新型采棉机采棉研究分析

依西甫江·赛依提

（新疆大学 乌鲁木齐 830047）

1 采棉机的研究背景和意义

棉花在印度被发现之后，经过商人将其传播到世界各地。从古至今在世界各国棉花都是作为一种重要的战略物资，在我国有些朝代还会没置专门的部门或者颁布法令进行大范围的种植，党和国家也会对棉花种植户和相关企业进行财政补贴。我国的棉花产量和销量都位居世界前列，可见棉花在国家发展中的重要地位。我国棉花种植区域主要有5个主产区，它们是我国商品棉基地。其中在新疆维吾尔自治区，由于其本身地域广阔、光照和雨水、雪水充足有利于棉花的大面积种植，已经逐渐发展成全国棉花的种植中心。在每年的9～11月份大约有来自全国各地的九十方采棉工，浩浩荡荡的乘坐火车前往新疆。棉花采摘价格由早期的最高价每公斤1元，涨到目前每公斤2.5元，每年需要为棉花工所支付的各项费用有二十几亿元,棉农除去种植成本其盈利其实也在每公斤2元左右，而且此种情况还是属于情况好的，如果遇到用工荒无法招募到采棉工，棉花只能等待别人家采完，这样棉花的品质会降低、劳动力成本也会上升、市场棉花价格也可能会下降，棉农的自身的利益得不到保证，这样很多棉农可能会考虑其他市场风险小的经济作物来替代棉花。

由以上分析知，采棉的机械化程度的提高刻不容缓，但是我国的采棉机械化仍然处于起步阶段，主要是实现整个过程的机械化需要系列的配套作业的大型棉花收获机械,[1]不然采摘的棉花商品质量将下降进而影响棉花出售价格，而我国目前配套棉花收获机械棉田使用程度低。

2 国外采棉机研究现状

世界上第一台采棉机雏形的出现最早要追溯到19世纪50年代左右，是由美国人发明制造的。在此后的很长-段时间由于采用人工采棉价格低廉，使得采棉机的研究和制造并没有得到进一步的发展。在第二次世界大战爆发后，由于战争损失了大量的青年劳动力，使得人工采棉难以满足棉花种植户的需求。在此背景的影响下，到20世纪40年代机采棉得到了广泛的推广应用。

采棉机按照采摘原理可以分为两大类： -类是选收机，另外一类是统收机。选收机包括水平轴式采棉机,统一收集包括软轴式采棉机捡棉花和梳齿机。国外的采棉机生产公司主要有两家且都是来自美国，一家是世界五百强约翰迪尔公司，一家是凯斯公司。这两大采棉机研发和生产巨头几乎垄断了全世界的采棉机销售市场。

3 国内研究现状

相比较于国外棉花产业机械化的研究状况，我国由于工业化起步很晚，在采棉机的研发和制造上没有国外那么早，直到新中国成立在党和国家的重视下，棉花产业才开式逐步向机械化方向发展。我国采棉机发展的总趋势是，首先从国外引进不同类型的先进的采棉机，然后对采棉机进行对比采摘测试，最后确定适合于中国棉花种植的采棉机，最后进行国产化。

