第十九期 pen抛wan过程zhong的磨损以及对策
fa布时间:2017/7/25 13:39:55

引 言                                                                                                        

    penwan工程师一般都会面对磨损的wen题。每一粒wan料he所有的penwan设备都会或多或少地受dao磨损。一个普bian的例子就是wan義ian诨鱠a零件hou受dao了磨损。另一个例子就是Jack Plastershuo过的“抛wan设备可能是所有现代化设备zhong最具有自我破坏特征的设备o4罅康募嵊瞱an料pendazai没有任簑en蠡牧慵砻嫔xi騝i产生了极qi严重的磨损wen题。zai一定程度蓌i瑆an料就像花椒,而抛wan设备就像一个巨大的胡椒磨,把wan料磨成了胡椒粉。

    zai本文zhong,shi觤en譿an设备he击da祅ai枇侠唇鈙hipenwan工程师们经chang遇dao的磨损机理。这些机理称wei“粘着磨损”he“磨料磨损oU饬街帜ニ鸹矶蓟嵊鰀ao“两物体”he“三物体”的情况,如图1所示。

 

图1 两物体he三物体的磨损情况

    本篇文章同时也薲e髁藋ing该如何选择簒ian实牟牧蟞ejin行合理的零部件设紁ing醇跎倌ニ餷v。同时,本文也对如何来优化抛wan设备的设计jin行了一些薲e鳌Ⅻ/span>

    对于每一个penwan设备zhong的零件,有这么一个谚语都会适簒i褪恰耙徽衳ian,吃biantianoⅫ/span>

    磨损仅会fa生zai两个物体接触并产生相互运动的情况。磨损lv是受dao接触压lihe相互运动速度的影响。

    可以用一个简单的例子纁ide餮筶ihe速度对磨损的影响。如果用砂纸对一个旧的以及生xiu的阿ermenshi片jin行摩ca,都知道shi用的liqi越大,摩ca的速度越快,抛光的效果越hao。如果xiang把两个铁bangzai摩ca的过程zhong差生火花,就需要摩ca的速度非chang快。gulao的钻木取火的技术,就是shi用尖rui的木bangzai膉iu樯喜捎霉襧in行快速的旋zhuan来产生高压lihe高速度jin而产生高热量,最终生成了火。

粘着磨损

    就如qi名字的意义一样,粘着磨损fa生zai两个物体表面互相接触蔮oU庵帜ニ鹨簿璫hangbeijiao做“ca伤”两物体粘着hou会zai两个表面上fa生微han接的zuo用。刚接触时两个金属表面互相shi压,zai接触点上形成了微han接。“刚接触”意味着表面已经完全没有了氧化保护。两个表面的相对运动会把粘着部位的微小接触点去chu,从而造成了磨损。图2薲e髁宋an接以及houxu的材料去chu过程。眏ing尾捎昧 材料接触时的zhuang态纁ide髁苏匙拍ニ鸬腸hu始fa生过程。

 

图2 微han接的形成以及houxu的材料去chu过程

凹kang的形成

    所有的非gui金属zaibao露zai空qizhong时都会zai表面形成氧化保护层。如果该保护层受dao破坏,那么大qizhong的氧qijiang会快速的jin行修复。需要指chu的是,氧化层一般是非chang脆的。当一个wan粒击da零件时,wan粒jiang会fa生弹性bian形。该弹性bian形足以dasuiwan粒表面的氧化层。当零件表面产生一个凹kang时,凹kang的表面会fa生弹性he塑性伸展。这种伸展同样会dasui零件的氧化层。举一个典型例子,一个凹kang的zhijing是qi深度的十倍,那么qi伸展lvwei3%。这就极大地超过了氧化层本shen的延展性。图3薲e髁松厦胬觶hong的伸展过程。ABC弧xian的长度与原始的ACzhixian相bi伸长了3%。

 

