羅樹麗 張有強 馬少輝

(塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院/現(xiàn)代農(nóng)業(yè)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(tǒng)計新疆地區(qū)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(chǎn)生磨損，造成田間采摘效率和機采棉品質(zhì)下降。

為此，研究者主要從采棉機采摘工作原理及力學(xué)分析[1,2]、摘錠的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化、加工工藝、實體建模[3-6]、摘錠斷裂和振動動力學(xué)行為[7-10]等方面開展研究，這些成果為摘錠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、采棉機田間運行參數(shù)的制定、采棉頭傳動設(shè)計及動力分配等提供一定的理論基礎(chǔ)。但目前為止還沒有對采棉機摘錠磨損機理進(jìn)行相關(guān)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(jìn)行織構(gòu)處理。電鍍鉻涂層具有高硬度、耐磨性好、防腐蝕、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，在工程領(lǐng)域中是較為常見的表面處理方式[11-17]。主要缺點是污染環(huán)境和沉積后表面產(chǎn)生大量微裂紋，大多數(shù)工程領(lǐng)域這些微裂紋不足以產(chǎn)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(huán)境復(fù)雜多變，受多種因素的影響，導(dǎo)致摘錠表面結(jié)構(gòu)及形貌不斷發(fā)生磨損演化。本文通過跟蹤采棉機的田間的采摘作業(yè)，對其不同采摘階段的摘錠表面形貌進(jìn)行分析與表征，探索其磨損機理，為采棉機摘錠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面改性處理提供理論基礎(chǔ)。

1 工作原理

新疆地區(qū)推廣使用的采棉機多以進(jìn)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(chǎn)建設(shè)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(jìn)方式采摘，在采棉頭滾筒旋轉(zhuǎn)下摘錠既“公轉(zhuǎn)”又“自轉(zhuǎn)”。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(zhuǎn)下將棉花從盛開的棉鈴中拽出，經(jīng)歷β角度為采棉階段。然后經(jīng)脫棉盤將纏繞在摘錠桿身的棉花脫離，經(jīng)歷γ角度為脫棉階段(圖1(b))。最后經(jīng)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(dǎo)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(zhuǎn)為下次采摘和脫棉做準(zhǔn)備。

圖1 摘錠采摘過程示意圖

摘錠采摘部分的基本結(jié)構(gòu)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(jìn)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(fù)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(zhì)(棉花/稈/殼、細(xì)小沙粒等)接觸產(chǎn)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(dǎo)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(jié)(新疆南疆地區(qū)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(xù)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(jié)構(gòu)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(jìn)速度約5 km/h，滾筒轉(zhuǎn)速180 r/min，摘錠平均轉(zhuǎn)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(yán)重，齒面磨損較圓錐面嚴(yán)重。因此，選取從摘錠頭部起第2齒為表面形貌分析微區(qū)。

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(jìn)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(jìn)行丙酮和無水乙醇超聲清洗10 min。

3 結(jié)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?qū)е卤砻嫫鸱^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(yīng)力作用下，涂層表面出現(xiàn)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(shù)工程領(lǐng)域這些微裂紋不足以產(chǎn)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(xù)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(jié)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(xì)小沙粒等硬質(zhì)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(xiàn)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(xiàn)為“公轉(zhuǎn)”同時在“自轉(zhuǎn)”，前文提到“公轉(zhuǎn)”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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)。從磨損失效后摘錠表面形貌可以看出，摩擦力Fa占主導(dǎo)優(yōu)勢，F(xiàn)t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(jié)論

4.1 摘錠機械加工后存在一定的殘余應(yīng)力，特別是鉤齒部位結(jié)構(gòu)復(fù)雜應(yīng)力集中更嚴(yán)重，導(dǎo)致其尖端出現(xiàn)微裂紋、齒尖斷裂等缺陷。隨后電鍍鉻表面處理過程中產(chǎn)生應(yīng)力再次惡化摘錠鉤齒的力學(xué)性能，表層出現(xiàn)大量微裂紋。

4.2 在脫棉過程較大摩擦力下，硬質(zhì)沙粒、棉稈/殼對摘錠表面產(chǎn)生擦傷和犁溝，同時棉纖維黏附在裂紋及傷痕處導(dǎo)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(guān)。

[1] 湯驊,梅鍵.采棉機紡錠的工作原理及其力學(xué)分析[J].石河子大學(xué)學(xué)報,2001,5(4):323-324.

[2] 畢新勝,王維新,武傳宇,等.采棉機水平摘錠的工作原理及采摘力學(xué)分析[J].石河子大學(xué)學(xué)報,2007,25(6):786-789.

[3] 邊金英,吳疆.基于Pro/E的采棉機水平摘錠的三維建模[J].農(nóng)機化研究,2009,31(1):146-148.

[4] 周揚理,孫文磊,羅小磊.水平式采棉機采摘摘錠新結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化[J].機械工程與自動化,2012(1):10-12.

[5] 陳發(fā),王學(xué)農(nóng),孫穎,等.4MZ-2(3)型自走式采棉機主傳動系技術(shù)方案分析與確定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2001,17(5):68-71.

[6] 張宏文,康敏,傅秀清,等.膠棒滾筒棉花采摘頭的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(2):109-113.

[7] 張有強,馬少輝,丁旺才.采棉機摘錠采摘過程的動力學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(13):54-58.

[8] Meng Fanming, Chen Naiwei, Chen Zhiwei. Hard chromium coating effects on tribological performances for nonlubricated and lubricated spindle of cotton picker [J]. Journal of Materials: Design and Applications,2016,230(2):446-453.

[9] 張有強,馬彥,周嶺.采棉機摘錠采摘過程的力學(xué)分析及仿真[J].塔里木大學(xué)學(xué)報,2012,24(2):31-36.

[10] Meng Fanming, Chen Zhiwei. Study of coating’s effects on mechanical performances for sleeve of cotton pickerwith fluid-structure interaction method [J]. Journal of Mechanical Engineering Science,2014,228(17):1-12.

[11] Sim?oa J, Aspinwallab D. K. Hard chromium plating of EDT mill work rolls[J]. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 92-93:281-287..

[12] 李振華,盛敏奇,鐘慶東,等.基體表面粗糙度對H13鋼板表面鍍鉻層的影響[J].材料研究學(xué)報,2010,24(5):454-463.

[13] Sohi H. M, Kashi A. A, Hadavi M. S. Comparative tri-biological study of hard and crack-free electrodeposited chromium coatings [J]. Journal of Materials Processing Technology,2003,138(1):219-222.

[14] Saduman S. Influence of chromium carbide coating ontribological performance of steel [J]. Materials and Design,2006,27:85-91.

[15] Wang L, Kim D.S, Nam K.S, et al. Microstructure of electroplated hard chromium coatings after plasma nitro carburizing [J]. Surface and Coatings Technology,2005,190(2):151-154.

[16] Demello J D B, Goncalves J L,Costa H. L. Influence of surface texturing and hard chromium coating on the wear of steels used in cold rolling mill rolls [J].Wear,2013,302:1295-1309.

[17] Nouveau C, Labidi C, Ferreira J P, et al. Application of CrAlNcoatings on carbide substrates in routing of MDF [J].Wear,2007,263:1291-1299.

[18] Zhang Youqiang, Tian Yu, Meng Yonggang. Mechanical interlocking of cotton fibers on slightly textured surfaces of metallic cylinders [J]. Scientific Reports,2016,6:25403.