孫振宇，孫文磊，余松林

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

0 引言

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(chǎn)量占全國產(chǎn)量的1/3以上,亟需加快采棉機(jī)械的普及。目前，國內(nèi)主要使用的采棉機(jī)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(qū)分為水平摘錠式。影響迪爾采棉機(jī)采凈率主要是遺留棉，影響凱斯型采棉機(jī)采凈率主要是撞落棉。國產(chǎn)采棉機(jī)貴航4MZ-5各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與進(jìn)口品牌差距不大，但是可靠性較低；貴航平水采棉機(jī)整機(jī)國產(chǎn)化率93%，但價(jià)格為國外的69%。造成這一差異的原因是采棉機(jī)采摘頭的核心部件-摘錠目前仍依賴進(jìn)口[1]。

摘錠作為水平摘錠式采棉機(jī)的核心采摘部件，其形態(tài)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?，F(xiàn)役采棉機(jī)摘錠大部分為國外進(jìn)口，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，亟需國產(chǎn)新形態(tài)摘錠。所以，基于機(jī)構(gòu)組合與變異理論對(duì)摘錠形態(tài)上變異進(jìn)行研究，派生優(yōu)化出不同參數(shù)摘錠新結(jié)構(gòu)，對(duì)摘錠的新形態(tài)進(jìn)一步設(shè)計(jì)與改進(jìn)與國產(chǎn)采棉機(jī)的研究有重要意義。

1 采摘原理與摘錠工作過程

采摘頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

1.傳動(dòng)齒輪 2.傳動(dòng)齒輪 3.導(dǎo)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(dòng)齒輪 17.摘錠傳動(dòng)齒輪圖1 采摘頭結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Spindles diagram

1.1 水平摘錠式采棉機(jī)采摘原理

采棉機(jī)在工作中，隨著機(jī)器前行分禾器將棉株扶起導(dǎo)入采摘室，摘錠一邊高速自轉(zhuǎn)一邊按設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡垂直深入采摘區(qū)；當(dāng)遇到綻開的籽棉時(shí)，摘錠上斜溝齒狀的溝齒掛住籽棉，籽棉隨摘錠旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，經(jīng)柵板后從采摘室內(nèi)退出從而進(jìn)入脫棉區(qū)，高速旋轉(zhuǎn)的摘錠與反方向旋轉(zhuǎn)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(nèi)繼而由氣流輸送系統(tǒng)通過輸棉管送入棉箱內(nèi)，已脫卸籽棉的摘錠隨滾筒轉(zhuǎn)到濕潤器處進(jìn)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(jìn)入采棉室采棉[2]。

圖2 采摘頭實(shí)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(gè)區(qū)域：摘錠進(jìn)入采棉區(qū)；摘錠上凸出斜齒掛住綻開的籽棉然后自轉(zhuǎn)使其纏繞摘錠表面，摘錠隨滾筒公轉(zhuǎn)帶著籽棉退出采棉區(qū)；摘錠退出采棉區(qū)后經(jīng)脫棉區(qū)脫棉盤脫棉。

2 現(xiàn)役摘錠分解與變異方法選擇

2.1 現(xiàn)役摘錠分解

現(xiàn)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?guī)в?行溝齒面的錐狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其每行齒數(shù)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(tài)對(duì)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?yàn)檎V上斜溝齒可以利用棉絮的特性(棉絮具有纏卷性)自轉(zhuǎn)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(jīng)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(huì)影響摘錠的裝配；直徑過小會(huì)降低摘錠的強(qiáng)度。所以，摘錠直徑應(yīng)選擇一個(gè)合理的范圍，考慮到以上幾點(diǎn)，采用機(jī)構(gòu)組合與變異方法對(duì)采棉機(jī)摘錠形態(tài)變異進(jìn)行研究。

