提高棉花加工企加工能力之棉花加工设备大型化变革探讨

〔郑州棉麻工程技术设计研究所，河南郑州450004〕

一、中国棉花加工的四次变革

第一次变革是从1955年开始，“5571”型锯齿轧花机的研发成功使我国棉花工业从手工作坊迈向工业化时代。第二次变革始于改革开放后，我国借鉴美国先进加工工艺、设备和管理经验，研制并推广了“121”轧花新工艺及成套设备。伴随着装备制造企业的崛起，我国棉花加工设备和加工水平与国际先进水平的差距明显缩小。第三次变革始于棉花质检体制改革，伴随仪器化公检与信息化采集应用，棉花加工进入规模化、规范化、现代化、国际化时代，能力追赶发达国家。第四次变革是伴随着新疆棉花目标价格改革的实施，棉花加工进入信息化与数字化时代，加工信息化与数字化程度超越大多数棉花加工国。

二、我国棉花加工行业产能现状

2009年质检体制改革结束，中国的棉花加工规模、能力已经超越了美国，但存在低水平重复投资严重，加工能力严重过剩的情况。近几年，伴随着目标价格改革试点的实施，一些贸易企业集团、纺织企业集团、大型上市公司逐渐涉足棉花加工领域，开始采取收购、兼并、重组的方式整合加工企业，集团化公司对资源掌控能力更强，市场运作和风险防控手段更加成熟。集团化公司拥有强大资本和技术实力，迫切需要加工企业提质增效。

三、提高棉花加工企业加工能力是必然趋势

当前影响国内棉花加工行业发展的主要问题是产能普遍较低，我国棉花加工生产线经过三十多年的发展，单条生产线平均产能接近30包/h左右，加工周期一般为80天～100天，而国外已经达到50包/h～60包/h。国内棉花主要产区新疆尤其在北疆，加工中后期气温骤降雨雪增多，生产线加工效率、加工质量大大降低，同时能耗增大、工人工作环境恶劣，影响了国内棉花加工行业的健康发展。如果大幅提高加工能力，假如提高到国外50包/h～60包/h的水平，那我们的加工周期长会缩短至40天～50天，也就避免了上述问题。

以集团公司运营的棉花加工龙头骨干企业，也迫切需要提高产能，提升企业的市场竞争力。在目前设备的加工产能一定的情况下，主要以新建、兼并其它棉花企业的产能实现扩张。棉花加工设备大型化能有效提高产能，实现棉花加工业由数量型向质量型的转变，棉花加工设备大型化变革是必然趋势。实现棉花加工设备大型化变革要通过棉花行业政策的引导、扶持，鼓励棉机厂家设计、制造大产能新型棉花加工设备，促进我国从棉花大国向棉花强国转变。

四、提高棉花加工企业加工能力的探讨

提高棉花加工企业加工能力的关键是提高设备的加工能力，本文对关键设备在设计、工艺、制造方面进行探讨，提出提高设备产能的观点或设计思路。

（一）锯齿轧花机

目前，机采棉加工模式在新疆得到推广普及，棉花加工中生产线中一般都采用适合机采棉加工量大的锯齿轧花机做为主机。锯齿轧花机是决定生产线皮棉质量和产量最关键的设备。为了适应机采棉生产线，兵团企业的锯齿轧花机基本是以100片以上的大型机为主，一般一条15 t生产线配4台171、168、158等机型，私人企业为了适应机采棉的产能，也有配置6台96型的轧花机。

提高棉花加工企业加工能力，不能单纯靠增加轧花机机台数量进行低层次的产量叠加，关键要在轧花机的单机产量上有重大突破。

对比美国切诺基公司的244片轧花机（图1、2、3），其单台产量每小时达到30多包，是目前世界上产量最高的锯齿轧花机。其锯轴、给棉辊、刮杂板都实现了变频直联的形式。变频电机直联能精确控制各辊转速，精确配比各辊之间的相对速度，从而达到高质、高产、节能的目的。

