新型皮棉清理機清理單元的創新設計

■楊建華 王澤武 郭寧泊

〔1第八師149團聯合加工廠，新疆石河子 832052〕

〔2鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州 450004〕

〔3河南大學數學與信息科學學院，河南開封 475001〕

皮棉清理機在我國的發展時間不長，隨著近幾年的棉檢體制改革的推動得到快速發展。目前新疆建設兵團正在大力發展機采棉，為提高皮棉等級質量，根據加工工藝的要求，必須配置皮棉清理機對皮棉進行精細除雜。

我國目前使用的皮棉清理機雖然型號眾多，但整機的原理及結構相差不大。近兩三年來，出現的一些改進機型只在皮棉清理機的給棉部分作了一些改進。筆者結合自己的設計經驗，對目前市場上常用的傳統型與改進型皮棉清理機進行了比對、分析，并提出進一步提高皮棉清理機性能的設計方案。

一、目前常用傳統型皮棉清理機的原理結構及性能分析

（一）傳統型皮棉清理機的原理結構

本文以MPQM600×3200機型作為傳統皮棉清理機的代表進行研究，其它機型雖然在尺寸、速度方面有所不同，但總體結構近似。

傳統型皮棉清理機工作原理如圖1所示：附著在塵籠1上的皮棉層被剝棉羅拉2、壓棉羅拉3聯合剝取并送給牽伸溝槽羅拉4與牽伸光羅拉5。由于牽伸溝槽羅拉4和牽伸光羅拉5的速度大于剝棉羅拉2、壓棉羅拉3，這樣就使棉層得到了穩定的牽伸。初步牽伸變薄的棉層被喂進給棉板6和給棉羅拉15的組合，給棉板6與給棉羅拉15的間隙只有0.2 mm，棉層在此被進一步拉薄使雜質充分暴露。棉層在給棉板6的“鼻尖”處被有效握持，“鼻尖”下方45 mm長的短平面與刺輥10形成穩定的壓棉點。在給棉板6、給棉羅拉15、刺輥10及6把除雜刀11的聯合作用下，棉層得到了精細的清理，被清理后的棉層由毛刷輥12剝取后被吸入集棉機中。

圖1 傳統皮棉清理工作原理示意圖

皮棉清理機的給棉部分指的是從塵籠1上剝下棉胎到喂入刺輥10的裝置，如圖2所示。包含的主要機件有壓棉羅拉2、剝棉羅拉3、牽伸溝槽羅拉4、牽伸光羅拉5、給棉板6、彈簧裝置、給棉羅拉7。給棉部分不是獨立存在的，它與塵籠、刺輥以及給棉部分內含的各機件之間都有嚴格的隔距關系和速度配比關系。清理部分主要由刺輥8和排雜刀9、附棉板10組成（由于固定在排雜刀9的底部與排雜刀9聯合使用的附棉板10是為了不使棉纖維因離心力脫離刺輥而設計的輔助裝置，因此，筆者也將其列入清理部分）。

圖2 傳統皮棉清理機給棉、清理部分結構示意圖

（二）傳統皮棉清理機缺點及分析

1.損傷纖維長度，降低纖維強度，增加棉結和短纖含量。

據有關文獻報道，每臺皮清機都會使棉纖維長度變短,在棉纖維回潮率是4.1%、5.5%、8.4%時,HVI長度分別為27.9 mm、28.2 mm和28.4 mm,每臺皮清機使棉纖維長度降低約0.25 mm,經過三道皮清后由Ptyer101測量的平均棉纖維長度為21.8 mm,不經過皮清時為23.4 mm。棉纖維回潮率從8.4%降到4.1%時,平均長度從23.6 mm降到22.1 mm,短纖維含量(以重量計)從4.6%上升到8.7%。在使用一、二、三道皮清機時,皮清機使短纖含量分別增至6.8%、8.8%和9.6%。

