机采棉清理加工设备存在的问题与建议

杨星宇，李 斌※，高海强，刘向新，王士国，刘 洋，王 涛

（1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2.山东天鹅棉业机械股份有限公司）

0 引言

2022 年全国棉花种植面积达到300.03 万hm2，总产量597.7 万t，其中新疆棉花种植面积占全国种植面积的83%，产量占全国总产量的90%。由此可见，新疆棉业的发展对全国的经济发展具有至关重要的战略意义。国内外的研究人员针对棉花机器采摘后需要进行的包括大杂的清理、异性纤维清理、棉铃清理和皮棉清理等加工环节设计研发了相应的加工设备，实现了对原棉的高效清理，极大地提高了生产效益。

棉花可分为细绒棉（陆地棉）、长绒棉（海岛棉）和粗绒棉（中棉）。粗绒绵产量低，纤维粗短，难以用于机纺，已被逐渐淘汰；细绒棉适应性强、产量高，是我国种植面积最大的棉花品种；长绒棉虽然种植范围小，但由于其品质优良，质感柔和，已成为高附加值纺织品及服装中不可或缺的优质原料[1]。长绒棉的生长对阳光和温度的需求高，其种植地主要位于新疆南部的阿克苏地区[2].。

相较于细绒棉，长绒棉棉铃小、铃尖易扎手，人工采收困难，采收效率低下且成本高昂，因此实现长绒棉大规模机械化采收已经是大势所趋。长期实践证明机采长绒棉是完全可行的[3]，然而相较于人工采收的长绒棉，机采长绒棉存在大量棉铃壳、残膜和秸秆等杂质，因此需要进行一系列清理加工，但目前我国棉花的清理加工设备主要针对种植面积大、产量高的细绒棉，针对铃壳韧性差、清理要求高的长绒棉的加工设备的研究较少，机采长绒棉的清理仍缺少专门的设备。为解决机采棉加工设备对机采长绒棉针对性不强、清理效果差等问题，本文总结了细绒棉清理加工设备的原理与特点，以期为后续机采长绒棉清理加工装备的开发研究提供建议与思路。

1 棉花异性纤维清理机

在新疆，棉花种植基本上都采用覆膜种植的方式，该方法能为棉花的生长提供良好的环境，但在机器采收时采摘头在工作时会对部分地膜与棉花进行无差别采收，导致地膜混入棉花中并进入后续的加工环节，如果不能及时去除，将会极大影响棉花加工后的品质，因此需要专门的机具来去除残膜等异性纤维。

邯郸金狮棉机有限公司[4]对现有的棉花清理机进行了改进，在相关清理设备上增加了排杂网与钉齿滚筒等部件，其结构示意如图1。籽棉被均匀送入机具后被软特杂清理部中的旋转辊充分松开，之后基于各类杂质和棉花的物理性质差异，杂质、籽棉和残膜等异性纤维在风机管道的风力和尘笼引风气流的共同作用下逐渐与棉花分离并随着气流的运动附着在尘笼上的筛网表面，累积到一定程度后被剥杂辊刷落，掉入盛杂箱中。这种运用气流完成籽棉清理和除杂的设备不易损伤棉絮，对棉花品质影响较小，但在清理效率上存在不足。从当前的应用情况来看，风力除杂的效率仅为传统机械清理效率的20%[5]。

图1 棉花异性纤维棉叶清理机结构示意

华中农业大学的王巧华等[6]搭建了棉花异性纤维静电分离平台（图2）。工作时，由于棉花与异性纤维质量不同且二者荷载的电荷极性和电荷量存在较大差异，因此棉花与异性纤维的混合物在通过上下极板形成的电场时可以被分离。该研究利用图像处理技术提取机采棉中不同面积和不同破损程度的残膜的特征并根据残膜形态与所带电荷之间存在的关联关系采用聚类算法将残地膜分为三个等级。该研究通过反复试验确定了最大程度除去不同级别残膜所需要的最佳荷电时间与压板电压等参数，实现了异性纤维的高效去除，对一级、二级、三级残膜的去除率分别能达到96.2%、98.1%和97.2%。采用静电吸附杂质的方法除杂效果良好，但其产生的带电工作环境存在安全隐患。

