基于機構組合與變異方法的采棉機摘錠形態變異研究

孫振宇，孫文磊，余松林

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830047)

0 引言

據相關數據統計，截止到2016年底新疆棉花種植面積占到全世界的1/9之上，棉花總產量占全國產量的1/3以上,亟需加快采棉機械的普及。目前，國內主要使用的采棉機品牌為凱斯(美國)、約翰迪爾(美國)及貴航(中國)，按照工作原理區分為水平摘錠式。影響迪爾采棉機采凈率主要是遺留棉，影響凱斯型采棉機采凈率主要是撞落棉。國產采棉機貴航4MZ-5各項技術指標與進口品牌差距不大，但是可靠性較低；貴航平水采棉機整機國產化率93%，但價格為國外的69%。造成這一差異的原因是采棉機采摘頭的核心部件-摘錠目前仍依賴進口[1]。

摘錠作為水平摘錠式采棉機的核心采摘部件，其形態決定了是否能夠穿透到棉花纖維中將籽棉從棉鈴中順利纏繞并帶出，還決定帶出棉纖維的量及能否順利脫棉。現役采棉機摘錠大部分為國外進口，且結構復雜、成本高昂，亟需國產新形態摘錠。所以，基于機構組合與變異理論對摘錠形態上變異進行研究，派生優化出不同參數摘錠新結構，對摘錠的新形態進一步設計與改進與國產采棉機的研究有重要意義。

1 采摘原理與摘錠工作過程

采摘頭結構如圖1所示，實物如圖2所示。

1.傳動齒輪 2.傳動齒輪 3.導向槽 4.滾輪 5.曲拐 6.滾筒軸 7.摘錠錐齒輪 8.濕潤器 9.水刷 10.摘錠座管 11.脫棉盤 12.摘錠 13.脫棉盤軸 14.座管軸錐齒輪 15.摘錠座管軸 16.座管軸傳動齒輪 17.摘錠傳動齒輪圖1 采摘頭結構圖Fig.1 Spindles diagram

1.1 水平摘錠式采棉機采摘原理

采棉機在工作中，隨著機器前行分禾器將棉株扶起導入采摘室，摘錠一邊高速自轉一邊按設計運動軌跡垂直深入采摘區；當遇到綻開的籽棉時，摘錠上斜溝齒狀的溝齒掛住籽棉，籽棉隨摘錠旋轉從棉桃中被牽拉出來，并逐層纏在摘錠上；摘錠隨著滾筒公轉，經柵板后從采摘室內退出從而進入脫棉區，高速旋轉的摘錠與反方向旋轉的脫棉盤相遇；籽棉便在脫棉盤反向摩擦力的作用下從摘錠上脫落集中在集棉室內繼而由氣流輸送系統通過輸棉管送入棉箱內，已脫卸籽棉的摘錠隨滾筒轉到濕潤器處進行清潔(清除摘錠表面殘留棉纖維和其他雜物)；摘錠被濕潤器清洗后，再重新進入采棉室采棉[2]。

圖2 采摘頭實物模擬Fig.2 Pick-head physical simulation

1.2 摘錠的工作過程

摘錠的工作行程分為3個區域：摘錠進入采棉區；摘錠上凸出斜齒掛住綻開的籽棉然后自轉使其纏繞摘錠表面，摘錠隨滾筒公轉帶著籽棉退出采棉區；摘錠退出采棉區后經脫棉區脫棉盤脫棉。

2 現役摘錠分解與變異方法選擇

2.1 現役摘錠分解

現役摘錠迪爾9996總長為120.48mm,直徑為12.30mm,錐面長度約61.10mm，左右帶有3行溝齒面的錐狀結構，如圖3所示。其每行齒數為14齒，總成包括固定座、耐磨套、后座套及防塵套[3]。

2.2 摘錠變異方法選擇

摘錠的形態對摘錠的工作狀況有很大影響。摘錠整體為圓錐形，表面光滑，為了便于采棉，在摘錠表面加工有溝槽的斜溝齒，因為摘錠上斜溝齒可以利用棉絮的特性(棉絮具有纏卷性)自轉纏繞并扯出籽棉，溝齒需加工成楔形。其角度要求可以輕易勾住綻開的籽棉，又要求纏繞在摘錠上的籽棉經脫棉盤后比較容易退下來。另外，摘錠直徑大小也是影響棉花是否可以順利采出的重要因素，直徑過大，會影響摘錠的裝配；直徑過小會降低摘錠的強度。所以，摘錠直徑應選擇一個合理的范圍，考慮到以上幾點，采用機構組合與變異方法對采棉機摘錠形態變異進行研究。

