（材料加工工程专业论文）大倾角振动给料机及配套衬板的研究.pdf

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煤炭、化工、建材、粮食以及轻工等部门获得了广泛的应用，目前正朝着大型 化、高效化和节能化方向发展。给料机倾角越大，给料量就越大，所以为了提 高振动给料机的给料量，通常采用向下倾斜安装，但倾角一般在o 。1 0 。范围 内变化。目前对倾角大于1 0 。的物料的运动尚无精确的描述。 对振动给料机上物料的运动理论进行了研究，建立了直线运动的运动学模 型，通过分析滑行运动和抛掷运动状态下的特点，得到了物料理论输送速度的 计算公式。 为了研究大倾角振动给料机上物料的运动学特点，本文根据自同步的原理 专门设计了一套振动给料机。这套设备给料量大，角度调节方便，而且结构简 单。 在大倾角振动给料机中，理论速度和实测速度差值很大，因此必须对大倾 角振动时物料的速度公式进行修正。通过分析物料在大倾角振动给料机上的运 动过程，选择了三种不同粒度的物料，设计了薄料层和厚料层两种料层，测试 不同倾角时物料的输送速度，在大量实验的基础上拟合出了物料的速度影响系 数曲线，使计算公式精确而简单。 大倾角振动时，采用小的激振力同样可以实现大的给料量。激振力减小， 能耗降低，能够实现节能的目标。但是大倾角振动时增加了对衬板的磨损，应 该合理选择衬板材料。 对中碳低合金钢、a 3 钢、高铬铸铁和2 c r l 3 钢进行了低应力磨料磨损的试 验，得到高铬铸铁耐磨性最好，其磨损主要是微观切削机理作用的结果；2 c r l 3 钢的耐磨性没有高铬铸铁好，其磨损主要是微观切削和多次塑变机理作用的结 果；中碳低合金钢的耐磨性仅次于2 c r l 3 钢，主要是微观切削机理作用的结果； a 3 钢磨损特别严重，已无法抵抗大倾角振动时物料的低应力磨料磨损，是多次 塑变机理和疲劳磨损机理共同作用的结果。 关键词：大倾角；振动给料机：输送速度；低应力磨料磨损；衬板 ab s t r a c t v i b r a t o r yf e e d c ri sae q u i p m e n tt h a tm a k e s u s eo fv i b r a t i o nt of e e d i t1 sw i d e l y u s e di 1 1t h em i n i n g ，m e t a l l u r g y ，m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n g ，c o a l ，c h e m l c a l s ，b u l i d l n g m a t e r i a l s ，f o o da n dl i g h ti n d u s t r i a ld e p a r t m e n t s ，e r e a tp r e s e n t ，i td e v e l o p st o w a r d s l a r g e - s e a l e e f f i c i e n ta n de n e r g y - s a v i n g t h el a r g e r t h ei n c l i n a t i o n - a n g l e ，t h et e e d m g 锄。吼ti sg r e a t e r i no r d e rt oi m p r o v et h e f e e d e r so u t p u t ，t h ef e e d e su s u a l l y i n 删l e dd o 啪、掰d ，h o w e v e ri n c l i n a t i o n - a n g l er a n g e sg e n e r a l l yf r o m o t o10 。n o w ， t h e r ei sn 0m ，舭r i a l t h a th a v ed e s c r i b e dp r e c i s e l ya b o u tt h em o v e m e r i to fi a r g e i n c l i n a t i o n a n g l eo fv i b r a t o r y f e e d e rt i n d e rt h ea n g l eg r e a t e rt h a n10 硒n e t i ct 1 1 e o r yo fm a t e r i a lo l lt h ev i b r a t o r yf e e d e rh a sb e e ns t u d i e d t oe s t a b l l s h 舭“n e m a t i cm o d e