新疆機(jī)采棉初加工研究的現(xiàn)狀及對策

曹吉強(qiáng) 程 璐 張純宇 袁少琦 徐 紅

（新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊，830046）

新疆是我國的優(yōu)質(zhì)棉花生產(chǎn)基地，1990 年后我國每年三分之一以上的棉花產(chǎn)自新疆；2019 年新疆棉花產(chǎn)量達(dá)500.2 萬噸，占全國84.9%。自1794 年3 月WHITNEY Eli 的軋花機(jī)專利提出至今，棉花初加工設(shè)備研發(fā)從機(jī)械化到智能化，纖維品質(zhì)從工藝優(yōu)化到工藝監(jiān)控，相關(guān)研究一直被眾專家關(guān)注，但結(jié)合新疆區(qū)位氣候特點與棉花加工實際方面的研究內(nèi)容較為鮮見［1-5］。在棉花初加工的多道工序中，軋花對纖維性能的影響較大，對后續(xù)紗線及織物產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用［6-8］。新疆機(jī)采棉在低溫環(huán)境下軋花加工，對棉纖維原生品質(zhì)的額外損傷直接影響著我國棉花行業(yè)在世界上的競爭力。隨著機(jī)采棉的迅速普及，這一問題愈加凸顯，近2 年雖有所改善，但并沒有解決根本問題。

本研究采用文獻(xiàn)分析法，借助中國知網(wǎng)（以下簡稱CNKI）以及Web of Science（以下簡稱WOS）對國內(nèi)外機(jī)采棉初加工相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析研究，結(jié)合近20 年新疆機(jī)采棉初加工現(xiàn)狀，從低溫環(huán)境角度發(fā)現(xiàn)新疆機(jī)采棉初加工存在的問題及相應(yīng)解決對策，為棉花初加工研究提供參考。

1 機(jī)采棉的初加工總體情況

在CNKI 中，選取“棉花加工”作為檢索關(guān)鍵詞，時間限制在2020 年以前（含2020 年），共計檢索出3 030 篇相關(guān)研究文獻(xiàn)，高級檢索中添加關(guān)鍵詞“機(jī)采棉”，時間限定為近20 年，篩選出了226篇相關(guān)研究文獻(xiàn)；在WOS 中，時間設(shè)定與CNKI中相同，以“cotton processing”為關(guān)鍵詞，共檢索出62 511 篇相關(guān)研究文獻(xiàn)，添加精煉檢索結(jié)果“machine-harvested cotton”或“machine pick-up cotton”或“cotton harvesting machine”，有相關(guān)文獻(xiàn)612 篇。

1.1 文獻(xiàn)量分析

通過檢索關(guān)鍵詞得到近20 年關(guān)于機(jī)采棉初加工的文章數(shù)據(jù)，對CNKI 檢索到的226 篇文獻(xiàn)和WOS 中的612 篇文獻(xiàn)進(jìn)行分析，統(tǒng)計每年文獻(xiàn)量分布，具體如圖1 所示。從圖1 可以看出，有關(guān)機(jī)采棉初加工的文獻(xiàn)數(shù)量隨時間大體呈上升趨勢，但近2 年有下降趨勢；從歷年整體數(shù)據(jù)看，該研究方向越來越不被社會各界重視。在國內(nèi)，相關(guān)研究在2013 年達(dá)到最多，有32 篇相關(guān)文獻(xiàn)；在國外，2017 年有70 篇相關(guān)文獻(xiàn)，近2 年也有所下降。WOS 以及CNKI 中的文獻(xiàn)類型有90%以上為期刊文章、專利和學(xué)位論文，少數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)、圖書和報紙等。