图3 典型的凹kang的chi寸

    氧是无fa达daowan粒he零件的接触表面的。因ci一gong有两个接触表面互相shi压以及互相运动。zaipenwan的过程zhong,大量的微han接就因ci形成了并导致材義i娜hu。结果,粘合磨损就一定会chu现。从微观上来看,粘合过程提升了凹kang的抛光外观效果。

粘合磨损的敏感性

    粘合磨损敏感性可以采用金属表面氧化层的厚度来表征。gui金属例如金有着最bo的氧化层(单层),但是几乎都不jin行penwan。一些金属例如lvhe铬也有着非changbo的氧化层,bodao半透明的zhuang态。lv合金he不xiugang同样也有非changbo的氧化层。已经dedao证实的是,lv合金、不xiuganghe金都非changrong易fa生粘合磨损。金箔以zaibei捶da过程zhongfa生的“linghan”现象而bei持xushi用了糶aiian。

磨料磨损

    磨料磨损主要fa生zai当一个较硬的材料摩ca一个较ruan的材義ianbo=鸶丈爸剿mu帕i金属要硬,因ci它可以用来去chu金属蓌i膞iu,这种磨损是两物体磨损。ye金家采用金刚石抛光轮来产生超光滑的表面,这种磨损wei三物体磨损。两物体he三物体磨损均fa生zaipenwan过程zhong。

磨料磨损主要fa生zai当一个坚硬物体的磟hi诒砻婊鱠a一个较ruan物体的磟hi诙缺砻媸保缤?所示。当一个坚硬物体的磟hi诒砻婊鱠a一个较ruan物体的磟hi诙缺砻媸保欢ɑ嵊胁牧蟗ei去chu掉。zai这个例子zhong,较ruan物体表面的磟hi诿婊醔ei工zuo硬化zhidaobeidasui。

 

图4 两物体的磨料磨损

减少磨损的方fa

    材料选择he零件设计是减少磨损的两个主要因su。

材料选择

    zai材義i难≡穹矫媸芤嬗趎ai磨材義i木薮骹a展。muqian可选择的材料非chang多,因ci选择的过程就简化多了。一般情况下,人们会把硬度zuowei抗磨损的ping价指标,这是因wei硬度越高,抗磨损能li越强。这种假设zhi是zai具有相似微观结构的材料上cai能成立。

    图5采用图示的方fa薲e髁肆肆街挚鼓ニ鸷辖鹁哂邢嗤挠捕龋莙i微观结果却不相同的现象。单相材義i拿扛鼍Я5挠捕榷枷嗨啤6嗖牧xian欠莄hang硬祄u帕ian入dao较ruan基体蓌i桓鑫⒐垩筯enzhi能测shiqi平均的硬度。因ci,单相he双相这两謟hi牧峡赡芫哂邢嗤挠捕炔鈙hi结果。一种chang见的两相抗磨损的材料就是zai钴基材料zhongqian入碳化钨颗粒。这謟hi牧嫌刖哂型⒐塾捕鹊膅ang铁相bi,qi抗磨损能li更强。需要薲e鞯氖牵⒐塾捕妊箃ou是可以区fen两相材料zhong不同颗粒的硬度的。

    仅通过微观硬度值来选择抗磨损材義ian遣煌萍龅摹R欢ㄒ惨悸莇ao材義i奈⒐劢峁埂5牵绻街zhi牧暇哂邢嗨频奈⒐劢峁梗敲春苡锌赡芙嫌驳牟牧ximu鼓ニ鹉躭i更强。

 

图5 单相结构he双相结构

零件设计

    zai磨损环境zhong的所有零件的设计必须要满足一定祄u鼓ニ鹉躭i。对于供ying商heshi用方而言,商ye蓌imu悸鞘亲顆ei重要祄o欢ㄒ襠ao成本heshi用寿命的一个平衡点。例如,如果设计chu一个具有无限寿命的零件,那么供ying商jiang很快就没有任何备件生意了。从另一方面jiang,如果一个零件需要频繁的更换,那么shi用方的成本就会增加。这方面的一个典型例子就是电灯泡。抛wan设备设计的一个典型wen题就是如何减少抛touzhong的叶轮受dao大量磨损的不利影响。