圖3 摘錠分解Fig.3 Decomposition of spindle

3 機(jī)構(gòu)組合與變異方法

機(jī)構(gòu)組合與變異方法是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的重要手段之一，基本思想是在原有產(chǎn)品基礎(chǔ)上，按照需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組，可很大限度地重用企業(yè)已有的成熟產(chǎn)品資源，具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。本設(shè)計(jì)以現(xiàn)役產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)方案為藍(lán)本,在此基礎(chǔ)上通過交叉組合、變異演化及力學(xué)功能滿足程度進(jìn)行對(duì)比分析獲得新形態(tài)機(jī)構(gòu)[4]。

3.1 摘錠構(gòu)型變異演化

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

摘錠自轉(zhuǎn)伸入籽棉的那段長度應(yīng)具有粗糙的表面，還能夠旋轉(zhuǎn)將籽棉拉出，其表面可以為凸出或凹陷的溝槽狀、鋸齒、點(diǎn)、螺紋、鉤齒狀、環(huán)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(jù)上述6種組合形態(tài)，對(duì)新形態(tài)摘錠齒形工作狀況進(jìn)行CAD繪圖，對(duì)比交叉篩選出適合采棉的摘錠變異新組合。

3.2 摘錠力學(xué)因素

在采棉機(jī)采摘棉花的周期過程中采摘的每一個(gè)環(huán)節(jié)都承受不同大小的作用力。接觸階段摘錠的鉤齒對(duì)籽棉的牽引力必須大于籽棉自身纖維黏結(jié)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(jié)力[6]，脫棉階段必須滿足脫棉盤對(duì)籽棉的摩擦力大于籽棉與摘錠的摩擦力，否則將會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)摘錠結(jié)構(gòu)的同時(shí)，要考慮運(yùn)行功能的需求，因?yàn)檎V隨摘錠座管中的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而高速旋轉(zhuǎn)，摘錠頂端錐齒輪與座管緊密鏈接，在工作過程中隨采棉機(jī)的行進(jìn)，會(huì)受到來自棉稈、棉葉、草葉的干擾，其傳動(dòng)性能無法保證；其次在現(xiàn)有摘錠基礎(chǔ)之上對(duì)摘錠的形態(tài)進(jìn)行變異，則摘錠的幾何形態(tài)受到與其相關(guān)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(tài)結(jié)構(gòu)

綜合以上因素，結(jié)合摘錠的具體形狀齒形組合并對(duì)每一項(xiàng)基本組成進(jìn)行變異演化，對(duì)摘錠演化變異進(jìn)行取舍轉(zhuǎn)換，梳理出摘錠變異和演化結(jié)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(jìn)行組合，一共有864種變異組合。每個(gè)變異體棉花采摘率、脫棉率和強(qiáng)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(gè)大類。

摘錠實(shí)際工作環(huán)境十分惡劣，不但要完成運(yùn)動(dòng)和力的傳遞及籽棉的采摘，還要在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下與棉稈發(fā)生較大的沖擊且極易磨損，因此摘錠變異個(gè)體應(yīng)具有可采棉、便于脫棉、耐沖擊、耐磨損及可實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)等特點(diǎn)。針對(duì)該特點(diǎn)對(duì)A～F類重組變異后的摘錠進(jìn)行如表2所示的功能滿足度評(píng)價(jià)。

表2 摘錠重組變異功能滿足度評(píng)價(jià)Table 2 The function satisfaction evaluation of ingot recombinant variation function

通過以上分析可得出如下結(jié)論：三角形柱、菱形柱、五邊型柱，以及六邊型柱回轉(zhuǎn)體摘錠在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有較大的離心力，很難保證摘錠工作的動(dòng)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(nèi)凹不便于零件機(jī)械加工和脫棉。所以，參照目前摘錠設(shè)計(jì)思路將摘錠桿整體設(shè)計(jì)為圓錐體，摘錠齒群繞軸3、4、6行分布，針對(duì)以上分析確定重組變異后形態(tài)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(yàn)證分析

