基本信息
- 项目名称：
- 机采棉残膜分离装置
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 棉花产业是新疆及兵团的支柱产业之一，由于特殊的“地膜栽培”模式，导致机采过程中混入大量地膜，不仅降低了棉花加工质量，增加了后续棉纺企业除杂的难度，同时给企业带来巨大的经济损失。目前地膜的分拣主要靠人工实现，劳动强度大、效率低、成本高，制约了棉花产业的发展。 该作品把静电技术与化工中常用的流化技术进行有机集成，基于籽棉与残膜荷电特性以及流化特性的差异，解决了基于计算机视觉技术难以检测剔除的难题，最终在空气流化场和静电场的共同作用下实现残膜与棉花的有效分离，实现了籽棉残膜分离的机械化，促进棉花产业健康快速发展。 性能指标： 电压：AC380V功率：≤15KW残膜分离率：＞80%生产率 ：8~10 T/h。
- 详细介绍：
- 一、概述 1、任务来源 国家大学生创新性实验计划项目重点资助项目，指导老师：坎杂、张若宇，参加学生：安红磊、胡万超、孟繁碧、彭涛，年限1年，资助经费2万元。 2、主要研究内容 （1）籽棉与残膜之间静电特性、流化特性的差异研究 （2）残膜分离装置关键部件的研究与开发 （3）籽棉残膜分离试验研究 3、解决的关键技术及难点 关键技术：静电发生器的电压和电流的精确控制;风和静电耦合场作用时，不同静电电压、流化风压、分量等主要工艺参数及主要结构参数最优组合。这两点分离设备设计中需要解决的两个关键技术问题。 技术难点：风和静电耦合场作用时，不同静电电压、流化风压、分量等主要工艺参数及主要结构参数最优组合的寻找。 4、创新点 （1）实现了机采棉加工中籽棉残膜分离的机械化，避免经多道清杂工艺使得残膜被打碎混入皮棉，降低后续纺织企业除杂的难度。 （2）把静电技术与化工中常用的流化技术进行有机集成，基于籽棉与残膜荷电特性以及流化特性的差异，实现残膜有效分离，解决了基于计算机视觉技术难以检测剔除的难题。 5、技术特点和优势 （1）由于该装置采用了流化技术和静电技术有集结合，基于籽棉与残膜荷电特性以及流化特性的差异，实现残膜有效分离，解决了基于计算机视觉技术难以检测剔除的难题。 （2）实现了机采棉加工中籽棉残膜分离的机械化，避免经多道清杂工艺使得残膜被打碎混入皮棉，降低后续纺织企业除杂的难度。 （3）结构简单，使用、维护、调整方便，故障少，效果好。 6、主要技术指标 生产率：8-10 T/h， 残膜分拣率：＞80%， 功率：≤15KW， 电压 ：AC380V。 二、项目研究的目的及意义 棉花是关系国计民生的战略物资，也是仅次于粮食的第二大农作物，与13亿群众的生活和1.5亿棉农的利益息息相关，对国民经济的发展有着重要影响。 新疆是我国棉花生产的主要基地，棉花产量约占全国总产量的40%。棉花作为新疆的支柱产业，其生产事关农村增效，农民增收，事关新疆经济和地区稳定，在新疆经济建设中具有重要的战略地位。随着植棉面积的增加和产量的大幅提高，棉花采收劳动力短缺问题日益突出。为此，新疆兵团从1996年就开始探索推广机采棉技术，机采面积也在逐年提高，已经从2001年的28.2万亩发展到2007年的100余万亩，预计到2010年，兵团80%以上（约500多万亩）的棉田将实现机械采收。由于新疆特殊的增产种植模式（铺膜播种）导致机采过程中缠绕混入大量的地膜。残留地膜的大量混入，是导致机采籽棉异性纤维含量超标（吨含量要求≤3g），质量等级下降的主要因素之一。 棉花中的异性纤维是指在籽棉生产、加工和流通过程中混入棉花中的对棉花及其制品质量有严重影响的非棉纤维，如化学纤维、毛发、丝、塑料膜（绳）、染色线（绳、布块）等，有色纤维、化学纤维、毛发俗称“三丝”。混入籽棉中的异性纤维，容易被打碎成散落单纤维，在纺织加工中难以清除。纺纱时，散落单纤维容易使棉纱断头，降低生产效率；织布时，影响布面质量；染色时，因着色不同，影响外观，对棉纱和布面的质量造成了很大危害。因印染棉布、棉纱时，棉纤维与异性纤维着色率不一致，导致棉纺布料染色时出现明显“疵点”和色斑，造成大批残次品，直接影响正常的生产秩序和外贸出口。