籽棉圓模開包機械化技術與裝備研究進展

摘要：籽棉圓模開包機械化是棉花加工喂花環節的關鍵技術之一，直接影響棉花加工質量和效率。隨著機采棉圓模打包技術的廣泛應用，缺少適應國內棉花加工特點的圓模自動開包裝備成為制約我國棉花加工高質量發展的瓶頸之一。為此，綜述了國內外棉花加工籽棉圓模開包技術與裝備的研究現狀和發展趨勢，歸納總結了國內外相關裝備技術的主要類型、結構、工作原理及優缺點；分析了目前國內籽棉圓模開包存在的主要問題，提出了相關技術與裝備的發展建議。

關鍵詞：棉花加工；開包機械；籽棉圓模；喂花；配套設備

收稿日期：2024-07-10" " " " "第一作者簡介：秦建鋒，碩士，高級工程師，研究方向為棉花智能化加工與檢驗，707487369@qq.com

基金項目：國家重點研發計劃（2022YFD2002400）；新疆生產建設兵團財政科技計劃（2023AB014）

棉花是我國重要的經濟作物，在國民經濟和社會發展中占據重要地位[1-2]。隨著機采棉技術的推廣應用，我國機采棉種植面積持續提升，占比已超過80%[3-4]。機采棉的快速增長對我國棉花采摘、加工等技術裝備提出了新的要求[5]。常用采棉裝備主要包括箱式采棉機和打包式采棉機。相比箱式采棉機，打包式采棉機具有圓模打包功能。目前打包式采棉機憑借裝備集成度高、需要的人工少、模塊易于運輸、更容易避免籽棉污染等優點，能減少籽棉打包設備投入數量，大大提高采摘效率，降低采收成本[6]，在美國、澳大利亞、巴西等產棉大國得到了廣泛的應用[7-9]。近幾年，隨著打包式采棉裝備國產化，打包式采棉機逐漸占據了棉花采摘市場，交售到軋花廠的圓形模塊占比逐年升高。但我國棉花加工中喂花環節仍以傳統散料籽棉地坑喂花方式為主，占90%以上[10]。與散料籽棉和方形模塊相比，圓形模塊的顯著不同是其外圓柱面上纏繞有多層聚乙烯薄膜，導致搬運方式不同，須在喂花過程中增加開包環節，即去除外包裹聚乙烯薄膜。現階段，我國棉花加工過程中，通常在頭部裝有叉式搬運機具的裝載機的輔助下，采用人工切割的方式完成籽棉圓模的去除。該方式存在勞動強度大、有一定的安全隱患、圓模包裝膜碎片殘留率較高、人工投入大和喂花效率低等問題。

為此，筆者團隊擬在專利和研究報道文獻查詢分析的基礎上，歸納總結國內外棉花加工過程中籽棉圓模開包裝備與技術現狀，以及國內外市場上幾種典型的籽棉圓模開包裝備的結構、工作原理，對比不同籽棉圓模開包裝備的優缺點，分析我國籽棉開包裝備技術現狀及存在的主要問題，提出我國籽棉圓模開包技術與裝備的發展建議，為籽棉圓模開包裝備的研發和棉花加工工藝的提升提供參考。

1 籽棉圓模開包作用、技術特點及分類

1.1 籽棉圓模開包的作用

棉花加工中籽棉喂料的目的是對去除外包裹的散料或模塊籽棉進行開松，并使籽棉以穩定可控的流量進入生產線。而籽棉圓模開包是籽棉喂料的關鍵工序之一，主要是實現圓模外包裹物與籽棉的高效分離，同時盡量減少外包裹材料在籽棉中的殘留量。

1.2 籽棉圓模開包技術特點

籽棉圓模呈圓柱狀，質量約為2.3 t，直徑為2.3 m左右，長度為2.4 m左右。圓模外通常包裹厚約78 μm的3層聚乙烯薄膜，并且兩端有長度約為100 mm的包邊，如圖1所示。聚乙烯薄膜的外切邊通過黏合劑黏結在內層，外包裹內切邊夾持在外層包裹材料和籽棉之間。聚乙烯薄膜內籽棉密度約為220 kg·m-3[11]。棉花加工過程中，嚴禁塑料膜等雜物喂入，因此須在籽棉圓模喂入前無殘留去除外包裹[12]。目前常用的圓模外包裹去除方式包括切割去除和無切割去除。

