果園電動(dòng)修剪刀片摩擦磨損性能研究

孫健峰+楊洲+張慶茂+郭亮+馮志恒

摘要：為了解果園電動(dòng)修剪刀片的耐磨性，采用HT-500高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)修剪刀片進(jìn)行磨損試驗(yàn)研究，檢測(cè)200～500 g載荷下修剪刀片的摩擦系數(shù)，計(jì)算體積磨損率，觀察磨痕形貌，測(cè)量磨痕寬度和磨損面積，探索磨損機(jī)制。研究結(jié)果表明：200～500 g載荷下，摩擦系數(shù)由0.140 3增加到0.401 9；200 g載荷下平均摩擦系數(shù)最小，體積磨損率最大；500 g載荷下平均摩擦系數(shù)最大，300 g載荷下體積磨損率和磨損面積最小；400 g載荷下磨損面積最大。隨載荷增加磨損機(jī)制逐漸向磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損的復(fù)合磨損方式轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)修剪；刀片；摩擦磨損；摩擦系數(shù)；65Mn

中圖分類(lèi)號(hào)： S224.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）04-0371-03

中國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，2012年種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]。果樹(shù)修剪是果園管理的一項(xiàng)重要工作，修剪可有效提高果品產(chǎn)量和品質(zhì)[2-3]。目前我國(guó)果樹(shù)修剪以人工作業(yè)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，人工成本高，很多工人為了省力往往生拉硬拽，造成枝干破裂影響果林產(chǎn)量，另外，長(zhǎng)時(shí)間修剪工作會(huì)嚴(yán)重傷害工人的手臂和肩膀，造成肌肉慢性勞損[4-6]。為降低修剪作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，電動(dòng)和氣動(dòng)修剪技術(shù)在國(guó)內(nèi)逐步得到推廣和應(yīng)用。我國(guó)南方大面積種植的龍眼、荔枝由于其樹(shù)枝硬度高，剪切強(qiáng)度大，制約了電動(dòng)、氣動(dòng)修剪機(jī)具的剪切能力，影響電動(dòng)、氣動(dòng)修剪機(jī)具在南方普及[7-9]。修剪過(guò)程中修剪刀片的抗磨能力決定了修剪機(jī)具的作業(yè)效率、修剪質(zhì)量和刀片的使用壽命，因此對(duì)目前電動(dòng)修剪機(jī)具中常用的修剪刀片進(jìn)行抗磨性能研究就顯得尤為重要。本研究以電動(dòng)修剪機(jī)具中最常用的65Mn彈簧鋼刀片為切入點(diǎn)，采用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究其磨損情況，通過(guò)體視顯微鏡觀察磨痕形貌，測(cè)量磨痕寬度和磨損面積，計(jì)算體積磨損率，揭示65Mn彈簧鋼磨損機(jī)制，為今后電動(dòng)修剪機(jī)具刀片材料的改進(jìn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

電動(dòng)修剪過(guò)程主要是修剪刀片與果樹(shù)之間的摩擦磨損，由于刀片相對(duì)于果枝較硬，磨損中主要磨損果枝，對(duì)65Mn彈簧鋼的磨損性能表征不明顯，因此本試驗(yàn)中選用GCr15小球?yàn)樯夏樱p更加強(qiáng)烈，更能反映出65Mn彈簧鋼的模型性能。試驗(yàn)中選用電動(dòng)修剪機(jī)具中常用的65Mn動(dòng)刀為下磨樣，成分如表1所示。采用圖1所示HT-500高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，磨損溫度為室溫。HT-500高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)基本工作原理如圖2所示，將2刀片固定在3載物臺(tái)上，通過(guò)加載試驗(yàn)所需載荷砝碼，啟動(dòng)電機(jī)使4主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)樣品盤(pán)上的試塊轉(zhuǎn)動(dòng)，使其與GCr15鋼球進(jìn)行滑動(dòng)摩擦，通過(guò)壓力傳感器感知加載機(jī)構(gòu)上的載荷F及該面的壓強(qiáng)P，傳遞信號(hào)給機(jī)械摩擦系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)檢測(cè)出試驗(yàn)溫度、摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)并進(jìn)行圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。摩擦磨損試驗(yàn)主要參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)中為研究修剪刀片磨損性能，加載200～500 g載荷，磨損時(shí)間為30 min。

2 結(jié)果與分析

2.1 體積磨損量計(jì)算與分析

由表3可知，實(shí)際磨損面積和理論體積磨損率的變化趨勢(shì)基本相同，即先下降后升高。200～300 g載荷時(shí)，磨損面積與體積磨損率大幅下降，體積磨損率降幅為70.83%，磨損面積降幅為32.30%，體積磨損率降幅是磨損面積降幅的2.2倍。200 g載荷時(shí)，體積磨損率是試驗(yàn)中最高的，但磨損面積并不是最大。300～400 g載荷時(shí)，磨損面積與體積磨損率出現(xiàn)明顯上升，體積磨損率增幅為100.0%，磨損面積增幅為150.1%，磨損面積的增幅比體積磨損率的增幅更為明顯。載荷300 g時(shí)磨損面積和體積磨損率最小，體積磨損率最小值為0.000 7，磨損面積最小值為0.447 mm2。磨損面積和體積磨損率變化趨勢(shì)不同是400～500 g載荷時(shí)，體積磨損率和磨損面積都有下降的趨勢(shì)，但體積磨損率變化較為平緩，磨損面積減少較為明顯。400～500 g載荷時(shí)，磨損面積降幅為295%，體積磨損率降幅僅為7.1%，相差22.4百分點(diǎn)，比200～300 g載荷時(shí)降幅差值明顯減少，400 g載荷時(shí)體積磨損率為0.001 4，磨損面積為1.120 4 mm2，磨損面積為本次試驗(yàn)最大值。

