磨粉機(jī)磨輥磨損研究進(jìn)展

黃奇鵬，高楊楊，武文斌，孟 樂，李蒙蒙

（河南工業(yè)大學(xué) 糧油機(jī)械研究所，河南 鄭州 450001）

磨輥是輥式磨粉機(jī)的關(guān)鍵易損部件。研磨小麥?zhǔn)鼓ポ伳p引起表面技術(shù)特性的改變，對(duì)能耗、輥耗及研磨效果等產(chǎn)生影響[1-2]。在連續(xù)生產(chǎn)中，快輥通常使用3～5個(gè)月，慢輥使用4～6個(gè)月后需進(jìn)行修復(fù)或換輥處理[2]。由于磨輥磨損過程相對(duì)復(fù)雜且受諸多因素影響，并未形成統(tǒng)一完善的理論模型和研究方法。本文對(duì)國內(nèi)外磨粉機(jī)磨輥磨損機(jī)理、影響因素及減磨技術(shù)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行綜述和分析，為磨輥磨損研究提供參考。

1 磨輥磨損機(jī)理研究

磨粉機(jī)工作時(shí)，輥面與小麥粉顆粒劇烈摩擦而磨損。磨料磨損包括硬磨料磨損和軟磨料磨損，依據(jù)磨料磨損定義，當(dāng)材料硬度Hm與磨粒硬度Ha的比值大于1.3時(shí)，為軟磨料磨損[3]。則小麥粉顆粒對(duì)磨輥的磨損行為屬于軟磨料磨損[4]。磨粒磨損機(jī)理主要有三種，分別為微觀切屑、擠壓剝落、疲勞破壞。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)軟磨料對(duì)金屬材料的磨損問題開展研究，Richardson[5]認(rèn)為軟磨料能夠磨損硬材料是由于在磨損過程中，磨料會(huì)發(fā)生硬化，硬化后的磨料的硬度超過材料的硬度，實(shí)質(zhì)是硬磨料磨損。趙博彥等[6]通過對(duì)磨輥磨損面和磨屑分析認(rèn)為，在軟磨料作用下，產(chǎn)生循環(huán)摩擦應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致形變疲勞和亞表層裂紋，裂紋連接產(chǎn)生脫落。磨損差的產(chǎn)生及微量硬磨料的選擇性犁削磨損促進(jìn)磨損過程并造成突出相的折斷脫落，摩擦升溫使軟磨硬向硬磨軟轉(zhuǎn)化，加速磨輥的鈍化過程。Rabinowicz[7]認(rèn)為硬度是一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，軟磨料中會(huì)有硬磨粒，而硬材料中會(huì)有軟部位，是軟磨料中的硬顆粒對(duì)硬材料中的軟部位進(jìn)行了磨損。Ludema[6]認(rèn)為，在一定負(fù)載下，軟磨料在金屬表面壓出彈性坑，如果軟磨料有足夠韌性，在壓力高于磨料的屈服強(qiáng)度時(shí)，磨料將產(chǎn)生塑性變形，并在金屬表面延展，在金屬與磨料間產(chǎn)生較大的摩擦力，同時(shí)在彈性坑的坑沿上產(chǎn)生切應(yīng)力集中，促使金屬磨損。該觀點(diǎn)與Suh的磨損剝層理論相似，適用于解釋軟磨料磨損機(jī)理。克拉蓋爾斯基[8]認(rèn)為此現(xiàn)象為疲勞磨損，磨輥與物料接觸產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，接觸段為受壓區(qū)，非接觸段受拉區(qū)。磨輥承受循環(huán)交變載荷，因累積損傷導(dǎo)致輥面磨損。Luo[9]認(rèn)為軟質(zhì)小麥處于固體狀態(tài)，不可壓縮，當(dāng)被壓入破碎區(qū)域能以較大的力抵抗輥面。故磨輥表面和小麥磨料上都存在擠壓、磨削和剪切應(yīng)力。由于機(jī)械能轉(zhuǎn)化的熱能，旋轉(zhuǎn)輥的溫度升高到60～80 ℃，在磨料粉碎時(shí)與金屬表面微接觸點(diǎn)處可形成疲勞應(yīng)力集中，瞬間產(chǎn)生更高溫度使磨輥表面變軟使其磨損。羅全順等[10]對(duì)磨輥磨損面的微觀形貌分析認(rèn)為磨輥的磨損機(jī)制有兩種，第一，亞表層的碳化物首先產(chǎn)生裂紋、斷裂，裂紋貫穿基體組織疲勞擴(kuò)展，形成大塊組織的剝落磨損。第二，亞表層近表面處碳化物上的裂紋沿相界面擴(kuò)展至表面而剝落，基體組織經(jīng)塑性變形以塑變疲勞和多沖疲勞方式剝落，構(gòu)成了輥面的逐漸磨損，且為該磨損的主要機(jī)制。

