提凈式鈴殼清理機(jī)清雜機(jī)理分析

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〔北京中棉工程技術(shù)有限公司，北京100052〕

一、清花機(jī)與提凈機(jī)

（一）清花機(jī)

清花機(jī)是一個(gè)廣義概念，是指清理籽棉中雜質(zhì)的一系列設(shè)備的統(tǒng)稱，即籽棉清理機(jī)。其中的典型代表就是刺釘輥筒與圓弧隔條柵組成的多輥筒式清花機(jī)，其基本功能是對籽棉進(jìn)行開松、清理棉瓣表面附著的葉屑、泥沙等細(xì)小雜質(zhì)。這種清花機(jī)基本可以滿足手摘棉的清理要求。如圖1所示。

（二）提凈機(jī)

提凈機(jī)是清花機(jī)中的系列產(chǎn)品之一，主要有兩種，一是利用高速旋轉(zhuǎn)的鋸齒輥筒（U型齒條輥筒）的拋擲作用通過慣性離心力將籽棉中的棉鈴、棉殼、棉稈、僵瓣等雜質(zhì)進(jìn)行分離，即拋擲式剝鈴機(jī)；二是擦拭式提凈機(jī)，利用鋼絲刷的擦拭抖動(dòng)結(jié)合慣性離心力的作用，使高速旋轉(zhuǎn)的鋸齒輥筒（U型齒條輥筒）上的籽棉與雜質(zhì)分離，也稱為提凈式籽棉清理機(jī)、鋸齒輥筒式籽棉清理機(jī)，包括提凈式喂花機(jī)、除鈴殼機(jī)、除棉稈機(jī)綠葉機(jī)、清鈴機(jī)等，是隨著機(jī)采棉的發(fā)展而研制的特種配套設(shè)備。如圖2所示。為了適應(yīng)機(jī)采棉清理要求又研制了刺釘輥筒與齒條輥筒兩者相結(jié)合的多功能籽棉清理機(jī)，例如傾斜回收式籽棉清理機(jī)。

圖1 傾斜式籽棉清理機(jī)

圖2 提凈式籽棉清理機(jī)

二、提凈式籽棉清理機(jī)的工作原理

目前，國內(nèi)外機(jī)采棉生產(chǎn)線必配的鈴殼稈清理設(shè)備，主流產(chǎn)品是提凈式籽棉清理機(jī)或清鈴機(jī)。其結(jié)構(gòu)原理大同小異，由喂花輥、開松輥、齒條輥、鋼絲刷、除塵棒或隔條柵、刷棉輥等構(gòu)成。整機(jī)一般分為兩大單元，上部為清鈴殼單元，下部為清棉稈單元，兩者互相關(guān)聯(lián)，并設(shè)有回收輥對齒條輥分離雜質(zhì)時(shí)夾帶的單粒籽棉做進(jìn)一步提凈（回收），形成了多通道多級清理和多級回收模式。提凈式籽棉清理機(jī)是對美國20世紀(jì)八九十年代技術(shù)的引進(jìn)、吸收和發(fā)展，主要有單拋擲鋸?fù)彩胶碗p拋擲鋸?fù)彩?，兩者都具備鋼絲刷、U形齒條輥、回收輥，其實(shí)質(zhì)都屬于擦拭式提凈原理。下面結(jié)合（圖3、圖4）談?wù)劵竟ぷ髟怼?/p>

圖3 單拋擲鋸?fù)彩匠薅挋C(jī)

圖4 雙拋擲鋸?fù)彩匠薅挋C(jī)

