■胡寶林

〔北京中棉工程技術(shù)有限公司，北京100052〕

談氣流式籽棉異纖清理機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

■胡寶林

〔北京中棉工程技術(shù)有限公司，北京100052〕

本文從機(jī)采籽棉中異性纖維及籽棉的物理特性分析入手，根據(jù)干燥技術(shù)理論和斜拋運(yùn)動原理，結(jié)合專業(yè)經(jīng)驗(yàn)對氣流式籽棉異纖清理機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了分析和運(yùn)算，為機(jī)采棉加工生產(chǎn)線籽棉異纖清理設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究提供了參考。

一、籽棉異纖物理特性分析

籽棉中的異性纖維的形成主要是采收過程中混入的，機(jī)采棉主要是采棉機(jī)帶入的地膜、滴灌帶；手摘棉主要是頭發(fā)、羽毛、包裝袋上的丙綸絲等。地膜、滴灌帶及丙綸絲一般都屬于長絲，整體重量較大，采用多級刺釘輥機(jī)械纏繞方式分離比較容易。但對于破碎的地膜殘片、塑料薄膜、頭發(fā)、羽毛、細(xì)小丙綸絲等難以纏繞，密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于籽棉，整體重量很輕，采用氣流式分離比較容易。

二、籽棉回潮率與清雜效率的關(guān)系

棉纖維回潮率增大時，纖維強(qiáng)力提高、剛性降低、摩擦系數(shù)增大，反之則相反。籽棉回潮率的增大會使棉纖維與所附雜物的摩擦力增大，纖維與機(jī)械加工面的摩擦力增大，其后果是造成清雜困難、清雜效率低。由于纖維剛性降低，纖維之間會更多地纏繞、扭曲，異纖等雜質(zhì)被纖維包裹，不論是機(jī)械方式還是氣流方式都不易將其徹底分離。

三、籽棉烘干與清理一體化解決方案

目前的棉花加工生產(chǎn)線中，異纖清理、葉雜清理、烘干都是多級串聯(lián)型單機(jī)工作模式，設(shè)備功能單一、投資大、占地面積大、能耗多、故障率也高。目前的籽棉異纖清理機(jī)氣流分離部分所用氣流大都是自然風(fēng)，冬季溫度都在零下十幾度甚至更低，異纖清理設(shè)備一般都安裝在外吸籽棉卸料器的下方，所以籽棉還沒有進(jìn)行過烘干處理，回潮率較高，很不利于異纖分離。如能實(shí)現(xiàn)烘干與清理集成一體化，而采用熱空氣直接輸送并吹散籽棉團(tuán)這種模式，既可提高異纖清除效率，又可減少一道單獨(dú)的烘干工藝，特別是對面積小、密度輕的地膜、毛發(fā)等異纖清理將會更有效。

四、籽棉烘干熱能消耗計(jì)算

籽棉烘干熱能消耗的計(jì)算主要依據(jù)烘干前后籽棉中棉纖維的回潮率、溫度和籽棉處理量。涉及到水分蒸發(fā)量、汽化熱等熱力學(xué)知識，本文不便細(xì)述，只給出部分計(jì)算結(jié)果。例如皮棉加工量25包左右的軋花廠一般配有2條生產(chǎn)管線，每條管線上安裝2臺烘干設(shè)備進(jìn)行兩級烘干。現(xiàn)以其中一條管線的第一級烘干為例進(jìn)行計(jì)算。籽棉處理量7.5t/h，衣分率38%，烘干前棉纖維回潮率17%，烘干后棉纖維回潮率11%。熱空氣流量約10 000 m3/h，溫度130℃左右，則熱空氣帶入烘干機(jī)的熱量約為1.25×106kJ（30萬大卡），每小時水分蒸發(fā)量146 kg，籽棉水分蒸發(fā)過程應(yīng)吸收的熱量約為1.12×106kJ（26.8萬大卡）。如果采取在異纖清理的同時進(jìn)行烘干這種方式，還要考慮到大部分化纖成分的地膜、丙綸絲等熔點(diǎn)較低，一般在125℃左右，為此，烘干溫度不宜過高，一般控制在120℃～130℃即可，這樣熱能消耗1.05× 106kJ（25萬大卡）即可。

五、棉流運(yùn)動狀態(tài)分析

使用干熱氣流對籽棉進(jìn)行烘干是為了使棉纖維蓬松度更好，提高清理效果，而氣流式異纖清理機(jī)關(guān)鍵在于氣流的初速度、噴射角及籽棉分布密度。如果缺乏科學(xué)的計(jì)算，即使風(fēng)量很大、空間很大，但籽棉會被吹向某一點(diǎn)造成堆積或堵塞，甚至使籽棉團(tuán)直接撞擊到塵籠表面，其中的異纖還是難以被分離，而且所排出的異纖中也會夾帶大量的籽棉，增加了后期處理的工作量。