异性纤维的存在给企业带来的经济损失不可估量，据统计，一个中型棉纺企业，每天要用300～400人挑拣棉花“三丝”等异性纤维，每年需付出用工人员工资高达200多万元。新疆天山棉纺厂是一个全年用棉4万多吨的企业，拣“三丝”的工人达700人，年增加生产成本近4000多万元，大大降低了企业的竞争力。 随着机采面积的逐年增加，机采棉加工质量亟待提高。现有机采棉清花设备无法有效剔除残膜等异性纤维，同时经多道清杂工艺使得残膜被打碎混入皮棉，这样更增加了后续纺织企业除杂的难度。目前主要依靠人工进行分拣，劳动强度大，费时费力，同时严重阻碍了机采棉技术的推广进程。 为此，针对新疆机采棉加工中存在的特殊的异性纤维问题，结合新疆机采棉生产加工工艺特点，研究开发一套行之有效的籽棉异性纤维分离设备十分必要。 本项目完全符合《国家中长期科学和技术发展纲要（2006-2020年）》中重点发展领域部分的第4类农业中，关于优先发展（23）多功能农业装备与设施，及第5类制造业中，关于优先发展（28）流程工业的绿色化、自动化及装备，重点发展可以重点发展农产品精深加工、产后减损和绿色供应链产业化关键技术，开发农产品加工先进技术装备及安全监测技术。符合《兵团中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》指导思想，尤其符合《关于新疆兵团“十一五”机采棉技术推广工作的意见》第二条机采棉技术推广工作的主要措施中“（四）加快机采棉清理加工生产线更新改造步伐，积极培育机采棉品牌。”的指导思想，解决目前制约机采棉加工过程中残膜含量超标的技术难题。 三、样机的的设计与研制 （一）设计原则 1、“四性”统筹。即可靠性、实用性、先进性与经济性统一辨证地考虑，以可靠性满足工作性能为基础，力求经济实用、结构简单和先进。 2、循序渐进。该机的设计严格遵守从实际出发，由易到难，由简到繁，功能由不完善到完善的原则。整个设计过程被合理地划分为几个阶段，下一阶段的研制是对上一阶段研究成果的总结和完善。 3、人机兼顾。即把人的因素考虑进来，处处为使用者着想。 4、综合辩识。即设计、制造、使用、维修和保养等全面综合分析，贯穿到作品中去。 （二）残膜分离机作业的技术要求 通过研究籽棉中混有残膜的具体情况的调研，及国内外籽棉残膜分离技术的现状及趋势，依据棉花加工的技术要求，制定残膜分离机作业技术要求。 机采棉的残膜等异性纤维的分离指标按照国际先进水平要求设计，对于我国制定异性纤维的分离技术标准的制定有着重大的促进作用。可望在剔除率、棉花企业加工技术条件、杂质剔除工艺流程、加工设备、技术经济指标、加工技术管理、节能降耗、卫生与环境等方面制定相应的标准和规范，对现有国家规范起到规范和提升作用。 （三）残膜分离机作业工艺的确定 目前机采棉与残膜分离作业机具在国外和国内均尚属研究不成熟，为适应籽棉残膜分离工艺加工的需要，残膜分拣率＞80%，功率≤15KW，电压 380V。 （四）整机方案确定与设计 根据机采棉与残膜的混合状态调研分析和二者的物料特性及带电情况研究，借鉴化工中的流化床原理，最终将装置的方案确定为“空气流化技术+静电技术”，实现二者有效分离。 （五）样机制作 截至2009年4月，项目组已研制完成简易试验装置一台、完善后试验装置一台。并已经申请国家专利两项（专利受理号：发明200810073014.0；实用新型200820228810.2）。 四、推广前景分析及经济效益预测 预期成果对社会经济发展及行业技术进步具有重要的支撑作用。对于棉花当中的非棉纤维的检测与剔除现在正得到各个生产厂家的重视，它对于提升整个企业的生存竞争能力是非常重要的，具有显著的经济社会效益和广阔的市场空间。 （1）可靠的政策导向。依据《兵团中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》和《关于新疆兵团“十一五”机采棉技术推广工作的意见》精神和指示，研究开发推广技术及装备是兵团机采棉配套新技术研究攻关重点。机采棉异性纤维检测与分离设备作为机采棉配套清杂技术及装备的重要组成部分其研究开发必将得到各级部门及专家的高度重视和支持。 （2）广阔的市场空间，显著的经济效益。