田間作業(yè)條件下摘錠耐磨性能及棉花采凈率的試驗(yàn)研究

李海洋，王玉剛，傅秀清，張宏文，王 磊，王 蒙，杜欣田，魏喜梅，扶學(xué)文，韓秉東

田間作業(yè)條件下摘錠耐磨性能及棉花采凈率的試驗(yàn)研究

李海洋1,2，王玉剛3，傅秀清4，張宏文1,2※，王 磊1,2，王 蒙1,2，杜欣田1,2，魏喜梅1,2，扶學(xué)文1,2，韓秉東1,2

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003；3.山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司，濟(jì)南 250032； 4.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京 210031）

為了探究田間作業(yè)條件下摘錠的耐磨性能與棉花采凈率，該研究將未鈍化摘錠和鈍化摘錠安裝到采棉機(jī)不同采摘頭上，在作業(yè)面積達(dá)到0、150、300、450、600 hm2時(shí)，獲取2種摘錠樣本并進(jìn)行切割制樣，分析鉤齒磨損形貌，提取鉤齒磨損面積及鍍層厚度，同時(shí)測(cè)定2種摘錠的采凈率。結(jié)果表明：未鈍化摘錠的鉤齒前齒尖易折斷，鈍化摘錠的鉤齒鍍層剝落晚于未鈍化摘錠。在相同作業(yè)面積下，鈍化摘錠的鉤齒磨損面積更小，在測(cè)試位置的鍍層厚度更高；當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到600 hm2時(shí)，未鈍化摘錠的鉤齒平均磨損面積達(dá)到2.9×105μm2，約為鈍化摘錠的2.6倍；未鈍化摘錠1號(hào)、2號(hào)鉤齒及鈍化摘錠1號(hào)鉤齒測(cè)試位置鍍層剝落，鈍化摘錠具有更加優(yōu)異的耐磨性能。對(duì)照2種全新摘錠的采凈率，鈍化摘錠的采凈率比未鈍化摘錠低0.2個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到約200 hm2時(shí)，2種摘錠的采凈率相差不大；當(dāng)作業(yè)面積超過200 hm2時(shí)，鈍化摘錠的采凈率大于未鈍化摘錠；當(dāng)作業(yè)面積為450 hm2時(shí)，未鈍化摘錠和鈍化摘錠采凈率均達(dá)到最大值，分別約為96.4 %和96.7 %；當(dāng)作業(yè)面積為600 hm2時(shí)，鈍化摘錠的采凈比未鈍化摘錠高0.5個(gè)百分點(diǎn)，鈍化摘錠具有更加優(yōu)異的采摘性能。該研究成果對(duì)于采棉機(jī)摘錠鉤齒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與修形具有重要意義。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；棉花；摘錠；鈍化；耐磨性能；磨損形貌；采凈率

0 引 言

棉花原產(chǎn)于亞熱帶地區(qū)，品種繁多[1-3]，是重要的經(jīng)濟(jì)作物[4-6]，在國防、醫(yī)藥和工業(yè)中發(fā)揮著重要作用[7-8]。中國新疆適宜的環(huán)境和氣候?yàn)槊藁ǖ纳L(zhǎng)、吐絮提供了條件[9-10]，已經(jīng)成為國內(nèi)棉花的主要生產(chǎn)區(qū)域[11]。棉花機(jī)械化采收是促進(jìn)棉花種植規(guī)模迅猛發(fā)展的主要原因之一，更是各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)在棉花生產(chǎn)中應(yīng)用的體現(xiàn)[12-14]。由于棉花的機(jī)械化采收效率高、成本低[15]，采棉機(jī)在中國新疆等主要棉花種植地區(qū)得到廣泛的運(yùn)用[16]。