籽棉通過喂花輥、開松輥、淌棉道均勻地下落到高速旋轉(zhuǎn)的U形齒條輥表面，隨著齒條輥的轉(zhuǎn)動(dòng)到固定的鋼絲刷位置時(shí)，由于鋼絲刷具有一定的彈性，受阻滯的籽棉被鋼絲刷抹壓在鋸齒上，使籽棉形成較薄的棉層被鋸齒穩(wěn)穩(wěn)的鉤住。同時(shí)，刷條的端部深入棉層內(nèi)進(jìn)行擦拭和梳理，其變形過程阻擋并撥落棉鈴、棉殼、棉稈、僵瓣等大顆粒雜質(zhì)。剩下的棉葉、泥沙、不孕籽、小花頭等小顆粒雜質(zhì)受到慣性離心力的作用和除塵棒隔條柵的撞擊作用被分離，靠重力排落后經(jīng)排雜絞龍排出機(jī)外。上部的齒條輥起主要分離作用，下部的齒條輥對上部齒條輥排落的雜質(zhì)中含有的少量籽棉起提凈回收作用，即進(jìn)一步分離殘余雜質(zhì)，兩個(gè)齒條輥之間的刷棉輥將兩個(gè)鋸齒上的干凈籽棉沿齒尖方向刷下來落入籽棉通道后可進(jìn)入下道工序或也可選擇進(jìn)入二級提凈單元后再進(jìn)入下道工序。為了提高清雜效率，減少落棉損失，增加了除塵棒或隔條柵的數(shù)量，不僅可以排雜，而且可以起到托持籽棉運(yùn)動(dòng)的作用，使U形齒條輥在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)既能提高清雜效率又能減少落棉損失。

三、雜質(zhì)分離的機(jī)理分析

（一）向心力與離心力的關(guān)系

從提凈式鈴殼清理機(jī)工作原理可以看出，排雜過程分三個(gè)部分，一是固定的鋼絲刷的剝離，二是齒條輥的拋擲，三是除塵棒或隔條柵的篩選。其中最關(guān)鍵的是齒條輥的高速運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的慣性離心力的分離作用。那么影響分離效果的因素有哪些呢？根據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)的向心力和離心力原理分析，籽棉中的鈴殼等雜質(zhì)是被棉纖維包裹或纏繞后鉤在鋸齒上的，這種結(jié)合力束縛著雜質(zhì)隨齒條輥?zhàn)鰣A周運(yùn)動(dòng)。相當(dāng)于一個(gè)小球被一根繩子拴住后圍繞一個(gè)中心點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，繩子拉著小球產(chǎn)生了拉力，繩子受到的拉力就是向心力，而小球總是試圖脫離繩子的束縛便產(chǎn)生了向外的拉力使繩子被拉緊，這就是慣性力，其實(shí)慣性離心力是一種假想力，一旦停止運(yùn)轉(zhuǎn)或繩子斷開，離心力和向心力就都不復(fù)存在了。只有向心力才是真正的力，是可以通過測量得到的，所以在本議題中鋸齒對棉纖維鉤拉和雜質(zhì)與纖維之間的摩擦力就如同拉緊的“繩子”，雜質(zhì)就相當(dāng)于“小球”，向外甩出的力恰好等于向心力，大小相等、方向相反，為此，可以按牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律來理解?？梢?，向心力和離心力的計(jì)算公式是一樣的，力的大小與雜質(zhì)的質(zhì)量、齒條輥的轉(zhuǎn)速、半徑有關(guān)，具體計(jì)算公式如下：

式中：m——質(zhì)量，kg；

v——速度，m/s；

r——離心運(yùn)動(dòng)半徑，m；

ω——旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

V——雜質(zhì)的體積；

ρ——雜質(zhì)的密度；

n——轉(zhuǎn)速，r/min。

（二）雜質(zhì)的分離因素

從上式中可知，慣性離心力的大小與雜質(zhì)的質(zhì)量或體積、密度、齒條輥的半徑成正比，與齒條輥的轉(zhuǎn)速或線速度的平方成正比，提高轉(zhuǎn)速比加大半徑更容易提高慣性離心力。雜質(zhì)體積越大或密度越高、齒條輥運(yùn)轉(zhuǎn)速度越快、輥筒半徑越大，則慣性離心力越大，雜質(zhì)越容易被分離，被分離出的雜質(zhì)沉降速度也會(huì)越快。齒條輥分離雜質(zhì)的工作原理與洗衣機(jī)的甩干過程相同，為了便于衡量齒條輥離心分離性能，一般計(jì)算輥筒的相對離心力（Fr），即在離心力場的作用下，雜質(zhì)所受離心力相當(dāng)于地球重力的倍數(shù)，單位是重力加速度（g=9.806 65 m/s2），也叫分離因素，即相對離心力，計(jì)算公式如下：

