談氣流式籽棉異纖清理機的設計計算

■胡寶林

〔北京中棉工程技術有限公司，北京100052〕

談氣流式籽棉異纖清理機的設計計算

■胡寶林

〔北京中棉工程技術有限公司，北京100052〕

本文從機采籽棉中異性纖維及籽棉的物理特性分析入手，根據干燥技術理論和斜拋運動原理，結合專業經驗對氣流式籽棉異纖清理機系統進行了分析和運算，為機采棉加工生產線籽棉異纖清理設備的設計與研究提供了參考。

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，機采棉主要是采棉機帶入的地膜、滴灌帶；手摘棉主要是頭發、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、羽毛、細小丙綸絲等難以纏繞，密度遠遠小于籽棉，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系

棉纖維回潮率增大時，纖維強力提高、剛性降低、摩擦系數增大，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，異纖等雜質被纖維包裹，不論是機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線中，異纖清理、葉雜清理、烘干都是多級串聯型單機工作模式，設備功能單一、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氣流分離部分所用氣流大都是自然風，冬季溫度都在零下十幾度甚至更低，異纖清理設備一般都安裝在外吸籽棉卸料器的下方，所以籽棉還沒有進行過烘干處理，回潮率較高，很不利于異纖分離。如能實現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這種模式，既可提高異纖清除效率，又可減少一道單獨的烘干工藝，特別是對面積小、密度輕的地膜、毛發等異纖清理將會更有效。

四、籽棉烘干熱能消耗計算

籽棉烘干熱能消耗的計算主要依據烘干前后籽棉中棉纖維的回潮率、溫度和籽棉處理量。涉及到水分蒸發量、汽化熱等熱力學知識，本文不便細述，只給出部分計算結果。例如皮棉加工量25包左右的軋花廠一般配有2條生產管線，每條管線上安裝2臺烘干設備進行兩級烘干。現以其中一條管線的第一級烘干為例進行計算。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的熱量約為1.25×106kJ（30萬大卡），每小時水分蒸發量146 kg，籽棉水分蒸發過程應吸收的熱量約為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、棉流運動狀態分析

使用干熱氣流對籽棉進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關鍵在于氣流的初速度、噴射角及籽棉分布密度。如果缺乏科學的計算，即使風量很大、空間很大，但籽棉會被吹向某一點造成堆積或堵塞，甚至使籽棉團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行分離，本文重點研究斜拋運動。斜拋運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動，它的運動軌跡是拋物線。根據運動獨立性原理，可以把斜拋運動看成是作水平方向的勻速直線運動和豎直上拋運動的合運動來處理。

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

圖1

（二）運動時間、射高和射程

運動時間、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算，則v2=v22+v21-2v2v1cosα，式中參數均可給定或計算。例如當進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）參數舉例

當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。則達到拋物線最高點的時間為T=0.5 s，射高為H=1.25 m，射程為S=4.99 m。

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

從輕異纖分離過程看，氣流分離箱的上方的吸雜塵籠將揚起的輕異纖及時吸附到旋轉塵籠表面排出，排風量應為進風量的1.1倍～1.15倍，如果排風量過大、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

氣流式異纖清理機的目的就是實現異纖與籽棉的分離，從圖3可以看出，單純的斜拋盡管可以分散籽棉，但異纖并沒有遠離籽棉，為此，筆者認為如果采用復合型斜拋效果會更好。所謂復合型斜拋就是讓進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、較小的風量、較大的風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、結論

綜上所述，棉花加工工藝設備的多功能化和集成化是發展趨勢，科學的設計計算是根本。既要有充分的理論依據進行科學的計算，又要結合復雜多變的生產實際情況，理論聯系實際，不斷改進和創新，提高加工技術水平。☆

國家科技支撐計劃“棉花產后增值關鍵技術裝備研發與產業化示范”

課題編號：2015BAD19B04