中圖分類號：TS733+.3 文獻標識碼：A DOI：10.11980/j.issn.0254-508X.2025.04.015

作者簡介：，在讀碩士研究生；主要從事微小磨損間接測量等方面的研究。

Experimental Studyon Wear Measurement of High ConsistencyRefiner Plate Based on Resistance Method

CHENHuiqin'ZHANG Zhiyi2*LIShishen1 （1.CollegeofMechanical Engineering，Beihua University，Jilin，JilinProvince，; 2.Engineering TrainingCenterofBeihua University，Jilin，JilinProvince，） （*E-mail： zyzhang6@163.com）

Abstract：Amethodwasproposedforolinemeasurementofgridingplatewearusingawearod.IndirectdetectionofmicrowearofdiferentwearrodmaterialssuchsQ2arbstel，Calstel，HSspedsteel，andgroealloysteet using the resistance method，and the relationship between voltage（ U ）and wear amount（ X ）under different materials and shapes of high chrome alloy steel was explored. The effect of current on the U-X curve was also investigated，and a quadratic regresson model was established to describe the relationship between U and X . The results showed that under a given current， the U X curves of the four materials and diferentshapesofoealystleidaoveallicreasingtredAstheaireass，geofsquareadclidical high chrome alloy steel increased uniformly and significantly.The current basicallydid not affct the U-X curvevariation trend of square and cylindricalighoeallstee.TeperfoaceiicatorsSEadMAEfopredictingtearofclidricalgholel were 0.005 68 and 0.004 66，respectively.

Key words：high consistency refiner；wear rod；wear measurement；characteristic curve；fitted model

造紙工業(yè)是國民經濟的關鍵基礎產業(yè)，其發(fā)展水平體現(xiàn)國家或地區(qū)的科技與經濟實力。在發(fā)達國家，造紙工業(yè)已成為支柱產業(yè)，具有重要地位。打漿作為紙張生產過程中的一個核心環(huán)節(jié)，對紙張的質量具有直接且顯著的影響。高濃磨漿機是磨漿過程中的核心設備，具有槳種適應性廣、磨漿能耗低等優(yōu)點，外加其適用于機械法制漿和高濃打漿的優(yōu)勢，在紙張生產中比其他磨漿設備使用范圍更廣[2-3]。

在磨漿機工作過程中，由于磨片受到持續(xù)擠壓以及與纖維間的摩擦，磨片磨損不可避免，進而導致磨漿間隙逐漸變大，直接影響紙漿質量和得率[45]。May[6]提出在1個磨盤一側邊緣固定1塊磁鐵，另一磨盤邊緣放置6個感應線圈，當磨盤旋轉致使磁鐵依次通過各線圈時，線圈中將產生感應電流，其電流幅值即反映磨盤間隙。但該方法只能檢測磨盤邊緣的局部間隙，不能檢測到磨片磨損量。Edgars提出將電感式位移傳感器從內部嵌入到定盤磨片里，可測得傳感器表面分別到動盤磨齒頂端、槽底的距離，當動盤磨轉動時，齒頂端和槽底的變化引起檢測值的波動，由此可推斷出磨片磨損量及磨盤間隙。王寶金8、張輝采用電渦流傳感器實現(xiàn)了盤式磨槳機齒盤動態(tài)位移的實時測量，但這種方法將傳感器安裝在磨區(qū)內部，其探頭會磨損，檢測成本非常高。劉慶立等設計了一種磨損檢測棒，通過檢測該棒的磨損量即得磨齒磨損量，但實際磨損量少使得檢測棒移動位移小，且該檢測原理所利用的滑動變阻器靈敏度較低，無法完成實時在線測量?？傮w而言，目前利用電磁感應原理來檢測磨漿間隙的方法較多，由于無法準確測量磨片磨損量以及漿料雜質等對傳感器的影響，很難檢測到實際磨盤間隙[11-2]

