鋸齒軋花理論 雜質的排落和刷棉

國家標準《棉花細絨棉》(GB1103—1999)規定不孕子含棉率為20%～30%。而鋸齒棉的軋工質量與後箱的排雜效果有很大關係。後箱排出的雜質按排雜部位的不同,又可分為上排雜和下排雜。
(一)上排雜
從軋花肋條工作點到上排雜刀口(或前擋風板口)這一鋸片弧長區域稱為上排雜區域。上排雜包括上排雜區域內排出的雜質和上排雜刀口處排出的雜質。
當鋸齒勾住纖維離開子棉卷進入軋花肋條排工作點間隙時,因失去了子棉卷對它的壓力作用及外界空氣的透入,使齒凹內的纖維不再緊緊地嵌在齒間而成為漂浮狀態,即形成浮棉層,使雜質掙脫了纖維的纏繞而暴露在空間,這為上排雜和纖維分離創造了良好的條件。在上排雜區域內,浮棉層中的雜質在慣性離心力的作用下,相對浮棉層外移。雜質越重,慣性離心力越大,外移的速度越快,與浮棉層分離得越早;反之,與浮棉層分離得越晚,甚至在上排雜區域內來不及與浮棉層分離。外移到浮棉層表層的雜質,經過上排雜刀口時,受到上排雜刀口衝擊力的作用,迅速改變運動方向,離開浮棉層。
因此,從上排雜區域內排出的雜質和上排雜刀口排除的雜質是浮棉層中相對較重的雜質,主要是不孕子。上排雜或是被氣流吸運帶走,或者被拋到前擋風板上,依靠前擋風板的反彈作用和雜質的自重作用從鋸片間隙墜落,或是被刮雜輥拋給排雜螺旋而輸出機外。
如上所述,上排雜主要依靠慣性離心力的作用與浮棉層分離,故提高鋸軸的轉速、加大鋸片的直徑有利於上排雜。然而,上述參數的確定不是以上排雜效果好壞為主要依據。影響上排雜效果主要有以下幾方麵。
1.上排雜刀的安裝位置
上排雜刀的安裝位置既決定了上排雜區域的長度,又決定了它與鋸齒的配合間隙。鋸齒轉過軋花肋條排工作點間隙後,浮棉層中的雜質不可能同時與纖維分離。一般情況下,處於浮棉層表層的雜質先分離,處於浮棉層內部的雜質後分離,因為雜質從內層移動到表層需要一定時間。纖維對雜質的約束情況不同,也使雜質的分離有先有後。因此,上排雜區域越長,雜質運動到浮棉層表層的時間越充足,分離的雜質越多。反之,上排雜區域越短,分離的雜質越少。而上排雜刀的安裝位置取決於刷棉部件———毛刷滾筒或風嘴的安裝位置。
上排雜刀靠近鋸齒安裝,刀口對鋸齒浮棉層的衝擊效果明顯,分離的雜質多,但有效纖維的損失也多;反之,上排雜刀離鋸齒遠,分離的雜質少,有效纖維的損失也少。上排雜刀口與鋸齒間隙的大小應根據浮棉層的厚度確定,軋花機產量高,浮棉層厚,此間隙應大些;反之,此間隙可小些。
2.上排雜刀口的角度及清潔度
當鋸齒帶著浮棉層碰到上排雜刀口時,上排雜刀口對浮棉層的衝擊力可以分解為兩個分力,一個是沿著上排雜刀工作麵的分力,它能使雜質拋出;另一個是垂直於上排雜刀工作麵的分力,它可將纖維托住。上排雜刀口的安裝角度,即衝擊力的方向與上排雜刀工作麵的夾角既影響兩個分力的大小,還影響它們的方向,進而影響上排雜效果。
