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采棉機風力輸送裝置設計
詹龍生
（塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
摘要: 采棉機風力輸送裝置主要部件由高壓離心式風機構成，本設計主要是對離心式風機的優(yōu)化設計，已保證其在特殊工作環(huán)境下正常運轉，通過對風機的合理選型及對葉輪的優(yōu)化，使風機有了更好的氣動性能和較高的轉速。
關鍵詞：采棉機；離心式風機；葉輪；優(yōu)化設計
中圖分類號： 文獻標識碼：A
Cotton picker wind conveying device design
ZhanLongSheng
（Mechanical Electrical Engineering College of Tarim University, Xinjiang in843300）
Abstract : Cotton picker wind conveying device mainly consists of high pressure centrifugal fan, this is mainly designed for centrifugal fan design, has guaranteed the special working environment under normal operation, the fan selection and optimization of the impeller, the fan has better aerodynamic performance and higher rotational speed.
Keywords: Cotton picker; centrifugal fan; impeller; optimization design
CLC: Document Code: A
1.引言
是全國最大的商品棉生產(chǎn)基地，也是中國唯一的長絨棉產(chǎn)地，棉花種植面積、單產(chǎn)、總產(chǎn)及收購量連續(xù)15年位居全國第1位，棉花產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)。 據(jù)最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2009 年棉花產(chǎn)量合計達275萬t。隨著棉花種植面積的不斷擴大及產(chǎn)量的逐漸增長，每逢秋季棉花收獲季節(jié)，最突出的問題就是亟須大批季節(jié)性勞動力，每年雇請的拾花工50余萬人，為此支付的勞務費高達十幾億元，使得植棉成本大幅度提高。而機采棉效率高，費用低，因此實現(xiàn)機采棉已成為大勢所趨。采棉機按其收獲方式分為選收機和統(tǒng)收機。目前使用的采棉機多為進口選收機，價格在100萬元/臺以上，其售價高、維護費用高且維護不便，推廣和普及受到很大限制[1]。而統(tǒng)收機可以實現(xiàn)小型化，價格比較低廉，能被大多數(shù)農(nóng)民所接受。統(tǒng)收式采棉機的核心部分由采摘系統(tǒng)、風送系統(tǒng)、清雜系統(tǒng)和儲棉系統(tǒng)4部分組成。風送系統(tǒng)是將采摘系統(tǒng)、清雜系統(tǒng)及儲棉系統(tǒng)聯(lián)系到一起的紐帶，是采棉機的重要組成部分，該系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接關系到棉花是否輸送通暢以及輸運過程中對棉花纖維破壞程度。 因此，對采棉機風送系統(tǒng)的設計與研究有著重要意義。
采棉機的工作原理類似吸塵器。由柴油機作動力，帶動風機運轉，這時在風機的進風口產(chǎn)生一定的負
壓，形成有一定流速的空氣流，棉枝上的棉花在空氣流的吸引作用下進入采棉機，這相當于人工將棉花從棉枝上采摘下來。棉花在采棉機中與空氣流分離，通過出棉口直接進入棉花收集箱，而不含棉花的潔凈空氣通過風機的排風口直接排入大氣中。風機運轉所形成的空氣流只起到輸送介質的作用，在采棉機之前，棉花與空氣流共同流動，而在采棉后，由于棉花已經(jīng)被分離出來，所以只有潔凈的空氣經(jīng)過風機。減速機主要給采棉機提供動力，它將柴油機的高轉速轉變?yōu)榈娃D速，通過機械傳動與采棉機相連，使棉花從采棉機中連續(xù)輸出。
采棉機采用風力將采摘下的籽棉輸送到棉箱。高壓離心式風機是風力輸送系統(tǒng)中的關鍵部件。在風機
的選型過程中，針對風力系統(tǒng)對風機的性能要求以及采棉機總體設計對風機外形尺寸的限制，對以上存在的問題，本文通過對棉花物料特性進行研究，對風送系統(tǒng)進行設計優(yōu)化，最終設計出更順暢的采棉機風力輸送裝置。
2.結構原理和工作過程