（一）曲線運(yùn)動原理

異纖是混在籽棉中的且密度差異較大，宜采用平拋或斜拋原理進(jìn)行分離，本文重點(diǎn)研究斜拋運(yùn)動。斜拋運(yùn)動是將物體以一定的初速度和與水平方向成一定角度斜向拋射出，在重力作用下，物體作勻變速曲線運(yùn)動，它的運(yùn)動軌跡是拋物線。根據(jù)運(yùn)動獨(dú)立性原理，可以把斜拋運(yùn)動看成是作水平方向的勻速直線運(yùn)動和豎直上拋運(yùn)動的合運(yùn)動來處理。

斜拋運(yùn)動的特性：斜拋運(yùn)動的軌跡是拋物線，斜拋運(yùn)動的加速度是重力加速度，所以斜拋運(yùn)動是勻變速運(yùn)動，斜拋運(yùn)動具有對稱性，斜拋運(yùn)動的傾角為45°時，射程最遠(yuǎn)，如圖1所示。

圖1

（二）運(yùn)動時間、射高和射程

運(yùn)動時間、射高和射程取決于初速度和拋出的角度。

時間T=2v0sinθ/g

射高Y=v02sin2θ/2g

射程X=v02sinθcosθ/g

（三）單粒籽棉受力分析

以一個單粒籽棉為例，分析其受力狀況（暫不考慮單粒籽棉的重力），如圖2所示。速度v1為進(jìn)入箱體的速度，與水平面成45°角，v2為自下而上的噴射氣流速度，v為合成速度，其速度及與水平面夾角可通過余弦定理計(jì)算，則v2=v22+v21-2v2v1cosα，式中參數(shù)均可給定或計(jì)算。例如當(dāng)進(jìn)入箱體的氣流速度為10 m/s、噴射氣流速度為8 m/s、α為135°，則合成速度為16.65 m/s，與進(jìn)入箱體速度夾角為19.86°，與水平夾角為64.86°。為了確保地膜順利分離，合成速度的大小和角度都不易過大，以指向塵籠水平中心線為好，即主氣流指向塵籠180°位置，所形成的的合成氣流指向135°位置，否則會排出較多的籽棉。

圖2

（四）參數(shù)舉例

當(dāng)入口拋出的籽棉流初速度為v0=7 m/s、拋射角θ＝45°時，重力加速度g=9.81 m/s2。則達(dá)到拋物線最高點(diǎn)的時間為T=0.5 s，射高為H=1.25 m，射程為S=4.99 m。

從上述計(jì)算結(jié)果看，籽棉輸送管道出口（即氣流式異纖清理機(jī)入口）初速度應(yīng)該控制在7 m/s左右，籽棉沿拋物線軌跡運(yùn)行，分離效果會比較理想。但也有些問題，籽棉到達(dá)拋物線頂點(diǎn)時間僅0.5 s，在包括下落時間在內(nèi)也就1 s，熱空氣與籽棉接觸時間很短會影響烘干效果，最好在進(jìn)入本機(jī)前的輸送管道上增加脈沖式干燥器。按機(jī)器工作幅寬2.5 m計(jì)算，氣流分離空間體積為15.6 m3，所需空間較大。在實(shí)際設(shè)計(jì)時有必要適當(dāng)降低初速度、增大拋射角，從而減小射程、射高，縮小機(jī)器體積。

從輕異纖分離過程看，氣流分離箱的上方的吸雜塵籠將揚(yáng)起的輕異纖及時吸附到旋轉(zhuǎn)塵籠表面排出，排風(fēng)量應(yīng)為進(jìn)風(fēng)量的1.1倍～1.15倍，如果排風(fēng)量過大、角度不合理、塵籠表面與曲線頂部距離太近等都會帶走過多的單粒籽棉，降低除雜效率。如圖3所示。

圖3

氣流式異纖清理機(jī)的目的就是實(shí)現(xiàn)異纖與籽棉的分離，從圖3可以看出，單純的斜拋盡管可以分散籽棉，但異纖并沒有遠(yuǎn)離籽棉，為此，筆者認(rèn)為如果采用復(fù)合型斜拋效果會更好。所謂復(fù)合型斜拋就是讓進(jìn)入箱體的棉流先以一定的角度斜拋，再從下部以較大的初射角、較小的風(fēng)量、較大的風(fēng)速自下而上穿透主流，從而加速分離較輕的異纖，效果會更好。如圖4所示。

圖4

六、結(jié)論

綜上所述，棉花加工工藝設(shè)備的多功能化和集成化是發(fā)展趨勢，科學(xué)的設(shè)計(jì)計(jì)算是根本。既要有充分的理論依據(jù)進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算，又要結(jié)合復(fù)雜多變的生產(chǎn)實(shí)際情況，理論聯(lián)系實(shí)際，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，提高加工技術(shù)水平?！?/p>

國家科技支撐計(jì)劃“棉花產(chǎn)后增值關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化示范”

課題編號：2015BAD19B04