新型皮棉清理機清理單元的創(chuàng)新設計

■楊建華 王澤武 郭寧泊

〔1第八師149團聯(lián)合加工廠，新疆石河子 832052〕

〔2鄭州棉麻工程技術設計研究所，河南鄭州 450004〕

〔3河南大學數(shù)學與信息科學學院，河南開封 475001〕

皮棉清理機在我國的發(fā)展時間不長，隨著近幾年的棉檢體制改革的推動得到快速發(fā)展。目前新疆建設兵團正在大力發(fā)展機采棉，為提高皮棉等級質(zhì)量，根據(jù)加工工藝的要求，必須配置皮棉清理機對皮棉進行精細除雜。

我國目前使用的皮棉清理機雖然型號眾多，但整機的原理及結構相差不大。近兩三年來，出現(xiàn)的一些改進機型只在皮棉清理機的給棉部分作了一些改進。筆者結合自己的設計經(jīng)驗，對目前市場上常用的傳統(tǒng)型與改進型皮棉清理機進行了比對、分析，并提出進一步提高皮棉清理機性能的設計方案。

一、目前常用傳統(tǒng)型皮棉清理機的原理結構及性能分析

（一）傳統(tǒng)型皮棉清理機的原理結構

本文以MPQM600×3200機型作為傳統(tǒng)皮棉清理機的代表進行研究，其它機型雖然在尺寸、速度方面有所不同，但總體結構近似。

傳統(tǒng)型皮棉清理機工作原理如圖1所示：附著在塵籠1上的皮棉層被剝棉羅拉2、壓棉羅拉3聯(lián)合剝?nèi)〔⑺徒o牽伸溝槽羅拉4與牽伸光羅拉5。由于牽伸溝槽羅拉4和牽伸光羅拉5的速度大于剝棉羅拉2、壓棉羅拉3，這樣就使棉層得到了穩(wěn)定的牽伸。初步牽伸變薄的棉層被喂進給棉板6和給棉羅拉15的組合，給棉板6與給棉羅拉15的間隙只有0.2 mm，棉層在此被進一步拉薄使雜質(zhì)充分暴露。棉層在給棉板6的“鼻尖”處被有效握持，“鼻尖”下方45 mm長的短平面與刺輥10形成穩(wěn)定的壓棉點。在給棉板6、給棉羅拉15、刺輥10及6把除雜刀11的聯(lián)合作用下，棉層得到了精細的清理，被清理后的棉層由毛刷輥12剝?nèi)『蟊晃爰迿C中。

圖1 傳統(tǒng)皮棉清理工作原理示意圖

皮棉清理機的給棉部分指的是從塵籠1上剝下棉胎到喂入刺輥10的裝置，如圖2所示。包含的主要機件有壓棉羅拉2、剝棉羅拉3、牽伸溝槽羅拉4、牽伸光羅拉5、給棉板6、彈簧裝置、給棉羅拉7。給棉部分不是獨立存在的，它與塵籠、刺輥以及給棉部分內(nèi)含的各機件之間都有嚴格的隔距關系和速度配比關系。清理部分主要由刺輥8和排雜刀9、附棉板10組成（由于固定在排雜刀9的底部與排雜刀9聯(lián)合使用的附棉板10是為了不使棉纖維因離心力脫離刺輥而設計的輔助裝置，因此，筆者也將其列入清理部分）。

圖2 傳統(tǒng)皮棉清理機給棉、清理部分結構示意圖

（二）傳統(tǒng)皮棉清理機缺點及分析

1.損傷纖維長度，降低纖維強度，增加棉結和短纖含量。

據(jù)有關文獻報道，每臺皮清機都會使棉纖維長度變短,在棉纖維回潮率是4.1%、5.5%、8.4%時,HVI長度分別為27.9 mm、28.2 mm和28.4 mm,每臺皮清機使棉纖維長度降低約0.25 mm,經(jīng)過三道皮清后由Ptyer101測量的平均棉纖維長度為21.8 mm,不經(jīng)過皮清時為23.4 mm。棉纖維回潮率從8.4%降到4.1%時,平均長度從23.6 mm降到22.1 mm,短纖維含量(以重量計)從4.6%上升到8.7%。在使用一、二、三道皮清機時,皮清機使短纖含量分別增至6.8%、8.8%和9.6%。