圖3 摘錠分解Fig.3 Decomposition of spindle

3 機構組合與變異方法

機構組合與變異方法是現代設計的重要手段之一，基本思想是在原有產品基礎上，按照需求進行結構重組，可很大限度地重用企業已有的成熟產品資源，具有很強的靈活性和適應性。本設計以現役產品的機構方案為藍本,在此基礎上通過交叉組合、變異演化及力學功能滿足程度進行對比分析獲得新形態機構[4]。

3.1 摘錠構型變異演化

從最初第一代摘錠式采棉機到目前的集中摘棉、脫棉、輸棉及打包一體化的高度自動化的摘錠式采棉機，其摘錠桿端面有圓形、五邊形、菱形等，齒面形態有棱形、四棱形、鋸齒形、梳齒形以及現在的楔形齒不同形態，相同的是其設計原理都是利用棉絮自身特性。

摘錠自轉伸入籽棉的那段長度應具有粗糙的表面，還能夠旋轉將籽棉拉出，其表面可以為凸出或凹陷的溝槽狀、鋸齒、點、螺紋、鉤齒狀、環等。而摘錠桿自身的形狀又有多種，可以是圓柱狀、菱形、五邊形、矩形、六邊形及三角形等，這幾種形狀可以組合演化出多種形狀的摘錠[5]。

如圖4所示：根據上述6種組合形態，對新形態摘錠齒形工作狀況進行CAD繪圖，對比交叉篩選出適合采棉的摘錠變異新組合。

3.2 摘錠力學因素

在采棉機采摘棉花的周期過程中采摘的每一個環節都承受不同大小的作用力。接觸階段摘錠的鉤齒對籽棉的牽引力必須大于籽棉自身纖維黏結力，分離階段纏繞在摘錠上的籽棉與摘錠之間的摩擦力一定要大于籽棉與殼鈴之間的黏結力[6]，脫棉階段必須滿足脫棉盤對籽棉的摩擦力大于籽棉與摘錠的摩擦力，否則將會導致采棉的失敗。

圖4 變異摘錠齒形圖Fig.4 Spindle variation Tooth Figure

3.3 摘錠變異功能因素

在設計摘錠結構的同時，要考慮運行功能的需求，因為摘錠隨摘錠座管中的齒輪轉動而高速旋轉，摘錠頂端錐齒輪與座管緊密鏈接，在工作過程中隨采棉機的行進，會受到來自棉稈、棉葉、草葉的干擾，其傳動性能無法保證；其次在現有摘錠基礎之上對摘錠的形態進行變異，則摘錠的幾何形態受到與其相關零件的裝配約束，因此摘錠的鏈接部分保持不變。

3.4 摘錠新形態結構

綜合以上因素，結合摘錠的具體形狀齒形組合并對每一項基本組成進行變異演化，對摘錠演化變異進行取舍轉換，梳理出摘錠變異和演化結果如表1所示。

表1 摘錠形狀變異演化組合Table 1 Evolution of spindle shape variation

這些基本組成可以任意進行組合，一共有864種變異組合。每個變異體棉花采摘率、脫棉率和強度都各不相同，但為了便于研究分析可以將變異后的摘錠分為A～F共6個大類。

摘錠實際工作環境十分惡劣，不但要完成運動和力的傳遞及籽棉的采摘，還要在高速運轉的狀態下與棉稈發生較大的沖擊且極易磨損，因此摘錠變異個體應具有可采棉、便于脫棉、耐沖擊、耐磨損及可實現高速旋轉等特點。針對該特點對A～F類重組變異后的摘錠進行如表2所示的功能滿足度評價。

表2 摘錠重組變異功能滿足度評價Table 2 The function satisfaction evaluation of ingot recombinant variation function

通過以上分析可得出如下結論：三角形柱、菱形柱、五邊型柱，以及六邊型柱回轉體摘錠在高速運轉時，有較大的離心力，很難保證摘錠工作的動平衡，在使用過程中菱角極易磨損；圓柱摘錠很難將摘錠頭部伸入籽棉保證籽棉與摘錠的完好接觸， 且與脫棉盤摩擦劇烈造成脫棉困難，齒形內凹不便于零件機械加工和脫棉。所以，參照目前摘錠設計思路將摘錠桿整體設計為圓錐體，摘錠齒群繞軸3、4、6行分布，針對以上分析確定重組變異后形態如表3所示。

表3 變異演化最終組合Table 3 Mutation evolution eventually

4 建模與驗證分析

4.1 建模分析

通過UG三維設計軟件對表3中4種摘錠變異演化組合進行建模后如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

(d)圖5 新形態摘錠模型Fig.5 New shape spindle model

圖5(a)摘錠為3行14排齒，改進部分為前3排齒傾角為30°，后11排齒為45°齒傾角的摘錠，前3排齒傾角為30°是為了更方便地脫棉，參考原有摘錠的設計[7]。因為摘錠摩擦力是隨著摘錠直徑變小而增大，造成脫棉困難；而棉花隨摘錠高速自轉主要纏繞在其前3排齒，所以將摘錠前3排齒傾角調整為30°。圖5(b)摘錠為4行14排齒，在原有摘錠基礎上增加1行摘錠。圖5(c)摘錠為6行14排矩形齒摘錠。圖5(d)摘錠為6行14排風車齒摘錠。