图1 切诺基公司244片大型轧花机

图2 切诺基公司244片大型轧花机的轧花部分

图3 轧花机剖面图

我国目前的锯齿轧花机还是以大电机带大皮带轮的形式（图4），皮带的拉力和大皮带轮的重力在高速旋转时，对锯轴径进行了不断地交变载荷的冲击，经常发生主轴疲劳断裂的事故（图5、6）。

图4 锯轴皮带传动图

图5 锯轴断轴（1）

图6 锯轴断轴（2）

我国锯齿轧花机锯轴大皮带轮通过不同皮带轮的配比传动刮杂板、给棉辊、毛刷辊，这些辊子之间的速率是靠皮带轮配置好的，在生产中不能根据情况进行单独或几个辊子之间的速度比调节。另外皮带传动除了对轴有较大弯矩力外，还存在传动效率低、噪音大、工人维护不安全的因素。轧花机的片数和产量成正比例关系，增加片数能直接增加产量。我国目前市场最常用的是168片和171片轧花机。若要达到切诺基公司的244片轧花机水平，不是单纯地加长锯轴长度和所有墙板之间件号长度就能解决的。做超大型轧花机关键要着力解决好锯轴的强度、刚度问题，从材料、热处理工艺、加工工艺方面都要精益求精。切诺基公司的244片轧花机使用了全弓肋条，这种肋条由于上下两端固定，强度较高，适合超大型轧花机使用。

（二）籽棉清理设备

1.国内籽棉清理设备现状。

相对于锯齿轧花机的型号众多不同，籽棉清理设备主要参数是对应的加工量，一般是2 t～3 t、4 t～6 t、6 t～8 t、10 t等，工作幅宽一般是1.8 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m等。籽棉清理设备按类型可分为六辊筒籽棉清理机（图7）、回收式六辊筒籽棉清理机（图8）、提净清铃机等，在生产线中根据功能和效果常常组合使用，如：六辊筒籽棉+提净式清铃机组合（图9），六辊筒籽棉清理机+回收式六辊筒籽棉清理机组合（图10）。近几年还出现了双层六辊筒式籽棉清理机和组合式多功能籽棉清理机。

图7 六辊筒籽棉清理机

图8 回收式六辊筒籽棉清理机

图9 六辊筒籽棉+清理机与清铃机组合

图10 六辊筒籽棉清理机+回收式六辊筒籽棉清理机组合

2.籽棉清理设备大幅度提高产能和工艺优化的方法。

籽棉清理设备在原理和结构上较简单，产量与幅宽正相关，若想大幅度提高产能，最直接的办法是：提高集成化，缩减工艺流程，增加幅宽；改进优化清理单元，提高除杂效率。20世纪90年代前，棉纺的前纺工艺要经过成卷工艺，需要人工将棉卷推送喂给梳棉机。20世纪90年代后，郑纺机与德国的特吕茨勒合作，引进消化了清梳联工艺与设备，此工艺主要是去除了成卷工艺与设备，使前方生产的物料直接喂给梳棉机。这样也就省去了人工推送再喂给的动作，不但保证了生产线的连续运转，增加了产量，而且能保证生产质量、降低成本。由此笔者认为轧花生产线特别是在籽棉清理阶段，也可以通过缩减工艺长度，改进设计来提高产量、提高除杂效率、保证质量、降低成本。

图11是笔者设计的组合式高效籽棉清理机。将清铃提净功能与双清理机组合，又增加一大辊清理单元进行精细除杂。从组合式高效籽棉清理机开松除杂后的籽棉除杂、开松已经达到要求，可不安装传统工艺进入六辊筒籽棉清理机+回收式六辊筒籽棉清理机组合（图10），从本机直接通过卸料器进入配棉绞龙，供轧花机进行轧花。