另外，為實現棉花加工信息的可追溯，以便將喂入籽棉與加工成包皮棉相對應，通常在開包環節要完成籽棉圓模信息識別。目前采用的信息識別方式主要包括2種：一種是采用射頻識別（radio frequency identification， RFID）電子標簽的方式，將電子標簽嵌入到外包裹聚乙烯薄膜內部；一種是在包裝膜上印刷或粘貼條形碼或二維碼，通過掃碼識別信息。目前國內通常的做法是在收購環節給圓模粘貼條形碼。

1.2.1 切割去除。目前人工開包和大部分圓模開包裝備（自動開包）采用切割去除方式。切割去除方式首先通過沿籽棉圓模軸向切割開外包裹，然后將其分離。切割去除方式的去除效果可靠性高，更易于實現自動化；但采用切割去除方式對切割位置的要求較高，比無切割去除更易導致籽棉中滯留外包裹殘片，并且難以被及時發現和有效清除。

切割位置是導致外包裹殘片滯留的關鍵因素之一。由籽棉圓模外包裹的纏繞方式可知，為避免較小包裹殘片的出現，切割位置不宜選擇在外包裹的外切邊與內切邊之間對應的銳角區域，如圖2所示。針對自動開包，推薦的切割位置位于外切邊與內切邊之間對應的鈍角區域的中間位置，這樣可以在一定程度上減小由于判斷偏差產生包裹殘片的可能性。而手動開包建議切割位置為外切邊對應的180°位置。目前為便于自動開包設備自動選擇合適的切割位置，通常在固定位置嵌入RFID電子標簽[13]或使用帶有粘貼條碼的外包裹纏繞膜，在開模前通過旋轉籽棉圓模識別RFID電子標簽或條形碼完成圓模信息讀取的同時找準切割位置。

1.2.2 無切割去除。該過程是：將籽棉圓模沿軸線豎直放置，利用機械臂握持其四周并勾拉提升外包裹，使籽棉在重力作用下與外包裹分離。與切割去除相比，無切割去除方式省去了切割位置定位的過程，但其分離效果易受棉花回潮率、籽棉圓模尺寸和密度等影響。如：回潮率和密度過大時，籽棉與籽棉之間、籽棉與外包裹的摩擦力較大，僅通過重力作用，難以實現籽棉與外包裹的分離；握持機構對尺寸較小的籽棉圓模適應性不好。目前采用無切割去除的籽棉圓模開包裝備較少。

2 國內籽棉圓模開包技術與裝備現狀

2.1 手工開包

不同于美國、澳大利亞等產棉國以地上開模喂料為主，我國以地坑散花喂料為主，少部分棉花加工廠采用地上開模喂料。目前國內籽棉圓模開包普遍采用人工方式，籽棉圓模開包技術研究與裝備研制還處于初期，相關廠家研制的開包裝備還未推廣應用。

為更好地與地坑散花喂料結合，目前國內籽棉圓模的手工開包普遍采用切割去除方式。首先采用頭部裝有叉式搬運機具的裝載機將圓模豎立放置在場地上，人工用刀片沿對稱位置將外包裹的下半部豎直劃開，用手將下半部被劃開的外包裹提拉至切割口上邊沿，然后將其扯掉，完成籽棉與包裝膜的分離，如圖3所示。

針對地上開模喂料，目前國內普遍采用的籽棉圓模手工開包方式是切割去除方式。首先，由裝載機通過三叉機具水平抬高圓模，使圓模的軸線與開模機軌道垂直，且沿開模軌道中心線對稱；然后，人工用刀片從圓模的下部將包裝膜劃開，手動扯開并收集包裝膜；最后，裝載機將未完全散開的籽棉放置在喂花導軌上，完成圓模開包，如圖4所示。

目前國內普遍采用的地坑散花喂料的籽棉圓模開包有占地面積大的特點。2種人工開包方式的共同特點是所需人員數量多、勞動強度大、安全風險大、需要裝載機的輔助。

2.2 開包機械化技術與裝備

2021年山東天鵝棉業機械股份有限公司推出了采用切割去除方式的籽棉圓模開包裝備，其設置在地坑附近，以便將開包后的籽棉喂入地坑。如圖5所示，該裝備主要包括圓模輸送裝置、切割機構、外包裹抓取組件和抓取升降組件等，其中外包裹抓取組件主要包括可上下和橫向移動的機械手，切割機構設置于圓模輸送裝置靠近圓模外包裹抓取裝置的輸送臺面上[14]。工作過程中，圓模被搬運到輸送裝置上，在輸送過程中完成掃碼和圓模底部外包裹切割后，被輸送至圓模外包裹抓取組件正下部；然后，機械手向下移動以抱緊圓模，并向上提升，通過機械手的勾拉將外包裹取走；最后，機械手上升并橫向移動，將包裝膜移動到收集處并脫鉤。

