飼料
制粒機(jī)中的壓輥是較易損耗、需要經(jīng)常更換的零部件。其主要原因是壓輥在使用一段時(shí)間后，由于受到飼料和環(huán)模內(nèi)表面的強(qiáng)烈摩擦和擠壓，使得其外表面受到嚴(yán)重的磨損，從而無法正常工作；因此對(duì)壓輥的磨損情況進(jìn)行深入研究就顯得非常重要。筆者認(rèn)為此項(xiàng)研究可從兩方面著手，首先是定量計(jì)算出壓輥的磨損程度。如果理論計(jì)算的結(jié)果與壓輥磨損量的實(shí)測(cè)值相符，那么這種計(jì)算方法就可以用來預(yù)測(cè)實(shí)際壓輥的使用壽命；其次是從壓輥磨損度的理論計(jì)算公式中可以查明影響其大小的各個(gè)因素，特別是壓輥的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)其磨損度的影響規(guī)律，從而為改進(jìn)壓輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的思路。當(dāng)然，對(duì)于壓輥的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，降低磨損度只是諸多因素中的一個(gè)；實(shí)際上同時(shí)還應(yīng)滿足壓輥外表面的接觸疲勞強(qiáng)度和壓輥的運(yùn)行工況等方面的要求。
1、壓輥的磨損機(jī)理和線磨損度的計(jì)算
按材料的磨損機(jī)理米分，一般磨損可分為粘附磨損、表面疲勞磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和微動(dòng)磨損等形式。因?yàn)樵陲暳现屏C(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，壓輥在環(huán)模內(nèi)滾動(dòng)，其外表面承受脈動(dòng)的接觸壓應(yīng)力，同時(shí)又受到飼料顆粒強(qiáng)烈的摩擦和擠壓。因此壓輥的磨損機(jī)理應(yīng)是疲勞磨損和磨粒磨損兩種形式的綜合，壓輥磨損速度的快慢主要受壓輥的材料、表面狀況、摩擦性質(zhì)、接觸疲勞強(qiáng)度、法向載荷的大小以及飼料的性質(zhì)等因素的影響。
本文以國內(nèi)某生產(chǎn)廠家制造的某型雙輥式飼料顆粒機(jī)為例來計(jì)算壓輥的磨損度，所需要的計(jì)算參數(shù)為：
電機(jī)的功率(P)，90 kW；環(huán)模的內(nèi)徑(D1)，400 mm；環(huán)模的轉(zhuǎn)速（n1），287 r/min；壓輥的外徑(D2)，160 mm；壓輥的長(zhǎng)度(f)，120 mm；壓輥的直齒寬度(b)，2.5 mm。
首先對(duì)壓輥進(jìn)行如圖l所示的受力分析，壓輥直齒受到切向摩擦力Fs和法向正壓力FN的作用。假設(shè)此機(jī)器的機(jī)械效率為80%，則根據(jù)理論力學(xué)的知識(shí)可計(jì)算出Fs=5989N。FN與Fs之間的關(guān)系是n≥Fs÷fs其中，是壓輥與飼料和環(huán)模之間的摩擦系數(shù)，取值范圍為0.1～0.37。本文在這里取偏小值0.1，這樣可計(jì)算出FN= 598 90 N。實(shí)際上，這只是個(gè)近似估算值，法向正壓力的精確值很難通過理論計(jì)算得到。
本文采用線磨損度的理論公式來定量計(jì)算壓輥磨損速率的大小。線磨損度(K1)的定義是磨損表面法向尺寸的變化與滑移距離之比。K的理論計(jì)算公式：式中，K2為表面輪廓峰幾何形狀和高度決定的因數(shù)，0. 023 9；Km為應(yīng)用疲勞損傷積累假說并考慮了接觸點(diǎn)載荷不穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系而設(shè)的修正因子，為覆蓋因子，0. 343；p為單位表觀接觸面積上的法向載荷，199.6 MPa；E為材料的彈性模量，210 GPa;△為表面粗糙度的綜合參數(shù)，0. 789；為接觸狀態(tài)因子3；為摩擦因數(shù)的粘附分量，0.112；口為中間參數(shù)，3.143；r為中間參數(shù)，1. 612。
覆蓋因子的含義是真實(shí)接觸面積與表觀接觸面積之比，在本文里它等于壓輥與環(huán)模的實(shí)際接觸寬度b′與壓輥的齒寬6的比值。實(shí)際接觸寬度的彈性力學(xué)公式：
對(duì)于滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體，Kt=(0.7～2)×10-10。而考慮到壓輥在環(huán)模中的運(yùn)行情況與滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體有較為相似的地方，因此本文所得的壓輥線磨損度的計(jì)算結(jié)果應(yīng)該具有一定的準(zhǔn)確性。
2、造成壓輥線磨損度計(jì)算誤差的主要原因
本文認(rèn)為影響壓輥線磨損度計(jì)算準(zhǔn)確性比較大的原因主要有3個(gè)。第一個(gè)是在計(jì)算單位表觀接觸面積上的法向載荷p時(shí)要用到作用在直齒上的法向正壓力FN；前面說過F~的準(zhǔn)確值很難通過計(jì)算得到，而且壓輥在使用過程中其與環(huán)模的問隙是隨著磨損的發(fā)展而改變的，因此正壓力FN的大小實(shí)際上也是隨著時(shí)間而改變的。另外，在K1的計(jì)算公式中，p的次方數(shù)1+y=2. 612．也就是說，F(xiàn)N的誤差將按2. 612次方放大，這給壓輥線磨損度的計(jì)算帶來更大的誤差。第二個(gè)是計(jì)算公式中的表面粗糙度的綜合參數(shù)△。在經(jīng)過精加工和熱處理后，壓輥外表面和環(huán)模內(nèi)表面的粗糙度狀態(tài)參數(shù)很難準(zhǔn)確測(cè)定；而在線磨損度的計(jì)算公式中出現(xiàn)，∥，這意味著表面粗糙度所帶來的誤差將按3. 