在棉纖維回潮率8.4%時,長度整齊度為82.8%；回潮率5.5%時,長度整齊度為82.2%；回潮率4.1%時,長度整齊度為81.9%。機械處理使平均長度整齊度從82.8%(提凈式喂花軋花機或棉稈清理加提凈式軋花機)降到81.4%(三道皮清)。在棉纖維回潮率為4.1%、5.5%和8.4%時,棉纖維斷裂比強度平均值為 28.0 cN/tex、28.6 cN/tex和29.2 cN/tex。

當使用二道皮清時,棉結數量從2.8個/100 cm2上升到5.3個/100 cm2。W.S.A nthony還指出,當皮棉回潮率為4.1%和8.4%時,棉結平均為13.1和6.7(單位:個/100cm2)。當旁通一道和二道皮清后,棉結分別減少15%和42%。

在機采棉清理工藝中，皮清機在降低皮棉含雜、改善棉纖維外觀方面,可以說是功效最強的設備。但皮清機也破壞了棉纖維品質，增大了棉結含量與衣分損失。經過皮清機清理的皮棉原料，雖然在紡紗時改善了紗線外觀，但是破壞了紗線強度，增加了紡紗的斷頭率。

2.傳統機型的給棉部分結構是產生清理缺陷的要因。

在傳統型皮棉清理機的具體應用中，鋸齒輥筒與給棉羅拉為相對轉動，給棉板位于鋸齒輥筒轉動方向的前方和給棉羅拉的后方，鋸齒輥筒對皮棉的抓取為逆向抓取，這就增大了對皮棉的梳理強度，同時也對皮棉纖維本身造成了損傷，加大了皮棉中的短絨含量。鋸齒輥筒在抓取皮棉纖維時，給棉板位于被抓取皮棉纖維的后方，被抓取的皮棉纖維因給棉板和給棉羅拉的握持以及給棉板的阻擋，皮棉纖維經過給棉板與給棉羅拉的配合面和給棉板與鋸齒輥筒的配合面時，相互之間很容易產生滑動摩擦而損傷纖維，更重要是皮棉纖維經過上述兩配合面的相貫的刀尖時，容易被刀尖刮擦而損傷纖維，增加棉纖維疵點，降低纖維強度，增加了短絨含量。

3.產量低，易塞車。

傳統型皮棉清理機給棉羅拉與給棉板間隙小（0.15～0.3 mm），給棉羅拉與給棉板對皮棉纖維的夾持作用好，當鋸齒鉤拉皮棉纖維時，皮棉纖維能得到充分的分解梳理。但壓力過大，間隙過小，而清理皮棉量突然增大時，皮棉在此易受阻，不能順利通過，并造成機件損壞；反之，給棉羅拉壓力小且給棉羅拉與給棉板的間隙大，則給棉羅拉與給棉板對皮棉纖維的夾持作用差，鋸齒鉤拉纖維會造成片狀或塊狀鉤取現象，使黏附在纖維中的雜質難以清除，碰到除塵棒時，易排落纖維，造成衣分虧損。所以傳統機型的喂棉部分致使皮棉清理機產量低，不適應如今的機采棉所要求的大產量。

4.結構復雜，制造成本高。

傳統機型的給棉部分為了防止機械碰撞產生火花引起火災。給棉板及牽伸溝槽羅拉都用鋁合金，近年來鋁價飆升，給棉機制造企業增加了成本。給棉板的位置及功能決定了它的形狀復雜、公差要求極嚴格，如圓弧面輪廓度不大于0.2 mm，刀尖直線度不大于0.2 mm，圓弧面的粗糙度為Ra1.6。鋁材料金屬機械加工性能不好，在加工中要用特殊的工藝、專用的刀具、加工工序多、耗費工時大，這些無疑都增加了成本。由于鋁合金的強度、剛性與目前常用鋼（Q235-A,45）相比還是有差距，因此給棉板需要有鋼支架的強力支撐才能使用，即使這樣給棉板在生產中也屢發斷裂的事故。

