第一节开松与除杂的原理_纺纱学（第2版）-QQ阅读女生短篇网

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第一节开松与除杂的原理

开松作用就是利用表面带有角钉、锯齿、梳针或刀片的运动机件对纤维块进行撕扯、打击、分割，将大的纤维块逐步松解成小的纤维块、纤维束的作用。

开松过程中要注意可纺纤维的损伤问题，因为开松过程中的机械作用不可避免地会造成纤维的断裂，需要在开松过程中合理配置工艺，在实现原料充分开松的基础上，尽可能减少纤维损伤。

一、开松作用的原理

根据原料喂给方式的不同，开松可分为自由开松和握持开松两种形式；按机械作用方式的不同可分为撕扯、打击和分割开松三种形式。

（一）自由开松

原料在无握持状态下受到开松机件的作用称自由开松，按对原料的作用方式分为自由撕扯和自由打击。

1.自由撕扯

自由撕扯包括由一个运动着的角钉机件或两个相对运动着的角钉机件对处于自由状态下的纤维块进行撕扯作用。撕扯的先决条件是角钉具有抓取纤维的能力。

（1）一个角钉机件对原料的撕扯作用。如图3-1（b）所示为自动混棉机的角钉帘在抓取和撕扯棉块时的受力情况，图3-1(b)中P为棉堆压向角钉的垂直压力，与植钉平面平行；A为角钉帘向上运动时周围棉块的阻力，也与植钉平面平行；T为水平帘输送的原料对角钉帘的水平推力，与植钉平面垂直。设三力的合力为W，它可分解为沿着角钉工作面方向的分力S和垂直角钉工作面的分力N，分力S指向钉内，称为抓取力，分力N与角钉及棉块的摩擦作用形成抓取阻力。若角钉工作面与植钉面间的夹角为角钉工作角α，则有：

S=Pcosα+Acosα+Tsinα

N=Psinα+Asinα-Tcosα

由以上两式知：α减小，则抓取力S增加，N减小，有利于角钉刺入棉堆抓取纤维块。

图3-1 角钉帘的结构及一个角钉抓取和撕扯棉块时的受力情况

（2）两个角钉机件对原料产生的撕扯作用（见动画3-1）。如图3-2所示为自动混棉机的角钉帘和均棉罗拉之间的作用情况。由于两个机件间隔距较小，所以它们之间能形成对棉块的撕扯作用。图3-2中a、b两点分别代表角钉帘与均棉罗拉对棉块的作用点。将角钉对棉块的撕扯力F分解，则可得沿角钉方向的分力S（抓取力）与垂直角钉方向的分力N（正压力），其大小为：

S=Fcosα

N=Fsinα

式中：α──角钉与帘子平面间夹角，即角钉的工作角。

图3-2 两个角钉的扯松作用

S为使棉块沉入角钉根部的分力，N为棉块压向角钉产生的正压力，P是由N引起的摩擦阻力，阻止棉块向角钉根部移动，其值为：

P=μN=μFsinα

式中：μ──棉块与角钉间的摩擦系数。

要使角钉具有抓取能力，则必须使S>P，即：

由式（3-1）可见，减小角钉工作角α，可使角钉抓取棉块的作用增强，但α过小，棉块被抓入钉内过深，则影响纤维脱离角钉帘。棉纺中，α一般采用30°～50°。由于纤维长度和状态的差异，不同纺纱系统中角钉帘子的α角不同，如毛纺系统的自动喂毛机角钉帘子中α为45°～60°。

2.自由打击

原料在无握持状态下受到高速打击机件（如带有刀片、角钉等的回转机件）的打击作用而实现纤维块松解的过程，称为自由打击。如轴流开棉机打手的作用及三锡林开毛机锡林之间的作用（见动画3-2）。通常情况是纤维块在气流中运动，由于打击机件的运动速度远远大于纤维块的运动速度，因而产生自由打击（撞击）作用，引起振荡，使纤维块松解。

图3-3 纤维块受自由打击时的受力情况

如图3-3所示为纤维块受到自由打击时的受力情况。设纤维块是由彼此相互联系着的两部分组成，质量中心分别在A、B处。P为机件对纤维块的打击力，其方向沿着打击机件运动轨迹的切线方向，可分解为P₁与P₂，P₁在A和B的连线上，对纤维块起到开松的作用。当P₁大于纤维块A、B间的联系力时，纤维块被分解成两部分；当P₁小于纤维块联系力时，纤维块沿打手速度方向运动或在P₂力作用下绕B点旋转，避开打手的作用，因而可减少纤维损伤。

