提凈式鈴殼清理機清雜機理分析

■

〔北京中棉工程技術(shù)有限公司，北京100052〕

一、清花機與提凈機

（一）清花機

清花機是一個廣義概念，是指清理籽棉中雜質(zhì)的一系列設(shè)備的統(tǒng)稱，即籽棉清理機。其中的典型代表就是刺釘輥筒與圓弧隔條柵組成的多輥筒式清花機，其基本功能是對籽棉進行開松、清理棉瓣表面附著的葉屑、泥沙等細小雜質(zhì)。這種清花機基本可以滿足手摘棉的清理要求。如圖1所示。

（二）提凈機

提凈機是清花機中的系列產(chǎn)品之一，主要有兩種，一是利用高速旋轉(zhuǎn)的鋸齒輥筒（U型齒條輥筒）的拋擲作用通過慣性離心力將籽棉中的棉鈴、棉殼、棉稈、僵瓣等雜質(zhì)進行分離，即拋擲式剝鈴機；二是擦拭式提凈機，利用鋼絲刷的擦拭抖動結(jié)合慣性離心力的作用，使高速旋轉(zhuǎn)的鋸齒輥筒（U型齒條輥筒）上的籽棉與雜質(zhì)分離，也稱為提凈式籽棉清理機、鋸齒輥筒式籽棉清理機，包括提凈式喂花機、除鈴殼機、除棉稈機綠葉機、清鈴機等，是隨著機采棉的發(fā)展而研制的特種配套設(shè)備。如圖2所示。為了適應(yīng)機采棉清理要求又研制了刺釘輥筒與齒條輥筒兩者相結(jié)合的多功能籽棉清理機，例如傾斜回收式籽棉清理機。

圖1 傾斜式籽棉清理機

圖2 提凈式籽棉清理機

二、提凈式籽棉清理機的工作原理

目前，國內(nèi)外機采棉生產(chǎn)線必配的鈴殼稈清理設(shè)備，主流產(chǎn)品是提凈式籽棉清理機或清鈴機。其結(jié)構(gòu)原理大同小異，由喂花輥、開松輥、齒條輥、鋼絲刷、除塵棒或隔條柵、刷棉輥等構(gòu)成。整機一般分為兩大單元，上部為清鈴殼單元，下部為清棉稈單元，兩者互相關(guān)聯(lián)，并設(shè)有回收輥對齒條輥分離雜質(zhì)時夾帶的單粒籽棉做進一步提凈（回收），形成了多通道多級清理和多級回收模式。提凈式籽棉清理機是對美國20世紀八九十年代技術(shù)的引進、吸收和發(fā)展，主要有單拋擲鋸?fù)彩胶碗p拋擲鋸?fù)彩剑瑑烧叨季邆滗摻z刷、U形齒條輥、回收輥，其實質(zhì)都屬于擦拭式提凈原理。下面結(jié)合（圖3、圖4）談?wù)劵竟ぷ髟怼?/p>

圖3 單拋擲鋸?fù)彩匠薅挋C

圖4 雙拋擲鋸?fù)彩匠薅挋C

籽棉通過喂花輥、開松輥、淌棉道均勻地下落到高速旋轉(zhuǎn)的U形齒條輥表面，隨著齒條輥的轉(zhuǎn)動到固定的鋼絲刷位置時，由于鋼絲刷具有一定的彈性，受阻滯的籽棉被鋼絲刷抹壓在鋸齒上，使籽棉形成較薄的棉層被鋸齒穩(wěn)穩(wěn)的鉤住。同時，刷條的端部深入棉層內(nèi)進行擦拭和梳理，其變形過程阻擋并撥落棉鈴、棉殼、棉稈、僵瓣等大顆粒雜質(zhì)。剩下的棉葉、泥沙、不孕籽、小花頭等小顆粒雜質(zhì)受到慣性離心力的作用和除塵棒隔條柵的撞擊作用被分離，靠重力排落后經(jīng)排雜絞龍排出機外。上部的齒條輥起主要分離作用，下部的齒條輥對上部齒條輥排落的雜質(zhì)中含有的少量籽棉起提凈回收作用，即進一步分離殘余雜質(zhì)，兩個齒條輥之間的刷棉輥將兩個鋸齒上的干凈籽棉沿齒尖方向刷下來落入籽棉通道后可進入下道工序或也可選擇進入二級提凈單元后再進入下道工序。為了提高清雜效率，減少落棉損失，增加了除塵棒或隔條柵的數(shù)量，不僅可以排雜，而且可以起到托持籽棉運動的作用，使U形齒條輥在高速運轉(zhuǎn)時既能提高清雜效率又能減少落棉損失。