5.調整復雜、操作困難。

給棉部分的隔距要求嚴格，機械構件多，不易于調整。調整不到位會產生3個不好的結果：1.造成機械構件的的損傷、報廢，甚至釀成機械事故。2.清理質量達不到要求。3.產量達不到，頻繁堵車，造成窩工。給棉部分的隔距要隨著設備的使用情況，如：加工量、使用年限、構件的磨損變形程度等做相應的調整，技術要求高，一般的操作工、維修工完成不了。

當隔距、給棉羅拉的壓力都調得很好時，受系統不穩定或管道掛花的影響也會引起塞車，每次塞車都需兩三個工人去掏花。若情況嚴重的，工人們甚至會用管鉗卡住給棉羅拉的軸頭，強力反轉，這樣既損傷了給棉羅拉，又因為塞車造成了給棉羅拉或給棉板的變形甚至損壞，使隔距也發生了變化。

二、現有市場上的一些改進機型與傳統機型的對比及分析

鑒于傳統機型的給棉部分存在上述諸多結構缺陷，近年來，國內一些棉機企業針對皮棉清理機針的棉部分進行了改進設計。典型的機型主要有以下兩種。

（一）不含給棉板型

1.不含給棉板，兩根羅拉兩端固定。

圖3 兩羅拉固定型的被動側

圖4 兩羅拉固定型的主傳動側

2.不含給棉板，羅拉一根兩端固定，一根有彈性緩沖。

圖5 彈性緩沖型的被動側

圖6 彈性緩沖型的主傳動側

（二）改進型皮棉清理機結構原理

圖7 新型皮棉清理機結構原理示意圖

圖7所示是目前軋花廠使用的改進型皮棉清理機結構原理示意圖。棉層2被壓棉羅拉3和剝棉羅拉8聯合作用從塵籠1上剝下，夾持直接喂給刺輥4，刺輥4抓取棉層2高速甩向除雜刀5，在離心力的作用下完成清理除雜的功能。

從圖7與圖2結構對比可看出：相對于傳統的皮清機，改進型皮棉清理機不含給棉板及一對牽伸羅拉，結構更簡單緊湊、易于調整、制造成本也大大降低。而新型皮清機的清理系統（圖7）與傳統型（圖2）是一樣的，即新型皮清機的清理系統沿用了老的清理系統。

（三）改進型皮棉清理機的使用特點

相對于傳統的皮清機，改進型皮棉清理機在使用中展現了一些優勢：產量遠高于傳統機型，結構簡單，易于調整，不易堵車。由于刺輥對喂給的皮棉握持力低，因此皮棉的摩擦力小致使皮棉含雜率高于含給棉板的皮棉清理機。為了達到較高的排雜率，新型皮棉清理機的刺輥轉速都在千轉以上，以增加離心力將質量較輕的塵雜從皮棉纖維上甩出。改進型皮棉清理機給棉輥是將皮棉壓向刺輥的。含給棉板的傳統機型，刺輥把棉纖維從給棉板和給棉羅拉的夾持下，強力將皮棉“拽”出“鉗口”，所以傳統皮清機的刺輥對棉纖維分梳力度大，能將纖維充分拉直，使雜質暴露，更容易出去。同時棉纖維與給棉板的強力摩擦也具有“絲光效應”，使清后的皮棉棉形順暢、色澤豐盈。改進型皮棉清理機刺輥對皮棉纖維的抓取不牢，在大的離心力作用下，當遇到外力（除雜刀）時易脫離刺輥，造成不孕籽含棉量高。綜上所述，傳統含給棉板型與改進型無給棉板機型的關鍵技術區別：一種是強力分梳，一種是非強力分梳。強力分梳造成了傳統機型除雜率高、棉形光潔順暢，但因刺輥的強力鉤拉使纖維受損傷，長度變短，經過兩臺皮清機后纖維長度變得更短。改進機型是非強力分梳，對棉纖維長度損傷較小，但其它指標沒有傳統機型高。

