关键词：生物质，制粒机，材料磨损，钢，环模
0、引言
环模制粒技术广泛应用于饲料工业、可再生生物质能源产业和制药产业等领域，具有成型率高、产品便于运输和存储等多方面优点。作为环模制粒机的核心部件，环模的工作性能和寿命直接影响着产品颗粒质量和生产成本。目前国内生产的环模存在磨损过快甚至开裂等问题，不仅降低了产品成型率．增加了生产成本，也严重制约了环模制粒技术在各个领域的发展应用。国内外学者对环模制粒机理、颗粒质量、挤出力与能耗模型等问题已开展了大量的研究工作，而关于模辊的磨损机理研究相对较少。本文对实际工况下环模与物料之间的相互作用进行分析，并针对环模磨损状况进行试验研究。通过对环模内壁和模孔内壁进行磨损量和硬度测量，利用扫描电镜对微观磨损形貌进行观察研究，从宏观和微观角度分析各磨损面的磨损机理，以期为提高环模的耐磨性和可靠性、延长环模的使用寿命提供理论依据。
1、环模受力分析
环模制粒机的工作过程如下：电机驱动环模以一定的速度顺时针旋转，物料经过调质后由导料机构送入模辊间的工作区，在离心力和摩擦力作用下物料紧贴环模内壁，压辊借助物料与压辊之间的摩擦力随着环模和物料一起旋转。随着环模和压辊的旋转，物料被攫入并不断压紧、挤压，当挤压力增大到足够克服物料与模孔内壁的摩擦力时，物料以一定的密度被压入模孔。随着模辊的不断旋转，物料从模孔中挤出，经切刀切断形成所需颗粒状物料。物料在模辊间楔形区的受力状态如图1所示。
物料在制粒机中依次经过供料区、变形压紧区和挤压，由压紧区到挤压区随着模辊空间的减小，粉体间隙逐渐减小，粉体密度和环模内壁上的挤压压强将逐渐增大并在挤压区达到最大值，而挤压区内环模内表面的挤压压强可由模孔入口处压强求得，物料在模孔内的挤压压强计算示意图如图2所示。
假设变形压紧区内挤压压强呈线性变化，以广泛应用的两辊结构制粒机为例，则环模内壁挤压压强变化规律如图4所示，可见环模内壁受周期性交变载荷作用，周期为环模旋转周期的一半，最大载荷为PL。周期性交变载荷将可能导致环模内壁表面材料产生疲劳失效而剥落。
2、环模磨损试验与机理分析
2.1环模磨损试验
环模材料为X46Cr13钢，热处理工艺为1 050℃淬火和200℃回2次。主要结构参数如图5所示环模内壁直径550mm、外壁直径630 mm、环模总宽度300mm、环模开孔面积为3.46x105mm2（环模内径550mm、有效宽度200mm）、开孔率33%，模孔直径3mm、长径比为11。环模安装在MUZL610T两辊式环模制粒机上进行饲料生产试验，制粒机电机功率为150 kW，压辊直径为265mm，压辊宽度为206mm，环模转速为265r/min，生产能力为17t/h。原料主要成分（质量百分比）为玉米52%、小麦15%、大豆粕9.63%、棉籽粕5%、玉米蛋白粉4%、花生粕4%、菜籽粕3%、猪油2.67%、石粉1.55%、水解羽毛粉0.5%、酱油渣0.5%、磷酸氢钙0.66%，容重为615 kg/m3，原料粒度分布（质量百分比）分别为0.3mm (27.6%)、0.42 mm(16.1%)、0.9 mm (44.0%)、1.2 mm%(2.0%)、2.0 mm(9.5%)和2.5 mm(0.8%)。饲料成品颗粒直径为3 mm，密度为1 430 kg/m3，质量含水率为11%，成型率为99.2%。此类环模的设计寿命通常在1000 h以上，但从行业现状可知实际使用寿命与设计寿命间有较大的差距，一般使用寿命在500:-650 h之间。根据行业惯例，若环模在正常生产状态下产量下降20%以上，即可认定环模己基本失效。本试验所用环模在正常工作600 h后产量下降20%，此时将环模卸下进行磨损机理分析。
2.2环模磨损宏观分析
为从宏观上对环模的磨损分布规律进行分析，利用电火花线切割机在磨损后的环模上沿模孔轴线方向切下2块大小为30 mmx120 mm的试样进行表观形貌观察及磨损量与硬度测试。
2.2.1表观形貌分析
磨损分析试样的表观形貌如图6所示，通过初步观察发现试样表观形貌具有如下特征：环模内壁上有不规则分布的凹坑；模孔入口明显扩大使得入口处的孔壁变薄；部分模孔入口有明显的变形。