lo fl i n e a rm o t i o n t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro f t h es 1 1 d m g a 1 1 dt h r o w i l l gm o t i o ns t a t e ，t h et h e o r e t i c a lf o r m u l af o rc a l c u l a t i n g t h et r a n s p o r t i n g s p e e di so b t a i n e d i no r d e rt os t u d yt h ek i n e m a t i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h em a t e r i a lo nt h ef e e d e r as e t o fv i b r a t o r yf e e d e ri ss p e c i a l l yd e s i g n e do n t h eb a s i so fs e l f - s y n c h r o n o u sp r i n c i p l e i t i se a s vt oa d j u s tt h ea n g l ea n di th a sal a r g ef e e d i n ga m o u n t a n ds l m p l es t m c 眦 i nm el a r g ei n c l i n a t i o n a n g l e ，t h es p e e d i n gd i f f e r e n c eo fn u m e r a t i o nd a t aa n d t e s t i n gd a t ai sg r e a t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t oc o r r e c tt h es p e e df o r m u l ao nt h ec a s c o fl a r g ei n c l i n a t i o n - a n g l ef e e d i n g b ya n a l y z i n g t h em a t e r i a li nt h el a r g ed l p m o v e m e n to nt h ef e e d e r , c h o o s i n gd i f f e r e n tp a r t i c l e s i z e s ，d e s i g n i n g 咖l a y e f “c l ( i l e s s 恤c hi st h i nl a y e ra n dt h i c kl a y e r , t e s t i n gt h ec o n v e y o rs p e e d o fd i f f e r e n t a i l 9 1 e s i tj c i g u r e so u tt h es p e e d o fc o e f f i c i e n tf u n c t i o no nt h eb a s i so f t h el a r g e 伽m b e r o fe x p e r i m e n t ss ot h a tt h es p e e d i n gf o r m u l ag e t sa c c u r a t ea n d s 1 1 p i e t h eu s eo fs m a l le x c i t i n gf o r c ea l s oc a na c h i e v eal a r g ef e e d i n ga m o t i n tw h e n m ei n c l i n a t i o n a n g l e i s l a r g e r e d u c i n g t h ee x c i t i n gf o r c ec a nd e c 。