上排雜刀口往往粘有蟲屎、蟲屍,它們會粘掛纖維、不孕子,當它們積聚到一定程度時,就形成許多個棉條掛在刀口,在鋸片之間懸浮。它們既可能被鋸齒抓住重新混入皮棉,影響皮棉質量,又會在氣流刷棉時,幹擾衝風口的氣流流向,造成氣流流態紊亂、刷棉不良、落棉損失增加。為此,應及時刷落上排雜刀口粘附的雜物,保持上排雜刀口清潔。現在一般采用磨輥或刮雜輥裝置對上排雜刀口進行清潔工作。圖8-24所示是磨輥裝置,磨輥軸上有兩個旋向相反的螺旋槽,磨頭利用叉角嵌在螺旋槽內,磨頭上裝有兩塊刮板。當磨頭隨磨輥軸的旋轉在軸上做往複運動時,刮板可以刮落粘附在上排雜刀口的雜質。刮板的工作全程應滿足上排雜刀口的長度。為防止雜質嵌入螺旋槽中,磨頭的兩側應套上布套。刮雜輥依靠刮雜輥的旋轉,由彈性葉板擦打粘附在上排雜刀口的雜質。

3.吸嘴的位置及吸運風速
上排雜最好利用氣流及時吸走。吸嘴是狹長形狀的三角箱。吸口應略長於上排雜刀口的工作長度,以便吸運上排雜刀兩側的雜質。理論上要求吸嘴從吸口到出口的任一橫截麵麵積相等,以保證吸嘴內的風速相等,防止雜質在三角箱內沉積。為使吸嘴內兩側的風速與中間的風速均勻一致,三角箱的收縮角度不宜超過60°。與吸嘴相連接的圓管直徑為 220～250mm。吸嘴吸口距上排雜刀口的距離為50～60mm,要求吸口正對不孕子等雜質拋出的方向,吸口風速應適中,以能吸走不孕子等雜質為限,風速一般在10～12m/s。
(二)刷棉與下排雜
鋸齒帶著浮棉層通過上排雜刀口後,就進入刷棉部位和下排雜區域。鋸齒上的纖維在此被刷落,被送往皮清機或集棉機,纖維中的一些輕型雜質被分離。
1.毛刷刷棉與下排雜
在毛刷的有效作用範圍內,鋸齒上的浮附纖維受到毛刷的直接作用。由於毛刷條的線速度大於鋸齒的線速度,加之毛刷鬃毛與纖維之間的摩擦因數(0.35～0.45)大於鋸齒與纖維之間的摩擦因數(約0.3),故毛刷滾筒足以克服鋸齒的阻力,將纖維從鋸齒上刷下來。同時,由於前、後擋風板及毛刷罩殼與毛刷滾筒的間隙較小,當毛刷滾筒以32～38m/s的線速度高速旋轉時,在毛刷滾筒與罩殼之間的空間內會形成負壓狀態。各毛刷條到達前擋風板口時,會從前擋風板上部空間吸入空氣補充,形成了向刷棉點移動的氣流。而每根毛刷條猶如風扇的葉片,產生氣流流動,使氣流吹刷鋸齒上的浮棉層。因此,毛刷刷棉過程中既有毛刷刷力的作用又有氣流吹力的作用。
纖維從鋸齒上吹刷下來以後,隨著毛刷滾筒表麵氣流向前運動,經排雜調節板、底板、出棉口,再經皮棉管道送往皮清機或集棉機。在上排雜區域來不及與纖維分離的輕型雜質,將在下排雜區域分離出去。從下排雜區域內排出的雜質稱為下排雜。下排雜排出的是利用毛刷、氣流對雜質的作用力及雜質本身的重力作用,產生與纖維不同的運動軌跡,沿著毛刷滾筒表麵切線方向墜落在排雜調節板的前方。
2.氣流刷棉和下排雜
氣體自孔口管嘴或條縫向周圍氣體噴出所形成的流動稱為氣體射流。故從風嘴衝風口噴出的高速氣流即是射流。