該裝備在一定程度上實現了籽棉圓模的機械化開包，但仍有提升空間。其存在的問題包括以下幾個方面：缺少籽棉圓模切割位置的識別和主動調整機構，難以避免外包裹殘片滯留在籽棉中；與目前普遍采用的地坑散花喂料工序銜接不良。

3 國外籽棉圓模開包技術與裝備現狀

3.1 自動開包裝備

以美國、澳大利亞為代表的先進產棉國，目前已經形成了多種成熟的籽棉圓模開包喂花成套裝備，主要包括運模車、圓模輸送平臺、開包裝置和開模機。為適應不同的開包方式，市場上出現了多種自動開包裝備，主要包括美國Paladin Brands集團公司的圓模搬運開包機具、CTC設計公司的傾斜式圓模開包裝備、Stover公司的GIS圓模開包系統、Cherokee公司的Round-Up 2開包系統，以及澳大利亞Queensland棉花股份有限公司的升降式圓模開包裝備。其中，Queensland棉花股份有限公司的升降式圓模開包裝備和Cherokee公司的Round-Up 2開包系統采用無切割去除方式，其他均采用切割去除方式。

3.1.1 圓模搬運開包機具。該機具是在插入式圓模搬運工具的基礎上發展起來的，主要包括旋轉輥筒、伸縮刺釘、液壓伸縮機構和機具連接等[15]，如圖6所示。其工作過程如下：收回2個旋轉輥筒表面刺釘，在液壓伸縮機構的作用下旋轉輥筒橫向移動，增加2個旋轉輥筒的中心距；移動車輛將圓模置于2個旋轉輥筒中間，減小2個旋轉輥筒的中心距；將圓模托舉，同向轉動2個輥筒，選擇合適的切割位置（可設置RFID電子標簽自動識別），采用外置式切割刀或人工采用刀具從圓模的下部中間位置劃開外包裹；伸出輥筒外伸縮刺釘，增加輥筒間距的同時反向旋轉2個輥筒，使外包裹在刺釘的勾拉下纏繞到輥筒表面，籽棉順勢落到開模裝置輸送輥床上；收回伸縮刺釘，人工去除外包裹，完成圓模開包。在使用中，該機具需要安裝到裝載機或重型叉車上，在相應車輛配合下完成圓模的搬運和外包裹去除。

該機具的優點是兼具圓模搬運和開包功能，結構較為簡單，具有切割位置調節功能；缺點是缺少自動切割機構，對車輛駕駛人員要求較高，需要人工配合完成切割和外包裹分離。

3.1.2 升降式圓模開包裝備。該裝備是在Claw開包系統的基礎上，通過改進提升方式和夾取方式而研制的，須將其設置在開模裝備喂花口輥床的上部，以便去除外包裹后的籽棉圓模進入開模裝備輸送輥床，如圖7所示。該裝備要求將籽棉圓模直立放置，因此結合配套設備的特點可在該設備前設置翻轉裝置，將籽棉圓模直立。

該裝備主要包括可升降輸送平臺、外包裹夾取組件和圓模外包裹勾拉組件[16]，如圖8所示。其工作過程如下：可升降輸送平臺下降至與開模裝備輥床高度相同時，直立圓模被輸送進入可升降輸送平臺，并將可升降平臺提升1個圓模高度；圓模外包裹勾拉組件通過伸出4個帶有伸縮勾的機械臂從四周勾拉住外包裹；逐漸下降可升降輸送平臺，被勾拉住的外包裹在重力作用下與籽棉分離；由外包裹夾取組件夾取外包裹并移送出該裝備，完成圓模開包。

該開包裝備的優點是采用了無切割方式去除外包裹，無需人工參與，并且可減少外包裹對籽棉的污染。其缺點是易受圓模大小、密度和籽棉回潮率的影響，導致外包裹分離困難。而且如果出現此類異常情況，即使加以人工輔助，外包裹的分離也比較困難。

