磨粉機研磨系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素研究進展

高楊楊，武文斌?，賈華坡，李蒙蒙，劉培康，侯寧沛

（河南工業(yè)大學 糧油機械研究所，河南 鄭州 450001）

磨粉機研磨系統(tǒng)主要由磨輥、軸承、軸承座、輥間傳動機構(gòu)以及離合軋與軋距調(diào)節(jié)機構(gòu)組成（圖 1）。一般認為，在實際工作中，磨粉機保持預(yù)設(shè)研磨效果的能力稱為研磨系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該穩(wěn)定性的表征量為軋距的穩(wěn)定。Kenneth F.Fuh[1]發(fā)現(xiàn)軋距的大小決定磨粉機磨下物粒度的分布。磨粉機運行不穩(wěn)會造成研磨效果低下、能耗增大等問題[2]，舒服華[3]通過對傳統(tǒng)灰色關(guān)聯(lián)分析模型進行改進，提出了磨粉機磨輥動不平衡灰色分析診斷模型；杜潤鴻[4]從軋距系統(tǒng)零部件材質(zhì)選擇、加工精度和結(jié)構(gòu)設(shè)計原理等方面對影響磨粉機軋距穩(wěn)定的因素進行分析，并提出相應(yīng)的解決措施；黃學敏，吳建章等[5]從小麥品質(zhì)、著水與潤麥時間、磨輥表面技術(shù)特性等多個方面對影響面粉加工精度的因素進行分析，提出生產(chǎn)高品質(zhì)面粉的要求與措施。小麥破碎時第一道磨粉機研磨效果十分重要，它將直接影響后續(xù)工藝的加工長度和質(zhì)量[6]。影響磨輥研磨系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素眾多，卻并未形成統(tǒng)一完善的理論，因此理清各因素對研磨系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響機理較為重要。本文結(jié)合國內(nèi)外的研究內(nèi)容對磨粉機研磨系統(tǒng)失穩(wěn)機理、影響因素進行綜述并加以分析，為磨粉機穩(wěn)定性研究提供參考。

圖1 磨輥研磨系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of grinding roller grinding system

1 研磨系統(tǒng)失穩(wěn)機理分析

磨粉機工作時，研磨系統(tǒng)失穩(wěn)機理主要有兩種，分別是震顫失穩(wěn)、零部件疲勞破壞。物料在經(jīng)過兩輥之間時，先進入滑移區(qū)，物料與物料之間開始擠壓并被預(yù)粉碎，呈壓縮狀態(tài)流動；然后進入壓縮區(qū)，小麥料層逐漸被壓實和搓撕，此時小麥受力較大而粉碎；最后進入反彈區(qū)，小麥不受擠壓力和摩擦力作用[7]。如圖2所示，在A到C的過程中，小麥所受擠壓力和摩擦力在水平方向上合力統(tǒng)稱為研磨力，此時，快慢輥表面的物料速度與之轉(zhuǎn)速相同，料層在左右兩邊受相反的摩擦力作用，該力作用使物料撕裂破碎，產(chǎn)生熱量小，越靠近軋距最小處，撕裂越明顯，磨輥和物料受力均勻，摩擦力波動較小，研磨力呈線性特征。上述可知，兩只磨輥在整個軸向輥面上，必須保持軋距的一致性才能使磨輥研磨效果最大化，不同品種和含水量的小麥需要設(shè)定不同軋距[8]，所以，磨輥系統(tǒng)保持預(yù)設(shè)軋距的能力尤為重要。

