磨粉機齒輥磨損與研磨效果相關規(guī)律試驗研究*

侯寧沛，武文斌，高楊楊，李蒙蒙，劉培康，呂少杰，張文龍

（河南工業(yè)大學糧油機械研究所，鄭州 450001）

磨粉機齒輥在研磨物料過程中伴隨著輥面磨損，使輥齒表面幾何特性產(chǎn)生變化，齒輥磨損嚴重需進行重新拉絲或換輥，換輥或拉絲過早會影響磨輥壽命，設備不必要停機和磨輥拉絲也會帶來成本投入。換輥或拉絲過晚，不僅加快磨輥磨損影響其壽命，也影響物料產(chǎn)量、面粉品質并增加能耗等[1-2]，故對磨粉機齒輥表面形貌磨損與研磨效果相關規(guī)律進行研究是很有必要的。

近年來國內(nèi)外學者對磨粉機磨輥表面形貌的磨損進行研究，田建珍等[3]對MDDL和MDDK型磨粉機的光輥表面粗糙度進行研究,得到噴砂輥磨損后粗糙度Ra值與Rz值的相互關系，磨輥磨損后使輥徑減小，且磨輥磨損率會增加。Keping Zhang等[4]用試驗磨粉機研究粒度、轉速和軋距與磨輥磨損的影響關系，得到粒度是影響磨損性能的最主要因素，軋距次之，轉速再次之。Takamasa MESAKI等[5]從磨輥徑向 0、5、10 mm 切出 10×10×20 mm 的三種試樣，硬度分別為HRC53、50、47進行磨損試驗。結果顯示硬度與磨損量負相關，硬度為53的試樣磨損率最低，但慢輥的磨損量約為快輥的2/5，硬度53與47樣件磨損量相差約1.5倍。Takamasa MESAKI等[6]通過對Satake的SRMI00A磨粉機1B齒輥齒形進行研究，得到快輥在工作1、2、3個月的齒形及慢輥使用3個月后的齒形磨損變化，快輥使用3個月后磨損深度為0.25mm，傾斜磨損至鋒面，主要為鈍面受力。慢輥磨損深度較小，鋒面、鈍面都有磨損，故鋒面、鈍面都承受作用力。

由于齒輥表面幾何特性不易測量，且小麥與輥齒屬于軟顆粒磨損，磨損周期等原因帶來諸多問題，目前國內(nèi)學者的研究重點是噴砂輥，且磨損試驗多數(shù)是用試樣代替[7-8]。為了研究磨粉機齒輥表面形貌磨損規(guī)律，本次試驗在面粉廠針對FMFQ磨粉機高速側齒輥磨損過程進行試驗研究。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

本次試驗地點在鄭州天地人面粉實業(yè)有限公司完成，試驗小麥為鶴壁附近混合小麥，其中滑縣一種新小麥占基礎配比60%，不完善粒為6%～8%，入磨前水分為16.0%；試驗對象為FMFQ 10×2氣壓磨粉機的2B齒輥，處理量為1.46 t/h，齒輥參數(shù)見表1：

表1 磨輥齒形工作參數(shù)

1.2 試驗測量裝置

（1）磨粉機工作電流測量：使用寶工MT-3110鉗型電流表測量電流，量程為0.01～60 A，解析度：0.01 A；準確度：2.5%+8 d；將被測線路的單根導線夾在鉗口內(nèi)，測量穩(wěn)定時，將穩(wěn)定示數(shù)保持固定，每次測量3次示數(shù)，并進行記錄。

（2）磨粉機單側磨輥剝刮率測量：在磨上物和磨下物分別隨機稱取若干混勻物料，稱量后，使用PPS-308佩克昂電動驗粉篩篩理300 s，篩網(wǎng)選用CB30，驗粉篩停止后，用精度為0.1 g的電子秤稱量篩上物和篩下物的重量，重復試驗3次取平均值，并進行記錄。

（3）磨下物溫度測量：在磨粉機1 000 mm快輥輥面磨下物等距取3個測量位置，使用量杯取磨下物，立即用熱電偶接觸式測溫儀進行測量，測量結果取平均值，并進行記錄。其中測溫儀測量范圍0～100℃，分辨率為0.1℃。

（4）輪廓側量：使用科斯邁熱熔膠槍在2B磨粉機1 000 mm快輥輥面上距端面100 mm測量位置拓出齒型輪廓模型，利用基恩士VR-3000輪廓測量儀測出所拓齒型輪廓，并進行記錄，該測量儀的高度測量精度 1 μm，寬度測量精度 0.5 μm。