例如：當(dāng)齒條輥直徑406 mm，轉(zhuǎn)速340 r/min時(shí)，則分離因素：

顯然，轉(zhuǎn)速越高或旋轉(zhuǎn)半徑越大，此數(shù)值越大，分離雜質(zhì)的能力越強(qiáng)，但數(shù)值過大，特別是加大齒條輥半徑，齒條輥承受的應(yīng)力越大，對齒條輥本身、軸承、軸承座等機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求越高。據(jù)有關(guān)資料介紹，高分離因素的離心分離機(jī)械均采用高轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)鼓直徑，此時(shí)轉(zhuǎn)鼓的應(yīng)力較小。而做為籽棉清雜輥筒的分離因素值不宜過大，否則會(huì)加大排雜中的落棉量。分離因素值也可以理解成齒條輥的旋轉(zhuǎn)可使雜質(zhì)產(chǎn)生了26.24倍于雜質(zhì)自身重量的離心力，正是憑借圓周運(yùn)動(dòng)賦予的這種能量使雜質(zhì)脫離齒條輥。據(jù)美國棉花加工手冊介紹，提凈式籽棉清理機(jī)齒條輥運(yùn)轉(zhuǎn)的慣性離心力是雜質(zhì)自身重量的25倍～35倍。當(dāng)然被分離出來的雜質(zhì)能否順利到達(dá)指定位置，還涉及到雜質(zhì)沉降系數(shù)問題，因?yàn)殡s質(zhì)在沉降過程中，還要克服空氣的浮力及摩擦阻力。

（三）齒條輥的線速度

齒條輥的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，籽棉在被鋸齒的鉤拉過程中，盡管鋼絲刷對纖維沒有握持力，但高速運(yùn)轉(zhuǎn)的鋸齒要鉤拉籽棉難免會(huì)割斷少許纖維。大量的生產(chǎn)實(shí)踐證明，由于齒條輥線速度越高，對纖維的損傷越大，未被鋸齒直接鉤拉或鉤拉不緊的籽棉越容易脫落，落棉也會(huì)增多，因此，從保證纖維質(zhì)量的角度看，應(yīng)盡可能降低線速度。為了兼顧纖維質(zhì)量、雜質(zhì)分離性能、減少落棉損失，改進(jìn)型的提凈式鈴殼清理機(jī)將早期的除雜刀改成了除塵棒或隔條柵，再通過兩級齒條輥回收脫落到雜質(zhì)中的單粒籽棉，這樣既可以提高轉(zhuǎn)速又可以減少落棉損失。多年的技術(shù)研究表明，改成除塵棒或隔條柵后，齒條輥的線速度可由原來的3.0 m/s提高到5 m/s～10 m/s，提高了清雜效率，而回收輥的線速度應(yīng)控制在4.5 m/s以下。例如，主要拋擲齒條輥直徑406 mm，轉(zhuǎn)速340 r/min，則其線速度為7.23 m/s?；厥蛰佒睆?50 mm，轉(zhuǎn)速250 r/min，則其線速度為4.58 m/s。另外，為了刷凈齒條輥上的籽棉，刷棉輥的線速度應(yīng)是齒條輥線速度的1.5倍～2.0倍。

四、結(jié)論

綜上所述，決定提凈式鈴殼清理機(jī)雜質(zhì)分離能力的關(guān)鍵參數(shù)是U形齒條輥的角速度和旋轉(zhuǎn)半徑，重點(diǎn)研究U形齒條輥的最佳直徑與轉(zhuǎn)速，是保證纖維質(zhì)量、提高清雜效率、降低籽棉損耗的最有效途徑。