图2 机采棉残膜静电吸附分离平台结构示意

Loptex 公司[7]设计的原棉拣出机将超声波检测技术与光电检测技术相融合。工作时，原棉会经过具有穿透性的超声波检测以及光电感应检测两道检测工序，这两道工序的检测准确性好，灵敏度高，对非透明异性纤维的清理效果好，但是对于普遍采用覆膜种植的新疆棉花来说适用性不强。

2 棉铃清理机

在机采棉的加工过程中，棉铃清理机是实现机采棉高效清理必不可少的设备。棉铃清理机集开松、提净、回收等多种功能为一体，其作用在于清除籽棉中的棉铃、棉壳、僵瓣棉和硬杂等各种杂质[8]，从而提高皮棉的加工质量。为了解决棉铃清理机受风力输送系统的影响而出现的喂花不均匀问题，棉机制造企业组织专家团队开展了广泛的调研并开发出提净式籽棉清理技术[9]，这种新型的智能清铃装备不仅可以提高铃壳和棉秆的分离效果，还能将纤维损伤控制在一定范围内。采用这种技术可以提高棉花的加工质量和生产线的运转效率，从而提高企业的经济效益。

邯郸金狮棉机有限公司推出了小辊筒棉铃清理设备和大辊筒棉铃清理设备[10]，小辊筒棉铃清理机为了提高清理效率设置了二级提净清理装置，但对棉花的二次勾拉增加了棉纤维被破坏的可能性。随着保长度、降短纤、减损伤理念的出现，小辊筒棉铃清理机已经无法满足棉花加工企业对棉铃清理的要求，于是研发出改进后的大辊筒棉铃清理机。大辊筒棉铃清理机一般由喂花部、开松部、清铃部、回收部、排杂绞龙部和旁路等部分组成，如图3。大辊筒清铃机取消了二级提净清理，增加了辊筒的直径和辊筒的数量，将开松辊的直径增加到400 mm，数量增加到3 个。随着辊筒直径的增大，即使在相同的线速度下，辊筒的转速也会降低。增加辊筒的数量可以更充分地击打开由喂花辊落下的棉花，使其均匀地散落在大U 型齿条辊上。这样的设计可以使籽棉在齿条辊轴向上的分布更加均匀，从而使铃壳和棉秆更容易暴露在籽棉外表面，方便清理和排出。相较于小辊筒清理机，大辊筒清铃机使用寿命更长，稳定性更好，且排杂杆的增加使棉铃被排除的几率更大，棉铃的清理效果更好。从结构上来看，大辊筒棉铃清理机更简洁，虽然去掉了小辊筒棉铃清理机中的二次清理部，但清理效率并未因此受到影响。

图3 大辊筒棉铃清理机结构

3 皮棉清理机

皮棉清理是棉花加工中的重要一环，该环节的清理效果直接影响到加工出的皮棉质量。含杂多的皮棉会导致棉花的评级下降，造成企业经济效益受损。在皮棉的清理过程中有诸多因素会对皮棉清理机的清理效果造成明显的影响，这些因素包括皮棉的回潮率、给棉罗拉与带刺辊筒的间隙、带刺辊筒的速度以及除杂区域的大小等[11]。要保证皮棉清理阶段的质量需要综合考虑影响皮棉清理机工作效果的各个因素，通过合理的设计和作业参数优化使皮棉清理达到理想效果，实现经济效益最大化。