1952年新疆建设兵团从前苏联购买了垂直摘锭式采棉机,希望在新疆大力推广，但经过相关测试和田间采棉效果试验。结果由于极低的采棉效率,所以没有在生产中推广。1959 年引进了两行采棉机，出于同垂直摘锭式采棉机一样的原因，推广也宣告失败。1971 年新疆建设兵团农七师提出了气吸加机械采摘棉花的构想，气吸振动式分次采棉部件研制成功，虽然在室内的采棉效果很好，但是在田间效果不理想无法进行推广。虽然一次次的失败但是这并不没有动摇国家对研制采棉机的决心，在党和国家的大力支持下，采棉机研究人员不忘初心砥砺前行，1998年中国农业大型机械迎来了里程碑的一刻，第一台国产4MZ-3型自走式采棉机成功下线，标志着我国成为第三个可以生产采棉机的国家。但是该采棉机的核心部件仍然采用美国成熟部件，其它部件采用国产部件。该机器适合不同耕作模式进行采收同时设计3行配置。虽然经过田间采棉试验采摘效果很好，但是其与进口采格机相比各方面的水平还是差别比较明显。国产42-5型自走式采棉机研制成功，经农业农村部农机鉴定总站的鉴定，该采棉机各项技术指标可以和世界先进采棉机相媲美,[2]该采棉机的成功研制打破了国外两大采棉机公司的垄断地位，在采棉机销售市场占有 一定份额，但是其核心部件是进口国外的，没有掌握采棉机核心技术，这也是导致4M2-5 型的市场份额只有5%左右的重要原因。针对摘锭存在的问题，高等院校发挥了其科研能力，新疆大学的孙文品、付长兵和洪荣荣等人对水平摘锭的材料、运动轨迹、形态机理和采棉机原理等方面利用新型的分析方法进行的研究。[3-4]石河子大学的张智明、位自友和张宏文等人对采棉机结构特点、热处理工艺，运动特性等方面进行了分析研究。都取得了一定的成果。通过以上分析可知，国内采棉机研究在目前只能实现部分部件的国产化，对于核心部件摘锭还是用进口的方式。国内外采棉机研究差距明显，国产采棉机难以撼动国外采棉机销售市场的龙头地位，采棉机的完全国产化还需要克服很多难题。

4 齿轮的发展

制作其恒功率驱动齿轮的特点,具有其他机构不可替代的优势，其高质量、高性能的研究,是我国能源、交通、化工、冶金等领域的关键技术。齿轮传动广泛用于我国的汽车、工程机械、机车、电子、航空、航天、海洋和风力风电传动系统等领域。随着时代的进步,设计齿轮的静态和动态性能的要求也逐渐提高。齿轮广泛应用在重工业和轻工业等领域。常用的机械传动,齿轮传动是渐开线圆柱齿轮,可以使用渐开线圆柱齿轮在各种驱动机构,实现减速或增长。驱动齿轮驱动,具有平稳的输出范围的大变化承载能力等优点。随着时代的科学的发展,研究人员对齿轮的静态动态性能的要求也越高。

当今社会，现代机械制造行业的发展对齿轮生产以及传动技术更高的，比如：希望更高的承载能力和更高的可靠性；同时投资生产的资本地，更低的噪音；制造生产过程自动化，参数化。随着人类社会经济增长，科学技术更新速度日益加快，械传动装置向大型化，自动化，尤其是为了满足人类社会需要，现已开始生产制造大型的机械工业设备。而且随着绿色发展观念的普遍化，生产制造中需要投入大量资本节约能源方面从而避免过多资源浪费。有了这样的趋势给硬齿面齿轮的产生和发展迎来了空前绝后的机会，因此对于硬齿面齿轮的研究国内外做了很多的工作。

20世纪70年代，硬齿面在美国视为重要创部件，在很各种身产中广泛使用硬齿面齿轮传动。硬齿面齿轮齿面硬度要求是提高齿轮齿面的硬度，在美国硬齿面齿轮制造需要先把毛呸或材料淬火处理，后再加工轮齿。在英国硬齿面齿轮的使用范围很广阔其主要使用在航空、船舶发动机的生产。David Brown 公司生产符合载荷系数K=5352N/cm2的硬齿面齿轮使用该茶品可以较大的幅度提高发动机承载能力；法国 CETIM齿轮技术委员会主任 Henriot 指出，齿轮传动今后以硬齿面齿轮传动为主，这是因为人类社会生产对齿轮传功的功率要求日益增加；户部博士是日本某大学的教授，他认为：提高齿轮硬度是生产齿轮技术发展趋势的关键。西德方面，慕尼黑工大教授阐述，齿轮箱尺寸的减小由硬齿面齿轮的活跃决定。随着热处理工艺技术的的成熟，形成了较为成熟的硬齿面淬火工艺齿面渗碳淬火工艺已较为成熟，人类社会发展到19世纪末，在机械工程领域占主导地位的将会是渐开线硬齿面齿轮。