離心式風機要由葉輪、機殼、進口集流器、導流片、聯(lián)軸器、軸、皮帶輪、電動機等部件組成。旋轉的葉輪和蝸殼式的外殼。旋轉葉輪的功能是使空氣獲得能量；蝸殼的功能是收集空氣，并將空氣的動壓有效地轉化為靜壓。
圖2-1 離心式風機基本結構
1-吸氣口；2-葉輪前盤；3-葉片；4-葉輪后盤；6-機殼；6-排氣口；7-截流板；8-支架
采棉機主要對采摘物進行風力輸送，但由于棉桃、棉枝等雜質的存在，單獨使用風送系統(tǒng)很難實現(xiàn)采摘物的完整輸送（即采摘頭→清雜系統(tǒng)→棉箱），所以通常情況下設置少量機械裝置輔助輸送，采用風力、機械混合輸送的方式。
風機3提供正壓風，將采摘下的棉花送入集棉器2，并進行橫向機械輸送，將集棉器中棉花推送至吸棉管道的喇叭口；風機4提供的負壓風將籽棉以及雜質吸入6輥清雜機構6，進行籽棉與雜質的分離；雜質經(jīng)旋風分離器排出。除雜后的籽棉通過避風器后由風機3提供的正壓風吹入棉箱[2]。
圖2-2 風送系統(tǒng)原理圖
1-采摘頭；2-集棉器；3-正壓風機；4-負壓風機；5-旋風分離器；6-輥除雜機構；7-集棉箱
3. 風送系統(tǒng)參數(shù)的確定
采棉機風送系統(tǒng)的設計（包括風速大小、空氣流量及管道設計）均以采摘物（采摘物包括棉花、鈴殼、棉葉及枝稈等雜物，下面將采摘物統(tǒng)稱為含雜籽棉）的物理特性為基礎，其中包括含雜籽棉的輸送量、含雜籽棉的懸浮臨界速度等因素。
3.1含雜籽棉輸送量的確定
據(jù)采棉機田間試驗測試可得，統(tǒng)收式采棉機（3行機）田間收獲行駛速度v=2.50km/h（0.70 m/s）；棉花產(chǎn)量約為 m=400.00kg/畝（1畝＝1/15hm2）。
采棉機（3行機）實際掃掠寬度為c=66×2+10×3+66/2=195.00cm（現(xiàn)機采棉的播種模式為66cm+10 cm），得
（3-1）
式中 U———單位時間內(nèi)輸送含雜籽棉的質量；
λ———含雜修正系數(shù)，取1.33；
k———棉花單位面積，k=0.0667hm2
由公式（3-1）得
（3-2）
vm———機采棉單位質量所占體積（約 0.027 m3/kg）；
vu———采棉機單位時間內(nèi)理論輸送含雜籽棉的體積。因為工作中采棉機行駛速度、棉花種植密度及產(chǎn)量各不相同，需考慮采摘膨脹系數(shù)（約 1.5～2.0）
（3-3）
3.2氣流輸送參數(shù)的確定
3.2.1混合比μ的確定[3]
混合比又稱為輸送濃度，即在該管道中同一時間內(nèi)所輸送的含雜籽棉質量G物與G氣之比。
因，所以
式中 ρ———空氣密度（kg/m3）；
Q———輸送風量（m3/h）。
由此可見，輸送風量與混合比成反比，混合比的大小受通風機壓力、氣流輸送方式、輸送距離、輸送風速以及輸棉管直徑和物料性質等多方面因素的影響。 混合比推薦見表1。
表3-1混合比推薦
物料名稱
籽棉
毛籽棉
光棉籽
鋸齒集棉
短絨集棉
μ 值
0.6～0.8
1.0～2.0
2.0～2.5
0.15～0.12
0.005-0.01
3.2.2輸送風速的確定
氣流輸送含雜籽棉，是借助空氣動力的作用，籽棉受到空氣動力的大小，與空氣對含雜棉花的相對速度有關。確定輸送速度，必須以棉花的懸浮臨界速度為基本依據(jù)[4]。
2009 年10月，測得本采棉機所采棉花的懸浮臨界速度如表2所示，考慮到棉花采摘過程受到溫度、濕度以及成熟度等因素的影響，取臨界速度補充系數(shù)為 1.4，輸送速度為懸浮臨界速度的 1.9～2.0倍。最終輸送風速約為。
表8-2 棉花臨界速度 （m/s）
物料名稱
臨界速度
1 瓣棉花
1朵棉花（不帶鈴殼）
1朵棉花（帶鈴殼）
4朵棉花（采摘棉）
1團棉花（采摘棉）
3.6
6.0
6.2
6.4
7.0
3.3配用風量 配的確定
配用風量是作為選擇通風機時的風量。 為了保證機采棉輸送通暢進行，應考慮到管道漏風及其它不利因素的影響，應在確定輸送風量的基礎上適當考慮儲備系數(shù)，一般取 為 1.15～1.20[5]，即
3.4輸送管道直徑的確定[6]
輸棉管道直徑根據(jù)輸送風速和輸送風量計算
5結論
（1）對于采棉機來說，雜質（尤其是棉花收獲初期棉桃及較長棉枝）的存在對含雜籽棉的輸送有很大影響，應減小收獲過程中對棉花植株的打擊力度，減少雜質的輸入量。
（2）由于單朵棉花的重量一般不超過(包括棉花粘在棉枝上有一定的連接力),因此吸棉口風速一般控制在之間，這個風速可以有效的將棉花吸入采棉機中。吸棉口形狀采用圓形喇叭口,材料選用塑料或不銹鋼,內(nèi)壁一定要光滑，無毛刺,吸口直徑控制在左右。
（3）輸棉系統(tǒng)結構進一步改進，對參數(shù)進行優(yōu)化，減小了輸送過程中對棉花纖維的破壞，提高了質量等級。
參考文獻
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[6]李桂山,習軍,巖亮.外吸棉管道直徑與風機的調(diào)整.中國棉花加工[J],2004(5):25-27.