分析表明，挤压过程中存在硬质磨粒杂质（主要为砂石类杂质和铁杂质），其主要来源于原料的生产和晾晒过程。虽然杂质含量一般较少（杂质含量具有一定的随机性和偶然性），但其危害却不容忽视。挤压过程中硬质杂质将与环模和压辊形成三体磨粒磨损，使环模内壁发生不同程度的局部塑性变形。当硬质颗粒的直径略大于模辊间隙时，将在挤压时被压入材料表面或被碾碎形成不规则颗粒，在环模内壁留下较为明显的凹坑；当凹坑形成位置在模孔入口附近时，由于模孔边缘处的材料基体强度较弱，将使得模孔入口处材料产生严重的塑性变形甚至崩落，造成较为严重的材料流失和模孔入口变形。同时，观察发现试样各磨损面均具有一定的光泽度。这是由于大量细微的物料颗粒在强烈的法向力和切向摩擦力作用下对环模表面产生研磨和机械抛光作用并形成具有光洁度的表面。因此，可以推测抛光磨损是环模的磨损机制之一。
2.2.2环模内壁磨损量测量与分析
为获得环模磨损分布规律，利用千分尺在环模有效开孔面上沿轴向方向每隔5 mm对图5所示的环模壁厚进行3次测量并取平均值，得环模轴向磨损分布如图7所示。
由图7可知环模内壁的磨损量在3 mm左右，图中右侧即靠近喂料口一侧磨损较为严重，磨损量达到3.4 mm，这主要是由于物料从喂料口一侧进入制粒室内后还没来得及经由刮料板分配均匀就已经进入模辊之间的工作区，致使进料口一侧的物料相对较厚，增加了该区域工作强度，加剧了模辊的磨损程度。磨损过度将导致环模强度不足，造成环模疲劳破坏而过早失效，因此对物料分布情况进行改善有利于延长环模使用寿命。
2.2.3模孔内壁磨损量测量与分析
由于模孔直径仅为3 mm左右，直接测量比较困难，本文采用圆弧数据拟合的方法进行直径测量。利用KEYENCE LK-G10激光位移传感器配合直线电机进给装置沿模孔直径方向对4个连续的半圆柱型模孔进行横截面轮廓测量。测量位置与模孔出口端面的距离分别为9、13、17、21、25、29、33和36 mm。利用Matlab对4个圆弧的轮廓数据进行圆弧拟合并求出圆弧拟合半径，模孔直径测量示意图和变化图分别如图8和图9所示。
由图9可知，模孔内壁磨损量较小，从模孔入口到出口磨损量逐渐降低。假设模孔内壁初始硬度一致，由于物料在通过模孔过程中磨料特性基本不变，故模孔内壁的磨损与模孔内壁载荷相关。利用Matlab软件对模孔磨损量平均值按式进行指数函数拟合。
式中，y为模孔半径，mm;x为与模孔出料口的距离，mm；所求得的最小二乘拟合系数分别为a=0.0035，b=0.1485，c=0.0094，相关系数r=0.9950，残差项的平方和R2=5.4165 Xl0-4，可见模孔内壁的磨损量与载荷具有相似的分布规律，从模孔入口到出口呈指数形式减小。
2.2.4硬度测试与分析
利用HR-150DT电动洛氏硬度计对环模磨损面进行硬度测量，得到环模的硬度测试值如表1所示。
从磨损量和硬度测量结果可以看出环模内壁磨损量在3 mm左右，热处理层已经磨损殆尽，表面硬度降低，而较低的硬度也是导致磨损加剧的原因之一。模孔内壁磨损量较小，并沿模孔轴线方向进一步降低，故模孔内壁具有较高的硬度且硬度分布相对稳定。可见环模内壁过度磨损是导致环模磨损失效的主要原因之一。
2.3环模磨损机理微观分析
为进一步分析环模磨损机理，利用线切割沿模孔平行方向切下2块大小为12mmX5 mm的环模试样并分别切割成上、中、下3段。用JSM-6300扫描电子显微镜观察环模内壁和模孔内壁上、中、下段等磨损部位的微观磨损形貌，从微观角度探究其磨损机理。扫描电镜观测点示意图如图10所示。
2.3.1环模内壁磨损机制
环模内壁的磨损形貌电镜扫描结果如图11所示，由图11可见，磨损表面分布有深浅不一的犁沟，沟痕具有较为一致的方向性；同时可见材料剥
物料中部分硬质磨粒在压辊的法向压力作用下被压入环模内壁表面，并在切向力的作用下直接对环模材料表面造成犁沟为主的
磨粒磨损，并伴有一定程度的切削作用，部分材料被直接去除，形成图11所示的犁沟。由前文的受力分析可知环模内壁受交变载荷作用，故物料和部分钝角磨粒将在压辊强烈的挤压力作用下造成环模表面材料反复的塑性变形，最终发生疲劳断裂从材料表面脱落并形成二次磨粒，在后续挤压过程中进一步促进和加剧了磨粒磨损的发生，在环模内壁、模孔内表面等磨损面形成微小的犁沟。由上述分析可知，环模内壁的磨损主要是以微切削为主的磨粒磨损和一定程度的疲劳磨损交互作用，使得表面材料以较快的速度流失。因此，环模内壁的磨损速率最快、磨损也最为严重。