5 渐开线标准圆柱直齿齿轮的失效形式

齿轮传动就装置形式来说，有开式及闭式之分，根据使用情况来说低速，高速，轻载荷，重载荷之分。齿轮啮合面的硬度大于350HBS或38HRC时称之为硬齿面齿轮。齿轮传动的主要失效形式可以归纳为以下几类：

5.1 轮齿的折断

轮齿的形式多种多样，普通模式下的轮齿折断的形式是齿根弯曲折断。在啮合齿轮传动中主要承受载荷的部位是齿根处因此在工作中容易在齿根处产生最大的弯曲应力。除此之外轮齿上面还有加工刀痕引起的应力集中等因素使齿根部分产生裂纹并扩散最终导致轮齿折断。

当重载荷或有冲击性质的压力作用下，齿轮轮齿可能会出现载荷过大而折断的情况。初次之外当齿轮的磨损是因受大量的载荷引起的，仍然保持工作状态的话会引起齿轮在正常的工况下受载荷发生轮齿断裂的故障。

在生产过程中为了防止齿轮产生折断，断裂等故障可以对生产制造过程进行改善。在机械生产中一般采取这几种措施来改善齿轮的抗折断性能：

1）齿轮制通常采取消除标记的处理方法来去掉或减小齿根应力集中因此需要增大齿轮齿根过度半径达到目的。

2）当齿轮在接触线上受均匀的载荷可以改善齿轮的抗弯曲性能，因此我们可以采用增大轴，支撑的刚性。

3）齿轮所使用的材料性能的影响也很大。当齿轮材料具有足够的韧性可以提高齿根处以及齿芯的抗折断弯曲能力因此我们可以适当的采取热处提高材料性能。

5.2 齿面点蚀

疲劳损伤的表现形式之一是齿轮齿面点蚀。当齿轮材料受变化的接触应力下，因为工件过度疲劳而产生的，看似像麻点状况的磨损受伤。

啮合齿轮在传动过程中，一对啮合齿面间的相对滑动有成润滑油墨的作用。[3]研究表明当一对齿轮相互啮合传动式时高的滑动速度易在啮合齿面间产生油膜，润滑效率也就越好。改善齿轮材料的硬度，轮齿抗点蚀的能力可以得到增强的效果。

5.3 齿面磨损

齿面磨损有两种形式。在闭式齿轮传动中，齿轮传动开式转动的时候，相互啮合的一对齿面因为齿面不平整产生磨损。通常我们常说的磨合磨损是因为磨损齿面磨平了粗糙的齿面，齿面的磨损也控制在最小的程度。磨合磨损有提高齿轮高在能力的优势。

还有一中磨损的产生原因是在齿轮传动中没有供应充足的润滑油或润环境有杂物，不干净的润滑环境造成的。像这种外界因素导致的磨损称为磨粒磨损，磨粒磨损对齿轮的破坏很大，它可以改变齿轮的形状，导致齿侧间隙变得很大，使齿轮传动中产生较重的振动。

5.4 齿面胶合

胶合指产生的主要原因之一是齿轮传动在高速重载的工况下（如飞机发电机减速器的主传动齿轮）在一对啮合齿面间产生大的压，高的温度，引起润滑效果不良。高的温度使相互啮合的齿面粘在一起的现象，这在齿面上沿相对滑动的方向形成伤痕，产生齿面胶合。

在高速度重载荷的工作环境下的齿轮传动易产生故障，由于较大的啮合速度和较高的热量使得整体齿轮的齿面温度变高,齿面油膜变薄,生成热胶合。

啮合齿轮传动在低速重载环境下，因为低速的齿轮传动速度不能够造成有效的润滑油，因此在重载压下吃面接触的地方温度瞬间上升，生成胶合。这一种胶合就是所谓的冷胶合。

6 结论

目前新型采棉机齿轮系统所选用的齿轮是标准渐开线圆柱直齿齿轮和渐开线变位圆柱直齿齿轮。在以后的研究和设计中可以设计选用斜齿圆柱齿轮，因为斜齿轮具有重合系重合系数大，传动平稳数大，传动平稳，啮合性能好，噪声低等特点。