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采棉機(jī)風(fēng)力輸送裝置設(shè)計(jì)
詹龍生
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘要: 采棉機(jī)風(fēng)力輸送裝置主要部件由高壓離心式風(fēng)機(jī)構(gòu)成，本設(shè)計(jì)主要是對(duì)離心式風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已保證其在特殊工作環(huán)境下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)的合理選型及對(duì)葉輪的優(yōu)化，使風(fēng)機(jī)有了更好的氣動(dòng)性能和較高的轉(zhuǎn)速。
關(guān)鍵詞：采棉機(jī)；離心式風(fēng)機(jī)；葉輪；優(yōu)化設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(guó)最大的商品棉生產(chǎn)基地，也是中國(guó)唯一的長(zhǎng)絨棉產(chǎn)地，棉花種植面積、單產(chǎn)、總產(chǎn)及收購(gòu)量連續(xù)15年位居全國(guó)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(jì)數(shù)據(jù)顯示，2009 年棉花產(chǎn)量合計(jì)達(dá)275萬(wàn)t。隨著棉花種植面積的不斷擴(kuò)大及產(chǎn)量的逐漸增長(zhǎng)，每逢秋季棉花收獲季節(jié)，最突出的問(wèn)題就是亟須大批季節(jié)性勞動(dòng)力，每年雇請(qǐng)的拾花工50余萬(wàn)人，為此支付的勞務(wù)費(fèi)高達(dá)十幾億元，使得植棉成本大幅度提高。而機(jī)采棉效率高，費(fèi)用低，因此實(shí)現(xiàn)機(jī)采棉已成為大勢(shì)所趨。采棉機(jī)按其收獲方式分為選收機(jī)和統(tǒng)收機(jī)。目前使用的采棉機(jī)多為進(jìn)口選收機(jī)，價(jià)格在100萬(wàn)元/臺(tái)以上，其售價(jià)高、維護(hù)費(fèi)用高且維護(hù)不便，推廣和普及受到很大限制[1]。而統(tǒng)收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)小型化，價(jià)格比較低廉，能被大多數(shù)農(nóng)民所接受。統(tǒng)收式采棉機(jī)的核心部分由采摘系統(tǒng)、風(fēng)送系統(tǒng)、清雜系統(tǒng)和儲(chǔ)棉系統(tǒng)4部分組成。風(fēng)送系統(tǒng)是將采摘系統(tǒng)、清雜系統(tǒng)及儲(chǔ)棉系統(tǒng)聯(lián)系到一起的紐帶，是采棉機(jī)的重要組成部分，該系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到棉花是否輸送通暢以及輸運(yùn)過(guò)程中對(duì)棉花纖維破壞程度。 因此，對(duì)采棉機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究有著重要意義。
采棉機(jī)的工作原理類似吸塵器。由柴油機(jī)作動(dòng)力，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)在風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口產(chǎn)生一定的負(fù)
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(jìn)入采棉機(jī)，這相當(dāng)于人工將棉花從棉枝上采摘下來(lái)。棉花在采棉機(jī)中與空氣流分離，通過(guò)出棉口直接進(jìn)入棉花收集箱，而不含棉花的潔凈空氣通過(guò)風(fēng)機(jī)的排風(fēng)口直接排入大氣中。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所形成的空氣流只起到輸送介質(zhì)的作用，在采棉機(jī)之前，棉花與空氣流共同流動(dòng)，而在采棉后，由于棉花已經(jīng)被分離出來(lái)，所以只有潔凈的空氣經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)。減速機(jī)主要給采棉機(jī)提供動(dòng)力，它將柴油機(jī)的高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)與采棉機(jī)相連，使棉花從采棉機(jī)中連續(xù)輸出。
采棉機(jī)采用風(fēng)力將采摘下的籽棉輸送到棉箱。高壓離心式風(fēng)機(jī)是風(fēng)力輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。在風(fēng)機(jī)
的選型過(guò)程中，針對(duì)風(fēng)力系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能要求以及采棉機(jī)總體設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)機(jī)外形尺寸的限制，對(duì)以上存在的問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)棉花物料特性進(jìn)行研究，對(duì)風(fēng)送系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出更順暢的采棉機(jī)風(fēng)力輸送裝置。
2.結(jié)構(gòu)原理和工作過(guò)程
