的影響，這些因素包括皮棉的回潮率、給棉羅拉與帶刺輥筒的間隙、帶刺輥筒的速度以及除雜區域的大小等[11]。要保證皮棉清理階段的質量需要綜合考慮影響皮棉清理機工作效果的各個因素，通過合理的設計和作業參數優化使皮棉清理達到理想效果，實現經濟效益最大化。

皮棉清理機按刷棉的方式不同一般可以分為氣流式和毛刷式。鋸齒式皮棉清理機是毛刷式皮棉清理機的機型之一，二者在原理與結構上大同小異，是皮棉清理加工工藝中的重要設備之一。它與鋸齒軋花機相連，在皮棉雜質的清理以及皮棉外形的改善中起關鍵作用[12]。其主要由集棉給棉部、清理部和刷棉部等部分組成，其中清理部對棉纖維的品質起著至關重要的作用。山東效棉機械有限公司開發了一款鋸齒式皮棉清理機[13]，工作時，刺輥通過高速轉動帶動皮棉纏繞刺輥并產生離心力，七把排雜刀快速與纏繞在刺輥上的皮棉接觸，從而將棉籽以及大顆粒雜質剝落，完成皮棉清理。

噴氣式皮棉清理機在類型上屬于氣流式皮棉清理機，一般設置在軋花機與鋸齒式皮棉清理機的中間。在氣流的流動方向改變之前，皮棉經過清理機和軋花機之間的通道時突然改變速度，使速度上升到預設速度，隨后進入噴氣式皮棉清理機。在噴氣式皮棉清理機中，由于氣流與皮棉的相對方向發生了變化，從而產生了一定大小的離心力，大顆粒隨即被離心力拋出，剩余的皮棉和雜質進入鋸齒式皮棉清理機進行進一步清理。這種噴氣式與鋸齒式皮棉清理機的配合方式進一步提升了皮棉的清理效果。

4 存在的問題

4.1 加工過程易造成棉花纖維損傷

棉花清理過程中在分離棉籽和棉纖維時定刀及刺輥等部件會與籽棉產生機械作用，從而導致棉纖維破損，造成衣分損失。

4.2 異性纖維清理機的性能仍存在缺陷

異性纖維清理機一般有傳統機械式清除、靜電吸附式清除以及風力清除方式，但分別都存在清理效果不佳、潛在風險大以及清理效率不高等問題。部分安裝有圖像識別、超聲檢測等先進檢測裝置的異性纖維清理機在對透明殘膜的檢測和識別上存在較大的缺陷，不能較好地適應覆膜種植棉花的清理。因此異性纖維清理機在適應性和精準性等方面還存在問題。

4.3 缺少適用于長絨棉的清理裝置

長絨棉收獲難度大，種植收益低，其機械化收獲程度較為落后，因此專門針對機采長絨棉清理的研究較少。機采長絨棉的加工一般都只能依靠常規的棉花清理加工裝置，但由于長絨棉與其他棉花特性的差異，加工效果往往不夠理想。

5 建議

5.1 使用柔性材料，降低加工損失

柔性材料具有良好的彈性和韌性，能夠很好地適應不同籽棉和棉絨。在籽棉加工設備直接與籽棉和棉絨接觸的構件中增加柔性設計能夠在有效清理棉花中雜質的同時在一定程度上將棉纖維受到的損傷和破壞控制在一定限度內。

5.2 提升清理裝置智能化水平

完善定量檢測、智能識別以及雜質吸附等技術，在提高清潔效率的同時實現清雜精確化和數據化，通過顯示面板可以實現棉花中雜質的形狀、質量以及去向的實時監測和跟蹤，從而進一步的優化機具結構，改善機采長絨棉的加工質量。

5.3 加強針對長絨棉特性的研究，改進現有設備

長絨棉在國家重要領域以及人民日常生活中的重要性愈發突出，政府應加強對長絨棉產業的關注，加大對企業、高校與科研單位的扶持力度，提供資金支持與政策優待，推動各單位加大對機采長絨棉加工性質的研究力度，以便為設計適用于機采長絨棉的加工機械提供理論和數據支撐。

6 結語

文中介紹了機采棉花清理加工生產線中不同階段所用到的清理加工設備，對其特點進行了總結和分析，指出了機采棉花的清理加工中存在的問題并給出了以下具有針對性的建議：使用柔性材料，減少加工損失；提升清理裝置智能化水平；加強針對長絨棉特性的研究，改進現有設備。研究結果為機采長絨棉清理加工設備的研發提供了思路，有助于促進我國長絨棉產業的發展，打造高水平、高質量的機采長絨棉加工產業鏈。