依据兵团“十一五”规划目标，截至2010年，机采棉计划采收面积达500万亩，机采棉清理加工生产线154条，机采棉加工能力达到90万吨。可以看出，兵团对该技术装备的需求量巨大。随着机采棉技术的快速推广，如该技术和装备在新疆乃至全国其他棉区得到运用推广，其市场空间更大，经济效益和社会效益更加显著。 （3）本作品所取得的主要成果将对机采棉残膜等异性纤维的分离提供可靠的技术支撑，同时为确保机采棉原棉质量，打造机采棉原棉品牌，推动机采棉事业的快速发展都有着积极的推动作用。 （4）本作品所取得的主要成果除了对机采棉残膜等特殊的异性纤维的分离提供可靠的技术支撑，还可以用于人工手采棉花的加工中头发丝、塑料绳等难以检测的轻质异性纤维的分离。可以辐射到新疆及全国棉花加工环节中，提升原棉质量，增加棉农收入，有力促进棉花产业的发展。 （5）棉纺企业为剔除异性纤维，维持正常生产，尽量减少由于异性纤维所带来的经济损失，不得不组织专人进行清拣。一个中型棉纺企业，每天要用300-400人挑拣异性纤维，每年需付出清拣人员工资高达200多万元。如广东省佛山市中发棉纺织企业有限公司，以每挑拣lkg棉花0. 45元计工资每吨拣花费为450元，仅此一项每年就增加成本270多万元。安徽省安庆棉纺织厂，1998年挑拣异性纤维用工达7万个，挑拣出异性纤维27. 2公斤，投入300多万元，剔除一克异性纤维的代价几乎相当于一克白金的价值。本项目的实施，避免经多道清杂工艺将老化残膜等异性纤维打碎混入皮棉，有力提高棉纺原棉质量，降低棉纺企业成本，有力促进棉纺产业的快速发展。 如将此技术在全国推广，经济效益更为可观。 综上所述，本项目的实施对提升原棉质量、增加棉农收入、降低棉纺企业加工成本，增强企业竞争力都具有及其重要的意义。本项目的实施完全符合国家机采棉加工配套技术的市场要求，具有广阔的市场空间、显著的经济效益和良好的社会效益。 六、结论 1、该机结构简单，使用、维护、调整方便，故障少，效果好。 2、由于该装置采用了流化技术和静电技术有集结合，基于籽棉与残膜荷电特性以及流化特性的差异，实现残膜有效分离，解决了基于计算机视觉技术难以检测剔除的难题。 3、实现了机采棉加工中籽棉残膜分离的机械化，避免经多道清杂工艺使得残膜被打碎混入皮棉，降低后续纺织企业除杂的难度。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、设计、发明的目的 新疆是我国棉花生产的主要基地，棉花产量约占全国总产量的40%。由于新疆特殊的“地膜栽培模式”导致机采过程中混入大量的地膜。残膜的混入，是导致机采籽棉异性纤维含量超标（吨含量要求≤3g），质量等级下降的主要因素之一。为此，针对新疆机采棉加工中存在的特殊异性纤维问题，研制一套行之有效的籽棉异性纤维分离设备十分必要。 二、设计、发明的基本思路 收集国内外相关技术资料，通过对兵团已引进设备的调研，在消化吸收国内外先进技术的基础上，根据机采棉加工工艺的实际要求，优化组合确定作品设计方案。将静电技术与流化技术有机集成，通过静电流化特性理论分析、分离装置仿真分析，完成籽棉残膜分离机理、装置结构参数优化等方面的研究，不断完善各项技术，最终设计出适应机采棉中残膜分拣的需要，具有独立知识产权的籽棉残膜分离装置，最后进行样机调试及性能参数改进，完善作品。 三、创新点 （1）实现机采棉加工中籽棉残膜分离的机械化，避免经多道清杂工艺使得残膜被打碎混入皮棉，降低后续纺织企业除杂的难度。 （2）把静电技术与流化技术有机集成，基于籽棉与残膜荷电特性以及流化特性的差异，实现残膜有效剔除。 四、关键技术及难点 风和静电耦合场作用时，不同静电电压、风压等主要工艺参数及结构参数最优组合。 五、主要技术指标 分拣率：＞80%，生产率：8-10 T/h，功率：≤15KW，电压：AC380V。
科学性、先进性
