一种采棉机采棉头润滑系统及控制策略

全永统

（铁建重工新疆有限公司，新疆 乌鲁木齐 830009）

0 引言

随着国内机采棉收购等级的确认，国内采棉机使用需求越来越大，采棉机用户对采棉机的自动化和智能化要求也越来越高，采棉机采棉头的自动注脂技术作为采棉机不可或缺的一部分引起了越来越多采棉机用户的关注。采棉头自动注脂技术可以大大降低操作人员的劳动强度，提高操作人员的舒适性，缩短采摘头的保养周期，提高采收效率，减少采棉头零部件的磨损，延长采棉头零部件使用寿命，减少因操作不当引发的安全事故，减少棉花污染以及提高棉花品质等[1]。

1 采棉头润滑的原理

采棉机润滑脂的主要作用是对摘锭内的轴承、齿轮、凸轮轨道以及驱动齿轮系齿轮进行润滑及密封，属于一次性用脂，伴随采棉机采棉头润滑系统注脂工作，采棉机润滑脂会连续不断地由润滑脂马达泵通过润滑管路分别注入摘锭座管总成、凸轮轨道以及驱动齿轮系齿轮。

采棉头润滑具有以下作用：

（1）降低采棉头各部件摩擦：降低摩擦系数和摩擦阻力，降低采棉头驱动压力，提高采收效率。

（2）降低采棉头各部件磨损：降低磨粒磨损、表面疲劳及粘着磨损等造成的磨损，延长采棉头使用寿命。

（3）冷却作用：润滑脂可以吸热、传热和散热，因而能降低采棉头因摩擦而导致的温度上升，防止采棉头高温起火。

（4）清洁作用：润滑剂的流动可将摩擦表面上污染物及磨屑等冲洗带走，起到清洁作用，减缓采棉头磨损，延长采棉头使用寿命。

2 目前采棉机采棉头润滑系统存在的问题

全国棉花种植面积的80%在新疆，由于采摘前期和后期气温差异较大，因此要求采棉机摘锭润滑脂具有良好的粘温特性，既能满足采摘初期气温较高的环境，也要满足采摘尾期较冷的天气。

市场现有润滑脂质量参差不齐，加注到润滑脂箱后会造成采棉头润滑系统注脂困难，出脂量不能达到设计要求与实际使用要求，导致采棉头各部件长期润滑不良，采棉头各部件使用寿命降低，严重的会造成采棉机起火。

目前市场上的采棉头润滑系统设计存在以下缺点：

（1）系统设计简单，无法保证注脂量一致性，无法满足采棉头对润滑脂的正常工作需求，采棉头长时间处于缺脂或油脂过多状态，采棉头驱动负载偏高，液压元件长期处于高压工作区，导致液压元件使用寿命降低，故障率升高，进而影响采收效率[2-3]。

（2）系统虽设置了注脂时间、注脂间隔和注脂量，但是并未设计对应的注脂量检测闭环单元，因此无法保证在整个采棉过程中采棉头注脂量以及注脂量的一致性。

（3）不易排查和解决故障，注脂过程中无报警提示或缺少相应报警程序，无法在第一时间判断故障位置，造成故障处理时间延长，影响采收效率。

3 采棉头润滑系统设计

3.1 采棉头润滑系统组成

此系统主要由液压油箱、液压吸油过滤器、液压泵、控制阀组（单向阀）、电磁比例阀、安全阀、压力传感器、润滑脂箱、加脂电动球阀、润滑脂马达泵、转速传感器、加脂电动球阀、润滑脂过滤器总成、一级分配器、计数器、二级分配块、手动注脂口、线控手柄、控制器及相关管路与线束等组成，采棉头润滑原理如图1。

图1 采棉头润滑原理

该系统可以实现自动向润滑脂箱注脂功能，当润滑箱需要补脂时，电动球阀得电，润滑脂箱吸油口到电动球阀管路关闭，注脂管路与电动球阀连通，电动球阀得电，电动球阀与过滤器管路关闭，电动球阀与润滑脂箱管路连通，电磁比例阀得电，润滑脂马达泵工作，完成向润滑脂箱注脂工作。自动加脂系统可避免润滑脂的二次污染，保证用脂安全，延长采棉头使用寿命，提高采棉机采收效率，采棉头润滑系统控制如图2。

图2 采棉头润滑系统控制图

3.2 采棉头润滑系统注脂模式

传统注脂模式：使用线控手柄操作，通过线控手柄按钮使比例电磁阀得电，润滑脂马达泵运行，润滑脂通过过滤器进入一级分配器，润滑脂通过一级分配器管路到达采棉头二级分配器，二级分配器通过调定好的注脂单元后分别通过管路到达前后滚筒、大齿盘和凸轮轨道，当程序检测到设定参数值或达到程序设定注脂时间后控制器发出比例电磁阀失电信号，比例电磁阀失电，润滑脂马达泵停止工作，系统发出注脂完成信息[4-5]。

