依西甫江·賽依提

（新疆大學(xué) 烏魯木齊 830047）

1 采棉機(jī)的研究背景和意義

棉花在印度被發(fā)現(xiàn)之后，經(jīng)過商人將其傳播到世界各地。從古至今在世界各國(guó)棉花都是作為一種重要的戰(zhàn)略物資，在我國(guó)有些朝代還會(huì)沒置專門的部門或者頒布法令進(jìn)行大范圍的種植，黨和國(guó)家也會(huì)對(duì)棉花種植戶和相關(guān)企業(yè)進(jìn)行財(cái)政補(bǔ)貼。我國(guó)的棉花產(chǎn)量和銷量都位居世界前列，可見棉花在國(guó)家發(fā)展中的重要地位。我國(guó)棉花種植區(qū)域主要有5個(gè)主產(chǎn)區(qū)，它們是我國(guó)商品棉基地。其中在新疆維吾爾自治區(qū)，由于其本身地域廣闊、光照和雨水、雪水充足有利于棉花的大面積種植，已經(jīng)逐漸發(fā)展成全國(guó)棉花的種植中心。在每年的9～11月份大約有來自全國(guó)各地的九十方采棉工，浩浩蕩蕩的乘坐火車前往新疆。棉花采摘價(jià)格由早期的最高價(jià)每公斤1元，漲到目前每公斤2.5元，每年需要為棉花工所支付的各項(xiàng)費(fèi)用有二十幾億元,棉農(nóng)除去種植成本其盈利其實(shí)也在每公斤2元左右，而且此種情況還是屬于情況好的，如果遇到用工荒無法招募到采棉工，棉花只能等待別人家采完，這樣棉花的品質(zhì)會(huì)降低、勞動(dòng)力成本也會(huì)上升、市場(chǎng)棉花價(jià)格也可能會(huì)下降，棉農(nóng)的自身的利益得不到保證，這樣很多棉農(nóng)可能會(huì)考慮其他市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)小的經(jīng)濟(jì)作物來替代棉花。

由以上分析知，采棉的機(jī)械化程度的提高刻不容緩，但是我國(guó)的采棉機(jī)械化仍然處于起步階段，主要是實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程的機(jī)械化需要系列的配套作業(yè)的大型棉花收獲機(jī)械,[1]不然采摘的棉花商品質(zhì)量將下降進(jìn)而影響棉花出售價(jià)格，而我國(guó)目前配套棉花收獲機(jī)械棉田使用程度低。

2 國(guó)外采棉機(jī)研究現(xiàn)狀

世界上第一臺(tái)采棉機(jī)雛形的出現(xiàn)最早要追溯到19世紀(jì)50年代左右，是由美國(guó)人發(fā)明制造的。在此后的很長(zhǎng)-段時(shí)間由于采用人工采棉價(jià)格低廉，使得采棉機(jī)的研究和制造并沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展。在第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，由于戰(zhàn)爭(zhēng)損失了大量的青年勞動(dòng)力，使得人工采棉難以滿足棉花種植戶的需求。在此背景的影響下，到20世紀(jì)40年代機(jī)采棉得到了廣泛的推廣應(yīng)用。

采棉機(jī)按照采摘原理可以分為兩大類： -類是選收機(jī)，另外一類是統(tǒng)收機(jī)。選收機(jī)包括水平軸式采棉機(jī),統(tǒng)一收集包括軟軸式采棉機(jī)撿棉花和梳齒機(jī)。國(guó)外的采棉機(jī)生產(chǎn)公司主要有兩家且都是來自美國(guó)，一家是世界五百強(qiáng)約翰迪爾公司，一家是凱斯公司。這兩大采棉機(jī)研發(fā)和生產(chǎn)巨頭幾乎壟斷了全世界的采棉機(jī)銷售市場(chǎng)。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比較于國(guó)外棉花產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的研究狀況，我國(guó)由于工業(yè)化起步很晚，在采棉機(jī)的研發(fā)和制造上沒有國(guó)外那么早，直到新中國(guó)成立在黨和國(guó)家的重視下，棉花產(chǎn)業(yè)才開式逐步向機(jī)械化方向發(fā)展。我國(guó)采棉機(jī)發(fā)展的總趨勢(shì)是，首先從國(guó)外引進(jìn)不同類型的先進(jìn)的采棉機(jī)，然后對(duì)采棉機(jī)進(jìn)行對(duì)比采摘測(cè)試，最后確定適合于中國(guó)棉花種植的采棉機(jī)，最后進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化。