摘錠是采棉機(jī)的關(guān)鍵核心部件[17-20]；鉤齒是摘錠鉤掛棉花的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，易磨損[21-23]。摘錠對(duì)棉花的鉤掛能力依賴于鉤齒的完整性，鉤齒磨損將直接影響機(jī)采棉的采收質(zhì)量和采凈率[24-27]。WANG等通過臺(tái)架試驗(yàn)分析了不同鉤齒角度參數(shù)對(duì)摘錠采摘性能的影響[28]。隨著研究人員對(duì)摘錠磨損失效過程的研究，發(fā)現(xiàn)其磨損失效是多種磨損形式協(xié)同作用的結(jié)果[29-33]。GU等在田間作業(yè)條件下，獲取摘錠樣本并對(duì)其表面形貌進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，摘錠鉤齒鍍層的磨損主要是由磨粒磨損和疲勞剝落造成的，基體的磨損是磨粒磨損和氧化磨損共同作用的結(jié)果[34-35]。LI等對(duì)摘錠的12個(gè)鉤齒進(jìn)行了切割制樣并利用掃描電子顯微鏡表征了其表面形貌，結(jié)果表明鉤齒的磨損從前齒尖、后齒尖開始出現(xiàn)，并向齒刃與齒背面延伸，再向脫棉刃延伸，形成長(zhǎng)筒靴狀的磨損區(qū)域[16]。為提高摘錠的耐磨性能，GLENN等對(duì)其進(jìn)行薄陶瓷涂層處理，以提高其光滑度和硬度[36]。張有強(qiáng)等提出對(duì)摘錠表面進(jìn)行電磁處理，降低其殘余應(yīng)力，以提高其抗磨損能力[22]。AMANOV等利用超聲波誘導(dǎo)摘錠表面出現(xiàn)嚴(yán)重的塑形變形，以改善材料表面完整性、增加其機(jī)械性能，提高其耐磨性[37]。張宏文等設(shè)計(jì)了一種具有仿形結(jié)構(gòu)鉤齒的采棉機(jī)摘錠，通過設(shè)置仿形結(jié)構(gòu)預(yù)磨面實(shí)現(xiàn)摘錠鉤齒齒刃與棉稈的線接觸向面接觸轉(zhuǎn)變，能夠提升鉤齒齒刃部位鍍層壽命，從而有效提高摘錠的耐磨性能[38]。上述幾種方案雖然能提升摘錠的耐磨性能，但忽略了加工的難易程度與加工成本。前期調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)摘錠在作業(yè)過程中其鉤齒齒尖和齒刃部位易先出現(xiàn)磨損，導(dǎo)致其耐磨性能較差。為了解決這種問題，研究人員在摘錠電鍍之前利用電解的方法對(duì)摘錠鉤齒的齒尖和齒刃部位進(jìn)行鈍化，以提升摘錠的耐磨性能[39]。

為了探究鈍化摘錠的耐磨性能和采摘性能，本研究設(shè)計(jì)加工了未鈍化摘錠和鈍化摘錠，并將2種摘錠分別安裝在采棉機(jī)的不同采摘頭上。在采棉機(jī)達(dá)到不同作業(yè)面積時(shí)，從采摘頭前滾筒座管上獲取摘錠樣本，并對(duì)其進(jìn)行切割制樣，分析2種摘錠鉤齒的磨損形貌，提取鉤齒磨損面積，測(cè)量鉤齒鍍層厚度，并測(cè)定2種摘錠的采凈率，對(duì)比分析鈍化摘錠的耐磨性能和采摘性能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)摘錠

摘錠主要由傳動(dòng)部分、支撐部分和采摘部分組成，其中采摘部分設(shè)置有3列鉤齒，每列鉤齒的數(shù)量為12個(gè)。本研究試驗(yàn)采用2種摘錠，一種為鉤齒未經(jīng)過鈍化處理（表述為未鈍化摘錠，鉤齒截面齒刃處的曲率半徑約為0.025～0.036 mm），另一種為鉤齒經(jīng)過鈍化處理（本文表述為鈍化摘錠，鉤齒截面齒刃處的曲率半徑約為0.045～0.060 mm），2種摘錠均與合作企業(yè)共同開發(fā)研制，基體材料均為20CrMnTi，基體表面均進(jìn)行滲碳處理，鍍層材料均為Cr。摘錠總體結(jié)構(gòu)與鉤齒截面顯微形貌如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用設(shè)備包括：John Deere采棉機(jī)（型號(hào)：CP690，配備Pro-16采摘頭），數(shù)控電火花線切割機(jī)床（型號(hào)：DK-7732，電極絲直徑：0.18 mm，加工精度：0.01 mm，用于切割摘錠鉤齒），超聲波清洗器（型號(hào)：DL-720D，用于清洗摘錠表面污漬），激光共聚焦顯微鏡（型號(hào)：LEXT-4100，高度分辨率：10 nm，用于觀察摘錠截面形貌并測(cè)量鉤齒鍍層厚度），金相試樣鑲嵌機(jī)（型號(hào)：XQ-1，試樣規(guī)格：30 mm，用于鉤齒截面樣本的鑲嵌），金相磨拋機(jī)（型號(hào)：ZMP-2000，用于鉤齒截面樣本的研磨拋光），掃描電子顯微鏡（型號(hào)：S-4800，加速電壓：0.5～30 kV，放大倍數(shù)：30～800 000倍，用于鉤齒磨損形貌的表征），電子稱（型號(hào)：SB-3003，精度：0.001 g，用于采凈率測(cè)試過程中籽棉樣本的稱量）。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2021年10月8日至11月3日在新疆奎屯市進(jìn)行。以摘錠種類和摘錠作業(yè)面積為試驗(yàn)因素，以鉤齒磨損形貌、磨損面積、鍍層厚度及采凈率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探究摘錠的耐磨性能與采摘性能。試驗(yàn)前將2種摘錠分別安裝在采棉機(jī)1號(hào)采摘頭和6號(hào)采摘頭上（如圖2所示）。新疆地區(qū)一臺(tái)CP690采棉機(jī)在一個(gè)采收季節(jié)的作業(yè)面積為600～700 hm2，摘錠在田間作業(yè)150 hm2左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)齒尖鍍層的脫落，出現(xiàn)初期的磨損；隨著作業(yè)面積的增加，磨損程度逐漸增大[16]。因此，本研究在采棉機(jī)作業(yè)面積達(dá)到0、150、300、450、600 hm2時(shí)分別進(jìn)行采凈率的測(cè)定，并獲取2種摘錠樣本。