e a 8 ee n e r g y c o r l s 啪p t i o n i ta c h i e v e st h eg o a lo fe n e r g yc o n s e r v a t i o n b u t t h i s1 n c r e a s e st h ew e a r o nt h el i n e r ，s 0i ti sn e c e s s a r yt or e a s o n a b l yc h o o s el i n e rm a t e r i a l m e d i 啪c a r b o nl o wa l l o ys t e e l ，a 3s t e e l ，h i g hc h r o m i u mc a s t i r o na n dz 乙rlj s t e e la r ew o mo nt h el o ws t r e s sa b r a s i o nt e s t i n gm a c h i n e h i g hc h r o m i u n l c a s tl r o n i i i a b s t r a c t h a st h eb e s tw e r er e s i s t a n c e ，a n dt h ew e a l i sm a i n l yt h er e s u l to fm i c r o c u t t i n g m e c h a n i s m ；t h ew e a rr e s i s t a n c eo f2 c r l 3s t e e li sn o ta sg o o da sh i 曲c h r o m i u mc a s t i r o n , a n dt h ew e a ri sm a i n l yt h er e s u l to fm i c r o c u t t i n ga n dm u l t i p l ep l a s t i c d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m s ；t h ew e a rr e s i s t a n c eo fm e d i u mc a r b o nl o wa l l o ys t e e li s s e c o n dt o2 c r l3s t e e l ，t h ew e a ri sm a i n l yt h er e s u l to fm i c r o c u t t i n gm e c h a n i s m ；t h e w e a ro fa 3s t e e li sp a r t i c u l a r l ys e r i o u s i th a sb e e nu n a b l et or e s i s tl o ws t r e s s a b r a s i v e ，t h ew e a ri sm a i n l yt h er e s u l to fm u l t i p l ep l a s t i cd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m s a n df a t i g u ew e a rm e c h a n i s m s k e yw o r d s ：l a r g ei n c l i n a t i o n - a n g l e ；v i b r a t o r yf e e d e r ；c o n v e y o rs p e e d ；l o ws t r e s s a b r a s i o n ；l i n i n gb o a r d i v 符 摘 a b 2 2 1 物料滑行运动的理论分析1 3 2 1 1 槽体的位移、速度和加速度1 3 2 1 2 正向滑行指数和反向滑行指数1 4 2 1 3 滑行速度的计算1 6 v 目录 2 2 物料抛掷运动的理论分析1 9 2 2 1 实现抛掷运动的条件1 9 2 2 2 抛离系数1 9 2 2 3 抛掷运动的理论速度的计算2 1 2 2 4 实际平均输送速度的计算2 2 3 试验装置及方法2 4 3 i 大倾角振动给料机试验装置的设计2 4 3 1 1 试验装置的介绍2 4 3 1 2 试验装置工作参数的选择和计算2 5 3 2 大倾角下物料输送速度的试验方法2 7 3 3 低应力磨料磨损试验样品的准备2 8 3 3 1 试样材料的选择2 8 3 3 2 试验材料的成分2 8 3 3 3 试样材料的热处理工艺2 9 3 4 低应力磨料磨损的试验装置和方法3 1 3 4 1 低应力磨料磨损试验3 2 3 4 2 金相组织的观察3 3 3 4 3 硬度的测试3 4 3 4 4 冲击韧性试验3 4 4 物料输送速度的试验结果及分析3 5 4 1 物料粒度和料层厚度的影响3 5 4 2 速度公式的修正3 8 4 3 振动参数的变化对给料量的影响3 9 5 低应力磨料磨损试验结果及分析4 3 5 1 试样材料的硬度值和冲击韧性值4 3 5 2 磨损失重试验结果4 3 5 3 中碳低合金钢在低应力磨料磨损性能分析4 3 v i 目录 5 3 1 中碳低合金钢的金相组织4 4 5 3 2 中碳低合金钢磨损机理的分析4 4 5 4a 3 