表面处理提升采棉机摘锭耐磨性能

靳奉奎，胡 斌，孙 胜，李林峰，罗 昕

（石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

0 引言

新疆是我国最大的棉花生产基地[1]，2018年我国棉花的总产量为609.6万t，新疆棉花产量为511.1万t，占全国棉花产量的83.8%。

近年来，新疆在棉花种植模式上进行了革新，推广棉花铺膜种植、膜下滴灌、棉花化控、机械化采收等技术[2,3]，实现了连续26年新疆棉花产量位居全国第一。

如图1—2所示，采棉机在工作过程中，通过采棉机头滚筒旋转和摘锭自身的高速旋转将棉花从棉铃中拖拽出来，然后通过脱棉盘将棉花从摘锭上脱离[4]。采棉机摘锭的磨损是采棉机磨损的主要形式，工作过程中棉花与采棉机摘锭不断地摩擦造成摘锭表面的磨损，新疆棉花种植基地风沙大，棉铃中夹杂的砂石加剧了采棉机摘锭的磨损，提升采棉机摘锭的耐磨性能成为突破棉花机械化采收技术的关键[5]。因此，提高采棉机摘锭的耐磨性能成为提高采棉机工作性能的关键问题。

图1 采棉机Fig.1 Cotton picker

图2 采棉机摘锭Fig.2 Cotton picker ingot

1 摘锭表面加工技术研究现状

采棉机摘锭磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳和腐蚀磨损。磨料磨损是硬质点和金属表面发生摩擦时，破坏金属表面，形成凹坑或者沟壑；接触疲劳是指金属在经过反复加载、卸载后达到屈服强度，进而发生变形，造成磨损[6]。通过对采棉机工作原理的分析，得出棉机摘锭的主要磨损形式为磨料磨损和接触疲劳。

目前普遍采用改变热处理工艺路线、摘锭表面电磁处理及表面涂层技术等方法来提高采棉机摘锭的耐磨性能。

吴蓓[7]在《采棉机水平摘锭材料及热处理工艺分析》中提出了摘锭表面热处理工艺，包括：摘锭的普通热处理工艺，如对钢件进行正火工艺和调制工艺处理；摘锭的表面热处理工艺，如渗碳工艺和电镀工艺处理。作者提出的摘锭热处理工艺路线，包括下料、锻造、热处理（正火）、机械粗加工、渗碳、淬火、低温回火、机械精加工等工艺流程，分析了摘锭材料的热处理工艺影响因素，为优化摘锭热处理工艺提供了思路。

张有强等[8]在《电磁处理提升采棉机摘锭力学性能和耐磨性》中提出一种电磁处理技术，在不改变现有采棉机摘锭结构的基础上选用凯斯摘锭、迪尔摘锭和国产摘锭进行电磁处理测试，通过电磁处理后对样品进行残余应力测试、显微硬度测试、划痕测试和磨损测试。将试验样品的测试数据与未处理样品的测试数据进行对比，结果表明：在经过电磁处理后，3类摘锭残余应力均下降了50%以上；3类摘锭涂层的E/H值均减小，减少了粘附磨损，增强了耐磨性；3类摘锭磨痕宽段均下降了10%以上，表明电磁处理可以提高抵抗磨粒的能力。证明了电磁处理可以提高摘锭的抗磨损能力，但后期需要验证田间试验的效果。

余松林[9]在《采棉机摘锭控形控性及成型研究》中针对国产摘锭采摘性能差，寿命短等问题，通过对摘锭形态变异分析确定摘锭钩齿的最优齿形。通过对摘锭Cr涂层处理时的温度控制改善其内部组织，提高摘锭Cr涂层的耐磨性能和使用寿命，并提出用激光熔覆强化摘锭表面的方法。对常见摘锭材料20Cr、20CrMnTi、20Mn在同等载荷下进行数值分析，确定最适合摘锭的材料，以摩擦理论为前提、以强度理论为基础优化摘锭参数，提高摘锭的使用性。

2 金属表面浸润特性研究现状

改进金属材料表面性能，能够赋予其表面不同的浸润特性，并拓宽使用范围[10,11]。因此，研究在金属表面制备具有特殊浸润性材料的方法具有重要的理论意义和工程应用价值。

李达等[12]在《超疏水-亲水CaBi4Ti4O15涂层制备及其表面浸润性研究》中得出：经过不同退火温度处理的CaBi4Ti4O15涂层，表面晶粒和孔隙的大小影响表面浸润性。试验表明随着表面晶粒和孔隙的增大，会出现由超疏水到超亲水的转变，这对制造超疏水、超亲水材料提供了新的思路。

