孫 奎

（中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

在采棉機(jī)技術(shù)的研發(fā)方面，我國要顯著地晚于國外發(fā)達(dá)國家。截止到目前為止，盡管我國的部分企業(yè)有能力研發(fā)國產(chǎn)采棉機(jī)，但在其核心部分質(zhì)量方面還會存在一定的不足之處，進(jìn)口摘錠會有著更強(qiáng)的使用性能與耐磨程度[1]，于是這也會阻礙我國采棉機(jī)的蓬勃發(fā)展。對于采棉機(jī)摘錠而言，其失效的一種最主要形式即為表面磨損，對其磨損規(guī)律進(jìn)行分析與探索，有助于國產(chǎn)采棉機(jī)摘錠研發(fā)工作的順利進(jìn)行。

對于采棉機(jī)摘錠而言，其會面臨著十分復(fù)雜并且變化多端的田間采摘環(huán)境。由于受到多方面因素的影響，會導(dǎo)致摘錠磨損情況的發(fā)生。要綜合性地分析與研究處于采摘階段的摘錠表面形貌，對其發(fā)生磨損的機(jī)理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上才可以有助于摘錠結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的制定，有助于采取有效的表面改良處理措施。現(xiàn)在，我國的商品化摘錠表面通常都是選擇使用電鍍鉻涂層，并沒有對其表面實施織構(gòu)處理操作。對于該涂層而言，其有著很多的優(yōu)勢，例如耗用的成本較少，有著較強(qiáng)的硬度以及防腐蝕性，所以在工業(yè)領(lǐng)域中得到十分廣泛的應(yīng)用[2]。然而，其也存在一定的不足，即會在一定程度上污染環(huán)境，而且在發(fā)生沉積以后，其表面會形成許多微裂紋。對于大部分的工程領(lǐng)域而言，產(chǎn)生的這些微裂紋不會破壞涂層，然而在采棉時這些微裂紋卻會被棉纖維進(jìn)行依附，于是會導(dǎo)致摘錠的表面涂層發(fā)生脫落或撕裂等現(xiàn)象。

1 摘錠的運動過程

摘錠的安裝位置是摘錠管座上，在摘錠末端及其座管中心軸上的錐齒輪之間會進(jìn)行有機(jī)配合，從而使得摘錠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。每個摘錠的座管上端會有一個曲拐，在其上的滾輪會進(jìn)行滑槽運動，在采摘滾筒上會安裝摘錠座管，該座管會跟從滾輪做圓周運動。在即將運動至采摘區(qū)域的時候，內(nèi)部的滾輪動曲拐會進(jìn)行擺動，于是會導(dǎo)致摘錠座管出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)的情況，進(jìn)而使得摘錠隨之轉(zhuǎn)動，改變徑向夾角。這樣一來，就可以更加便捷、順利地完成采摘作業(yè)。在轉(zhuǎn)動到脫棉區(qū)域時，摘錠會出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，于是借助于脫棉盤就能夠?qū)⒄V上的棉花摘下來。對于棉纖維而言，其纏繞性十分強(qiáng)[3]。因此，在采棉機(jī)運行的過程中，繞軸向處于較快速度旋轉(zhuǎn)的摘錠會勾住一些棉纖維，然后再通過旋轉(zhuǎn)的方式使得棉花纏繞在摘錠的表面，利用棉纖維的作用摘下棉殼中余下的棉花。

2 摘錠磨損原因

通常狀況下，在疲勞磨損以及磨料磨損的共同作用下，會導(dǎo)致摘錠發(fā)生磨損的情況。在采棉機(jī)運行的過程中，往往是在采摘前，由三個勾齒將棉纖維勾住。在摘錠處于高速度旋轉(zhuǎn)的狀況下，會致使棉纖維牢牢地纏在摘錠上，除此以外，再充分發(fā)揮脫棉盤的作用，脫下棉纖維。接下來，再充分發(fā)揮清洗毛刷的作用，對其實施刷洗操作，徹底清洗摘錠，為后續(xù)的采棉工作做好充足的準(zhǔn)備工作。反復(fù)實施這些操作就特別容易會導(dǎo)致摘錠出現(xiàn)疲勞的現(xiàn)象。在運行的過程中，采棉機(jī)會面臨很差的工作環(huán)境，棉花上會占有大量的塵土，不僅如此，棉纖維中還會包含一些砂粒。在摘錠對棉纖維進(jìn)行纏繞的過程中會受到較硬雜質(zhì)的影響，從而發(fā)生磨料磨損的情況。一旦摘錠出現(xiàn)磨損的情況，那么就無法穩(wěn)定、牢固地將棉花勾住，這樣一來，就會造成摘錠在棉纖維的中間發(fā)生打滑的狀況，進(jìn)而就無法順利、高效地采摘棉花，該情況還會進(jìn)一步地加快摘錠勾齒發(fā)生磨損的速度。