钢低应力磨料磨损性能分析4 5 5 4 1a 3 钢的金相组织4 5 5 4 2a 3 钢磨损机理分析4 5 5 5 高铬铸铁低应力磨料磨损性能分析4 6 5 5 1 高铬铸铁的金相组织4 6 5 5 2 高铬铸铁磨损机理分析4 7 5 62 c r l 3 低应力磨料磨损性能分析4 8 5 6 12 c r l 3 的金相组织4 8 5 6 22 c r l 3 磨损机理分析4 8 5 7 衬板材料的选择结果4 9 5 8 实际使用效果4 9 6 结论与展望5 l 6 1 结论5 1 6 2 展望5 2 参考文献5 3 致谢5 5 个人简历及攻读学位期间发表的论文5 6 v i i 1 引言 1 引言 振动机械广泛应用于各类工业部门中，在矿山工业中应用更为广泛。物料 的给料、输送、磨碎、粉磨、筛分和脱水等作用都离不开振动机械。如输送物 料用的大长度密闭式振动输送机，出色地完成了某些工厂粉尘物料的输送作业； 振动粉磨机可使出矿粒度由普通球磨机的7 5 1 5 0 0 微米d , n0 1 5 微米。在 煤炭生产系统中，使用大量振动给料、振动筛分和振动输送设备。选煤厂使用 的振动设备约占设备总重量的11 - - - 1 3 。据不完全统计，目前用于工业生产的 振动机械有几十种之多，例如，振动给料机、振动输送机、振动筛、振动压路 机、振动沉拔桩机、振动试验台和各种形式的激振器等。这些振动机在工业的 各个部门中已发挥了重要的作用。目前振动机械正朝着大型化、高效化、节能 化、可靠化和自动化方向发展。 为了实现节能的目标，本论文设计了一套大倾角振动给料机，分析物料在 大倾角振动时的运动状态，研究倾角对物料输送速度的影响。衬板是本文设计 的振动给料机上的一个耐磨件，在工作的过程中要承受一定的冲击力和磨损， 要求具有一定的强度和硬度。如何正确的选用衬板材料是振动给料机使用过程 中一个非常重要的内容。 1 1 振动给料机概述 振动给料机广泛应用在电力、化工、冶金、煤炭、轻工、建材和粮食等工 矿企业中，与其他设备协作实现喂料、配料、给料、流程自动化和定量包装工 作阻1 。目前，在煤矿生产中给料机主要实现对原煤、各种洗选产品及装车仓下 的均匀给料，由于矿井自身的环境特点，使它在不同的场合对设备性能会有不 同的要求。 振动给料机所适应的物料范围很广，对粒度在o 1 毫米以上的颗粒状物料、 一般的块状物料和块度达4 0 0 - - 5 0 0 毫米的大块物料，直至块度达l 米以上的特 大物料，输送效果都很好；另外它还可以输送粉状物料( 对于易飞扬的粉状物 料，承载构件应注意制成密闭结构) ，在采取适当措施后，还可以输送高温物料 和具有强烈腐蚀性的物料隋1 。 1 引言 1 2 振动给料机的分类及工作原理 近年来，由于生产的发展，研制成功了各种结构形式的振动给料机。大型 振动给料机的功率可达上百千瓦，每小时处理量达数千吨。而小型振动给料机 功率只有几十瓦，每小时处理量d , n 几公斤。按激振方式来分，主要分成三类： 电磁振动给料机、自同步振动给料机和惯性共振给料机1 。 1 2 1 电磁振动给料机的工作原理及特点 ( 1 ) 电磁振动给料机的工作原理盯1 卜槽体2 一连接叉3 一板弹簧4 一衔铁5 一气隙6 一壳体7 一铁芯8 一减震器 图1 1电磁振动给料机的工作原理图 由图1 1 可以看出，有槽体1 、连接叉2 、衔铁4 、部分板弹簧3 质量以及 物料结合质量构成质体m 。；激振器壳体6 、铁芯7 、线圈及部分板弹簧3 质量构 成质体m 2 。m ，和m ：这两个质体通过板弹簧连接在一起，形成一个双质体定向振 动系统。输入电磁振动给料机的电流经过可控硅进行半波整流。在电源电压处 于正半周时，可控硅导通，电流便从线圈流过，在铁芯和衔铁之间产生一脉动 的电磁吸力，吸引槽体向后运动，激振器的主振弹簧被压缩，储存了一定的弹 性势能。根据电磁感应原理，当正半周结束时，电流和电磁激振力接近于最大 值，自感电势电流具有一定的滞后性，要延续一段时间，电流和电磁力才逐渐 减小，之后将全部消失。当电磁激振力接近最大值时，两质体相互靠近。当电 磁力最小时，槽体在弹簧力的作用下与电磁铁离开。这样电磁给料机便以电源 频率每秒5 0 次作往复运动。 2 i 引言 ( 2 ) 电磁振动给料机的特点 电磁振动给料机属于双质体共振型，具有处理能力大、结构紧凑、重量轻、 可无极调速以及耗电少等特点。然而，工作过程中由于电磁铁的一吸一合，产 生的噪音大，而且振幅调节不方便哺1 。振幅大小是由板弹簧片数、e 型电磁铁间 隙以及联接杆螺母的松紧程度等因素决定，如果调节不合理，气隙太大则电流 增大，振幅减小；反之则铁芯与衔铁发生碰撞，容易造成损坏，致使用户深感 生产管理之不便。在布置上由于要减小料仓中料的重力冲力直接作用在给料机 上，因此安装高度较大。