圖1 近20 年CNKI 和WOS 文獻(xiàn)量分布圖

1.2 研究方向分析

為了更為直觀地了解機(jī)采棉初加工各研究方向所占比例，表1 和表2 分別展現(xiàn)了國內(nèi)、國外各研究方向的占比。

由表1 和表2 可知，國內(nèi)排在前5 名的研究內(nèi)容依次為輕工業(yè)手工業(yè)（48.44%）、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)（16.80%）、農(nóng)業(yè)工程（16.80%）、農(nóng)作物（7.03%）和工業(yè)經(jīng)濟(jì)（5.86%）。其中，輕工業(yè)手工業(yè)占主體地位；細(xì)化研究主題發(fā)現(xiàn)，關(guān)于籽棉回潮率的相關(guān)文獻(xiàn)占比較大，這是棉花初加工中的重要組成部分；國外機(jī)采棉初加工各研究內(nèi)容占比排前5名的依次為農(nóng)業(yè)（30.22%）、設(shè)備儀器（26.90%）、工程技術(shù)（11.73%）、材料科學(xué)（6.36%）、化學(xué)（5.96%）?？梢钥闯觯瑖庋芯恐饕€是分布在農(nóng)業(yè)、設(shè)備儀器和工程技術(shù)等方向，其他還涉及材料科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。

表1 國內(nèi)機(jī)采棉初加工各研究內(nèi)容占比

表2 國外機(jī)采棉初加工各研究內(nèi)容占比

2 新疆機(jī)采棉初加工現(xiàn)狀

2.1 軋花原理與工藝

WHITNEY Eli 的軋花專利使棉花加工呈爆發(fā)式增長。鋸齒軋花機(jī)工作原理為：籽棉通過一個裝有系列鋸齒的裝置，通過篩網(wǎng)/柵欄軋花；由于篩網(wǎng)/柵欄隔距小，鋸齒將棉纖維從棉籽上鉤拉下來，并將棉纖維拖過網(wǎng)眼/柵欄，從而完成軋花過程。根據(jù)軋花機(jī)的工作原理，將軋花機(jī)分為皮輥軋花和鋸齒軋花［9］；皮輥軋花主要用于長絨棉軋花，對纖維性能的損傷較小；鋸齒軋花主要適用于細(xì)絨棉，其對棉纖維性能損傷較為嚴(yán)重，機(jī)采棉所使用的是鋸齒軋花機(jī)。目前軋花機(jī)也在不斷更新?lián)Q代，如近些年研發(fā)的新型雙鋸?fù)哺弋a(chǎn)軋花機(jī)（HSRG）［10］，與傳統(tǒng)軋花機(jī)相比，棉結(jié)含量與纖維長度指標(biāo)得到較大改善。

機(jī)采棉軋花加工基本工藝流程［11］：籽棉→重雜物、三絲清理→籽棉烘干→籽棉清理（二道）→籽棉烘干、籽棉調(diào)濕→籽棉清理（二道）→軋花→氣流式皮棉清理→鋸齒式皮棉清理（二道）→皮棉調(diào)濕→皮棉打包→棉包信息采集與自動標(biāo)識。張成梁等［12］采用監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層的構(gòu)架模式，完成關(guān)鍵設(shè)備自動化升級改造，還有學(xué)者提出了在線實時監(jiān)控，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行［13-14］。軋花加工重點關(guān)注加工工藝的智能化控制［15］，尤其在新疆部分區(qū)域機(jī)采棉已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)?；N植、批量化生產(chǎn)、統(tǒng)一化管理和智能化加工的一體化流水線模式［16］。

2.2 回潮率監(jiān)測

回潮率是影響棉花初加工中纖維品質(zhì)的重要因素，也是軋花加工研究的熱點?；爻甭蔬^高或過低都對軋花加工造成不良影響［17-19］；要保證軋花工序順利進(jìn)行，最佳回潮率控制為6.5%～8.5%［20］；在此區(qū)間內(nèi)，棉纖維既有一定的彈性，又能保持強(qiáng)度。目前，測定棉花回潮率的方法分為直接法和間接法［21-22］，分離線式和在線式兩種方式；離線式主要用于棉花收購、棉花檢驗、驗收結(jié)算和儲運(yùn)過程中。為了提高回潮率測量效率，李洋等［23］人設(shè)計了一種基于PLC 和組態(tài)網(wǎng)的控制系統(tǒng)；賈冬等［24］人提出一種棉包回潮率自動檢測裝置；臧利濤［25］提出了一種解決手持插針式棉花回潮率檢測方式；董全成等［26］提供了一種新的控制策略，當(dāng)回潮率、籽棉等級等因素發(fā)生變化時，實時控制棉花喂入量，保持合適的籽棉卷的密度，從而達(dá)到自動控制目的。以上檢測系統(tǒng)、裝置、方式對檢測的效率、便捷度及一致性起到較好的推動作用，促進(jìn)了回潮率檢測的發(fā)展，極大的提升了檢測效率，還節(jié)省了人力和財力。

