破碎機(jī)耐磨部件磨損失效分析

劉毅

摘 要：筆者結(jié)合自身工作實(shí)際，介紹了破碎機(jī)耐磨部件磨損失效的機(jī)理。

關(guān)鍵詞：破碎機(jī)；耐磨；失效

1 金屬材料的磨損機(jī)理

1.1 粘著磨損

粘著磨損常常發(fā)生在經(jīng)過機(jī)械加工后的零部件。粘著磨損是指在滑動(dòng)摩擦?xí)r，摩擦副接觸表面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被損壞，而使金屬屑粒從零件表面被拉拽下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。當(dāng)兩個(gè)相互作用表面接觸時(shí)，接觸僅在少數(shù)幾個(gè)孤立的微凸體頂尖上發(fā)生，由于接觸面積小，所以在這些接觸著得面積上就會(huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使得接觸表面發(fā)生塑性變形，表面膜層因金屬流動(dòng)而遭到破壞，使得金屬原子直接接觸，從而產(chǎn)生金屬原子間的鍵合，形成了冷焊點(diǎn)，也就產(chǎn)生了粘著現(xiàn)象。然后在隨著相對(duì)滑動(dòng)的進(jìn)行，粘著處發(fā)生破壞，而使有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來，因此產(chǎn)生了磨損。粘著磨損過程一般分為三個(gè)階段：磨合階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段。

1.2 磨料磨損

磨料磨損一般是指硬的磨粒或凸出物在與摩擦表面互相接觸運(yùn)動(dòng)的過程中，使表面材料發(fā)生損耗的現(xiàn)象。在工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，磨料磨損造成的材料損耗是最高的，約50%以上的磨損失效是由于磨料磨損造成的。目前關(guān)于磨料磨損的機(jī)理主要有微觀切削、微觀犁溝、微觀剝落等。

在實(shí)際磨粒磨損過程中，往往是幾種磨損機(jī)制同時(shí)存在的，但是以某一種磨損機(jī)制為主。上述幾種磨損機(jī)制中，以微觀切削對(duì)材料所造成的磨損最為嚴(yán)重，而微觀剝落的影響在某些脆性較大的材料中所造成的磨損也較為嚴(yán)重。

1.3 表面疲勞磨損

當(dāng)兩接觸面作滾動(dòng)、滑動(dòng)或滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)由于作用在摩擦表面微觀體積上周期性的接觸載荷或交變應(yīng)力，使表面及亞表面由于疲勞而產(chǎn)生裂紋，最后導(dǎo)致材料剝落和損耗的現(xiàn)象，稱為表面疲勞磨損。表面疲勞磨損裂紋可以在表面和亞表面上發(fā)生，可以沿著與表面平行的方向或垂直的方向擴(kuò)展，最終結(jié)果都會(huì)導(dǎo)致表層材料成細(xì)片狀剝落，形成麻點(diǎn)狀或痘斑狀的剝落坑。

1.4腐蝕磨損

腐蝕磨損是腐蝕和磨損同時(shí)起作用的一種磨損。在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物的形成和脫落造成的磨損稱為腐蝕磨損。腐蝕磨損一般分為化學(xué)腐蝕磨損和電化學(xué)腐蝕磨損兩大類。在化學(xué)腐蝕磨損中最重要的一種是氧化磨損。當(dāng)摩擦副作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸起部分與另一方摩擦接觸產(chǎn)生塑性變形，空氣中的氧擴(kuò)散到塑性變形層內(nèi)，形成氧化膜。由于氧化膜強(qiáng)度低，在遇到第二個(gè)凸起時(shí)剝落，露出新的表面。新的表面又不斷被氧化，形成氧化膜，然后再剝落。如此周而復(fù)始，機(jī)件表面逐漸被磨損，最后導(dǎo)致零件失效，這就是氧化磨損的過程。

