曹吉強(qiáng) 程 璐 張純宇 袁少琦 徐 紅

（新疆大學(xué)，新疆烏魯木齊，830046）

新疆是我國的優(yōu)質(zhì)棉花生產(chǎn)基地，1990 年后我國每年三分之一以上的棉花產(chǎn)自新疆；2019 年新疆棉花產(chǎn)量達(dá)500.2 萬噸，占全國84.9%。自1794 年3 月WHITNEY Eli 的軋花機(jī)專利提出至今，棉花初加工設(shè)備研發(fā)從機(jī)械化到智能化，纖維品質(zhì)從工藝優(yōu)化到工藝監(jiān)控，相關(guān)研究一直被眾專家關(guān)注，但結(jié)合新疆區(qū)位氣候特點(diǎn)與棉花加工實(shí)際方面的研究?jī)?nèi)容較為鮮見［1-5］。在棉花初加工的多道工序中，軋花對(duì)纖維性能的影響較大，對(duì)后續(xù)紗線及織物產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)劣起著至關(guān)重要的作用［6-8］。新疆機(jī)采棉在低溫環(huán)境下軋花加工，對(duì)棉纖維原生品質(zhì)的額外損傷直接影響著我國棉花行業(yè)在世界上的競(jìng)爭(zhēng)力。隨著機(jī)采棉的迅速普及，這一問題愈加凸顯，近2 年雖有所改善，但并沒有解決根本問題。

本研究采用文獻(xiàn)分析法，借助中國知網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱CNKI）以及Web of Science（以下簡(jiǎn)稱WOS）對(duì)國內(nèi)外機(jī)采棉初加工相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析研究，結(jié)合近20 年新疆機(jī)采棉初加工現(xiàn)狀，從低溫環(huán)境角度發(fā)現(xiàn)新疆機(jī)采棉初加工存在的問題及相應(yīng)解決對(duì)策，為棉花初加工研究提供參考。

1 機(jī)采棉的初加工總體情況

在CNKI 中，選取“棉花加工”作為檢索關(guān)鍵詞，時(shí)間限制在2020 年以前（含2020 年），共計(jì)檢索出3 030 篇相關(guān)研究文獻(xiàn)，高級(jí)檢索中添加關(guān)鍵詞“機(jī)采棉”，時(shí)間限定為近20 年，篩選出了226篇相關(guān)研究文獻(xiàn)；在WOS 中，時(shí)間設(shè)定與CNKI中相同，以“cotton processing”為關(guān)鍵詞，共檢索出62 511 篇相關(guān)研究文獻(xiàn)，添加精煉檢索結(jié)果“machine-harvested cotton”或“machine pick-up cotton”或“cotton harvesting machine”，有相關(guān)文獻(xiàn)612 篇。

1.1 文獻(xiàn)量分析

通過檢索關(guān)鍵詞得到近20 年關(guān)于機(jī)采棉初加工的文章數(shù)據(jù)，對(duì)CNKI 檢索到的226 篇文獻(xiàn)和WOS 中的612 篇文獻(xiàn)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)每年文獻(xiàn)量分布，具體如圖1 所示。從圖1 可以看出，有關(guān)機(jī)采棉初加工的文獻(xiàn)數(shù)量隨時(shí)間大體呈上升趨勢(shì)，但近2 年有下降趨勢(shì)；從歷年整體數(shù)據(jù)看，該研究方向越來越不被社會(huì)各界重視。在國內(nèi)，相關(guān)研究在2013 年達(dá)到最多，有32 篇相關(guān)文獻(xiàn)；在國外，2017 年有70 篇相關(guān)文獻(xiàn)，近2 年也有所下降。WOS 以及CNKI 中的文獻(xiàn)類型有90%以上為期刊文章、專利和學(xué)位論文，少數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)、圖書和報(bào)紙等。