在大功率磨漿機內部高速、高壓、高溫這種極端的環(huán)境下，磨片一直處于動態(tài)磨損，實時且精確測量磨片磨損量是一項極其困難且復雜的工作。本研究基于同步磨損的思想，將特定磨損棒安裝于定盤研磨區(qū)內，提出用電阻法進行磨損檢測。為選擇合適的磨損棒，對Q235低碳鋼（簡寫為Q235）、 4 0 C r 合金鋼（簡寫為 4 0 C r ）、HSS高速鋼（簡寫為HSS）和高鉻合金鋼及不同形狀高鉻合金鋼進行磨損實驗，進一步從原理上對電阻法用于4種材料及不同形狀高鉻合金鋼磨損測量進行可行性研究，為真正實現(xiàn)精確測量磨片磨損量提供了原理方法和理論依據(jù)。

1研究原理

1.1磨片磨損檢測原理

將磨損棒安裝在定盤磨片的固定位置，如圖1所示，該棒被嵌入定盤磨齒的表面，并確保其頂端與磨齒的齒面保持平齊，當磨漿機正常工作時，磨齒齒面與磨損棒頂端同步磨損。因漿料成分較復雜，可能會導電，并且盤片也會導電，故采用絕緣的樹脂材料將磨損棒外部包裹，絕緣層安裝如圖1所示。因此，通過測量磨損棒自身的磨損量，即可間接獲取到磨齒表面的實際磨損量。

1. 2 實驗原理

本實驗磨損測量原理如圖2所示。以給定直流電流1通過導體，根據(jù)歐姆定律，電流1計算見式（1）。

式中， U 為測量點間導體的電壓降， μ V ; R 為等效電阻， μ Ω 。

根據(jù)電阻定律，對一段面積恒定的均勻導體，其電阻 R 計算見式（2）。

式中， ρ 為導體電阻率， ; L 為測量點間導體的長度， mm ； s 為導體的橫截面積， h 為導體的高度， mm ： d 為導體的寬度， m m 。

當導體磨損厚度 X 后，代入式（②得導體磨損后測量點間的等效電阻 計算見式（3）。

式中， X 為沿高度 h 方向磨去的厚度， m m 。

將式（3）代入式（1）得磨損后測量點間的電壓降 見式（4）。

綜上可知，磨損棒的磨損測量具體原理為：當磨損棒未磨損前，測得其兩點間的電壓降為 U ，當磨損棒磨損厚度 X 后，再次測量該兩點間的電壓降為 由于磨損導致磨損棒的橫截面積減小，根據(jù)式（2），電阻R增大，同時電流 保持恒定，根據(jù)式（1）可以得出 。磨損前后的電壓變化 ，即為磨損量變化。

2實驗方案

2.1 實驗組確定

本研究實驗采用Q235、 4 0 C r 、HSS（牌號W 1 8 C r 4 V ）、高鉻合金鋼4種材料，研究其磨損實驗特性。將4種材料加工成一定形狀供研究用，如圖3所示。實際磨漿機磨片材料為高鉻合金鋼（鉻含量gt; 2 0 % ），磨片單元如圖4所示，本研究中高鉻合金鋼試件均從磨片單元中截取而得。Q235、 4 0 C r 、HSS3種材料物理性能指標如表1所示。

2.2實驗裝置與方法

本研究采用四線制測量法[13-14]，將試件一側通過磨床磨削至一定厚度（從0起分別以0.10和 0 . 5 0 m m 2種間隔增量組）后，先用2對導線中的1對導線連接試件與電流源，另一對導線連接試件與數(shù)顯萬用表進行電壓的測量，且連接時保證電源與萬用表的正負極極性相互對應。實驗主要通過逐步增加電流的大小來觀察在特定電流條件下4種材料磨損前后的電壓變化，電流增量為 2 A 。磨損測量實驗裝置如圖5所示。

3結果與討論

3.1不同材料的磨損實驗結果

對Q235、 4 0 C r 、HSS和高鉻合金鋼進行磨損實驗，所得結果如圖6所示。由圖6可知，在給定電流下，4種材料的電壓-磨損量（U-X）曲線整體均呈現(xiàn)增長趨勢。和Q235、 4 0 C r 相比，HSS和高鉻合金鋼的U-X曲線總是持續(xù)且穩(wěn)定的增長，無明顯突變點，增長趨勢較好。對比Q235和 4 0 C r ，施加較小電流（2A）時，2種材料的 U-X 曲線均有異常點，且增速不穩(wěn)定；當逐步增大電流，（如4、6、8A）時，隨著磨損厚度的增大，所測 4 0 C r 的電壓開始均勻增長，無明顯波動的點。

