輥壓機(jī)輥套疲勞剝落機(jī)理分析

  0 前言

  輥壓機(jī)是水泥廠普遍采用的預(yù)粉磨系統(tǒng)，它由兩個速度相同，作相對運(yùn)動的輥?zhàn)铀M成。物料由上部喂入輥間的縫隙內(nèi)，在雙輥間受到擠壓（擠壓力一般認(rèn)為可達(dá)300MPa），所以輥壓機(jī)主要以擠壓破碎為主，起預(yù)破碎和預(yù)磨損的作用，其磨損屬于高應(yīng)力三體磨粒磨損，其工作原理如圖1所示。輥壓機(jī)的耐磨性主要是依靠條紋層來保證的。

  圖 1 輥壓機(jī)工作原理

  對于立磨、輥壓機(jī)等耐磨堆焊工件尤其是輥壓機(jī)在使用過程中經(jīng)常會出現(xiàn)表面剝落掉塊的情況，深度和面積不定，這都屬于疲勞破壞的范疇。疲勞破壞是由于在零部件的局部高應(yīng)力區(qū)，較弱的晶粒在變應(yīng)力的作用下形成微裂紋，然后發(fā)展成宏觀裂紋，裂紋繼續(xù)擴(kuò)展最終導(dǎo)致疲勞破壞。所以輥面除了保證耐磨以外，也要考慮抗疲勞剝落能力，因此輥壓機(jī)輥面的材料必須有良好的塑韌性。

  1 輥套疲勞失效分析

  目前已知的材料疲勞極限得出了一個經(jīng)驗(yàn)公式：

  σ-1=0.5σb————————————（1-1）

  σ-1——材料的疲勞極限

  σb——抗拉強(qiáng)度極限

  輥壓機(jī)在正常使用情況下，其輥面所受到的擠壓力范圍是50-300MPa，一般情況下應(yīng)該在200MPa左右，顯然這個工作壓力遠(yuǎn)低于輥壓機(jī)常用的母體材料42CrMo鋼(σb=1080MPa，σ-1≈540MPa)的疲勞極限，而輥壓機(jī)的表面堆焊材料的疲勞極限更是遠(yuǎn)高于這個數(shù)值，以這個標(biāo)準(zhǔn)推論，輥壓機(jī)只會發(fā)生磨損，不會發(fā)生疲勞剝落。而實(shí)際情況往往是在距輥面20-30mm的位置發(fā)生疲勞剝落。這一方面是條紋層的裂紋向下延伸，到達(dá)最大剪切應(yīng)力的深度，而疲勞，另一方面就是在輥壓機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)意外情況而引起輥面壓力在某處某時超過了材料的強(qiáng)度極限或在相當(dāng)長的時間內(nèi)超過了疲勞極限而使材料在最大剪切深度處產(chǎn)生了微裂紋。

  輥壓機(jī)的疲勞剝落是由循環(huán)變應(yīng)力、拉應(yīng)力、和塑性應(yīng)變同時作用而造成的。循環(huán)變應(yīng)力使裂紋形成，拉應(yīng)力使裂紋擴(kuò)展，塑性應(yīng)變影響整個疲勞過程。如三者缺一，則疲勞不可能形成及擴(kuò)展。

  圖2描繪了輥壓機(jī)固定輥與活動輥以及之間物料的三體磨損系統(tǒng)。

  圖 2 輥壓機(jī)三體磨損系統(tǒng)

  位于兩輥間隙中的物料的流動，形成了具有不同磨損機(jī)制的兩個系統(tǒng)，如圖中的區(qū)域I(滿料密實(shí)階段)和區(qū)域II（層壓粉碎階段和結(jié)團(tuán)排料階段）。區(qū)域I內(nèi)的輥面受到物料的低應(yīng)力磨粒磨損，而區(qū)域Ⅱ內(nèi)的輥面同時受到物料的擠壓和磨損，屬于高應(yīng)力磨粒磨損。在區(qū)域Ⅱ內(nèi)，輥面由于磨損失效或由于擠壓剝落而失效，兩者哪一個處于主導(dǎo)地位，主要取決于輥面承受物料的磨損能力和輥體承受周期性變化的擠壓力即抗疲勞的能力。

