關鍵詞：生物質，制粒機，材料磨損，鋼，環模
0、引言
環模制粒技術廣泛應用于飼料工業、可再生生物質能源產業和制藥產業等領域，具有成型率高、產品便于運輸和存儲等多方面優點。作為環模制粒機的核心部件，環模的工作性能和壽命直接影響著產品顆粒質量和生產成本。目前國內生產的環模存在磨損過快甚至開裂等問題，不僅降低了產品成型率．增加了生產成本，也嚴重制約了環模制粒技術在各個領域的發展應用。國內外學者對環模制粒機理、顆粒質量、擠出力與能耗模型等問題已開展了大量的研究工作，而關于模輥的磨損機理研究相對較少。本文對實際工況下環模與物料之間的相互作用進行分析，并針對環模磨損狀況進行試驗研究。通過對環模內壁和模孔內壁進行磨損量和硬度測量，利用掃描電鏡對微觀磨損形貌進行觀察研究，從宏觀和微觀角度分析各磨損面的磨損機理，以期為提高環模的耐磨性和可靠性、延長環模的使用壽命提供理論依據。
1、環模受力分析
環模制粒機的工作過程如下：電機驅動環模以一定的速度順時針旋轉，物料經過調質后由導料機構送入模輥間的工作區，在離心力和摩擦力作用下物料緊貼環模內壁，壓輥借助物料與壓輥之間的摩擦力隨著環模和物料一起旋轉。隨著環模和壓輥的旋轉，物料被攫入并不斷壓緊、擠壓，當擠壓力增大到足夠克服物料與模孔內壁的摩擦力時，物料以一定的密度被壓入模孔。隨著模輥的不斷旋轉，物料從模孔中擠出，經切刀切斷形成所需顆粒狀物料。物料在模輥間楔形區的受力狀態如圖1所示。
物料在制粒機中依次經過供料區、變形壓緊區和擠壓，由壓緊區到擠壓區隨著模輥空間的減小，粉體間隙逐漸減小，粉體密度和環模內壁上的擠壓壓強將逐漸增大并在擠壓區達到最大值，而擠壓區內環模內表面的擠壓壓強可由模孔入口處壓強求得，物料在模孔內的擠壓壓強計算示意圖如圖2所示。
假設變形壓緊區內擠壓壓強呈線性變化，以廣泛應用的兩輥結構制粒機為例，則環模內壁擠壓壓強變化規律如圖4所示，可見環模內壁受周期性交變載荷作用，周期為環模旋轉周期的一半，最大載荷為PL。周期性交變載荷將可能導致環模內壁表面材料產生疲勞失效而剝落。
2、環模磨損試驗與機理分析
2.1環模磨損試驗
環模材料為X46Cr13鋼，熱處理工藝為1 050℃淬火和200℃回2次。主要結構參數如圖5所示環模內壁直徑550mm、外壁直徑630 mm、環模總寬度300mm、環模開孔面積為3.46x105mm2（環模內徑550mm、有效寬度200mm）、開孔率33%，模孔直徑3mm、長徑比為11。環模安裝在MUZL610T兩輥式環模制粒機上進行飼料生產試驗，制粒機電機功率為150 kW，壓輥直徑為265mm，壓輥寬度為206mm，環模轉速為265r/min，生產能力為17t/h。原料主要成分（質量百分比）為玉米52%、小麥15%、大豆粕9.63%、棉籽粕5%、玉米蛋白粉4%、花生粕4%、菜籽粕3%、豬油2.67%、石粉1.55%、水解羽毛粉0.5%、醬油渣0.5%、磷酸氫鈣0.66%，容重為615 kg/m3，原料粒度分布（質量百分比）分別為0.3mm (27.6%)、0.42 mm(16.1%)、0.9 mm (44.0%)、1.2 mm%(2.0%)、2.0 mm(9.5%)和2.5 mm(0.8%)。飼料成品顆粒直徑為3 mm，密度為1 430 kg/m3，質量含水率為11%，成型率為99.2%。此類環模的設計壽命通常在1000 h以上，但從行業現狀可知實際使用壽命與設計壽命間有較大的差距，一般使用壽命在500:-650 h之間。根據行業慣例，若環模在正常生產狀態下產量下降20%以上，即可認定環模己基本失效。本試驗所用環模在正常工作600 h后產量下降20%，此時將環模卸下進行磨損機理分析。
2.2環模磨損宏觀分析
為從宏觀上對環模的磨損分布規律進行分析，利用電火花線切割機在磨損后的環模上沿模孔軸線方向切下2塊大小為30 mmx120 mm的試樣進行表觀形貌觀察及磨損量與硬度測試。
2.2.1表觀形貌分析
磨損分析試樣的表觀形貌如圖6所示，通過初步觀察發現試樣表觀形貌具有如下特征：環模內壁上有不規則分布的凹坑；模孔入口明顯擴大使得入口處的孔壁變薄；部分模孔入口有明顯的變形。