圖2 磨輥工作示意圖Fig.2 Working diagram of grinding roller

然而，在實際工作時，快慢輥表面的物料速度與其中一輥的轉(zhuǎn)速相同或相近，料層與另一輥之間產(chǎn)生相對滑動，輥料之間由最大靜摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，物料主要靠擠壓破碎，同時伴隨著搓撕，產(chǎn)生熱量多，此時磨輥表面受動態(tài)變化的摩擦力作用，研磨力呈非線性特征，將導致研磨過程磨輥產(chǎn)生震顫失穩(wěn)，這與小麥物理特性及磨輥表面技術(shù)特性有關(guān)。該震顫破壞軋距自鎖機構(gòu)的封閉力系，使軋距控制脫離剛性限制范圍[9]，降低磨輥支承剛度，受沖擊時軋距發(fā)生變化。磨輥失穩(wěn)震顫和兩輥軸向軋距不均勻都會造成研磨效果低下，此外系統(tǒng)零部件精度、裝配精度也會對軋距穩(wěn)定產(chǎn)生影響[10]。

2 磨輥系統(tǒng)穩(wěn)定性影響因素

Campbell[11]認為：小麥研磨效果影響因素取決于顆粒、磨輥及磨粉機工作條件。磨輥系統(tǒng)運行穩(wěn)定是保證研磨效果的關(guān)鍵，依據(jù)小麥破碎效果的影響因素可將研磨系統(tǒng)穩(wěn)定的影響因素分為三類，分別為磨輥系統(tǒng)零部件精度、加工工藝參數(shù)、裝配質(zhì)量。

2.1 零部件精度

2.1.1 磨輥精度

2.1.1.1 質(zhì)量偏心 磨輥輥體是由雙金屬離心鑄造而成，離心鑄造高合金白口鑄鐵時，輥體復合部位常形成易于剝落的碳化物，且存有組分偏析等問題[12]，磨輥在制造成型時，不可避免會有質(zhì)量偏心，它是引起磨輥自激振動的主要因素[13]。激振力F的大小可由下式計算：

式中：m為磨輥質(zhì)量，kg；e為磨輥質(zhì)量偏心距，m；ω為磨輥轉(zhuǎn)速，rad/s。

激振力的方向是隨著磨輥的旋轉(zhuǎn)不斷變化的，引起磨輥弓狀空間回轉(zhuǎn)。而當與輥間壓力同向時，兩磨輥間的間距增大，輥間壓力減??；反之，磨輥間的間距減小，輥間壓力增加。

2.1.1.2 徑向跳動 磨輥加工后，輥軸和輥體外圓表面對磨輥軸承中心公共軸線的徑向跳動量不大于0.01 mm，表面不應(yīng)有裂紋、夾渣、氣孔、砂眼等缺陷。磨輥工作時，徑向跳動導致軋距出現(xiàn)周期性變化，并有幾率加大沖擊載荷。以齒輥為例，徑向跳動量過大，加工成型后容易產(chǎn)生磨齒突出和磨齒凹陷（圖3）。

圖3 磨齒形態(tài)Fig.3 G ear grinding shape

2.1.1.3 表面硬度 磨粉機的磨輥與物料間的磨損屬于磨料磨損[14]。輥體經(jīng)過加工之后，拉絲輥硬度應(yīng)為肖氏硬度68～74 HS，且測點硬度偏差不大于8 HS[15]，磨輥表面強化處理工藝主要有等離子噴涂、激光熔覆、激光表面淬火和等離子弧表面淬火等[16]。磨輥長時間運行之后，與物料摩擦磨損積累到一定量，導致磨輥外形發(fā)生變化，正常工作條件下，磨損應(yīng)導致磨齒由鋒變鈍，齒頂由寬變窄，剪切效果下降，光棍粗糙度降低，容易產(chǎn)生壓力集中現(xiàn)象，磨輥受到突變輥壓的頻率增加。

2.1.1.4 粗糙度和錐度 目前，對于大中型磨粉機，磨輥與軸承大多采用錐面配合[17]，這樣可使軸承具有更高的徑向定位精度和回轉(zhuǎn)精度[18]，但該處的粗糙度和錐度會影響輥軸與軸承的裝配精度和接觸剛度，一般輥軸上與軸承配合面的粗糙度為Ra=0.08 μm，錐度為C=1∶12，并且兩配合錐面的接觸率要≥80%，若粗糙度較大，相互配合的孔、軸表面上的微小峰被磨除后，他們的配合性質(zhì)發(fā)生變化，降低軸承抵抗外力、發(fā)生接觸變形的能力，同時也會造成兩輥平行度誤差。