圖1 近20 年CNKI 和WOS 文獻(xiàn)量分布圖

1.2 研究方向分析

為了更為直觀地了解機(jī)采棉初加工各研究方向所占比例，表1 和表2 分別展現(xiàn)了國內(nèi)、國外各研究方向的占比。

由表1 和表2 可知，國內(nèi)排在前5 名的研究?jī)?nèi)容依次為輕工業(yè)手工業(yè)（48.44%）、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)（16.80%）、農(nóng)業(yè)工程（16.80%）、農(nóng)作物（7.03%）和工業(yè)經(jīng)濟(jì)（5.86%）。其中，輕工業(yè)手工業(yè)占主體地位；細(xì)化研究主題發(fā)現(xiàn)，關(guān)于籽棉回潮率的相關(guān)文獻(xiàn)占比較大，這是棉花初加工中的重要組成部分；國外機(jī)采棉初加工各研究?jī)?nèi)容占比排前5名的依次為農(nóng)業(yè)（30.22%）、設(shè)備儀器（26.90%）、工程技術(shù)（11.73%）、材料科學(xué)（6.36%）、化學(xué)（5.96%）?？梢钥闯觯瑖庋芯恐饕€是分布在農(nóng)業(yè)、設(shè)備儀器和工程技術(shù)等方向，其他還涉及材料科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域。

表1 國內(nèi)機(jī)采棉初加工各研究?jī)?nèi)容占比

表2 國外機(jī)采棉初加工各研究?jī)?nèi)容占比

2 新疆機(jī)采棉初加工現(xiàn)狀

2.1 軋花原理與工藝

WHITNEY Eli 的軋花專利使棉花加工呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。鋸齒軋花機(jī)工作原理為：籽棉通過一個(gè)裝有系列鋸齒的裝置，通過篩網(wǎng)/柵欄軋花；由于篩網(wǎng)/柵欄隔距小，鋸齒將棉纖維從棉籽上鉤拉下來，并將棉纖維拖過網(wǎng)眼/柵欄，從而完成軋花過程。根據(jù)軋花機(jī)的工作原理，將軋花機(jī)分為皮輥軋花和鋸齒軋花［9］；皮輥軋花主要用于長(zhǎng)絨棉軋花，對(duì)纖維性能的損傷較??；鋸齒軋花主要適用于細(xì)絨棉，其對(duì)棉纖維性能損傷較為嚴(yán)重，機(jī)采棉所使用的是鋸齒軋花機(jī)。目前軋花機(jī)也在不斷更新?lián)Q代，如近些年研發(fā)的新型雙鋸?fù)哺弋a(chǎn)軋花機(jī)（HSRG）［10］，與傳統(tǒng)軋花機(jī)相比，棉結(jié)含量與纖維長(zhǎng)度指標(biāo)得到較大改善。

機(jī)采棉軋花加工基本工藝流程［11］：籽棉→重雜物、三絲清理→籽棉烘干→籽棉清理（二道）→籽棉烘干、籽棉調(diào)濕→籽棉清理（二道）→軋花→氣流式皮棉清理→鋸齒式皮棉清理（二道）→皮棉調(diào)濕→皮棉打包→棉包信息采集與自動(dòng)標(biāo)識(shí)。張成梁等［12］采用監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層的構(gòu)架模式，完成關(guān)鍵設(shè)備自動(dòng)化升級(jí)改造，還有學(xué)者提出了在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保生產(chǎn)順利進(jìn)行［13-14］。軋花加工重點(diǎn)關(guān)注加工工藝的智能化控制［15］，尤其在新疆部分區(qū)域機(jī)采棉已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化種植、批量化生產(chǎn)、統(tǒng)一化管理和智能化加工的一體化流水線模式［16］。

2.2 回潮率監(jiān)測(cè)

回潮率是影響棉花初加工中纖維品質(zhì)的重要因素，也是軋花加工研究的熱點(diǎn)?；爻甭蔬^高或過低都對(duì)軋花加工造成不良影響［17-19］；要保證軋花工序順利進(jìn)行，最佳回潮率控制為6.5%～8.5%［20］；在此區(qū)間內(nèi)，棉纖維既有一定的彈性，又能保持強(qiáng)度。目前，測(cè)定棉花回潮率的方法分為直接法和間接法［21-22］，分離線式和在線式兩種方式；離線式主要用于棉花收購、棉花檢驗(yàn)、驗(yàn)收結(jié)算和儲(chǔ)運(yùn)過程中。為了提高回潮率測(cè)量效率，李洋等［23］人設(shè)計(jì)了一種基于PLC 和組態(tài)網(wǎng)的控制系統(tǒng)；賈冬等［24］人提出一種棉包回潮率自動(dòng)檢測(cè)裝置；臧利濤［25］提出了一種解決手持插針式棉花回潮率檢測(cè)方式；董全成等［26］提供了一種新的控制策略，當(dāng)回潮率、籽棉等級(jí)等因素發(fā)生變化時(shí)，實(shí)時(shí)控制棉花喂入量，保持合適的籽棉卷的密度，從而達(dá)到自動(dòng)控制目的。以上檢測(cè)系統(tǒng)、裝置、方式對(duì)檢測(cè)的效率、便捷度及一致性起到較好的推動(dòng)作用，促進(jìn)了回潮率檢測(cè)的發(fā)展，極大的提升了檢測(cè)效率，還節(jié)省了人力和財(cái)力。

