谈气流式籽棉异纤清理机的设计计算

■胡宝林

〔北京中棉工程技术有限公司，北京100052〕

谈气流式籽棉异纤清理机的设计计算

■胡宝林

〔北京中棉工程技术有限公司，北京100052〕

本文从机采籽棉中异性纤维及籽棉的物理特性分析入手，根据干燥技术理论和斜抛运动原理，结合专业经验对气流式籽棉异纤清理机系统进行了分析和运算，为机采棉加工生产线籽棉异纤清理设备的设计与研究提供了参考。

一、籽棉异纤物理特性分析

籽棉中的异性纤维的形成主要是采收过程中混入的，机采棉主要是采棉机带入的地膜、滴灌带；手摘棉主要是头发、羽毛、包装袋上的丙纶丝等。地膜、滴灌带及丙纶丝一般都属于长丝，整体重量较大，采用多级刺钉辊机械缠绕方式分离比较容易。但对于破碎的地膜残片、塑料薄膜、头发、羽毛、细小丙纶丝等难以缠绕，密度远远小于籽棉，整体重量很轻，采用气流式分离比较容易。

二、籽棉回潮率与清杂效率的关系

棉纤维回潮率增大时，纤维强力提高、刚性降低、摩擦系数增大，反之则相反。籽棉回潮率的增大会使棉纤维与所附杂物的摩擦力增大，纤维与机械加工面的摩擦力增大，其后果是造成清杂困难、清杂效率低。由于纤维刚性降低，纤维之间会更多地缠绕、扭曲，异纤等杂质被纤维包裹，不论是机械方式还是气流方式都不易将其彻底分离。

三、籽棉烘干与清理一体化解决方案

目前的棉花加工生产线中，异纤清理、叶杂清理、烘干都是多级串联型单机工作模式，设备功能单一、投资大、占地面积大、能耗多、故障率也高。目前的籽棉异纤清理机气流分离部分所用气流大都是自然风，冬季温度都在零下十几度甚至更低，异纤清理设备一般都安装在外吸籽棉卸料器的下方，所以籽棉还没有进行过烘干处理，回潮率较高，很不利于异纤分离。如能实现烘干与清理集成一体化，而采用热空气直接输送并吹散籽棉团这种模式，既可提高异纤清除效率，又可减少一道单独的烘干工艺，特别是对面积小、密度轻的地膜、毛发等异纤清理将会更有效。

四、籽棉烘干热能消耗计算

籽棉烘干热能消耗的计算主要依据烘干前后籽棉中棉纤维的回潮率、温度和籽棉处理量。涉及到水分蒸发量、汽化热等热力学知识，本文不便细述，只给出部分计算结果。例如皮棉加工量25包左右的轧花厂一般配有2条生产管线，每条管线上安装2台烘干设备进行两级烘干。现以其中一条管线的第一级烘干为例进行计算。籽棉处理量7.5t/h，衣分率38%，烘干前棉纤维回潮率17%，烘干后棉纤维回潮率11%。热空气流量约10 000 m3/h，温度130℃左右，则热空气带入烘干机的热量约为1.25×106kJ（30万大卡），每小时水分蒸发量146 kg，籽棉水分蒸发过程应吸收的热量约为1.12×106kJ（26.8万大卡）。如果采取在异纤清理的同时进行烘干这种方式，还要考虑到大部分化纤成分的地膜、丙纶丝等熔点较低，一般在125℃左右，为此，烘干温度不宜过高，一般控制在120℃～130℃即可，这样热能消耗1.05× 106kJ（25万大卡）即可。

五、棉流运动状态分析

使用干热气流对籽棉进行烘干是为了使棉纤维蓬松度更好，提高清理效果，而气流式异纤清理机关键在于气流的初速度、喷射角及籽棉分布密度。如果缺乏科学的计算，即使风量很大、空间很大，但籽棉会被吹向某一点造成堆积或堵塞，甚至使籽棉团直接撞击到尘笼表面，其中的异纤还是难以被分离，而且所排出的异纤中也会夹带大量的籽棉，增加了后期处理的工作量。