1.3 試驗方法

小麥與輥齒屬于軟顆粒磨損，磨損周期較長，本次試驗的磨粉機產(chǎn)量為1.46 t/h且連續(xù)工況下運行，齒輥試驗時間是從開始使用至需拉絲為止共80 d，測量位置選取在距離齒輥右端面100 mm位置(圖1a)，每次測試使用膠槍在該位置拓出齒型輪廓模型(圖1c)，利用基恩士VR-3000輪廓測量儀測出所拓齒型輪廓(圖1d)，每次選取3個完整輥齒，取平均值作為測量結果，近似視為磨輥在該時間點的輥齒磨損量，并進行記錄。其中，基恩士VR-3000輪廓測量儀的高度測量精度1 μm，寬度測量精度0.5 μm，能夠滿足試驗要求。每隔10 d測量一次數(shù)據(jù)，利用測量的離散數(shù)據(jù)點擬合磨輥使用過程的表面形貌變化規(guī)律。實驗過程中，每次測試時間約20 min，該時間段與10 d間隔時間相差較大，且20 min內(nèi)測量參數(shù)變化可忽略不計，故將該時間段測量的齒形輪廓、電流、剝刮率、取粉率、磨下物溫度和輥面溫度視為同一時間節(jié)點的測量數(shù)據(jù)。

圖1 齒形輪廓測量圖

2 試驗結果與討論

2.1 齒輥磨損

磨粉機在80 d連續(xù)工作中，分別在第0、10、20、30、40、50、60、70、80 天進行數(shù)據(jù)采集，單個輥齒磨損過程中表面二維輪廓變化見圖2，圖2(a)是齒輥原始齒形；圖2(b-c)顯示鈍面在第10天已有磨損，鋒面在第10天仍未磨損，在第20天有較小程度磨損；圖2(d-g)可知齒深在第30天開始逐漸減少。圖2（h）表明齒形在第70天輪廓已鈍化（無棱角）；圖2（i）顯示齒形在第80天，鈍面磨損深度為0.32㎜，鋒面為0.21 mm，約1/3齒深未被明顯磨損，且鈍面磨耗大于鋒面磨耗，齒形呈圓弧形；由圖2（a-i）可知：由于齒輥D/D的排列方式，出現(xiàn)單側磨損加劇現(xiàn)象，輥齒鈍面磨損比鋒面磨損嚴重，且鈍面磨損較早，輥齒在工作第60天已經(jīng)鈍化。隨后磨損加劇。

圖2 單個輥齒磨損過程中表面二維輪廓變化：時間 T= （a）0 d，（b）10 d，（c）20 d，（d）30 d，（e）40 d，（f）50 d，（g）60 d，（h）70 d，（i）80 d

將單個輥齒磨損過程中表面二維輪廓進行數(shù)據(jù)提取，分別取齒頂寬L、磨耗S和不完整度C。磨耗是指輥齒磨損消耗量，不完整度是指磨耗量占完整齒型百分比，單個輥齒磨損參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 單個輥齒磨損參數(shù)變化數(shù)據(jù)表

齒頂寬L隨磨損時間T變化曲線如圖3(a),齒頂寬逐漸減小，由曲線斜率變化可知，齒頂寬減小速度在逐漸增加；磨耗S隨磨損時間T變化曲線如圖3（b），磨耗速度加大；不完整度C隨磨損時間T變化曲線如圖3(c)，不完整度的增加速度在逐漸加大；不完整度C與齒頂寬L呈負相關，有明顯的函數(shù)關系，如圖 3(d)。

分別對不完整度C與齒頂寬L、不完整度C和磨損時間T采用三次多項式進行曲線擬合，其中CT擬合曲線如圖3(c)所示，將數(shù)據(jù)點通過Origin進行曲線擬合，相關系數(shù)為：0.99902.擬合曲線方程為：

C-L擬合曲線如圖3(d)所示，相關系數(shù)為：0.99908.擬合曲線方程為：

圖3 輥齒磨損參數(shù)變化圖

在本次磨粉機工況下，通過對齒輥磨損后齒頂寬、不完整度及磨損時間的定量關系研究，得到齒頂寬與齒輥磨損狀態(tài)的關系，可以通過測量齒頂寬L，利用曲線擬合方程判斷齒輥磨損狀態(tài)。

2.2 齒輥磨損對電耗的影響

在磨粉機滿負載狀態(tài)時噸料電耗由電壓和電流決定，中國的工業(yè)電壓為380 V，頻率為50 Hz，故磨粉機電耗可以由電流表征。齒輥在80 d工作過程中電流變化如圖4所示，電流在工作過程中整體呈現(xiàn)三次變化，分別為平穩(wěn)區(qū)，增長區(qū)，激增區(qū)。電流從起初至使用20 d左右電流變化為0.36 A，電流增加較小。齒輥使用20～50 d，電流先提高后逐漸平穩(wěn)，電流變化為0.85 A。當使用50 d后，電流急劇增大。工作80 d后，電流提高至11.4 A，與初始值相差3.0A，影響較大。