自由开松的作用较缓和，纤维损伤少，杂质破碎也少，适用于开松的初始阶段。

（二）握持开松

原料在被握持状态下，受到开松机件的作用称握持开松。开棉机、清棉机的打手与给棉罗拉之间，开毛锡林与喂毛罗拉之间以及绢纺开绵机的喂绵刺辊与持绵刀之间等，均为握持状态下的开松作用。按对原料的作用方式，握持开松可分为握持打击和握持分割。

1.握持打击

采用高速回转的刀片打手对握持状态下的原料进行打击，使原料获得冲量而被开松，称为握持打击（见动画3-3）。

如图3-4所示为棉纺清棉成卷机上给棉罗拉与打手之间的开松状态。给棉罗拉慢速将棉层喂入机内，高速回转的打手（综合式打手见动画3-4）打击给棉罗拉钳口外露的棉层，打击力P沿打手运动轨迹的切线方向。棉层受到打手的打击，使外露纤维须丛获得打击强度而被松解为较小的纤维束，一些杂质被分离出来。打击强度通常用打击次数来衡量。

图3-4 握持状态下打手打击力分析

打击次数是指单位重量纤维层上接受刀片的打击次数。打击次数多，则开松作用好。其计算式为：

式中：S──打击次数，次/g；

K──打手刀片数；

n──打手转速，r/min；

v_n──纤维层每分钟喂入长度，cm/min；

W──喂入纤维层每厘米重量，g/cm。

由上可以看出，打击次数与打手转速、刀片数成正比，与纤维层每分钟喂入长度成反比。每次喂入的定量轻、长度短，则扯下的纤维束小，也有利于开松，但产量会降低。

握持打击对原料作用剧烈，开松与除杂作用比自由开松强，但纤维损伤与杂质破碎比自由开松严重。握持打击时，刀片不能深入纤维层内部，打击后纤维块重量差异较大，故握持打击后还需进行细致的开松。

图3-5 锯齿刺入纤维层时的受力情况

2.握持分割

握持分割是靠锯齿或梳针刺入被握持的纤维层内，对纤维层进行分割，使纤维束获得较细致的开松。分割机件常采用表面包有金属针布或植有梳针的打手或滚筒。

（1）锯齿刺入纤维层的条件。锯齿能否顺利刺入纤维层，是决定开松效果的首要条件。如图3-5所示为锯齿刺入纤维层时受力情况，当锯齿刺入纤维层时，纤维层对锯齿有沿滚筒圆周切向的反作用力P，可分解为垂直于锯齿工作面的分力N和平行于锯齿工作面的分力Q。分力Q有使纤维沿锯齿工作面向针根运动的趋势，当纤维沿锯齿工作面运动时，分力N便会产生阻止纤维运动的摩擦阻力T，方向与Q相反。若Q≥T时，纤维沿锯齿工作面向齿根运动，锯齿能刺入纤维层进行分割。锯齿刺入纤维层时的具体分析如下。

N=Pcosβ

Q=Psinβ

T=μN

式中：β──锯齿工作角的余角，即锯齿工作面与锯齿顶点至锯齿滚筒轴心连线间夹角，α+β=90°；

μ──锯齿与纤维间的摩擦系数。

要使锯齿顺利刺入纤维层进行撕扯，必须满足Q≥T。即：

Psinβ≥μPcosβ

tanβ≥μ

tanβ≥tanφ

β≥φ

式中：φ──纤维与锯齿摩擦角。

可见，减小工作角α（即增大β），对锯齿刺入纤维层进行开松有利；但α过小，对锯齿排杂和纤维转移不利，易造成返花（即纤维随着打手的回转又回到喂入处）。

（2）锯齿握持纤维的条件。锯齿不仅对纤维层进行分割，而且还要求锯齿能携带纤维向前输送，避免纤维束脱离锯齿而成为落纤。要实现锯齿携带纤维前进，锯齿必须满足握持纤维的条件。