磨輥精度高低主要取決于磨輥的制造技術(shù)，在制造磨輥時，有效控制磨輥偏心量和徑向跳動、加強磨輥表面硬度和精度可以降低磨輥振動和磨損，能夠持續(xù)保持磨輥的最佳工作狀態(tài)。

2.1.2 軸承精度的影響

軸承是保證磨輥系統(tǒng)正常工作的重要零部件，直接影響磨輥的運轉(zhuǎn)性能。軸承內(nèi)圈的內(nèi)徑尺寸和壁厚誤差、圓度、垂直度等是軸承重要的尺寸和形狀精度指標，決定著軸承的旋轉(zhuǎn)精度、裝配精度和定位精度等[19]?，F(xiàn)代磨粉機大多采用內(nèi)孔為圓錐孔的調(diào)心滾子軸承，軸承內(nèi)圈通過帶開口的錐套和用于壓緊的圓螺母固定在磨輥軸上。軸承承受徑向載荷時，由于存在徑向游隙，運轉(zhuǎn)過程中滾子逐漸進入和退出載荷區(qū)，使得內(nèi)圈中心的徑向位置發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)振動[20]。若軸承內(nèi)外圈尺寸誤差較大，軸承內(nèi)外圈軸心與輥軸軸心沒有中心對齊，局部受力過大，降低軸承運轉(zhuǎn)精度[21]。除此之外，軸承滾子表面粗糙度，也會對軸承的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響[22]。所以選擇高精度高強度的軸承，并定期進行軸承檢查和潤滑可以有效降低因軸承帶來的磨輥磨損加劇和研磨效果下降等問題。

2.2 加工工藝參數(shù)

2.2.1 小麥物理特性及喂料

小麥在入磨前都需要進行著水潤麥調(diào)質(zhì)處理，是為了增加小麥皮層的水分，以提高皮層的抗破壞強度，在制粉時不易破碎[23]。潤麥時，小麥著水均勻度會影響小麥的硬度，當硬度差別較大時，磨輥會受到額外的沖擊載荷[24]。Galindez-Najera S.P.[25]利用對硬小麥和軟小麥磨碎部分進行光譜分析后得到的外胚乳、中間層胚乳、糊粉胚乳和淀粉胚乳的實驗數(shù)據(jù)，推導了小麥粉碎過程中的破碎方程，研究表明不同的破碎機制與麩皮層的力學性能和粘附性有關(guān)。Campbell G. M.[26]從單粒小麥特性分布出發(fā)，建立基于破碎方程的研磨模型，利用該模型求得不同小麥初磨的輸出粒度分布，這些模型可以根據(jù)Perten單核表征系統(tǒng)（SKCS）的特性，預(yù)測不同粒徑和硬度的小麥的破碎；Muhamad I. I.[27]采用聲波篩分法測定9～17%含水量的小麥破碎后的粒徑分布，研究表明含水量在16%時，粒徑最為均勻。Fuh K. F.[1]將 Kumaraswamy破碎函數(shù)運用到小麥輥磨破碎中，模擬了軋距對破碎的影響，并通過將常規(guī)小麥Cappelle與球形小麥Triticum sphaeroccoccum雜交，獲得了一組新的小麥樣本，這些樣本通過碾磨獲得一系列形狀樣品，對其殘差分析表明：小麥形狀對破損的影響具有統(tǒng)計學意義，并且長麥粒比圓麥粒更易破碎。另外，喂料時小麥流層的均勻程度和厚度也是造成磨輥穩(wěn)定性差的因素[28]。磨輥在研磨時，不平衡力主要來自于輥和料之間的摩擦作用，摩擦面的大小會引起磨輥系統(tǒng)外阻尼的變化。對于心磨磨輥，入磨物料含粉率過高，在研磨時細小顆粒易被壓實形成具有一定抗力的粉片層，阻止兩輥繼續(xù)靠近，兩磨輥失去緩沖，容易產(chǎn)生振動[29]。