2.3 烘干設(shè)備研究

回潮率過高時需要烘干。籽棉烘干設(shè)備于1930 年［27］在美國開始使用，過度烘干影響最明顯的是棉纖維長度受損。調(diào)控回潮率的方式就是烘干；BYLER R K［28］在清棉、軋花等加工前把水分控制到合適的范圍內(nèi)，以提高加工質(zhì)量，并研究對烘干過程進(jìn)行實時控制［29］；王昊鵬等［30］人研究了籽棉熱風(fēng)烘干控制干基含水率模型，具有更高的烘干效率和更好的干基含水率一致性。谷國富［31］分析了塔式氣流皮棉加濕機(jī)的特點，皮棉在加濕氣流的輸送過程中被加濕，使皮棉回潮率得到有效控制。

2.4 棉纖維性能損傷

棉纖維性能可以直接反映棉花初加工的質(zhì)量。機(jī)采棉棉花葉屑與雜質(zhì)含量高，在軋花加工過程中清理除雜加工次數(shù)和力度增加，造成機(jī)采棉長度、長度整齊度、短纖維率、斷裂比強(qiáng)度惡化明顯，長度損失嚴(yán)重，短纖維率過高，斷裂比強(qiáng)度處在極差檔次，對后道紡紗會產(chǎn)生十分不利的影響［32］。RAY S J［33］和LE S［34］也 在 研 究 如 何 在 籽棉與皮棉的清理工序提高清理效果、減少纖維損傷等問題；徐紅研究表明，每經(jīng)過一道皮清工序，棉纖維長度即減少0.5 mm 左右，短纖含量減少0.8 個百分點～1.5 個百分點，棉結(jié)數(shù)量成倍增長；謝占林等［35-37］人研究表明，軋花工序?qū)w維內(nèi)在品質(zhì)損傷最大，占到整個加工中40%以上，特別是軋花后籽屑顆粒、棉結(jié)數(shù)增幅較大［38-39］。為了 改 善 纖 維 性 能 損 傷 現(xiàn) 狀，BOYKIN J C［40］和MICHAEL S C［41］提出，通過控制回潮率可以改善纖維長度、強(qiáng)度等性能；李群華等［42］認(rèn)為，需進(jìn)一步推動棉花種植方式、加工檢驗、采棉設(shè)備方面的技術(shù)進(jìn)步，使棉纖維品質(zhì)質(zhì)量得到保障。

3 機(jī)采棉初加工中存在的問題及解決對策

3.1 機(jī)采棉初加工存在的問題

首先，軋花加工環(huán)境較差。軋花企業(yè)的生產(chǎn)廠房為造價低廉的彩板房，缺少基本采暖設(shè)施，且籽棉露天堆放，尤其是在有雨雪的冬季，不附加任何預(yù)處理直接加工。新疆地區(qū)早晚溫差大，手采棉軋花加工的起始時間為9 月初，機(jī)采棉初加工從10 月10 日左右開始，持續(xù)2 個～4 個月，這一時期室外溫度在30 ℃至-10 ℃，甚至是-20 ℃，低溫下棉纖維力學(xué)性能變化較為明顯，急需關(guān)注此溫度下纖維的性能。

其次，棉纖維在各工段溫度、回潮率不能得到有效控制。實際軋花加工中，軋花廠超過一半時間，甚至三分之二時間生產(chǎn)廠房內(nèi)溫度低于10 ℃，甚至在0 至5 ℃之間，回潮率往往在5%左右，甚至低至3%，偏低的溫度下棉纖維的平衡回潮率低，棉纖維呈現(xiàn)“內(nèi)干外濕”的狀態(tài)，棉結(jié)、索絲大量增加，且抗打擊能力變差，外濕導(dǎo)致軋花加工時堵塞機(jī)器，嚴(yán)重時還會損壞設(shè)備。