圖2 CP690采棉機(jī)田間采棉試驗(yàn)

1.3.1 鉤齒的制樣與檢測(cè)

每次分別獲取2種摘錠各3根，利用數(shù)控電火花線切割機(jī)床對(duì)摘錠樣本進(jìn)行第一次切割，摘錠樣本按照如圖3a所示方式夾持，以保證切割路徑與摘錠錐面的母線平行，得到鉤齒表面樣本，并利用超聲波清洗儀清洗其表面污漬，為了便于區(qū)分，本文對(duì)每列鉤齒進(jìn)行編號(hào)，如圖3b所示。對(duì)切割后的剩余部分（包含2列鉤齒）進(jìn)行第二次切割，摘錠樣本按照如圖3c所示方式夾持，以保證切割路徑與摘錠鉤齒傾斜角度一致，得到1～12號(hào)鉤齒的切割樣本，如圖3d所示。利用金相試樣鑲嵌機(jī)對(duì)切割樣本進(jìn)行鑲嵌，利用金相磨拋機(jī)對(duì)鑲嵌樣本進(jìn)行研磨拋光（所用水砂紙的材質(zhì)為SiC，型號(hào)為800#、1200#和2000#），得到鉤齒截面樣本，如圖3e所示。重復(fù)上述操作步驟，完成全部摘錠樣本的切割制樣。由于2種摘錠不同作業(yè)面積下的樣本數(shù)均為3根，因此2種摘錠在不同作業(yè)面積下均有3組鉤齒表面樣本與鉤齒截面樣本。采用掃描電子顯微鏡觀察摘錠鉤齒表面顯微形貌，加速電壓15 kV，放大倍數(shù)為50倍。利用CAD軟件提取1～12號(hào)鉤齒磨損面積，取3組數(shù)據(jù)的平均值作為結(jié)果。利用激光共聚焦顯微鏡觀察摘錠鉤齒截面形貌并提取鉤齒鍍層厚度，取3組樣本的平均值作為結(jié)果。

圖3 鉤齒切割及制樣過程示例

1.3.2 采凈率測(cè)定

采凈率是衡量摘錠采摘性能的重要指標(biāo)，摘錠鉤齒的磨損將影響機(jī)采棉的采凈率[40-42]。耐磨性能優(yōu)異的摘錠能夠更長(zhǎng)時(shí)間地保持鉤齒結(jié)構(gòu)的完整性，保證機(jī)采籽棉的采凈率。參照《GB/T 21397 棉花收獲機(jī)》對(duì)2種摘錠的采凈率進(jìn)行測(cè)定。新疆地區(qū)棉花多采用如圖4所示的種植模式[43-44]，且地勢(shì)平坦，棉田面積大，滿足上述標(biāo)準(zhǔn)中采凈率測(cè)定的地表?xiàng)l件。