图11 组合式高效籽棉清理机

3.组合式高效籽棉清理机工作过程。

籽棉被负压吸入籽棉卸料器1中，通过内置的尘笼实现气纤分离，籽棉落入组合式高效籽棉清理机2中。在籽棉下落通道上设置有可调挡板3，当清理手摘棉时，逆时针关闭，籽棉可不经过提净部分而直接进入清理阶段。机采籽棉先经过开松刺辊4得到初步开松后进入由钢丝刷5、U形齿辊6、尘棒7组成的铃壳大杂提净单元。钢丝刷5配合U形齿辊6的齿条握持住棉纤维高速旋转，并与尘棒7不断击打，将籽棉中的铃壳等大杂通过离心力甩到第二组提净单元，籽棉由毛刷辊8剥取进入刺钉辊19和尘棒漏底20组成的清理单元。第1组清理单元在清大杂的同时也甩出部分籽棉和带壳籽棉，在与尘棒7击打后，带壳籽棉破碎或裂开，这些含杂籽棉若排掉会造成衣分的巨大损失。第2组提净单元由U形齿辊9、尘棒10、尘棒漏底11和钢丝刷5组成。在第2组提净阶段将第1提净单元输送的含杂带壳籽棉继续清理，U形齿辊9将能钩挂到的棉纤维勾起在钢丝刷5配合下与尘棒10、尘棒漏底11进行击打继续除杂，第2组提净单元的杂质被排入第3组提净单元。第3组提净单元由U形齿辊12、尘棒13、尘棒漏底14、钢丝刷5组成。U形齿辊12将能提取的棉纤维尽量提取。铃壳类大杂通过排杂绞龙18排出本机。U形齿辊9和U形齿辊12辊面的籽棉被设置在两辊之间的毛刷辊8同时剥取，排到刺钉辊19和尘棒漏底20组成的清理单元。

籽棉清理单元，借用了近几年市场上新出的双层清理机。籽棉清理部分设置有上回收辊15、中回收辊16、下回收辊17功能原理和提净类似。被除过铃壳大杂的籽棉被籽棉刺钉辊20和尘棒漏底21作用，使籽棉不断与尘棒击打并震动、松懈，使棉秆、棉叶、土杂类杂质从尘棒间排出完成清理。籽棉清理单元设置了上下两层各6组的清理单元，设置了可调挡板22。清理手摘棉时，如果杂质较少，可将可调挡板22打开，使籽棉只经上层的6组的清理单元后即可排入下道工序。

经提净和清理后的籽棉进入大辊清理单元。角钢尘棒22、大辊清理单元由大清理辊23、大清理辊漏底24、出棉管道25、隔断板26、毛刷辊27组成。大清理辊23上包覆有U形齿条，在高速转动时勾取棉纤维，同时在钢丝刷5配合下与角钢尘棒22、大清理辊漏底24进行击打继续除杂。在大辊清理单元是精细除杂，杂质通过尘棒之间的间隙落入排杂绞龙18后被排出本机。除杂后的籽棉通过毛刷辊27将辊面的籽棉剥下，剥下的籽棉通过出棉管道25进入轧花工序。隔断板26的作用是切割大清理辊23表面层气流，利于负压将籽棉抽走。

4.组合式高效籽棉清理机的优点。

组合式高效籽棉清理机应用在目前轧花生产线中，将提净、清铃、开松、清理、精细除杂的功能集于一身，该机缩短了工艺流程，使工艺更加紧凑顺畅。大清理辊23直径较大，有较大的排杂区域。大清理辊漏底24是结合棉纺织技术的在线可调三角尘棒，能使排杂达到最理想状况。该机的使用不但降低了工程、电耗、人工的成本，在具有较大幅宽下保证较大产能和清理质量，而且更符合将来大产能轧花生产线的应用。组合式高效籽棉清理机的应用缩短了工艺流程、工作效率更高、不需要高架、更容易维护操作，符合将来大产能轧花生产线的应用。