離心式風(fēng)機(jī)要由葉輪、機(jī)殼、進(jìn)口集流器、導(dǎo)流片、聯(lián)軸器、軸、皮帶輪、電動(dòng)機(jī)等部件組成。旋轉(zhuǎn)的葉輪和蝸殼式的外殼。旋轉(zhuǎn)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(dòng)壓有效地轉(zhuǎn)化為靜壓。
圖2-1 離心式風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)
1-吸氣口；2-葉輪前盤(pán)；3-葉片；4-葉輪后盤(pán)；6-機(jī)殼；6-排氣口；7-截流板；8-支架
采棉機(jī)主要對(duì)采摘物進(jìn)行風(fēng)力輸送，但由于棉桃、棉枝等雜質(zhì)的存在，單獨(dú)使用風(fēng)送系統(tǒng)很難實(shí)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(shè)置少量機(jī)械裝置輔助輸送，采用風(fēng)力、機(jī)械混合輸送的方式。
風(fēng)機(jī)3提供正壓風(fēng)，將采摘下的棉花送入集棉器2，并進(jìn)行橫向機(jī)械輸送，將集棉器中棉花推送至吸棉管道的喇叭口；風(fēng)機(jī)4提供的負(fù)壓風(fēng)將籽棉以及雜質(zhì)吸入6輥清雜機(jī)構(gòu)6，進(jìn)行籽棉與雜質(zhì)的分離；雜質(zhì)經(jīng)旋風(fēng)分離器排出。除雜后的籽棉通過(guò)避風(fēng)器后由風(fēng)機(jī)3提供的正壓風(fēng)吹入棉箱[2]。
圖2-2 風(fēng)送系統(tǒng)原理圖
1-采摘頭；2-集棉器；3-正壓風(fēng)機(jī)；4-負(fù)壓風(fēng)機(jī)；5-旋風(fēng)分離器；6-輥除雜機(jī)構(gòu)；7-集棉箱
3. 風(fēng)送系統(tǒng)參數(shù)的確定
采棉機(jī)風(fēng)送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（包括風(fēng)速大小、空氣流量及管道設(shè)計(jì)）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(chǔ)，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(jī)田間試驗(yàn)測(cè)試可得，統(tǒng)收式采棉機(jī)（3行機(jī)）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(jī)（3行機(jī)）實(shí)際掃掠寬度為c=66×2+10×3+66/2=195.00cm（現(xiàn)機(jī)采棉的播種模式為66cm+10 cm），得
（3-1）
式中 U———單位時(shí)間內(nèi)輸送含雜籽棉的質(zhì)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(jī)采棉單位質(zhì)量所占體積（約 0.027 m3/kg）；
vu———采棉機(jī)單位時(shí)間內(nèi)理論輸送含雜籽棉的體積。因?yàn)楣ぷ髦胁擅迿C(jī)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(shí)間內(nèi)所輸送的含雜籽棉質(zhì)量G物與G氣之比。
因，所以
式中 ρ———空氣密度（kg/m3）；
Q———輸送風(fēng)量（m3/h）。
由此可見(jiàn)，輸送風(fēng)量與混合比成反比，混合比的大小受通風(fēng)機(jī)壓力、氣流輸送方式、輸送距離、輸送風(fēng)速以及輸棉管直徑和物料性質(zhì)等多方面因素的影響。 混合比推薦見(jiàn)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(fēng)速的確定
氣流輸送含雜籽棉，是借助空氣動(dòng)力的作用，籽棉受到空氣動(dòng)力的大小，與空氣對(duì)含雜棉花的相對(duì)速度有關(guān)。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(cè)得本采棉機(jī)所采棉花的懸浮臨界速度如表2所示，考慮到棉花采摘過(guò)程受到溫度、濕度以及成熟度等因素的影響，取臨界速度補(bǔ)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(fēng)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(tuán)棉花（采摘棉）
3.6
6.0
6.2
6.4
7.0
3.3配用風(fēng)量 配的確定
配用風(fēng)量是作為選擇通風(fēng)機(jī)時(shí)的風(fēng)量。 為了保證機(jī)采棉輸送通暢進(jìn)行，應(yīng)考慮到管道漏風(fēng)及其它不利因素的影響，應(yīng)在確定輸送風(fēng)量的基礎(chǔ)上適當(dāng)考慮儲(chǔ)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(fēng)速和輸送風(fēng)量計(jì)算
5結(jié)論
（1）對(duì)于采棉機(jī)來(lái)說(shuō)，雜質(zhì)（尤其是棉花收獲初期棉桃及較長(zhǎng)棉枝）的存在對(duì)含雜籽棉的輸送有很大影響，應(yīng)減小收獲過(guò)程中對(duì)棉花植株的打擊力度，減少雜質(zhì)的輸入量。
（2）由于單朵棉花的重量一般不超過(guò)(包括棉花粘在棉枝上有一定的連接力),因此吸棉口風(fēng)速一般控制在之間，這個(gè)風(fēng)速可以有效的將棉花吸入采棉機(jī)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(wú)毛刺,吸口直徑控制在左右。
（3）輸棉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減小了輸送過(guò)程中對(duì)棉花纖維的破壞，提高了質(zhì)量等級(jí)。
參考文獻(xiàn)
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