在棉纖維回潮率8.4%時,長度整齊度為82.8%；回潮率5.5%時,長度整齊度為82.2%；回潮率4.1%時,長度整齊度為81.9%。機械處理使平均長度整齊度從82.8%(提凈式喂花軋花機或棉稈清理加提凈式軋花機)降到81.4%(三道皮清)。在棉纖維回潮率為4.1%、5.5%和8.4%時,棉纖維斷裂比強度平均值為 28.0 cN/tex、28.6 cN/tex和29.2 cN/tex。

當使用二道皮清時,棉結數(shù)量從2.8個/100 cm2上升到5.3個/100 cm2。W.S.A nthony還指出,當皮棉回潮率為4.1%和8.4%時,棉結平均為13.1和6.7(單位:個/100cm2)。當旁通一道和二道皮清后,棉結分別減少15%和42%。

在機采棉清理工藝中，皮清機在降低皮棉含雜、改善棉纖維外觀方面,可以說是功效最強的設備。但皮清機也破壞了棉纖維品質(zhì)，增大了棉結含量與衣分損失。經(jīng)過皮清機清理的皮棉原料，雖然在紡紗時改善了紗線外觀，但是破壞了紗線強度，增加了紡紗的斷頭率。

2.傳統(tǒng)機型的給棉部分結構是產(chǎn)生清理缺陷的要因。

在傳統(tǒng)型皮棉清理機的具體應用中，鋸齒輥筒與給棉羅拉為相對轉動，給棉板位于鋸齒輥筒轉動方向的前方和給棉羅拉的后方，鋸齒輥筒對皮棉的抓取為逆向抓取，這就增大了對皮棉的梳理強度，同時也對皮棉纖維本身造成了損傷，加大了皮棉中的短絨含量。鋸齒輥筒在抓取皮棉纖維時，給棉板位于被抓取皮棉纖維的后方，被抓取的皮棉纖維因給棉板和給棉羅拉的握持以及給棉板的阻擋，皮棉纖維經(jīng)過給棉板與給棉羅拉的配合面和給棉板與鋸齒輥筒的配合面時，相互之間很容易產(chǎn)生滑動摩擦而損傷纖維，更重要是皮棉纖維經(jīng)過上述兩配合面的相貫的刀尖時，容易被刀尖刮擦而損傷纖維，增加棉纖維疵點，降低纖維強度，增加了短絨含量。

3.產(chǎn)量低，易塞車。

傳統(tǒng)型皮棉清理機給棉羅拉與給棉板間隙小（0.15～0.3 mm），給棉羅拉與給棉板對皮棉纖維的夾持作用好，當鋸齒鉤拉皮棉纖維時，皮棉纖維能得到充分的分解梳理。但壓力過大，間隙過小，而清理皮棉量突然增大時，皮棉在此易受阻，不能順利通過，并造成機件損壞；反之，給棉羅拉壓力小且給棉羅拉與給棉板的間隙大，則給棉羅拉與給棉板對皮棉纖維的夾持作用差，鋸齒鉤拉纖維會造成片狀或塊狀鉤取現(xiàn)象，使黏附在纖維中的雜質(zhì)難以清除，碰到除塵棒時，易排落纖維，造成衣分虧損。所以傳統(tǒng)機型的喂棉部分致使皮棉清理機產(chǎn)量低，不適應如今的機采棉所要求的大產(chǎn)量。

4.結構復雜，制造成本高。

傳統(tǒng)機型的給棉部分為了防止機械碰撞產(chǎn)生火花引起火災。給棉板及牽伸溝槽羅拉都用鋁合金，近年來鋁價飆升，給棉機制造企業(yè)增加了成本。給棉板的位置及功能決定了它的形狀復雜、公差要求極嚴格，如圓弧面輪廓度不大于0.2 mm，刀尖直線度不大于0.2 mm，圓弧面的粗糙度為Ra1.6。鋁材料金屬機械加工性能不好，在加工中要用特殊的工藝、專用的刀具、加工工序多、耗費工時大，這些無疑都增加了成本。由于鋁合金的強度、剛性與目前常用鋼（Q235-A,45）相比還是有差距，因此給棉板需要有鋼支架的強力支撐才能使用，即使這樣給棉板在生產(chǎn)中也屢發(fā)斷裂的事故。

