采棉機摘錠磨損機理分析

羅樹麗 張有強 馬少輝

(塔里木大學機械電氣化工程學院/現代農業工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

采棉機是棉花機械化收獲的載體，摘錠是其核心部件。一方面一臺六行采棉機安裝2 500多個摘錠、用量大，正常情況下摘錠服役6 000多畝，更換周期短且價格高增加采棉機的運營成本。一臺采棉機更換一次超過20萬元，不完全統計新疆地區一年更換摘錠的費用過億。另一方面，摘錠在采摘過程中不可避免的產生磨損，造成田間采摘效率和機采棉品質下降。

為此，研究者主要從采棉機采摘工作原理及力學分析[1,2]、摘錠的結構設計及優化、加工工藝、實體建模[3-6]、摘錠斷裂和振動動力學行為[7-10]等方面開展研究，這些成果為摘錠的結構優化設計、采棉機田間運行參數的制定、采棉頭傳動設計及動力分配等提供一定的理論基礎。但目前為止還沒有對采棉機摘錠磨損機理進行相關的研究報道。

目前商品化的摘錠表面采用電鍍鉻涂層，表面未進行織構處理。電鍍鉻涂層具有高硬度、耐磨性好、防腐蝕、生產成本低等優點，在工程領域中是較為常見的表面處理方式[11-17]。主要缺點是污染環境和沉積后表面產生大量微裂紋，大多數工程領域這些微裂紋不足以產生涂層破壞影響，但在采棉過程中這些微裂紋恰好成為棉纖維的依附之處[18]，將成為摘錠表面涂層撕裂、脫落的誘因。

采棉機摘錠的田間采摘環境復雜多變，受多種因素的影響，導致摘錠表面結構及形貌不斷發生磨損演化。本文通過跟蹤采棉機的田間的采摘作業，對其不同采摘階段的摘錠表面形貌進行分析與表征，探索其磨損機理，為采棉機摘錠的結構優化、表面改性處理提供理論基礎。

1 工作原理

新疆地區推廣使用的采棉機多以進口(凱斯和迪爾機型)為主。圖1(a)是凱斯620采棉機在新疆生產建設兵團第一師十二團田間采棉工作。采棉機主要工作原理是以棉花靜止采棉機前進方式采摘，在采棉頭滾筒旋轉下摘錠既“公轉”又“自轉”。在一次完整的采棉過程需將盛開的棉花接觸、勾住、纏繞并在自身高速旋轉下將棉花從盛開的棉鈴中拽出，經歷β角度為采棉階段。然后經脫棉盤將纏繞在摘錠桿身的棉花脫離，經歷γ角度為脫棉階段(圖1(b))。最后經輸棉管道收集在集棉箱中。無論是采棉還是脫棉過程，摩擦力始終伴隨在摘錠與棉花的接觸面上，一般情況脫棉過程因受脫棉盤的擠壓導致摩擦力比采棉過程摩擦力大很多。除采棉和脫棉過程外，摘錠不受任何外力僅空轉為下次采摘和脫棉做準備。

圖1 摘錠采摘過程示意圖

摘錠采摘部分的基本結構為圓錐形，表面加工帶有一定傾斜角度的鉤齒便于抓取棉纖維(圖1(c))，表面進行電鍍鉻涂層以提高耐磨性(圖1(f))。采棉機在田間工作工況較為復雜，受多種因素(棉花的成熟度、地面的不平度、氣候和地理條件等)影響，采摘過程中摘錠與多種介質(棉花/稈/殼、細小沙粒等)接觸產生磨損(圖1(d))。另外，摘錠在脫棉過程中承受脫棉盤施加的摩擦力引起摘錠表面磨損，導致摘錠喪失抓取棉花的能力、采凈率下降而提前失效。

2 實驗樣品

在棉花采收季節(新疆南疆地區機采棉一般10月初到11月中旬)跟蹤一臺凱斯620采棉機在田間整個采季的工作，以連續工作間隔35～45小時換取摘錠樣品，每次摘錠換取位置從滾筒底部起第8～10排的任意3根。

圖1(c)所示摘錠采摘結構整體呈圓錐形，頭部球面直徑5. 4 mm，根部直徑12 mm，長度為70 mm，采摘時整機前進速度約5 km/h，滾筒轉速180 r/min，摘錠平均轉速3 000～4 000 r/min。從更換磨損失效后摘錠明顯可以看出頭部磨損較根部嚴重，齒面磨損較圓錐面嚴重。因此，選取從摘錠頭部起第2齒為表面形貌分析微區。