    关于如何减少wan料he叶轮的磨损jiangzai本文zhong蟣v礁稣陆趜hongjin行讨论。

wan料磨损

    wan義ian莗enwan过程的核心要su。所有lei型祅ai枇xian趕hi用过程都会fa生磨损。但磨损lv又ge不相同。因ciwan料可以定义wei必要xiao耗品。wan義ian谀ニ鸸淌躣ao的最明xian的影响就是qizhijing会逐渐bian小。这个过程如图6所示。

    如果没有任何的修zheng措shi(定期的bu充wan義i敲茨ニ鸹嶙钪赵斐蓋an義i钠骄鵽hijing低于规fan的要求。如果采取了修zheng措shi(包括配备zhen动筛网he定期bu充wan義i敲磜an義i膠hijing可以一zhi保持wen定或者周期性的wen定。采取修zheng措shihou祅ai枇蟘hi寸bo动如图6所示。

 

图6 磨损对未修zhengwan義iú籦u充wan義i┮约靶込henghou祅ai枇xiǘㄆ赽u充wan義i┑腸hi寸影响


    wan料磨损的机理是基于氧化层的粉sui以及he零件产生了nian附zuo用。氧化层的粉sui产生粉砵ing庵址鄢臼且欢ㄒ錭hu掉的。nian附zuo用主要取jue于wan料he零件的相对化xue成fen。如果wan義i哪ニ鹇shi礁撸敲床扇∠鄖ing的修zheng措shi的频聅hi礁摺R騝i,具有低磨损lv祅ai枇暇哂泻艽蟮挠舠hi。

    wan義imu鼓ニ鹉躭i仅是选择wan義i闹诙嘁騭uzhi一。碳gangwan具有铸gangwan、gang切wanheshen碳wan糶ang帧:辖餲ang包括不xiuganghe高锰gang。高锰gang以qi优异祄u鼓ニ鹦阅芏琶Ⅻ/span>

    wan義i哪ニ鹂梢远ㄒ鍂eishi用过程zhongwan料质量的逐渐下降。wan料质量的逐渐下降又是hewan料体积的逐渐下降有关,因ci是hewan義i膠hijing逐渐下降有关。muqian还没有任何与wan料磨损zhi接相关的测shi标准或规fan。

    zaiJ445标准zhong包含了三个不同的ping定wan料nai用性的方fa。第一种方fa就是首先称取100g祅ai枇涎凡hi用该样品jin行penwan。运行一定周期zhihou(bi如500圈),把样品取chu并zai一定标准chi寸的筛网上jin行筛fen,ranhou对留zai筛网蓌inai枇蟡in行称重。对筛网上留存祅ai枇现亓縣e运行的圈数jin行绘图。当超过95%的100g原始wan料bei筛fenchu去zhihou,zheng个循环shi验结束。图7wei相yingshi验的数据。

 

图7 gai版hou的J445标准祅ai?

    zai图7zhong绘制的曲xian蟣u降穆躺鴜u是用规定的梯形方fajue定的。该区yubei1605圈对ying的zhixianAB隔成羓iang縡en。图7zhong的矩形ABCD的面积与绿色区yu的面积相同。矩形的shui平边CB的长度wei1605圈,J445把该累计的循环磜en蚥ei定义weiping价wan料nai用性的指标,该值越大,wan義i膎ai用性越强。

    J445标准zhong祅ai枇蟦ai用性测shi可以修zhengweiwan料磨损lv的zhi接表征方式。图8wei根据图7zhongJ445标准的数据绘制的曲xian。当wan料质量的损失wei50%时,可以假定筛网上留存wan義i氖縣e原始样品相同。对于球形颗粒而言,50%的质量损失意味着平均zhijing仅减少了20%。假设原始样品weiS660祅ai枇xi琿i平均zhijingwei0.066英寸,因ci循环dao1500圈时,wan料平均zhijing减少了0.0132英寸。把zhijing的减少量chu以循环圈数,就可以dedao一个zhi接的磨损lv的瞱enai这个例子zhong,磨损lv就是0.0132英寸chu以1500圈dedao8.8×10-6英寸每圈(224×10-6mm每圈)。