同时对于湿滞性大的湿料还会出现不下料的现象，其 最大的局限是不能用于矿井下，这是因为电磁铁振动时产生的火花可能引起瓦 斯爆炸。 1 2 2 自同步振动给料机的工作原理及特点 ( 1 ) 自同步振动给料机的工作原理嘲 卜槽体2 一激振器3 一减振弹簧 图1 2 自同步振动给料机结构 从图1 2 可以看出，自同步振动给料机的两台振动电机通常平行安装于槽 体的后部两侧或者槽体的下方，并对称于给料机的纵向对称平面。这种给料机 的激振器是由对参数接近相同的激振电机组成。两个激振电机启动后，将很 快进入同步状态，即两个电机转速相同，但转向相反，这样两个电机的偏心块 所产生的惯性力在两轴心连线方向上相互抵消，而在与两轴心连线相垂直的方 向上叠加为激振力。此激振力是振动给料机获得输送物料所必须的振动。 3 l 引言 ( 2 ) 自同步振动给料机的特点 自同步振动给料机结构较简单，便于设计和制造多驱动结构形式，这一点 对于设计、制造大型的振动给料机十分有利，对于设计较长料槽的振动给料机 也很有利。与电磁振动给料机相比，同样具有工作频率低，振幅较大，可以获 得较高输送速度的优点。另外，维修费用较少，噪音也较小。 1 2 3 惯性共振给料机的工作原理及特点 ( 1 ) 惯性共振给料机的工作原理 卜槽体2 一惯性激振器3 一激振电机 图1 3 惯性共振给料机的结构 惯性共振给料机的隔振系统是由机体( 包括槽体和激振器) 和隔振弹簧组 成的，如图1 3 所示。电机启动后，便通过传动皮带驱动装有偏心块的轴旋转。 偏心块旋转所产生的惯性力使槽体作受迫振动，槽体的运动轨迹是一个椭圆。 ( 2 ) 惯性共振给料机的特点n 们 一 电机只传动不参与振动，能够延长振动电机的寿命，运转可靠，维修工作 量小，给料通畅，对运输物料的水分和粘度的适应性强，不粘物。但这种给料 机噪音大，漏油严重，给料量调整困难。 1 3 课题的提出 倾角越大，给料量就越大，所以为了提高振动给料机的产量，通常采用向 下倾斜安装，向下的倾角一般在0 。 - - - - 1 0 。范围内变化。上述三种给料机对于用 于对破碎无特殊要求的物料的输送时，通常采用的是抛掷运动的输送方式。因 4 1 引言 为在这种状态下，给料机槽体的磨损较轻，物料的输送速度一般高于滑行运动 状态，所以通常都选用抛掷运动状态。但这种状态须采用较大的振动强度，使 给料机动应力增大，其上的一些零部件如振动槽体较易损坏。这时槽体的振幅 较大，振动强度也较大，需要消耗较大的功率。 在此种情况下，如果利用自同步振动给料机的原理，设计一套大倾角的振 动给料机。槽体在大倾角振动给料时，物料几乎可以自流，再给以轻微的振动， 就可以实现物料的快速输送，同时实现了节能减耗的目标，然而却增加对衬板 的磨损。因此，研究大倾角振动给料机及物料在衬板上的运动状态就显得很有 必要了。 1 4 金属衬板材料的发展 如前所述，在大倾角给料情况下，给料机衬板的磨损大大增加，因此衬板 的使用寿命成为影响给料机使用情况的关键因素之一。为此，必须对给料机的 衬板进行深入的研究，开发出适合大倾角给料设备的衬板。 1 4 1 国外发展概况 国外衬板材料的发展历史较长，衬板材料可归纳为奥氏体锰钢、低合金珠 光体钢、高合金铸铁、马氏体钢及复合衬板五大类型n 。从衬板材料的发展历 史及研究现状来看，国外最初以高锰钢和珠光体中碳低合金钢为主要研究对象。 上世纪5 0 年代，成功研制出了1 5 - 5 高铬钼白口铸铁，由于其特别优异的耐磨 性很快便在国际范围内推广应用于磨球、衬板和其他设备的抗磨件。在此之后， 研究了这种材料的合金调整、组织、热处理等，至今还在延续着。这种材料只 能用于冲击不大的工况条件，因其韧性不高。此外，高铬白口铸铁在湿态条件 下抗腐蚀能力不高，对用在湿态条件下的衬板并不是很好的选择n 刳。 从2 0 世纪6 0 年代开始，针对中、低冲击下高锰钢加工硬化不够，美、欧、 苏、日等开始对高锰钢进行改进。研究目标是在原高锰钢的基础上，加入c r 、 m o 、n i 、v 、n b 进行合金化n3 | 。通过时效热处理析出硬化相来提高最初的硬度 和屈服强度。经过变质处理，改善高锰钢的组织分布及细化晶粒。通过调整m n 和c 的含量，以求达到提高硬度和改善加工硬化的能力。上世纪9 0 年代时，通 过在普通高锰钢成分的基础上提高m n 、c 的含量研究出了“超高锰钢 n 钔。这 5 1 引言 种材料不仅保持了原来的高加工硬化速率，同时组织中又有了高韧性的奥氏体 组织。在中低冲击的工况条件下，也有很好的耐磨性。 自2 0 世纪7 0 年代开始，美国、加拿大、澳大利亚等国家对低中合金钢进 行淬火+ 回火的热处理工艺，得到的组织有马氏体、马氏体+ 贝氏体、贝氏体， 经这种热处理的材料广泛应用在包含衬板在内的各类粉碎机械设备n 引。8 0 年代， 还研制出专门用于金属耐磨件的高合金钢。