苜蓿草粉對(duì)9KWH-250顆粒壓制機(jī)環(huán)模的磨損試驗(yàn)分析

李 浩，張 杰，馬 娟，孔令卓，蘇 劍，帕合爾鼎，馮 斌

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，新疆烏魯木齊830091）

0 引言

近幾年來(lái)，草顆粒飼料在我國(guó)得到了應(yīng)用發(fā)展，用于加工精飼料的環(huán)模顆粒壓制機(jī)被直接用于加工草顆粒飼料或秸稈配合飼料[1]。環(huán)模作為環(huán)模顆粒壓制機(jī)的關(guān)鍵部件，環(huán)模的工作性能和壽命直接影響著顆粒產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本。苜蓿壓制成顆粒后便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，但苜蓿草粉粗纖維含量高、壓縮性差，在壓制苜蓿顆粒時(shí)容易堵塞?？?，造成過(guò)模時(shí)阻力增大，使制粒環(huán)模機(jī)械磨損增大，環(huán)模的壽命只有壓制配合飼料時(shí)的1/4[2]。以苜蓿草粉為磨料，初步研究其對(duì)4Cr13鋼的磨損規(guī)律與磨損機(jī)理，為提高環(huán)模顆粒壓制機(jī)環(huán)模的耐磨性提供理論和技術(shù)支撐。

1 設(shè)備介紹

由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的9KWH-250顆粒壓制機(jī)主要由機(jī)架、主軸箱、主軸、料倉(cāng)、調(diào)速喂料器、強(qiáng)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(gòu)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(jī)

9KWH-250顆粒壓制機(jī)的工作原理是粉碎、混合后的待制粒物料從料倉(cāng)中經(jīng)調(diào)速喂料器、強(qiáng)制喂料器進(jìn)入壓制室，通過(guò)物料自身的重力和環(huán)模旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力以及喂料刮刀的作用均勻地喂入環(huán)模內(nèi)的兩個(gè)壓制區(qū)，即兩個(gè)壓輥和環(huán)模形成的楔形空間內(nèi)，因壓輥和環(huán)模內(nèi)壁最小間隙僅為0～0.15 mm，在環(huán)模旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)壓輥相對(duì)旋轉(zhuǎn)的情況下，物料逐漸被壓實(shí)、擠入到環(huán)模的?？字?，并在?？字谐尚危瑥哪？壮隽弦欢瞬粩喑手鶢顢D出，然后由切刀切成所需長(zhǎng)度的顆粒[3]。

9KWH-250秸稈顆粒壓制機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示：

表1 9KWH-250顆粒壓制機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 試驗(yàn)部件及材料

2.1 試驗(yàn)部件

環(huán)模材料為4Cr13鋼，其化學(xué)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(huán)模結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示，模孔直徑6 mm、?？子行чL(zhǎng)度30 mm、環(huán)模內(nèi)徑250 mm、環(huán)模外徑310 mm、環(huán)模寬度135 mm、有效寬度85 mm，環(huán)模轉(zhuǎn)速350 r/min（此時(shí)制粒效果最佳）。

圖2 環(huán)模

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的苜蓿為新疆大葉苜蓿，在自然風(fēng)干狀態(tài)下，含水率為7.73%、粗蛋白質(zhì)含量18.5～21.3%、粗脂肪含量2.6～2.8%。制粒前用錘片粉碎機(jī)將苜蓿粉碎，粉碎機(jī)篩網(wǎng)孔徑為6 mm，粉碎后將苜蓿草粉進(jìn)行水分調(diào)節(jié)，使苜蓿草粉含水率為17～20%。

2.3 磨損試驗(yàn)方法

環(huán)模的設(shè)計(jì)壽命通常在1 000 h以上[4]，但根據(jù)實(shí)際使用情況，從顆粒飼料加工的條件看，環(huán)模的實(shí)際使用壽命一般不超過(guò)500 h[5]。根據(jù)行業(yè)慣例，在環(huán)模制粒過(guò)程中，當(dāng)顆粒的成型率下降至75%時(shí)，即可認(rèn)定環(huán)模失效[6]。本試驗(yàn)所用環(huán)模在正常工作380 h后產(chǎn)量下降20%，將環(huán)模卸下進(jìn)行環(huán)模的磨損機(jī)理分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 環(huán)模磨損宏觀形貌