在以上4種模型設計中，摘錠整體長度保持不變，為120.48mm，錐面長度為61.10mm，摘錠桿保持原有摘錠形態不變。摘錠另一端面保持和現役摘錠一樣的錐齒輪，這是由于摘錠錐齒輪一端與座管聯結，由座管傳遞動力帶動摘錠高速自轉。

4.2 采摘力學模型建立

取摘錠與棉花之間的摩擦力與拉力在棉花采摘過程中的摩擦力公式表述為

F=μS0+Nf′

(1)

式中μ—比例常數(g/cm2)；

S0—相互摩擦物體實際接觸面(cm2)；

f′一摩擦因數，無量綱；

N—正壓力(Ν)。

設定比例常數為0.4,摩擦因數為0.5，外部正壓力為50，則摩擦力F為26.2N

取摘錠曲率半徑最大截面為研究對象，此處包角最小、摩擦力最小，滿足棉花采摘力要求，說明摘錠可以滿足采棉需求。設截面半徑為r,棉條的一段微小長度dl,其包角為da,對此段棉條受力分析，如圖6所示。

圖6 摘錠橫截面Fig.6 Spindle cross section

由平衡條件列函數關系表達式為

(2)

即

(3)

對摩擦力公式兩邊微分可得

(4)

(5)

解得

(6)

棉纖維條被梳齒掛住時拉力為T，則表達式初始條件為α=0，F=T=0，得

(7)

(8)

只有F>P(采摘阻力)且保證纖維不斷裂時，才能完成一個棉桃的采棉動作，籽棉最大拉伸力W，故需滿足的條件是

P≤F≤W

4.3 新形態摘錠有限元分析

摘錠在工作過程中以4 000r/min高速自轉期間會與棉花棉稈以及棉葉產生劇烈摩擦，故現役摘錠主要失效形式為脆性斷裂，此外由于摘錠與摘錠之間沿座管分布，其之間的距離約等于籽棉的直徑，

摘錠如果彎曲變形會與四周摘錠發生干涉，將會嚴重影響采棉機的運行[8]。所以，摘錠設計應做到“寧斷不彎”。采用有限元分析軟件對3種新形態摘錠進行力學分析，如果在受力相同情況下新形態摘錠與現役摘錠在變形、應力應變分布相差不大，說明摘錠的新形態可作為現役摘錠的替代機構。

由于圖5(a)僅在現役摘錠上對摘錠端部前3個齒傾角微調，位移變形、應力應變與現役摘錠相比大體相同，可作為現役摘錠的替代機構故不再分析。

本文4.2節已分析采棉所需最大力F查相關文獻了解摘錠在脫棉過程中所需最大摩擦力為1.3F[9]；但農業機械工況運行復雜，考慮到摘錠與棉稈發生碰撞時外部載荷突然增加，結合摘錠的工作過程，對摘錠最右端水平方向施加8F約為180N的力模擬摘錠所受的外部載荷，左端錐齒輪固定，網格劃分大小為1mm,定義材料屬性Steel[10]。則現役摘錠與3種新形態摘錠分析結果如圖7所示。其從左到右分別為摘錠位移矢量、等效應變及等效應力分析。

(a) 現役摘錠分析圖

(b) 4行楔形齒摘錠分析圖

(c) 6行矩形齒摘錠分析圖

(d) 6行風車齒摘錠分析圖圖7 摘錠分析Fig.7 Spindle analysis

由上述分析結果可以看出：圖7(a)現役摘錠無論是變形還是應力過度都比較均勻。圖7(b)4行楔形齒摘錠在現役摘錠基礎上增加1行楔形齒，直徑與現役摘錠相似變形與應力應變分布都與現役摘錠相差不大，符合摘錠的理想狀態，可作為現役摘錠的替代機構。圖7(c)為6行矩形齒摘錠，其摘錠末端變形較大，應力過度不夠均勻，故不符合理想狀態下的摘錠。圖7(d)為6行風車齒摘錠，其摘錠與現役摘錠相比強度低，切在相同受力情況下，風車齒出現脆性斷裂現象，在采摘性能上優勢不明顯，故不符合理想狀態下摘錠。

5 結論

1)摘錠需為圓錐形，因為柱狀摘錠難以深入籽棉且脫棉困難。

2)為便于脫棉，摘錠端部不應再做出鉤齒。

3)摘錠表面鉤齒行數不能過多，行數多則摘錠端部強度差，抵抗變形能力弱，鉤齒需外凸且縱向分布。

該分析結果可以為采棉機摘錠的設計與改進提供參考，進而為實現以摘錠形態變異為基礎的創新設計。