（一）曲线运动原理

异纤是混在籽棉中的且密度差异较大，宜采用平抛或斜抛原理进行分离，本文重点研究斜抛运动。斜抛运动是将物体以一定的初速度和与水平方向成一定角度斜向抛射出，在重力作用下，物体作匀变速曲线运动，它的运动轨迹是抛物线。根据运动独立性原理，可以把斜抛运动看成是作水平方向的匀速直线运动和竖直上抛运动的合运动来处理。

斜抛运动的特性：斜抛运动的轨迹是抛物线，斜抛运动的加速度是重力加速度，所以斜抛运动是匀变速运动，斜抛运动具有对称性，斜抛运动的倾角为45°时，射程最远，如图1所示。

图1

（二）运动时间、射高和射程

运动时间、射高和射程取决于初速度和抛出的角度。

时间T=2v0sinθ/g

射高Y=v02sin2θ/2g

射程X=v02sinθcosθ/g

（三）单粒籽棉受力分析

以一个单粒籽棉为例，分析其受力状况（暂不考虑单粒籽棉的重力），如图2所示。速度v1为进入箱体的速度，与水平面成45°角，v2为自下而上的喷射气流速度，v为合成速度，其速度及与水平面夹角可通过余弦定理计算，则v2=v22+v21-2v2v1cosα，式中参数均可给定或计算。例如当进入箱体的气流速度为10 m/s、喷射气流速度为8 m/s、α为135°，则合成速度为16.65 m/s，与进入箱体速度夹角为19.86°，与水平夹角为64.86°。为了确保地膜顺利分离，合成速度的大小和角度都不易过大，以指向尘笼水平中心线为好，即主气流指向尘笼180°位置，所形成的的合成气流指向135°位置，否则会排出较多的籽棉。

图2

（四）参数举例

当入口抛出的籽棉流初速度为v0=7 m/s、抛射角θ＝45°时，重力加速度g=9.81 m/s2。则达到抛物线最高点的时间为T=0.5 s，射高为H=1.25 m，射程为S=4.99 m。

从上述计算结果看，籽棉输送管道出口（即气流式异纤清理机入口）初速度应该控制在7 m/s左右，籽棉沿抛物线轨迹运行，分离效果会比较理想。但也有些问题，籽棉到达抛物线顶点时间仅0.5 s，在包括下落时间在内也就1 s，热空气与籽棉接触时间很短会影响烘干效果，最好在进入本机前的输送管道上增加脉冲式干燥器。按机器工作幅宽2.5 m计算，气流分离空间体积为15.6 m3，所需空间较大。在实际设计时有必要适当降低初速度、增大抛射角，从而减小射程、射高，缩小机器体积。

从轻异纤分离过程看，气流分离箱的上方的吸杂尘笼将扬起的轻异纤及时吸附到旋转尘笼表面排出，排风量应为进风量的1.1倍～1.15倍，如果排风量过大、角度不合理、尘笼表面与曲线顶部距离太近等都会带走过多的单粒籽棉，降低除杂效率。如图3所示。

图3

气流式异纤清理机的目的就是实现异纤与籽棉的分离，从图3可以看出，单纯的斜抛尽管可以分散籽棉，但异纤并没有远离籽棉，为此，笔者认为如果采用复合型斜抛效果会更好。所谓复合型斜抛就是让进入箱体的棉流先以一定的角度斜抛，再从下部以较大的初射角、较小的风量、较大的风速自下而上穿透主流，从而加速分离较轻的异纤，效果会更好。如图4所示。

图4

六、结论

综上所述，棉花加工工艺设备的多功能化和集成化是发展趋势，科学的设计计算是根本。既要有充分的理论依据进行科学的计算，又要结合复杂多变的生产实际情况，理论联系实际，不断改进和创新，提高加工技术水平。☆

国家科技支撑计划“棉花产后增值关键技术装备研发与产业化示范”

课题编号：2015BAD19B04