1952年新疆建設(shè)兵團(tuán)從前蘇聯(lián)購買了垂直摘錠式采棉機(jī),希望在新疆大力推廣，但經(jīng)過相關(guān)測(cè)試和田間采棉效果試驗(yàn)。結(jié)果由于極低的采棉效率,所以沒有在生產(chǎn)中推廣。1959 年引進(jìn)了兩行采棉機(jī)，出于同垂直摘錠式采棉機(jī)一樣的原因，推廣也宣告失敗。1971 年新疆建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)七師提出了氣吸加機(jī)械采摘棉花的構(gòu)想，氣吸振動(dòng)式分次采棉部件研制成功，雖然在室內(nèi)的采棉效果很好，但是在田間效果不理想無法進(jìn)行推廣。雖然一次次的失敗但是這并不沒有動(dòng)搖國(guó)家對(duì)研制采棉機(jī)的決心，在黨和國(guó)家的大力支持下，采棉機(jī)研究人員不忘初心砥礪前行，1998年中國(guó)農(nóng)業(yè)大型機(jī)械迎來了里程碑的一刻，第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)4MZ-3型自走式采棉機(jī)成功下線，標(biāo)志著我國(guó)成為第三個(gè)可以生產(chǎn)采棉機(jī)的國(guó)家。但是該采棉機(jī)的核心部件仍然采用美國(guó)成熟部件，其它部件采用國(guó)產(chǎn)部件。該機(jī)器適合不同耕作模式進(jìn)行采收同時(shí)設(shè)計(jì)3行配置。雖然經(jīng)過田間采棉試驗(yàn)采摘效果很好，但是其與進(jìn)口采格機(jī)相比各方面的水平還是差別比較明顯。國(guó)產(chǎn)42-5型自走式采棉機(jī)研制成功，經(jīng)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)機(jī)鑒定總站的鑒定，該采棉機(jī)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)可以和世界先進(jìn)采棉機(jī)相媲美,[2]該采棉機(jī)的成功研制打破了國(guó)外兩大采棉機(jī)公司的壟斷地位，在采棉機(jī)銷售市場(chǎng)占有 一定份額，但是其核心部件是進(jìn)口國(guó)外的，沒有掌握采棉機(jī)核心技術(shù)，這也是導(dǎo)致4M2-5 型的市場(chǎng)份額只有5%左右的重要原因。針對(duì)摘錠存在的問題，高等院校發(fā)揮了其科研能力，新疆大學(xué)的孫文品、付長(zhǎng)兵和洪榮榮等人對(duì)水平摘錠的材料、運(yùn)動(dòng)軌跡、形態(tài)機(jī)理和采棉機(jī)原理等方面利用新型的分析方法進(jìn)行的研究。[3-4]石河子大學(xué)的張智明、位自友和張宏文等人對(duì)采棉機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、熱處理工藝，運(yùn)動(dòng)特性等方面進(jìn)行了分析研究。都取得了一定的成果。通過以上分析可知，國(guó)內(nèi)采棉機(jī)研究在目前只能實(shí)現(xiàn)部分部件的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于核心部件摘錠還是用進(jìn)口的方式。國(guó)內(nèi)外采棉機(jī)研究差距明顯，國(guó)產(chǎn)采棉機(jī)難以撼動(dòng)國(guó)外采棉機(jī)銷售市場(chǎng)的龍頭地位，采棉機(jī)的完全國(guó)產(chǎn)化還需要克服很多難題。

4 齒輪的發(fā)展

制作其恒功率驅(qū)動(dòng)齒輪的特點(diǎn),具有其他機(jī)構(gòu)不可替代的優(yōu)勢(shì)，其高質(zhì)量、高性能的研究,是我國(guó)能源、交通、化工、冶金等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。齒輪傳動(dòng)廣泛用于我國(guó)的汽車、工程機(jī)械、機(jī)車、電子、航空、航天、海洋和風(fēng)力風(fēng)電傳動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域。隨著時(shí)代的進(jìn)步,設(shè)計(jì)齒輪的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的要求也逐漸提高。齒輪廣泛應(yīng)用在重工業(yè)和輕工業(yè)等領(lǐng)域。常用的機(jī)械傳動(dòng),齒輪傳動(dòng)是漸開線圓柱齒輪,可以使用漸開線圓柱齒輪在各種驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)減速或增長(zhǎng)。驅(qū)動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng),具有平穩(wěn)的輸出范圍的大變化承載能力等優(yōu)點(diǎn)。隨著時(shí)代的科學(xué)的發(fā)展,研究人員對(duì)齒輪的靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能的要求也越高。

