環(huán)模制粒機(jī)環(huán)模磨損計(jì)算及分析

孫春一 金世哲

(1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順113001；2.撫順東霸儀表與自動(dòng)化有限責(zé)任公司，遼寧撫順113001)

制粒機(jī)是顆粒飼料生產(chǎn)中的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備，制粒機(jī)中最常用的是環(huán)模制粒機(jī)，環(huán)模和壓輥是制粒機(jī)的核心部件。在工作過(guò)程中，由于環(huán)模與壓輥的互相擠壓和環(huán)模與飼料間的摩擦力，環(huán)模和壓輥的主要失效形式是磨損，其次是疲勞破壞，其中以磨損為主，這不僅降低環(huán)模和壓輥的使用壽命，而且直接影響到制粒機(jī)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。環(huán)模和壓輥磨損失效后最好同時(shí)更換，如果環(huán)模和壓輥僅換其一，將加速模、輥的磨損。為了減少昂貴的環(huán)模耗用量，常舍輥保模，延長(zhǎng)環(huán)模使用壽命。因此分析環(huán)模的磨損機(jī)理，進(jìn)行磨損計(jì)算就顯得非常重要。目前所發(fā)表的研究工作集中在環(huán)模的磨損失效分析、討論磨損因素、材料性能實(shí)驗(yàn)、壓輥磨損簡(jiǎn)要計(jì)算等上面，對(duì)于環(huán)模的磨損計(jì)算問(wèn)題考慮不多。本文在同行以前所作的研究工作的基礎(chǔ)上，從探討環(huán)模磨損計(jì)算模型入手，建立環(huán)模磨損厚度的計(jì)算公式，推導(dǎo)計(jì)算公式中的參數(shù)，并用磨損實(shí)例進(jìn)行討論，以期為環(huán)模的耐磨損設(shè)計(jì)提供參照，達(dá)到延長(zhǎng)環(huán)模使用壽命的目的。

1 環(huán)模磨損計(jì)算模型分析

環(huán)模和壓輥用碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼制造，環(huán)模制粒機(jī)生產(chǎn)顆粒飼料時(shí)，飼料硬度很明顯比環(huán)模和壓輥的硬度低很多，飼料磨料為軟磨料，環(huán)模和壓輥為被磨材料，它們之間的磨損稱為軟磨料磨損。通過(guò)環(huán)模磨損失效分析，首要原因是環(huán)模表面在反復(fù)塑性變形產(chǎn)生的疲勞剝落，同時(shí)伴有微觀切削，導(dǎo)致環(huán)模表面的材料流失，發(fā)生磨料磨損失效。磨料磨損是一個(gè)復(fù)雜的，多種磨損機(jī)制綜合作用的摩擦學(xué)過(guò)程，到目前為止，還沒(méi)有完全掌握磨料磨損規(guī)律，各研究者對(duì)磨料磨損機(jī)理還有爭(zhēng)論，難以建立一個(gè)通用的計(jì)算磨損模型。克拉蓋爾斯基提出磨損的疲勞理論時(shí)指出：“疲勞磨損機(jī)理在一般磨料磨損中起主導(dǎo)作用”。磨料磨損時(shí)材料微觀局部塑性變形實(shí)際上是一種微觀應(yīng)變疲勞導(dǎo)致的材料損傷，所以環(huán)模磨損可以用疲勞磨損計(jì)算模型來(lái)考慮。

2 疲勞磨損率

環(huán)模單位時(shí)間的疲勞磨損量為疲勞磨損率。

疲勞磨損率計(jì)算式Kι[10]為

式中：K2——表面輪廓峰幾何形狀和高度決定的因數(shù)；

Km'——應(yīng)用疲勞損傷積累假說(shuō)并考慮了接觸點(diǎn)載荷不穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系而設(shè)的修正因子；

αA——覆蓋因子，是真實(shí)接觸面積與表觀接觸面積之比；

P——單位表觀接觸面積上的法向載荷，在這里為環(huán)模接觸壓力(MPa)；

E——環(huán)模材料的彈性模量(GPa)；

RZ——微觀不平度十點(diǎn)高度(μm)；

r——輪廓峰平均曲率半徑(μm)；

b和ζ——表面粗糙度相對(duì)支承比率的曲線參數(shù)；

k——接觸狀態(tài)因子，塑性材料k=3，脆性材料k=5；

μn——摩擦因數(shù)的粘附分量；

β和γ——中間參數(shù)；

m'和σ0——摩擦疲勞曲線參數(shù)，m'是該曲線的冪指數(shù)，σ0具有強(qiáng)度特性，這里等于環(huán)模材料的抗拉強(qiáng)度σb。

3 環(huán)模接觸壓力的確定

環(huán)形壓模在制粒過(guò)程中受到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩、飼料對(duì)環(huán)模的摩擦力和壓輥的擠壓力。