在之后的二三十年内，研究内容主 要包括低、中、高合金钢的合金化和热处理工艺n6 。这种材料的钢不仅比奥氏 体锰钢的抗磨性好，还具有足够的韧性，广泛应用于磨机衬板，抗腐蚀能力也 明显比锰钢强。 近年来，国外越来越重视耐磨材料的选用合理性、性价比和内在质量的控 ， 制。加拿大及瑞典学者提出直观的“使用成本因子( e ) ”的概念：e = c 豢，其 d 中c 为每吨耐磨材料的价格，m 为磨机中消耗耐磨件的质量，t 为磨机研磨矿 料的质量u “。 1 4 2 国内发展概况 从上世纪7 0 年代到9 0 年代期间，根据我国的国情，耐磨材料在材料类型 及应用方面都有明显的突破和进展。例如，对各种中低合金耐磨钢、低高铬铸 铁、马氏体和贝氏体球铁、高锰钢的强化等做了系统的研究，同时取得了很好 的成绩，在应用方面也取得了显著的经济效益。 ( 1 ) 合金白口铁的应用和研究 从2 0 世纪7 0 年代，西安交通大学等开始在热处理方面研究高铬白口铸铁 作为衬板及其他零件材料的性能。之后，合肥工业大学、山东工业大学等在铬、 锰、钨、钒系白口铁及碳化物球化方面做了很多研究，并取得了很好的成绩， 使白口铁韧性有了成倍的提高，并成功应用于衬板和其他耐磨零件n 引。北京科 技大学、沈阳铸造研究所等在这种领域也做了大量的研究及推广工作。由于高 铬白口铸铁韧性较低，而成本较高，湿态下磨损性能不好等，致使应用范围受 到限制。 ( 2 ) 奥氏体锰钢的发展 2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代，国内对对衬板材质和工艺研究的主要方向是高、 中锰钢的改性及变质处理。清华大学、吉林工业大学、哈尔滨工业大学等高校 对奥氏体高锰钢采用m o 、v 、t i 、n i 、c u 等元素进行合金化的研究，并研究了 6 1 引言 变质处理和化学成分对锰钢加工硬化的机制n 引。研究结果认为，经这种处理的 高锰钢，耐磨性得到了大幅度的提高，但在湿态衬板上的耐磨性并不比z g m n l 3 好。再后来，通过提高c 、m n 的含量等措施成功制各了超高锰钢，它不仅具有 高的加工硬化速率，同时保持了高韧性的奥氏体，耐磨性提高了1 5 2 0 倍。 然而，超高锰钢的韧性对成分和工艺要求都比较苛刻。 ( 3 ) 低中合金钢衬板 从2 0 世纪8 0 年代开始，国内在研究低中合金钢的合金化规律、热处理工 艺和耐磨性等方面做了许多研究工作，取得了很好的成绩。这种材质的衬板， 其组织类型有马氏体、马氏体+ 贝氏体、贝氏体等，热处理方法有空淬、水淬、 油淬、等温淬火、亚临界处理等。经过这种工艺处理的合金钢在使用寿命上比 锰钢衬板有很大的提高心0 l 。 ( 4 ) 目前国内存在的问题 从衬板整体寿命来看，据统计数十年前美国在矿山应用方面的磨损量即为 0 0 5 k g t ，而我国目前的磨损量还远高于这个值乜。问题的主要原因在于： 国内用户和生产企业对具体工况条件合理选材的认识不够，衬板等耐磨件 在材料选用上往往欠考虑。比如，目前国内使用的衬板材质依然以高锰钢为主 流，据统计目前耐磨件承受的高应力工况还不足5 ，绝大部分都是在中低应力 状态下工作。因此，高锰钢的加工硬化不充分，其很好的耐磨性也就发挥不出 来。 盲目的市场机制和无序的价格竞争导致人们忽视所选用材料的性价比。在 不同的工况条件下，对磨损介质的硬度和性质、设备及研磨参数、冲击力大小 及应力的高低等缺乏针对性、系统性的研究。此外，生产商由于冶炼、铸造、 热处理工艺等技术掌握程度不够，生产的材质质量及稳定性方面差别较大豫引。 其次，国内衬板材料的质量及制造工艺与国外也存在着较大的差距。在国内， 无论是研发还是生产方面，虽对材料成分有一定的重视，但对材料热处理及工 艺优化重视程度不够。这些导致国内耐磨材料领域耗材不合理，耗能现象严重。 1 5 材料磨损原理及试验方法 磨损在工业领域和日常生活中常会发生，也是造成材料和能源损失的重要 原因。研究磨损的目的就是要针对各种磨损现象尽可能的采用有效的方法或者 7 1 引言 工艺措施防止或减少磨损。为了解决磨损过程中的各种问题，需要了解各种磨 损类型的基本理论，研究磨损问题的基本方法并对具体工况条件下零件的设计、 耐磨材料和表面处理方案的选用做出尽可能正确的判断1 。目前比较通用的磨 损分类方法是j t b u r w e l l 和c d s t r a n g 提出的按照磨损机理的分类方法，即磨 损分为：磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损和微动磨损等乜4 i 。 1 5 1 磨料磨损的概念及分类 1 5 1 1 磨料磨损的基本概念 磨料磨损是指硬的磨粒或硬的凸出物在与摩擦表面相互接触的运动过程 中，使表面材料发生损耗的一种现象或过程乜5 | 。