采棉机摘锭磨损失效分析

新疆是中国棉花主产区,机械化收获程度相对较高.采棉机是高端农机装备,摘锭是其核心零部件在采摘过程中与棉纤维、硬质棉秆接触摩擦导致表面涂层磨损,降低田间采净率及摘锭使用寿命,故其性能好坏直接影响采棉机的运行效率和机采棉品质.该文建立了采棉机摘锭的实体模型,通过有限元方法分析摘锭在脱棉过程中应力与应变的分布规律,旨在揭示摘锭失效的力学机制.数值结果表明表面涂层磨损是作用在钩齿表面上的摩擦力合力在采摘过程中不断撕裂涂层引起、摘锭断裂是扭转变形所致及锥齿轮磨损归因于过载后产生的塑形变形造成.并基于扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观测失效摘锭的微观结构形貌进行验证,结果表明该有限元分析结果与实际情形基本吻合.     

水平摘锭式采棉机采摘头传动系统优化与试验

为了提高水平摘锭式采棉机的作业效率,针对国产采棉机在高速作业过程中存在采摘速比系数匹配不当、采摘头传动系统不合理的问题,该研究根据水平摘锭式采棉机采摘头结构与工作原理,对采摘头传动系统、采棉机采摘机理进行分析,根据传动系统传动要求和采棉机采摘条件,建立目标函数与约束条件,运用遗传算法和1stOpt软件对采摘头传动系统进行优化分析。优化结果为:滚筒动力齿轮齿数为72,离合器上齿轮变位系数为-0.14,滚筒动力齿轮变位系数为1.208,齿轮顶隙系数为1.25。结合采棉机作业要求搭建棉花采摘性能试验台,选取采摘滚筒转速113～143 r/min、作业速度5.93～7.20km/h,对优化前后采摘头的作业性能进行验证试验。结果表明:优化后的采摘头作业速度由6.4km/h提升至7.2 km/h,工作效率由4.86 hm~2/h提升至5.47 hm~2/h,提高了12.5%;优化后的采摘头在7.2 km/h的作业速度下,采净率由90.4%提升至93.7%,采净率提高了3.6%,含杂率由10.28%降至9.72%,含杂率降低了5.4%,验证了传动系统优化结果的合理性。该研究可为国产采棉机采摘头的研发提供参考。     

采棉机摘锭采摘过程的动力学分析

针对采棉机采棉头核心部件摘锭易磨损、易折断的工程实际问题,根据采摘系统的结构特点和振动特性,建立该系统单自由度干摩擦振动模型,考查摘锭在摩擦力作用下的动力学响应,分析了系统运动中存在的黏滑振动,并通过摘锭速度及结构参数的变化揭示了摘锭在工作过程中实际动力学特性,同时探讨了呈现出的动力学行为对摘锭磨损的影响,并提出抑制摘锭磨损的建议。该文的理论分析与数值结果为采棉机摘锭的结构设计及优化提供参考。     

田间作业条件下摘锭耐磨性能及棉花采净率的试验研究

为了探究田间作业条件下摘锭的耐磨性能与棉花采净率,该研究将未钝化摘锭和钝化摘锭安装到采棉机不同采摘头上,在作业面积达到0、150、300、450、600 hm2时,获取2种摘锭样本并进行切割制样,分析钩齿磨损形貌,提取钩齿磨损面积及镀层厚度,同时测定2种摘锭的采净率。结果表明：未钝化摘锭的钩齿前齿尖易折断,钝化摘锭的钩齿镀层剥落晚于未钝化摘锭。在相同作业面积下,钝化摘锭的钩齿磨损面积更小,在测试位置的镀层厚度更高;当作业面积达到600 hm2时,未钝化摘锭的钩齿平均磨损面积达到2.9×105 μm2,约为钝化摘锭的2.6倍;未钝化摘锭1号、2号钩齿及钝化摘锭1号钩齿测试位置镀层剥落,钝化摘锭具有更加优异的耐磨性能。对照2种全新摘锭的采净率,钝化摘锭的采净比未钝化摘锭低0.2个百分点;当作业面积达到约200 hm2时,2种摘锭的采净率相差不大;当作业面积超过200 hm2时,钝化摘锭的采净率大于未钝化摘锭;当作业面积为450 hm2时,未钝化摘锭和钝化摘锭采净率均达到最大值,分别约为96.4 %和96.7 %;当作业面积为600 hm2时,钝化摘锭的采净比未钝化摘锭高0.5个百分点,钝化摘锭具有更加优异的采摘性能。该研究成果对于采棉机摘锭钩齿的结构优化与修形具有重要意义。     

