苜蓿草粉對9KWH-250顆粒壓制機環模的磨損試驗分析

李 浩，張 杰，馬 娟，孔令卓，蘇 劍，帕合爾鼎，馮 斌

（新疆農業科學院農業機械化研究所，新疆烏魯木齊830091）

0 引言

近幾年來，草顆粒飼料在我國得到了應用發展，用于加工精飼料的環模顆粒壓制機被直接用于加工草顆粒飼料或秸稈配合飼料[1]。環模作為環模顆粒壓制機的關鍵部件，環模的工作性能和壽命直接影響著顆粒產品質量和生產成本。苜蓿壓制成顆粒后便于儲存和運輸，但苜蓿草粉粗纖維含量高、壓縮性差，在壓制苜蓿顆粒時容易堵塞模孔，造成過模時阻力增大，使制粒環模機械磨損增大，環模的壽命只有壓制配合飼料時的1/4[2]。以苜蓿草粉為磨料，初步研究其對4Cr13鋼的磨損規律與磨損機理，為提高環模顆粒壓制機環模的耐磨性提供理論和技術支撐。

1 設備介紹

由新疆農業科學院農業機械化研究所研制的9KWH-250顆粒壓制機主要由機架、主軸箱、主軸、料倉、調速喂料器、強制喂料器、壓制室等組成（圖1）。用于壓制水份小于等于20%的粉狀飼料（粉狀飼料可由玉米粉、小麥粉、麩皮、豆粕等精料構成，也可添加一定比例的草粉或全草顆粒），使之成為顆粒狀。

圖1 9KWH-250顆粒壓制機

9KWH-250顆粒壓制機的工作原理是粉碎、混合后的待制粒物料從料倉中經調速喂料器、強制喂料器進入壓制室，通過物料自身的重力和環模旋轉產生的離心力以及喂料刮刀的作用均勻地喂入環模內的兩個壓制區，即兩個壓輥和環模形成的楔形空間內，因壓輥和環模內壁最小間隙僅為0～0.15 mm，在環模旋轉帶動壓輥相對旋轉的情況下，物料逐漸被壓實、擠入到環模的?？字校⒃谀？字谐尚?，從模孔出料一端不斷呈柱狀擠出，然后由切刀切成所需長度的顆粒[3]。

9KWH-250秸稈顆粒壓制機技術參數如表1所示：

表1 9KWH-250顆粒壓制機技術參數

2 試驗部件及材料

2.1 試驗部件

環模材料為4Cr13鋼，其化學成分為碳C：0.36～0.45、硅 Si≤1.00、錳 Mn≤1.00、硫 S≤0.030、磷 P≤0.035、鉻Cr：12.00～14.00、允許含有鎳 Ni≤0.60；熱處理工藝為1050℃，淬火300℃回火。環模結構參數如圖2所示，模孔直徑6 mm、?？子行чL度30 mm、環模內徑250 mm、環模外徑310 mm、環模寬度135 mm、有效寬度85 mm，環模轉速350 r/min（此時制粒效果最佳）。

圖2 環模

2.2 試驗材料

試驗用的苜蓿為新疆大葉苜蓿，在自然風干狀態下，含水率為7.73%、粗蛋白質含量18.5～21.3%、粗脂肪含量2.6～2.8%。制粒前用錘片粉碎機將苜蓿粉碎，粉碎機篩網孔徑為6 mm，粉碎后將苜蓿草粉進行水分調節，使苜蓿草粉含水率為17～20%。

2.3 磨損試驗方法

環模的設計壽命通常在1 000 h以上[4]，但根據實際使用情況，從顆粒飼料加工的條件看，環模的實際使用壽命一般不超過500 h[5]。根據行業慣例，在環模制粒過程中，當顆粒的成型率下降至75%時，即可認定環模失效[6]。本試驗所用環模在正常工作380 h后產量下降20%，將環模卸下進行環模的磨損機理分析。

