黃奇鵬，武文斌*，孟 樂，高楊楊，李蒙蒙，侯寧沛,劉培康

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

磨輥是磨粉機(jī)的重要部件，對(duì)面粉品質(zhì)影響及設(shè)備性能起決定性作用。齒輥表面技術(shù)特性直接影響磨粉機(jī)的研磨效果、物料分級(jí)、流量平衡及生產(chǎn)操作指標(biāo)[1]。齒輥在研磨物料過程中伴隨著輥面磨損，使齒輥表面幾何特性產(chǎn)生變化，對(duì)能耗、研磨效果和齒輥壽命等相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生影響。張繼英[2]對(duì)磨粉機(jī)換輥前后小麥粉出粉率、粗細(xì)度、粉質(zhì)指標(biāo)及拉伸指標(biāo)進(jìn)行研究，得出磨粉機(jī)換輥后的小麥出粉率提高24.7%；且粉粒50 mm位置的力學(xué)特性均值降低，對(duì)影響面粉品質(zhì)較大。陳志成[3]對(duì)磨輥磨損過程的電流研究得到電耗與磨輥磨損呈正相關(guān)，磨輥使用3個(gè)月后電流增加12 A。齒輥磨損嚴(yán)重需進(jìn)行重新拉絲或換輥，換輥或拉絲過早會(huì)影響磨輥壽命、不必要的停機(jī)和磨輥拉絲帶來資本投入。換輥或拉絲過晚，不僅加快磨輥磨損速度，也影響物料產(chǎn)量、面粉品質(zhì)及增加能耗等，故準(zhǔn)確判斷齒輥磨損狀態(tài)至關(guān)重要。

磨輥根據(jù)表面技術(shù)特性分為齒輥和噴砂輥。噴砂輥的檢測(cè)是使用粗糙度儀。齒輥是在磨輥表面拉出具有一定參數(shù)磨齒的磨輥，主要用在皮磨系統(tǒng)。齒輥的表面技術(shù)特性由單位長(zhǎng)度齒數(shù)和特定參數(shù)齒型組成，齒型參數(shù)包括齒頂寬、齒斜度、齒角、齒深和齒槽面[4-5]。由于齒輥齒形不易測(cè)量，齒輥檢測(cè)方法較少，目前針對(duì)齒輥的檢測(cè)有4種方法，分別為傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)及方法、顯微測(cè)量方法、接觸式齒輥齒廓測(cè)量?jī)x、非接觸式光學(xué)齒型測(cè)量?jī)x和激光輪廓測(cè)量?jī)x。

1 傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)及方法

傳統(tǒng)上評(píng)定齒輥是否需要拉絲有3種方法，①直接通過手的接觸感知。未磨損的齒輥齒數(shù)分布均勻、齒面光潔、齒頂均勻一致和齒槽清晰等。而磨損嚴(yán)重的齒面，觸摸鋒面和鈍面有明顯棘手、剮手或粗糙感。該方法對(duì)技術(shù)人員的要求較高，需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)；②通過物料判定。通過評(píng)定磨下物粒度，溫度及麩皮含量等參數(shù)來判斷磨輥是否需要重新拉絲。前兩種方法檢測(cè)時(shí)間短，但因該兩種方法由經(jīng)驗(yàn)判定，無法量化，并且對(duì)操作人員的要求較高，需要有豐富的經(jīng)驗(yàn)，故推廣性較低[6]；③使用量具進(jìn)行測(cè)量。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量齒頂寬、齒深及齒距；角度測(cè)量?jī)x測(cè)量齒角，再根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)計(jì)算齒槽面積。該方法使用不同量具進(jìn)行測(cè)量造成累積誤差，且該方法操作相對(duì)繁瑣，一般應(yīng)用在磨輥生產(chǎn)廠家及磨輥拉絲廠家。

2 顯微測(cè)量技術(shù)

目前，顯微鏡技術(shù)已經(jīng)成為一項(xiàng)很成熟的測(cè)量設(shè)備，廣泛應(yīng)用在生物學(xué)、化學(xué)、工業(yè)和天文等行業(yè)。一些磨輥加工企業(yè)使用光學(xué)讀數(shù)顯微鏡(圖1)將微小齒型放大，通過觀測(cè)顯微鏡內(nèi)部的刻度線讀取齒輥表面參數(shù)。另一種是使用數(shù)碼顯微鏡(圖2)，將磨輥齒型顯示在顯示屏，通過顯微鏡上標(biāo)尺讀取齒輥的齒頂寬。這種檢查磨輥的方法比較簡(jiǎn)單，且價(jià)格合適，但由于制粉企業(yè)無法知道磨輥齒型磨損是否達(dá)到磨輥更換或修復(fù)的時(shí)間，所以顯微鏡技術(shù)在制粉企業(yè)一直沒有得到廣泛推廣。

圖1 讀數(shù)顯微鏡

圖2 數(shù)碼顯微鏡

3 接觸式齒輥輪廓測(cè)量?jī)x

布勒公司于2014年開發(fā)出一款齒輥輪廓測(cè)量?jī)x[7-8]，該款產(chǎn)品通過測(cè)量對(duì)比齒型磨損變化判斷是否需要拉絲和更換磨輥。其工作流程包括：準(zhǔn)備階段、測(cè)量階段和生成報(bào)告。

