機(jī)采籽棉預(yù)處理清理單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

陳長林，石磊，孫勇飛，謝慶，孔凡婷，吳騰

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京210014）

自工業(yè)革命以來，棉花產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，新型的籽棉加工技術(shù)、加工設(shè)備不斷涌現(xiàn)，蘇聯(lián)、美國、德國等耗費(fèi)大量精力開展相關(guān)問題與理論的研究，所取得的成果極大地推動(dòng)了世界棉花加工、清理技術(shù)的發(fā)展。然而這些研究成果及設(shè)備大多是基于選收式機(jī)采籽棉，對(duì)含有大量枝稈的統(tǒng)收式機(jī)采籽棉清理技術(shù)僅有少量的研究[1]。 Francis 等[2]提出 1 種利用氣流對(duì)棉桃與籽棉進(jìn)行初級(jí)清理的機(jī)載清雜設(shè)備。 Akin 等設(shè)計(jì)了1 種具有可調(diào)節(jié)、預(yù)開松功能的清理裝置[3]。 Deutsch[4]提出1 種帶有單級(jí)清理輥與單級(jí)回收輥的機(jī)載籽棉清理設(shè)備。Sanderson 等[5]提出在輸棉管道末端增設(shè)空氣分流裝置，在籽棉進(jìn)入棉箱前對(duì)碎葉進(jìn)行清理。Patel 等[6]設(shè)計(jì)了1 種針對(duì)統(tǒng)收式機(jī)采籽棉的僵瓣清理裝置。 Wanjura 等[7-8]通過改變排雜棒的橫截面形式，測試清理機(jī)對(duì)清雜效果、籽棉損失以及棉纖維質(zhì)量的影響，并通過建立影響因素與含雜率及損失率的數(shù)學(xué)模型及響應(yīng)面的方法優(yōu)化清理裝置[9]。

籽棉的機(jī)械清理一般都是依靠清理輥、排雜棒與刷棉輥等組成的清理單元。現(xiàn)有統(tǒng)收式機(jī)采籽棉清理機(jī)構(gòu)多為采用雙級(jí)或多級(jí)清理單元的組合式結(jié)構(gòu)，由于機(jī)械化采摘特殊的工作環(huán)境，一直存在棉雜分離不清、籽棉損失大、功耗高、穩(wěn)定性差等問題。 近年來我國在籽棉清理機(jī)理，皮棉加工技術(shù)等方面取得了一些豐碩成果，但是在采棉機(jī)配套的機(jī)采籽棉清理的技術(shù)與試驗(yàn)研究方面，仍缺乏成熟的設(shè)計(jì)理論以及完善的試驗(yàn)方法。 因此，本研究著力對(duì)機(jī)采籽棉預(yù)處理清理作業(yè)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)組合優(yōu)化。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1 總體方案

統(tǒng)收式采棉機(jī)配套的機(jī)載棉纖維抑損高效清雜裝置結(jié)構(gòu)，如圖1 所示，是由3 組清理單元組成，實(shí)現(xiàn)一次清理和2 次回收功能。從入棉口進(jìn)入的籽棉被壓刷均勻刷附在高速旋轉(zhuǎn)的鋸齒輥上，籽棉被鋸齒充分勾住的同時(shí)，裹夾纏繞在其中的鈴殼和枝干等雜質(zhì)也被暴露出來，在高速旋轉(zhuǎn)的過程中與排雜棒組件相互碰撞與籽棉分離，分離后的籽棉被毛刷輥從鋸齒輥上刷下進(jìn)入輸棉通道，在風(fēng)力的作用下進(jìn)入棉箱，雜質(zhì)及少量未被鋸齒輥勾住的籽棉進(jìn)入到后續(xù)的清理單元進(jìn)行籽棉的二次回收，雜質(zhì)則被直接排出到田間。

1.2 籽棉清理單元試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

圖1 機(jī)載預(yù)處理裝置示意圖

分析本裝置作業(yè)機(jī)理后，采用“總- 分- 總”的研究方法，簡化本機(jī)構(gòu)，研究優(yōu)化清理作業(yè)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，從而提升本裝置的總體清理性能。 設(shè)計(jì)的籽棉清理單元試驗(yàn)臺(tái)，其主要結(jié)構(gòu)如圖2 所示，是由喂入系統(tǒng)、清理系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、回收系統(tǒng)等組成。 物料集中從料斗進(jìn)入，經(jīng)喂料輥均勻喂入清理單元，在壓刷的排擠下，籽棉被緊貼于鋸齒輥的表面，鋸齒輥的表面鋸齒勾帶籽棉運(yùn)行到毛刷輥的作用范圍，線速度更高的毛刷將籽棉刷離鋸齒表面，進(jìn)入集棉箱；籽棉中混有的雜質(zhì)，在鋸齒輥的離心力作用與排雜棒阻擊作用下，從排雜棒的間隙中排出，進(jìn)入集雜箱。