143次方被放大。第三個(gè)是飼料顆粒的性質(zhì)；實(shí)際上本文在計(jì)算線磨損度時(shí)，只是考慮壓輥在環(huán)模里滾動(dòng)的情況，即只考慮了表面疲勞磨損，而并未考慮飼料對(duì)磨損的影響。由于飼料顆粒的出現(xiàn)，壓輥的磨損機(jī)理還應(yīng)包含磨粒磨損，此時(shí)壓輥的磨損度還與飼料顆粒的大小、硬度及濕度等因素都有關(guān)系。另外，如果所擠壓的飼料有較強(qiáng)烈的酸堿性，那么壓輥的磨損機(jī)理還應(yīng)包括腐蝕磨損。由干涉及的影響因素較多，機(jī)理較復(fù)雜，因此飼料的性質(zhì)對(duì)壓輥磨損的影響從定量上講究竟有多大目前還不得而知。這將在一定程度上影響了壓輥線磨損度理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
3、壓輥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)線磨損度的影響
本文在此將壓輥的外徑D2和齒寬b作為未知量，而將所有其它參數(shù)值作為已知量代入前述K的理論計(jì)算公式中，這樣就得到r如下壓輥線磨損度與其外徑和齒寬的函數(shù)關(guān)系式：
圖2給出了在不同的齒寬6下，壓輥的線磨損度K1隨外徑D2的變化規(guī)律。可以看出，減小壓輥的外徑D2和增大齒寬6將減慢壓輥的磨損速率，從而延長(zhǎng)其使用壽命。另外，從圖2還可以看出，如果壓輥的齒寬較小，那么采用較小的外徑，對(duì)減輕壓輥的磨損程度更有效；反之，如果壓輥的齒寬較大，那么采用較小的壓輥外徑，對(duì)減輕磨損的效果就不大。由于齒寬的大小還同時(shí)直接影響著壓輥表面壓強(qiáng)的高低和飼料擠出模孔的難易程度，因此這一結(jié)論對(duì)壓輥的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。
4、其它因素
雖然采用較小的壓輥外徑可減緩壓輥的磨損，但如果外徑太小，會(huì)使壓輥在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)攫取飼料進(jìn)入擠壓區(qū)的能力變差。另外，也可能會(huì)使壓輥與環(huán)模之間的表面接觸應(yīng)力過大，從而不滿足表面接觸疲勞強(qiáng)度條件的要求。該強(qiáng)度條件為：式中，為最大表面接觸應(yīng)力；為材料許用的接觸疲勞極限，在本文中取值為400 MPa。
由此可計(jì)算出壓輥的外徑Dz≥146 mm。由于這是雙輥式飼料制粒機(jī)，故有D2<D1÷2，所以壓輥外徑的取值范圍為146 mm< D2< 200 mm。如前所述，對(duì)于本文用作線磨損度箅例的壓輥，生產(chǎn)廠家將其外徑設(shè)計(jì)為160 mm。這既同時(shí)滿足了接觸疲勞強(qiáng)度條件和雙輥式結(jié)構(gòu)的要求，又使得其線磨損度較小。
對(duì)于壓輥的齒寬，也不能單純?yōu)闇p小線磨損度而一味地采用較大值。因?yàn)樘蟮凝X寬會(huì)使壓輥的表面壓強(qiáng)變得較小，使飼料很難擠出模孔，從而導(dǎo)致飼料產(chǎn)量下降。一般來講，壓輥的表面壓力不應(yīng)小于130 MPa。故有如下關(guān)系式：
由此計(jì)算出齒寬b≤3.8 mm。在前述的算例中，生產(chǎn)廠家并沒有將壓輥的齒寬定為3.8 mm，而是定為2.5mm。其設(shè)計(jì)思路可能是希望通過采用較小的齒寬以提高壓輥的表面壓強(qiáng)，從而提高飼料的生產(chǎn)率（每小時(shí)的噸位數(shù)）。至于由此帶來的對(duì)壓輥磨損度的不利影響則可通過其它的方法來減緩，比如，改進(jìn)加工工藝以改善壓輥的表面質(zhì)量，或采用先進(jìn)的材料和熱處理工藝以提高表面硬度和淬硬層深度。至于多大的齒寬最合適，本文認(rèn)為可以采用最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，建立兩個(gè)最優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。一個(gè)足壓輥的線磨損度與齒寬間的函數(shù)關(guān)系式，本文已完成了這方面的基本工作；另一個(gè)是飼料每小時(shí)的噸位數(shù)與壓輥表面壓強(qiáng)之間的關(guān)系式。采用這樣的優(yōu)化模型，應(yīng)能汁算出最優(yōu)的壓輥齒寬。當(dāng)然該優(yōu)化模型的有效性最終還需要由試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證，這些都是本文未來進(jìn)一步研究工作的方向和內(nèi)容。
5、結(jié)論
本文對(duì)壓輥的磨損機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，認(rèn)為壓輥同時(shí)具有疲勞磨損和磨粒磨損的機(jī)理。通過對(duì)壓輥線磨損度的理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了壓輥的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)（齒寬和外徑）與其磨損速率之問的物理關(guān)系，并分析了造成壓輥線磨損度計(jì)算誤差的三大主要原因。最后通過綜合考慮壓輥磨損的理論研究結(jié)果及其表面接觸疲勞強(qiáng)度條件和運(yùn)行工況要求，為壓輥結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法，并指明了在這一領(lǐng)域未來進(jìn)一步研究工作的方向。