2.3 烘干設(shè)備研究

回潮率過高時(shí)需要烘干。籽棉烘干設(shè)備于1930 年［27］在美國開始使用，過度烘干影響最明顯的是棉纖維長(zhǎng)度受損。調(diào)控回潮率的方式就是烘干；BYLER R K［28］在清棉、軋花等加工前把水分控制到合適的范圍內(nèi)，以提高加工質(zhì)量，并研究對(duì)烘干過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制［29］；王昊鵬等［30］人研究了籽棉熱風(fēng)烘干控制干基含水率模型，具有更高的烘干效率和更好的干基含水率一致性。谷國富［31］分析了塔式氣流皮棉加濕機(jī)的特點(diǎn)，皮棉在加濕氣流的輸送過程中被加濕，使皮棉回潮率得到有效控制。

2.4 棉纖維性能損傷

棉纖維性能可以直接反映棉花初加工的質(zhì)量。機(jī)采棉棉花葉屑與雜質(zhì)含量高，在軋花加工過程中清理除雜加工次數(shù)和力度增加，造成機(jī)采棉長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度、短纖維率、斷裂比強(qiáng)度惡化明顯，長(zhǎng)度損失嚴(yán)重，短纖維率過高，斷裂比強(qiáng)度處在極差檔次，對(duì)后道紡紗會(huì)產(chǎn)生十分不利的影響［32］。RAY S J［33］和LE S［34］也 在 研 究 如 何 在 籽棉與皮棉的清理工序提高清理效果、減少纖維損傷等問題；徐紅研究表明，每經(jīng)過一道皮清工序，棉纖維長(zhǎng)度即減少0.5 mm 左右，短纖含量減少0.8 個(gè)百分點(diǎn)～1.5 個(gè)百分點(diǎn)，棉結(jié)數(shù)量成倍增長(zhǎng)；謝占林等［35-37］人研究表明，軋花工序?qū)w維內(nèi)在品質(zhì)損傷最大，占到整個(gè)加工中40%以上，特別是軋花后籽屑顆粒、棉結(jié)數(shù)增幅較大［38-39］。為了 改 善 纖 維 性 能 損 傷 現(xiàn) 狀，BOYKIN J C［40］和MICHAEL S C［41］提出，通過控制回潮率可以改善纖維長(zhǎng)度、強(qiáng)度等性能；李群華等［42］認(rèn)為，需進(jìn)一步推動(dòng)棉花種植方式、加工檢驗(yàn)、采棉設(shè)備方面的技術(shù)進(jìn)步，使棉纖維品質(zhì)質(zhì)量得到保障。

3 機(jī)采棉初加工中存在的問題及解決對(duì)策

3.1 機(jī)采棉初加工存在的問題

首先，軋花加工環(huán)境較差。軋花企業(yè)的生產(chǎn)廠房為造價(jià)低廉的彩板房，缺少基本采暖設(shè)施，且籽棉露天堆放，尤其是在有雨雪的冬季，不附加任何預(yù)處理直接加工。新疆地區(qū)早晚溫差大，手采棉軋花加工的起始時(shí)間為9 月初，機(jī)采棉初加工從10 月10 日左右開始，持續(xù)2 個(gè)～4 個(gè)月，這一時(shí)期室外溫度在30 ℃至-10 ℃，甚至是-20 ℃，低溫下棉纖維力學(xué)性能變化較為明顯，急需關(guān)注此溫度下纖維的性能。

其次，棉纖維在各工段溫度、回潮率不能得到有效控制。實(shí)際軋花加工中，軋花廠超過一半時(shí)間，甚至三分之二時(shí)間生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)溫度低于10 ℃，甚至在0 至5 ℃之間，回潮率往往在5%左右，甚至低至3%，偏低的溫度下棉纖維的平衡回潮率低，棉纖維呈現(xiàn)“內(nèi)干外濕”的狀態(tài)，棉結(jié)、索絲大量增加，且抗打擊能力變差，外濕導(dǎo)致軋花加工時(shí)堵塞機(jī)器，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞設(shè)備。