5.調(diào)整復雜、操作困難。

給棉部分的隔距要求嚴格，機械構件多，不易于調(diào)整。調(diào)整不到位會產(chǎn)生3個不好的結果：1.造成機械構件的的損傷、報廢，甚至釀成機械事故。2.清理質(zhì)量達不到要求。3.產(chǎn)量達不到，頻繁堵車，造成窩工。給棉部分的隔距要隨著設備的使用情況，如：加工量、使用年限、構件的磨損變形程度等做相應的調(diào)整，技術要求高，一般的操作工、維修工完成不了。

當隔距、給棉羅拉的壓力都調(diào)得很好時，受系統(tǒng)不穩(wěn)定或管道掛花的影響也會引起塞車，每次塞車都需兩三個工人去掏花。若情況嚴重的，工人們甚至會用管鉗卡住給棉羅拉的軸頭，強力反轉，這樣既損傷了給棉羅拉，又因為塞車造成了給棉羅拉或給棉板的變形甚至損壞，使隔距也發(fā)生了變化。

二、現(xiàn)有市場上的一些改進機型與傳統(tǒng)機型的對比及分析

鑒于傳統(tǒng)機型的給棉部分存在上述諸多結構缺陷，近年來，國內(nèi)一些棉機企業(yè)針對皮棉清理機針的棉部分進行了改進設計。典型的機型主要有以下兩種。

（一）不含給棉板型

1.不含給棉板，兩根羅拉兩端固定。

圖3 兩羅拉固定型的被動側

圖4 兩羅拉固定型的主傳動側

2.不含給棉板，羅拉一根兩端固定，一根有彈性緩沖。

圖5 彈性緩沖型的被動側

圖6 彈性緩沖型的主傳動側

（二）改進型皮棉清理機結構原理

圖7 新型皮棉清理機結構原理示意圖

圖7所示是目前軋花廠使用的改進型皮棉清理機結構原理示意圖。棉層2被壓棉羅拉3和剝棉羅拉8聯(lián)合作用從塵籠1上剝下，夾持直接喂給刺輥4，刺輥4抓取棉層2高速甩向除雜刀5，在離心力的作用下完成清理除雜的功能。

從圖7與圖2結構對比可看出：相對于傳統(tǒng)的皮清機，改進型皮棉清理機不含給棉板及一對牽伸羅拉，結構更簡單緊湊、易于調(diào)整、制造成本也大大降低。而新型皮清機的清理系統(tǒng)（圖7）與傳統(tǒng)型（圖2）是一樣的，即新型皮清機的清理系統(tǒng)沿用了老的清理系統(tǒng)。

（三）改進型皮棉清理機的使用特點

相對于傳統(tǒng)的皮清機，改進型皮棉清理機在使用中展現(xiàn)了一些優(yōu)勢：產(chǎn)量遠高于傳統(tǒng)機型，結構簡單，易于調(diào)整，不易堵車。由于刺輥對喂給的皮棉握持力低，因此皮棉的摩擦力小致使皮棉含雜率高于含給棉板的皮棉清理機。為了達到較高的排雜率，新型皮棉清理機的刺輥轉速都在千轉以上，以增加離心力將質(zhì)量較輕的塵雜從皮棉纖維上甩出。改進型皮棉清理機給棉輥是將皮棉壓向刺輥的。含給棉板的傳統(tǒng)機型，刺輥把棉纖維從給棉板和給棉羅拉的夾持下，強力將皮棉“拽”出“鉗口”，所以傳統(tǒng)皮清機的刺輥對棉纖維分梳力度大，能將纖維充分拉直，使雜質(zhì)暴露，更容易出去。同時棉纖維與給棉板的強力摩擦也具有“絲光效應”，使清后的皮棉棉形順暢、色澤豐盈。改進型皮棉清理機刺輥對皮棉纖維的抓取不牢，在大的離心力作用下，當遇到外力（除雜刀）時易脫離刺輥，造成不孕籽含棉量高。綜上所述，傳統(tǒng)含給棉板型與改進型無給棉板機型的關鍵技術區(qū)別：一種是強力分梳，一種是非強力分梳。強力分梳造成了傳統(tǒng)機型除雜率高、棉形光潔順暢，但因刺輥的強力鉤拉使纖維受損傷，長度變短，經(jīng)過兩臺皮清機后纖維長度變得更短。改進機型是非強力分梳，對棉纖維長度損傷較小，但其它指標沒有傳統(tǒng)機型高。