娄俊[13]在《超疏水金属表面的制备技术及润湿机理分析》中研究了不同结构参数与表面浸润特性之间的关系。水滴在表面的接触角作为衡量金属的亲水-疏水性的一个标准，试验中在铝合金表面加工出双尺度微结构，水滴在其表面的接触角约为127.4°；铝合金表面加工多尺度微结构，水滴在其表面的静态接触角最大达到162°。试验表明多尺度微结构相比较双尺度微观结构提高了材料的疏水性，如图3所示。

3 水润滑摩擦研究现状

图3 超快激光改性后的超疏水铝合金表面Fig.3 Surface of superhydrophobic aluminium alloy modified by ultrafast lase

长期以来，在机械传动中多以金属载体动为主，润滑多采用润滑油作为润滑介质，但油润滑存在易泄露和不可再生等不可避免的问题；相比油润滑，水润滑具有资源丰富、无污染、燃点低和成本低等优点[14,15]。

王君等[16]在《一种在金属表面形成超润滑表面的方法》中提出一种在金属表面制备出片层或孔状结构的超润滑表面的方法，在低污染的酸溶液中进行阳极化，在铝及任何镀有铝的金属表面上构筑了纳米级片层多孔结构，经过二甲基硅油、氟硅烷及杜邦Krytox系列润滑油的修饰后可得到超润滑表面。

王家序等[17]在《以水为润滑介质的摩擦副关键问题研究》一文中提出，水润滑具有购买和使用成本低、环境友好、燃点高、易维护保养等优点，但同时水润滑存在易腐蚀、水润滑特性的数学方程尚不清晰、易磨损和摩擦，副材料选择等问题，王家序提出用橡胶材料、塑料材料和陶瓷材料代替金属作为传动载体，但尚未进行试验验证。

王权岱[18]在《不同润滑状态下表面润湿性的摩擦学特性研究》中提出，通过纳秒激光加工技术可以改变金属表面形态及化学特征，制备出超疏水和超亲水金属表面，试验表明：边界润滑条件下，疏水表面不利于形成完整的润滑膜，导致摩擦系数增大，润滑效果低于亲水表面；流体动压润滑状态下，疏水层可以促使固液界面发生偏移，导致摩擦系数小于亲水表面。

4 现有问题与解决方法

就目前新疆采棉市场上所使用的采棉机来看[19]，大部分使用进口水平摘锭式采棉机，与国产采棉机相比，其价格及维护成本高昂。由于水平摘锭式采棉机复杂的结构特点，国产采棉机的核心机构及工作部件全部需要从国外进口，作为采棉机的关键零部件，摘锭性能的好坏对采棉性能造成直接的影响。水平摘锭为易损件，在工作过程中高速旋转，因此磨损快、易折断、寿命比较短。历经一至两个采季就需全部更换，更换费用很高，但摘锭目前仍依赖进口尚不能实现国产化，这使农户的购机和使用成本大大增大。

基于以上现状，国内对摘锭表面的耐磨性能展开了多方面的研究与探讨，其中改变热处理工艺路线、电磁强化、表面涂层等方法是目前最常用的。

然而，在常用处理方法中，仍存在以下缺点：热处理的过程中易出现过热现象，过热极易导致奥氏体晶粒的粗大，晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，使零件的机械性能下降。钢过烧后性能严重恶化，淬火时会形成龟裂，且过烧组织无法恢复，只能报废；对摘锭表面进行电磁强化处理摘锭提高其表面耐磨性能的方法，结构较复杂，还需要借助于感应线圈，操作麻烦；对摘锭表面进行镀层[20]处理的方法，对环境污染较为严重且沉积后表面产生大量微裂纹，在采棉过程中这些微裂纹恰好是棉纤维的依附之处，将成为摘锭表面涂层撕裂、脱落的诱因。

结合目前摘锭表面加工技术、金属表面浸润特性以及水润滑摩擦的研究现状，提出了一种新型降低摘锭磨损、提升摘锭使用寿命的方法：对摘锭表面的微观结构进行处理，在其表面切割螺旋槽，进而改善摘锭的浸润特性，使水能够停留其表面形成润膜，阻止了棉花和摘锭之间的直接接触，降低摘锭和棉花之间摩擦磨损，提高摘锭的耐磨性能，进而提升摘锭的使用寿命。