2 磨輥磨損影響因素

Campbell[11]認(rèn)為：小麥顆粒破碎影響因素取決于顆粒、磨輥及磨粉機(jī)工作條件（圖1）。小麥粉顆粒是磨輥磨損的磨粒，依據(jù)小麥粉破碎影響因素將磨輥磨損的影響因素分為三類，分別為磨料特性、磨輥特性和工作條件[12]。

圖1 小麥顆粒在磨輥研磨時(shí)破碎的影響因素

2.1 磨料特性

2.1.1 含水率

磨輥與小麥磨粒磨損屬于三體磨損。小麥含水率改變磨粒物理和材料特性影響輥面磨損。Patwa等[13]對(duì)不同含水率的小麥顆粒流特性研究表明，含水率對(duì)顆粒流的物理特性（粒度、容重和粒徑分布）的影響大于對(duì)材料特性（楊氏模量、動(dòng)靜摩擦系數(shù)及恢復(fù)系數(shù)）的影響。小麥顆粒的密度、楊氏模量和恢復(fù)系數(shù)隨含水量（12%～16%）的增加而減小，摩擦系數(shù)隨籽粒含水量的增加而增大。此外，含水率可提高小麥皮層的韌性和抗機(jī)械破壞力，有利于在研磨過程中保持麥皮的完整。肖馳[14]對(duì)不同含水率小麥粉的抗破壞應(yīng)力檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小麥粉的含水量由12.7%上升到16.5%時(shí)，小麥粉的橫向抗破壞應(yīng)力增強(qiáng)約50%，縱向抗破壞應(yīng)力增強(qiáng)約10%，且皮層的抗破壞應(yīng)力明顯高于胚乳的抗破壞應(yīng)力的 3～5倍。Dziki等[15]用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì) 10%～20%含水率的小麥顆粒性能研究表明：小麥含水率增加使剪切力和變形比呈線性下降趨勢(shì)。顆粒含水量為10%～12%時(shí)，硬質(zhì)小麥的剪切力明顯高于軟質(zhì)小麥。但小麥含水率對(duì)剪切能的影響無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，平均為 11.7～14.0 mJ。在顆粒破碎前，含水率與變形呈非線性關(guān)系，含水量在10%至14%時(shí)，變形增量可忽略，含水量為16%～20%時(shí)，變形明顯增大。張克平等[16]用磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)研究小麥粉料的含水率對(duì)灰口鐵磨損性能的影響。結(jié)果表明：小麥含水率對(duì)灰口鐵的磨損具有顯著影響，即磨損失重隨含水率的增大而減?。▓D2），是因?yàn)楣任锖蕦?duì)小麥硬度影響所致。張鋒偉等[17]對(duì)谷物含水率和硬度的關(guān)系進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究顯示：隨著含水率的增大，谷物硬度明顯降低。

圖2 平均磨損失重與含水率關(guān)系

2.1.2 強(qiáng)度和硬度

小麥強(qiáng)度和硬度是指抵抗斷裂、過度變形以及硬物壓入其表面的能力。日本學(xué)者 Satoru SATAKE等[18]從小麥顆粒微觀角度，測(cè)量小麥顆粒硬度和淀粉顆粒壓縮變形的力學(xué)性能，研究小麥顆粒破碎現(xiàn)象與研磨特性的關(guān)系。結(jié)果表明：硬質(zhì)小麥比軟質(zhì)小麥的超微負(fù)荷硬度高約6 HTL，麩皮比糊粉層硬度高5 HTL，潤(rùn)麥后，小麥外層硬度變化不大，內(nèi)超微負(fù)荷硬度降低一半。軟質(zhì)小麥中淀粉顆粒的抗壓強(qiáng)度是硬質(zhì)小麥的1.6倍。因此，研磨過程中對(duì)軟質(zhì)小麥的淀粉損傷相對(duì)較小。Glenn等[19]對(duì)31種硬質(zhì)和軟質(zhì)小麥樣品的胚乳和麩皮的機(jī)械性能研究表明：小麥胚乳的抗壓強(qiáng)度取決于小麥硬度，為11.6～61.3 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.74～5.18 MPa，抗拉強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度小一個(gè)量級(jí)。麩皮的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度基本無差別，為18～26 MPa。Fang等[20-21]通過對(duì)齒輥間物料進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究表明：齒輥對(duì)顆粒的剪切作用大于擠壓作用，主應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力與軋距、輥徑呈負(fù)相關(guān)，主應(yīng)力與轉(zhuǎn)速比無關(guān)，最大剪切應(yīng)力與轉(zhuǎn)速比呈正相關(guān)。