由于傳統型與改進型皮棉清理機各有優、缺點，因此在配置機采棉生產線時，棉機生產廠家一般都采取1臺軋花機后配2臺皮棉清理機，配的頭道皮清是不含給棉板的，二道皮清是傳統的帶給棉板的。這樣的配置雖然阻礙了改進型皮清機在產量及不易堵車方面優勢的發揮，但是也從一定程度上彌補了改進型皮清機在皮棉含雜、不孕籽含棉率高、梳理不完全方面的劣勢。

三、皮棉清理機清理單元的創新設計

隨著科技不斷進步，棉花加工設備的性能也將得到不斷地提升。經過綜合分析，筆者認為目前的趨勢已很明顯：即皮棉清理機無給棉板的形式必將代替傳統的有給棉板的形式，但完全代替的條件是新型機除兼具自身優勢外，還要囊括傳統機型的優勢。

（一）初步設計思路及方案

新型皮棉清理機除滿足對皮棉的基本清理需求外，還應該具備以下主要特點：①對纖維強力及長度只有很小的損傷，皮棉纖維損耗率不大于0.8%；②清雜率不小于40%并且可控；③產量高，能跟上任何同時代高產軋花機；④不孕籽含棉率低、損失衣分少，符合國家標準。⑤梳理后外觀形態好，棉形順暢、光潔，目測感官好。⑥不堵車或很少堵車（一個班次少于1次）。⑦智能化、操作安全簡單，容易維護。⑧制造成本低、性能穩定可靠。

筆者認為目前市場上無給棉板形式的給棉結構具有一定的優點，即它的結構完全或基本滿足了第①、③、⑥、⑦、⑧條。然而第②、④、⑤條是它的弱項，這3條是衡量新型皮棉清理機性能的關鍵指標。筆者從這3條入手，兼顧其它5條來闡述設計思路。

要想使無給棉板形式的皮清機成為“全優”型而徹底淘汰傳統型的皮清機，必須對現有無給棉板的皮清機進行持續的改進。現有無給棉板的皮清機在給棉部分的設計經過近幾年的實踐證明還是很成功的，若持續改進，使整機性能進一步提高，筆者認為需從清理單元著手，即對皮棉清理機清理單元進行創新設計。

圖8 無給棉型的清理單元設計示意圖

工作原理如圖8所示：棉層2被壓棉羅拉3和剝棉羅拉11聯合作用從塵籠1上剝下，夾持直接喂給刺輥10。刺輥10順時針傾斜的齒條抓取棉層2高速順時針轉動，轉動時遇到由分梳刺輥4和毛刷輥5組成的第一分梳點。分梳刺輥4包纏有逆時針傾斜一定角度的齒條，齒條密度稍大于刺輥10的齒條密度。當分梳刺輥4逆時針轉動且表面線速度小于刺輥10的表面線速度時，棉層2在兩刺輥的速差及齒條作用下被分梳。由于刺輥10的齒條角度與分梳刺輥4的齒條角度呈“交叉”配置，且線速度更大，在第一分梳點分梳后又被刺輥10的齒條拉走。分梳刺輥4將棉層2擠向刺輥10并用兩輥的齒條將棉層分梳得更均勻細致，在拉伸時拉直纖維使纖維趨向于單根纖維，充分曝露雜質。刺輥10帶著經初步分梳的棉層通過第一梳棉點后轉向除雜刀7，初步分梳的棉纖維充分被拉直使雜質曝露無余，在與多把除雜刀7的作用下，離心力的作用很容易將雜質6甩離棉纖維表面。刺輥10帶著初步分梳除雜后的棉層繼續順時針轉動來到第二分梳點，重復第一分梳點的功能，進行更為細致的分梳和除雜。毛刷輥5起輔助作用，它的毛刷深入分梳刺輥4的齒條并轉動，隨時清理分梳刺輥4齒條內嵌入的不孕籽及其它雜質，時刻保持齒條處于清潔、鋒利的工作狀態。除雜刀7下的附棉板8起到了附棉的作用，即壓附棉層貼在刺輥齒條上防止其脫離刺輥產生排“白棉”現象。