硬颗粒或者凸出物一般为非金 属材料，如矿石、焦炭、石英砂等，也可能是金属，像落入齿轮间的金属屑等。 磨料磨损几乎没有一种是单一的磨损机理而引起的，经常是多种磨损机制综合 作用的结果，而且随着磨损条件的变化，有可能从一种机制转成另一种机制。 磨料磨损时，作用在质点上的力分为切向力和法向力，切向力使硬质点与 表面之间产生相对运动，而法向力使硬质点压入被磨材料表面，硬质点与材料 相互作用的结果，使被磨损表面形成磨损或在表面留下沟槽，产生犁皱或形成 切削。 1 5 1 2 磨料磨损的分类 磨料磨损是一种常见的磨损形式，也是最重要的磨损形式，一般是将磨料 磨损分为三大类： 第一，低应力磨料磨损，如图1 4 所示，是指磨料与材料表面之间的作用 力小于磨料本身破碎强度时产生的力，即松散磨料自由地在表面上滑动磨料不 产生破碎。磨损结果就是在材料表面只发生微小的擦伤，既不使磨料破碎也能 使材料不断流失的磨损方式。宏观视野下磨损表面比较光亮，显微镜下观察能 见到微细的磨沟或者微坑之类。如农机具的磨损、洗煤设备的磨损、犁地的犁 铧、输送过程的溜槽、料仓、料车等。 8 l 引言 图1 4 低应力磨料磨损示意图 第二，高应力磨料磨损也称破碎式磨料磨损，如图1 5 所示： ( a ) 球磨和棒磨( b ) 辊式破碎 图1 5 高应力磨料磨损示意图 当磨料与材料之间接触压应力大于磨料的破碎强度时，一般金属材料表面 被拉伤，韧性材料产生塑性变形或者疲劳。此类磨损的磨料在压碎之前，几乎 没有滚动和切削的可能，它对被磨表面的主要作用是由接触处的集中压应力造 成的啪3 。对塑性材料而言，就像打硬度一样，磨料使材料表面发生塑性变形， 许多压头对材料表面作用的结果，使之发生不定向流动，最后因为疲劳而破坏。 对于脆硬材料，几乎不发生塑性流动，磨损主要是脆性破裂的结果。例如球磨 机的磨球与衬板、辊式破碎机中的辊轮等。 第三，凿削式磨料磨损，如图1 6 所示： 9 1 引言 图1 6 凿削式磨料磨损示意图 凿削式磨损的产生主要由磨料中的磨粒包含大块磨粒，而且具有尖锐棱 角，对材料表面进行高应力和伴随冲击作用，使材料表面撕裂出很大的颗粒或 者碎块，使被磨材料的表面形成较深的犁沟或者深坑，常在运输或者破碎大块 磨料时发生。例如颚式破碎机的齿板、碾辊等。 1 5 2 磨料磨损机理 磨料磨损机理是指零件表面材料和磨料发生摩擦后，材料是如何磨损的。 磨损机理如下： 第一，微观切削磨损机理 磨粒在材料表面的作用力可以分为切向力和法向力两个分力。切向力使磨 粒向前推进，而法向力使磨粒压入材料表面；当磨粒形状与运动方向调整一致 时，会在表面形成宽度和深度都很小的切屑，这种称为微观切削乜 。模型如图 1 7 所示： 永平分力 图1 7 微观切削磨损机理模型 变形层 第二，多次塑变磨损机理 当磨粒滑过材料表面时，除了切削以外，大部分把材料推向两边或者前缘， 1 0 1 引言 由于这些材料的塑性变形很大，但却没能脱离母体，在沟底及沟槽附近的材料 也有较大的变形妇引。模型如图1 8 所示： a ，攘按 彩滋 沁 e 断裂。脱落 t b 煅氆，璃乎 图1 8 多次塑变磨损机理模型 这种形式的磨料磨损在球磨机的磨球和衬板、颚式破碎机的齿板以及圆锥 式破碎机的衬板上所造成的磨损更具有代表性。当磨料的硬度超过材料表面的 硬度时，在冲击力的作用下，磨料压入材料的表面，使材料产生塑性流动，形 成凹坑及周围的凸缘。当第二个磨粒再次压入凹坑及周围的凸缘时，会重复发 生塑性流动，如此反复的塑性变形和冷加工硬化，最终使材料逐渐硬化而脆性 剥落，从而形成切削。 第三，疲劳磨损机理1 克拉盖尔斯提出：“疲劳磨损机理在一般磨料磨损中起主导作用”啪1 。疲劳 是由应力幅不超过材料的弹性极限的重复应力循环引起的一种破坏形式。疲劳 磨损是因周期载荷重复作用在表面层微观组织而产生的。其特征就是材料在强 化过程发展的同时，磨损速度主要取决于外部介质对强化的作用。 标准的疲劳过程常有一段时间的潜伏期，在这个时间内材料表面不会出现 破坏层，材料外部发生硬化而不会发生亚微观破坏。当疲劳过程进一步发展时， 在材料表层才会出现硬化的滑移塑变层和裂纹。 第四，微观断裂磨损机理b u 当磨粒压入材料表面时会形成静水压的压力状态，塑性材料要发生塑性变 形，而脆性材料可能是断裂机理，当断裂发生时，压痕周围的材料都要被磨损 剥落，因而脆性材料的磨损要比塑性材料大。 脆性材料的压痕断裂，内部条件主要取决于材料的硬度和断裂韧性等；外 1 引言 部条件取决于磨粒的形状和尺寸、载荷的大小及外界环境等。这些压痕带有明 显的表面裂纹，这些裂纹从压痕的四角出发向材料内部延伸，裂纹平面垂直于 试样表面呈辐射状的称为中线裂纹。压痕附近还有无出口的横向裂纹。裂纹的 长度可以根据压痕大小进行初略计算，一般情况下韧性低的材料裂纹较长。 