孙 奎

（中国铁建重工集团股份有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

在采棉机技术的研发方面，我国要显著地晚于国外发达国家。截止到目前为止，尽管我国的部分企业有能力研发国产采棉机，但在其核心部分质量方面还会存在一定的不足之处，进口摘锭会有着更强的使用性能与耐磨程度[1]，于是这也会阻碍我国采棉机的蓬勃发展。对于采棉机摘锭而言，其失效的一种最主要形式即为表面磨损，对其磨损规律进行分析与探索，有助于国产采棉机摘锭研发工作的顺利进行。

对于采棉机摘锭而言，其会面临着十分复杂并且变化多端的田间采摘环境。由于受到多方面因素的影响，会导致摘锭磨损情况的发生。要综合性地分析与研究处于采摘阶段的摘锭表面形貌，对其发生磨损的机理进行分析，在此基础上才可以有助于摘锭结构优化方案的制定，有助于采取有效的表面改良处理措施。现在，我国的商品化摘锭表面通常都是选择使用电镀铬涂层，并没有对其表面实施织构处理操作。对于该涂层而言，其有着很多的优势，例如耗用的成本较少，有着较强的硬度以及防腐蚀性，所以在工业领域中得到十分广泛的应用[2]。然而，其也存在一定的不足，即会在一定程度上污染环境，而且在发生沉积以后，其表面会形成许多微裂纹。对于大部分的工程领域而言，产生的这些微裂纹不会破坏涂层，然而在采棉时这些微裂纹却会被棉纤维进行依附，于是会导致摘锭的表面涂层发生脱落或撕裂等现象。

1 摘锭的运动过程

摘锭的安装位置是摘锭管座上，在摘锭末端及其座管中心轴上的锥齿轮之间会进行有机配合，从而使得摘锭进行旋转。每个摘锭的座管上端会有一个曲拐，在其上的滚轮会进行滑槽运动，在采摘滚筒上会安装摘锭座管，该座管会跟从滚轮做圆周运动。在即将运动至采摘区域的时候，内部的滚轮动曲拐会进行摆动，于是会导致摘锭座管出现偏转的情况，进而使得摘锭随之转动，改变径向夹角。这样一来，就可以更加便捷、顺利地完成采摘作业。在转动到脱棉区域时，摘锭会出现偏转，于是借助于脱棉盘就能够将摘锭上的棉花摘下来。对于棉纤维而言，其缠绕性十分强[3]。因此，在采棉机运行的过程中，绕轴向处于较快速度旋转的摘锭会勾住一些棉纤维，然后再通过旋转的方式使得棉花缠绕在摘锭的表面，利用棉纤维的作用摘下棉壳中余下的棉花。

2 摘锭磨损原因

通常状况下，在疲劳磨损以及磨料磨损的共同作用下，会导致摘锭发生磨损的情况。在采棉机运行的过程中，往往是在采摘前，由三个勾齿将棉纤维勾住。在摘锭处于高速度旋转的状况下，会致使棉纤维牢牢地缠在摘锭上，除此以外，再充分发挥脱棉盘的作用，脱下棉纤维。接下来，再充分发挥清洗毛刷的作用，对其实施刷洗操作，彻底清洗摘锭，为后续的采棉工作做好充足的准备工作。反复实施这些操作就特别容易会导致摘锭出现疲劳的现象。在运行的过程中，采棉机会面临很差的工作环境，棉花上会占有大量的尘土，不仅如此，棉纤维中还会包含一些砂粒。在摘锭对棉纤维进行缠绕的过程中会受到较硬杂质的影响，从而发生磨料磨损的情况。一旦摘锭出现磨损的情况，那么就无法稳定、牢固地将棉花勾住，这样一来，就会造成摘锭在棉纤维的中间发生打滑的状况，进而就无法顺利、高效地采摘棉花，该情况还会进一步地加快摘锭勾齿发生磨损的速度。

3 摘锭磨损受力分析

摘锭磨损主要是因为棉纤维和硬质颗粒造成磨料发生磨损的情况。其与摘锭的水平运动并无关联，因此，在对该种现象进行研究与分析的时候，能够将摘锭座管顺着轨道发生的运动进行忽略不计。如此一来，就会使得摘锭的受力模型发生简化，于是就可以转变为摘锭绕着摘锭中心开展旋转运动[4]。在轴向上摘锭勾齿部分的截面圆直径是从小变大的，摘锭所受的压力是从大变小的。

基于图1分析可知，摘锭相同截面上的某一个点会受到棉纤维施予的力，使得2个力发生转化，变成一个方向指向圆心的压力。F合主要指的是棉纤维对摘锭表面形成的压力。磨损速率和零件表面受力有正比例关系。针对制作材料一致的零件而言，在压力增加1/2时，寿命会缩短一倍。

图1 摘锭截面受力图

4 三维建模分析

本研究选择的摘锭类型是迪尔7760釆棉机摘锭，对其参数给予测量（见表1），对其勾齿部分的磨损情况进行研究。

表1 摘锭测量数据

基于上述数据在UG中构建三维模型，见图2。

图2 摘锭三维模型

我们针对摘锭展开静力学有限元分析，摘锭会面临着棉纤维指向轴心的正压力。由于其勾齿会包含在轴向上角度是3.3°的斜面，在缠绕棉纤维时，不同直径的部位会面临不同压力。部位的直径越小，那么所受的压力会越大（图3）。

图3 摘锭应力分析结果图

通过相关研究与分析能够获知，在摘锭的勾齿部位存在最大应力。应力大小会直接对零件的磨损率产生影响，二者之间有正相关性。前3个最大勾齿属于应力集中的部位，后面的勾齿与压力是逐渐递减的，其他部位有十分小的受力。所以，在磨料磨损的状况下，摘锭的前三个勾齿有着最快的磨损速度。伴随棉花缠绕与脱掉操作的逐渐进行，摘锭的应变会逐渐地发生累积，在累积到相应次数的时候，就会导致摘锭出现疲劳的状况，进而发生疲劳磨损的情况。

基于图4分析可知，我们对摘锭的整体进行研究与探索，勾齿部位是摘锭应变很大的部位，其应变以及所受的应力有着对应的关系，并且受力情况与应力相同。

图4 摘锭应变分析结果图

5 结论

基于摘锭的三维模型应力分析能够获知：第一，摘锭的前3个勾齿所受的应力最大。第二，应力大小会直接对零件的磨损率产生影响，二者之间有正相关性。前3个最大勾齿属于应力集中的部位，后面的勾齿与压力是逐渐递减的。因此，在磨料磨损的状况下，摘锭的前三个勾齿有着最快的磨损速度。第三，摘锭的前3个勾齿是应变最集中的部位，后面勾齿的应变会逐渐递减。通过零件的疲劳磨损机理能够获知，伴随棉花缠绕与脱掉操作的持续进行，摘锭的应变会发生累积，在累积到相应次数时，就会导致摘锭出现疲劳的状况，进而发生疲劳磨损[5]。在摘锭运行的过程中，其前面3个勾齿是应变最大的同时，也是最早进行磨损的。

6 结语

综上，对于采棉机摘锭磨损而言，其主要是由疲劳磨损以及磨料磨损共同作用产生的。由于摘锭的勾齿会在轴向上受到不同的力，因此其磨损也会不尽相同。基于模型受力分析结构可知，摘锭的尖部会最早出现磨损的状况，而且磨损会相对更加严重。以上结论是和生产的实际状况比较符合的，由此也证明了摘锭三维建模分析的科学性，在此基础上也可以为采棉机涂层处理措施的制定奠定良好的基础，有着重要的理论价值。