分析表明，擠壓過程中存在硬質磨粒雜質（主要為砂石類雜質和鐵雜質），其主要來源于原料的生產和晾曬過程。雖然雜質含量一般較少（雜質含量具有一定的隨機性和偶然性），但其危害卻不容忽視。擠壓過程中硬質雜質將與環模和壓輥形成三體磨粒磨損，使環模內壁發生不同程度的局部塑性變形。當硬質顆粒的直徑略大于模輥間隙時，將在擠壓時被壓入材料表面或被碾碎形成不規則顆粒，在環模內壁留下較為明顯的凹坑；當凹坑形成位置在模孔入口附近時，由于模孔邊緣處的材料基體強度較弱，將使得模孔入口處材料產生嚴重的塑性變形甚至崩落，造成較為嚴重的材料流失和模孔入口變形。同時，觀察發現試樣各磨損面均具有一定的光澤度。這是由于大量細微的物料顆粒在強烈的法向力和切向摩擦力作用下對環模表面產生研磨和機械拋光作用并形成具有光潔度的表面。因此，可以推測拋光磨損是環模的磨損機制之一。
2.2.2環模內壁磨損量測量與分析
為獲得環模磨損分布規律，利用千分尺在環模有效開孔面上沿軸向方向每隔5 mm對圖5所示的環模壁厚進行3次測量并取平均值，得環模軸向磨損分布如圖7所示。
由圖7可知環模內壁的磨損量在3 mm左右，圖中右側即靠近喂料口一側磨損較為嚴重，磨損量達到3.4 mm，這主要是由于物料從喂料口一側進入制粒室內后還沒來得及經由刮料板分配均勻就已經進入模輥之間的工作區，致使進料口一側的物料相對較厚，增加了該區域工作強度，加劇了模輥的磨損程度。磨損過度將導致環模強度不足，造成環模疲勞破壞而過早失效，因此對物料分布情況進行改善有利于延長環模使用壽命。
2.2.3模孔內壁磨損量測量與分析
由于模孔直徑僅為3 mm左右，直接測量比較困難，本文采用圓弧數據擬合的方法進行直徑測量。利用KEYENCE LK-G10激光位移傳感器配合直線電機進給裝置沿模孔直徑方向對4個連續的半圓柱型模孔進行橫截面輪廓測量。測量位置與模孔出口端面的距離分別為9、13、17、21、25、29、33和36 mm。利用Matlab對4個圓弧的輪廓數據進行圓弧擬合并求出圓弧擬合半徑，模孔直徑測量示意圖和變化圖分別如圖8和圖9所示。
由圖9可知，模孔內壁磨損量較小，從模孔入口到出口磨損量逐漸降低。假設模孔內壁初始硬度一致，由于物料在通過模孔過程中磨料特性基本不變，故模孔內壁的磨損與模孔內壁載荷相關。利用Matlab軟件對模孔磨損量平均值按式進行指數函數擬合。
式中，y為模孔半徑，mm;x為與模孔出料口的距離，mm；所求得的最小二乘擬合系數分別為a=0.0035，b=0.1485，c=0.0094，相關系數r=0.9950，殘差項的平方和R2=5.4165 Xl0-4，可見模孔內壁的磨損量與載荷具有相似的分布規律，從模孔入口到出口呈指數形式減小。
2.2.4硬度測試與分析
利用HR-150DT電動洛氏硬度計對環模磨損面進行硬度測量，得到環模的硬度測試值如表1所示。
從磨損量和硬度測量結果可以看出環模內壁磨損量在3 mm左右，熱處理層已經磨損殆盡，表面硬度降低，而較低的硬度也是導致磨損加劇的原因之一。模孔內壁磨損量較小，并沿模孔軸線方向進一步降低，故模孔內壁具有較高的硬度且硬度分布相對穩定。可見環模內壁過度磨損是導致環模磨損失效的主要原因之一。
2.3環模磨損機理微觀分析
為進一步分析環模磨損機理，利用線切割沿模孔平行方向切下2塊大小為12mmX5 mm的環模試樣并分別切割成上、中、下3段。用JSM-6300掃描電子顯微鏡觀察環模內壁和模孔內壁上、中、下段等磨損部位的微觀磨損形貌，從微觀角度探究其磨損機理。掃描電鏡觀測點示意圖如圖10所示。
2.3.1環模內壁磨損機制
環模內壁的磨損形貌電鏡掃描結果如圖11所示，由圖11可見，磨損表面分布有深淺不一的犁溝，溝痕具有較為一致的方向性；同時可見材料剝
物料中部分硬質磨粒在壓輥的法向壓力作用下被壓入環模內壁表面，并在切向力的作用下直接對環模材料表面造成犁溝為主的
磨粒磨損，并伴有一定程度的切削作用，部分材料被直接去除，形成圖11所示的犁溝。由前文的受力分析可知環模內壁受交變載荷作用，故物料和部分鈍角磨粒將在壓輥強烈的擠壓力作用下造成環模表面材料反復的塑性變形，最終發生疲勞斷裂從材料表面脫落并形成二次磨粒，在后續擠壓過程中進一步促進和加劇了磨粒磨損的發生，在環模內壁、模孔內表面等磨損面形成微小的犁溝。由上述分析可知，環模內壁的磨損主要是以微切削為主的磨粒磨損和一定程度的疲勞磨損交互作用，使得表面材料以較快的速度流失。因此，環模內壁的磨損速率最快、磨損也最為嚴重。
