前言新疆是我國最大的棉花生產基地，棉花種植已經成為新疆的主導產業。以前，以人工為主的棉花收穫，不僅生產效率低，而且費時、耗資巨大，棉花收穫季節勞動力短缺凸顯。隨著播種面積以及產量的日益增加，近年來國內普遍存在的勞動力短缺問題在新疆顯得更加突出，因此採用機械化採棉技術是實現棉花持續發展的必然選擇。
但目前，使用中的採棉機多為進口產品，由於**、維修費用高和服務不及時等因素的影響，限制了廣泛推廣。因此，採棉機國產化必將是未來新疆採棉機發展的趨勢。
國產自走式採棉機採用風力將採摘下的籽棉輸送到棉箱。離心式風機是風力輸送系統中的關鍵部件。離心式風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力併排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。
經過近幾年的田間採收試驗及理論研究不斷進行和完善，證明國產自走式採棉機的採摘機理合理， 結構理論完善，具有採淨率高、落地棉少等優點；但存在採摘物輸送不暢，易堵塞且含雜率高，難以分離等現象。針對以上存在的問題，本文通過對棉花物料特性進行研究，對離心式風機的選型已及風送系統進行優化設計，最終設計出更順暢的採棉機風力輸送裝置。
目前，國內市場上採棉機主流產品主要有美國迪爾公司、凱斯公司和貴航集團生產的水平摘錠式採棉機。國產採棉機雖各項效能都能滿足要求，但與美國產採棉機相比還有一定的差距，關鍵零部件仍依賴於進口，使用成本大大增加。
(1)國外棉花收穫機械化發展狀況
大約30%的世界棉產量是機器採收:美國、以色列、澳大利亞是世界上全部用機器採棉的國家。早在2023年美國就開始了對採棉機的研究,到20世紀40年代開始批量生產採棉機，而且採棉機由單一行採收發展到多行採收，由揹負式發展到自走式，採棉工藝由一次採收發展到一次採收和分次採收兩種形式。
截止20世紀80年代末，採棉機械化程度已達100%，生產中主要使用水平摘錠自走式採棉機。2023年擁有量達到5萬台由於採用了複雜的靜液壓驅動技術以及維修費用昂貴，採棉機的生產廠家由開始的10多家以減少至2家。前蘇聯2023年開始對採棉機研究，2023年進了水平摘錠採棉機的研究設計,但因結構複雜,採棉部件工藝水平和加工精度高,產品質量達不到設計要求，工作可靠性差，未能推廣。
2023年開始垂直摘錠採棉機的研究，2023年投入批量生產，2023年已擁有3.3萬台。自美國第一台棉花收穫機械出現後，經過不同國家和地區乙個多世紀以來的試驗研究和生產實踐，世界上各種棉花收穫機械專利已達l000多項，採棉機械化已發展成為成熟的技術[1]。
(2)我國棉花收穫機械發展概況
我國對棉花收穫機械的研究始於20世紀50年代，最早出現的是對引進機型進行試驗研究。2023年新疆生產建設兵團引進了37台前蘇聯生產的cxm-.2型雙行垂直摘錠自走式採棉機。
但由於沒有引進相應的清花裝置，採棉機採摘的籽棉因含雜太高而無法使用。為解決美、蘇摘錠式採棉機結構複雜，投資大，甚至機械採棉在經濟上無利的問題，2023年綜述至2023年，中國農機院組織全國60多名科技人員進行國產棉田自動底盤拖拉機及配套採棉機的研製，並自力更生設計、研製、試驗過斜摘輥式摘棉鈴機和氣吸振動式分次採棉部件。2023年以後，在國家科委支援下，新疆科委正式將「採棉機及清花裝置的引進試驗」作為重點科研專案。
2023年新疆生產建設兵團從烏茲別克引進14xb一2.4型採棉機。2023年新疆農機研究所引進美國2022型採棉機。
經過4到5年時間分別進行了試驗分析比較，取得較系統的資料。2023年，國家經貿委和國家科委正式將「棉花生產及加工技術與成套裝置」和「4mz一2(3)型國產自走式採棉機的研製」兩個專案立項，經過3年時間，在兵團、中國農機院、新疆農機化所等單位的共同努力下，國產自走式採棉機和與鐵牛一80型拖拉機配套的揹負式採棉機均已研製出來，4mz一2(3)型採棉機通過鑑定，清理加工裝置也有了第一輪樣機。2023年新疆一生產建設兵團研製的4zt一8型摘棉桃機通過新產品鑑定並投入批量生產。