4.1 建模分析

通過UG三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)表3中4種摘錠變異演化組合進(jìn)行建模后如圖5所示。

(a)

(b)

(c)

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

圖5(a)摘錠為3行14排齒，改進(jìn)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(shè)計(jì)[7]。因?yàn)檎V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(zhuǎn)主要纏繞在其前3排齒，所以將摘錠前3排齒傾角調(diào)整為30°。圖5(b)摘錠為4行14排齒，在原有摘錠基礎(chǔ)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(fēng)車齒摘錠。

在以上4種模型設(shè)計(jì)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(tài)不變。摘錠另一端面保持和現(xiàn)役摘錠一樣的錐齒輪，這是由于摘錠錐齒輪一端與座管聯(lián)結(jié)，由座管傳遞動(dòng)力帶動(dòng)摘錠高速自轉(zhuǎn)。

4.2 采摘力學(xué)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(shù)(g/cm2)；

S0—相互摩擦物體實(shí)際接觸面(cm2)；

f′一摩擦因數(shù)，無量綱；

N—正壓力(Ν)。

設(shè)定比例常數(shù)為0.4,摩擦因數(shù)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(duì)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(shè)截面半徑為r,棉條的一段微小長度dl,其包角為da,對(duì)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(shù)關(guān)系表達(dá)式為

(2)

即

(3)

對(duì)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(shí)拉力為T，則表達(dá)式初始條件為α=0，F(xiàn)=T=0，得

(7)

(8)

只有F>P(采摘阻力)且保證纖維不斷裂時(shí)，才能完成一個(gè)棉桃的采棉動(dòng)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(tài)摘錠有限元分析

摘錠在工作過程中以4 000r/min高速自轉(zhuǎn)期間會(huì)與棉花棉稈以及棉葉產(chǎn)生劇烈摩擦，故現(xiàn)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(huì)與四周摘錠發(fā)生干涉，將會(huì)嚴(yán)重影響采棉機(jī)的運(yùn)行[8]。所以，摘錠設(shè)計(jì)應(yīng)做到“寧斷不彎”。采用有限元分析軟件對(duì)3種新形態(tài)摘錠進(jìn)行力學(xué)分析，如果在受力相同情況下新形態(tài)摘錠與現(xiàn)役摘錠在變形、應(yīng)力應(yīng)變分布相差不大，說明摘錠的新形態(tài)可作為現(xiàn)役摘錠的替代機(jī)構(gòu)。

由于圖5(a)僅在現(xiàn)役摘錠上對(duì)摘錠端部前3個(gè)齒傾角微調(diào)，位移變形、應(yīng)力應(yīng)變與現(xiàn)役摘錠相比大體相同，可作為現(xiàn)役摘錠的替代機(jī)構(gòu)故不再分析。

本文4.2節(jié)已分析采棉所需最大力F查相關(guān)文獻(xiàn)了解摘錠在脫棉過程中所需最大摩擦力為1.3F[9]；但農(nóng)業(yè)機(jī)械工況運(yùn)行復(fù)雜，考慮到摘錠與棉稈發(fā)生碰撞時(shí)外部載荷突然增加，結(jié)合摘錠的工作過程，對(duì)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(wǎng)格劃分大小為1mm,定義材料屬性Steel[10]。則現(xiàn)役摘錠與3種新形態(tài)摘錠分析結(jié)果如圖7所示。其從左到右分別為摘錠位移矢量、等效應(yīng)變及等效應(yīng)力分析。

(a) 現(xiàn)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(fēng)車齒摘錠分析圖圖7 摘錠分析Fig.7 Spindle analysis

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

5 結(jié)論

1)摘錠需為圓錐形，因?yàn)橹鶢钫V難以深入籽棉且脫棉困難。

2)為便于脫棉，摘錠端部不應(yīng)再做出鉤齒。

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

該分析結(jié)果可以為采棉機(jī)摘錠的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)以摘錠形態(tài)變異為基礎(chǔ)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。