皮棉清理机按刷棉的方式不同一般可以分为气流式和毛刷式。锯齿式皮棉清理机是毛刷式皮棉清理机的机型之一，二者在原理与结构上大同小异，是皮棉清理加工工艺中的重要设备之一。它与锯齿轧花机相连，在皮棉杂质的清理以及皮棉外形的改善中起关键作用[12]。其主要由集棉给棉部、清理部和刷棉部等部分组成，其中清理部对棉纤维的品质起着至关重要的作用。山东效棉机械有限公司开发了一款锯齿式皮棉清理机[13]，工作时，刺辊通过高速转动带动皮棉缠绕刺辊并产生离心力，七把排杂刀快速与缠绕在刺辊上的皮棉接触，从而将棉籽以及大颗粒杂质剥落，完成皮棉清理。

喷气式皮棉清理机在类型上属于气流式皮棉清理机，一般设置在轧花机与锯齿式皮棉清理机的中间。在气流的流动方向改变之前，皮棉经过清理机和轧花机之间的通道时突然改变速度，使速度上升到预设速度，随后进入喷气式皮棉清理机。在喷气式皮棉清理机中，由于气流与皮棉的相对方向发生了变化，从而产生了一定大小的离心力，大颗粒随即被离心力抛出，剩余的皮棉和杂质进入锯齿式皮棉清理机进行进一步清理。这种喷气式与锯齿式皮棉清理机的配合方式进一步提升了皮棉的清理效果。

4 存在的问题

4.1 加工过程易造成棉花纤维损伤

棉花清理过程中在分离棉籽和棉纤维时定刀及刺辊等部件会与籽棉产生机械作用，从而导致棉纤维破损，造成衣分损失。

4.2 异性纤维清理机的性能仍存在缺陷

异性纤维清理机一般有传统机械式清除、静电吸附式清除以及风力清除方式，但分别都存在清理效果不佳、潜在风险大以及清理效率不高等问题。部分安装有图像识别、超声检测等先进检测装置的异性纤维清理机在对透明残膜的检测和识别上存在较大的缺陷，不能较好地适应覆膜种植棉花的清理。因此异性纤维清理机在适应性和精准性等方面还存在问题。

4.3 缺少适用于长绒棉的清理装置

长绒棉收获难度大，种植收益低，其机械化收获程度较为落后，因此专门针对机采长绒棉清理的研究较少。机采长绒棉的加工一般都只能依靠常规的棉花清理加工装置，但由于长绒棉与其他棉花特性的差异，加工效果往往不够理想。

5 建议

5.1 使用柔性材料，降低加工损失

柔性材料具有良好的弹性和韧性，能够很好地适应不同籽棉和棉绒。在籽棉加工设备直接与籽棉和棉绒接触的构件中增加柔性设计能够在有效清理棉花中杂质的同时在一定程度上将棉纤维受到的损伤和破坏控制在一定限度内。

5.2 提升清理装置智能化水平

完善定量检测、智能识别以及杂质吸附等技术，在提高清洁效率的同时实现清杂精确化和数据化，通过显示面板可以实现棉花中杂质的形状、质量以及去向的实时监测和跟踪，从而进一步的优化机具结构，改善机采长绒棉的加工质量。

5.3 加强针对长绒棉特性的研究，改进现有设备

长绒棉在国家重要领域以及人民日常生活中的重要性愈发突出，政府应加强对长绒棉产业的关注，加大对企业、高校与科研单位的扶持力度，提供资金支持与政策优待，推动各单位加大对机采长绒棉加工性质的研究力度，以便为设计适用于机采长绒棉的加工机械提供理论和数据支撑。

6 结语

文中介绍了机采棉花清理加工生产线中不同阶段所用到的清理加工设备，对其特点进行了总结和分析，指出了机采棉花的清理加工中存在的问题并给出了以下具有针对性的建议：使用柔性材料，减少加工损失；提升清理装置智能化水平；加强针对长绒棉特性的研究，改进现有设备。研究结果为机采长绒棉清理加工设备的研发提供了思路，有助于促进我国长绒棉产业的发展，打造高水平、高质量的机采长绒棉加工产业链。