圖4 齒輥磨損過程電流變化曲線

磨粉機在研磨物料工況下，電流出現(xiàn)增加現(xiàn)象，這與齒輥的齒型參數(shù)出現(xiàn)磨損有關。輥齒磨損過程，鋒角和鈍角出現(xiàn)不規(guī)則變化，齒深和齒頂寬減少，而磨耗可綜合各參數(shù)關系。通過對齒輥磨損過程中電流變化與單齒磨耗進行研究，電流與齒輥單齒磨耗量變化曲線如圖5所示，單齒齒形磨損對電流影響較大，電流隨著磨耗增加而增加，50 d內(nèi)的數(shù)據(jù)點較為集中，磨耗較小。隨后，齒形磨耗增加對電流影響程度先減小、再增加，通過三次多項式對數(shù)據(jù)點進行擬合，相關系數(shù)為0.96795，曲線擬合方程為：

圖5 電流與齒輥單齒磨耗變化曲線

2.3 齒輥磨損對剝刮率的影響

在齒輥使用過程中測量剝刮率，得到剝刮率與齒輥磨損時間的變化曲線如圖6所示，隨著時間推移，在一個月內(nèi)剝刮率變化不大，約為8.45%，在第二個月，剝刮率減少1.725%，第三個月剝刮率減少2.812%，前后相差4.77%，剝刮率與單齒磨耗關系如圖7所示，齒輥最初使用時，磨耗較小，剝刮率也變化較小，出現(xiàn)數(shù)據(jù)點集中現(xiàn)象，隨后隨著磨耗增加，剝刮率下降，剝刮率與磨耗的增加呈現(xiàn)線性負相關的關系。

圖6 齒輥磨損過程的剝刮率變化曲線

圖7 剝刮率與齒輥單齒磨耗變化曲線

2.4 齒輥磨損對物料溫度的影響

隨著齒輥的磨損，物料所受剪切作用力減少，擠壓作用增強，物料粉碎程度增加，由于物料破碎過程釋放能量，致使物料溫度增加，在齒輥使用過程中測量磨下物溫度及環(huán)境溫度數(shù)據(jù)如表3所示，由試驗數(shù)據(jù)可知物料溫度變化范圍在32.5～36.3℃，并未到影響面粉蛋白的溫度（50℃）。由于實驗時間較長，考慮到室溫對物料溫度的影響，做出物料溫度差隨齒輥磨損天數(shù)的變化曲線如圖8所示，物料溫差在前20 d約為1.3℃，在30～40 d約為2℃，工作50d后，受齒形鈍化程度的加劇，物料溫度增加較快。故輥齒完整度影響研磨物料溫度。

表3 磨下物溫度及環(huán)境溫度測量數(shù)據(jù)

圖8 物料溫度差變化曲線

2.5 齒輥磨損與關鍵參數(shù)綜合分析

齒輥磨損過程中幾何特性產(chǎn)生變化，使齒輥與物料間作用力產(chǎn)生變化，導致電耗增加，剝刮率減少，物料溫度升高。通過對齒輥單個使用周期的試驗測試，得到電流、剝刮率和物料溫度差與齒輥不完整度數(shù)據(jù)點，各離散點通過數(shù)據(jù)擬合，得到電流、剝刮率和物料溫度差與齒輥不完整的關系圖(圖9)，圖中交點的齒輥不完整度是9.854%。本次測試齒輥不完整度是9.854%時，各項綜合指標達到極點，即面粉廠最優(yōu)化使用這臺磨粉機在該工況下能夠接受的剝刮率最小值、電耗最大值和物料溫度差的最大值的條件。當不完整度高于9.854%時，磨損率、電耗和物料溫度增大及剝刮率下降導致生產(chǎn)成本大于收益，故磨輥使用過程中應嚴格關注該臨界值。

圖9 電流、剝刮率和物料溫度差隨齒輥不完整度變化關系曲線

3 結論

通過對FMFQ 10×2型磨粉機2B齒輥連續(xù)磨損過程的表面形貌進行測量，得到如下結論：

（1）從齒輥磨損表面形貌可知，由于齒輥D/D排列方式，輥齒磨損第10天鈍面已有磨損，而鋒面未磨損，在第20天鋒面有較小程度磨損，齒深在第30天開始逐漸減少，在第70天齒形輪廓已明顯鈍化（無棱角），磨損80d后，鈍面磨損深度為0.32mm，鋒面為0.21 mm，約1/3齒深未被明顯磨損。

（2）通過對單個輥齒磨損過程中表面二維輪廓的齒頂寬L、不完整度C和磨損時間T的關系研究，采用三次多項式擬合數(shù)據(jù)點，得到C-L曲線擬合方程為：C=1 890.6672l3-256.9896l2-20.6938l+11.4402，C-T的曲線擬合方程為：C=6.7264×10-6t3+0.0010t2-6.9389×10-4t-0.0157。

（3）齒輥磨損過程剝刮率下降4.77%，電流增加3.0 A，磨下物溫度差升高4.2℃，且存在明顯函數(shù)關系。通過對影響參數(shù)進行曲線擬合與不完整度的關系研究，得到本次測試齒輥不完整度是9.854%時，各項綜合指標達到極點，即面粉廠最優(yōu)化使用這臺磨粉機在該工況下能夠接受的剝刮率最小值、電耗最大值和物料溫度差的最大值的條件。