基于耦合仿生的强冲击磨料磨损部件耐磨性研究及应用

发布时间：2019-09-19 09:02

【摘要】：近年来我国的水泥产业发展十分迅速，已成为世界上第一水泥生产大国。高压辊磨机是水泥生产过程中的重要设备，而高压辊磨机的核心部件就是用于挤压和粉磨水泥生料和熟料的磨辊。磨辊在工作过程中承受着巨大的冲击压力和物料的磨损，多种应力联合作用磨辊导致相互叠加产生破坏，严重降低其服役寿命，是亟待解决的重大技术难题。提高磨辊的服役寿命对于降低水泥生产成本、提高生产效率都有着重要的意义。实际生产中常用的提高磨辊寿命的方法是在磨辊表面堆焊一层或者多层耐磨材料，主要从材料或单一因素考虑解决，但是由于这类碾磨件的工作环境极其恶劣，即使部件服役寿命提高成本也大为提高，远不能满足需要。生物在亿万年的进化过程中为适应各种各样恶劣的生存环境，不断进化出了具有某些特殊功能的特性。通过对穿山甲，潮间带贝类等具有优异表面耐磨特性的生物体表观察发现，发现其体表都是非光滑的；而对蜻蜓翅膀，树叶的研究表明其表层不规则的纹路和翅脉叶脉结构具有很好的抗疲劳和止裂作用。进一步的研究表明，生物的优良功能是多因素耦合作用的结果。本文以水泥生产用的主要工作部件磨辊为研究对象，学习生物对生存环境高度适应的生物耦合多功能表面系统，模仿生物材料、形态、结构的耦合原理进行磨辊的仿生耦合设计，发明了软质基体包嵌硬质单元体和硬质耐磨层镶嵌软质强韧仿生骨架两种软硬相间的仿生耦合结构磨辊(分别获得了发明专利的授权)。同步解决了现行磨辊耐磨性与抗冲击能力相对立，无法同时满足耐磨性和冲击韧性的需求，要靠牺牲一方保证另一方，来解决多种应力联合作用产生叠加破坏这一技术难题。系统研究了软质基体包嵌硬质单元体耦合结构的形状、材料耦元因素及单元体大小、间距、凸起高度及材料成分等特征量，磨料、冲击能量的大小等磨损因素，对软质基体焊熔硬质单元体仿生耦合试样冲击磨损性能影响规律。单元体面积一定时，，圆柱型单元体能很好地包嵌圆柱型单元体其耐磨性最优；单元体直径变化对焊熔单元体组织基本没有影响，其间距变大软相区增大，在其上作的内接圆直径大于磨料公称直径时，磨料会直接作用在软质基体上降低耐磨性，单元间距径为1mm时，试样的耐磨性最优；单元体在试样表面的凸起高度为0.6mm时，耐磨性最好；单元体材料为高铬铸铁时，在冲击力较小时过共晶高铬铸铁具有优良的耐磨性，冲击应力较大时亚高铬铸铁具有优良耐磨性。高铬铸铁中加入Nb或在合金中加入WC和TiC陶瓷，可以细化高铬铸铁组织或生成新的碳化物，增加单元体硬度可增强耐磨性。系统研究了硬质耐磨层镶嵌软质强韧仿生骨架耦合结构的结构、材料耦元及骨架网格直径、网格面积、凸起高度及材料成分等特征量，对硬质耐磨层镶嵌软质强韧仿生骨架的仿生耦合试样冲击磨损影响规律。菱形网格能很好避免骨架的磨损，很好的固定耐磨层其耐磨性最优；骨架网格直径影响软质相在耐磨层中占的比例，软质相比例为25%左右耐磨性最佳；耐磨层凸起高度为0.6mm时，耐磨性最好；高铬铸铁中加入Nb或在合金中加入WC和TiC陶瓷，可以细化高铬铸铁组织或生成新的碳化物，增加耐磨层硬度可增强耐磨性。研究结果表明，两种软硬相间的仿生耦合结构都能获得较佳的耐磨性能，其耐磨的机理是，仿生耦合结构把原来通过单一因素或材料起作用改善耐磨性，变为材料、物理结构、形状多因素共同起作用，软质相阻断了耐磨层冲击时产生的裂纹，防止扩展成贯穿裂纹割裂耐磨层产生剥落；非光滑表面增加了磨料与耐磨层的接触点，降低了接触应力减弱了冲击破坏；软质相包裹硬质相软硬相间结构，使其在受到冲击时，软质相接受应力产生部分变形消耗部分应力，也减弱了冲击破坏。裂纹阻断效应、应力分散效应和应力吸收效应综合，使得仿生试样耐磨性大大提高。模拟磨损试验验证了两种软硬相间的仿生耦合结构的抗磨性能，其规律与冲击磨损相同，在此基础上优化了仿生耦合结构参数，并以此为基础在亚泰集团通化水泥股份有限公司，进行了一系列的现场运行试验。经过运行监测，研发的仿生耦合水泥磨辊比原厂家的磨辊耐磨性提高了一倍以上，使用寿命从原来的5300-7600小时提高到了12000-14000小时，直接经济效益约2300万元，间接经济效益6000多万元。
【图文】：

碾辊,辊压机,表面磨损,情况

图 1.1 辊压机碾辊表面磨损情况Fig. 1.1 Wear on the press grinding roller surface生物体为了适应环境和满足生存需要，在大自然优胜劣汰的法则下进化出各种各样丰富的形态和复杂的结构，其各种因素如形态、结构与材料等通过优化耦合成为对生存环境具有最大适应性和协调性的系统。人类可以学习和模仿生物界，找出解决目前人类科技发展面临的诸多问题的答案和方法。从工程仿生学的实用角度出发，经过对具有优良耐磨性能的生物体表分析表明，其获得优异耐磨性能是多因素共同作用的结果，主要起作用的是形态、结构、材料等因素，他们通过相互作用组合起来，形成不同形式生物耦合获得易于生存的耐磨功能。本论文根据生物耦合这一理论，在水泥耐磨部件表面模仿生物耦合结构，采用堆焊技术焊熔耐磨性能优良的材料，与原表面形成软硬相间、强韧相济的耐磨表层，制备抗冲击、耐磨性能优良的仿生部件。开辟制造抗冲击、耐磨性优良，材料和制造成本低廉的新型仿生耦合水泥耐磨部件的新途径。

辊压机,工作原理,磨辊

，两者工作原理相近，辊压机主要工作部件是由一对相向同步转动其中一个为固定辊，一个为活动辊。物料进入两个反向旋转的磨辊压力作用下被粉碎，见图 1.2。磨辊间是三体磨料磨损，即固定辊个辊子间物料相互作用的高应力磨料磨损，物料在高应力作用下，性、塑性变形，在亚表层不同深度会形成循环应力(包括压应力和应力超过材料的疲劳强度时，在表层形成裂纹，裂纹扩展、搭接、磨损，磨辊的失效形式包括:正常磨损、过度磨损、不均匀磨损、体本体破坏等。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ172.632.5;TH117.1

【参考文献】