2.1.3 小麥組分

小麥籽粒主要由 2部分組成：麥皮包裹在外約占粒重的20%，胚乳約占80%。各部分物質(zhì)的化學(xué)成分和機(jī)械性能差別較大，通常麥皮中纖維含量高，故強(qiáng)度大且具有一定韌性；胚乳中淀粉含量高，強(qiáng)度小且韌性差。張克平等[22]對(duì)小麥不同組成部分小麥粉對(duì)金屬磨損性能的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：小麥粉料中隨著小麥粉比例減小、麩皮含量增加，磨損量增加。小麥粉對(duì)金屬材料磨損性能的影響小于麩皮對(duì)金屬材料磨損性能的影響。由磨損試件可知，小麥粉對(duì)磨輥磨損過程是一個(gè)拋光磨損過程，不因載荷壓力的作用形成“不可壓縮團(tuán)”。麩皮對(duì)金屬材料的磨損實(shí)質(zhì)是“硬磨料”和“軟磨料”共同作用的結(jié)果。麩皮在研磨時(shí)受擠壓力作用在局部形成堅(jiān)硬的“不可壓縮團(tuán)”。故磨損特征中包含以顯微切削為主的“硬磨料”磨損；而多次塑性變形和低周期應(yīng)力疲勞形成軟磨料磨損特征。AL-SANDOOQ等[23]通過對(duì)三種顆粒尺寸對(duì)測(cè)試樣件進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明小顆粒比大顆粒對(duì)試件磨損更嚴(yán)重。由于顆粒上的應(yīng)力分布和運(yùn)動(dòng)機(jī)制原因，大顆粒在摩擦界面以滾動(dòng)為主，小顆粒更傾向于滑動(dòng)。Jiang等[24]用 MLS-225型三體磨料磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，分別在小麥粉平均尺寸 0.5、1.0、1.5、2.0和 2.5 mm進(jìn)行 250 min磨損實(shí)驗(yàn)（圖3）。研究表明：隨著磨粒尺寸的增加，磨損失重急劇增加，再減少，再線性增加。由于磨料尺寸越大，硬度越高，對(duì)磨輥磨損性能影響越大。而粒徑在1.0～1.5 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)下降，是由于在該粒徑范圍內(nèi)小麥粉中麩皮含量降低。溫詩鑄等[3]通過研究三體磨粒磨損實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)粒度小于 100 μm時(shí)，越小磨損率越低。當(dāng)粒度大于100 μm時(shí)，粒度與磨損率無關(guān)。

2.2 磨輥特性

磨輥特性是影響磨輥磨損的重要因素，耐磨性是指材料抵抗機(jī)械磨損的能力。溫詩鑄等[3]對(duì)磨粒磨損進(jìn)行系統(tǒng)研究，指出硬度是表征材料抗磨粒磨損性能的主要參數(shù)。由于硬度高的物料抵抗物料壓入表面的能力強(qiáng)，則壓入材料表面的深度淺，切削產(chǎn)生的磨屑體積小，即磨損就小，耐磨性就高。Heimann等[25]對(duì)磨輥直徑為228.6 mm和 304.8 mm的輥徑徑向硬度和使用壽命測(cè)量得知，大直徑磨輥白口層較深，可使用深度高約2.5 mm。日本學(xué)者Takamasa等[26-27]通過測(cè)量佐竹生產(chǎn)的磨輥（外徑250 mm，長(zhǎng)度1 000 mm）的三點(diǎn)沿磨輥徑向深度的洛氏硬度（圖4），硬度沿磨輥徑向深度逐漸減小，在深度約13 mm，硬度降低量急增。此外，磨輥的各個(gè)位置的橫截面硬度不穩(wěn)定。磨輥硬度不均勻影響磨輥磨損速率出現(xiàn)差異。布勒[28]公布靜態(tài)鑄造和離心澆注磨輥的徑向硬度變化曲線（圖5），合金層深度為（15±5）mm。由圖5曲線可知，磨輥合金層可用范圍約為13 mm。當(dāng)磨輥輥徑減少13 mm后，硬度迅速減少，耐磨性急劇下降，需進(jìn)行換輥。國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)[29]規(guī)定磨輥輥體表面肖氏硬度為66～78°，硬度與布勒磨輥相差不大，白口層深度為輥體直徑的 8%～13%，比布勒磨輥深度高，但國內(nèi)磨輥與布勒相比白口層硬度降低較快，使用壽命較短。

