孫 勝，胡 斌，李林峰，靳奉奎，周 逸，喬星宇

（石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000）

0 引 言

我國作為世界上棉花生產(chǎn)大國，2018 年種植面積達(dá)3352.3khm2左右。我國主要棉花產(chǎn)區(qū)包括長江棉區(qū)、黃淮棉區(qū)和新疆棉區(qū)[4]。新疆作為我國最具優(yōu)勢(shì)的棉花產(chǎn)區(qū)，棉花產(chǎn)量幾乎占據(jù)了全國棉花總產(chǎn)量的一半。因此，解決棉花收獲問題的一個(gè)重要途徑就是大力發(fā)展機(jī)械化采棉，研究及開發(fā)機(jī)械化采棉技術(shù)，對(duì)勞動(dòng)力緊缺、降低生產(chǎn)成本都具有重要的意義[5-6]。摘錠作為采棉機(jī)的重要零件，易受風(fēng)沙天氣的影響，在工作過程中表面易粘附硬質(zhì)沙粒，導(dǎo)致摘錠磨損加快，降低摘錠的使用壽命，阻礙采棉機(jī)作業(yè)品質(zhì)的提升。近年來我國機(jī)械化采棉技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但核心技術(shù)較美國等發(fā)達(dá)國家仍有較大差距，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是國產(chǎn)摘錠的性能較進(jìn)口摘錠有較大差距，采摘頭仍依賴于進(jìn)口。每臺(tái)采棉機(jī)摘錠有2000多根，每次采棉機(jī)摘錠的更換都要將近20萬，維護(hù)成本很高。因此有必要對(duì)摘錠性能進(jìn)行深入研究。

圖1 采棉機(jī)

1 摘錠的工作原理

新疆推廣使用的采棉機(jī)多以凱斯、迪爾為主。采棉機(jī)的主要工作原理是棉花靜止，采棉機(jī)行進(jìn)采摘，在采棉頭滾筒的旋轉(zhuǎn)作用下摘錠既“公轉(zhuǎn)”又“自轉(zhuǎn)”。完成一次采摘過程需與棉花接觸、勾住、纏繞，并在自身高速旋轉(zhuǎn)下將棉花從棉鈴中拽出，經(jīng)歷β角度為采棉過程[7]。然后經(jīng)脫棉盤將纏繞在摘錠桿身的棉花脫離，經(jīng)歷γ 角度為脫棉過程（圖2）。最后經(jīng)輸棉管道收集在集棉箱中。在采棉和脫棉過程中，摩擦力始終存在于摘錠與棉花的接觸面上，一般情況下脫棉過程受脫棉盤的擠壓摩擦力比采棉過程的摩擦力大很多。除采棉和脫棉過程外，摘錠將不受外力僅空轉(zhuǎn)為下次采摘和脫棉做準(zhǔn)備[8]。

圖2 . 采摘機(jī)采摘過程

2 基于表面微觀處理的摘錠結(jié)構(gòu)

根據(jù)采棉機(jī)的設(shè)計(jì)和使用要求，設(shè)計(jì)了基于表面微觀處理的摘錠結(jié)構(gòu)，摘錠的整體結(jié)構(gòu)如圖3，主要由摘錠頭、摘錠桿、摘錠錐形齒輪、摘錠齒、齒間槽、存儲(chǔ)槽等部件組成。

圖3 采棉機(jī)摘錠的結(jié)構(gòu)示意

摘錠桿的一端連接摘錠錐形齒輪，摘錠錐形齒輪與傳動(dòng)頭嚙合，將動(dòng)力傳遞給摘錠桿；摘錠桿的另一端與摘錠頭連接，摘錠桿通過旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)摘錠頭工作；摘錠頭分為三個(gè)工作區(qū)域，每個(gè)區(qū)域有若干個(gè)弧形采棉齒，每?jī)蓚€(gè)弧形采棉齒的中間設(shè)有一個(gè)水基液存儲(chǔ)槽，所有齒間水基液存儲(chǔ)槽與軸向存儲(chǔ)槽連接。摘錠在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，水基液在離心力的作用下形成一層薄膜覆蓋在摘錠上。