當具有一定壓力的氣體從噴嘴或條縫噴入大氣時,由於射流質點與周圍氣流質點發生碰撞,進行動量交換,射流就要帶動周圍靜止氣體一起向前運動,射流的這個特性稱為射流的卷吸作用。由於射流的卷吸作用,射流自噴嘴或條縫射出後,要沿運動方向不斷擴散。
如果射流射入一個與大氣相通的容器,且射流與容器側壁的距離不等。由於射流的卷吸作用,射流周圍的空氣被卷吸帶走,造成射流周圍的空氣壓力下降。此時,外界空氣就向射流周圍補充氣流,形成附加氣流流動,如圖8-25所示。

在射流運動的同一時間裏,射流周圍從外界補充進來的空氣量是相等的,但由於噴嘴或條縫到容器側壁的距離不等,使得距離大的一側附加流動的氣流速度較慢,而距離小的一側附加流動的氣流速度較快。由伯努利方程可知:距離大的一側附加流動造成的靜壓力要比距離小的一側附加流動造成的靜壓力大,於是射流兩側受到了不同靜壓力的作用。射流在兩側靜壓差的作用下,被壓向距離小的一側容器壁,並沿壁麵噴射。這種現象稱為射流的附壁效應,如圖8-26所示。

氣流刷棉就是利用了射流的附壁效應。高壓風機產生的氣流進入儲氣箱,在儲氣箱內受到壓縮後,從衝風口噴出束狀的高速氣流射向鋸齒。由於風嘴衝風口噴出的射流一側受到了風嘴中層壁麵的阻擋,而另一側幾乎沒有阻擋,故在風嘴中層壁阻擋的一側附加氣流流動的速度大,靜壓力小;另一側附加氣流流動的速度小,靜壓力大。
在兩側靜壓力差的作用下,射流被迫附在風嘴中層壁麵上流動。當鋸齒帶著浮棉層以12～13m/s的速度運動到風嘴衝風口時,突然受到80m/s左右的高速射流衝擊。在射流衝擊力、自身重力及慣性離心力的作用下,纖維脫離鋸齒,轉移到射流束中。隨後,纖維同射流一起沿風嘴中層壁麵流動,最終進入受棉口、皮棉道。
夾雜在纖維簇中來不及在上排雜區域排出的雜質,在射流衝擊力及自身慣性離心力的作用下,脫離了鋸齒。但雜質較纖維簇重,慣性作用力較纖維簇大,故雜質在風嘴中層壁的拐點處難於拐彎,沿切線方向拋離射流和纖維。射流附壁後拐彎角度越大,雜質受慣性作用力的影響越大,越易與纖維分離。但若拐彎角度太大,就會破壞射流的附壁,使射流外溢,不能全部進入受棉口。
3.影響刷棉和下排雜效果的因素
對鋸齒軋花機後箱的要求首要的是刷淨鋸齒上的纖維和雜質,然後以排雜調節板(對氣流式軋花機而言是下排雜刀)為分界線,讓纖維和雜質各行其道,即纖維進入受棉口、皮棉道,雜質墜落機外。由於刷棉和排雜的相互製約,排雜時會損失一部分纖維,而進入皮棉道中的皮棉仍含有雜質。
(1)影響毛刷刷棉和下排雜效果的主要因素:
①毛刷滾筒與鋸片滾筒表麵線速度比:毛刷刷力主要靠毛刷條對鋸齒上纖維的連續作用來保證。依據連續作用要求,可以得出如下關係:

提高毛刷滾筒的轉速,能使棉層變薄,刷棉風量增大,既利於刷棉,又利於雜質的排除。但毛刷滾筒轉速過高,會降低軸承等機件的使用壽命,甚至出現毛刷軸彎曲等故障。