試驗(yàn)前先對(duì)籽棉產(chǎn)量進(jìn)行測(cè)定，產(chǎn)量測(cè)區(qū)如圖4中測(cè)區(qū)1所示。將測(cè)區(qū)內(nèi)的籽棉進(jìn)行人工采收，并對(duì)其進(jìn)行稱量，計(jì)算出單位面積籽棉產(chǎn)量(g/m2)。2種摘錠的采凈率測(cè)區(qū)分別與采棉機(jī)1號(hào)采摘頭和6號(hào)采摘頭的田間作業(yè)軌跡重合，如圖4中測(cè)區(qū)2、3所示。采收前，清理每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的自然落地棉（采摘前自然落到地表的籽棉，如圖5a所示）。采棉機(jī)按穩(wěn)定的作業(yè)速度進(jìn)入測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行采摘作業(yè)。采收后，收集每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)的遺留棉（采收后仍遺留在棉株鈴殼內(nèi)未被采收的籽棉，如圖5b所示）、掛枝棉（采收后掛在棉株上的籽棉，如圖5c所示）和撞落棉（采收時(shí)由于采棉機(jī)碰撞而落地的籽棉，如圖5d所示）作為測(cè)定樣本。清理籽棉樣本中的雜質(zhì)并稱量，計(jì)算出單位面積遺留棉質(zhì)量1(g/m2)、單位面積掛枝棉質(zhì)量2(g/m2)、單位面積撞落棉質(zhì)量3(g/m2)。在試驗(yàn)田的四周和中心位置選取5個(gè)區(qū)域，重復(fù)上述操作。

1. 棉花產(chǎn)量測(cè)區(qū)2. 未鈍化摘錠采凈率測(cè)區(qū)3. 鈍化摘錠采凈率測(cè)區(qū)。

圖5 籽棉分類

采凈率是采棉機(jī)成功采收的棉花質(zhì)量與棉田棉花產(chǎn)量的比值。利用式（1）對(duì)每次試驗(yàn)5個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)2種摘錠的采凈率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果取平均值。

式中為采凈率，%。

2 結(jié)果與分析

2.1 1號(hào)鉤齒磨損形貌

鉤齒磨損形貌是采棉機(jī)摘錠耐磨性能最直接的體現(xiàn)，為了評(píng)估2種摘錠的耐磨性能，本研究對(duì)不同作業(yè)面積下摘錠1～12號(hào)鉤齒的磨損形貌進(jìn)行了SEM（掃描電子顯微鏡）分析。其中，1號(hào)鉤齒的磨損顯微形貌如圖6所示。

a. 未鈍化摘錠 a. Unpassivated spindleb. 鈍化摘錠 b. Passivated spindle

由圖6可知，新的未鈍化摘錠鉤齒前齒尖較為尖銳，新的鈍化摘錠鉤齒前齒尖和后齒尖存在明顯的鈍化。當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到150 hm2時(shí)，未鈍化摘錠的鉤齒前齒尖折斷，后齒尖鍍層脫落；鈍化摘錠的鉤齒后齒尖進(jìn)一步鈍化。當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到300 hm2時(shí)，未鈍化摘錠的鉤齒后齒尖的磨損區(qū)域擴(kuò)大，前齒尖同樣出現(xiàn)折斷現(xiàn)象；鈍化摘錠的鉤齒后齒尖鍍層有輕微脫落。隨著作業(yè)面積進(jìn)一步增大，2種摘錠的鉤齒齒刃和齒背均出現(xiàn)了不同程度的磨損。當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到600 hm2時(shí)，未鈍化摘錠的鉤齒鍍層大面積脫落，鈍化摘錠的鉤齒磨損較為輕微。分析認(rèn)為，采棉作業(yè)過程中鉤齒與棉稈、棉花、鈴殼及雜草、沙土、碎石等產(chǎn)生摩擦，鉤齒的磨損最先發(fā)生于前、后齒尖與齒刃處，隨著作業(yè)面積的增大，鉤齒鍍層厚度逐漸減小，并且伴隨鍍層的疲勞剝落[45-47]，基體暴露在空氣中發(fā)生氧化磨損，進(jìn)一步加劇了摘錠的磨損失效[16,34-35]。而鈍化摘錠的鉤齒后齒尖進(jìn)一步鈍化，是因?yàn)殂^齒后齒尖鍍層在作業(yè)過程中出現(xiàn)磨損，鍍層厚度減小[35]。未鈍化摘錠的鉤齒前齒尖易折斷現(xiàn)象是因?yàn)榍褒X尖尖銳，應(yīng)力集中，而鉤齒的鈍化處理能有效降低前齒尖的應(yīng)力集中[39]。