環(huán)模磨損分析試樣的表觀形貌如圖3，通過(guò)將環(huán)模徑向切塊，可以發(fā)現(xiàn)環(huán)模試樣在通過(guò)磨損試驗(yàn)后，外觀形貌具有如下特征：環(huán)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(kuò)大明顯，使得環(huán)模草粉入口處的孔壁變薄，部分?？子凶冃螕p壞。

圖3 環(huán)模?？啄p后的宏觀形貌

由于環(huán)模磨損不是很規(guī)則，所以采取測(cè)量距離環(huán)模草粉進(jìn)入模孔開(kāi)始的有效長(zhǎng)度方向上0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm位置處的模孔直徑，環(huán)模?？字睆阶兓鐖D4所示。

圖4 環(huán)模?？字睆阶兓?/p>

由圖4可知，從環(huán)模?？撞莘廴肟诘匠隹冢？變?nèi)壁的磨損量由大變小。環(huán)模材料為4Cr13鋼，采用1050℃，淬火300℃回火熱處理，?？變?nèi)壁硬度一致，在苜蓿草粉物料通過(guò)?？妆粩D出的過(guò)程中，物料從松散到緊實(shí)，草粉顆粒外表面從粗糙到光滑，?？變?nèi)壁的磨損與?？變?nèi)壁載荷相關(guān)[7]，苜蓿草粉所受的壓輥擠壓力由大變小，導(dǎo)致?？變?nèi)壁的磨損量在草粉入口處大于顆粒出口處。從環(huán)模?？字睆降臏y(cè)量結(jié)果可以看出環(huán)模內(nèi)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(jīng)完全磨損，因表面硬度降低，導(dǎo)致磨損加劇，進(jìn)而使環(huán)模失效。

3.2 環(huán)模磨損微觀形貌

從環(huán)模?？撞莘廴肟诘匠隹诜较?qū)h(huán)模均分為前段、中段和后段。對(duì)環(huán)模塊前段、中段和后段的磨損表面微觀形貌分別進(jìn)行分析，環(huán)模?？赘鞫文p后放大1 000倍的微觀形貌如圖5所示，從放大1 000倍的環(huán)模?？變?nèi)壁磨損面上可以清晰看到溝痕和不規(guī)則、散亂的點(diǎn)蝕坑，并且溝痕的方向沿出料方向大體一致。在環(huán)模前段磨損表面溝痕既深又多，少有點(diǎn)蝕坑；在環(huán)模塊中段磨損表面溝痕變淺變少，點(diǎn)蝕坑變多；在環(huán)模塊后段點(diǎn)蝕坑變得更多，溝痕更淺。

圖5 環(huán)模?？赘鞫文p后的微觀形貌

在苜蓿草粉被擠壓成型的過(guò)程中，苜蓿草粉中部分硬質(zhì)磨粒在壓輥的法向壓力作用下被壓入環(huán)模模孔內(nèi)，硬質(zhì)磨粒沿著擠壓方向?qū)Νh(huán)模孔內(nèi)壁有切削作用，形成了方向大體一致的犁溝，即圖5中的溝痕。同時(shí)，由于苜蓿草顆粒外表面在受擠壓并向著?？壮隹诜较蛞苿?dòng)時(shí)，對(duì)環(huán)模內(nèi)壁進(jìn)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(huán)模內(nèi)壁的磨損溝痕則慢慢變?nèi)踝儨\，磨損量逐漸減小。當(dāng)苜蓿草顆粒慢慢移動(dòng)到環(huán)模?？缀蠖螘r(shí)，環(huán)模內(nèi)壁點(diǎn)蝕慢慢增多，由此可見(jiàn)，從環(huán)模前段到后段，苜蓿草粉和環(huán)模的磨損原因主要是磨粒磨損和疲勞磨損。

4 結(jié)論

通過(guò)苜蓿草粉環(huán)模?？變?nèi)壁的磨損試驗(yàn)，對(duì)環(huán)模?？啄p表面進(jìn)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(duì)4Cr13鋼環(huán)模不同部位的磨損機(jī)理。

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

（2）環(huán)模?？浊岸诬俎２莘酆铜h(huán)模的磨損機(jī)制主要是磨粒磨損，環(huán)模?？缀蠖诬俎２莘酆铜h(huán)模的磨損機(jī)制主要是疲勞磨損。

（3）當(dāng)環(huán)模氧化層磨損殆盡時(shí)，環(huán)模表面硬度降低，磨損加劇，苜蓿草顆粒成形率大大降低，進(jìn)而導(dǎo)致環(huán)模失效。