基于BP模型的截齒 WC-Co涂層耐磨性預(yù)測研究

韓文靜，　馬紅雷，　宋進(jìn)朝，　張曉光

(1.河南能源化工集團(tuán) 永城職業(yè)學(xué)院 礦業(yè)工程系，河南 永城　476600；　2.河南能源化工集團(tuán) 永城職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，河南 永城　476600；　3.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163318)

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基于BP模型的截齒 WC-Co涂層耐磨性預(yù)測研究

韓文靜1，馬紅雷1，宋進(jìn)朝2，張曉光3

(1.河南能源化工集團(tuán) 永城職業(yè)學(xué)院 礦業(yè)工程系，河南 永城476600；2.河南能源化工集團(tuán) 永城職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，河南 永城476600；3.東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318)

摘要：為提高采煤機(jī)械上截齒的耐磨性能,在42CrMo鋼表面利用超音速火焰噴涂法制備WC-Co涂層。用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行WC-Co涂層的耐磨性能的預(yù)測，當(dāng)采用3×8×1的模型結(jié)構(gòu)時，實測結(jié)果與預(yù)測結(jié)果很接近，效果比較好。采用掃描電鏡和摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行磨損形貌和磨損性能分析。分析表明，WC-Co涂層的磨損是粘著磨損和磨粒磨損兩種機(jī)制共同作用的結(jié)果。當(dāng)噴涂粉末丙烷流量32L/min、噴涂距離290mm和送粉率34g/min時，WC-12Co涂層的磨損量較??；當(dāng)噴涂粉末丙烷流量34L/min、噴涂距離270mm和送粉率36g/min時，WC-17Co涂層的磨損量較小。

關(guān)鍵詞:截齒； BP模型； WC-Co涂層； 耐磨性； 預(yù)測

引言

在采礦過程中，截齒用來對煤炭進(jìn)行切割，直接與煤層產(chǎn)生摩擦。它安裝在滾筒上并隨滾筒一起旋轉(zhuǎn)。截齒的溫度隨著工作時間的增長而升高，會出現(xiàn)磨損失效的情況。當(dāng)煤層中有矸石或者其他較硬的礦料存在時，截齒的磨損度極高，還有可能因過載造成直接斷裂[1]。

熱噴涂表面強(qiáng)化可以提高截齒的抗疲勞強(qiáng)度進(jìn)而增強(qiáng)截齒耐磨性能。超音速火焰噴涂(HVOF)技術(shù)具有噴射速度快、火焰溫度低、使用氣源廣及設(shè)備操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。另外，還具有連續(xù)穩(wěn)定的焰流、涂層厚以及殘余應(yīng)力低等特點(diǎn)[2-4]。

在使用HVOF法噴涂WC-Co涂層中，影響涂層質(zhì)量的主要因素有噴涂材料、噴涂條件、材料成分、制粉工藝、預(yù)處理、粉末粒度分布范圍、噴涂燃燒條件、材料密度、泊松比、噴涂角度、槍管長度及噴涂距離、微觀顆粒形狀、送粉速率、流動性、粉末粒子抗壓強(qiáng)度、工藝過程管理控制、粘結(jié)相及硬質(zhì)相組成和檢測分析手段等[5-7]。

HVOF噴涂法獲得WC-Co涂層具有優(yōu)良的耐磨性和高硬度性能[7]。HVOF噴涂法WC-Co涂層研究主要有WC-12Co和WC-17Co兩種。Voyer等[8]采用HVOF噴涂工藝制備了WC-12Co涂層，對涂層進(jìn)行了滑動磨損試驗，發(fā)現(xiàn)涂層中的氣孔能容納磨損試驗中產(chǎn)生磨屑。英國諾丁漢大學(xué)的Stewart[9]在鋼基體表面噴涂WC-17Co涂層，認(rèn)為在惰性氣氛中加熱到600℃時有利于促進(jìn)涂層耐磨性能的提高。湖南大學(xué)王群等[6]采用DF-3000 HVOF噴涂系統(tǒng)制備了WC-12Co涂層，利用濕砂橡膠輪磨粒磨損機(jī)進(jìn)行了磨損試驗，說明了磨粒對磨損的影響。Skandan等[10]采用DJ2700型超音速火焰噴涂方法制備了二種多峰WC-12Co涂層，研究了它們的組織結(jié)構(gòu)、硬度及耐磨性。王群等[11]采用HVOF制備了微米、亞微米、納米結(jié)構(gòu)及三種多峰WC-12Co涂層，研究了由不同結(jié)構(gòu)特性WC-12Co粉末制備的涂層的組織結(jié)構(gòu)、硬度、孔隙率及磨損特性。相對于WC-12Co涂層而言，HVOF制備WC-17Co涂層研究較少，耐磨性研究方面也以WC-12Co涂層較多。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為多層前饋網(wǎng)絡(luò)模型，可高效、準(zhǔn)確的運(yùn)算和預(yù)測離散性實驗數(shù)據(jù)[2]。在材料的摩擦磨損上許多非線性問題不能用明確的函數(shù)關(guān)系來描述，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過有限次的迭代計算后可得到反映實驗數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律，可較好地模擬和預(yù)測這種非線性變化規(guī)律[12-14]。目前利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對WC-Co涂層的耐磨性能進(jìn)行預(yù)測的研究還很少。