三、雜質(zhì)分離的機理分析

（一）向心力與離心力的關(guān)系

從提凈式鈴殼清理機工作原理可以看出，排雜過程分三個部分，一是固定的鋼絲刷的剝離，二是齒條輥的拋擲，三是除塵棒或隔條柵的篩選。其中最關(guān)鍵的是齒條輥的高速運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離心力的分離作用。那么影響分離效果的因素有哪些呢？根據(jù)運動力學(xué)的向心力和離心力原理分析，籽棉中的鈴殼等雜質(zhì)是被棉纖維包裹或纏繞后鉤在鋸齒上的，這種結(jié)合力束縛著雜質(zhì)隨齒條輥做圓周運動。相當于一個小球被一根繩子拴住后圍繞一個中心點做圓周運動，繩子拉著小球產(chǎn)生了拉力，繩子受到的拉力就是向心力，而小球總是試圖脫離繩子的束縛便產(chǎn)生了向外的拉力使繩子被拉緊，這就是慣性力，其實慣性離心力是一種假想力，一旦停止運轉(zhuǎn)或繩子斷開，離心力和向心力就都不復(fù)存在了。只有向心力才是真正的力，是可以通過測量得到的，所以在本議題中鋸齒對棉纖維鉤拉和雜質(zhì)與纖維之間的摩擦力就如同拉緊的“繩子”，雜質(zhì)就相當于“小球”，向外甩出的力恰好等于向心力，大小相等、方向相反，為此，可以按牛頓第三運動定律來理解。可見，向心力和離心力的計算公式是一樣的，力的大小與雜質(zhì)的質(zhì)量、齒條輥的轉(zhuǎn)速、半徑有關(guān)，具體計算公式如下：

式中：m——質(zhì)量，kg；

v——速度，m/s；

r——離心運動半徑，m；

ω——旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

V——雜質(zhì)的體積；

ρ——雜質(zhì)的密度；

n——轉(zhuǎn)速，r/min。

（二）雜質(zhì)的分離因素

從上式中可知，慣性離心力的大小與雜質(zhì)的質(zhì)量或體積、密度、齒條輥的半徑成正比，與齒條輥的轉(zhuǎn)速或線速度的平方成正比，提高轉(zhuǎn)速比加大半徑更容易提高慣性離心力。雜質(zhì)體積越大或密度越高、齒條輥運轉(zhuǎn)速度越快、輥筒半徑越大，則慣性離心力越大，雜質(zhì)越容易被分離，被分離出的雜質(zhì)沉降速度也會越快。齒條輥分離雜質(zhì)的工作原理與洗衣機的甩干過程相同，為了便于衡量齒條輥離心分離性能，一般計算輥筒的相對離心力（Fr），即在離心力場的作用下，雜質(zhì)所受離心力相當于地球重力的倍數(shù)，單位是重力加速度（g=9.806 65 m/s2），也叫分離因素，即相對離心力，計算公式如下：

例如：當齒條輥直徑406 mm，轉(zhuǎn)速340 r/min時，則分離因素：

顯然，轉(zhuǎn)速越高或旋轉(zhuǎn)半徑越大，此數(shù)值越大，分離雜質(zhì)的能力越強，但數(shù)值過大，特別是加大齒條輥半徑，齒條輥承受的應(yīng)力越大，對齒條輥本身、軸承、軸承座等機械結(jié)構(gòu)的強度要求越高。據(jù)有關(guān)資料介紹，高分離因素的離心分離機械均采用高轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)鼓直徑，此時轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力較小。而做為籽棉清雜輥筒的分離因素值不宜過大，否則會加大排雜中的落棉量。分離因素值也可以理解成齒條輥的旋轉(zhuǎn)可使雜質(zhì)產(chǎn)生了26.24倍于雜質(zhì)自身重量的離心力，正是憑借圓周運動賦予的這種能量使雜質(zhì)脫離齒條輥。據(jù)美國棉花加工手冊介紹，提凈式籽棉清理機齒條輥運轉(zhuǎn)的慣性離心力是雜質(zhì)自身重量的25倍～35倍。當然被分離出來的雜質(zhì)能否順利到達指定位置，還涉及到雜質(zhì)沉降系數(shù)問題，因為雜質(zhì)在沉降過程中，還要克服空氣的浮力及摩擦阻力。

（三）齒條輥的線速度

齒條輥的高速運轉(zhuǎn)，籽棉在被鋸齒的鉤拉過程中，盡管鋼絲刷對纖維沒有握持力，但高速運轉(zhuǎn)的鋸齒要鉤拉籽棉難免會割斷少許纖維。大量的生產(chǎn)實踐證明，由于齒條輥線速度越高，對纖維的損傷越大，未被鋸齒直接鉤拉或鉤拉不緊的籽棉越容易脫落，落棉也會增多，因此，從保證纖維質(zhì)量的角度看，應(yīng)盡可能降低線速度。為了兼顧纖維質(zhì)量、雜質(zhì)分離性能、減少落棉損失，改進型的提凈式鈴殼清理機將早期的除雜刀改成了除塵棒或隔條柵，再通過兩級齒條輥回收脫落到雜質(zhì)中的單粒籽棉，這樣既可以提高轉(zhuǎn)速又可以減少落棉損失。多年的技術(shù)研究表明，改成除塵棒或隔條柵后，齒條輥的線速度可由原來的3.0 m/s提高到5 m/s～10 m/s，提高了清雜效率，而回收輥的線速度應(yīng)控制在4.5 m/s以下。例如，主要拋擲齒條輥直徑406 mm，轉(zhuǎn)速340 r/min，則其線速度為7.23 m/s。回收輥直徑350 mm，轉(zhuǎn)速250 r/min，則其線速度為4.58 m/s。另外，為了刷凈齒條輥上的籽棉，刷棉輥的線速度應(yīng)是齒條輥線速度的1.5倍～2.0倍。

四、結(jié)論

綜上所述，決定提凈式鈴殼清理機雜質(zhì)分離能力的關(guān)鍵參數(shù)是U形齒條輥的角速度和旋轉(zhuǎn)半徑，重點研究U形齒條輥的最佳直徑與轉(zhuǎn)速，是保證纖維質(zhì)量、提高清雜效率、降低籽棉損耗的最有效途徑。