生物质燃油摩擦磨损特性试验分析

采用四球摩擦磨损试验等方法,研究了热解液化方法制备的生物质燃油的摩擦学特性.借助SEM,XPS,GC-MS,TGA等分析测试技术考察了摩擦磨损实验后的摩擦副磨痕表面形貌,磨痕表面元素的化学结合状态,摩擦磨损实验前后生物质燃油的主要化学成分的变化及其热化学物理特性.结果表明:生物质燃油的最大无卡咬负荷(PB值)为392 N,在196N和294N压力,生物质燃油的平均摩擦系数为0.083和0.097,磨痕表面呈带状犁沟:磨痕表面出现了含-OH、-COOH基闭的有机物和FeS、FeSO4的能谱吸收峰;摩擦磨损实验后生物质燃油的醛酸类物质含量明显变化.生物质燃油的摩擦磨损机理归因于在摩擦表面形成了含FeS、FeSO4等的化学反应膜以及含有-OH、-COOH等极性基团的有机物的吸附油膜的存在,使钢球摩擦副之间保持了良好的边界润滑.     

渗碳工艺对高速液压翻转犁犁尖部件耐磨性的影响

针对在犁尖部件的局部区域堆焊硬质合金层仍无法解决现有国产犁尖整体耐磨性不足的问题,该研究对高速液压翻转犁犁尖部件整体采用渗碳-淬火-回火处理,并探讨了该工艺对犁尖微观组织与耐磨性的影响机制。研究结果表明,经渗碳-淬火-回火（Carburizing-Quenching-Tempering）工艺处理后的犁尖（CQT态犁尖）近表层最大碳质量分数约为0.70%,渗层深度约为2.5 mm,其表层组织为针状马氏体（高硬度）+残余奥氏体+少量碳化物,芯部组织则以板条马氏体（高强韧性）为主,这与经淬火-回火（Quenching-Tempering）工艺处理后的犁尖（QT态犁尖）中的板条马氏体+先共析铁素体组织明显不同,微观组织的改善使CQT态犁尖近表层的显微硬度较QT态犁尖提高56%。同时,与QT态犁尖相比,CQT态犁尖芯部的屈服强度和抗拉强度分别提升16%和20%。摩擦磨损试验及田间试验表明,CQT态犁尖的平均摩擦系数较QT态犁尖下降约22%,耕作120 hm2后的CQT态犁尖的磨损量较QT态犁尖降低37%,这主要归因于渗碳层中含有高硬度针状马氏体及残余奥氏体的应变诱导马氏体相变的综合强化作用。此外,与QT态犁尖相比,CQT态犁尖的耐磨性更高,使其具有更大的表面积,这有利于通过减小犁尖单位面积上的载荷和摩擦放热量来减轻待磨层材料蠕变软化的倾向,从而提高CQT态犁尖的耐磨性。上述研究结果可望为改善农机触土部件的耐磨性提供可行的技术方案。     