最后，低溫低回潮軋花對纖維品質(zhì)影響嚴(yán)重。偏低的溫度下棉纖維的平衡回潮率低，空氣的飽和絕對含濕量也很低，導(dǎo)致軋花加工時空氣與籽棉都呈放濕狀態(tài)，使狹小的棉箱中空氣的相對濕度趨于飽和或過飽和狀態(tài)，導(dǎo)致棉花品質(zhì)明顯降低，即使降速加工，其皮棉質(zhì)量仍難以保證，而且軋花企業(yè)全方位的溫度調(diào)控卻因能耗大、成本高而難以實施。常溫下軋花可以通過加濕或烘燥調(diào)控軋花前籽棉的回潮率，但是在低溫環(huán)境下加濕并不能使籽棉獲得有利的軋花回潮率狀態(tài)，難以兼顧纖維高強(qiáng)伸性與無纏繞設(shè)備的要求。

3.2 相應(yīng)對策

首先，從源頭解決采購時對棉花含水量的監(jiān)測。對于含水率高的籽棉予以退回或分類堆置，即堆放籽棉時按照分級分垛原則放置收購的籽棉，貨場遇到雨雪天氣時用篷布將棉垛蓋上，從外環(huán)境解決棉花回潮率過高或過低的問題。

其次，在籽棉軋花前，了解外場籽棉實時實際回潮率，及時調(diào)整工藝參數(shù)，可以在每個工段采用一種軋花加工的增/測溫加濕控制方法［43］，監(jiān)控各工段的不同相對濕度，根據(jù)環(huán)境變化隨時調(diào)整溫濕度，保證各工段纖維內(nèi)部水分子變化可控，實現(xiàn)籽棉溫度和回潮率達(dá)到加工要求。

最后，進(jìn)一步革新軋花設(shè)備與工藝，使用具有籽棉加濕控溫的軋花加工新工藝與裝備［44］，對軋花與皮棉清理工序進(jìn)行保溫調(diào)濕，對皮棉滑道調(diào)節(jié)回潮率，可有效提高皮棉的綜合等級；還可使用紅外加熱、遠(yuǎn)紅外輻射入射到纖維表面，輻射能被大部分吸收，纖維吸收的遠(yuǎn)紅外輻射轉(zhuǎn)變成熱能使纖維加熱，通過調(diào)整籽棉處于“內(nèi)濕外干”的狀態(tài)，保證棉纖維有良好的力學(xué)性能與柔曲性，減少對棉纖維的直接損傷，便于軋花加工。

4 結(jié)語

本研究采取文獻(xiàn)分析法對新疆機(jī)采棉初加工進(jìn)行了梳理總結(jié)，CNKI 及WOS 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)外有關(guān)機(jī)采棉初加工的研究文獻(xiàn)近兩年數(shù)量均呈下降趨勢；同時，纖維品質(zhì)的下降也說明對此領(lǐng)域的研究有其緊迫性。

結(jié)合目前新疆機(jī)采棉初加工現(xiàn)狀分析，棉花初加工是棉花產(chǎn)業(yè)鏈中的一個重要加工環(huán)節(jié)，其受到設(shè)備、檢測技術(shù)和外界環(huán)境因素的影響。目前棉花初加工工藝設(shè)備不斷進(jìn)步，向宜于纖維質(zhì)量保證、設(shè)備全流程管理、監(jiān)測和控制方向發(fā)展。對棉花初加工現(xiàn)狀的問題，應(yīng)建立企業(yè)自動化、智能化、一體化的質(zhì)量管理監(jiān)測體系，促進(jìn)棉花加工向精細(xì)化、數(shù)據(jù)化、安全化方向發(fā)展，從種植方式、加工檢驗、采棉設(shè)備等方面，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化機(jī)采棉生產(chǎn)。針對低溫低回潮軋花的問題，應(yīng)采用籽棉加濕控溫的軋花加工新工藝與裝備，從而經(jīng)濟(jì)、有效地解決困擾軋花廠的溫控問題。加工設(shè)備的革新及環(huán)境影響仍是目前迫切需要關(guān)注的領(lǐng)域，研究低溫導(dǎo)致低回潮的棉花初加工對推動棉花加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級具有重要意義。