圖4 佐竹磨輥徑向深度硬度變化曲線

圖5 布勒磨輥徑向深度硬度變化曲線

2.3 工作條件

影響磨輥磨損的工作條件包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速比、軋距、流量、排列方式以及受力等。Zhang等[30]用實(shí)驗(yàn)?zāi)シ蹤C(jī)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)研究粒度、轉(zhuǎn)速和軋距對(duì)磨輥磨損的影響。結(jié)果表明：粒度是影響磨損性能的最主要因素，軋距次之，轉(zhuǎn)速再次之。載荷壓力對(duì)金屬材料磨損性能有顯著影響，載荷是造成磨輥磨損的一個(gè)重要因素。Luo等[9]計(jì)算磨輥粉碎區(qū)某瞬間輥面的亞表層的應(yīng)力分布特征得知，最大接觸壓應(yīng)力在磨輥的表面，沿著軸徑方向，壓應(yīng)力逐漸減弱。剪切應(yīng)變能分別在輥面和表面下一定深處出現(xiàn)極值區(qū)。由于切向力作用使最大應(yīng)力的作用點(diǎn)偏離接觸中心線。此外，磨輥所受應(yīng)力為周期性循環(huán)應(yīng)力，快輥的應(yīng)力作用頻率高于慢輥，使快輥磨損加劇。吳家祥等[31]通過實(shí)驗(yàn)研究載荷對(duì)磨輥磨損的影響，載荷分別為25、75、125、175和225 N，磨損失重如圖6所示，隨著載荷的增加，小麥粉料與磨損表面的摩擦力增大，磨損加劇，磨損失重與輥間壓力成正相關(guān)關(guān)系。

圖6 磨損失重隨載荷變化的曲線

3 減磨技術(shù)

輥式磨粉機(jī)主要采用激冷鑄鐵磨輥，其耐磨性和切削性優(yōu)于普通鑄鐵磨輥，但在工作中，輥齒磨損較快，很難保持較好的研磨效果。通常對(duì)磨輥進(jìn)行表面強(qiáng)化，使輥齒耐磨性得到提高。表面強(qiáng)化處理是在選用通用材料的基礎(chǔ)上，用工藝手段使材料表面改性，提高耐磨損性能。常用的強(qiáng)化處理有機(jī)械加工、擴(kuò)散處理、表面覆蓋[3,8]。

3.1 機(jī)械加工強(qiáng)化

機(jī)械加工強(qiáng)化是不改變材料的化學(xué)成分，通過加工過程改變材料表面的組織結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能或幾何形貌來進(jìn)行強(qiáng)化。熱處理工藝是強(qiáng)化磨輥表面硬度的一種方法。張克平等[32]用小麥粉料對(duì)采用不同工藝參數(shù)處理的低鉻白口鑄鐵進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)表明：磨輥進(jìn)行960 ℃淬火和250 ℃回火的表面熱加工，磨損失重約為普通試樣的42%，磨損深度和磨痕降低，硬度由 50 HRC增至61.7 HRC。王萌萌和王國凡等[33]利用等離子弧重熔技術(shù)對(duì)離心鑄造白口鑄鐵磨面輥齒面進(jìn)行強(qiáng)化處理，并對(duì)重熔前后試樣表面的耐磨性進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：輥齒齒頂?shù)挠捕扔稍瓉?8～60 HRC提高到了64～65 HRC，耐磨性是重熔前的2～3倍。武文斌等[34]采用等離子體表面淬火工藝,快速加熱磨輥表面，使工件表面組織在較短時(shí)間內(nèi)奧氏體化，然后急速冷卻，使磨輥表層組織細(xì)化，從而提高表層硬度和耐磨性。研究表明：經(jīng)過處理磨輥表面硬度提高 1.5～2倍，硬化層晶粒細(xì)密且排列有序。