渗层强化的果园运输机驱动轮耐磨性能

为解决牵引式果园运输机绳-轮驱动系统驱动轮绳槽磨损严重而导致牵引滑移失效的问题，该研究对基于渗层强化的果园运输机驱动轮耐磨性能进行了分析。首先通过ANSYS软件探究了驱动轮表面应力应变随其硬度的变化规律；随后采用热扩散沉积（thermal diffusion, TD）技术对45钢驱动轮进行了渗钒与渗硼处理，并对渗层的显微结构、力学性能和摩擦磨损特性进行了对比分析，最后利用运输机模拟台架对渗层强化后驱动轮的应用性能进行了测试。结果表明：驱动轮渗钒层和渗硼层厚度分别为20.9和97.3 μm，均与基材结合较好；且由于渗层中碳化钒、硼化铁等硬质相的存在，渗钒层与渗硼层硬度分别达到22.08和13.45 GPa，较未处理前提升3～4倍；往复摩擦试验下渗钒层与渗硼层表面摩擦系数分别为0.47、0.44，较45钢分别下降19%、24%。运输机模拟台架应用性能测试表明，干摩擦下渗钒与渗硼处理后驱动轮的平均磨损量较45钢分别降低了88%和81%，其中渗钒驱动轮表面磨损较小；油润滑下渗钒与渗硼处理后驱动轮的平均磨损量较45钢分别降低了92%和85%。综上，热扩散渗钒与渗硼处理均可大幅提高驱动轮抗磨性，其中渗钒层具有更高的硬度与耐磨性，但在应用时需进行实时油润滑，更适合对满足定时维护条件下的驱动轮进行强化；而渗硼层耐磨性虽有所降低，但可在干摩擦下使用，更适合对野外山地环境下无法满足润滑的驱动轮进行强化。该研究结果可为改善牵引式果园运输机驱动轮耐磨性提供可行技术方案。     

提高耐磨与破碎性的仿生凹坑形磨辊设计与试验

为了提高水泥辊压机磨辊的耐磨性与破碎性,以仿生非光滑理论为指导,在磨辊表面设计并加工出具有不同直径、不同深度、不同轴向间距及周向个数的仿生凹坑形结构,根据正交表编制试验方案并对磨辊进行磨损及破碎性试验。试验结果表明,仿生凹坑形结构可以有效提高磨辊的耐磨性与破碎性。相对于标准磨辊,其耐磨性最大提高29.06%,破碎性最大提高18.7%。当仿生磨辊的凹坑直径为8 mm、凹坑深度为2 mm、轴向凹坑间距为16 mm、周向凹坑个数为12时,是兼具耐磨性及破碎性的最优辊。通过有限元方法对磨辊所受应力进行分析时发现,合理的仿生凹坑形结构可以优化磨辊表层受力,减少磨辊磨损;磨辊挤压石英砂破碎时受到的最大挤压力是影响其破碎性的重要因素。通过单颗粒石英砂破碎试验可知,仿生凹坑形结构减少了石英砂对其表面的刻划,分散了石英砂对其表面的挤压力,提高了磨辊的耐磨性及破碎性。     

润湿剂对我国草本泥炭物理性状改善的作用

本试验以国产草本泥炭为材料,设置5个润湿剂喷施浓度处理:以不喷施处理为对照(CK),分别喷施50(T_(50))、100(T_(100))、200(T_(200))和300 ml m~(-3)(T_(300)),研究不同处理对国产草本泥炭物理性状的影响。结果表明,润湿剂喷施浓度100~300 ml m~(-3)处理的泥炭总孔隙度较对照显著增大,其中喷施100 ml m~(-3)处理的总孔隙度和持水孔隙度分别提高了7.23%和16.79%,通气孔隙度降低了17.33%。泥炭大小孔隙比随喷施浓度增加呈先降低后升高的趋势,以喷施100 ml m~(-3)的处理最低,为27.54%;以喷施300 ml m~(-3)时最高,为43.48%。喷施润湿剂对泥炭pH值无显著影响,其饱和含水量显著升高,以喷施100 ml m~(-3)时最高,达222.38%,该处理在24 h和144 h的泥炭水分散失速率均显著低于对照。泥炭连续3次充分湿润时间均表现为T_(300)T_(200)T_(100)T_(50)CK。综上所述,润湿剂喷施浓度为100 ml m~(-3)的处理有效提升了国产草本泥炭的孔隙特性和保水性能,可为国产优质泥炭的生产提供理论参考。     