图3-6 锯齿握持纤维的受力情况

锯齿握持的纤维束所受的力有沿锯齿滚筒半径方向的离心力F、垂直于锯齿滚筒半径方向的空气阻力R、锯齿对纤维的作用力N（方向与锯齿工作面垂直）和阻止纤维被抛出的摩擦力T（图3-6）。

由力的平衡可知：

Fsinβ+Rcosβ=N

Rsinβ+T=Fcosβ

且T=μN

故锯齿能握持住纤维束的条件为：

Rsinβ+T≥Fcosβ

Rsinβ+μFsinβ+μRcosβ≥Fcosβ

又由于μ=tanφ

因此，当锯齿工作角α≤90°-arctan+φ时，有利于针齿握持住纤维束。

（三）影响开松作用的因素

影响开松作用的主要因素有开松机件的形式，开松机件的速度，工作机件之间的隔距，开松机件的角钉、刀片、梳针、锯齿等的配置。

1.开松机件的形式开松机件的形式有角钉滚筒式、刀片式、三翼梳针式、综合式（见动画3-4）、梳针滚筒式和锯齿滚筒式等，部分打击机件的作用面形态如图3-7所示。

图3-7 不同形式打击机件的作用面形态

不同形式的打击机件，对纤维块（层）的作用类型不同。梳针、锯齿可以刺入纤维层内部，通过分割、梳理实现开松，松解作用细致、柔和，但打击作用力不足；角钉、刀片能对纤维块（层）施加较大的冲击与分割，作用较剧烈。

开松机件形式一般根据所加工原料的性质、紧密程度、含杂情况以及开松流程中开松机所处的位置等而定。

2.开松机件的速度

开松机件的速度增加，喂入原料单位长度上受到开松作用（撕扯、打击等）的次数增加，开松作用力也相应增大，因而开松作用增强，同时除杂作用也加强，但纤维易受到损伤，杂质也可能被打碎。因此，纤维块较大，开松阻力较大时，开松机件速度不宜过高。

3.工作机件之间的隔距

喂给罗拉与开松机件之间隔距越小，角钉、锯齿、刀片等深入纤维层的作用越强烈，因而开松作用越强烈，但这样易损伤纤维。因此，当纤维层较厚、纤维间紧密和纤维较长时，喂给机件与开松机件间隔距不宜过小。且随纤维块逐渐松解和蓬松，开松机件与尘棒之间的隔距由入口到出口应逐渐加大。

4.开松机件的角钉、梳针、刀片、锯齿等的配置

角钉、梳针、刀片、锯齿等的植列方式对开松也有影响，合理的植列方式应能保证喂入纤维层在宽度方向上各处均匀地得到开松作用，并且角钉、梳针、刀片、锯齿等在滚筒表面应均匀分布。植列密度加大，开松作用加强。植列密度应根据逐步开松的原则来选择，纤维块大时植列密度小，且随着开松的进行，密度逐渐加大，但密度过大，易于损伤纤维。

（四）开松效果的评定

目前对原料的开松程度还没有较理想的统一评定方法，一般可采用下列方法。

1.重量法

从开松原料中拣出纤维块进行称重，并求出纤维块的平均重量，再计算最大和最小纤维块所占重量的比例，最后进行比较分析。

2.比体积法

在一定容积的容器内放入一定高度的开松原料，加上一定重量的压板，经一定时间压缩后测定其压缩高度，并测量试样重量，计算单位重量的体积(cm³/g)，即比容。开松度定义为比容乘以试样纤维的相对密度。开松度越大，纤维开松越好。

3.速度法

测定纤维块在静止空气中自由下降的终末速度。纤维块在静止空气中初速为零，然后垂直下落，纤维块逐渐加速，经过一段时间或一定距离后速度不再增加，以等速下降，此速度称为终末速度。终末速度决定于纤维块的重量和形状、开松程度等因素。

4.气流法

将一定重量的开松原料放在气流仪内，在同样气流量下观察其压力，压力值高，开松度好；或在同样气压下观察透气量，透气量小，开松度好，这是由于开松好的原料对气流阻力大的原因。

二、除杂原理与方法

原料内的杂质和疵点因纤维的种类而异，经过初加工后的纤维内仍然含有不适宜纺纱加工和影响纱线质量的杂质及疵点，需要在纺纱加工过程中尽可能去除。在开松过程中，原料除杂方法主要为物理法，即依靠机械部件、气流的作用，或者两者相结合的作用除去原料中的杂质。

