棉花收獲機(jī)籽棉輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

〔山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司研發(fā)中心，山東濟(jì)南250032〕

目前，天鵝4MZ-3A型棉花收獲機(jī)的籽棉輸送系統(tǒng)采用的是稀釋流懸浮輸送方式，即以低真空吸送式為主，高壓壓送式為輔的混合輸送方式。

一、氣力輸送系統(tǒng)原理

這種輸送方式結(jié)合了兩種輸送方式各自的優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)的正壓作用下，將采摘臺落棉區(qū)散落的籽棉壓送到各個(gè)進(jìn)料口，然后在風(fēng)機(jī)的負(fù)壓作用下，以低真空吸送的方式，將籽棉送入輸送管道b在經(jīng)過管道內(nèi)的送風(fēng)口后，管道內(nèi)的氣壓輸送由負(fù)壓轉(zhuǎn)換到正壓，最后籽棉被送到集棉箱。如圖1所示。

圖1 氣力輸送系統(tǒng)原理

低真空吸送為主的輸送系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)在于，即使進(jìn)料口管道不嚴(yán)密，也能有效減少棉絮等在管道中的溢出，提高輸送質(zhì)量。

二、氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)確定

（一）含雜籽棉輸送量G物

1.4MZ-3A棉花收獲機(jī)正常采收作業(yè)速度v=5 km/h，則其作業(yè)效率p=210s/667m2。

2.高產(chǎn)棉田的棉花產(chǎn)量約m=450kg/667m2。

3.單位時(shí)間輸送籽棉質(zhì)量方程式為：

式中λ為含雜修正系數(shù)，取1.25，

理論單位時(shí)間輸棉體積：

式中：Vm—單位質(zhì)量棉花所占體積，約0.027m3/kg；

Vu—單位時(shí)間內(nèi)理論輸送籽棉體積。

考慮到棉花開放程度、種植方式及棉花收獲機(jī)速度變化等情況，使用采摘系數(shù)（1.5～2.0）取單位時(shí)間輸棉體積：V=2Vu=2×0.058≈0.11m3

（二）籽棉輸送混合比μ（即輸料管內(nèi)含雜籽棉與空氣量之比）

式中：G物—單位時(shí)間所輸送的含雜籽棉質(zhì)量（kg/s）；

G氣—單位時(shí)間內(nèi)通過輸料管的空氣質(zhì)量（kg/s）。

輸送一定量的物料所需空氣與輸送混合比μ成反比。μ值大，所需的空氣少，則消耗的動力也減少。

表1 混合比推薦值

（三）輸送風(fēng)量Qa

式中：ρ—空氣密度取1.29kg/m3，

Qa—輸送風(fēng)量，m3/s。

（四）輸送風(fēng)速v

輸送籽棉時(shí)，輸送風(fēng)速v要比籽棉的懸浮臨界速度v1大，才能使籽棉被輸送，參照表2，考慮到輸送過程中，籽棉的濕度、成熟度、籽棉與管壁之間的摩擦、黏附，以及彎道處的壓降等問題，取v1的補(bǔ)充系數(shù)為1.3，輸送速度為懸浮臨界速度的1.8倍～2.0倍。

確定輸送風(fēng)速v=1.3×v1×2=1.3×7.0×2=18.2（m/s）

表2 棉花懸浮臨界速度

三、輸送管道尺寸的確定

（一）本系統(tǒng)為中壓輸送，送風(fēng)管道為內(nèi)壁光滑的橡膠軟管，直徑160 mm。

（二）為了棉花的有效輸送，管道采用內(nèi)壁光滑的白鐵皮并避免直角彎道。

（三）輸送高度和長度：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)嵘叨菻=4.7 m，輸送長度L=1.95 m，彎頭數(shù)量為2，轉(zhuǎn)變角度為60°，彎曲半徑為200 mm。

（四）根據(jù)輸送風(fēng)速、風(fēng)量、輸棉體積來確定輸送管道截面尺寸應(yīng)不小于：

本棉花收獲機(jī)有3個(gè)進(jìn)料口，則每個(gè)進(jìn)料口截面尺寸應(yīng)不小于：

本棉花收獲機(jī)進(jìn)料口尺寸為0.28×0.217≈0.06 m2符合要求。

根據(jù)管道截面尺寸和從實(shí)驗(yàn)室確定的數(shù)據(jù)或從曲線圖表查得的阻力系數(shù)K，就可以進(jìn)一步計(jì)算空氣總壓力，它是由全部設(shè)備阻力和用空氣與物料混合的條件以伯努利方程式得出，適用于各種類型的輸送方式和設(shè)備。

四、離心式風(fēng)機(jī)的選用和參數(shù)校核

（一）離心式風(fēng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.葉輪外徑D；

2.葉輪寬度 b；

3.葉輪出口角β。

葉輪按葉片出口角的不同可以分為三種：

（1）前向式—葉片彎曲方向與旋轉(zhuǎn)方向相同，β1＞90°（90°～160°），如圖2所示。

圖2 β1＞90°葉輪

（2）后向式—葉片彎曲方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，β2＜90°（20°～70°），如圖3所示。

（3）徑向式—葉片出口沿徑向安裝，β3=90°，如圖4所示。

圖3 β2＜90°葉輪

圖4 β3＝90°葉輪

（二）離心式風(fēng)機(jī)的葉輪特點(diǎn)