3.1.3 GIS圓模開包系統。該系統設置在距離開模頭較近的位置，橫跨在開模機輥床之上。該系統主要包括抱合臂、支撐架、切割裝置、輥筒組和外包裹壓縮打包裝置等[17]。如圖9所示，該系統橫向對稱設置2組抱合臂，抱合臂與支撐架之間設置有滑移板，抱合臂上部與滑移板鉸接，滑移板帶動抱合臂沿支撐架頂部橫梁橫向移動，切割裝置設置在支撐架的頂部，輥筒組呈近半圓形布置在抱合臂下部，輥筒組中輥筒包括主動輥和被動輥2種。其開包過程如下：圓模以軸向對齊的方式依次進入開包裝置下方，通過抱合臂的橫向移動、抱合和輥筒組的轉動配合完成籽棉圓模的抱合提升；使用RFID閱讀器感知模塊的位置并確定適當的切割位置，切割裝置向下移動至圓模位置并沿圓模軸向移動切割外包裹；操作人員使用帶有鉤子的桿將切割后的外包裹勾向自己，并在轉動圓模的配合下，手動完成外包裹的分離；外包裹分離后兩側的護板升起，打開提升抱合臂，將籽棉釋放在輸送裝置上，分離后的外包裹由人工放入外包裹壓縮打包裝置完成外包裹的打包。

該系統的主要優點是在去除外包裹過程中采用環抱籽棉的方式使籽棉一直保持原有狀態，不會出現松散掉落情況；其缺點是，尺寸過小或過大的圓模無法使用該系統。另外，由于自動切割易受圓模大小、切割刀鋒利程度等情況的影響，實際使用中操作人員通常采用手工切割的方式。

3.1.4 傾斜式圓模開包裝備。如圖10所示，該裝備設置在整套開模裝備的喂入端，將由運棉車輛輸送的軸線平行端部平齊的圓模完成外包裹的分離后喂入到開模機，更好地銜接了運模車和開模裝備。

該圓模開包裝備主要包括清掃組件、卸載輸送組件、傾斜角度調節組件、外包裹切割組件、外包裹拾取組件、傳送組件和顏色傳感器（圖11）[18]。其中，外包裹拾取組件主要由刺釘輥、開有長槽孔的外輥筒和傳動組件組成，刺釘輥置于開有長槽孔的外輥筒的內部，二者中心線偏置，刺釘與長槽孔一一對應。其工作過程如下：由傾斜角度調節組件調節傾斜角度使喂入口與運棉車高度一致；運棉車將圓模輸送到開包準備的卸載輸送組件，在此過程中由清掃組件完成外包裹表層的清理，同時由成對的外包裹切割組件將圓模兩側的外包裹切割分成上下兩部分，下邊一部分由外包裹拾取組件拾取；開包去除外包裹后的圓模由傳送組件喂入開模裝備，如果部分外包裹碎片沒有被拾取，顏色傳感器將停止設備運轉并發出警報。

該裝備的顯著特點是減少了圓模搬運環節，結構緊湊，占地面積小，帶有自動切割和外包裹拾取裝置，集成了外包裹碎片檢測傳感器；缺點是缺少切割位置調整裝置，難以避免外包裹碎片的產生。

3.1.5 Round-Up 2開包系統。該系統主要包括機架、2組機械臂等組成，機械臂表面有突出的刺釘，并且可以翻轉和升降（圖12）[19-20]。與早期的Round-Up相比，Round-Up 2的翻轉支架改進為固定式支架，固定機械臂改進為可升降機械臂。其工作過程如下：圓模以軸向對齊的方向卸載到輸送裝置上，2組機械臂抓住并抬起模塊，同時將模塊旋轉到垂直方向；系統分階段緩慢拉起包裝膜，籽棉從模塊包裝膜的底端開口滑出，同時可折疊的側壁升起，將籽棉容納在喂棉床上；當模塊離開拆包區域時，側壁會向后折疊，操作員通過帶有長桿的鉤子將喂棉床上的外包裹取下。

該系統的主要優點是自動化程度高，采用無切割去除方式去除外包裹，能夠避免外包裹污染棉花，僅需1名操作人員拾取被分離后的外包裹；缺點是外包裹與棉花難以分離，且易受回潮率、圓模密度、圓模外形尺寸等影響，而且去除外包裹的棉花會散開，難以保持棉花喂入量恒定。

3.2 開包裝備性能對比分析

以上開包裝備的性能對比如表1所示：雖然這些開包裝備滿足的喂花工藝流程不盡相同，但均是為滿足地上開模而設計的；大多數開包裝備沒有實現完全自動化，需要人工參與才能完成圓模開包；困擾圓模開包的主要技術點在于外包裹的自動高效拾取，只有Queensland棉花股份有限公司的升降式圓模開包裝備具有比較完整的外包裹夾取分離功能，CTC設計公司的傾斜式圓模開包裝備具有拾取下半部外包裹的功能；無切割去除和切割去除2種方式各有優缺點；避免開包過程中外包裹對籽棉的污染是亟待解決的技術難題[21]。從開包系統所具有的共性功能分析可知：采用切割去除方式的圓模開包系統需要具有圓模切割位置自動定位、自動切割、外包裹分離和棉花密度保持等功能；采用無切割去除方式的圓模開包系統需要具有圓模豎直放置、外包裹勾拉提升和棉花滑落阻擋等功能，且需要在開模裝備籽棉出口增加流量自動控制裝置，以提升棉花加工過程中籽棉流控制的穩定性，減小籽棉流變化對加工質量的影響。