當(dāng)今社會(huì)，現(xiàn)代機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展對(duì)齒輪生產(chǎn)以及傳動(dòng)技術(shù)更高的，比如：希望更高的承載能力和更高的可靠性；同時(shí)投資生產(chǎn)的資本地，更低的噪音；制造生產(chǎn)過程自動(dòng)化，參數(shù)化。隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)更新速度日益加快，械傳動(dòng)裝置向大型化，自動(dòng)化，尤其是為了滿足人類社會(huì)需要，現(xiàn)已開始生產(chǎn)制造大型的機(jī)械工業(yè)設(shè)備。而且隨著綠色發(fā)展觀念的普遍化，生產(chǎn)制造中需要投入大量資本節(jié)約能源方面從而避免過多資源浪費(fèi)。有了這樣的趨勢(shì)給硬齒面齒輪的產(chǎn)生和發(fā)展迎來了空前絕后的機(jī)會(huì)，因此對(duì)于硬齒面齒輪的研究國(guó)內(nèi)外做了很多的工作。

20世紀(jì)70年代，硬齒面在美國(guó)視為重要?jiǎng)?chuàng)部件，在很各種身產(chǎn)中廣泛使用硬齒面齒輪傳動(dòng)。硬齒面齒輪齒面硬度要求是提高齒輪齒面的硬度，在美國(guó)硬齒面齒輪制造需要先把毛呸或材料淬火處理，后再加工輪齒。在英國(guó)硬齒面齒輪的使用范圍很廣闊其主要使用在航空、船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)。David Brown 公司生產(chǎn)符合載荷系數(shù)K=5352N/cm2的硬齒面齒輪使用該茶品可以較大的幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)承載能力；法國(guó) CETIM齒輪技術(shù)委員會(huì)主任 Henriot 指出，齒輪傳動(dòng)今后以硬齒面齒輪傳動(dòng)為主，這是因?yàn)槿祟惿鐣?huì)生產(chǎn)對(duì)齒輪傳功的功率要求日益增加；戶部博士是日本某大學(xué)的教授，他認(rèn)為：提高齒輪硬度是生產(chǎn)齒輪技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的關(guān)鍵。西德方面，慕尼黑工大教授闡述，齒輪箱尺寸的減小由硬齒面齒輪的活躍決定。隨著熱處理工藝技術(shù)的的成熟，形成了較為成熟的硬齒面淬火工藝齒面滲碳淬火工藝已較為成熟，人類社會(huì)發(fā)展到19世紀(jì)末，在機(jī)械工程領(lǐng)域占主導(dǎo)地位的將會(huì)是漸開線硬齒面齒輪。

5 漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱直齒齒輪的失效形式

齒輪傳動(dòng)就裝置形式來說，有開式及閉式之分，根據(jù)使用情況來說低速，高速，輕載荷，重載荷之分。齒輪嚙合面的硬度大于350HBS或38HRC時(shí)稱之為硬齒面齒輪。齒輪傳動(dòng)的主要失效形式可以歸納為以下幾類：

5.1 輪齒的折斷

輪齒的形式多種多樣，普通模式下的輪齒折斷的形式是齒根彎曲折斷。在嚙合齒輪傳動(dòng)中主要承受載荷的部位是齒根處因此在工作中容易在齒根處產(chǎn)生最大的彎曲應(yīng)力。除此之外輪齒上面還有加工刀痕引起的應(yīng)力集中等因素使齒根部分產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)散最終導(dǎo)致輪齒折斷。

當(dāng)重載荷或有沖擊性質(zhì)的壓力作用下，齒輪輪齒可能會(huì)出現(xiàn)載荷過大而折斷的情況。初次之外當(dāng)齒輪的磨損是因受大量的載荷引起的，仍然保持工作狀態(tài)的話會(huì)引起齒輪在正常的工況下受載荷發(fā)生輪齒斷裂的故障。