3 摘錠磨損受力分析

摘錠磨損主要是因為棉纖維和硬質(zhì)顆粒造成磨料發(fā)生磨損的情況。其與摘錠的水平運動并無關(guān)聯(lián)，因此，在對該種現(xiàn)象進(jìn)行研究與分析的時候，能夠?qū)⒄V座管順著軌道發(fā)生的運動進(jìn)行忽略不計。如此一來，就會使得摘錠的受力模型發(fā)生簡化，于是就可以轉(zhuǎn)變?yōu)檎V繞著摘錠中心開展旋轉(zhuǎn)運動[4]。在軸向上摘錠勾齒部分的截面圓直徑是從小變大的，摘錠所受的壓力是從大變小的。

基于圖1分析可知，摘錠相同截面上的某一個點會受到棉纖維施予的力，使得2個力發(fā)生轉(zhuǎn)化，變成一個方向指向圓心的壓力。F合主要指的是棉纖維對摘錠表面形成的壓力。磨損速率和零件表面受力有正比例關(guān)系。針對制作材料一致的零件而言，在壓力增加1/2時，壽命會縮短一倍。

圖1 摘錠截面受力圖

4 三維建模分析

本研究選擇的摘錠類型是迪爾7760釆棉機(jī)摘錠，對其參數(shù)給予測量（見表1），對其勾齒部分的磨損情況進(jìn)行研究。

表1 摘錠測量數(shù)據(jù)

基于上述數(shù)據(jù)在UG中構(gòu)建三維模型，見圖2。

圖2 摘錠三維模型

我們針對摘錠展開靜力學(xué)有限元分析，摘錠會面臨著棉纖維指向軸心的正壓力。由于其勾齒會包含在軸向上角度是3.3°的斜面，在纏繞棉纖維時，不同直徑的部位會面臨不同壓力。部位的直徑越小，那么所受的壓力會越大（圖3）。

圖3 摘錠應(yīng)力分析結(jié)果圖

通過相關(guān)研究與分析能夠獲知，在摘錠的勾齒部位存在最大應(yīng)力。應(yīng)力大小會直接對零件的磨損率產(chǎn)生影響，二者之間有正相關(guān)性。前3個最大勾齒屬于應(yīng)力集中的部位，后面的勾齒與壓力是逐漸遞減的，其他部位有十分小的受力。所以，在磨料磨損的狀況下，摘錠的前三個勾齒有著最快的磨損速度。伴隨棉花纏繞與脫掉操作的逐漸進(jìn)行，摘錠的應(yīng)變會逐漸地發(fā)生累積，在累積到相應(yīng)次數(shù)的時候，就會導(dǎo)致摘錠出現(xiàn)疲勞的狀況，進(jìn)而發(fā)生疲勞磨損的情況。

基于圖4分析可知，我們對摘錠的整體進(jìn)行研究與探索，勾齒部位是摘錠應(yīng)變很大的部位，其應(yīng)變以及所受的應(yīng)力有著對應(yīng)的關(guān)系，并且受力情況與應(yīng)力相同。

圖4 摘錠應(yīng)變分析結(jié)果圖

5 結(jié)論

基于摘錠的三維模型應(yīng)力分析能夠獲知：第一，摘錠的前3個勾齒所受的應(yīng)力最大。第二，應(yīng)力大小會直接對零件的磨損率產(chǎn)生影響，二者之間有正相關(guān)性。前3個最大勾齒屬于應(yīng)力集中的部位，后面的勾齒與壓力是逐漸遞減的。因此，在磨料磨損的狀況下，摘錠的前三個勾齒有著最快的磨損速度。第三，摘錠的前3個勾齒是應(yīng)變最集中的部位，后面勾齒的應(yīng)變會逐漸遞減。通過零件的疲勞磨損機(jī)理能夠獲知，伴隨棉花纏繞與脫掉操作的持續(xù)進(jìn)行，摘錠的應(yīng)變會發(fā)生累積，在累積到相應(yīng)次數(shù)時，就會導(dǎo)致摘錠出現(xiàn)疲勞的狀況，進(jìn)而發(fā)生疲勞磨損[5]。在摘錠運行的過程中，其前面3個勾齒是應(yīng)變最大的同時，也是最早進(jìn)行磨損的。

6 結(jié)語

綜上，對于采棉機(jī)摘錠磨損而言，其主要是由疲勞磨損以及磨料磨損共同作用產(chǎn)生的。由于摘錠的勾齒會在軸向上受到不同的力，因此其磨損也會不盡相同?；谀Ｐ褪芰Ψ治鼋Y(jié)構(gòu)可知，摘錠的尖部會最早出現(xiàn)磨損的狀況，而且磨損會相對更加嚴(yán)重。以上結(jié)論是和生產(chǎn)的實際狀況比較符合的，由此也證明了摘錠三維建模分析的科學(xué)性，在此基礎(chǔ)上也可以為采棉機(jī)涂層處理措施的制定奠定良好的基礎(chǔ)，有著重要的理論價值。