3 表面微觀處理的摘錠可行性理論分析

3.1 浸潤理論

潤濕性（又稱浸潤性）是固體表面的重要特征之一，無論在人們的日常生活中還是在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中它都發(fā)揮著重要的作用。潤濕性能的應(yīng)用極其廣泛，像微電子工業(yè)、印刷工業(yè)、交通行業(yè)、新材料的合成制備以及生物芯片等方面無不與潤濕性有著密切的關(guān)系[9～13]。研究表明：固體表面的潤濕性能是由其表面的化學(xué)組成和微觀形貌共同決定。

裴明德[14]在《銅鋁表面的浸潤改性研究》一文中指出超疏水表面的制備研究盡管方法和材料種類繁多，但大體可以分為兩大類：在疏水表面構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)和在粗糙表面用低表面能的物質(zhì)修飾。因而對(duì)摘錠表面進(jìn)行加工處理，通過能夠改變摘錠表面、構(gòu)建粗糙結(jié)構(gòu)的方法，能夠改變摘錠表面的浸潤性。

3.2 毛細(xì)管現(xiàn)象

將毛細(xì)管插入浸潤液體內(nèi)，管內(nèi)液面上升，高于管外的現(xiàn)象稱為毛細(xì)現(xiàn)象[15]。液體對(duì)固體表面存在吸引力，液體表面類似張緊的橡皮膜，如果液面是彎曲的，它就有變平的趨勢(shì)，因此凹液面對(duì)下面的液體施以拉力，凸液面對(duì)下面的液體施以壓力。浸潤液體在毛細(xì)管中的液面是凹形的，它對(duì)下面的液體施加拉力，使液體沿著管壁上升，當(dāng)向上的拉力跟管內(nèi)液柱所受的重力相等時(shí)，管內(nèi)的液體停止上升，達(dá)到平衡。

圖4 毛細(xì)管內(nèi)流體爬升

設(shè)r是毛細(xì)管的內(nèi)半徑，同時(shí)把管內(nèi)液體表面近似地看成是球帽狀（圖4），在管壁浸潤的情況下，表面張力的合力為

它應(yīng)與管內(nèi)高出部分液體的重量平衡：

式中h—液面高度；ρ—液體密度；g—重力加速度；σ=σ23，由此得

由（3）式可知r越小時(shí)h越大。因此在管徑很小的時(shí)候水可以反抗重力在管內(nèi)爬升。

通過對(duì)毛細(xì)現(xiàn)象的研究，可知摘錠表面的存儲(chǔ)槽尺寸特別小時(shí)，存儲(chǔ)槽可以近似視為毛細(xì)管，摘錠表面供給水基液時(shí)，在表面張力的作用下，存儲(chǔ)槽可以把水基液存儲(chǔ)起來。在采棉機(jī)工作的過程中，依靠離心力的作用，水基液將會(huì)形成一層薄膜，阻止棉花和摘錠直接接觸，降低摘錠的磨損。

3.3 濕潤狀態(tài)下摩擦系數(shù)的變化研究

采棉機(jī)采摘過程中，摘錠自身高速旋轉(zhuǎn)，在采棉機(jī)向前行進(jìn)時(shí)與棉花接觸，依靠摘錠與棉花之間的摩擦力將棉花勾住、纏繞在摘錠上，進(jìn)而從棉鈴中拽出來完成采摘工作。這一過程與閘瓦制動(dòng)的原理十分相近，閘瓦用鑄鐵或其他材料制成瓦狀制動(dòng)塊，在車輪需要制動(dòng)的時(shí)候，閘瓦緊抱車輪踏面，依靠閘瓦與車輪踏面之間的摩擦力使車輪停止運(yùn)動(dòng)。

熊谷則道[16]等在《濕潤狀態(tài)下車輪踏面粗糙度與踏面閘瓦間摩擦系數(shù)的變化關(guān)系》一文中通過實(shí)驗(yàn)針對(duì)濕潤狀態(tài)下閘瓦與車輪踏面之間的摩擦系數(shù)關(guān)系作出了分析，通過控制反復(fù)噴水時(shí)的噴水量來改變車輪踏面與閘瓦之間的濕潤狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，首先使車輪踏面形成一定的粗糙度，然后在同一條件下各進(jìn)行5次噴水制動(dòng)試驗(yàn)，觀察反復(fù)制動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)證明：在噴水改變閘瓦與車輪踏面的濕潤狀態(tài)下反復(fù)施行制動(dòng)時(shí)， 閘瓦的摩擦系數(shù)逐漸降低，閘瓦與車輪間水膜的摩擦系數(shù)也降低，而且這種效果較為持久。