2.3.2模孔內壁磨損機制
模孔內壁的磨損形貌如圖12所示，磨損面上有方向一致的犁溝和分布不均的剝落坑。在模孔入口到出口之間犁溝由深變淺、由多變少；剝落坑則由少變多。
由于模孔中物料的運動方向單一，故犁溝和磨痕的方向十分一致。通過模孔的磨損量測量結果和顯微觀察可知模孔上段入口附近的磨損量相對較大，且磨損形貌以相對大而深的犁溝為主要特點。
雖然物料的硬度遠不及環模材料的硬度，物料對環模的磨損類型屬于軟磨損，但在模孔內壁強烈的法向壓力作用下物料將形成堅硬的“不可壓縮團”。在“不可壓縮團”的支撐作用下大量微小的物料顆粒將對模孔內壁產生機械拋光作用；而部分較大物料顆粒和硬質雜質顆粒由于“不可壓縮團”的支撐作用將在模孔的擠出過程中對模孔內壁產生塑性變形和微切削作用，形成大量的磨痕和犁溝，造成表面材料流失相對較大。由前文受力分析可知，模孔內壁壓強載荷呈指數形式降低（如圖3所示），故模孔內壁中段的犁溝變淺，磨損量減小，磨損形貌變為犁溝和表面剝落坑共存。隨著模孔內壓強載荷的進一步降低，模孔內壁下段的犁溝變得更淺，磨損量進一步減小，但剝落坑反而增多。可見，從模孔入口到出口間磨損量逐漸較小，磨損機制從以磨粒磨損為主逐漸向以疲勞磨損為主過渡，同時可以推斷磨粒磨損是造成模孔內壁材料流失的主要原因。
模孔內壁剝落坑的形貌圖如圖13所示，可以看到大量裂紋、微孔和剝落坑，裂紋大多穿過表面的微孔向外擴展，剝落坑表面粗糙，且有相互連接擴大的趨勢。物料在模孔中沿模孔不斷擠出過程中，模孔壁受到劇烈的法向載荷和切向載荷，模輥每次將物料擠出模孔，材料表面各接觸點將承受1次循環載荷，交變載荷作用將使材料軟硬兩相區產生錯位堆積發展成為微空洞，而模孔中以滑動摩擦為主的摩擦副容易在微空洞、摩擦碰傷痕等表面應力集中源萌生疲勞裂紋。因此，磨損表面的疲勞裂紋大多穿過表面的微孔向外擴展并相互連接導致了金屬材料的成片剝落，剝落坑之間通過裂紋的相互連接形成更大的剝落坑。
2.4環模磨損改進建議
通過上述分析可知造成環模磨損失效的主要原因有磨粒磨損、疲勞磨損和拋光磨損等，同時物料分布不均勻和物料調質特性也對環模磨損情況有一定影響。為延長環模的使用壽命，提出如下改進建議。
1)目前大多飼料廠對鐵雜質的清除較為重視，而忽視了對砂石類雜質的清除。建議在粉碎前增加對砂石和金屬雜質的除雜工序，將砂石和金屬雜質除凈。
2)對撒料器（刮料板）形狀結構進行改進優
化，使物料在制粒室內分布均勻，防止環模和壓輥出現偏磨損的情況而過早失效。
3)改進物料的調質工藝，充分利用物料中的油脂和蛋白質等成分在制粒過程中的潤滑作用，能減輕物料對環模的磨損作用，同時有助于提高制粒機產量。
4)改進熱處理工藝，適當增加熱處理層深度，提升環模內表面耐磨層的硬度，提高環模的耐磨性，延長環模的使用壽命。
3、結論
本文針對制粒機環模磨損過快等問題進行了環模磨損分析試驗，對環模磨損量和表面硬度進行了測量，對磨損面的微觀特征形貌進行了觀察，分析討論了物料對環模不同部位的磨損機理。主要得到以下結論：
1)環模的磨損機制主要有拋光磨損、磨粒磨損和疲勞磨損等多種磨損形式共存，不同磨損位置起主導作用的磨損機制有所不同。
2)環模內壁的磨損量最為嚴重，磨損量在3.0 mm左右，磨損機理主要是微切削為主的磨粒磨損和疲勞磨損交互作用，造成環模內壁的表面材料流失速度較快，導致環模磨損失效。
3)模孔內壁的磨損量相對較小，模孔入口附近的磨損以磨粒磨損為主，犁溝較多且深；而模孔出口附近的磨損則以疲勞磨損為主，剝落坑較多且密集。從模孔入口到出口間磨損量呈指數形式逐漸減小，磨損逐漸從以磨粒磨損為主過渡為以疲勞磨損為主。
4)根據環模磨損機理分析提出了改進建議，預期可使環模達到設計使用壽命壽命1000h以上，對提高環模制粒機的穩定性和延長環模使用壽命具有指導意義。
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