基于采棉机棉流特性的籽棉残膜分离机理与机构研究

This project put forward one opinion that cleaning film residue and harvesting the cotton are implemented in step to solve some problems such as high energy consumption and inefficiency for cleaning film residue. These problems are caused by the difficult opening of film residue in the processing. .Varied bonding state of seed cotton and film residues, material properties of film residues and air kinetics characteristics in pneumatic conveying process of harvester were studied by high speed camera technology and modern test methods.The critical condition of separating seed cotton and film residue was analyzed using regression method; Next, separation mechanism of double mesh rollers and flow separation means were studied numerical simulation and CFD simulation methods. An experimental system was developed; Taking rotational speed of roller, relative position of roller, inlet angle of cotton flow wind speed and pressure as influence factors, the separation effectiveness of film residue for different varieties cottons in the process of harvesting is studied through Orthogonal test, what's more, the structure and the operating parameters would be optimized so as to confirm their effect on separation rate of film residue and drag out rate of cotton. Finally, separation mechanism and mechanical structure of film residue could be studied based on cotton harvester, and this study could provide a theoretical foundation for further studying the separation equipment of film residue.

针对新疆机采棉特殊的异性纤维-残留地膜（简称残膜）在加工环节因开松困难所导致残膜清理能耗高、效果差等问题，提出将残膜清理与棉花机械采收同步实施的解决思路。采用高速摄像技术和现代测试手段对机采棉气力输送过程中不同品种籽棉与残膜的结合状态、籽棉残膜物料特性及空气动力学特性进行研究；运用回归试验方法研究籽棉与残膜分离的临界条件；通过数值模拟、CFD流场仿真，探究双网状滚筒二级传递和气流分离相结合的分离方式及机理，最后构建试验平台，进行正交试验，研究滚筒转速、滚筒相对位置、棉流入口角度、风速和风压等参数对不同品种棉花收获过程中残膜的分离性能的影响规律，优化结构和工作参数，寻求验证以残膜分离率和带出比为目标变量以不同结构参数和工作参数变量的关系函数，最终实现以采棉机为平台，二级网状滚筒和正压风力结合的残膜分离机理与机构的探索研究，为进一步研究设计适于采棉机配套的残膜清理设备奠定理论基础。

本研究采用数值模拟技术、高速摄像技术及现代测试技术对基于采棉机棉流特性的籽棉残膜分离机理与结构进行研究，验证了以采棉机为平台的二级网状滚筒和正压风力结合的残膜分离方案的可行性，并对其结构参数进行了优化设计。主要研究成果如下：（1）采用多种现代测试手段对籽棉、残膜的物料特性及空气动力学特性进行研究，籽棉的悬浮速度范围为2.6 m/s～2.9m/s，残膜的悬浮速度范围为0.6m/s～0.8 m/s，适合籽棉残膜分离的速度范围需介于0.8m/s～2.6 m/s之间，籽棉与网状滚筒之间的摩擦系数μ=0.75；（2）提出了“二级网状滚筒+正压风力”籽棉残膜分离解决方案，建立虚拟样机进行数值模拟分析，并最终制作出试验参数可调的物理样机；（3）借助虚拟仪器技术和传感器技术设计搭建籽棉残膜分离装置测试系统，通过将系统采集数据与测量仪表数据对比得到，大、小滚筒转速采集值的相对误差小于0.68%，平均相对误差小于0.29%; 风速采集值的相对误差小于8.95%，平均相对误差小于4.67%，系统测试精度可以满足机采籽棉残膜分离装置流场在线分析测试的实际要求；（4）为优化装置参数，设计了机采籽棉残膜分离效果影响因素仿真与试验，借助CFD仿真和试验相结合的研究方法，确定了装置最优结构和工作参数（大、小网状滚筒分别为100r/min、120r/min；网状滚筒轴线夹角为35°；入口角度为25°；入口风速6m/s）；（5）为实现采棉机源头清除残膜等异性纤维杂质，设计并搭建了摘锭式采棉机配套残膜分离试验装置，并对采棉机输棉管道棉流特性研究，利用高速摄像技术能够准确采集到采棉机输棉管道内籽棉棉流速度约为17m/s；（6）为探究不同入口风速对籽棉带出比的影响，设计了籽棉残膜分离装置关键区域数值模拟与试验，研究表明入口速度为4.0 m/s时，分布在0.8～2.6 m/s范围内速度值所占的比例分别为 85%～86%，籽棉最不容易被带出；（7）为研究分离装置不同孔隙率网状滚筒对籽棉残膜分离效率的影响，对市场中选定四种不同孔隙率筛网材料进行建模分析，研究表明，孔隙率越大，网状滚筒外表面风速越大，残膜与网状滚筒吸附性越好，孔隙率为70%的筛网孔径尺寸大于籽棉的横向尺寸，不适用于实际生产，所以本研究的网状滚筒的孔隙率最终确定为65%。本课题的研究成果理清了基于二级网状滚筒和正压风力结合的残膜分离机理，找到了影响分