2.2.2 溫升

磨輥在生產(chǎn)過程中普遍存在溫度較高的現(xiàn)象，主要是由于磨輥與物料之間的剪切，擠壓、和摩擦力作用，兩輥之間有很大的輥間壓力，磨輥對物料的擠壓和摩擦會使磨輥和物料之間產(chǎn)生大量的摩擦熱[30]。同時，在非穩(wěn)態(tài)階段由于物料的粉碎，變形熱、摩擦熱及熱傳導的作用，磨輥輥面溫度逐漸升高，并向磨輥內(nèi)部傳熱，造成磨輥內(nèi)部有大量熱量囤積[31]，溫度可達75 ℃[32]，造成磨輥自身精度發(fā)生改變。囤積的熱量沿軸向向輥體兩側(cè)端面及軸部傳遞，到達軸承處，使軸承溫度升高。裝到磨輥上的軸承游隙要達到0.030～0.045 mm[29]，溫升使徑向游隙減小，工作時磨損增大，且滾柱與滾道之間不能形成較厚的潤滑油膜，軸承易發(fā)熱燒壞[33]，同時還增加動耗。徑向游隙的減小量Δu可由下式估定：

式中：Δt為溫差，℃；δ為鋼的線膨脹系數(shù)；d為內(nèi)徑，mm；D為外徑，mm。

如果出現(xiàn)高溫（60 ℃以上），潤滑脂會加速氧化，當接近 90 ℃，普通潤滑脂的氧化嚴重制約了潤滑脂的性能[34]，潤滑油的流失又會加速軸承的磨損和自身溫度升高，形成惡性循環(huán)直至軸承報廢。對溫度控制還需要國內(nèi)外學者從熱源、熱傳遞和熱耗散等方面進行研究，以達到溫控的目的。

2.2.3 傳動系統(tǒng)

國內(nèi)磨粉機傳動機構(gòu)大多采用V帶傳動，動力源為電動機，并且磨粉機與電動機之間隔層安裝。帶傳動機構(gòu)在工作時存在著一定的沖擊振動，影響傳動精度。V帶傳動系統(tǒng)的振動大致有兩類：一是傳動系統(tǒng)沿兩V帶輪中心連線方向的振動，稱為帶傳動的縱向振動；二是帶沿與帶的運動方向垂直方向的振動，稱為帶傳動的橫向振動[35]。這兩類沖擊振動均會對磨輥施加一個額外的沖擊載荷，縱向振動會造成磨輥軋距的不穩(wěn)定；橫向振動會增加磨輥的噪聲，降低帶的壽命，影響傳動系統(tǒng)的可靠性；磨輥受到徑向及軸向的沖擊力，導致磨輥在工作時穩(wěn)定性受到影響，此外同步帶輪也屬于旋轉(zhuǎn)部件，其尺寸和形位誤差同樣會影響到帶傳動運轉(zhuǎn)精度。新型傳動系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用可以大大降低能耗，意大利 Omas公司設(shè)計的新型磨粉機，直接采用永磁扭矩電機驅(qū)動，摒棄了異步電動機傳動和輥間傳動機構(gòu)，大大提高了磨粉機運行穩(wěn)定性。

2.3 裝配精度

磨輥系統(tǒng)的裝配精度是磨粉機產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標，裝配后軋距的保持至關(guān)重要。Fang C. and Campbell G. M.[36]利用高速成像技術(shù)研究了不同磨輥配置方式下小麥的破碎形態(tài)，以及軋距的大小對小麥破損后粒度分布狀況，結(jié)果表明：鋒對鋒的布置方式下，小麥與磨輥之間的滑移更小，磨輥受到的不平衡力也更小。何方，趙衛(wèi)紅等[37]分析了輥式磨粉機磨輥軸線的不共面誤差對軋距的影響，得出在零部件公差要求范圍內(nèi)該誤差不至于明顯影響磨輥的研磨效果。

