棉花加工过程中籽棉预处理关键技术研究

【摘要】棉花从采摘下来的籽棉到加工成皮棉产品大体需要经历3个加工过程,分别是准备、加工和打包。其中,准备过程是指烘干并清理籽棉,也被称为籽棉预处理过程。这一过程主要有两个任务。第一是调整籽棉回潮率,籽棉最适合加工的回潮率是6.5～8.5%,回潮率过低会使棉纤维刚性降低,清理时容易将棉纤维拉断,回潮率过高会增大棉纤维与杂质之间的摩擦力,使得杂质不容易被清理。第二是清除杂质,赴轧籽棉应含有尽可能少的杂质,所以在籽棉预处理过程中应尽量多的清理籽棉中的杂质,但过度的清理也会导致棉纤维损伤,从而降低最终棉花产品的质量。我国棉花种植密度很大,每亩可达到16000～18000株。过密的种植方式给籽棉清理工作带来很多难题。目前棉花采摘大多使用机械采摘方式,由于种植过密,很多棉枝、棉叶、铃壳无法脱落,跟随籽棉一起被采摘。因此棉花加工企业收购的籽棉含杂可高达到20%以上,这就加重了籽棉清理工作的负担。目前我国棉花加工企业的籽棉预处理加工较为落后,主要体现在检测方式落后、加工设备智能化程度低等方面。当前棉花加工企业主要的加工方式是在加工前根据对籽棉的抽检结果调整籽棉预处理设备的关键参数,在加工过程中这些参数不再进行调整。这是一种粗犷的加工方式,设备运行参数无法根据籽棉性状进行实时调整,预处理后的籽棉回潮率一致性差、杂质含量高、棉纤维损伤大,严重影响了最终皮棉产品的质量。尤其是在加工的后期,新疆12月份的气候环境非常恶劣,严重影响了籽棉回潮率等性状,若按前期的加工方案和设备参数加工,则籽棉预处理后的含杂量和回潮率根本达不到轧花加工的要求。针对这些问题,本文对籽棉预处理过程中的籽棉含杂量在线检测、籽棉烘干工艺、籽棉清理工艺等关键问题进行了研究,并设计了籽棉预处理智能控制系统。进行的主要工作如下：(1)根据干燥理论,对籽棉烘干机理进行了研究分析。设计了籽棉热风烘干试验和微波烘干试验,通过试验结果对比分析,提出基于微波-热风联合烘干方式。通过设计的微波-热风联合烘干正交旋转试验建立了籽棉烘干多目标优化控制模型,改进后的烘干工艺有效克服了热风烘干延迟大、能耗大、污染大等缺陷,实现籽棉烘干的多目标优化控制。(2)构建了一种籽棉含杂量在线检测装置,该装置主要由CCD工业相机、镜头、光源和采样机构组成。通过CCD工业相机对籽棉进行图像采样,为保证采样的准确性,该装置的光源必须能提供充足、均匀的光线。采样的图片经过以太网传递给上位机进行图像处理分析。本文在对大量籽棉和杂质采样照片的分析基础上提出了一种基于纹理的籽棉含杂量在线检测算法,该算法不仅可以精确计算出籽棉的含杂总量,还可以识别杂质的种类,以及每种杂质的含量,为实现籽棉清理智能控制奠定了检测基础。(3)对籽棉清理机理及现有清理设备进行了分析,发现不同清理设备主要清理的杂质种类不同,同一清理设备在不同的清理工艺环节中清理效率不同。根据这一特点将所有籽棉清理设备按照工艺环节排序,并将其看成一个整体。分析提取了对棉纤维产生损伤和影响籽棉清理效率的因素,其中最主要的有：一级倾斜式籽棉清理机刺钉滚筒转速、提净式籽棉清理机锯齿滚筒转速、二级倾斜式籽棉清理机刺钉滚筒转速和回收式籽棉清理机刺钉滚筒转速,以这些因素为条件设计了正交旋转试验,通过试验结果建立了籽棉清理多目标优化模型,实现籽棉清理的多目标优化控制。(4)根据本文建立的籽棉烘干和清理多目标优化模型以及籽棉预处理设备的特点设计了籽棉预处理智能控制系统。该系统的硬件结构采用管理层、监控层和现场层3层结构,各层之间采用工业以太网和现场总线相结合的组网技术。该系统软件的控制策略是在建立的籽棉烘干和清理多目标优化模型的基础上提出的籽棉预处理智能控制策略,该智能控制策略以混沌粒子群优化算法为基础,结合籽棉预处理过程的特点,将粒子群进行分组初始化,并对启动混沌机制的判断进行了改进,经过实际生产检验,该智能控制策略能对籽棉预处理过程进行有效控制,优化了预处理过程中各设备运行参数,使籽棉的回潮率一致性更好、含杂量更低、棉纤维损伤更小。本文的研究为籽棉预处理加工提供了重要的理论和技术支持,为实现棉花精细化加工提供了解决方案,对提高我国棉花加工业自动化和智能化水平有较大的理论意义和实际应用价值。
【作者】王昊鹏；
【导师】冯显英；
【作者基本信息】山东大学，机械电子工程，2014，博士
【关键词】籽棉预处理；智能控制；多目标优化模型；混沌粒子群算法；

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