1 6 本课题的研究内容 ( 1 ) 对振动给料机上物料的理论进行分析，推导出物料的理论输送速度公式。 ( 2 ) 为了研究物料在大倾角振动给料机上的运动学特点，设计了一套振动给料 机装备。 ( 3 ) 在大倾角振动情况下，研究倾角、物料厚度和物料粒度对输送速度的影响， 并对理论速度公式进行修正。 ( 4 ) 大倾角振动给料时，加剧了物料对衬板的磨损，必须寻找一种材料既能抵 抗低应力磨料磨损，又能抵抗大块物料对衬板的冲击。 1 2 2 振动给料机上物料运动学模犁的建立 2 振动给料机上物料运动学模型的建立 振动给料机的工艺过程是物料沿振动槽体连续运动的情况下完成的，物料 的运动情况直接决定了给料机工艺过程的质量。因此，阐明物料在振动槽体上 的运动理论，对于正确选取给料机的运动学参数，对于保证各种工艺过程有效 地进行具有重要的意义。 当振动给料机采用不同的运动学参数，如抛掷指数、振幅、频率、振动方 向角、槽体倾角等，可使物料在槽体上出现不同的运动形式。物料在振动槽体 中输送的基本方式有两种：滑行运动和抛掷运动。 ( 1 ) 滑行运动 物料始终与槽底保持接触，在槽体的每一个振动周期内，物料沿槽底向前 滑行一个微小距离，因而在槽体中以一定的频率连续振动的情况下，便可以将 物料连续地从槽体中输送出去。 ( 2 ) 抛掷运动 物料时而与槽底接触，时而与槽底分离，即物料在槽底上时而被抛起，离 开槽底，沿槽底向前做抛物线运动，时而又落到槽底。物料每次被抛起之后， 都向前前进一个微小距离，从而实现物料的连续输送。 2 1 物料滑行运动的理论分析 2 1 1 槽体的位移、速度和加速度 在作直线运动的振动给料机中，槽体沿着振动方向作简谐振动，可以得出 槽体的位移公式为： l = c s i n t( 2 1 ) 式中c - 槽体沿振动方向的振幅 一槽体振动的频率 t 一时间 将槽体的位移分解到垂直于槽体底面的y 方向和平行于槽体底面的x 方向， 得到y 、x 方向的分位移为： l ，= c s i n6s i n tl x = c c o s6s i n t ( 2 2 ) 1 3 2 振动给料机上物料运动学模型的建立 式中6 一槽体的振动方向角 对上式( 2 2 ) 求时间t 的一阶导数和二阶导数，得到y 方向和x 方向的速 度v ，、v 。，加速度a y 、a x 。 v = c ( ) c o s ( ) t v y = c s i n 6c o s t v x = c ( ) c o s6c o s 1 0t ( 2 3 ) a = - c ( i ) 2 s i n ( ) t a ，= - c c o2 s i n6s i n ( i ) t a x = - c ( 1 ) 2 c o s6s i n ( ) t ( 2 4 ) 2 1 2 正向滑行指数和反向滑行指数 要使物料在振动给料机的槽体中不出现抛掷，其必要条件就是物料与槽底 始终保持接触，也就是在垂直于槽底y 的方向上，使槽体振动所引起的物料的 惯性力分力c m 2 s i n6 小于或者等于物料重力分力m g c o sb 。 c s i 图2 1 直线振动机上物料的运动模型 也就是c m ( ) 2 s i n6 m g c o s1 3 式中l r 物料的质量 一槽体振动的圆频率 6 一槽体振动方向角 1 3 一槽体倾角 化简后得， c 0 2 s i n 6 l g c o s p 设d - _ c 0 2 s i n 8 ，d 为抛掷指数，当d l 时，物料处于滑行运动。 g c o s l 5 1 4 2 振动给料机上物料运动学模型的建立 设k = 兰生，k 为机械指数，也叫振动强度。 g 在平行于槽底的x 方向上，物料所受的力有重力分力、惯性力分力和摩擦 力。在x 方向上列平衡方程 m g s i nb m ( a x + a x ”) + f = 0 ( 2 5 ) 式中血”一物料相对于槽底在x 方向的相对加速度 f _ 物料在槽底上所受的摩擦力 在垂直于槽底y 方向上，物料所受的力为压力， 在y 方向上列运动平衡方程 f , - m g c o sb - m ( a ，+ a y ”) = 0 式中y ”一物料相对于槽底在y 方向的相对加速度 摩擦力f 与正压力f 。的关系为 r 、 一 r 、 卜2 + p o p n肛0 2 t a n g o 重力分力和惯性力分力。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中 “。物料与槽底之间的静摩擦系数 6 。一为静摩擦角 式中，“一”对应于正向滑动，“+ ”对应于反向滑动。 当物料在槽底上处于滑行运动时，物料与槽底始终保持接触，这时正压力 f 。0 ，相对加速度y ”= o 。 代入公式并