為了表征采棉機摘錠表面形貌隨采摘過程的磨損變化，采用掃描電子顯微鏡(SEM)和三維白光共聚焦干涉形貌儀(MICROXAM-3D)進行分析，表面粗糙度的變化通過形貌儀自帶SPIP軟件獲取。在每次表面形貌測試前對摘錠樣品進行丙酮和無水乙醇超聲清洗10 min。

3 結果與分析

3.1 摘錠初始表面形貌分析

摘錠的基體材料為低碳合金鋼，圖2(a)所示為新摘錠表面的SEM形貌，電鍍鉻涂層表面顆粒交錯堆積形成初始粗糙峰，從圖2(A)三維白光干涉表面形貌可以看出，由于涂層沉積不均勻導致表面起伏較大。粗糙度Ra平均為0. 75 μm，涂層厚度約為30 μm，在機械加工和涂層沉積后殘余壓應力作用下，涂層表面出現微裂紋遍布表層(圖2(af))。另外，整個截面上裂紋深度不一、錯綜交錯，存在部分穿越界面延伸到基體的情形 (圖1(f))。

大多數工程領域這些微裂紋不足以產生涂層破壞，但在采棉過程中這些微裂紋恰好成為棉纖維的藏身之地，將有可能成為摘錠表面涂層撕裂、脫落的誘因。

3.2 摘錠表面磨損形貌分析

圖2(b)、(c)、(d)分別為連續采摘150 h、340 h、460 h后的表面形貌，可以看出摘錠表面涂層在采摘過程中從齒尖處開始逐漸被磨損，磨痕寬度逐漸擴大到整個鉤齒表面。圖2(bf)、(cf)、(df)分別是涂層磨穿后的放大SEM形貌。結果表明涂層脫落后基體裸露，由于基體材料的硬度低于涂層硬度，在采摘過程中棉稈、棉殼、細小沙粒等硬質材料作用下引起基體材料擦傷。與初始表面形貌相比，在表面上出現了大量擦傷溝槽，如圖2(B)、(C)、(D)所示。另外，基體表面擦傷程度隨采摘時間逐漸加深，加速基體材料的磨損。

圖2 摘錠表面磨損形貌

3.3 摘錠表面磨損形貌形成機理

摘錠的運動過程典型表現為“公轉”同時在“自轉”，前文提到“公轉”速度為滾筒的角速度，用ω表示。選取摘錠齒面橫截面上任意一點，如圖3所示。在工作過程中利用自身的鉤齒將棉花勾住，然后高速旋轉將棉花纏繞在桿身上。隨后纏繞棉花的摘錠逐漸與脫棉盤相遇并相接觸，利用脫棉盤凸臺與摘錠接觸部位的摩擦力Ft(脫棉盤施加在摘錠表面上的切向摩擦力)將纏繞在桿身的棉花脫下。同時在滾筒的旋轉下，纏繞的棉花從摘錠根部滑移到頭部脫離，受到脫棉盤施加在摘錠表面軸向摩擦力Fa。因此摘錠在脫棉過程中任何時刻t的摩擦力F可以用式(1)表示：

(1)

脫棉過程中Ft和Fa隨采摘時間而變化，受多種因素的影響。主要是因脫棉盤隨采摘時間增加不斷磨損，受脫棉盤與摘錠之間的間隙增加影響較大；其次與摘錠表面粗糙度隨采摘時間增加逐漸減小相關。從磨損失效后摘錠表面形貌可以看出，摩擦力Fa占主導優勢，Ft從切向剝離涂層，在兩者的共同作用下逐漸使涂層脫落，失去保護機體的能力。摘錠磨損形貌表明表面涂層磨損從鉤齒齒端開始磨穿，并在摩擦合力F作用逐漸擴展形成具有一定角度的涂層脫落磨痕。

圖3 摘錠表面摩擦力模型

4 結論

4.1 摘錠機械加工后存在一定的殘余應力，特別是鉤齒部位結構復雜應力集中更嚴重，導致其尖端出現微裂紋、齒尖斷裂等缺陷。隨后電鍍鉻表面處理過程中產生應力再次惡化摘錠鉤齒的力學性能，表層出現大量微裂紋。

4.2 在脫棉過程較大摩擦力下，硬質沙粒、棉稈/殼對摘錠表面產生擦傷和犁溝，同時棉纖維黏附在裂紋及傷痕處導致摘錠表面涂層撕裂或脫落。

4.3 摘錠表面涂層磨損形貌擴展與其脫棉過程中表面上摩擦力合力息息相關。

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