除杂作用是利用纤维与杂质的性质差异，且是在开松作用的基础上进行的。随着原料的不断松解，原来包裹在纤维块、束中的杂质逐渐暴露出来，并且随着松解作用的持续，纤维与杂质之间的联系力也不断减小，为杂质的去除提供了必要条件。因此，除杂作用是伴随着松解作用的实现而实现的，即松解作用是除杂作用的基础。

除杂过程中不可避免地会有纤维随杂质一起排除，因此，除杂过程中还要注意可纺纤维的损失问题，即在排除杂质时，尽可能减少可纺纤维的损失。这需要通过合理配置各机台的除杂工艺来实现。

（一）机械除杂

1.打手机械除杂

机械除杂是伴随着打手机械的开松作用同时进行的。杂质一般是黏附或包裹于纤维之中，纤维块的开松使纤维与杂质之间的联系减弱。在打手打击力的作用下，杂质获得的冲量比纤维大，使杂质脱离纤维而逐渐分离出来，并通过打手周围的尘棒间隙或漏底的网眼落下，如图3-8（a）所示。被松解的纤维块在打手携带过程中受离心惯性力的作用而被抛向尘棒受到撞击，从而得到进一步的松解与除杂，因此，打手和尘棒是开松除杂的主要机件。其影响因素主要如下。

（1）尘棒的形状和配置对除杂的影响。尘棒的形状和配置对除杂效果有着显著的影响。尘棒截面形状有三角形和圆形两种，前者大多用于棉纺，后者大多用于毛纺。三角形尘棒如图3-8（b）所示，图中平面abef为尘棒顶面，起托持棉块的作用；平面acdf为工作面，杂质撞击其上，因反射作用而被排出；平面bcde为底面，与工作面构成排除尘杂的通道，α角为尘棒清除角，一般为40°～50°，其大小与开松除杂作用有关，即当α角较小时，尘棒对棉块运动的阻滞作用强，棉块在打手室停留时间增加，同时尘棒间距相对增大，开松除杂作用好，但尘棒的顶面托持作用较差。尘棒顶面与底面的交线be至相邻尘棒工作面间的垂直距离称为尘棒间的隔距。尘棒工作面与打手径向的夹角θ称为尘棒的安装角，如图3-8（c）所示，调节θ则尘棒间的隔距改变，安装角θ的变化对落棉、除杂和开松作用都有影响，即在一定范围内，θ增大，尘棒间隔距减小，顶面对棉块的托持作用好，尘棒对棉块的阻力小，则开松作用较差且落杂减少；反之，θ减小，尘棒间隔距增大，顶面托持作用削弱，易落杂和落棉，但尘棒对棉块的阻力增大，开松作用加强。为了兼顾这两方面的作用，一般尘棒的安装要使尘棒顶面与打手对棉块的打击投射线接近重合，如图3-8（c）所示的DE线为打手打击的投射线，β为投射线与打手中心和尘棒顶点连线的夹角，即要求θ=β-α。

图3-8 三角形尘棒及其配置

图3-8（c）中R为打手半径，r为打手与尘棒间的平均隔距，则：

一般尘棒间隔距由原料入口到出口是由大到小，这是因为原料入口处棉块较大，当打手对原料开始打击时，原料向尘棒的冲击速度大，开松效果明显，排出的杂质较多且较大。随着原料的逐步开松，大棉块逐步松解成小棉块（束），落杂量也逐步减少且杂质逐步减小，尘棒间的隔距应逐渐减小，以防止好纤维落出。

（2）除杂作用分析。杂质在尘棒间排除，有三种不同的情况。

①打击排杂：如图3-9所示为打击排除杂质的情况（见动画3-5）。当原料受到打手的打击开松而使杂质与纤维块分离，则杂质由于体积小、重量大，在打击力的作用下被抛向尘棒工作面，在其反射作用下被排除。

②冲击排杂：如图3-10所示为冲击排杂情况（见动画3-6）。若原料经打手打击开松后，杂质与纤维未被分离，则共同以速度v沿打手切向被抛向尘棒。当纤维块撞击到尘棒上时，杂质因较大冲击力的作用而冲破松散的纤维块，从尘棒间排出。有些尘棒在棉块撞击时还会产生振动，如弹性扁钢尘棒，有利于杂质与棉块的分离而抖落。