環(huán)模受到的轉(zhuǎn)矩

環(huán)模通過(guò)飼料傳遞的驅(qū)動(dòng)力

壓輥的擠壓力

式中：P——電機(jī)傳遞給環(huán)模的功率(kW)；

D——環(huán)模內(nèi)徑(mm)；

n——環(huán)模轉(zhuǎn)速(r/mim)；

f——飼料與環(huán)模的摩擦系數(shù)。

環(huán)模在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，不考慮飼料的作用，環(huán)模與壓輥的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于一對(duì)直徑不同的、二軸平行的圓柱體與圓柱凹面在作純滾動(dòng)，因此，在接觸表面產(chǎn)生局部的彈性變形，并伴有很大的接觸壓應(yīng)力，環(huán)模接觸應(yīng)力σH(MPa)可由赫茲公式計(jì)算為

式中：E1和E2——環(huán)模和壓輥的當(dāng)量彈性系數(shù)(MPa)；

B——環(huán)模和壓輥的有效擠壓寬度(mm)；

R2——壓輥的半徑(mm)；

R1——環(huán)模的半徑(mm)。

壓輥與環(huán)模的曲率半徑關(guān)系為R2=K×R1，系數(shù)K=0.4～0.5，將式（7）代入式（8）得環(huán)模接觸應(yīng)力

4 示例

加工飼料的環(huán)模制粒機(jī)，電機(jī)功率P=55 kW，主軸轉(zhuǎn)速n=338 r/min，環(huán)模用高硬度淬火熱處理的45鋼制作，環(huán)模內(nèi)徑D=350 mm，有效擠壓長(zhǎng)度B=100 mm，秸稈料摩擦系數(shù)f=0.38[11]，系數(shù)K=0.45，彈性模量E=210 GPa，泊桑比μ=0.3，環(huán)模表面粗糙度Ra=2.5μm。

把ZE、P、B、n、f、D和K代入式（7）得σH=171.3 MPa。

環(huán)模材料為45鋼，加工方法為車削，Ra=2.5μm，查文獻(xiàn)[10]的圖表得：

RZ=18.75 μm、r=20 μm、b=1.4、ζ=1.95、m'=7.9、σ0=686 MPa、μn=0.119、k=3、Km'=4.5，計(jì)算出γ=1.612、β=3.144、Δ=0.86、K2=0.006，代入式(1)得到K1=3.7×10-11。

5 分析與討論

磨損率計(jì)算式中的參數(shù)相互影響，得從整體出發(fā)討論磨損與生產(chǎn)能力的影響，如果其它條件相同時(shí)：

①傳遞給環(huán)模的功率P大，制粒產(chǎn)量也大，但壓輥的擠壓力F也大，使接觸應(yīng)力σH增大，環(huán)模磨損趨向嚴(yán)重。

②環(huán)模轉(zhuǎn)速n由環(huán)模內(nèi)徑線速度V確定，一般線速度范圍為V=2.5～7.5 m/s，n升高，制粒產(chǎn)量大，但是接觸應(yīng)力σH增大，使環(huán)模磨損增大，而且n提高受到能耗、振動(dòng)等因素的制約。

③在單位功率面積相同時(shí)，環(huán)模和壓輥的有效擠壓寬度B和環(huán)模直徑D的平方成正比，B小，D2增大，接觸應(yīng)力σH減小，環(huán)模磨損減輕，研究試驗(yàn)表明，環(huán)模直徑與寬度之比可選擇(3：1)～(4：1)，選用大直徑環(huán)模和壓輥，可提高產(chǎn)量，降低磨損費(fèi)用和操作成本，降低能耗。

④不論環(huán)模材料采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或是合金鋼，彈性模量不變，所以材料參數(shù)E對(duì)疲勞磨損率影響不大。

⑤各種加工方法的各種材料表面，例如環(huán)模采用車削，表面粗糙度Ra減小，相應(yīng)的Rz、ζ減小，r、b大，使Δ減小，使環(huán)模磨損減小。

⑥摩擦疲勞曲線參數(shù)m'和σ0隨著環(huán)模材料的變化而變化，環(huán)模材料強(qiáng)度越高，其值越大，兩者數(shù)值的增大對(duì)提高環(huán)模磨損壽命總是有利的。

6 結(jié)語(yǔ)

環(huán)模主要失效形式是磨料磨損。依據(jù)疲勞磨損計(jì)算模型，建立磨損率計(jì)算公式，討論了各參數(shù)對(duì)磨損和生產(chǎn)能力的影響，這種計(jì)算方法比較簡(jiǎn)便，分析結(jié)果對(duì)環(huán)模的耐磨損設(shè)計(jì)和使用提供了依據(jù)。

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