- 机采棉残膜分离装置是集机械技术、流化技术和静电技术于一身的新机型，具有较高的科技含量。与现有技术相比除了使用空气漂浮作用还采用静电技术，把静电技术与化工中常用的流化技术进行有机集成，基于籽棉与残膜荷电特性以及流化特性的差异，实现残膜有效分离，解决了基于计算机视觉技术难以检测剔除的难题。 优先发展流程工业的绿色化、机械化、自动化及装备，可以重点发展农产品精深加工、产后减损和绿色供应链产业化关键技术，开发农产品加工先进技术装备及安全监测技术。本作品的成功研发，将辐射到全国的棉花加工基地，对我国棉花质量的及国际竞争提升具有较大帮助。
获奖情况及鉴定结果
- 1、2008年10月成功获批兵团科技支疆项目； 2、2008年10月26日成功申请国家大学生创新性实验计划项目； 3、2008年申请专利2项（发明专利和实用新型各1项），并已经被受理； 4、2009年5月24日在新疆自治区第十一届挑战杯比赛中获得一等奖； 5、2009年5月，作品得到国家科技部专家组的莅临指导，受到专家一致好评“解决了地膜基于视觉技术难以检测剔除的难题”。
作品所处阶段
- 目前已研制完成简易试验装置一台、完善后试验装置一台。申请国家专利两项，作品处于样机小试阶段。
技术转让方式
- 合作开发
作品可展示的形式
- 文字、图片、视频等材料
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 一、技术特点和优势 1、装置将流化技术和静电技术有机结合，基于籽棉与残膜荷电特性以及流化特性的差异，实现残膜有效分离，解决了基于计算机视觉技术难以检测剔除的难题。2、实现机采棉加工中籽棉残膜分离的机械化，避免经多道清杂工艺使残膜被打碎混入皮棉，降低后续纺织企业除杂难度。 二、适应范围 本作品适应于除了对机采棉残膜等特殊的异性纤维的分离提供可靠的技术支撑，还可以用于人工手采棉花的加工中头发丝、塑料绳等难以检测的轻质异性纤维的分离。 三、推广前景分析 1、作品有很好的经济效益：（1）降低成本，增加企业收入；（2）提高了分选效果，改善产品质量。 2、良好的政策扶持，巨大的市场需求：（1）新疆是我国棉花生产的主要基地，棉花产量约占全国总产量的40%，棉花的加工质量直接影响棉农收入、棉花加工企业的竞争力；（2）本作品拥有自主知识产权的核心技术，可扩展改进应用于其它农产品。
同类课题研究水平概述
- 目前国外异性纤维的检测及清除主要是针对纺纱环节，选别对象主要为混入的有色异性纤维（棉花三丝），主要以德国特吕茨勒公司的SCFO异性纤维检测及分离装置、德国Trutzschler公司的SECUROMAT SC、瑞士JOSSI公司的“第四代”异纤捡出设备、瑞士Loepfe公司的Cotton Sorter和意大利Loptex公司的Cotton Sorter等产品为代表，这些产品均是采用图像传感器或光电检测，高速气阀阵列排除方式达到剔除异性纤维的目的。 国内关于棉花中异性纤维的检测方法的研究主要集中在北京工业大学、合肥工业大学、西安理工大学、清华大学及中科院自动化所等科研单位。研究主要是跟踪国外的检测技术，针对轧花后纺纱环节的异性纤维的检测与剔除。图像检测识别技术对有色异性纤维的检测效果相对理想，但是对白色塑料薄膜等接近棉花颜色的异性纤检测仍存在很大困难。从市场上出现的产品情况看，目前国内厂家大部分是参照力达公司下属的Jossi公司产品，也有少数参照Toptex公司产品，异纤识别率较低。而参照较多的是Jossi公司的早期产品，主要以台湾明正公司的DG--2000A异纤检测机、香港至德(POINTHOPE)公司的BARCO棉花分捡机、上海中纺宝达科技有限公司的ZYG-048棉花异型纤维自动检测清除系统及大连贵友科技有限公司的CS-2型COTTON SORTER异物检出装置等产品为代表。 从目前市场上出现的国内外产品来看，棉花中异性纤维的检测方法主要采用图像识别和光电检测，并且研究主要集中在轧花后纺织行业皮棉的开清棉工序中。而针对机采棉异性纤维问题，江苏南通棉花机械有限公司开发了专利产品MQHY 型籽棉异性纤维清理机。该分离设备主要依靠物料漂浮特性达到残膜与籽棉的分离，但分离效果不佳，目前机采籽棉残膜分拣还主要依靠人工进行。 本作品主要根据棉花和残膜荷电特性及流化特性的差异，在静电场和空气场共同作用下，达到棉花和残膜的分离，最终实现籽棉残膜有效剔除，提高机采棉加工质量，推动机采棉技术的快速推广。