图3-9 打击排除杂质

图3-10 冲击排杂

图3-11 撕扯分离排杂

③撕扯分离排杂：当纤维块一端受到打手刀片打击，另一端接触尘棒而受到阻力时，受到两者的撕扯而被开松，使杂质与纤维分离，分离后的杂质靠本身重力由尘棒间落下，如图3-11所示（见动画3-7）。

2.开松除杂机械的气流对除杂和落纤的影响

在开松除杂机械上，开松除杂作用除了取决于打手和尘棒的结构及工艺配置外，还在很大程度上受到打手室内气流的影响。开松机械纤维的输送，大多靠风扇产生的气流吸引或吹送，同时打手的高速回转也产生气流，空气的流动状态和气流的速度直接影响纤维块在打手室内和管道内的运动情况。由于气流对纤维块和杂质的阻力不同，则促使纤维块和杂质分离。杂质的相对密度大而体积小，受气流阻力小，容易从尘棒间落出，而纤维块体积大且密度小，易受尘棒阻滞和气流的托持作用而不易落出，即使落出，也还有可能随流回打手室的气流再返回打手室，这种现象称为回收。通常希望形成这样一种理想的气流状态，即能使杂质充分下落，而可纺纤维不会落出。因此，必须了解气流的基本规律，并对其加以控制，以便发挥机械的效能，从而进一步提高开松除杂作用，减少可纺纤维的损失，达到节约原料、降低成本的目的。

图3-12 豪猪式开棉机打手室纵向气流压力分布

（1）打手室的气流和规律。以豪猪式开棉机为例，根据试验得出，其打手室全部尘棒区纵向气流压力分布规律如图3-12所示。在给棉罗拉附近的2～3根尘棒处，由于打手回转带动气流流动，但因有喂入棉层，形成封闭状态，因此该处是负压区，在此处开设后进风补风口，气流由外向打手室补入。在死箱（呈封闭状态，与外界没有气流交换，即没有气流流入或流出）处，由于打手的高速回转带动气流流动，气压逐渐增加，并达到最大值，使得该区气压为正值，气流主要是沿尘棒工作面向外流动，也有少量气流沿尘棒底面补入。在靠近活箱处，因为前方凝棉器吸风的影响，压力逐渐降低，有些地方会出现负压，特别在死活箱交界处，气流压力非常不稳定。在活箱区，由于凝棉器吸风的作用，越靠近出口处，负压越大，在该区开设补风口，气流将不断补入。根据流体力学定律，气体在管道内流动时，各截面的流量应相等，因此，对打手机械而言，风扇的吸风量应和打手室的排风量相等。设打手回转后形成打手风量为Q′₁，尘棒间有一部分气流出，流出量为Q″₁，则打手的剩余风量Q₁可由下式计算得到：

通常为使原料在打手室出口处均匀地向前输送，要求风扇的吸风量Q₂略大于打手的剩余风量Q₁，此时应在打手室尘棒间进行补风，设补风量为Q₃，则可得到下列平衡式：

式（3-3）中补风量Q₃一般由三部分构成，一部分自尘棒的间隙补入，一部分自打手轴的两侧轴向补入，一部分由不同位置的补风门补入，这些都可以调节和控制。

式（3-2）结合打手室气流分布规律可以看出，增加Q′₁，会使打手室入口附近负压值增加，导致死箱部分正压值增加并向前扩展，从而引起其他气流量的变化，其中，Q″₁将显著增加；增加Q₂会使打手室出口附近负压值增加并向后扩展，也会引起其他气流量的变化，其中Q₃将显著增加。

（2）落物控制。在打手机械对原料的开松过程中，尘棒间既有气流流出又有气流流入，但在不同部位的流出量和流入量可以进行调节，流出气流有助于除杂，而流入气流对纤维有托持、回收作用。运用气流对落物控制，应该从以下三方面考虑。