結(jié)合濕潤狀態(tài)下摩擦系數(shù)變化的研究可知，摘錠表面存儲(chǔ)的水基液在摘錠工作時(shí)，依靠離心力的作用形成一層薄膜能夠改變摘錠與棉花的濕潤狀態(tài)，持續(xù)減小摩擦系數(shù)，降低摘錠和棉花之間磨損，提高耐磨性能，提升摘錠的使用壽命。

3.4 小結(jié)

通過上述對(duì)浸潤理論、毛細(xì)現(xiàn)象以及濕潤狀態(tài)下摩擦系數(shù)變化的研究，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)摘錠表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，一方面能夠達(dá)到儲(chǔ)水的目的，另一方面也能夠改變摘錠表面的濕潤狀態(tài)。進(jìn)而阻止棉花與摘錠直接接觸，降低摘錠的磨損，延長使用壽命，提升采棉質(zhì)量。同時(shí)采棉機(jī)在工作時(shí)，摘錠頭高速旋轉(zhuǎn)，與棉花摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，工作過程中溫度時(shí)常高于65℃，摘錠表面存儲(chǔ)的水基液能夠有效避免摘錠在持續(xù)高溫的工作狀態(tài)下引起棉花起火，帶來安全隱患。

4 基于表面微觀結(jié)構(gòu)的摘錠儲(chǔ)水特性實(shí)驗(yàn)

4.1 霧化水儲(chǔ)水特性實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)將摘錠豎直放置在平臺(tái)上，將水基液裝在噴霧裝置中，借助噴霧裝置將水基液霧化，使摘錠處于霧化環(huán)境中。一段時(shí)間后將摘錠取出，放置在放大裝置下觀察儲(chǔ)水槽內(nèi)的儲(chǔ)水情況。

圖5 霧化實(shí)驗(yàn)的摘錠弧形齒間溝槽

圖6 霧化實(shí)驗(yàn)的摘錠弧形齒間溝槽側(cè)壁

圖7 緩沖水儲(chǔ)水特性試驗(yàn)

將經(jīng)過霧化試驗(yàn)之后的摘錠平放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，利用高倍放大鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)弧形齒間的儲(chǔ)水槽內(nèi)有大量水珠（圖5）；將摘錠傾斜一定的角度，在光和放大裝置的綜合作用下觀察儲(chǔ)水槽的側(cè)壁（圖6），可以發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)水槽的側(cè)壁也附著有水珠（在光和放大裝置的作用下，光亮點(diǎn)的位置即為水珠）。試驗(yàn)表明，摘錠表面的存儲(chǔ)槽具有一定的儲(chǔ)水作用，可以儲(chǔ)存水基液供采棉機(jī)采摘作業(yè)使用。

4.2 緩沖水儲(chǔ)水特性試驗(yàn)

將摘錠放置于緩慢流速的水基液中，一段時(shí)間后，取出摘錠平放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，觀察摘錠表面的儲(chǔ)水情況，可以清楚地觀察到弧形齒間的溝槽內(nèi)存有大量的水基液。

5 結(jié)論

（1）對(duì)摘錠表面的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，在其表面加工出溝槽，弧形齒間的溝槽與軸向溝槽相通，能夠達(dá)到儲(chǔ)存水基液的目的，進(jìn)而改善摘錠表面的浸潤特性，使水基液在摘錠表面形成一層潤膜。

（2）薄膜的存在能夠阻止棉花和摘錠之間的直接接觸，減少摩擦系數(shù)，降低摘錠與棉花之間的磨損，提高耐磨性能，提升摘錠的使用壽命。同時(shí)摘錠表面存儲(chǔ)的水基液能夠避免摘錠在持續(xù)高溫的工作狀態(tài)下引起棉花起火，帶來安全隱患。

（3）較霧化水相比，摘錠表面的存儲(chǔ)槽在緩慢流速下的儲(chǔ)水效果更加。