果園電動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：為了解果園電動修剪刀片的耐磨性，采用HT-500高溫摩擦磨損試驗機對修剪刀片進行磨損試驗研究，檢測200～500 g載荷下修剪刀片的摩擦系數(shù)，計算體積磨損率，觀察磨痕形貌，測量磨痕寬度和磨損面積，探索磨損機制。研究結果表明：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??；400 g載荷下磨損面積最大。隨載荷增加磨損機制逐漸向磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損的復合磨損方式轉(zhuǎn)化。

關鍵詞：電動修剪；刀片；摩擦磨損；摩擦系數(shù)；65Mn

中圖分類號： S224.4

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0371-03

中國是水果生產(chǎn)大國，2012年種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]。果樹修剪是果園管理的一項重要工作，修剪可有效提高果品產(chǎn)量和品質(zhì)[2-3]。目前我國果樹修剪以人工作業(yè)為主，勞動強度大，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，長時間修剪工作會嚴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)人員的勞動強度，提高作業(yè)效率，電動和氣動修剪技術在國內(nèi)逐步得到推廣和應用。我國南方大面積種植的龍眼、荔枝由于其樹枝硬度高，剪切強度大，制約了電動、氣動修剪機具的剪切能力，影響電動、氣動修剪機具在南方普及[7-9]。修剪過程中修剪刀片的抗磨能力決定了修剪機具的作業(yè)效率、修剪質(zhì)量和刀片的使用壽命，因此對目前電動修剪機具中常用的修剪刀片進行抗磨性能研究就顯得尤為重要。本研究以電動修剪機具中最常用的65Mn彈簧鋼刀片為切入點，采用摩擦磨損試驗機研究其磨損情況，通過體視顯微鏡觀察磨痕形貌，測量磨痕寬度和磨損面積，計算體積磨損率，揭示65Mn彈簧鋼磨損機制，為今后電動修剪機具刀片材料的改進提供基礎數(shù)據(jù)。1 試驗方法與設備

電動修剪過程主要是修剪刀片與果樹之間的摩擦磨損，由于刀片相對于果枝較硬，磨損中主要磨損果枝，對65Mn彈簧鋼的磨損性能表征不明顯，因此本試驗中選用GCr15小球為上磨樣，磨損更加強烈，更能反映出65Mn彈簧鋼的模型性能。試驗中選用電動修剪機具中常用的65Mn動刀為下磨樣，成分如表1所示。采用圖1所示HT-500高溫摩擦磨損試驗機，磨損溫度為室溫。HT-500高溫摩擦磨損試驗機基本工作原理如圖2所示，將2刀片固定在3載物臺上，通過加載試驗所需載荷砝碼，啟動電機使4主軸轉(zhuǎn)動，驅(qū)動樣品盤上的試塊轉(zhuǎn)動，使其與GCr15鋼球進行滑動摩擦，通過壓力傳感器感知加載機構上的載荷F及該面的壓強P，傳遞信號給機械摩擦系統(tǒng)，由計算機檢測出試驗溫度、摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)并進行圖形顯示和數(shù)據(jù)存儲。摩擦磨損試驗主要參數(shù)見表2。試驗中為研究修剪刀片磨損性能，加載200～500 g載荷，磨損時間為30 min。

2 結果與分析

2.1 體積磨損量計算與分析

由表3可知，實際磨損面積和理論體積磨損率的變化趨勢基本相同，即先下降后升高。200～300 g載荷時，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，體積磨損率是試驗中最高的，但磨損面積并不是最大。300～400 g載荷時，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不同是400～500 g載荷時，體積磨損率和磨損面積都有下降的趨勢，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，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，比200～300 g載荷時降幅差值明顯減少，400 g載荷時體積磨損率為0.001 4，磨損面積為1.120 4 mm2，磨損面積為本次試驗最大值。

電動修剪刀片與GCr15鋼球的摩擦曲線見圖3。表3表明，隨載荷增加，平均摩擦系數(shù)呈上升趨勢。200 g載荷時，平均摩擦系數(shù)為試驗中最小，為0.140 3，摩擦系數(shù)在0.062～0220范圍內(nèi)波動；載荷300 g時，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)波動差值為試驗中最大，差值為0.336；400 g載荷時，摩擦系數(shù)降低了0.054 3，達到0.299 1，與載荷300 g摩擦系數(shù)比較相近。500 g 載荷時，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，摩擦系數(shù)波動比較大，300～500 g載荷時，摩擦系數(shù)比較平穩(wěn)，穩(wěn)定在一個較小的范圍內(nèi)波動。

2.2 磨損機制分析

圖4為200 g載荷時磨痕部分形貌，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。磨損前出廠的電動修剪刀片表層經(jīng)過打磨，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摩擦系數(shù)波動影響較大，因此載荷200 g時摩擦系數(shù)波動較大。圖5為300 g載荷時磨痕部分形貌。圖6中同樣有剝離的斷面，比200 g載荷時犁溝更深，這些是由黏著磨損[11]和氧化磨損[12]造成的。300 g 載荷時的磨損機制以微切削為主，伴隨有黏著磨損。圖6為400 g載荷時磨痕形貌。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，相比較300 g載荷時，400 g載荷的摩擦系數(shù)略有減小。這是因為隨載荷增加，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（修剪刀片內(nèi)部磨損部分）。圖7為500 g載荷時磨痕形貌，可清晰看出黏著磨損、磨粒磨損以及載荷過大引起的塑形變形。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載荷以上磨損機制逐漸向磨粒磨損、黏著磨損、氧化磨損的復合磨損方式轉(zhuǎn)化。

3 結論

為了解果園電動修剪刀片的耐磨性，本試驗以電動修剪刀片中常用的65Mn彈簧鋼為切入點，采用HT-500高溫摩擦磨損試驗機對修剪刀片進行磨損試驗研究，測定200～500 g 載荷下的摩擦系數(shù)，計算體積磨損率，采用體視顯微鏡觀察磨痕形貌，測量磨損寬度和磨損面積，探索磨損機制，試驗結果表明：

（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。隨載荷增加磨損機制逐漸向磨粒磨損、黏著磨損和氧化磨損的復合磨損方式轉(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，電動修剪刀片在此載荷下工作最為理想。

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