由于傳統(tǒng)型與改進型皮棉清理機各有優(yōu)、缺點，因此在配置機采棉生產(chǎn)線時，棉機生產(chǎn)廠家一般都采取1臺軋花機后配2臺皮棉清理機，配的頭道皮清是不含給棉板的，二道皮清是傳統(tǒng)的帶給棉板的。這樣的配置雖然阻礙了改進型皮清機在產(chǎn)量及不易堵車方面優(yōu)勢的發(fā)揮，但是也從一定程度上彌補了改進型皮清機在皮棉含雜、不孕籽含棉率高、梳理不完全方面的劣勢。

三、皮棉清理機清理單元的創(chuàng)新設計

隨著科技不斷進步，棉花加工設備的性能也將得到不斷地提升。經(jīng)過綜合分析，筆者認為目前的趨勢已很明顯：即皮棉清理機無給棉板的形式必將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有給棉板的形式，但完全代替的條件是新型機除兼具自身優(yōu)勢外，還要囊括傳統(tǒng)機型的優(yōu)勢。

（一）初步設計思路及方案

新型皮棉清理機除滿足對皮棉的基本清理需求外，還應該具備以下主要特點：①對纖維強力及長度只有很小的損傷，皮棉纖維損耗率不大于0.8%；②清雜率不小于40%并且可控；③產(chǎn)量高，能跟上任何同時代高產(chǎn)軋花機；④不孕籽含棉率低、損失衣分少，符合國家標準。⑤梳理后外觀形態(tài)好，棉形順暢、光潔，目測感官好。⑥不堵車或很少堵車（一個班次少于1次）。⑦智能化、操作安全簡單，容易維護。⑧制造成本低、性能穩(wěn)定可靠。

筆者認為目前市場上無給棉板形式的給棉結構具有一定的優(yōu)點，即它的結構完全或基本滿足了第①、③、⑥、⑦、⑧條。然而第②、④、⑤條是它的弱項，這3條是衡量新型皮棉清理機性能的關鍵指標。筆者從這3條入手，兼顧其它5條來闡述設計思路。

要想使無給棉板形式的皮清機成為“全優(yōu)”型而徹底淘汰傳統(tǒng)型的皮清機，必須對現(xiàn)有無給棉板的皮清機進行持續(xù)的改進?，F(xiàn)有無給棉板的皮清機在給棉部分的設計經(jīng)過近幾年的實踐證明還是很成功的，若持續(xù)改進，使整機性能進一步提高，筆者認為需從清理單元著手，即對皮棉清理機清理單元進行創(chuàng)新設計。

圖8 無給棉型的清理單元設計示意圖

工作原理如圖8所示：棉層2被壓棉羅拉3和剝棉羅拉11聯(lián)合作用從塵籠1上剝下，夾持直接喂給刺輥10。刺輥10順時針傾斜的齒條抓取棉層2高速順時針轉動，轉動時遇到由分梳刺輥4和毛刷輥5組成的第一分梳點。分梳刺輥4包纏有逆時針傾斜一定角度的齒條，齒條密度稍大于刺輥10的齒條密度。當分梳刺輥4逆時針轉動且表面線速度小于刺輥10的表面線速度時，棉層2在兩刺輥的速差及齒條作用下被分梳。由于刺輥10的齒條角度與分梳刺輥4的齒條角度呈“交叉”配置，且線速度更大，在第一分梳點分梳后又被刺輥10的齒條拉走。分梳刺輥4將棉層2擠向刺輥10并用兩輥的齒條將棉層分梳得更均勻細致，在拉伸時拉直纖維使纖維趨向于單根纖維，充分曝露雜質(zhì)。刺輥10帶著經(jīng)初步分梳的棉層通過第一梳棉點后轉向除雜刀7，初步分梳的棉纖維充分被拉直使雜質(zhì)曝露無余，在與多把除雜刀7的作用下，離心力的作用很容易將雜質(zhì)6甩離棉纖維表面。刺輥10帶著初步分梳除雜后的棉層繼續(xù)順時針轉動來到第二分梳點，重復第一分梳點的功能，進行更為細致的分梳和除雜。毛刷輥5起輔助作用，它的毛刷深入分梳刺輥4的齒條并轉動，隨時清理分梳刺輥4齒條內(nèi)嵌入的不孕籽及其它雜質(zhì)，時刻保持齒條處于清潔、鋒利的工作狀態(tài)。除雜刀7下的附棉板8起到了附棉的作用，即壓附棉層貼在刺輥齒條上防止其脫離刺輥產(chǎn)生排“白棉”現(xiàn)象。