 

图8 采用J445标准zhong图1的数据推算质量损失wei50%时的循环圈数

零件设计

    眏ing温浣鰖ai纋i鄄忝鎗in行fen析如何gaijin零件设紁ing醇跎倌ニ稹R詒ong易磨损的抛touwei例jin行讨论。图9xian示了chuan统抛tou的结构zu成。

 

图9 一种典型的离心抛tou的结构示意图

    zai抛touzhong会形成很高的压li以及速度。加速器he叶片通chang具有相同的旋zhuan速度。例如,如果叶片的顶duanzaizhuan速60圈/秒的zhuan速下sao过的周长wei1.0m,那么wan料bei甩chu去的速度至少能够达dao60ms-1。zai同样的例子zhong,如果加速器sao过的周长wei1/3米(zhijingwei53mm),那么wan料jin入控制舱的速度达dao了20ms-1。wan料以770倍的重li加速度带入dao加速器he控制舱的界面蓌i?70倍重li加速度的来源wei圆周速度的平方chu以旋zhuanzhijing,即[(20ms-1)2/0.053m=7540m.s-2=770g,qizhongg=9.8m.s-2]。

    当wan料沿着叶片jin行移动时,jiang会fa生抛tou的两物体磨损,qizhongwan料wei第一物体,叶片wei第二物体。另外一个例子就是当wan料击da零件时,会zai零件表面形成凹kang。fa生三物体磨损的一个例子就是当wan料beikazai图9的加速器he控制舱zhi间蔮oⅫ/span>

    随着压lihe移动速度的增加,磨损lv会增加。减少磨损lv的一个方fa就是减少加速器的zhijing,因ci也可以减少wan義i囊贫俣萮e离心li。但是,这种方fa也会带来几个wen题。qizhong一个就是叶片的长度一定会占据zheng个抛蚮en眏ing的一大部fen。长的叶片jiang会shi甩chu去祅ai枇鞑桓鱿喽越洗蟮纳煺菇恰A硗庖桓鰓en题就是wan料通过控制舱的chu口会更加的困难,这主要是因wei把wan料推chu控制舱的离心li降低了,同时也因weichu口cao占据羢i刂撇盏母嗟牟縡en。不受wan流影响祄u傻鹘诘囊镀畲笫克孀乓镀ざ鹊脑黾踊嵯陆怠Ⅻ/span>

    但是,通过零件设计的优化也可以降低磨损lv。设计优化需要zai不降低加速器zhijing的qian提下降低wan義i囊贫俣取ai这里jiang提供一种gaijin方fa,xiwang能够减少磨损lv,增加wan流的jizhong度以及减少零件的数量。

可能的gaijin措shi:

    gaijin措shi包括:

    (a)不采用fen离式的静态控制舱,取而代zhi的是每一个叶片对ying一个chu料口;

    (b)shi加速器上chu口的数量少于叶片的及qichu口的数量;

    (c)shi加速器的旋zhuan速度高于抛tou的旋zhuan速度。该速度可以shi加速器hechu口cao的速聅hi剑运莦ai圆周上zhi有zai一个点上cai能重合。

    加速器的旋zhuan角速度一定要bi叶片的高,相ying的bi例wei叶片的数量he加速器chu口cao的bi值。zai图10zhong,总gong有8个叶片,7个加速器chu口cao。因ci加速器的旋zhuan速度ying该wei叶片的8/7倍。zhi所以设定这个bi例,主要是要shi加速器chu口he叶片的入口zhi能zai相同he固定的位置上重簒i缤?0zhong的P点。当抛touzhong加速器he叶片的角速度以及chu口的数量相同时,这种重合就能实现。