（三）皮棉清理设备

1.锯齿皮棉清理机。

在机采棉生产线中，从轧花机排出的皮棉清理主要由锯齿式皮棉清理机和气流式皮棉清理机来完成。其中锯齿式皮棉清理机因其优异的除杂能力而担负了主要的除杂任务，锯齿辊直径主要有φ400和φ600等规格，有效工作宽度为2 000 mm、2 600 mm、3 000 mm等。早几年，锯齿式皮棉清理机都是通过给棉板夹持喂给锯齿辊的，一般加工机采棉时要连续过两台皮清机。由于给棉板对棉纤维的握持较紧，因此，齿条辊对棉纤维的开松、梳理力度较大，虽然最终降低了皮棉的杂质，但是棉纤维的长度受到了破坏。目前，一般加工机采棉时会先过一台有给棉板的皮棉清理机，再过一台没有给棉板的皮棉清理机。没有给棉板的皮棉清理机对棉纤维是松弛喂给，避免了强力开松带来的弊端。因为锯齿辊每100 mm长度清理的皮棉是一定量的，所以目前如果想大幅提高皮棉清理机的产量最有效的手段就是增加幅宽，增加幅宽的同时刺辊直径最好选用φ600或以上直径，大直径的锯齿辊筒使排杂区域更大，排杂刀排布更合理。

2.气流皮棉清理机。

气流皮棉清理机本机没有动力，相当于过棉通道，通过通道的急转和收窄提速，利用“附壁”效应和惯性原理，将不易改变方向的大、重杂质甩出本机，完成气流除杂。经初步气流皮清清理的皮棉再进入一道或两道锯齿皮棉清理机进行强力开松除杂。

目前国内外的气流皮棉清理机工作原理是相同的，外形也近似，机幅由1.5 m、1.8 m、2 m、2.2 m、2.5 m、3 m等多种尺寸来搭配不同片数的轧花机。

3.多刀组高效气流皮棉清理机的设计与工艺配置。

据国外研究数据表明，一道锯齿皮棉清理机将导致棉纤维长度损失约0.25 mm。在机采棉加工生产线中，皮棉经过两台锯齿皮棉清理机的清理后，经检测后纤维长度损失不是0.5 mm，而是1 mm～1.2 mm。随着我国棉纺织行业的提质升级，高端产品的高支纱对原棉要求更为严格。在种子、种植、采收条件与工艺一定的情况下，加工环节直接影响到皮棉最终品质。业界对保持籽棉原生品质的呼声愈来愈高，保持籽棉原生品质就是指在加工过程中尽量少地破坏棉纤维的天然特性。在众多质量指标中，长度指标极为重要，长度是纺高支纱的最重要条件。在棉花加工中，降低纤维长度损耗的同时，其强度、整齐度等指数也会有相应的提升。笔者根据棉纺设计经验设计出多刀组高效气流皮棉清理机（如图12所示）。

图12 多刀组高效气流皮棉清理机

4.多刀组高效气流皮棉清理机工作过程。

从锯齿轧花机轧出的松散纤维被气流吹、吸送进入本机（图12）的棉道3，在向上急转折处设有除杂点4，此段和普通气流清理机结构、原理是完全一致的。棉纤被吹、吸入气流皮棉清理机的棉道，从入口到转折处气流速度逐渐加快，在转折处，纤维因质量较小随气流转弯向上运动；杂质的质量较大、惯性大，难以改变原有的运动方向而继续向前运动，因而杂质从可调缝隙中被抛向挡板，滑出机外完成气流皮棉清理机的除杂任务。过除杂点4的皮棉沿着本机的棉道3继续上行，与第一排杂刀组5撞击。第一排杂刀组5是一组可调三角尘棒，可根据需要在线调节角度，图中是放平的位置，即形成过棉通道，不除杂。当调节后，皮棉在负压抽吸“附壁”效应下，与刀尖作用，将杂质甩出。杂质从每两刀之间的缝隙穿过，落入机体1内的排杂绞龙2内，排出本机。同样原理，籽棉继续上行，与第二排杂刀组8作用进行除杂。通过观察窗6可以观察落杂情况并根据需要调节第一、二排杂刀组。