自动注脂模式：在控制器设定为自动注脂模式后，程序根据设定采收亩数或风机工作时长等注脂量条件判定采棉头到达注脂时间和满足注脂条件后比例电磁阀得电工作，润滑脂马达泵工作，润滑脂通过过滤器到达一级分配器，润滑脂通过一级分配器管路到达采棉头二级分配器，二级分配器通过调定好的注脂单元后分别通过管路到达前后滚筒、大齿盘和凸轮轨道，当程序检测到设定参数值或达到程序设定注脂时间时，控制器发出比例电磁阀失电信号，比例电磁阀失电，润滑脂马达泵停止工作，系统发出注脂完成信息。

手动注脂模式：当系统无法进行前两种模式注脂时可以通过手动注脂口进行应急处理，避免由于无法对采棉头进行注脂导致采棉机无法工作，提高采棉机整体采收效率。

3.3 润滑脂马达泵工作原理及特点

润滑脂马达泵由相同排量的马达与泵通过机械轴相连，保证马达与泵转速同步，通过改变马达输入流量从而控制泵的输出流量，以下为计算公式：

由公式（1）、（2）、（3）、（4）可知，通过控制马达转速实现泵输出流量的调节，通过实测采棉头各点位油脂消耗量及消耗时间来确定每次润滑系统注脂时间。

3.4 一级分配器工作原理

一级油量分配器是一种将润滑油量进行计量并按一定顺序运行的润滑元件，该元件能将一定量的润滑油（脂）按规定顺序从出油口依次逐个注出并输送至润滑点。根据工作特点可知，分配器内活塞的运动过程是循序的、递进的，即活塞动作一个接着一个，若前面的活塞未完成动作，后面的活塞就无法动作，会导致分配器的动作循环的终止。

4 采棉头润滑系统控制逻辑

采棉头润滑原理控制逻辑如图3，其主要是通过传感器7、传感器13、传感器15、转速传感器11 以及计数器17所设定值，满足设定条件时触发对应逻辑报警。

图3 采棉头润滑原理控制逻辑

当传感器7、13、15 压力在设置范围内，比例电磁阀5得电，润滑脂马达泵10正常工作，当到达设定值时或计数器到达计数次数设定值后，比例电磁阀5 失电，润滑脂马达泵10停止工作，系统提示注脂完成。

当传感器7 压力满足设定值，传感器13 压力大于设定值，传感器15压力小于设定值时比例电磁阀5失电，润滑脂马达泵10停止工作，控制器22润滑脂过滤器14堵塞报警。

当传感器7 压力满足设定值，传感器13 压力小于设定值，传感器15 压力小于设定值，计数器17 无输出时比例电磁阀5失电，润滑脂马达泵10 停止工作，车载电脑润滑脂箱8缺脂报警。

当传感器7 压力满足设定值，传感器13 压力大于设定值，传感器15压力大于设定值时比例电磁阀5失电，润滑脂马达泵10停止工作，车载电脑润滑脂管路堵塞报警。

当传感器7 压力满足设定值，传感器13 压力大于设定值，传感器15 压力小于设定值，比例电磁阀5 失电，润滑脂马达泵10 停止工作，车载电脑润滑脂过滤器堵塞报警。

当传感器7、13、15 压力在设置范围内，计数器17 无输出，比例电磁阀5 失电，润滑脂马达泵10 停止工作，车载电脑润滑脂分配器17故障报警。

当传感器7压力大于设定值，传感器13、15压力小于设定值，比例电磁阀5失电，润滑脂马达泵10停止工作，车载电脑润滑脂马达泵故障报警。

5 试验测试

5.1 系统搭建测试

根据原理设计现场搭建进行测试，通过调整分配器17柱塞行程模拟实现不同负载压力，通过转速传感器11 调整电磁比例阀5 输出电流，保证润滑脂马达泵10 输出润滑脂流量的稳定性，系统压力流量测试曲线如图4。

图4 压力流量测试曲线

通过封堵一级分配器16 进出口管路实现管路封闭，测试传感器7、传感器13、传感器15、转速传感器11、计数器17 在不同条件下实现润滑脂箱8 缺脂、润滑脂管路堵塞、润滑脂滤芯堵塞、一级分配器16故障或润滑脂马达泵10故障报警的能力。

5.2 系统搭建测试结论

（1）通过搭建测试系统模拟各种故障现象验证控制逻辑准确性。

（2）设定不同润滑脂输出量，在不同环境温度下润滑脂马达泵10 根据设定值实际输出润滑脂量在设计范围内，满足实际使用要求。

6 系统优点

（1）系统使用一体式润滑脂马达泵，传动效率高，配合电磁比例阀，润滑脂流量输出稳定，可以实现不同作业时间段采棉头润滑脂消耗量的补充，减少润滑脂浪费。

（2）各点位注脂量通过二次分配块进行各点出脂量调整，最大限度降低由于注脂量分配不均导致的采棉头功率消耗。

（3）自动润滑功能可降低因保养不及时造成的采棉头部件的磨损，延长采棉头部件的工作寿命，为用户带来更高的经济回报。

（4）自动润滑功能可避免人工手动润滑因操作不当造成的安全事故隐患。

（5）系统具备自动润滑报警功能，经过培训后，人员可快速判断故障点位，缩短排故时间，提高生产作业效率。

（6）自动润滑功能可根据设定值与流量计反馈值计算注脂量，避免注脂过多。