2.2 鉤齒磨損面積

為了更直觀地反應(yīng)摘錠1～12號(hào)鉤齒的磨損失效規(guī)律，利用CAD軟件提取不同作業(yè)面積下1～12號(hào)鉤齒的磨損面積來評(píng)估鉤齒的磨損程度。不同作業(yè)面積下未鈍化摘錠和鈍化摘錠的鉤齒磨損面積如圖7所示。隨著作業(yè)面積增加，2種摘錠的鉤齒磨損面積逐漸增大，并且增大速率增加；未鈍化摘錠的鉤齒磨損面積增大速率大于鈍化摘錠，當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到600 hm2時(shí)，未鈍化摘錠1號(hào)鉤齒的磨損面積達(dá)到8.8×105μm2，約為鈍化摘錠1號(hào)鉤齒磨損面積的2.3倍。在相同的作業(yè)面積下，2種摘錠的鉤齒磨損面積均隨鉤齒編號(hào)的增大呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)檎V對(duì)棉花的鉤掛、纏繞主要是通過編號(hào)靠前的幾個(gè)鉤齒完成的[48-50]。

為了更直觀地對(duì)比2種摘錠的耐磨性能，對(duì)1～12號(hào)鉤齒的磨損面積取平均值，結(jié)果如圖7c所示。隨著作業(yè)面積的增加，2種摘錠的鉤齒平均磨損面積均呈上升趨勢(shì)，且上升速率不斷增大，這與之前的研究結(jié)果一致[16,34-35]，并且未鈍化摘錠鉤齒平均磨損面積上升的速率更高，在相同作業(yè)面積下，鈍化摘錠的鉤齒平均磨損面積更小；當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到600 hm2時(shí)，未鈍化摘錠的鉤齒平均磨損面積達(dá)到2.9×105μm2，約為鈍化摘錠的2.6倍。

2.3 鉤齒鍍層厚度

為了探究鉤齒鍍層厚度的變化規(guī)律，本研究利用激光共聚焦顯微鏡提取不同作業(yè)面積下2種摘錠1～12號(hào)鉤齒的鍍層厚度。

通過對(duì)摘錠不同部位鍍層厚度的提取發(fā)現(xiàn)，2種全新摘錠各部位鍍層厚度存在差異。以1號(hào)鉤齒為例，未鈍化摘錠1號(hào)鉤齒前齒尖處鍍層厚度最大，約為150～200 μm，齒刃和后齒尖處鍍層厚度約為140～160 μm；鈍化摘錠1號(hào)鉤齒前齒尖、齒刃和后齒尖處的鍍層厚度比未鈍化摘錠小5～20 μm。2種摘錠1號(hào)鉤齒齒背在靠近齒刃位置處鍍層厚度較大，遠(yuǎn)離齒刃部位鍍層厚度呈遞減趨勢(shì)，其變化范圍約為40～160 μm，2～12號(hào)鉤齒各部位的鍍層厚度依次降低，激光共聚焦顯微鏡下鉤齒齒背處的截面顯微形貌如圖8所示。分析認(rèn)為，摘錠電鍍過程中鉤齒前齒尖、齒刃等部位較為尖銳，電荷相對(duì)集中，導(dǎo)致鉤齒前齒尖、齒刃等部位鍍層較厚，其余部位鍍層較??；而摘錠采摘部分前端小后端大，鉤齒編號(hào)越小，在電鍍過程中電荷分布越密集，導(dǎo)致1號(hào)鉤齒鍍層較厚，2～12號(hào)鉤齒各部位鍍層厚度依次降低[16]。隨著作業(yè)面積增加，2種摘錠的鉤齒各部位鍍層厚度均逐漸降低。

圖7 摘錠鉤齒磨損面積對(duì)比

圖8 鉤齒截面顯微形貌

根據(jù)2.1節(jié)分析可知，前齒尖、后齒尖和齒刃部位鍍層易脫落，因此，本文對(duì)圖3e標(biāo)記處鍍層厚度進(jìn)行測(cè)量。圖9a、9b為不同作業(yè)面積下未鈍化摘錠和鈍化摘錠的鉤齒鍍層厚度。由圖9a、9b可知，對(duì)于全新摘錠，鉤齒鍍層厚度隨著鉤齒編號(hào)的增大而降低。隨著作業(yè)面積的增大，2種摘錠1～12號(hào)鉤齒的鍍層厚度均逐漸降低，且降低的速率隨著鉤齒編號(hào)的增大而減小，當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到450、600 hm2時(shí)，2種摘錠的鉤齒鍍層厚度均隨鉤齒編號(hào)的增大而上升，這是因?yàn)檎V采摘棉花過程主要是通過前幾個(gè)鉤齒完成對(duì)棉纖維的鉤掛，編號(hào)越小的鉤齒鍍層磨損越嚴(yán)重[48-50]。在相同的作業(yè)面積下，鈍化摘錠的鍍層厚度略大于未鈍化摘錠。當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到450 hm2時(shí)，未鈍化摘錠1號(hào)鉤齒測(cè)試位置鍍層剝落；當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到600 hm2時(shí)，未鈍化摘錠1號(hào)、2號(hào)鉤齒測(cè)試位置鍍層剝落，鈍化摘錠1號(hào)鉤齒測(cè)試位置鍍層剝落。