前向式葉輪的特點(diǎn)是葉片形狀與空氣在離心力作用下的運(yùn)動方向完全相反，由于空氣與葉片之間的撞擊劇烈，因此能量損失和噪音都較大，故效率就低。

后向式葉輪葉片的彎曲度較小，而且符合氣體在離心力作用下的運(yùn)動方向，由于空氣與葉片之間的撞擊很小，因此能量損失和噪音較小，效率較高。為此在現(xiàn)代生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)中，特別是功率大的風(fēng)機(jī)多數(shù)用后向式。

徑向式出口葉片在我國已不常用，在某些要求耐磨耐腐蝕的風(fēng)機(jī)中，常用徑向出口直葉片。

本棉花收獲機(jī)離心式高壓風(fēng)機(jī)功率大、效率高，采用的就是后向式葉輪。

（三）風(fēng)機(jī)傳動方式的設(shè)計(jì)

本棉花收獲機(jī)的風(fēng)機(jī)傳動選用V型帶傳動，因?yàn)閹鲃拥膫鲃颖鹊姆秶螅鳹型帶的工作接觸面和帶輪的工作接觸面充分接觸，產(chǎn)生較大的摩擦力，有效地提高風(fēng)機(jī)的性能。

1.確定計(jì)算功率Pca。

風(fēng)機(jī)驅(qū)動馬達(dá)功率P=16 kW，轉(zhuǎn)速2 200 r/min，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速n1=4 000 r/min

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查的工作情況系數(shù)Ka=1.2，故Pca=Ka·P=1.2×16=19.2 kW

2.選擇V帶的帶型。

根據(jù)Pca、n1查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選用B型。

3.確定帶輪的基準(zhǔn)直徑d1，并驗(yàn)算帶速v。

（1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑d11，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，取其基準(zhǔn)直徑d11=125 mm。

（2）驗(yàn)算帶速v：

因?yàn)? m/s＜v＜30 m/s，所以帶速合適。

4.計(jì)算大帶輪的基準(zhǔn)直徑。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，圓整為250 mm。

5.確定V帶的中心距a和基準(zhǔn)長度Ld。

（1）根據(jù)公式0.7（d11+d12）≤2（d11+d12）

初定中心距a0=500 mm

（2）由公式計(jì)算所需的基準(zhǔn)長度

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選B型帶的基準(zhǔn)帶長Ld=1 600 mm

（3）按公式計(jì)算實(shí)際中心距a

中心距的變化范圍為476 mm～548 mm。

6.驗(yàn)證小帶輪上的包角α1。

7.計(jì)算帶的根數(shù)z。

（1）計(jì)算單根V帶的額定功率Pr

由d11=1 125 mm和n1=4 000 r/min，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得P0=5.76 kW

根據(jù)n1=4 000 r/min，傳動比i=2，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得：

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，Kα=0.96，KL=0.92，于是

（2）計(jì)算V帶的根數(shù)z。

計(jì)算結(jié)果取4根。

8.計(jì)算單根V帶的初拉力的最小值F0min

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊得B型帶的單位長度質(zhì)量q=0.18 kg/m，所以

應(yīng)使帶的實(shí)際初拉力F0＞F0min。

9.計(jì)算壓軸力 Fp。

壓軸力的最小值為

（四）帶傳動的動力參數(shù)計(jì)算

（五）帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)已經(jīng)確定好的帶輪的基準(zhǔn)直徑和轉(zhuǎn)速來確定材料、形式；通過查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊來確定輪槽、輪輻和輪轂的尺寸、粗糙度和其他技術(shù)要求。

（六）選好風(fēng)機(jī)型號及帶輪、V型帶后，測得本棉花收獲機(jī)采用的風(fēng)機(jī)主要參數(shù)

工作轉(zhuǎn)速為4 100 r/min；

風(fēng)機(jī)功率≤16 kW；

出口風(fēng)速 V1≥81 m/s；

應(yīng)用風(fēng)速（輸棉管道出口風(fēng)速）V2≥25 m/s；

出口靜壓為12.7 mm H2O；

出口全壓為416 mm H2O；

風(fēng)量Q為3.83 m3/s；

近距離噪聲102 db。

（七）選用風(fēng)機(jī)及設(shè)計(jì)的管道的參數(shù)驗(yàn)證

輸棉管道風(fēng)速與輸送風(fēng)速比較：V2＞v，滿足輸送要求。

風(fēng)機(jī)出風(fēng)量Q＞Qa，滿足輸送要求。

五、料氣分離與除雜

本設(shè)備的料器分離主要使用格條柵和網(wǎng)孔板將棉花與風(fēng)及雜質(zhì)進(jìn)行分離，其中格條柵兼具導(dǎo)流作用，將棉花導(dǎo)入棉箱后側(cè)，而不至于貼在棉箱頂部，如圖5所示。

圖5 料氣分離與除雜示意圖

實(shí)驗(yàn)證明，網(wǎng)孔板網(wǎng)孔大小對機(jī)采棉的含雜率和后續(xù)機(jī)采棉加工有重要影響。網(wǎng)孔直徑在10 mm～20 mm時(shí)，對塵土、細(xì)雜等的排除效果最好。

六、結(jié)論

本文對本型號的棉花收獲機(jī)采用的籽棉輸送系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)選擇、管道設(shè)計(jì)、料氣分離設(shè)計(jì)等都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過試驗(yàn)，其輸送效果優(yōu)良，能較好地達(dá)到輸送籽棉的要求?！?/p>