3 結果與分析

3.1 環模磨損宏觀形貌

環模磨損分析試樣的表觀形貌如圖3，通過將環模徑向切塊，可以發現環模試樣在通過磨損試驗后，外觀形貌具有如下特征：環模的模孔在草粉入口處變大明顯，沿出口方向的磨損量逐漸變小，?？兹肟跀U大明顯，使得環模草粉入口處的孔壁變薄，部分模孔有變形損壞。

圖3 環模?？啄p后的宏觀形貌

由于環模磨損不是很規則，所以采取測量距離環模草粉進入模孔開始的有效長度方向上0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm位置處的?？字睆?，環模?？字睆阶兓鐖D4所示。

圖4 環模模孔直徑變化

由圖4可知，從環模?？撞莘廴肟诘匠隹?，模孔內壁的磨損量由大變小。環模材料為4Cr13鋼，采用1050℃，淬火300℃回火熱處理，模孔內壁硬度一致，在苜蓿草粉物料通過模孔被擠出的過程中，物料從松散到緊實，草粉顆粒外表面從粗糙到光滑，模孔內壁的磨損與?？變缺谳d荷相關[7]，苜蓿草粉所受的壓輥擠壓力由大變小，導致?？變缺诘哪p量在草粉入口處大于顆粒出口處。從環模?？字睆降臏y量結果可以看出環模內壁磨損量在草粉入口處基本大于0.1 mm，4Cr13鋼熱處理后的氧化層已經完全磨損，因表面硬度降低，導致磨損加劇，進而使環模失效。

3.2 環模磨損微觀形貌

從環模模孔草粉入口到出口方向將環模均分為前段、中段和后段。對環模塊前段、中段和后段的磨損表面微觀形貌分別進行分析，環模模孔各段磨損后放大1 000倍的微觀形貌如圖5所示，從放大1 000倍的環模?？變缺谀p面上可以清晰看到溝痕和不規則、散亂的點蝕坑，并且溝痕的方向沿出料方向大體一致。在環模前段磨損表面溝痕既深又多，少有點蝕坑；在環模塊中段磨損表面溝痕變淺變少，點蝕坑變多；在環模塊后段點蝕坑變得更多，溝痕更淺。

圖5 環模模孔各段磨損后的微觀形貌

在苜蓿草粉被擠壓成型的過程中，苜蓿草粉中部分硬質磨粒在壓輥的法向壓力作用下被壓入環模?？變?，硬質磨粒沿著擠壓方向對環?？變缺谟星邢髯饔?，形成了方向大體一致的犁溝，即圖5中的溝痕。同時，由于苜蓿草顆粒外表面在受擠壓并向著?？壮隹诜较蛞苿訒r，對環模內壁進行著不斷的拋光，苜蓿草顆粒外表面的微粒也受到磨損，磨粒表面慢慢鈍化，環模內壁的磨損溝痕則慢慢變弱變淺，磨損量逐漸減小。當苜蓿草顆粒慢慢移動到環模模孔后段時，環模內壁點蝕慢慢增多，由此可見，從環模前段到后段，苜蓿草粉和環模的磨損原因主要是磨粒磨損和疲勞磨損。

4 結論

通過苜蓿草粉環模?？變缺诘哪p試驗，對環模模孔磨損表面進行了宏觀形貌和微觀形貌研究，分析討論了苜蓿草粉物料對4Cr13鋼環模不同部位的磨損機理。

（1）苜蓿草粉(軟磨料)在通過環模?？椎臄D壓成型的過程中，環模的磨損機制主要有磨粒磨損、疲勞磨損等磨損形式，環模模孔的不同磨損位置起主導作用的磨損機制有所不同。

（2）環模模孔前段苜蓿草粉和環模的磨損機制主要是磨粒磨損，環模?？缀蠖诬俎２莘酆铜h模的磨損機制主要是疲勞磨損。

（3）當環模氧化層磨損殆盡時，環模表面硬度降低，磨損加劇，苜蓿草顆粒成形率大大降低，進而導致環模失效。