②前擋風板的裝配位置:為了取得最佳的刷棉效果,在實際生產中要求毛刷刷力與氣流的吹力集中於一點———刷棉點,即毛刷與鋸齒的接觸點。由於前擋風板對氣流起導向作用,所以氣流吹力能否集中於刷棉點,主要取決於前擋風板下端的位置。實踐證明,前擋風板下端距離刷棉點55mm左右為宜,前擋風板下端距離毛刷、鋸齒的間隙1～3mm較宜。若此距過小,毛刷離前擋風板過近,氣流吹力作用很弱,刷棉效果不理想;反之,此距過大,氣流吹力作用點位置太高,鋸齒上的部分纖維在到達刷棉點以前就被氣流吹落,也影響刷棉效果。
③向毛刷滾筒低壓區補充空氣的風量Q₁ 、Q₂ 、Q₃ 的控製與調節:毛刷刷棉時,在毛刷滾筒表麵形成高速氣流層,使毛刷滾筒附近成為低壓區。這樣,周圍的空氣不斷地流向毛刷滾筒低壓區,繼而又被高速氣流層卷吸帶走。這種不斷的補充和卷吸是刷棉點和下排雜區域氣流場的特點。向毛刷滾筒低壓區補充的空氣來自三方麵,如圖8-27所示。

設從前擋風板口補充的空氣的風量為Q₁ ;從軋花肋條下部補充的空氣的風量為Q₂ ;從毛刷滾筒下側、後側補充的空氣的風量為Q₃ 。毛刷滾筒高速旋轉時產生的總風量Q,應由這三方麵的補充空氣來平衡,即:

從下排雜區域內分離出來的雜質,在向下墜落的過程中,必然受到Q₁ 、Q₂ 、Q₃ 這些不同方向補充進來的空氣的影響。
Q₁ 是從前擋風板的外側由上而下補入的,其方向與雜質的下落方向一致,有利於雜質的分離。因此,要設法增大補入風量Q₁ 。改變後箱結構後———將毛刷罩殼改成圓弧形;拆除前擋風板,用毛刷罩殼的前端代替前擋風板,Q₁ 可由原占毛刷滾筒總風量的4%增加到6%～12%。
Q₂ 由軋花肋條下部補入,它的方向與雜質下落的方向垂直,控製和改變了雜質的下落方向,能避免雜質被鋸齒重新抓回前箱,有利於雜質的分離。因此,應設法增大補入風量Q₂ 。把全弓形軋花肋條改成半弓形,在擋雜板上打通風孔,Q₂ 可由原占毛刷滾筒總風量的5%～6%增加到13%。
Q ₃ 是從毛刷滾筒的下方、後方補入的,它的方向與雜質下落的方向相反,不利於雜質的分離。由於從下方、後方補入空氣,一些細微雜質難以下落,很可能重新返回到毛刷滾筒表麵的高速氣流中,最終隨纖維一起進入皮棉道,出現雜質回吸現象。因此,應設法減小補入風量Q₃ 。當毛刷滾筒的轉速及有關隔距不變時,毛刷滾筒高速旋轉產生的總風量也不會變。
由風量平衡原理可知:增大補入風量Q₁ 、Q ₂ ,可相應減少補入風量Q₃ 。也可在皮棉道下側設置導流板,以改變補充空氣的方向,從而改變這部分補充空氣對下落雜質的作用方向,減少雜質回吸。另外,還可以對Q₃ 實行分流,如在底板上開設補風口,以減小上升氣流的速度,減少雜質回吸。
④排雜調節板的位置:排雜調節板的主要作用是將纖維和雜質分開,使之各行其道。雜質與纖維離開刷棉點後,以不同的運動路線向下運動。若排雜調節板靠近鋸片滾筒,一部分雜質就會順著排雜調節板進入皮棉道,造成皮棉含雜增加。反之,排雜調節板離鋸片滾筒遠些,皮棉含雜量減少,但增加了有效纖維的損失。排雜調節板的位置應根據落棉和排雜情況、不孕子含棉率指標等進行調節,力求多排雜,少損失纖維。