    以上所建yi的gaijin措shi会带来一些优shi。最重要的优shi就是zai一定的加速器he叶片chi寸的qian提下,移动零件的相秠uan砻嫠俣ran醖edao很大的降低。例如,对于具有八个叶片的抛tou,qi相对的表面速度可以从35m.s-1降低dao5m.s-1。这会shidewan料、加速器he叶片的磨损lv大大降低。第二个优shi就是可以shi基本的零件(包括加速器、控制舱he叶片)数量减少。这就意味着相ying的磨损也会减少。zai磨损减少祅ai保枰黾右镀琱e加速器的chi寸,以适ying更多的叶片数,也shidewan流更加jizhong。

 

图10 gaijinhou的具有八个叶片的叶轮

控制舱wan料zhuan移的机理

    wan義ian赾huan统抛touzhong的zhuan移过程fenwei羓iang剑海?)wan料必须从加速器chu口caochu去以及通过静态控制舱chu口cao移动;(2)wan料必须通过移动的叶片jin行收ji。采用蓌ian鼋▂i的xi蚦hang瑆an料可以zhi接zhuan移dao叶片上。这两种wan義i牟煌脑硕绞饺缤?1he12所示。wan義ian赾hu口cao的移动过程包含了“链球”he“爆管”的lixue效ying。当wan義i囊贫俣葄ai加速器方向上达dao900时,这两謟honging都不会fa生明xian的zuo用。

    chuan统抛touzhong的chu口cao祄u矶纫欢╠e是加速器chu口cao的几倍,这样wan料就更加rong易地从加速器zhuan移dao控制舱zhong。wan料会沿着“无人区”jin行移动一zhidao达移动的叶片表面上。zhiqianchu口cao的表面的絨ian确莄hang尖rui襶uan阌诎褀an義i雂ao叶片表面上。wan料bei叶片收jidaohou会zai离心li的zuo用下沿着叶片移动一zhidao叶片的顶duan。

    通过所建yi的gaijin,一旦加速器chu口he叶片蓌i腸hu口重簒ian保瑆an料会zhi接zhuan移dao移动叶片的根部。需要特别指chu的是,chu口cao的速度要bichuan统的要更小。对于“8/7”gaijin的抛tou,相ying的运动速度要bichuan统的man七倍。这就意味着gaijinhouxi统的chu口cao不需要bi加速器的chu口宽de多,因wei对于wan義i萪ai从chu口zhuan移chu去的时间延长了7倍。gaijinhou祅ai枇蟴huan移与chuan统相bimu的性更强,更加有序。

 

图11 chuan统的chu口cao设计


 

图12 gaijinhou的chu口cao设计


结论

    zai没有润滑的零件zhi间的磨损是永远不会xiaochu祄o强梢源硬牧蟞e零件设计方面把磨损降低dao最大化。众多的研jiu表明,zai一定的接触lihe材義i奶跫拢哟ニ俣萮e磨损lv是成xian性zhengbi的。要gaijin任何的pen抛wan设备,减少磨损,需要对磨损的机理有基本的葂ian丁Ⅻ/span>

    zaimuqian的规fanhe标准zhong还没有明确规定wan義i哪ニ餷v。zai关于wan料nai用性方面的升版hou的J445标准zhong给chu了zhi接计算wan料磨损lv的方fa。wei减少磨损,关于wan義i难≡袷莃i较负责祄o枰悸侵诙嘁騭u。wan義ian褂谜遺ai购mai时一定要综合考虑ge个因su。

    zai本篇文章zhong的抛tou的优化设计是纯粹的xue术研jiu,有可能zai实际zhongjin行重新设计。

    对于设眊ang圃斐Ъ遥岣呱璞傅mu鼓ニ鹦阅苁且桓鲇篮悴籦ian的mu标。这就需要zai成本he性能zhi间寻找一个平衡点。例如,如果zhi是简单地购mai最便襰huonai枇xi敲词导实木眯б婵隙ê懿睢6硪桓黾玠uan的例子就是,如果厂家chu售祅ai枇夏芄挥纉iushi用,那么这个厂家很快就没有houxu的订单了。