表1 齒輥輪廓測(cè)量?jī)x工作流程

測(cè)量時(shí)，將測(cè)量裝置固定在齒輥上，通過探針與輥齒的接觸進(jìn)行測(cè)量，探頭材質(zhì)為紅寶石，耐磨性較好。探頭與齒輥的接觸軌跡能夠以圖形方式顯示出齒型輪廓并評(píng)估其磨損情況，這為廠家提供了何時(shí)重新拉絲的依據(jù)。齒輥檢測(cè)報(bào)告分為三種：生產(chǎn)報(bào)告、技術(shù)報(bào)告和經(jīng)濟(jì)報(bào)告。生產(chǎn)報(bào)告是磨輥使用前測(cè)量的齒輥尺寸參數(shù)。技術(shù)報(bào)告是磨輥在使用后的測(cè)量參數(shù)，此次測(cè)量參數(shù)與最初尺寸進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估磨損程度。經(jīng)濟(jì)報(bào)告在技術(shù)報(bào)告的基礎(chǔ)上增加了利潤(rùn)評(píng)估。該項(xiàng)報(bào)告包括精確評(píng)估齒輥磨損變化，以提高產(chǎn)量、降低運(yùn)營(yíng)成本為目的來確定磨輥拉絲時(shí)間和更換時(shí)間，可將能耗降低約50%。該設(shè)備測(cè)量速度較慢，不能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。

4 非接觸式光學(xué)齒型測(cè)量?jī)x

2017年西班牙Balaguer公司研發(fā)出了一款新型磨輥檢測(cè)設(shè)備——光學(xué)齒型測(cè)量?jī)x（圖3）[9-10]。光學(xué)齒型測(cè)量?jī)x的出現(xiàn)具有革命性的突破，它使磨輥檢測(cè)時(shí)可避免人為因素產(chǎn)生誤差。此設(shè)備屬于光學(xué)儀器，不需要接觸齒輥表面就可以測(cè)量齒型參數(shù)。

圖3 光學(xué)齒型測(cè)量?jī)x

該設(shè)備具有三維可視系統(tǒng)，可將齒槽的三維圖形及參數(shù)信息顯示在屏幕上，操作簡(jiǎn)單直觀，攜帶方便，測(cè)量時(shí)可以快速而準(zhǔn)確地測(cè)出齒槽參數(shù)。將測(cè)到的數(shù)據(jù)與允許值進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)估確定磨輥是否需要拉絲或更換。測(cè)量參數(shù)主要包括：齒間距、齒頂寬、齒輥半徑、齒槽深度、鈍面和鋒面磨損、齒角和磨齒斜度等(圖4)。尺寸測(cè)量的精度可以達(dá)到4 μm，角度測(cè)量的精度可以達(dá)到±0.1°。如果其中測(cè)量結(jié)果超出允許范圍，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警提示。測(cè)量的信息可以通過局域網(wǎng)將測(cè)量參數(shù)傳輸至中央處理系統(tǒng)。

圖4 齒廓測(cè)量顯示圖

目前，測(cè)量?jī)x已更新出第二代產(chǎn)品（圖5），該設(shè)備配有8英寸顯示屏，在原有測(cè)量功能基礎(chǔ)上，外形體積減少1/3，尺寸為260×75×170 mm。測(cè)量精度提高，尺寸和角度測(cè)量精度分別能達(dá)到為2.2 μm和檢查大小±0.01°。

圖5 光學(xué)齒型測(cè)量?jī)x第II代

5 激光輪廓測(cè)量?jī)x

2019年10 月土耳其Yenar公司首次發(fā)布用于磨粉機(jī)齒輥檢測(cè)的激光輪廓測(cè)量?jī)x[11-12]，該設(shè)備利用激光技術(shù)自動(dòng)測(cè)量磨輥磨齒輪廓，測(cè)量精度高，測(cè)量參數(shù)主要包括：鋒角、鈍角、齒頂寬、齒深、齒間距、齒槽深度及齒槽弧度等(圖6)。該儀器測(cè)量齒型時(shí)通過局域網(wǎng)將測(cè)量結(jié)果傳輸至計(jì)算機(jī)，測(cè)量數(shù)據(jù)與理論輪廓數(shù)據(jù)通過對(duì)比得到測(cè)量偏差，計(jì)算機(jī)綜合測(cè)量結(jié)果自動(dòng)分析生成檢測(cè)報(bào)告。用戶根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定拉絲時(shí)間，優(yōu)化磨粉機(jī)中齒形磨輥的使用狀態(tài)。

圖6 激光輪廓儀測(cè)量過程

6 結(jié)論

目前，我國(guó)在磨輥測(cè)量技術(shù)方面還不夠完善，大部分企業(yè)是采用經(jīng)驗(yàn)來判定磨輥的磨損程度，一些大中型企業(yè)通過進(jìn)口測(cè)量設(shè)備來判斷齒輥是否需要拉絲。齒輥磨損影響面粉品質(zhì)及增加能耗，所以開發(fā)齒輥測(cè)量工具不僅可彌補(bǔ)我國(guó)在測(cè)量磨輥空缺，且對(duì)磨輥進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和檢修維護(hù)也十分重要。