徐凱宏，劉曉蕾，米雅婷

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040)

世界能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占21%，石油占20%，天然氣占23%，核能占14%，可再生能源占22%［1］，而生物質(zhì)能源是唯一一種可再生的碳源［2］。生物質(zhì)能源是植物通過光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)為化學(xué)能［3］。農(nóng)作物秸稈資源量巨大，然而大量的農(nóng)作物秸稈并沒有相對(duì)成熟的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用模式，導(dǎo)致每年數(shù)億噸的秸稈浪費(fèi)，同時(shí)焚燒秸稈嚴(yán)重污染了大氣。20世紀(jì)初，秸稈燃料成型機(jī)相繼應(yīng)運(yùn)而生［4］，很大程度上解決了秸稈浪費(fèi)，環(huán)境污染的問題。平模成型機(jī)作為秸稈燃料成型機(jī)的主要設(shè)備之一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，適用于農(nóng)村區(qū)域生物質(zhì)燃料加工生產(chǎn)［5］。由于多種失效原因，平模成型機(jī)在生產(chǎn)過程中，往往達(dá)不到理論生產(chǎn)能力值，造成產(chǎn)量降低，能耗損耗增加等問題，因此，探討秸稈燃料成型機(jī)平模失效機(jī)理及改進(jìn)方案十分必要。

1 秸稈燃料平模成型機(jī)的工作原理

秸稈燃料平模成型機(jī)的核心部件是壓輥和平模，壓輥隨著主軸的驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)與物料摩擦產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，平模上有?？?，壓輥將物料壓入平模?？祝?］。在一定的壓力和溫度下，壓制為成型生物質(zhì)燃料，壓輥與平模間的壓制如圖1所示。

平模成型機(jī)由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、主軸、平模、壓輥、進(jìn)出料口、切刀等部分組成。物料由進(jìn)料口進(jìn)入機(jī)器，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過壓輥和平模之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將秸稈物料壓實(shí)到平模板上，形成最終具有一定形狀的生物質(zhì)燃料，并落入出料口，進(jìn)入收集裝置中。

圖1 平模成型結(jié)構(gòu)圖Fig．1 The structure of extrusion of flat die

2 平模失效機(jī)理研究

從失效形式來(lái)看，秸稈燃料成型機(jī)平模失效同其它模具的失效形式類似，主要有磨損、斷裂、塑性變形［7-8］。北京林業(yè)大學(xué)的德雪紅研究表明，在模具失效原因中，磨損、斷裂、塑變所占比例分別為70%、20%、10%［7］。結(jié)合秸稈燃料平模成型機(jī)實(shí)際工作情況，部件本身及加工條件兩方面涵蓋了平模設(shè)備失效原因。

2．1 部件本身

2．1．1 材 料

材料選擇不當(dāng)，造成設(shè)備提早報(bào)廢。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，秸稈燃料平模成型機(jī)設(shè)備及各主要部件根據(jù)采用的材料不同，使用修復(fù)周期見表1。模具選材要根據(jù)工作定額等考慮材料的耐磨性、強(qiáng)度、韌性、塑性等。

表1 平模設(shè)備使用修復(fù)周期Tab．1 The use and maintenance cycle of flat die

2．1．2 模具表面加工質(zhì)量

平模表面刀痕易造成模具斷裂;過燒容易降低模具疲勞強(qiáng)度;電火花造成的“白亮層”容易增加模具脆性。模具表面缺陷不僅造成早期失效還影響加工精度。

2．1．3 壓輥及平模結(jié)構(gòu)

影響秸稈燃料平模成型機(jī)的主要部件為模具［9］。不同的壓輥及平模的設(shè)計(jì)對(duì)壽命置信度有顯著影響。王維振［10］應(yīng)用 AWB的Fatigue Tool模塊研究表明，應(yīng)力隨著秸稈在模孔中的運(yùn)動(dòng)方向逐漸增大，同時(shí)，當(dāng)物料從?？字袛D出時(shí)，秸稈顆粒在擠出?？讜r(shí)，?？讖膹纳现料碌氖芰χ饾u增大，這為改進(jìn)平模模孔的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2．1．4 部件熱加工工藝