在生產(chǎn)過程中為了防止齒輪產(chǎn)生折斷，斷裂等故障可以對(duì)生產(chǎn)制造過程進(jìn)行改善。在機(jī)械生產(chǎn)中一般采取這幾種措施來改善齒輪的抗折斷性能：

1）齒輪制通常采取消除標(biāo)記的處理方法來去掉或減小齒根應(yīng)力集中因此需要增大齒輪齒根過度半徑達(dá)到目的。

2）當(dāng)齒輪在接觸線上受均勻的載荷可以改善齒輪的抗彎曲性能，因此我們可以采用增大軸，支撐的剛性。

3）齒輪所使用的材料性能的影響也很大。當(dāng)齒輪材料具有足夠的韌性可以提高齒根處以及齒芯的抗折斷彎曲能力因此我們可以適當(dāng)?shù)牟扇崽幪岣卟牧闲阅堋?/p>

5.2 齒面點(diǎn)蝕

疲勞損傷的表現(xiàn)形式之一是齒輪齒面點(diǎn)蝕。當(dāng)齒輪材料受變化的接觸應(yīng)力下，因?yàn)楣ぜ^度疲勞而產(chǎn)生的，看似像麻點(diǎn)狀況的磨損受傷。

嚙合齒輪在傳動(dòng)過程中，一對(duì)嚙合齒面間的相對(duì)滑動(dòng)有成潤(rùn)滑油墨的作用。[3]研究表明當(dāng)一對(duì)齒輪相互嚙合傳動(dòng)式時(shí)高的滑動(dòng)速度易在嚙合齒面間產(chǎn)生油膜，潤(rùn)滑效率也就越好。改善齒輪材料的硬度，輪齒抗點(diǎn)蝕的能力可以得到增強(qiáng)的效果。

5.3 齒面磨損

齒面磨損有兩種形式。在閉式齒輪傳動(dòng)中，齒輪傳動(dòng)開式轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，相互嚙合的一對(duì)齒面因?yàn)辇X面不平整產(chǎn)生磨損。通常我們常說的磨合磨損是因?yàn)槟p齒面磨平了粗糙的齒面，齒面的磨損也控制在最小的程度。磨合磨損有提高齒輪高在能力的優(yōu)勢(shì)。

還有一中磨損的產(chǎn)生原因是在齒輪傳動(dòng)中沒有供應(yīng)充足的潤(rùn)滑油或潤(rùn)環(huán)境有雜物，不干凈的潤(rùn)滑環(huán)境造成的。像這種外界因素導(dǎo)致的磨損稱為磨粒磨損，磨粒磨損對(duì)齒輪的破壞很大，它可以改變齒輪的形狀，導(dǎo)致齒側(cè)間隙變得很大，使齒輪傳動(dòng)中產(chǎn)生較重的振動(dòng)。

5.4 齒面膠合

膠合指產(chǎn)生的主要原因之一是齒輪傳動(dòng)在高速重載的工況下（如飛機(jī)發(fā)電機(jī)減速器的主傳動(dòng)齒輪）在一對(duì)嚙合齒面間產(chǎn)生大的壓，高的溫度，引起潤(rùn)滑效果不良。高的溫度使相互嚙合的齒面粘在一起的現(xiàn)象，這在齒面上沿相對(duì)滑動(dòng)的方向形成傷痕，產(chǎn)生齒面膠合。

在高速度重載荷的工作環(huán)境下的齒輪傳動(dòng)易產(chǎn)生故障，由于較大的嚙合速度和較高的熱量使得整體齒輪的齒面溫度變高,齒面油膜變薄,生成熱膠合。

嚙合齒輪傳動(dòng)在低速重載環(huán)境下，因?yàn)榈退俚凝X輪傳動(dòng)速度不能夠造成有效的潤(rùn)滑油，因此在重載壓下吃面接觸的地方溫度瞬間上升，生成膠合。這一種膠合就是所謂的冷膠合。

6 結(jié)論

目前新型采棉機(jī)齒輪系統(tǒng)所選用的齒輪是標(biāo)準(zhǔn)漸開線圓柱直齒齒輪和漸開線變位圓柱直齒齒輪。在以后的研究和設(shè)計(jì)中可以設(shè)計(jì)選用斜齒圓柱齒輪，因?yàn)樾饼X輪具有重合系重合系數(shù)大，傳動(dòng)平穩(wěn)數(shù)大，傳動(dòng)平穩(wěn)，嚙合性能好，噪聲低等特點(diǎn)。