磨輥系統(tǒng)裝配精度主要取決于幾個關(guān)鍵裝配處的裝配準確度，例如輥軸與軸承的裝配、軸承與軸承座的裝配、軸承座與磨粉機底座的裝配等。

（1）磨輥左端軸承的外圈軸向固定，右端軸承的外圈可軸向游動，軸承內(nèi)圈通過圓錐面配合與磨輥軸連接，兩者之間產(chǎn)生預(yù)緊力，預(yù)緊力的大小直接影響軸與軸承的連接剛度[38]，圓錐面配合的松緊可控制軸承內(nèi)圈的膨脹，從而提供正確的軸承徑向間隙，軸承徑向間隙的控制對軸承的使用壽命和磨輥的回轉(zhuǎn)精度極為關(guān)鍵[39]。在裝配磨輥軸承時，應(yīng)測量軸承間隙，檢查軸承是否安裝到位或安裝過緊，如果裝配后軸承間隙過大，則磨輥在工作過程中易產(chǎn)生振動，且不能保證軋距穩(wěn)定，軸承間隙過小，則軸承易損壞，研磨時磨損增大。

（2）磨輥軸承是通過軸承座與機架相連，軸承座孔的圓度、圓柱度、內(nèi)表面光潔度以及端面倒角都對軸承裝配有很大影響[40]，軸承座孔的圓柱度直接影響軸承外圈受擠壓力的大小，使得軸承和轉(zhuǎn)軸受到額外的剪力及力矩，進而影響整個磨輥系統(tǒng)的振動特性[41]，軸承座孔存在偏斜誤差時，在外載荷作用下，內(nèi)圈相對于外圈產(chǎn)生徑向位移，同時使軸承內(nèi)外圈的軸心產(chǎn)生相對偏轉(zhuǎn)角，造成滾子與滾道之間的接觸變形（圖4）。此外，也會引起兩磨輥之間的平行度和平面度誤差，如圖5所示。

（3）支承機構(gòu)的剛度不僅與機構(gòu)自身強度有關(guān)，還與連接剛度有關(guān)[42]。磨輥系統(tǒng)裝配后，要能夠保證離合軋機構(gòu)先喂料后合軋，先離軋后斷料，還要能夠靈活準確地調(diào)整軋距。影響軸承座動剛度的因素有三個，即連接剛度、共振和結(jié)構(gòu)剛度[43]。所以在裝配時增大磨輥支承機構(gòu)的連接剛度，可以有效降低磨輥振動。

圖4 軸承內(nèi)外圈軸心不重合Fig.4 Axis misalignment of inner and outer rings of bearing

圖5 磨輥配置質(zhì)量對比Fig.5 Roller configuration comparison

3 結(jié)語

磨粉機對小麥的研磨破碎是一個復雜動態(tài)過程，任何來自磨粉機本身和小麥特性的改變都會引起研磨質(zhì)量變化。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對各影響因素進行了分類梳理，明確其失穩(wěn)機理。磨粉機研磨系統(tǒng)穩(wěn)定性受諸多因素影響，盡管國內(nèi)外大量科研工作者從不同角度對其破碎機理做了很多研究工作，揭示了某一因素對研磨效果的影響，但并未形成一個完整系統(tǒng)的理論模型，仍然需要借助先進設(shè)備和技術(shù)進行更深入的研究，明確研磨系統(tǒng)的失穩(wěn)機理。研究人員可綜合考慮影響因素研究失穩(wěn)現(xiàn)象以及各因素之間的相互影響，為磨粉機穩(wěn)定工作和提高研磨效果提供依據(jù)。此外，還應(yīng)加強對抑穩(wěn)技術(shù)的理論研究，可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計、磨損、軸承、溫控、物料物理改性、傳動設(shè)計等多個方面綜合考慮，加大研究力度。