棉花加工中气力清杂多相多介质耦合的多场特性研究

In cotton processing, machinery-type cleaning seriously damaged cotton fiber to remove foreign matters and obtain pure cotton fiber. So this cleaning way had serious effects on textile product quality. But air-type cleaning could effectively reduce fiber damage that caused by mechanical parts. This project got input from that the coupled characteristic, physical characteristic of cotton fiber and foreign matters, multimedia coupled characteristic of two-phase gas-solid flow field, multi-body dynamics system of air-type and machinery-type synergistic cleaning, and the research about mechanism of air-type cleaning would be carried out. The research contents of project included that researching coupled characteristic, physical characteristic of cotton fiber and foreign matters by theoretical analysis and experiment measure to build mechanical model; researching gas-solid coupled characteristic and gas-solid-machinery multi-field coupled characteristic to build dynamic model of flow field and gas-rigid-flexible coupled multi-body dynamics model; building multi-factor optimizing control model about mechanical structure parameters, flow field characteristic parameters, and cotton fiber character parameters based on reliable mathematical model. By researching flow field, flexible material field, and mechanical field characteristic, the project could provide theoretical support for improving efficiency and automation of air-type cleaning, and also for optimization equipment development and improvement of air-type cleaning.

目前棉花加工中采取的用机械部件清除杂质，获取纯净棉纤维的方式，使棉纤维损伤较为严重，对纺织产品质量产生了严重影响，而通过气力方式清杂则可有效减轻机械部件对棉纤维的损伤。本课题以气力清杂中棉纤维和杂质的耦合特性、物理特性、气固耦合特性以及气力机械力协同清杂的多体动力学系统为研究对象，对气力清杂进行基础理论研究。具体内容包括：理论分析与实验测量棉纤维和杂质的耦合特性、物理特性，建立模型；研究气力清杂中的气固耦合特性，气、固、机多场耦合特性，进行流场动力学建模以及气-柔-刚多体动力学系统建模；在可靠数学模型基础上，建立基于机械结构参数、流场特性参数以及棉纤维性状参数的多因素气力清杂优化控制模型。本课题旨在研究气力清杂基础理论过程中，通过对流场、柔性物质场、机械场的耦合特性分析，为提高气力清杂的清杂效率和自动化应用奠定理论和技术基础，优化气力清杂设备的研发与改进。

随着人力成本上升，机械化采摘棉花变的越来越广泛，但给棉花加工带来了难题。机采棉由于含杂率、回潮率较高，在棉花加工阶段需要增加机械清理环节，才能使加工出的皮棉含杂率达到合格水平，但是过度机械清理，会对棉纤维造成巨大损伤。气力清杂采用惯性离心分离的方式清除杂质，能够有效清除不孕籽、破籽、棉结以及索丝等重杂，清杂过程对棉纤维损伤较低，但其清理效率较低，且衣分损失较大。提高气力清杂在棉花清理中的比重，解决效率低下，衣分损失较大的弊端，是提高机采棉皮棉品质的重要途径。课题研究首先从气力清杂机理展开，通过分析，得出气流式皮棉清理机的入口风速、出口压力以及排杂槽口宽度等工艺参数对清理效率和衣分损失具有重要影响。气力清杂过程中，棉纤维和杂质由于所受惯性离心力大小不同而产生不同的运动轨迹，因此课题对棉纤维和杂质在气流作用下的受力及运动规律进行了分析，通过建立其动力学方程，揭示了棉纤维和杂质的运动速度、排杂槽口位置以及宽度、管道弯曲半径以及角度等因素对清理效率和衣分损失的影响规律，在理论分析的基础上，采用数值模拟方式分析了进口风速、出口压力以及排杂槽口宽度对气流式皮棉清理机内部流场特性，以及棉纤维和杂质运动轨迹的影响。棉纤维由于天然扭曲而造成的镶嵌和勾拉作用，会使其和杂质耦合在一起，通过排杂刀的冲击作用，会使部分和棉纤维弱耦合在一起的杂质实现脱离，课题对棉纤维、杂质以及排杂刀之间的受力与运动关系进行了分析，在此基础上构建了动力学模型，以杂质脱离和棉纤维损伤作为切入点，揭示了入口风速、排杂角、排杂刀刃角等工艺参数和结构参数对杂质清理效率和棉纤维损伤的影响规律。课题研究的成功实施，能够显著提高气力清杂的清理效率，降低衣分损失，可为气力清杂设备的结构改进和工艺参数优化提供理论依据，这也有助于棉花加工自动化、智能化的发展，也符合最新的国家发展智能农业、精细农业的政策需求。