纤维改性再生骨料透水混凝土力学性能透水性和耐磨性研究

再生骨料透水混凝土是利用再生骨料制备透水混凝土,具备再生混凝土和透水混凝土的功能优势,但导致强度、耐磨性变差,故该文进行再生骨料透水混凝土改性研究。将聚丙烯纤维和碳纤维以不同的体积分数(其中聚丙烯纤维掺量分别为0.3%、0.6%、0.9%、1.2%,碳纤维掺量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%)掺入再生透水混凝土中,采用WAW-1000电液伺服万能试验机测定力学强度,自制透水装置测定透水系数,洛杉矶磨耗试验机测定耐磨性,获取不同种类和掺量纤维对透水性、力学性能和耐磨性的影响。试验结果表明,聚丙烯纤维和碳纤维的掺入对混凝土的孔隙率和透水系数影响不大,但可提高强度和耐磨性。随着纤维掺量的增加,抗压强度和劈裂抗拉强度呈先增大后减少的趋势;质量损失率也先减少后增大趋势。经优化分析可知聚丙烯纤维最优掺量为0.6%,碳纤维最优掺量为0.4%。该成果可为纤维改性混凝土以及再生骨料透水混凝土的推广应用提供参考。     

胶棒滚筒棉花采摘头采收性能试验

为缩短胶棒滚筒采棉机设计周期,提高胶棒滚筒采棉机作业质量,借助胶棒滚筒综合性能试验台,以滚筒转速、采摘行走速度和滚筒胶棒轴向间距为影响因子,以采净率、撞落棉损失率、含杂率为采摘性能指标,进行二次正交旋转组合试验,应用Design-Expert8.0.6软件,建立了影响因子与性能指标的回归模型,分析了各因子对性能指标的影响。采用多目标优化,确定最佳参数组合为：滚筒转速450 r/min,行走速度2.4 km/h,胶棒轴向间距44 mm。根据优化参数组合,重复验证试验结果为：采净率95.78%,撞落棉损失率0.89%,含杂率17.44%,与优化结果基本吻合。田间试验表明,4FS-3胶棒滚筒采棉机采净率为95.29%,撞落棉损失率为0.97%,含杂率为17.11%,主要性能指标达到国家采棉机作业性能指标要求。该研究为采摘头关键部件设计及工作参数改进提供参考,有效提高了采收效率和作业质量,对推动采棉机国产化和促进新疆棉花产业健康发展有一定意义。     

手动背负夹爪式简易梨采摘器研制

针对梨采摘效率低且劳动强度大的问题,该文通过分析梨果实特征,并搭建剪切力测量平台,对不同品种和成熟度的梨进行果柄剪切试验,测得剪断果柄的最大剪切力为5.4 N;设计了一款操作简单且不伤果实的手动背负式梨采摘器,该手动背负式采摘器由操作执行机构通过拉索拉动采摘头,使夹爪和刀片先后动作,完成采摘;采摘完后,松开操作手柄,在复位弹簧的作用下,刀具和夹爪顺序动作,果实通过收集布袋落入果篮中;基于Recurdyn对采摘器关键部件进行仿真,得出剪切力平均为13.5N,大于剪断果柄所需的剪切力;基于ANSYS软件对主要的受力杆件组进行强度分析,验证了所设计的采摘器强度满足要求;开展实地试验验证设计的合理性。试验表明:该手持式采摘器操作简单、舒适,采用采摘器采摘,采摘效率比人工采摘效率提高了57.1%,可以实现不同高度梨的采摘,提高了果农的采摘效率和采摘过程安全性。     

半喂入式花生摘果试验装置的设计与试验

为适应花生分段收获和摘果的需要,通过对中国花生生产机械化现状和摘果方式的调查研究,设计了一种半喂入式花乍摘果试验装置.对摘果试验装置的结构和工作原理进行了分析,重点研究了花生摘果试验装置的喂入、输送和摘果等装置的优化配置,以探索新的工作原理和新的结构设计.进行了半喂入式花生摘果试验装置参数优选试验,求得摘果滚筒转速、夹持输送速度和摘果滚筒直径与摘果指标的关系,得出了影响花生摘果指标的主次因素和各因素的显著性水平,各参数的最优组合为摘果滚筒转速270 r/min,夹持输送速度11.3 m/min,摘果滚筒直径160mm.该研究对半喂入式花生摘果机的设计具有实际指导意义,同时为今后花生摘果机械的研制提供理论依据与科学指导.     