從2023年開始，國家機械工業局將棉花收穫機作為重點發展的專案[2]。
當前，我國棉花的收穫機械研究及推廣方面存在的主要問題是：(l)棉花種植的品種、行距、株距、種植密度等方面在我國各產棉區存在很大的差異,對棉花收穫機械的研發提出了挑戰。(2)對棉花收穫機械採摘部件工作機理的研究進行得很不充分,新型機具開發困難很大。
(3)對於實施棉花收穫機械的必要性及緊迫性,在思想認識上不統一,投入的科研經費力度不大，導致研究工作裹足不前。(4)對機採棉農藝配套技術的研究不足，不利於機採棉技術的發展。(5)機採棉的質量現沒有國家標準，比人工手採棉降低1～2級，短纖維含量高，雜質多，機採棉市場銷售比較困難，影響了機採棉技術的推廣。
(6)採棉機及清花裝置投資較大,由於一次性投入大,且功能單一,仍然嚴重制約著機採棉技術的推廣[3]。
本課題重點研究：風機的結構設計、引數研究及流場分析。風送系統主要有風機和管道兩部分組成：
風機是輸送系統動力裝置，其必須滿足以下 3個條件:提供足夠的風壓；提供足夠的風速；提供足夠的風量。通過對風送系統設計及風送引數的研究,改善風力輸送環境,確定在風速約多大的情況下採摘物輸送通暢，無堵塞現象。
通過設計以及流場的改善在輸送過程中清除比重較大的雜質，降低棉花含雜率，提高機採棉的品質。
解決思路：設計風機葉輪為獨特的葉片線型，葉片線型為雙圓弧,兩圓弧相切。風機氣動效能的優劣主要取決於葉輪的形式和主要結構引數，這種形式的葉片提供了良好的氣動綜合指標。
工作轉速高，風機效能調節中轉速調節是最重要的調節手段，這為滿足不同效能的使用提供了更大範圍。
主要由葉輪、機殼、進口集流器、導流片、聯軸器、軸、皮帶輪、電動機等部件組成。旋轉的葉輪和蝸殼式的外殼。旋轉葉輪的功能是使空氣獲得能量；蝸殼的功能是收集空氣，並將空氣的動壓有效地轉化為靜壓。
圖2-1 離心式風機基本結構
1-吸氣口；2-葉輪前盤；3-葉片；4-葉輪後盤；6-機殼；6-排氣口；7-截流板；8-支架
風機3提供正壓風，將採摘下的棉花送入集棉器 2，並進行橫向機械輸送，將集棉器中棉花推送至吸棉管道的喇叭口；風機 4 提供的負壓風將籽棉以及雜質吸入 6 輥清雜機構 6，進行籽棉與雜質的分離；雜質經旋風分離器排出。除雜後的籽棉通過避風器後由風機3 提供的正壓風吹入棉箱[4]。
圖2-2 風送系統原理圖
1-採摘頭；2-集棉器；3-正壓風機；4-負壓風機；5-旋風分離器；6-輥除雜機構；7-集棉箱
圖3-1 葉輪的結構
圖3-2 葉片的主要形式
如圖所示，離心風機的主要結構引數如下。
(1)葉輪外徑, 常用表示；
(2)葉輪寬度, 常用表示；
(3)葉輪出口角,一般用表示。葉輪按葉片出口角的不同可分為三種:
前向式──葉片彎曲方向與旋轉方向相同,
3-1）
後向式──葉片彎曲方向與旋轉方向相反,
3-2）
徑向式──葉片出口沿徑向安裝,
3-3）
後向式葉片風機的效率一般在之間，前向式葉片風機的效率在之間。
三種葉片型式的葉輪，目前均在風機設計中應用。(1)前向式葉輪的特點是葉片形狀與空氣在離心力作用下的運動方向完全相反，空氣與葉片之間撞擊劇烈。因此能量損失和噪音都較大，故效率就低。
(2)後向式葉輪葉片的彎曲度較小，而且符合氣體在離心力作用下的運動方向，空氣與葉片之間的撞擊很小。因此能量損失和噪音較小，效率較高，可節約能源。故在現代生產的風機中，特別是功率大的大型風機多數用後向式。
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