部件的熱處理主要包括預(yù)熱處理和最終處理，預(yù)備熱處理主要是加熱溫度、冷卻速度等的選取;最終熱處理主要是制定淬火工藝［11］。熱處理環(huán)節(jié)存在的問題一般為淬火硬度不夠、淬硬層深度不夠、韌性偏高等。不當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囈讓?dǎo)致模具變形和開裂，造成部件的早期失效。

2．2 加工條件

2．2．1 物 料

秸稈燃料平模成型機(jī)加工物料的粒度、含水率、含雜質(zhì)情況等均會(huì)影響設(shè)備的使用壽命和失效時(shí)間［12-13］。當(dāng)粒度過粗時(shí)，對(duì)模具磨損嚴(yán)重，不利于物料成型;物料的含水率對(duì)模具腐蝕磨損有一定影響;含雜可能會(huì)導(dǎo)致模具磨損甚至斷裂。

2．2．2 模具間隙和速度

(1)間隙。模具的裝備關(guān)鍵為壓輥和平模之間的裝配形式，二者之間的間隙過大，不利于形成最終一定形狀的燃料;間隙過小，加快了壓輥與平模之間的相互磨損，在剛剛啟動(dòng)設(shè)備和停止設(shè)備初，磨損尤為嚴(yán)重［14］。

(2)速度。壓輥與屏幕之間存在滑動(dòng)和滾動(dòng)兩類摩擦類型，平模轉(zhuǎn)速與主軸的轉(zhuǎn)速相同，通過物料帶動(dòng)壓輥圍繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，假設(shè)平模轉(zhuǎn)速無(wú)n1，壓輥轉(zhuǎn)速為n2，若二者不等時(shí)，物料將會(huì)在平模表面發(fā)生滑移位移［15］，對(duì)平模和壓輥表面造成正反向磨損，影響設(shè)備壽命。

2．2．3 潤(rùn) 滑

潤(rùn)滑不良導(dǎo)致設(shè)備各零件間摩擦阻力過大，進(jìn)一步加快了設(shè)備的磨損，導(dǎo)致設(shè)備功率降低，造成機(jī)械損壞［16］。使用有效的潤(rùn)滑油，減少兩承載表面之間的摩擦力［17］。

3 改進(jìn)方案

3．1 材料改進(jìn)

3．1．1 模具本身材料的選用

國(guó)內(nèi)外模具加工企業(yè)在優(yōu)化模具特性以及新材料的開發(fā)利用上作了大量工作。日本大同特殊鋼株式會(huì)社研制出一款高壽命的熱作模具鋼DHAWORLD，該材料的夏氏沖擊值達(dá)到20 J/cm2，淬透性和韌性都得到大幅度提升［18］。國(guó)內(nèi)新興高效的 模 具 鋼 中 3Cr3Mo3W2V、5Cr4W5Mo2V、5Cr4Mo3SiMnVAl的使用將模具使用壽命提高了數(shù)倍［19］。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙興濤采用氧化鋁陶瓷耐磨材料取代秸稈燃料平模車成型機(jī)上最易磨損部件收縮成型管，成功實(shí)現(xiàn)了500h的工程化測(cè)試。睢利銘［20］采用合金結(jié)構(gòu)鋼27 SiMn取代45號(hào)鋼作壓輥齒圈材料，同時(shí)采用滲透淬火工藝，實(shí)驗(yàn)中，壓輥的使用壽命長(zhǎng)達(dá)1 000 h。另外，采用德國(guó)、瑞士等將鋼二次精煉的方法，也是提高鋼坯質(zhì)量的有效途徑。以上新材料的應(yīng)用都為今后提高平模成型機(jī)使用壽命提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，新型材料的探索始終會(huì)是改進(jìn)平模失效的重要手段。

3．1．2 模具表面強(qiáng)化材料的選用

采用表面強(qiáng)化技術(shù)提高設(shè)備抗疲勞性，延長(zhǎng)壽命。表面強(qiáng)化技術(shù)一般有表面淬火、化學(xué)熱處理、表面覆層等。從原理上講，表面強(qiáng)化，一是提高表面硬度，二是減小摩擦系數(shù)。