5.多刀组高效气流皮棉清理机的优点。

该机全封闭结构，不会对风量有较大的损失。占地面积、位置与普通气流皮棉清理机没大的区别，便于老厂改造。该机除杂点4已经和普通气流皮棉清理机除杂效率持平，再加上排杂刀组的连续应用，除杂量远远超过只有一个排杂点的普通气流皮棉清理机。通过增加幅宽来增加产量，通过多刀组大量增加排杂点来提高除杂效率。除杂量大和对纤维几乎没有损伤是本机最大的优点。经过实践，多刀组高效气流皮棉清理机和一台锯齿式皮棉清理机联合使用，最终皮棉杂质≤2.5%时，就可以避免使用两台锯齿式皮棉清理机，降低对棉纤长度的损伤。

（四）打包及附属设备

大幅提高生产线产能，提高打包机速度及压力是最后的关键一环。增加速度可满足生产线产量大幅提高的需要，增加压力可使包型稳定、膨胀率降低、增加装载率、降低崩包的情况，目前国内500 t快速打包机已有初步尝试。若打包速度大幅提高，原来靠人工完成的穿带打扣、刷唛工序则必须改成自动化。货场自动码包系统在大产能生产线实现后也会迅速发展。

（五）应对大产量的烘干、加湿设备

机采籽棉是接近成熟时喷洒脱叶剂，籽棉中尚含有较多水分，采摘时的环境天气情况对籽棉中水分影响也很关键，比如早上结露时和中午采摘的籽棉水分就相差很大。因为机采棉在采摘时将大量的棉桃、棉秆、叶屑与籽棉混合在一起收回，所以机采棉比手摘棉有较多的杂质，正常含杂率在8%～16%。机采棉回潮率一般在9%～16%。当籽棉回潮率大于9%时，杂质和棉纤维的附着力会随着水分的增加而加大，使之很难被清除，轧出的皮棉含杂量也随之增加。保证机采棉加工质量控制籽棉回潮率是关键因素之一。在加工量大幅提高的情况下，提高烘干设备的产量和效能非常关键。

1.大产量烘干清理一体机简介。

美国切诺基公司生产了目前世界最大产量的244片轧花机，在机采棉生产中为了给大型轧花机配套，必须有相应的大型籽棉烘干设备。图13、14是诺基公司生产的大型烘干清理一体机。籽棉通过竖向放置的箱体，箱体内有多根叶片辊，叶片辊转动既阻碍籽棉的流速又避免堵车，使热空气能快速多次穿过籽棉层达到烘干作用。烘干后，热气流继续伴随籽棉增强烘干效果。籽棉进入到由大腔体和15根辊组成的籽棉清理单元。由于资料不全，照片模糊，因此，图中15根辊有无相对应的尘格漏底还需资料的进一步证明。若大幅或翻倍提高机采棉生产线产量，国外已经应用的这种大型烘干设备值得分析探讨（参看本人论文“大型机采棉生产线开松烘干一体机的设计”）。

图13 烘干清理一体机侧视截图

图14 烘干清理一体机斜侧截图

2.籽棉加湿设备。

通过烘干后籽棉含水率大都在3.5%～6.0%，过低的回潮率会使棉纤维刚性和强度下降而变得脆弱。为此在充分落杂后要进行人工强制干预，提高籽棉的回潮率，使其增加纤维强度与刚度，在接下来的轧花和皮清阶段更能抵抗机械冲击，降低对纤维品质的破坏。