電動(dòng)修剪刀片與GCr15鋼球的摩擦曲線見(jiàn)圖3。表3表明，隨載荷增加，平均摩擦系數(shù)呈上升趨勢(shì)。200 g載荷時(shí)，平均摩擦系數(shù)為試驗(yàn)中最小，為0.140 3，摩擦系數(shù)在0.062～0220范圍內(nèi)波動(dòng)；載荷300 g時(shí)，平均摩擦系數(shù)發(fā)生了突變，由0.140 3上升到0.354 3，增幅152.5%，摩擦系數(shù)波動(dòng)差值為試驗(yàn)中最大，差值為0.336；400 g載荷時(shí)，摩擦系數(shù)降低了0.054 3，達(dá)到0.299 1，與載荷300 g摩擦系數(shù)比較相近。500 g 載荷時(shí)，摩擦系數(shù)突然上升，由0.299 1增加到 0.401 9，增幅34.4%。由圖3可知，200 g載荷時(shí)，摩擦系數(shù)波動(dòng)比較大，300～500 g載荷時(shí)，摩擦系數(shù)比較平穩(wěn)，穩(wěn)定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。

2.2 磨損機(jī)制分析

圖4為200 g載荷時(shí)磨痕部分形貌，磨痕中出現(xiàn)剝離的斷面，較淺的犁溝，磨痕寬度為0.458 9 mm。磨損前出廠的電動(dòng)修剪刀片表層經(jīng)過(guò)打磨，比較光滑，200 g載荷較小，鋼球摩擦修剪刀片表層，摩擦系數(shù)較低，只有0.1403左右，修剪刀片表面形貌微小起伏對(duì)摩擦系數(shù)波動(dòng)影響較大，因此載荷200 g時(shí)摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。圖5為300 g載荷時(shí)磨痕部分形貌。圖6中同樣有剝離的斷面，比200 g載荷時(shí)犁溝更深，這些是由黏著磨損[11]和氧化磨損[12]造成的。300 g 載荷時(shí)的磨損機(jī)制以微切削為主，伴隨有黏著磨損。圖6為400 g載荷時(shí)磨痕形貌。圖6中也可清晰地看出剝離的斷面，深度不同的犁溝。400 g載荷與300 g載荷的摩擦系數(shù)相差不大，變化規(guī)律也近似，都是急速上升后在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，相比較300 g載荷時(shí)，400 g載荷的摩擦系數(shù)略有減小。這是因?yàn)殡S載荷增加，磨痕深度加深，修剪刀片表層被磨損，鋼球深入修剪刀片內(nèi)部，摩擦系數(shù)前期呈近似直線增大（修剪刀片表面磨損部分），增大到某一定值后在其附近波動(dòng)（修剪刀片內(nèi)部磨損部分）。圖7為500 g載荷時(shí)磨痕形貌，可清晰看出黏著磨損、磨粒磨損以及載荷過(guò)大引起的塑形變形。從數(shù)值上看，500 g載荷下的摩擦系數(shù)比400 g載荷下的摩擦系數(shù)增大0.102 8。從狀態(tài)上看，500 g載荷對(duì)于刀片的組織有很大的影響，刀片發(fā)生了塑形變形，因而摩擦系數(shù)增大了許多。因此400 g載荷以下，磨損以微切削為主，伴有黏著磨損，氧化磨損。400 g載荷以上磨損機(jī)制逐漸向磨粒磨損、黏著磨損、氧化磨損的復(fù)合磨損方式轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)論

為了解果園電動(dòng)修剪刀片的耐磨性，本試驗(yàn)以電動(dòng)修剪刀片中常用的65Mn彈簧鋼為切入點(diǎn)，采用HT-500高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)修剪刀片進(jìn)行磨損試驗(yàn)研究，測(cè)定200～500 g 載荷下的摩擦系數(shù)，計(jì)算體積磨損率，采用體視顯微鏡觀察磨痕形貌，測(cè)量磨損寬度和磨損面積，探索磨損機(jī)制，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）200～500 g載荷下，摩擦系數(shù)由0.1403增加到0.401 9；200 g載荷下平均摩擦系數(shù)最小，為0.140 3，體積磨損率最大，為0.002 4；500 g載荷下平均摩擦系數(shù)最大，為0401 9；300 g載荷下實(shí)際磨損率和體積磨損面積最小，最小值分別為0.000 7和0.447 9 mm2；400 g載荷下磨損面積最大，最大值為1.120 4 mm2。隨載荷增加磨損機(jī)制逐漸向磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損的復(fù)合磨損方式轉(zhuǎn)化。

（2）隨載荷增加，修剪刀片的磨損量增大，刀片的壽命縮短。由體積磨損率可知，300 g載荷下，65Mn彈簧鋼刀片的體積磨損量最少，電動(dòng)修剪刀片在此載荷下工作最為理想。

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