（二）設計特點

1.使用了兩次分梳排雜的結構。

在新的清理單元設計中，筆者結合了棉紡梳棉技術，使用了2個分梳點、4個排雜點的形式。

2.排雜量大且可在線控制。

傳統(tǒng)的皮清機刺輥齒條對棉層抓取不牢，棉層的厚薄不均致使排雜不均，較厚時易出現(xiàn)排“白棉”現(xiàn)象，損失了衣分。突然的大棉塊會對除雜刀及刺輥造成沖擊，甚至產(chǎn)生事故。創(chuàng)新設計的皮棉清理機可使棉層被分梳得更均勻細致，充分曝露雜質(zhì)，排雜量大且可控。

在傳統(tǒng)機型的清理單元中，雖然可通過調(diào)整除雜刀到刺輥面的隔距來部分控制除雜量，但是因調(diào)節(jié)量小，完成這個功能是不現(xiàn)實的，特別是在線調(diào)節(jié)是不可能的。

采用分梳排雜的結構使排雜量、棉纖維衣分的損失、棉纖維長度的損耗可以人工綜合控制。分梳刺輥4由變頻電機帶動，分梳刺輥4與刺輥10轉向相對，當分梳刺輥4的線速度等于刺輥10的線速度時，分梳點不起分梳作用，只是將棉層壓向刺輥10的表面，這時排雜量最小，棉纖維長度損傷也最小。當分梳刺輥4的線速度逐漸降低，與刺輥10的速差增加時，分梳作用越明顯，排雜量也就越大，同時會增加對棉纖維的損傷。由于梳刺輥4由變頻電機帶動，很容易人工在線控制其轉速，通過控制其分梳力度而獲得綜合指標較高的皮棉。

兩次分梳點的隔距不一樣，第一分梳點的隔距要大于第二分梳點，符合逐步細化清理的原則。調(diào)整隔距可以控制皮棉質(zhì)量，兩個分梳刺輥的速度也可以不一樣，在應用中可根據(jù)實驗找到最佳值。

3.提高了棉纖維的觀感。

本結構有穩(wěn)定的分梳力，在刺輥拉直纖維的同時，纖維與齒條、纖維之間的摩擦力作用對纖維產(chǎn)生了“絲光”的效果，使棉形順暢及色澤豐盈。

4.提高整機的安全性。

無給棉板的清理機因刺輥齒條沒有充分拉直纖維，雜質(zhì)不易曝露而難以排出，廠家為了追求排雜率而猛提刺輥轉速。加大離心力排雜的同時也加大了排白棉的尷尬，同時高速旋轉的刺輥給制造增加了難度，更給使用者帶來了安全隱患。

采用二次分梳排雜結構的清理機刺輥無需太高轉速，估算其轉速和傳統(tǒng)機型的刺輥一致即可，這樣可以提高整機的安全性。

5.降低投資和使用成本。

經(jīng)模擬測算，采用二次分梳排雜結構的單臺皮清機，1臺的排雜量大于等于2臺傳統(tǒng)機型的組合，或大于等于1臺傳統(tǒng)加1臺無給棉板機型的組合。所以在機采棉生產(chǎn)線中只需配置1臺，既節(jié)省了投資方的設備投資，占地也少，使用中在風機等的電能消耗上也遠小于兩臺的配置，節(jié)約了運行成本。

機采棉生產(chǎn)線中使用一臺本機可以避免第二次皮清對棉纖維的急劇磨損。

在手摘棉生產(chǎn)線中配置二次分梳排雜結構的單臺皮清機時，需相應調(diào)大二次分梳的隔距，適當提高分梳刺輥的速度。這樣不會出現(xiàn)對皮棉進行過度排雜而損傷纖維的情況。

四、結語

綜上所述，在棉紡行業(yè)對皮棉品質(zhì)日益重視的今天，作為原料供應方，棉花加工行業(yè)也應汲取棉紡行業(yè)的先進理念，做用戶之所需產(chǎn)品，只有努力在源頭把好皮棉的品質(zhì)關，這樣才能達到事半功倍的效果。采用二次分梳排雜結構的皮棉清理機的設計符合目前下游客戶要求，有巨大的市場需求空間。