图15是国外的籽棉加湿设备，图16为籽棉加湿设备在线应用情况。此设备在国外有应用，但不普及。国内按此原理制造后也在生产线应用过，效果也不是很理想。主要原因分析如下：1.目前轧花厂大部分是承包加工，承包商主要是以产量拿承包费，虽然也有棉花加工的质量意识，但是主动提高棉花加工质量的意识不强，并且棉花质量提高带来的效益没有产量提高带来的多；2.现在为了加强环保措施，很多地方已经禁用燃煤的方式提供热能，很多企业被动地接受使用电能，电能的使用成本较高，抑制了用户对需要大量热能的籽棉加湿的应用；3.大部分加工者对棉花的杂质、色泽等表面问题比较关注，对直接影响纺织成纱的长度、长度整齐度等关注不够；4.国内设计制造的类似设备技术性能不过关，达不到预期，抑制了市场需求。

图15 籽棉加湿设备

图16 籽棉加湿设备在线应用

笔者认为，按国外的原理设计出的籽棉加湿效果不理想主要是系统问题。主要是目前持续的、大量的、经济的供热还有很大困难。其它如水的雾化、净化也有一定因素。

笔者认为，必须立足国情，用较少的热能完成籽棉加湿，可以利用设计来提高热能的利用率。主要改进和设计特点：1.籽棉由不确定的被动加湿改进为强制穿透式主动加湿。强力穿透式加湿不会产生紧靠两侧壁的籽棉表面湿，而中间层加不上的情况；强力穿透式加湿均匀，加湿量大且可靠；2.强制穿透式主动加湿由负压吸引导向，气流方向可控，不会产生大量冷凝水黏附到两侧箱壁上或流到轧花机内；3.由于负压吸引导向，热湿气流不再向上“顶出”，避免了落棉不顺堵塞输送机的情况。本设计加湿箱在上，抽吸箱在对侧下方，增加了加湿的路线和时间，气流斜向下的方向与籽棉运动方向基本一致，不会产生阻力发生堵车现象；4.原设计的尾气排放到大气，尾气带有一定的温度，直接排放造成了能源浪费。强制穿透式主动加湿能将排出带有一定温度的尾气被风机负压抽吸送到热源重新加热，形成了闭环系统，初步估算可节约能源20%～30%。闭环系统使得自动控制能顺利实现。

（六）除尘设备

未来棉花加工的大趋势除了大产量、高质量是其特征外，环保也是一大亮点。目前针对轧花生产线，除尘器主要沿用传统的沙克笼除尘器（图17）。由于棉花加工风量大、工况不稳定、杂质构成复杂导致沙克笼除尘器效果较差，从排风筒出来的大量灰尘随风飘荡，污染环境，危害人员健康，许多棉花加工企业经常被环保部门勒令停工整改。随着人们环保意识的加强和环保法规的不断完善，努力降低棉花加工企业的排尘已经成为共识。郑州棉麻工程技术设计研究所开发的多级复合圆笼除尘机组（图18）在新疆机采棉生产线得到了应用并通过环保检测。

图17 传统沙克笼除尘器

图18 新型多层圆笼除尘器

五、总结

大幅提高棉花加工生产线的产能并且保证质量，需要对生产线所有设备进行升级改造或重新设计。这对设计水平、材料、加工工艺、加工设备、生产组织、人员素质都是较大的挑战。

我国的棉花加工行业的四次变革是由引进驱动、跟随模仿驱动、改革驱动、政策驱动完成的。历经四次变革后，我国棉花加工行业水平已经达到了国际水准，在棉花加工信息化与数字化程度超越大多数棉花加工国，在生产线产能、单机产能、加工质量方面还弱于最先进国家。根据行业及市场形势综合分析，笔者认为，第五次变革应是市场驱动，核心是保证质量、大幅提高产量，同时完善信息化与数字化，其最明显特征是大幅提高产量。第五次变革可能不会像以往历次变革有比较清晰的阶段或时间点，第五次变革可能正在酝酿发生，边界比较模糊，是由量变慢慢积聚成质变的过程。☆