1.5沖蝕磨損

沖蝕磨損又稱為浸蝕磨損，它是指流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對(duì)材料表面進(jìn)行沖擊所造成的磨損。沖蝕磨損與腐蝕磨損的區(qū)別是前者對(duì)材料表面的破壞主要是機(jī)械力作用引起，腐蝕只是第二位的因素；而后者則發(fā)生在腐蝕介質(zhì)中，摩擦副的磨損是腐蝕和磨損綜合作用的結(jié)果。

2破碎機(jī)工作原理

顎式破碎機(jī)有多種結(jié)構(gòu)形式，但其工作原理是相同的，即通過動(dòng)顎板的周期性運(yùn)動(dòng)來破碎物料。在動(dòng)顎板繞懸掛心軸向固定顎板擺動(dòng)的過程中，位于兩顎板之間的物料便受到壓碎、劈裂和彎曲等綜合作用。開始時(shí)，壓力較小，使物料的體積縮小，物料之間互相靠近、擠緊；當(dāng)壓力上升到超過物料所能承受的強(qiáng)度時(shí)，即發(fā)生破碎。反之，當(dāng)動(dòng)顎板離開固定顎板向相反方向擺動(dòng)時(shí)，物料則靠自重向下運(yùn)動(dòng)。動(dòng)顎板的每一個(gè)周期性運(yùn)動(dòng)就使物料受到一次擠壓作用，并向下排送一段距離。經(jīng)若干個(gè)周期后，被破碎的物料便從排料口排出機(jī)外。隨著電動(dòng)機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而破碎機(jī)動(dòng)顎板作周期運(yùn)動(dòng)壓碎和排泄物料，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

3耐磨部件失效分析

顎式破碎機(jī)物料在破碎腔內(nèi)流動(dòng)是一個(gè)看似簡(jiǎn)單卻很復(fù)雜的過程。理想狀態(tài)下，物料經(jīng)過一系列的破碎，粒度減小到標(biāo)準(zhǔn)要求。從排料口排出。由顎板運(yùn)動(dòng)分析可知，動(dòng)顎板在擠壓行程中豎直方向有運(yùn)動(dòng)。因此，物料與顎板之間必然存在相對(duì)滑動(dòng)。從運(yùn)動(dòng)分析中可以發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)顎的擠壓行程中，動(dòng)顎在垂直方向先向上然后向下運(yùn)動(dòng)。下面分別對(duì)物料破碎時(shí)上述兩種情況進(jìn)行受力運(yùn)動(dòng)分析。由于物料自身重力相比較其他力較小，可以忽略。圖1，圖2為物料破碎時(shí)受力分析圖。動(dòng)顎向上運(yùn)動(dòng)時(shí)：

由此說明，在動(dòng)顎向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，物料和定顎板首先發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，且較物料與動(dòng)顎板相對(duì)容易發(fā)生滑動(dòng)。同樣方法，在動(dòng)顎板向下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候。物料和動(dòng)顎板首先發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，且較物料與定顎板相對(duì)容易發(fā)生滑動(dòng)。

很顯然，物料在顎式破碎機(jī)中的破碎大多數(shù)情況下是點(diǎn)接觸擠壓引起的劈裂破碎，在這種情況下破碎是由于物料內(nèi)部拉應(yīng)力作用下內(nèi)部裂紋擴(kuò)張引發(fā)物料破碎，而在實(shí)際情況中，破碎的物料為不規(guī)則形狀，其破碎前擠壓接觸部分粉碎發(fā)生要更為嚴(yán)重，需要更多的擠壓行程，其破碎過程中豎直行程更多，而且物料的有效破碎行程，也就是物料劈裂所需行程和物料的體積有關(guān)，是隨著體積增大而加大的。破碎腔內(nèi)上部破碎時(shí)動(dòng)顎有較多的向下行程，而在下部由于向上運(yùn)動(dòng)的破碎行程很大，可以認(rèn)為在破碎行程中動(dòng)顎板向下運(yùn)動(dòng)時(shí)物料基本上已經(jīng)完成破碎。這也可從使用過的顎板得到證明，在定顎板磨損嚴(yán)重的中下部有明顯的相對(duì)劃痕，而動(dòng)顎板則幾乎沒有看到劃痕。