圖9 摘錠鉤齒鍍層厚度對(duì)比

為了更直觀地對(duì)比2種摘錠的耐磨性能，對(duì)1～12號(hào)鉤齒的鍍層厚度取平均值，結(jié)果如圖9c所示。未鈍化摘錠在測(cè)試位置的平均鍍層厚度比鈍化摘錠低5～15 μm，這是因?yàn)槠溷^齒前齒尖和后齒尖部位較為尖銳，在電鍍過程中電荷較為集中，而測(cè)試位置的電荷分布相對(duì)較為稀疏，導(dǎo)致齒尖位置鍍層厚度較高而測(cè)試位置鍍層厚度較低[16]；而鈍化摘錠由于鉤齒的尖銳部位經(jīng)過鈍化處理，電鍍過程中電荷分布較為均勻，測(cè)試位置鍍層厚度略微增大。隨著摘錠作業(yè)面積的增加，2種摘錠鉤齒平均鍍層厚度均呈下降趨勢(shì)，并且在相同作業(yè)面積下，鈍化摘錠的鉤齒平均鍍層厚度更大。從圖9c中也可以看出，作業(yè)面積為0～300 hm2時(shí)，2種摘錠鉤齒平均鍍層厚度降低的速率幾乎一致；作業(yè)面積為300～450 hm2時(shí)，未鈍化摘錠鉤齒平均鍍層厚度降低的速率明顯大于鈍化摘錠；作業(yè)面積為450～600 hm2時(shí)，2種摘錠鉤齒平均鍍層厚度降低的速率相差不大。分析可知，造成該現(xiàn)象的原因?yàn)椋鹤鳂I(yè)面積為0～300 hm2時(shí)，2種摘錠在測(cè)試位置的鍍層均未剝落，而2種摘錠鍍層的材質(zhì)均為Cr，所以2種摘錠鉤齒鍍層厚度降低的速率幾乎一致；作業(yè)面積為300～450 hm2時(shí)，未鈍化摘錠1號(hào)鉤齒測(cè)量位置鍍層剝落，會(huì)造成該區(qū)域的鍍層厚度從約30～50 μm直接降低為0，所以鍍層厚度降低速率較大；作業(yè)面積為450～600 hm2時(shí)，未鈍化摘錠1號(hào)、2號(hào)鉤齒以及鈍化摘錠1號(hào)鉤齒測(cè)試位置鍍層均剝落，所以該階段2種摘錠鉤齒平均鍍層厚度的降低速率相差不大。綜上所述，鈍化摘錠具有更加優(yōu)異的耐磨性能。

2.4 采凈率

采凈率是體現(xiàn)采棉機(jī)采摘性能的重要指標(biāo)。采棉機(jī)在新疆地區(qū)一個(gè)采收季節(jié)的作業(yè)時(shí)長(zhǎng)約為30 d，隨著作業(yè)面積的增加，棉花成熟程度不斷提升。以第一次的測(cè)試日期（2021年10月8日）為基準(zhǔn)對(duì)棉花成熟時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖10a所示。圖10b是不同作業(yè)階段2種摘錠棉花采凈率的對(duì)比。由圖10b可知，作業(yè)面積在0～450 hm2時(shí)，2種摘錠的采凈率均呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著作業(yè)面積的增加，棉花成熟度上升，棉花與鈴殼之間的生物聯(lián)結(jié)力降低[51]，更容易被采摘；而當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到450 hm2后，2種摘錠的采凈率呈略微下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榇藭r(shí)2種摘錠鉤齒的磨損面積較大，鍍層厚度較小，鉤齒的嚴(yán)重磨損導(dǎo)致其對(duì)棉花的采摘能力降低。對(duì)照2種摘錠的采凈率發(fā)現(xiàn)，鈍化摘錠的采凈比未鈍化摘錠低0.2個(gè)百分點(diǎn)，這是因?yàn)殂^齒的鈍化影響了其對(duì)棉花的采摘能力。隨著采棉機(jī)作業(yè)面積的增加，鈍化摘錠采凈率的上升速率大于未鈍化摘錠，當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到約為200 hm2時(shí)，2種摘錠的采凈相差不大；當(dāng)作業(yè)面積超過200 hm2時(shí)，鈍化摘錠的采凈率大于未鈍化摘錠，且2種摘錠的采凈率繼續(xù)呈上升趨勢(shì)；當(dāng)作業(yè)面積為450 hm2時(shí)，未鈍化摘錠和鈍化摘錠的采凈率均達(dá)到最大值，分別約為96.4%和96.7%；當(dāng)作業(yè)面積為600 hm2時(shí)，鈍化摘錠的采凈比未鈍化摘錠高0.5個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)殁g化摘錠鉤齒鍍層磨損更加緩慢，到后期未鈍化摘錠鉤齒的磨損面積更大、鍍層厚度更低，使得其對(duì)棉花的鉤掛能力降低。