圖2 籽棉清理單元試驗(yàn)臺(tái)

2 試驗(yàn)條件與方法

2.1 試驗(yàn)條件

2.1.1試驗(yàn)棉花喂入量設(shè)計(jì)。 新疆棉花種植平均666.7 m2產(chǎn)籽棉 400 kg （以 Q 值表示，Q＝400 kg/（667.7 m2），棉花機(jī)械化采收地是新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師34 團(tuán)棉田，采用4MZ-3 型刷輥式采棉機(jī)[10]（配套動(dòng)力 110 kW，作業(yè)行數(shù) 3 行，整機(jī)質(zhì)量7.8 t，本機(jī)型是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的采棉機(jī)）實(shí)施機(jī)械化采摘作業(yè)，行進(jìn)速度 2.8 km·h－1（以 V 表示，V＝0.778 m·s－1），采摘幅寬（B）為（0.76×3）m，測算棉花進(jìn)入預(yù)處理單元前的籽棉喂入量（以W 表示）。

喂入量 W＝BVQ≈1 kg·s－1.

2.1.2試驗(yàn)棉花混合物的成分。 4MZ-3 型刷輥式采棉機(jī)機(jī)械化采收時(shí)，往往都會(huì)把籽棉、棉葉、鈴殼與少量短枝稈采收下來，一起進(jìn)入本研究的籽棉預(yù)處理單元，完成籽棉的初級(jí)清選工作。 分析初級(jí)清選前機(jī)采籽棉混合成分，各成分含量：籽棉75%，鈴殼20%，枝稈4%，棉葉1%。

2.2 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)裝備準(zhǔn)備好的條件下，進(jìn)一步明確試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)計(jì)。按照因素優(yōu)化設(shè)計(jì)法，提出四因素正交重復(fù)試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次測定籽棉的含雜率和損失率。

2.2.1因素優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)。籽棉清理作業(yè)質(zhì)量的影響因素往往重點(diǎn)考察4 個(gè)因子：鋸齒間距A、鋸齒輥直徑B、鋸齒輥轉(zhuǎn)速C、排雜棒間距D[9-11]。

鋸齒輥直徑：當(dāng)鋸齒輥直徑加大，轉(zhuǎn)速不變的條件下，其線速度增加；被鋸齒輥勾住的籽棉所受的離心力變大，雜質(zhì)與排雜棒碰撞時(shí)更容易與籽棉分離。 但其結(jié)構(gòu)大小往往受限于整機(jī)的空間。 在現(xiàn)行的棉花加工企業(yè)，通用籽棉加工的鋸齒輥直徑系列為 340 mm、420 mm、580 mm。 其中，直徑 580 mm及以上的鋸齒輥適用于大型清理加工廠。 因此，本研究選取籽棉清雜單元中鋸齒輥試驗(yàn)用的2 檔直徑，分別為 340 mm 和 420 mm（分別為 1、2 水平）。

鋸齒間距：U 型鋸齒條的軸向安裝最短距離。當(dāng)鋸齒間距加大時(shí)，對(duì)籽棉有效勾取效率減小，但對(duì)棉稈的夾持勾帶作用也減小，有利于排除枝稈類大雜物。 手采籽棉加工配套的U 形齒條安裝距為32 mm，其主要解決碎葉和少量鈴殼的清理。 而本研究是解決大部分鈴殼、碎葉和少量枝稈的清理，結(jié)合采棉機(jī)的設(shè)計(jì)空間與雜質(zhì)的形態(tài)特征，測定枝稈雜質(zhì)平均長度達(dá)到50 mm，因此U 形齒條安裝間距設(shè)為 32 mm、38 mm、44 mm、50 mm 4 個(gè)層次分組（分別為 1、2、3、4 水平）。

鋸齒輥轉(zhuǎn)速：當(dāng)鋸齒輥轉(zhuǎn)速加大，鋸齒輥直徑一定的條件下，其線速度增加；同樣，被鋸齒輥勾住的籽棉所受的離心力變大，雜質(zhì)與排雜棒碰撞時(shí)更容易與籽棉分離。但轉(zhuǎn)速的提高往往會(huì)帶來單粒籽棉數(shù)量的增多。 鋸齒輥與毛刷輥線速度比為1∶2.2～2.5[12-15]，測定鋸齒輥在轉(zhuǎn)速 380 r·min－1以上，清理后易形成單粒籽棉，棉纖維變短；因此，本研究對(duì)比鋸齒輥在 280 r·min－1、330 r·min－1（分別為 1、2 水平）轉(zhuǎn)速條件下的清理效果。