（二）設計特點

1.使用了兩次分梳排雜的結構。

在新的清理單元設計中，筆者結合了棉紡梳棉技術，使用了2個分梳點、4個排雜點的形式。

2.排雜量大且可在線控制。

傳統的皮清機刺輥齒條對棉層抓取不牢，棉層的厚薄不均致使排雜不均，較厚時易出現排“白棉”現象，損失了衣分。突然的大棉塊會對除雜刀及刺輥造成沖擊，甚至產生事故。創新設計的皮棉清理機可使棉層被分梳得更均勻細致，充分曝露雜質，排雜量大且可控。

在傳統機型的清理單元中，雖然可通過調整除雜刀到刺輥面的隔距來部分控制除雜量，但是因調節量小，完成這個功能是不現實的，特別是在線調節是不可能的。

采用分梳排雜的結構使排雜量、棉纖維衣分的損失、棉纖維長度的損耗可以人工綜合控制。分梳刺輥4由變頻電機帶動，分梳刺輥4與刺輥10轉向相對，當分梳刺輥4的線速度等于刺輥10的線速度時，分梳點不起分梳作用，只是將棉層壓向刺輥10的表面，這時排雜量最小，棉纖維長度損傷也最小。當分梳刺輥4的線速度逐漸降低，與刺輥10的速差增加時，分梳作用越明顯，排雜量也就越大，同時會增加對棉纖維的損傷。由于梳刺輥4由變頻電機帶動，很容易人工在線控制其轉速，通過控制其分梳力度而獲得綜合指標較高的皮棉。

兩次分梳點的隔距不一樣，第一分梳點的隔距要大于第二分梳點，符合逐步細化清理的原則。調整隔距可以控制皮棉質量，兩個分梳刺輥的速度也可以不一樣，在應用中可根據實驗找到最佳值。

3.提高了棉纖維的觀感。

本結構有穩定的分梳力，在刺輥拉直纖維的同時，纖維與齒條、纖維之間的摩擦力作用對纖維產生了“絲光”的效果，使棉形順暢及色澤豐盈。

4.提高整機的安全性。

無給棉板的清理機因刺輥齒條沒有充分拉直纖維，雜質不易曝露而難以排出，廠家為了追求排雜率而猛提刺輥轉速。加大離心力排雜的同時也加大了排白棉的尷尬，同時高速旋轉的刺輥給制造增加了難度，更給使用者帶來了安全隱患。

采用二次分梳排雜結構的清理機刺輥無需太高轉速，估算其轉速和傳統機型的刺輥一致即可，這樣可以提高整機的安全性。

5.降低投資和使用成本。

經模擬測算，采用二次分梳排雜結構的單臺皮清機，1臺的排雜量大于等于2臺傳統機型的組合，或大于等于1臺傳統加1臺無給棉板機型的組合。所以在機采棉生產線中只需配置1臺，既節省了投資方的設備投資，占地也少，使用中在風機等的電能消耗上也遠小于兩臺的配置，節約了運行成本。

機采棉生產線中使用一臺本機可以避免第二次皮清對棉纖維的急劇磨損。

在手摘棉生產線中配置二次分梳排雜結構的單臺皮清機時，需相應調大二次分梳的隔距，適當提高分梳刺輥的速度。這樣不會出現對皮棉進行過度排雜而損傷纖維的情況。

四、結語

綜上所述，在棉紡行業對皮棉品質日益重視的今天，作為原料供應方，棉花加工行業也應汲取棉紡行業的先進理念，做用戶之所需產品，只有努力在源頭把好皮棉的品質關，這樣才能達到事半功倍的效果。采用二次分梳排雜結構的皮棉清理機的設計符合目前下游客戶要求，有巨大的市場需求空間。