①合理配置打手和凝棉器风扇速度：这两个机件的转速直接影响打手室的纵向气流分布。通常凝棉器风扇的吸风量应大于打手的剩余风量。风扇转速增大，吸风量大，使打手室回收区加长，尘棒间补风量增加，回收作用加强，落物减少，除杂作用减弱，特别是减弱了对细小杂疵的排除。打手转速增加，打手产生的气流量以及尘棒间流出的气流量都增加，落物增加。在棉块密度大、含杂多时，可适当提高打手转速。若打手转速不变，在原料正常输送的情况下，适当降低风扇转速，则落杂区加长，纤维在打手室内停留的时间延长，开松和除杂作用也会加强。

②合理调整尘棒间隔距：尘棒间隔距的大小，不但影响对原料的托持作用和落物的排除，而且会使气流在尘棒间的流动阻力改变。根据除杂原则，尘棒间隔距从入口到出口应该是由大变小。在入口处，因气流补入作用强及迅速排杂的需要，可以按杂质的大小来调节隔距。因在此处的纤维块较大且有气流补入，故隔距放大有利于大杂质的排除，而且气流易于补入，使以后尘棒间气流补入量减少而增加落杂。在进口补入区之下是主要落杂区，在此区尘棒间排出的气流较急，所以一些能落出的杂质多数由此区落出，而以后落下的杂质较少、较小，纤维块在此区已逐渐开松变小，因此尘棒间隔距应收小，以减少纤维的损失。在出口回收区，纤维块更小，落下的杂质也更小，故此处尘棒间隔距可更小些。但也可以采用适当加大此处隔距的方法，使补入气流增多，以减弱主落杂区的气流补入，充分发挥主除杂区的除杂作用。如果将出口处尘棒反装，会使尘棒对纤维的托持作用加强，补入气流增加，纤维回收作用也增强。

③合理控制各处进风方式和路线：根据流体的连续性原理，在保持流量不变的情况下，改变上、下进风量的比例或补风口位置，就会改变纵向气流分布，从而影响落棉。控制尘棒各区补风量，可影响落棉，原则上应是落杂区少补，回收区多补。为此生产中通常将车肚用隔板分隔成两部分，在主要落杂区，其周围密封，很少有外界气流进入，做成“死箱”，其中大多数尘棒间气流都由打手室流出，因而排出较多的杂质；靠近出棉部分，进风门开启，做成“活箱”，其中有较强气流从尘棒间流入，能使落出的部分纤维和细小杂质又回入打手室，成为主要收回区，但仍有少量较大杂质落出。为了更好地排杂，可以再在箱内加装挡板、气流导板、开后进风门或前进风门加以调节。

（二）气流除杂

1.尘笼的除杂作用

在棉纺开清棉机的凝棉器、清棉机和毛纺开毛机上利用尘笼来清除部分沙土和细小杂质，其除杂方式是利用了过滤原理。以清棉机为例，集棉尘笼是由冲孔的钢板或钢丝编结成网眼板卷成圆筒，圆筒两端开口并且与机架墙板相通，两侧机架墙板构成通道，与下风扇相连接，如图3-13（a）所示。风扇回转时，向尘室排风，在尘笼表面形成一定的负压，吸引打手室中的气流向尘笼流动。纤维被吸附在尘笼表面形成纤维层，而沙土、细小杂质和短绒等则随气流通过小孔或网眼进入尘笼，经风扇排入尘道。

图3-13 尘笼与风道的结构

当滤网上凝聚纤维时，这些纤维层本身就是孔隙更小的过滤器，只有直径或尺寸比纤维层的孔隙小的尘杂和短绒，才可能透过孔隙而与可纺纤维分离。

2.气流喷口的除杂作用

气流除杂机目前主要应用于棉纺，其作用原理是棉块经过一定形式打手的开松除杂后，在其向外输送的输棉管道中，设置一段气流喷嘴管道，其截面逐渐减小，使棉流逐渐加速，当流速加大到一定数值后，管道突然折转120°，使气流发生急转弯，管道在转弯处开有喷口，如图3-14所示。由于杂质密度大、惯性大，在高速气流中不易改变方向而从喷口中喷出，棉纤维因密度小、惯性小，而随高速气流继续向前输送，这样就完成了除杂作用。气流除杂机的加工特点是纤维散失较少，能除去较大杂质，如棉籽、籽棉、不孕籽等。气流除杂必须在棉块具有一定开松度的基础上才能较好地发挥作用，为减少杂质的破碎，多使用自由打击的打手处理。气流除杂机的落棉率一般为0.2%～0.4％，落棉含杂率为70％～80％。