從上述分析可知顎板磨損的主要原因是磨料相對(duì)顎板進(jìn)行短程滑動(dòng)、切削金屬造成磨屑和磨料反復(fù)擠壓引起顎板材料多次變形，最終導(dǎo)致金屬材料疲勞脫落。其磨損失效過程是：（1）物料多次反復(fù)擠壓鑿削顎板，在顎板表層，或在擠壓金屬的突出部分根部形成微裂紋，此微裂紋不斷擴(kuò)展到相連，最后造成表面金屬材料脫落，形成磨屑。（2）物料反復(fù)擠壓，造成顎板金屬材料被局部壓裂或翻起，其碎裂或翻起部分又隨著擠壓撞擊的物料一起脫落形成磨屑。（3）物料相對(duì)顎板短程滑動(dòng)，切削顎板形成磨屑。

在復(fù)擺顎式破碎機(jī)使用過程中，物料的堵塞也是造成顎板磨損的原因之一，特別是在有較大破碎比時(shí)，物料的堵塞相對(duì)嚴(yán)重，這就會(huì)出現(xiàn)物料破碎困難或者無法破碎。在這種情況下物料在顎板擠壓下的滑動(dòng)增加，顎板的磨損加劇，同時(shí)由于磨損產(chǎn)生，使得嚙角進(jìn)一步加大，堵塞更加嚴(yán)重，如此形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致顎板磨損失效。

從上述磨損失效分析可知，對(duì)于顎板材料應(yīng)選擇硬度較高的材質(zhì)以抵抗擠壓、顯微切削失效，選擇足夠韌性的材質(zhì)以抵抗撞擊疲勞失效。同時(shí)從顎板結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，以減少物料與顎板的相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)還應(yīng)考慮物料的堵塞問題以減少顎板的磨損。這不僅對(duì)提高生產(chǎn)效率有益，而且對(duì)提高材料的使用壽命也有益。

4影響磨損的主要因素

4.1零件的形狀

不同結(jié)構(gòu)和幾何形狀的顎板，其熱處理的力學(xué)性能、內(nèi)部的金相組織有很大的差別，進(jìn)而對(duì)耐磨性有較大的影響，特別是厚度、尺寸影響更為突出。顎板越厚大，越不易淬透，其抗磨損性能也就越差。由于顎板的內(nèi)部抗磨損性能明顯低于表面，因此，對(duì)于厚度尺寸較大的顎板，只能借助于合理的鑄造和熱處理工藝來改善這一狀況，但這一手段對(duì)提高顎板的抗磨損性能是有限的，最好的辦法是在不改變顎板的打擊動(dòng)能和強(qiáng)度的情況下，對(duì)顎板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，一方面可提高顎板的利用率，同時(shí)又可減少結(jié)構(gòu)對(duì)熱處理性能的影響，避免顎板的耐磨性能下降。

4.2零件的選材

一般來說，硬度越大的顎板其耐磨性也愈大。要提高顎板的耐磨性，就要增加其硬度，但隨著硬度的提高，顎板的抗沖擊韌性就會(huì)降低。因此，如何兼顧顎板適宜的硬度和良好的抗沖擊韌性是提高顎板耐磨性的關(guān)鍵。目前破碎機(jī)耐磨部件常用的材料有：高錳鋼、高鉻鑄鐵、低碳合金鋼。

高錳鋼韌性好，工藝性好，價(jià)格低，其主要特點(diǎn)是在較大的沖擊或接觸應(yīng)力的作用下，表面層將迅速產(chǎn)生加工硬化，其加工硬化指數(shù)比其它材料高5至7倍，耐磨性得到較大的提高。但如果使用中沖擊力不夠或接觸應(yīng)力小，則不能使表面迅速產(chǎn)生加工硬化，高錳鋼的耐磨性就不能充分發(fā)揮。