本文為提高采煤機(jī)截齒的耐磨性能，利用HVOF噴涂法在42CrMo鋼試樣表面獲得不同成分的WC-Co涂層。并利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對WC-Co涂層的耐磨性能進(jìn)行預(yù)測研究。

1實驗

1.1實驗材料

以42CrMo鋼為基體，以團(tuán)聚燒結(jié)的WC-17Co、WC-12Co粉末為原料，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%和12%，WC作為硬質(zhì)相，Co為粘結(jié)相。所用的WC顆粒平均尺寸為2μm。噴涂粉末型號及相關(guān)物理性能如表1所示。

表1噴涂粉末型號及相關(guān)物理性能

粉末名稱w(碳)/%v/(0.02s·g-1)ρ松裝/(g·cm-3)ρ振實/(g·cm-3)粒度分布/μmWC-12Co4.1134.895.4015～45WC-17Co4.5145.005.4015～45

1.2涂層制備

采用DJ-2700型高音速火焰噴涂系統(tǒng)，丙烷為燃?xì)?，氧氣為助燃劑，氮?dú)鉃樗头蹥怏w，制備WC-Co涂層。粒子溫度和速度是在一定條件下間接獲得的工藝結(jié)果。通過合理確定和控制各種參數(shù)，調(diào)節(jié)進(jìn)入噴槍的助燃劑和燃料流量比例來調(diào)節(jié)焰流的速度和溫度。可操作噴涂距離為150～300mm。氧氣壓力0.6MPa，氧氣流量165L/min。丙烷壓力0.45 MPa，丙烷流量30～40L/min。送粉率30～40g/min。

1.3涂層性能測試

利用MM-200型磨損試驗機(jī)對涂層進(jìn)行摩擦磨損試驗。摩擦副為調(diào)質(zhì)GCr15鋼環(huán)，硬度為HRC45，實驗條件為干摩擦磨損，加載載荷500N，轉(zhuǎn)速200r/min。涂層的磨損量使用FA1004型電子分析天平進(jìn)行測試；通過金相灰度法測試涂層孔隙率，涂層磨損后的表面形貌采用日立S3400型掃描電鏡(SEM)觀察。采用HVS-5維氏硬度計測試涂層維氏硬度，進(jìn)行涂層開裂韌性計算。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層采用噴涂粉末的丙烷流量(R)、送粉率(F)和噴涂距離(D)；模型的輸出層是WC-Co涂層的磨損量(M)。圖1是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)示意圖。在BP網(wǎng)絡(luò)建模時隱含層數(shù)是根據(jù)均方根誤差(MSE)確定的[15]。

圖1　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型圖

2結(jié)果與討論

2.1建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

采用tansig為隱含層函數(shù)，traingdx作為訓(xùn)練函數(shù)，最大訓(xùn)練學(xué)習(xí)率0.01，次數(shù)3000。在BP網(wǎng)絡(luò)建模過程中根據(jù)均方根誤差(MSE)確定隱含層數(shù)。圖2為不同隱含層和神經(jīng)元數(shù)目與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型均方根誤差的關(guān)系。在神經(jīng)元是12，隱含層是8時，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型MSE最小，所以采用3×8×1的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[16]。

圖2　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型MSE與隱含層和神經(jīng)元數(shù)目的關(guān)系

2.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測

圖3所示是WC-12Co涂層的磨損量在采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測時形成的仿真曲線。對涂層1～25#實驗樣本測試發(fā)現(xiàn)，樣本平均涂層空隙率為1.02%，平均硬度為HV1160，平均開裂韌性值為4.36 MPa·m1/2，涂層磨損量的實測值與預(yù)測值變化趨勢存在著一致性，顯示出BP模型在模擬WC-Co涂層磨損量的變化規(guī)律時效果較好[2]。對12個測試樣本(26～37#)進(jìn)行預(yù)測來檢驗BP模型的適用性，發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與測量值最大相對誤差為1.43%，最小相對誤差為0.76%。表明預(yù)測值與測量值偏離不多。