為了更直觀地對(duì)比2種摘錠的采凈率，將同一作業(yè)面積下2種摘錠采凈率的差值記為相對(duì)采凈率，其結(jié)果如圖10c所示。圖10c反應(yīng)了隨著作業(yè)面積的增加，相對(duì)于未鈍化摘錠，鈍化摘錠采凈率呈不斷上升的趨勢(shì)。當(dāng)采棉機(jī)作業(yè)面積小于200 hm2時(shí)，相對(duì)采凈率小于0，這是因?yàn)榇藭r(shí)鈍化摘錠的采凈率小于未鈍化摘錠。隨著作業(yè)面積的增加，相對(duì)采凈率呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谙嗤淖鳂I(yè)面積下鈍化摘錠的磨損程度相對(duì)較低，隨著棉花成熟時(shí)長(zhǎng)的增加，采凈率上升更加迅速。結(jié)合圖10b和圖10c可知，鈍化摘錠具有更加優(yōu)異的采摘性能。

圖10 采凈率對(duì)比

3 結(jié) 論

1）通過對(duì)2種摘錠的鉤齒表面顯微形貌觀察發(fā)現(xiàn)，未鈍化摘錠的鉤齒前齒尖易折斷，加快了鉤齒磨損；鈍化摘錠的鉤齒前齒尖和后齒尖存在明顯的鈍化，其鉤齒鍍層的剝落晚于未鈍化摘錠。

2）通過對(duì)2種摘錠的鉤齒磨損面積提取發(fā)現(xiàn)，未鈍化摘錠的鉤齒磨損面積增大的速率大于鈍化摘錠；在相同作業(yè)面積下，鈍化摘錠的鉤齒磨損面積小于未鈍化摘錠，當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到600 hm2時(shí)，未鈍化摘錠的鉤齒平均磨損面積達(dá)到2.9×105μm2，約為鈍化摘錠的2.6倍，鈍化摘錠具有更加優(yōu)異的耐磨性能。

3）通過對(duì)2種摘錠的鉤齒鍍層厚度提取發(fā)現(xiàn)，隨著作業(yè)面積的增大，2種摘錠1～12號(hào)鉤齒的鍍層厚度均逐漸降低；在相同的作業(yè)面積下，鈍化摘錠的鍍層厚度略大于未鈍化摘錠；當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到600 hm2時(shí)，未鈍化摘錠1號(hào)、2號(hào)鉤齒測(cè)試位置鍍層剝落，鈍化摘錠1號(hào)鉤齒測(cè)試位置鍍層剝落。

4）對(duì)照2種全新摘錠的采凈率發(fā)現(xiàn)，鈍化摘錠的采凈比未鈍化摘錠低0.2個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)作業(yè)面積達(dá)到約200 hm2時(shí)，2種摘錠的采凈相差不大；當(dāng)作業(yè)面積超過200 hm2時(shí)，鈍化摘錠的采凈率大于未鈍化摘錠；當(dāng)作業(yè)面積為450 hm2時(shí)，未鈍化摘錠和鈍化摘錠的采凈率均達(dá)到最大值，分別約為96.4%和96.7%；當(dāng)作業(yè)面積為600 hm2時(shí)，鈍化摘錠的采凈比未鈍化摘錠高0.5個(gè)百分點(diǎn)；鈍化摘錠具有更加優(yōu)異的采摘性能。

本研究對(duì)比分析了田間作業(yè)條件下摘錠的耐磨性能和棉花采凈率，對(duì)于采棉機(jī)摘錠鉤齒的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與修形具有重要意義。

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Experimental study on the wear resistance of spindle and cotton total harvest rate under field conditions