最后，低溫低回潮軋花對(duì)纖維品質(zhì)影響嚴(yán)重。偏低的溫度下棉纖維的平衡回潮率低，空氣的飽和絕對(duì)含濕量也很低，導(dǎo)致軋花加工時(shí)空氣與籽棉都呈放濕狀態(tài)，使狹小的棉箱中空氣的相對(duì)濕度趨于飽和或過飽和狀態(tài)，導(dǎo)致棉花品質(zhì)明顯降低，即使降速加工，其皮棉質(zhì)量仍難以保證，而且軋花企業(yè)全方位的溫度調(diào)控卻因能耗大、成本高而難以實(shí)施。常溫下軋花可以通過加濕或烘燥調(diào)控軋花前籽棉的回潮率，但是在低溫環(huán)境下加濕并不能使籽棉獲得有利的軋花回潮率狀態(tài)，難以兼顧纖維高強(qiáng)伸性與無纏繞設(shè)備的要求。

3.2 相應(yīng)對(duì)策

首先，從源頭解決采購時(shí)對(duì)棉花含水量的監(jiān)測(cè)。對(duì)于含水率高的籽棉予以退回或分類堆置，即堆放籽棉時(shí)按照分級(jí)分垛原則放置收購的籽棉，貨場(chǎng)遇到雨雪天氣時(shí)用篷布將棉垛蓋上，從外環(huán)境解決棉花回潮率過高或過低的問題。

其次，在籽棉軋花前，了解外場(chǎng)籽棉實(shí)時(shí)實(shí)際回潮率，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，可以在每個(gè)工段采用一種軋花加工的增/測(cè)溫加濕控制方法［43］，監(jiān)控各工段的不同相對(duì)濕度，根據(jù)環(huán)境變化隨時(shí)調(diào)整溫濕度，保證各工段纖維內(nèi)部水分子變化可控，實(shí)現(xiàn)籽棉溫度和回潮率達(dá)到加工要求。

最后，進(jìn)一步革新軋花設(shè)備與工藝，使用具有籽棉加濕控溫的軋花加工新工藝與裝備［44］，對(duì)軋花與皮棉清理工序進(jìn)行保溫調(diào)濕，對(duì)皮棉滑道調(diào)節(jié)回潮率，可有效提高皮棉的綜合等級(jí)；還可使用紅外加熱、遠(yuǎn)紅外輻射入射到纖維表面，輻射能被大部分吸收，纖維吸收的遠(yuǎn)紅外輻射轉(zhuǎn)變成熱能使纖維加熱，通過調(diào)整籽棉處于“內(nèi)濕外干”的狀態(tài)，保證棉纖維有良好的力學(xué)性能與柔曲性，減少對(duì)棉纖維的直接損傷，便于軋花加工。

4 結(jié)語

本研究采取文獻(xiàn)分析法對(duì)新疆機(jī)采棉初加工進(jìn)行了梳理總結(jié)，CNKI 及WOS 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)表明，國內(nèi)外有關(guān)機(jī)采棉初加工的研究文獻(xiàn)近兩年數(shù)量均呈下降趨勢(shì)；同時(shí)，纖維品質(zhì)的下降也說明對(duì)此領(lǐng)域的研究有其緊迫性。

結(jié)合目前新疆機(jī)采棉初加工現(xiàn)狀分析，棉花初加工是棉花產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)重要加工環(huán)節(jié)，其受到設(shè)備、檢測(cè)技術(shù)和外界環(huán)境因素的影響。目前棉花初加工工藝設(shè)備不斷進(jìn)步，向宜于纖維質(zhì)量保證、設(shè)備全流程管理、監(jiān)測(cè)和控制方向發(fā)展。對(duì)棉花初加工現(xiàn)狀的問題，應(yīng)建立企業(yè)自動(dòng)化、智能化、一體化的質(zhì)量管理監(jiān)測(cè)體系，促進(jìn)棉花加工向精細(xì)化、數(shù)據(jù)化、安全化方向發(fā)展，從種植方式、加工檢驗(yàn)、采棉設(shè)備等方面，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；瘷C(jī)采棉生產(chǎn)。針對(duì)低溫低回潮軋花的問題，應(yīng)采用籽棉加濕控溫的軋花加工新工藝與裝備，從而經(jīng)濟(jì)、有效地解決困擾軋花廠的溫控問題。加工設(shè)備的革新及環(huán)境影響仍是目前迫切需要關(guān)注的領(lǐng)域，研究低溫導(dǎo)致低回潮的棉花初加工對(duì)推動(dòng)棉花加工產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)具有重要意義。