高鉻鑄鐵是一種具有優(yōu)良抗磨性能的耐磨材料，但韌性較低，易發(fā)生脆性斷裂。

低碳合金鋼主要為含鉻、鉬等多種元素的合金結(jié)構(gòu)鋼，硬度高、韌性好，其基體組織有馬氏體、貝氏體或貝氏體+馬氏體復(fù)合組織。在同等工況條件下，其使用壽命至少比高錳鋼提高1倍以上。但它的調(diào)質(zhì)熱處理是關(guān)鍵，調(diào)質(zhì)熱處理后不僅要求整體抗拉強(qiáng)度達(dá)850MPa 以上，而且要求有相當(dāng)?shù)乃苄院晚g性。因此，目前企業(yè)所生產(chǎn)的顎式破碎機(jī)的顎板的材料常選用高錳鋼或高鉻鑄鐵。

4.3零件的制造質(zhì)量

顎板的制造也是決定其使用壽命的關(guān)鍵因素。如果顎板表面或內(nèi)部制造中存在缺陷，如縮孔、裂紋、穿晶等，不僅會(huì)降低顎板性能，甚至造成顎板斷裂。因此，在顎板生產(chǎn)中必須制定合理的鑄造和熱處理工藝。

顎板在鑄造時(shí)，應(yīng)注意其澆注溫度不宜過高，溫度過高會(huì)使鑄件晶粒粗大，對(duì)其性能不利；而澆注溫度過低，鑄件表面會(huì)產(chǎn)生冷隔、皺皮等缺陷，同時(shí)應(yīng)在鑄造工藝上要著重考慮冒口補(bǔ)縮系統(tǒng)，使鐵水平穩(wěn)地注入鑄型和有良好的補(bǔ)縮能力，防止產(chǎn)生縮孔等缺陷。顎板的熱處理工藝則決定了其力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)和碳化物的分布形態(tài)。由于在顎板的成分中含有一定量的鉻和其它合金元素，因此如何使這些合金元素形成硬質(zhì)點(diǎn)碳化物的作用充分發(fā)揮出來，也是制訂熱處理工藝時(shí)考慮到的一個(gè)因素?？傊?，制訂合理的生產(chǎn)工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)手段，是保證顎板達(dá)到使用性能的先決條件。

4.4破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)

對(duì)破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使動(dòng)顎板具有較好的運(yùn)動(dòng)特性，能夠減小磨損，提高處理能力。對(duì)破碎腔的合理設(shè)計(jì)，可以有效減少堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，減緩動(dòng)顎板的磨損。因此在對(duì)破碎機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意破碎腔的設(shè)計(jì)。破碎腔的形狀和尺寸應(yīng)該滿足以下要求：首先，為防止機(jī)器超載和堵塞，在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入破碎腔的物料不應(yīng)多于能夠破碎和排出的物料；其次，為了保證機(jī)器負(fù)荷均勻、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、破碎板磨損均勻，物料要均勻分布在破碎腔內(nèi)；然后，為了提高破碎效率，防止堵塞和過粉碎現(xiàn)象，破碎后的物料應(yīng)能暢通的從破碎腔內(nèi)排出；最后，為了保證產(chǎn)品的細(xì)度和形狀是立方體，破碎型的破碎機(jī)，破碎腔的下部應(yīng)有平行區(qū)。

4.5破碎機(jī)給料情況的影響

給料情況包括：入料粒度、硬度及破碎機(jī)的給料方式。物料入料粒度、硬度關(guān)系到破碎機(jī)是否會(huì)出現(xiàn)積料和顎板打擊物料時(shí)所受到的碰撞沖量，破碎機(jī)的給料方式則因給料方式不同造成物料到顎板的落差不同，也影響到顎板打擊物料時(shí)的碰撞沖量。當(dāng)顎板重量一定時(shí)，顎板的碰撞沖量與物料質(zhì)量、落差成正比，而碰撞沖量的大小直接關(guān)系到顎板加工硬化的程度和耐磨性能。此外，物料含水量過大也對(duì)顎板壽命有一定的影響，含水量過高，物料容易粘接成團(tuán)，造成積料，加劇顎板的磨損。

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