4 我國籽棉圓模開包技術與裝備研發中存在問題和發展建議

4.1 存在問題

目前我國籽棉圓模開包技術與裝備正在快速發展，為適應我國特有且普遍使用的地坑散花喂料方式，廣大科研工作者和相關企業以創新模式推動籽棉圓模開包技術的發展，成功研制了相關設備，但與先進產棉大國相比，我國的技術裝備還存在一定的差距。這主要體現在以下幾個方面：1）國內籽棉圓模開包裝備大多是通過借鑒國外裝備而來，其設計往往是憑借經驗，缺少對相關機理的深入研究和基礎數據支撐。2）目前國內以地坑喂花為主，喂花方式單一，開發的相關裝備與地坑散花喂料方式的銜接不夠緊密、適應性不足，開包后的籽棉難以自動快速有序喂入地坑，并且一定程度上影響了地坑散花喂料的場地、人員使用，缺少相應的系統性解決方案。3）設備購置成本和使用成本高。目前的籽棉圓模開包裝備需在現有地坑散花喂料設備的基礎上進一步增加投入，并且沒有減少使用人員數量。4）國內籽棉圓模的尺寸、密度等的差異較大，導致籽棉圓模開包裝備應用的可靠性不高。5）當前地坑散花喂料工藝的限制一定程度上制約了籽棉圓模開包與喂花技術裝備自動化程度的提高。

4.2 發展建議

隨著打包式采棉機的廣泛應用，我國棉花加工圓模開包技術裝備短板將越來越凸顯。雖然部分廠家已經開展了適應我國傳統地坑散花喂料方式的籽棉圓模開包裝備研發，但是對提高我國喂花自動化程度、喂花效率和降低喂花勞動強度的作用不突出。筆者團隊通過對國內外多種類型籽棉開包技術裝備的研究進展分析，并結合我國棉花加工生產線特點，建議我國籽棉開包技術研究和裝備的研制從以下幾個方面開展：

一是，研究適用于我國籽棉圓模裝載、輸運、開包、開模的系統解決方案。現階段采用的籽棉圓模裝載、輸運、開包和開模技術和裝備是在傳統散料籽棉相關技術裝備的基礎上經過局部調整改進而來的，部分環節存在短板，尤其是籽棉圓模開包裝備。目前通過局部環節補強的方式難以從根本上提高棉花加工喂料的自動化程度，應借鑒國外成熟技術，結合我國棉花產業特點，創新研究圓模裝載、輸運、開包和開模等功能組合的方式，開展相關技術研究和裝備研制。

二是，規范我國籽棉圓模打包技術要求，降低籽棉圓模的尺寸和籽棉密度差異。近幾年，中國鐵建重工集團股份有限公司、山東天鵝棉業機械股份有限公司等多家企業突破打包式采棉技術，實現了打包式采棉機國產化。但實際應用過程中，籽棉圓模尺寸、密度存在一定的差異，在一定程度上增加了圓模自動化開包的難度。另外，對比國外同類技術，籽棉圓模缺少外包裹聚乙烯膜的切割位置標示，增加了外包裹切割位置選取的難度。

三是，開展適用于多種喂花方式的籽棉圓模開包工藝研究。目前我國普遍采用地坑喂花，對散料和模塊都有一定的兼容性，并且我國仍然存在少數的手摘棉，一定時期內地坑喂花方式仍會被采用。因此，一方面，需要針對地坑喂花方式開展籽棉圓模開包工藝研究；另一方面，須借鑒國外成熟技術，結合我國棉花加工特點，針對地上開模方式，開展集成度更高的籽棉圓模開包工藝研究。

四是，開展籽棉圓模開包關鍵組件設計，提高裝備的自動化程度，減少人工參與。創新設計適應我國棉花加工工藝的切割定位、外包裹切割、外包裹分離等機構，完善籽棉圓模開包裝備功能，實現自動化圓模開包。

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（責任編輯：楊子山 責任校對：秦凡）