3.2 擴(kuò)散處理強(qiáng)化

擴(kuò)散處理強(qiáng)化是依靠滲入或注入某些元素來改變表面化學(xué)成分，或同時(shí)附加熱處理手段使表面強(qiáng)化。磨輥生產(chǎn)廠會(huì)向磨輥基體中加入一些合金元素（Cr、Ni、Mo、V等）與金屬中的碳結(jié)合形成合金滲碳體，改善金屬材料的韌性和耐磨性。鮑崇高[35]通過研究 Cr、Ni、Mo、V、Ti的合金元素對(duì)磨輥磨損性能的影響，得知V、Ti對(duì)基體組織的改善作用優(yōu)于 Ni、Mo，適量添加 Cr，可提高磨輥耐磨性，但Cr含量過高會(huì)影響磨輥表面加工和修復(fù)。Kunimitsu[36]在C12磨輥中加入高鉻合金，使磨輥平均使用壽命提高至標(biāo)準(zhǔn)磨輥的兩倍，代表世界先進(jìn)水平。任光利[37]運(yùn)用等離子弧技術(shù)在輥面刷涂一層含有鎳、鉻等元素的助劑,使其熔入磨齒外層形成一層幾微米厚的超過60 HRC的高硬薄膜，磨齒的幾何形狀、化學(xué)成分和金相組織發(fā)生變化，處理前基材部位的硬度分別為51.5 HRC和52.2 HRC，處理后齒根部位的硬度達(dá)到 55.4 HRC和 53.3 HRC，齒頂部位達(dá)到62.5 HRC、62.8 HRC，可顯著提高磨輥表面的硬度和耐磨性。西橋軋輥廠[38]通過添加釩鈦元素生產(chǎn)出低硬度高耐磨性磨輥，噴砂輥硬度為 61～67 HS，拉絲輥硬度為68～74 HS，比鎳、鉻、鈕配方磨輥的硬度低5～6 HS。實(shí)踐證明：該磨輥耐磨性能優(yōu)于硬度較高的鎳、鉻、鉬配方磨輥，使用壽命延長(zhǎng)約33%。

3.3 表面覆蓋

表面覆蓋是直接在材料表面進(jìn)行鍍、涂或用物理、化學(xué)方法覆蓋一層強(qiáng)化表面層。意大利Ocrim的Martino Eloisa[39]采用等離子輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)將齒輥表面鍍一層 3 μm厚的氮化鈦（TiN）和硼化鈦（TiB）合金涂層，輥面硬度提高了4倍且降低摩擦系數(shù)，使磨輥壽命得到提高。任光利[40]將磨輥設(shè)計(jì)為輥體內(nèi)芯和可拆卸輥體外筒。輥體外筒利用表面熔覆技術(shù)使含有鎳、鉻、硼等元素與輥體表面融合，提高外層硬度和耐磨性，不僅可提高磨輥使用壽命，也可避免磨輥因輥徑縮短而報(bào)廢造成浪費(fèi)。

AL-SANDOOQJ等[23]通過顆粒對(duì)環(huán)氧樹脂、聚酯和鑄鐵測(cè)試樣件進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在相同的條件下，環(huán)氧樹脂和鑄鐵的磨損率基本一致，聚酯的磨損率最低，約為金屬輥的1/5。由于聚酯性能好，成本低，功耗低，無腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可能有替代金屬輥的趨勢(shì)。

4 展望

小麥顆粒與磨輥的三體磨損是一個(gè)動(dòng)態(tài)復(fù)雜過程，并伴有物理化學(xué)變化。盡管科研人員使用實(shí)驗(yàn)機(jī)及試樣對(duì)此現(xiàn)象做了大量研究工作，并取得一定成果，但對(duì)軟磨料磨損觀點(diǎn)眾說紛紜，并未形成統(tǒng)一完善的理論模型和研究方法，仍需學(xué)者利用先進(jìn)設(shè)備及理論方法進(jìn)行深入研究，完善該現(xiàn)象的磨損機(jī)理研究。此外，目前研究磨輥磨損多以單因素利用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)論偏差相對(duì)較大，需綜合考慮多因素用磨粉機(jī)研究磨輥磨損，為減少磨損及提高磨粉品質(zhì)提供依據(jù)。研究人員在研究減磨新配方時(shí)，也可考慮新材料、結(jié)構(gòu)及技術(shù)等方法處理或替換傳統(tǒng)磨輥。另外，針對(duì)磨輥工作中通過研磨效果相關(guān)規(guī)律變化評(píng)估磨輥磨損狀態(tài)的研究較少，需加大研究力度，對(duì)磨輥磨損認(rèn)識(shí)具有重要意義。