LI Haiyang1,2, WANG Yugang3, FU Xiuqing4, ZHANG Hongwen1,2※, WANG Lei1,2, WANG Meng1,2, DU Xintian1,2, WEI Ximei1,2, FU Xuewen1,2, HAN Bingdong1,2

(1.,,832003,;2.,832003;3.,250032,; 4.,,210031,)

Cotton is one of the most important economic crops and strategic materials in national defense, medicine, and industry. Mechanized harvesting of cotton has been an effective way to promote the development of the cotton industry in China. Among them, a large cotton harvesting equipment, a cotton picker has been widely used in Xinjiang in western China, due to the fast, convenient, and low labor intensity. The spindle is the commonly-used core component in the cotton picker. The product quality and wear resistance of the spindle can determine the operation efficiency, quality, and economy of the cotton picker. The wear failure of the spindle is mainly manifested in the serious wear to the hook teeth. The hook teeth are the key structure of the spindle hooking and winding the cotton. Moreover, the hook teeth are in contact with the cotton plant, the bell shell, the sand, and hard particles during the operation of the cotton picker, leading to damage and peeling from the hook tooth coating. The failure of spindle hook teeth can be caused to couple with the complex and changeable field operating environment. The rear tooth tip and the tooth edge of the hook tooth were concentrated in the process of cotton picking or removal, due to the stresses of the front tooth tip. The wear in the hook tooth can often start from these parts, leading to the low wear resistance of the hook tooth. The electrolytic method can be used to passivate the front tooth tip, the rear tooth tip, and the tooth edge of the spindle hook teeth before the electroplating of the spindle, in order to improve the wear resistance of the spindle hook teeth, particularly for the service life and the collection rate of the spindle during harvesting. This study aims to explore the wear resistance of the passivated spindle and the cotton collection rate under field conditions. The unpassivated spindle and the passivated spindle were installed on different picking heads of the cotton picker. Once the working area of the cotton picker reached 0, 150, 300, 450, and 600 hm2, two kinds of spindle samples were obtained and cut for sample preparation. The wear morphology of the hook teeth was analyzed to extract the wear area of the hook teeth and the thickness of the coating. The collection rate of the two kinds of spindles was measured after harvesting. The results show that the front tooth tip of the unpassivated spindle hook tooth was easy to break, whereas, the peeling of the passivation spindle hook tooth coating was later than that of the unpassivated spindle. There was a smaller wear area of the passivated spindle hook teeth, and the coating thickness was higher at the test position under the working areas. When the working area reached 600 hm2, the wear area of the unpassivated spindle No.1 hook tooth reached 8.8×105μm2, which was about 2.3 times of the passivated spindle No.1 hook tooth. There was the peeled-off coating of unpassivated hook teeth No.1 and No.2, as well as the passivated hook teeth No.1 at the test position. The passivated spindle performed better wear resistance, in terms of the wear morphology, wear area, and coating thickness. Furthermore, the collection rate of the passivated spindle was 0.2 percentage points lower than that of the unpassivated one. When the working area reached about 200 hm2, there was little difference between the collection rate two kinds of spindles. Once the working area exceeded 200 hm2, the collection rate of the passivated spindle was greater than that of the unpassivated spindle. When the working area reached 450 hm2, the collection rate of unpassivated and passivated spindles reached the maximum, which was about 96.4 % and 96.7 %, respectively. When the working area reached 600 hm2, the average wear area of the unpassivated spindle hook tooth reaches 2.9×105μm2, which was about 2.6 times of the passivated spindle hook tooth, and the collection rate of the passivated spindle was 0.5 percentage points higher than that of the unpassivated spindle, indicating the better picking performance of passivated spindle. The finding can provide great significance for the structural optimization and modification of the hook teeth of the cotton picker.

agricultural machinery; cotton; spindle; passivation; wear resistance; wear morphology; harvest rate

2022-10-20

2023-03-13

石河子大學(xué)創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目（CXFZ202015）；兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目（2018AA008）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金（KYLH2022002）

李海洋，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。Email：20202109054@stu.shzu.edu.cn

張宏文，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械系統(tǒng)仿真。Email：zhw_mac@shzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202210173

S233.4

A

1002-6819(2023)-07-0089-09

李海洋，王玉剛，傅秀清，等. 田間作業(yè)條件下摘錠耐磨性能及棉花采凈率的試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2023，39(7)：89-97. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210173 http://www.tcsae.org

LI Haiyang, WANG Yugang, FU Xiuqing, et al. Experimental study on the wear resistance of spindle and cotton total harvest rate under field conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(7): 89-97. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202210173 http://www.tcsae.org