茶鲜叶嫩梢捏切组合式采摘器设计与试验

针对条形名优绿茶依赖人工采摘、无专用采摘器的问题,该研究设计了适用于名优茶采摘的捏切组合式采摘器。首先分析人工采摘嫩梢的运动过程及茶叶嫩梢物理特性,设计了基于盘形凸轮的捏切、送、甩、抛循环式采摘机构和柔性捏切一体采摘爪。通过算法控制采摘臂旋转速度,采摘器实现了低振动、准确采摘。样机试验表明：采摘器单次作业最大时间小于0.6 s,实际采摘成功率稳定在100%,说明捏切组合式采摘器符合茶园嫩梢采摘连续、快速的需求。喂入深度和采摘高度越大采摘成功率越高,根据茶叶生长环境和农艺要求确定较优采摘高度和喂入深度均为10 mm、采摘角度为0°。试验结果表明采摘器采摘的茶叶嫩梢与人工采摘品质相同。该研究可为茶叶嫩梢低损、快速采摘提供参考。     

开沟器铲尖表面等离子熔覆Mo2FeB2涂层制备及其磨损性能

为了解决开沟器铲尖耕作过程中耐磨性差、易失效的问题,利用等离子熔覆技术在开沟器铲尖表面制备Mo₂FeB₂金属陶瓷涂层,并对其微观组织结构、物相组成、显微硬度以及耐磨性能进行研究。通过正交试验得到熔覆层制备的最优工艺参数组合为：熔覆电流80 A,熔覆距离10 mm,熔覆速度20 cm/min,并以此来制备耐磨熔覆层。结果表明,熔覆层与基体呈现良好冶金结合,其组织主要由方形、蝶状、十字镖形、树形以及不规则长条状的硬质相、网状共晶组织和铁基粘结相组成,其主要物相组成为Mo₂FeB₂、M₃B₂(M: Mo, Fe, Cr)、(Cr, Fe)₇C₃、MoB、CrB、Fe₂B以及Fe-Cr固溶体。熔覆层的平均显微硬度为9618 MPa,为开沟器铲尖基体的2.79倍。相同工况下的磨损试验表明熔覆层的平均磨损量（19.20 mg）和平均摩擦系数（0.294）与基体相比分别降低了52.9%和42.4%;不同载荷下的磨损试验表明,随着载荷的增加,熔覆层与基体的摩擦系数呈现逐渐减小的趋势,但熔覆层的整体摩擦系数均低于基体,且其磨损形貌较基体轻微。土槽试验结果表明,熔覆层开沟器铲尖的平均磨损量（4.60 g）比常规开沟器铲尖（15.54 g）降低了70.4%;田间试验结果表明,在实际土壤环境中,开沟器铲尖熔覆层的平均磨损量（34.34 g）仅为常规开沟器铲尖（79.06 g）的43.4%,通过对比磨损形貌发现,熔覆层的存在可以有效抵御土壤磨损,使开沟器铲尖在经过长时间的磨损后能最大程度的保持原貌,从而使其表现出优异的耐磨性能。该研究结果可为提高农机触土部件的耐磨性提供理论参考和可行技术方案。     

4MZ-2（3）型自走式采棉机主传动系技术方案分析与确定

根据采棉机主传动方式的要求，通过对发动机外特性、液压传动系统中变量泵和定量马达的调节性能特性的分析，针对国产自走式采棉机的主传动系的3种传动方案的优缺点进行分析比较，确定了国产自走式采棉机主传动系方案，该方案实现了在不同速度范围内的无级变速；并已用于自走式采棉机的生产中。     

黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究

为了设计用于黄瓜采摘的末端执行器,首先测定了黄瓜的抗压特性、表面摩擦系数和果柄切断阻力等物理特性。针对黄瓜抓持模型进行了力学分析,建立了气动驱动器中的气压值与抓持能力之间的关系。最后,研制了可用于黄瓜采摘的末端执行器,由抓持器和切割器组成,抓持器由2个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成,切割器由旋转气缸和刀片构成。该采摘执行器机械结构简单,输出力较大。试验结果表明：黄瓜抓持成功率为90%,黄瓜果柄割断成功率为100%,采摘时间为3 s。该采摘执行器采摘黄瓜效果良好,具有较好的实际应用前景。