(1)提高表面硬度。利用滲碳、滲金屬、滲硼、滲硫、氮化、氣相沉積等方法在模具表面形成一層金屬化合物硬化層，提高表面硬度和耐磨性［21］。

(2)減小表面摩擦系數(shù)。當(dāng)摩擦系數(shù)較大時(shí)，部件工作接觸面之間的滑動(dòng)極易造成塑性形變，通過使用軟氮化、蒸汽處理等方式，在表面形成非金屬播磨，較小摩擦系數(shù)，改善模具性能［22］。

3．2 工藝改進(jìn)

3．2．1 關(guān)鍵部件壓輥和平模的改進(jìn)設(shè)計(jì)

(1)平模改進(jìn)。杜曉龍等將平模工作面改進(jìn)為有5度的斜度，更加利于物料利用自身重力下滑，降低模孔堵塞率;同時(shí)，將模孔設(shè)計(jì)成有45°的錐角，方便物料進(jìn)入模孔;在平模改進(jìn)中如圖2所示，采用5圈模孔交錯(cuò)排布的方式，提高了生產(chǎn)效率和平模的使用壽命［23-24］。

圖2 改進(jìn)后的平模模型Fig．2 The model of improved flat die

王維振經(jīng)過?？撞煌课皇芰Ψ治觯瑢⒛？赘某慑F度0．04的錐孔，孔壁厚度隨應(yīng)力分布而改變，有效的增加了安全余量，成為改善平模失效的有效方案。東北林業(yè)大學(xué)的景果仙［25］采用了分層設(shè)計(jì)將模具分為上模和下模，較易磨損的上模采用合金鋼材料，而下模采用普通的45號(hào)鋼材料，在不降低模具耐磨性的基礎(chǔ)上，有效地降低模具生產(chǎn)成本，該方案為在能源日益緊缺的時(shí)期提出了寶貴的意見。

(2)壓輥改進(jìn)。傳統(tǒng)的壓輥為整體式直輥設(shè)計(jì)，存在易磨損，失效后更換不便，維修成本較高的問題。有效提高壓輥使用壽命的改進(jìn)措施主要有幾點(diǎn):

①壓輥芯和壓輥齒圈分離，形成組合式設(shè)計(jì)，只有壓輥齒圈材料使用合金，降低成本;②將壓輥齒圈外緣的直齒設(shè)計(jì)改進(jìn)為斜齒，增大物料和壓輥間的摩擦力，穩(wěn)定了壓輥運(yùn)行;③通過雙列圓錐滾子軸承取代傳統(tǒng)的壓輥軸承，軸承承載力提升1倍;④采用椎輥設(shè)計(jì)，比傳統(tǒng)的直輥所生產(chǎn)的燃料更加光滑緊密，工作噪音更小，使用壽命更長(zhǎng)。

3．2．2 熱處理工藝的改進(jìn)

針對(duì)部件加工中出現(xiàn)的表面氧化脫碳問題，采用真空淬火設(shè)備進(jìn)行熱處理，提高部件的硬度和耐磨性。另外，進(jìn)行二次精煉也是提高加工零件強(qiáng)度的有效途徑。生產(chǎn)過程中，根據(jù)材料不同，選用最為合適的熱處理工藝尤為重要。如生產(chǎn)Cr12MoV模具時(shí)，恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚍?①加熱至650℃，消除內(nèi)應(yīng)力退火;②800℃ ～820℃預(yù)熱保溫3小時(shí);③1 020℃ 淬火;④500℃回火;⑤990℃淬火;⑥200℃ 回火［26-27］。

4 結(jié)束語(yǔ)

秸稈燃料成型平模失效機(jī)理主要有部件本身和加工條件兩大方面，從根本上避免成型機(jī)失效是不切實(shí)際的，從模具加工設(shè)計(jì)、設(shè)備使用過程以及日常維護(hù)入手，進(jìn)行全面科學(xué)地管理和改進(jìn)，才是延長(zhǎng)設(shè)備壽命，增強(qiáng)耐磨性，盡可能使秸稈成型機(jī)實(shí)際生產(chǎn)在過程中的使用壽命接近理論生產(chǎn)能力值。

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