圖3　涂層的磨損量的實測值與預(yù)測值曲線

2.3涂層磨損表面形貌分析

圖4為用掃描電子顯微鏡觀察的涂層磨損面的形貌。由圖4(a)可以看出，WC-12Co涂層的磨損是磨粒磨損作用的結(jié)果。WC-12Co涂層的摩擦磨損損失形式為犁溝劃痕。涂層塑性較好，剪切抗力較低。涂層表面接觸點(diǎn)與對磨件表面在載荷條件下發(fā)生粘著和剪切撕裂作用，接觸材料由于塑性變形形成飛邊[17]。這種舌狀或楔形飛邊在下一次的接觸過程中會被對磨件的微凸體或磨粒重新碾壓在前方或兩側(cè)的表面上。舌狀或楔形飛邊的前端發(fā)生加工硬化、疲勞等原因而脫落下來，形成磨屑。涂層表面出現(xiàn)了由于顆粒破碎脫落而產(chǎn)生的坑和由磨屑碾壓出的犁溝，磨屑尺寸較小，一般小于50μm。當(dāng)噴涂粉末丙烷流量32L/min、噴涂距離290mm和送粉率34g/min時，涂層的磨損量較?。欢鴩娡糠勰┍榱髁?6L/min、噴涂距離300mm和送粉率45g/min時，涂層的磨損量較大。

由圖4(b)可以看出，噴涂態(tài)WC-17Co涂層在摩擦磨損過程中，涂層容易與對磨件發(fā)生機(jī)械和粘著作用引起塑性變形，涂層磨損面被擠壓造成包裹WC顆粒的粘結(jié)相Co發(fā)生塑性延展變形，呈片狀團(tuán)聚。如圖4(b)中亮白色區(qū)域所示。涂層磨損表面被破壞形成磨屑。磨屑中剝落的WC硬質(zhì)顆粒在磨損面停留促使磨粒磨損形成，在接觸應(yīng)力和摩擦力的循環(huán)作用下，磨粒與涂層表面形成相對運(yùn)動[14]。當(dāng)噴涂粉末丙烷流量34L/min、噴涂距離270mm和送粉率36g/min時，涂層的磨損量較??；而噴涂粉末丙烷流量40L/min、噴涂距離300mm和送粉率42g/min時，涂層的磨損量較大。

圖4　涂層的磨損表面SEM照片

3結(jié)論

1)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層為噴涂粉末丙烷流量(R)、噴涂距離(D)和送粉率(F)，輸出層為WC-Co涂層的磨損量(M)，建立起3×8×1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果相差不大，預(yù)測效果較好。

2)當(dāng)噴涂粉末丙烷流量34L/min、噴涂距離270m和送粉率36g/min時，WC-17Co涂層的磨損量較小。當(dāng)噴涂粉末丙烷流量36L/min、噴涂距離300mm和送粉率45g/min時，WC-12Co涂層的磨損量較大。

3)WC-12Co涂層的磨損是在磨粒磨損的作用下表現(xiàn)為犁溝劃痕。WC-17Co涂層發(fā)生機(jī)械和粘著作用引起塑性變形，涂層磨損面呈現(xiàn)片狀團(tuán)聚。

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The Prediction of Wear Resistance of WC-Co Coatings of Shearer Pick Based on BP Model

HAN Wenjing1， MA Honglei1， SONG Jinchao2， ZHANG Xiaoguang3

(1.Department of mining engineering,Yongcheng Vocational College,Yongcheng 476600,China；2.Department of Architectural Engineering,Yongcheng Vocational College,Yongcheng 476600,China；3.College of Mechanical Science and Engineering,Northeast Petroleum University,Daqing 163318,China)

Abstract:In order to improve the wear resistance of shearer pick on the coal mining machinery,WC-Co coatings were successfully prepared on the surface of 42CrMo by using HVOF method.The wear resistance of WC-Co coatings was predicted using BP neural network model.When the model structure of 3×8×1 is used,the measured results are very close to the predicted results,showing good effects.The wear morphology and wear resistance were studied by SEM and abrasion tester.The analysis shows that the wear mechanism of coating is an interaction of adhesion and abrasion.It presents that the weight loss of the WC-12Co coating is less at propane gas flow rate of 32L/min,spraying distance of290 mm,and powder feed rate of 34g/min.The weight loss of the WC-17Co coating is less at propane gas flow rate of 34L/min,spraying distance of 270mm,and powder feed rate of 36g/min.

Keywords:shearer pick； BP model； WC-Co coatings； wear resistance； prediction

中圖分類號：TG174

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2015-11-24修回日期： 2015-12-17

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.04.003