⑤後擋風板與毛刷的間隙:刷棉過程中若有纖維從後擋風板處進入毛刷滾筒與罩殼之間,毛刷就會帶著纖維在刷棉點處與鋸片上的纖維反複摩擦,產生大量的棉結、索絲,甚至形成棉團、棉塊。為防止纖維隨毛刷返回,後擋風板與毛刷的間隙要盡量小,一般為1～3mm;為避免後擋風板變形造成間隙變動,可將後擋風板做成三角形;毛刷條的鬃毛應剪平,以保證毛刷滾筒在整個長度上與後擋風板間隙一致。
⑥毛刷滾筒兩端風葉尺寸:刷棉過程中,要求毛刷滾筒表麵氣流均勻、風向穩定、不向兩側飛花。毛刷滾筒表麵氣流是否均勻,主要取決於毛刷滾筒兩端風葉所產生的風力與毛刷滾筒所產生的風力是否均勻一致。若毛刷滾筒兩端風葉太寬,則風葉產生的風力必定大於毛刷滾筒產生的風力,毛刷滾筒兩側會有落棉;反之,兩端風葉產生的風力必定小於毛刷滾筒產生的風力,毛刷滾筒的軸上會纏繞纖維。當毛刷滾筒兩側的風力與毛刷滾筒表麵的風力略有出入時,可通過調整兩端的插門來改變兩端的補充風量,以維持毛刷滾筒全長的風量均勻一致。毛刷條疏密不勻、鬃毛脫落、毛刷與前後擋風板間隙不等,都會造成毛刷滾筒表麵氣流不勻,影響刷棉效果。
⑦毛刷與鋸齒的間隙:毛刷與鋸齒的間隙至少是零狀態,以保證毛刷對鋸齒上浮棉層的刷力作用。當棉纖維含水率較高時,毛刷鬃毛要伸入鋸齒,以增強毛刷刷棉的作用。
(2)影響氣流刷棉和下排雜效果的主要因素:
①風嘴的安裝位置;
②衝風口的氣流速度;
③風嘴的結構、製作;
④下排雜刀的位置。
(3)其他影響因素:
①刷棉氣流的排出:刷棉氣流排風通暢與否,不僅關係到纖維的輸送,還影響雜質與纖維的分離。排風不通暢,氣流在管道中的速度下降,使卷吸氣流及補充風量減少,會造成下排雜中纖維含量增加,甚至產生飛花現象;排風過大,易將雜質帶入皮棉,並且影響刷棉部位氣流的正常流態。刷棉氣流風機的風量應大於刷棉排風量,以刷棉排風量的1.2～1.3倍為宜;風機的壓力以抵消管網的阻力為限,以保持刷棉排風的正常排出。
②棉纖維含水率:棉纖維含水率低,纖維蓬鬆,鋸齒與纖維的摩擦力小,刷棉幹淨;含水率高,棉纖維易滑向齒根,嵌塞其中,不易刷淨,且纖維易與鋸齒粘連,吹刷不淨。
③鋸齒鋸角及平滑程度:鋸角減小,纖維易外滑;鋸角增大,纖維不易外滑。因此,從刷棉效果考慮,鋸角宜小不宜大。但是鋸角太小,鋸片尚未運動到刷棉部位時,纖維已離開鋸齒,而且還會使鋸齒在工作箱內與纖維滑脫,影響勾拉效率。因此,鋸角的大小應綜合考慮,合理選擇。
鋸齒越光滑,刷棉越容易,刷棉質量也好,可采用砂磨的辦法降低鋸齒的粗糙度,其效果較好。
綜上所述,影響刷棉和下排雜效果的因素很多。農副產品加工的一個重要特點是,原料的變異很大。因此,子棉性狀對刷棉和下排雜效果的影響是不可忽略的,選擇工藝路線、工藝參數時,必須考慮子棉性狀的因素。