2.3.2模孔内壁磨损机制
模孔内壁的磨损形貌如图12所示，磨损面上有方向一致的犁沟和分布不均的剥落坑。在模孔入口到出口之间犁沟由深变浅、由多变少；剥落坑则由少变多。
由于模孔中物料的运动方向单一，故犁沟和磨痕的方向十分一致。通过模孔的磨损量测量结果和显微观察可知模孔上段入口附近的磨损量相对较大，且磨损形貌以相对大而深的犁沟为主要特点。
虽然物料的硬度远不及环模材料的硬度，物料对环模的磨损类型属于软磨损，但在模孔内壁强烈的法向压力作用下物料将形成坚硬的“不可压缩团”。在“不可压缩团”的支撑作用下大量微小的物料颗粒将对模孔内壁产生机械抛光作用；而部分较大物料颗粒和硬质杂质颗粒由于“不可压缩团”的支撑作用将在模孔的挤出过程中对模孔内壁产生塑性变形和微切削作用，形成大量的磨痕和犁沟，造成表面材料流失相对较大。由前文受力分析可知，模孔内壁压强载荷呈指数形式降低（如图3所示），故模孔内壁中段的犁沟变浅，磨损量减小，磨损形貌变为犁沟和表面剥落坑共存。随着模孔内压强载荷的进一步降低，模孔内壁下段的犁沟变得更浅，磨损量进一步减小，但剥落坑反而增多。可见，从模孔入口到出口间磨损量逐渐较小，磨损机制从以磨粒磨损为主逐渐向以疲劳磨损为主过渡，同时可以推断磨粒磨损是造成模孔内壁材料流失的主要原因。
模孔内壁剥落坑的形貌图如图13所示，可以看到大量裂纹、微孔和剥落坑，裂纹大多穿过表面的微孔向外扩展，剥落坑表面粗糙，且有相互连接扩大的趋势。物料在模孔中沿模孔不断挤出过程中，模孔壁受到剧烈的法向载荷和切向载荷，模辊每次将物料挤出模孔，材料表面各接触点将承受1次循环载荷，交变载荷作用将使材料软硬两相区产生错位堆积发展成为微空洞，而模孔中以滑动摩擦为主的摩擦副容易在微空洞、摩擦碰伤痕等表面应力集中源萌生疲劳裂纹。因此，磨损表面的疲劳裂纹大多穿过表面的微孔向外扩展并相互连接导致了金属材料的成片剥落，剥落坑之间通过裂纹的相互连接形成更大的剥落坑。
2.4环模磨损改进建议
通过上述分析可知造成环模磨损失效的主要原因有磨粒磨损、疲劳磨损和抛光磨损等，同时物料分布不均匀和物料调质特性也对环模磨损情况有一定影响。为延长环模的使用寿命，提出如下改进建议。
1)目前大多饲料厂对铁杂质的清除较为重视，而忽视了对砂石类杂质的清除。建议在粉碎前增加对砂石和金属杂质的除杂工序，将砂石和金属杂质除净。
2)对撒料器（刮料板）形状结构进行改进优
化，使物料在制粒室内分布均匀，防止环模和压辊出现偏磨损的情况而过早失效。
3)改进物料的调质工艺，充分利用物料中的油脂和蛋白质等成分在制粒过程中的润滑作用，能减轻物料对环模的磨损作用，同时有助于提高制粒机产量。
4)改进热处理工艺，适当增加热处理层深度，提升环模内表面耐磨层的硬度，提高环模的耐磨性，延长环模的使用寿命。
3、结论
本文针对制粒机环模磨损过快等问题进行了环模磨损分析试验，对环模磨损量和表面硬度进行了测量，对磨损面的微观特征形貌进行了观察，分析讨论了物料对环模不同部位的磨损机理。主要得到以下结论：
1)环模的磨损机制主要有抛光磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多种磨损形式共存，不同磨损位置起主导作用的磨损机制有所不同。
2)环模内壁的磨损量最为严重，磨损量在3.0 mm左右，磨损机理主要是微切削为主的磨粒磨损和疲劳磨损交互作用，造成环模内壁的表面材料流失速度较快，导致环模磨损失效。
3)模孔内壁的磨损量相对较小，模孔入口附近的磨损以磨粒磨损为主，犁沟较多且深；而模孔出口附近的磨损则以疲劳磨损为主，剥落坑较多且密集。从模孔入口到出口间磨损量呈指数形式逐渐减小，磨损逐渐从以磨粒磨损为主过渡为以疲劳磨损为主。
4)根据环模磨损机理分析提出了改进建议，预期可使环模达到设计使用寿命寿命1000h以上，对提高环模制粒机的稳定性和延长环模使用寿命具有指导意义。