  周期性變化的擠壓力，使輥面發(fā)生了彈性變形，甚至塑性變形。在輥面下一定深度產(chǎn)生最大剪切應(yīng)力，在該剪切應(yīng)力的作用下，若輥體的疲勞強(qiáng)度低于疲勞剪切應(yīng)力的最大值，則疲勞剪切應(yīng)力最大值所處位置會產(chǎn)生疲勞裂紋，在疲勞剪切應(yīng)力不斷作用下，新產(chǎn)生的裂紋或在堆焊輥面過程中產(chǎn)生的原有裂紋不斷擴(kuò)展、增大，導(dǎo)致輥面的局部剝落，甚至大范圍剝落，最終因擠壓、磨損，輥面破壞嚴(yán)重而無法正常使用。

  2 輥壓機(jī)最大剪切應(yīng)力深度分析

  對剪切應(yīng)力最大值所處位置的探討是有必要的。確定了位置即深度，可以在此處提高輥材或堆焊層的疲勞強(qiáng)度，就提高了擠壓輥的抗疲勞剝落的壽命。按純彈性理論推算的數(shù)據(jù)——最大疲勞剪切應(yīng)力距離輥面的深度，應(yīng)該是物料與輥面接觸的面積上輥面弧長的一半的0.786倍。

  接觸輥面輥面弧長L= Dπ×(γ÷3600) ————————（1-2）

  D——輥壓機(jī)直徑

  γ——咬入角

  按照這個方法可以大概估算疲勞深度，但誤差非常大，實(shí)際理論疲勞深度遠(yuǎn)小于此值。輥壓對咬入角的積分計(jì)算，0.786b約為5.2mm。綜上如果考慮到安全系數(shù)和數(shù)學(xué)模型的誤差的話，那么，輥壓機(jī)的最大剪切應(yīng)力的深度是在10mm～15mm左右，正好是過渡層的深度，這可能也就是輥壓機(jī)堆焊層設(shè)計(jì)的理論依據(jù)之一。

  3結(jié)論：

  通過理論分析，輥壓機(jī)的理論疲勞深度約為10～15mm。

  1、輥徑與疲勞深度成正比，輥徑越大，其可能發(fā)生疲勞的深度越大；

  2、咬入角與疲勞深度成正比，咬入角越大，可能發(fā)生疲勞的深度越大。咬入角γ的大小取決于物料的種類、粒度、形態(tài)及兩輥的間隙、輥壓、輥面狀態(tài)（條紋形狀）、輥徑及轉(zhuǎn)速等因素。影響最大的顯然是輥縫間隙和輥壓，輥縫間隙越小，輥壓越大，都會使得咬入角變大，使得疲勞深度變深；

  3控制合適輥縫，顯然原始輥縫越小，物料的通過量也就越小，為了達(dá)到較高的產(chǎn)量就必須提高料倉的壓力，將輥縫撐開強(qiáng)行增大通過量，這時，料柱升高，咬入角γ加大，同時輥縫間隙內(nèi)的料餅密度增加，最小輥縫處的壓力值也急劇升高，這些都會造成輥面壓力更接近疲勞強(qiáng)度，并且與最大剪切應(yīng)力的深度成正比，對保證疲勞壽命不利。

  另外金屬異物的密度和硬度遠(yuǎn)大于水泥熟料，因此進(jìn)入金屬異物會造成輥壓的突然升高，甚至直接產(chǎn)生微裂紋，因此喂人輥壓機(jī)的物料應(yīng)盡可能地除鐵徹底。系統(tǒng)中除了在進(jìn)料皮帶上設(shè)置除鐵器外，還有必要在選粉機(jī)的喂料皮帶上設(shè)置金屬探測儀。而且在生產(chǎn)過程中，應(yīng)確保金屬探測儀與氣動三通閥連鎖暢通，反應(yīng)快捷，以便及時排除物料中混雜的金屬異物，避免金屬異物在輥壓機(jī)與V型選粉機(jī)組成的閉路系統(tǒng)中不斷循環(huán)而反復(fù)損傷輥面。

  總之，要保證輥壓機(jī)在穩(wěn)定、規(guī)范的操作規(guī)程內(nèi)運(yùn)行，才能夠確保輥壓機(jī)的疲勞壽命，最大的發(fā)揮效能。