排雜棒間距： 排雜棒距離U 型鋸齒齒尖的最短距離。減小排雜棒間距，有利于提高排雜效率，但往往會(huì)增加排雜棒夾帶籽棉概率，增加籽棉損失。清理籽棉過程中，籽棉被勾取時(shí)，一般能以棉團(tuán)運(yùn)動(dòng)為最優(yōu)，其大小在10～20 mm。因此，設(shè)置排雜棒間距在 10 mm、20 mm（分別為 1、2 水平）[12-15]進(jìn)行研究。

2.2.2驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)。 根據(jù)上述因素優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整機(jī)采籽棉預(yù)處理清理作業(yè)單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)及其測定方法。 采用含雜率（Y）和損失率（X）評(píng)價(jià)效果。 含雜率：機(jī)采籽棉混合物進(jìn)入本清理單元完成清理作業(yè)后，新混合物中雜質(zhì)質(zhì)量占新混合物總質(zhì)量的百分比。

損失率：籽棉混合物進(jìn)入本清理單元完成清理作業(yè)后，清理出的雜質(zhì)中夾帶的籽棉質(zhì)量占喂入純籽棉質(zhì)量的百分比。

3 結(jié)果與分析

3.1 因素優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

測定各試驗(yàn)號(hào)的籽棉損失率與含雜率平均值見表1。

依據(jù)上述測定值，初步分析損失率及含雜率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化趨勢，如圖3 所示。

圖3 損失率及含雜率趨勢分析

由上述分析可知，試驗(yàn)測定的2 個(gè)指標(biāo)存在此消彼長的相互影響；從變化趨勢分析出，籽棉的含雜率降低1 百分點(diǎn)，籽棉損失率會(huì)增加2 百分點(diǎn)以上?，F(xiàn)有統(tǒng)收式采棉機(jī)的預(yù)處理裝置配有兩級(jí)籽棉回收單元，第一級(jí)回收七成籽棉，第二級(jí)回收三成籽棉。因此，設(shè)計(jì)單級(jí)處理試驗(yàn)，采納的權(quán)重為含雜率占70%，損失率占30%，考察綜合評(píng)分（Z）。 綜合評(píng) 分 計(jì) 算 公 式 ：Z ＝100－×30%－

表1 L8（4×24）下的籽棉損失率與含雜率測定結(jié)果

得到評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。 對(duì)比綜合評(píng)分值，試驗(yàn)號(hào) 3 最高。 所以，A2B1C1D2為最優(yōu)參數(shù)值。

表2 綜合評(píng)分結(jié)果

3.2 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

調(diào)整機(jī)采籽棉預(yù)處理清理作業(yè)單元的鋸齒間距為38 mm，鋸齒輥直徑為340 mm，排雜棒間隙為20 mm，鋸齒輥轉(zhuǎn)速為 280 r·min－1，喂入籽棉的含雜率 25%，喂入量為 1 kg·s－1。 一次清理試驗(yàn)后，測定籽棉的含雜率為8.91%，損失率7.15%；在一次清理基礎(chǔ)上，增加兩級(jí)回收后測定籽棉的含雜率為9.07%，總損失率 0.55%。 對(duì)比 NY/T 3214－2018《統(tǒng)收式棉花收獲機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》[16]中作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)中的參數(shù)值（含雜率≤11%，總損失率＜8%）可知，本試驗(yàn)達(dá)到了優(yōu)化清理單元參數(shù)的目的。

4 結(jié)論

按現(xiàn)有的3 行采棉機(jī)最大生產(chǎn)效率，以新疆棉區(qū)籽棉平均單產(chǎn)計(jì)，核算出籽棉預(yù)處理清理生產(chǎn)率約為 1 kg·s－1。

根據(jù)試驗(yàn)測定的損失率和含雜率存在此消彼長關(guān)系，且現(xiàn)有采棉機(jī)的預(yù)處理裝置中重點(diǎn)考查含雜率，其損失率可在后兩級(jí)回收中得到更好的解決。 因此，本試驗(yàn)采納權(quán)重為含雜率70%、損失率30%，進(jìn)行綜合評(píng)分。 綜合評(píng)分結(jié)果表明：鋸齒間距為38 mm，鋸齒輥直徑為340 mm，排雜棒間隙為20 mm，鋸齒輥轉(zhuǎn)速為 280 r·min－1，為預(yù)處理裝置最優(yōu)參數(shù)組合。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：一次清理后，籽棉的含雜率為8.91%，損失率為7.15%；增加兩級(jí)回收后籽棉的含雜率為9.07%，總損失率為0.55%，滿足NY/T 3214―2018《統(tǒng)收式棉花收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》。