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苜蓿草颗粒制粒环模磨损失效分析与磨料磨损试验研究 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 14-02-25

0、引言
    苜蓿的调制和加工是在确保苜蓿高产基础上获得优质、高效草产品的主要手段,加速牧草机具特别是加工机械的研究是苜蓿产业化顺利发展的必然要求。从畜牧业生产资料的角度考虑,我国苜蓿饲草产品加工利用的主要方式采用加工配合饲料的环模颗粒机生产苜蓿草颗粒,已解决了苜蓿产业化生产中贮藏、运输及饲喂管理的问题。
    但是,由于苜蓿饲草的形状和物理机械性能与普通饲料不同。研究表明,采用配合饲料加工机械来进行苜蓿草颗粒加工,因苜蓿草粉重量轻、粗纤维含量高,压制苜蓿颗粒时当粗纤维含量超过15%就容易引起模孔的堵塞,在挤压过程中达不到塑性体的基本条件,使物料的过模阻力增大、压缩性差,从而影响颗粒的成形率和硬度。同时加工机械的磨损增大,产量降低,产量只有压制普通颗粒的1/3~1/2,环模压辊的寿命只有加工普通饲料的1/4。在环模制粒过程中,当颗粒的成型率下降至75%时即认为环模失效。本文对环模失效原因进行分析,用苜蓿草粉对环模常用材料3cm3进行磨料磨损试验,用电镜进行观察分析,初步探究了环模磨损的磨损机制。
1、制粒过程与环模失效分析
1.1基本原理
    环模在主动力的驱动下,以一定的转速顺时针旋转。在制粒过程中,依粉料压实程度可将环模分为三个区域。
    1)供料区。指物料基本处于自然松散状态,不受模辊作用,密度为0.4~0.7g/cm3。
    2)压缩区。随着模辊的转动,把物料带入此区域,由于模辊之间空间骤小,粉料受到挤压作用,粉粒间空隙逐步减小,物料产生不可逆的变形,因此密度也增至0.9-1.0g/cm3。
    3)挤出区。物料被继续带至空间更小的区域,粉粒进一步靠紧、镶嵌,相互接触面积增大,产生较好的联结,并被压人模孔,经过在模孔中一段时间的饱压作用,形成颗粒饲料,密度达到1.2~1.4g/cm3(即颗粒成型密度)。
1.2环模失效分析
    在环模制粒过程中,当颗粒的成型率下降至75%时,大家称之为环模失效。研究环模失效的原因,改善环模的使用条件。对提高产品质量和产量、降低能耗(制粒能耗占整个车间总能耗的30%~35%)、减少生产成本f环模损耗费用占整个生产车间维修费的25%以上)等方面具有重要意义。
    经过对失效的环模进行观察测量,从环模实际失效现象进行分析得出:
    1)环模工作一段时间后,各出料小孔内壁磨损,孔径增大,所生产的颗粒饲料的直径超过规定值,导致环模失效。
    2)环模孔的进料斜面被磨掉,挤压的进料量减少,挤压力减小,模孔挤不出料,模孔堵塞,导致环模失效(如图2所示)。
    3)环模内壁磨损后,内表面凹凸不平严重,使饲料流动受阻,出料量下降而停止使用(如图3所示)。
    4)环模内径增大,壁厚减小;同时出料小孔内壁也随着磨损,使各出料小孔间的壁厚不断减薄,因而结构强度下降,在出料小孔的直径增大到允许的规定值之前,在最危险的截面上首先出现裂纹并不断扩大,直到裂纹延伸到较大的范围而导致环模失效。
    产生上述4种失效现象的实质性原因,归纳起来,首先是磨损,其次是疲劳破坏。所以有必要进行磨损试验,通过试验探究磨损机理,提出提高环模耐磨性的方法。
2、磨损试验与磨损机理初探
2.1磨损试验方法
    选用与环模制粒工况相似的橡胶轮磨料磨损试验机进行磨损试验。试验负荷为40.5N,橡胶轮的转速为98~100r/min,磨料流量为50-80g/min。每一磨程为2h,进行5个磨程,共计l0h。磨损过程的定量评定指标使用体积磨损损失(mm3)。采用2206型表面轮廓仪测量磨损轮廓,使用扫描电镜对磨痕进行分析,并对磨损机制进行初探。
    试样3Cr13规格为65x30x10mm.试样未进行热处理,其金相组织为下贝氏体+马氏体+少量屈氏体,硬度为RHA64。磨料为甘农三号紫花苜蓿草粉。苜蓿在自然风干下,用粉碎机粉碎,粒度为6mm。磨料特性参数如表1所示。
2.2磨损轮廓测量与电镜观察
    体积磨损即磨损零件的体积损失。采用2206型表面轮廓仪测量3Cr13试样的被磨损面最大磨痕的体积磨损,扫描深度270um,扫描区域分成14列和5行,共70个小区域(面积1.12mm2),最后把这些通过拼图组合到一起。图6是通过表面轮廓仪得到的3Cr13试样沿宽度方向最深磨痕处的轮廓三维体积磨损轮廓图。图7是使用Microcal origin 7.0App绘制的3Cr13试样体积磨损曲线图。图8是采用JSM -5600LV型扫描电子显微镜观测所得3Cr13试样被磨面的磨痕表面形貌。
2.3磨损失效的机理分析
    由于草粉磨料颗粒比试样材料软,接触应力较低,磨料破碎率较低,同时又使金属材料不断流失,因此试样被磨面的表面光亮。根据磨料磨损相关理论判断其磨损为低应力磨料磨损。但从试样材料的磨损表面形貌SEM照片和表面轮廓图所实际反映状况判断,草粉磨料对试样材料的磨损应为中应力磨料磨损。从磨痕表面和纵面可以看出存在犁沟和犁皱,在犁沟两侧残留大量的疲劳剥落的金属碎片及脆化剥落金属的细碎颗粒,局部有大量聚集。说明苜蓿草粉(软磨料)主要是承受磨料被挤压而形成的“不可压缩团”的挤压应力,犹如尖锐棱角的磨料沿工件表面滑动,形成犁沟和犁皱,亦伴有微观切削磨损。由于3Cr13具有较好的综合机械性能,在软磨料作用下形成的犁沟浅而狭,磨沟两侧的塑变凸缘不明显。这些塑变凸缘在应力反复作用下,裂纹一经形成便迅速扩展而脆化剥落,磨屑呈细小颗粒状,磨面形貌则呈蜂窝状。
3、结果与讨论
    通过以上分析,环模失效主要以中应力磨料磨损为主。由于磨料磨损破坏机制不同,磨料的磨粒特性及材料性能对磨损体积的影响也不同。以塑性变形为主要机制时应提高材料的硬度;以脆性断裂为主要机制时应改善其断裂韧性,即要改善其抗断裂及微观裂纹扩展的能力。根据本研究分析结果,对于3Cr13这种环模材料,其制造工艺应在考虑材料硬度的同时重点考虑材料的韧性,以提高环模的使用寿命。


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