對比4種材料的 U-X 曲線，當 X 從0增大到 4 m m 時， U 增幅隨電流變化如圖7所示。由圖7可知，總體來看，隨著電流的增大，各材料的 U 增幅隨電流變化均呈現(xiàn)下降趨勢。電流為2A時，Q235的電壓 U 從4 5 . 6 μ V 上升到 6 7 . 9 μ V ，上升幅度為 4 8 . 9 % ： 4 0 C r 的電壓 U 從 5 7 . 6 μ V 上升到 7 8 . 3 μ V ，上升幅度為 3 5 . 9 % ：HSS的電壓 U 從 1 0 8 . 8 μ V 上升到 1 3 7 . 6 μ V ，上升幅度為2 6 . 5 % ；高鉻合金鋼的電壓 U 從 7 1 4 . 5 μ V 上升到9 0 7 . 5 μ V ，上升幅度為 2 7 . 0 % 。由于在電流較小時，根據(jù) U = I ? R ，磨損引起電阻的微小增加，這種變化對電壓的影響更敏感，這就使得電壓大幅度增加。

當電流為6A時，Q235的電壓 U 從 1 3 6 . 4 μ V 上升到 1 7 5 . 6 μ V ，上升幅度為 2 8 . 8 % ；當電流為8A時，4 0 C r 的電壓 U 從 2 3 0 . 4 μ V 上升到 2 9 6 . 8 μ V ，上升幅度為 2 8 . 9 % 。在這2種參數(shù)下，短時間的磨漿工作，可以分別利用Q235和 4 0 C r 作為加工磨損棒的材料，進而降低成本，但Q235和 4 0 C r 的耐磨性和硬度遠不及高鉻合金鋼，在磨片長期與漿料摩擦過程中，會遇到更快的磨損，導致更頻繁的檢測棒更換，進而增加加工成本。

總體而言，在磨損過程中，HSS和高鉻合金鋼電壓變化相對均勻，且高鉻合金鋼有更大的增長幅度。表明高鉻合金鋼磨損量對電壓的影響較HSS更顯著，電壓對磨損量的變化更敏感，更適合作為磨損棒材料長期使用。

3.2不同形狀的高鉻合金鋼材料的磨損實驗結果

對不同形狀（方形、帶齒方形和圓柱形）的高鉻合金鋼材料進行比較，給定不同電流下的磨損實驗結果如圖8所示。由圖8可知，3種不同形狀試件的 U-X 曲線整體變化趨勢均是上升的。隨著磨損厚度的增大，所測方形和圓柱形高鉻合金鋼的電壓線性增大，而測得帶齒方形的電壓值有突變減小的點。逐步增大帶齒方形材料2端所通電流，其 U-X 曲線增長趨勢逐步穩(wěn)定。

對比高鉻合金鋼3種形狀，當 X 均從0增大到2 m m 時， U 增幅隨電流的變化如圖9所示。由圖9可知，當電流為2A時，方形高鉻合金鋼的電壓 U 從7 1 4 . 5 μ V 上升到 7 8 8 . 0 μ V ，上升幅度為 1 0 . 3 % ；帶齒方形高鉻合金鋼的電壓 U 從 3 5 5 . 0 μ V 上升到 3 6 3 . 5 μ V 上升幅度為 2 . 3 9 % ；圓柱形高鉻合金鋼的電壓 U 從2 4 4 . 5 μ V 上升到 3 6 0 . 0 μ V ，上升幅度為 4 7 . 2 % 。隨著磨損量增加，圓柱形高鉻合金鋼的電壓上升幅度最大，帶齒方形高鉻合金鋼的電壓增幅最小，平均值僅1 . 6 3 % 。

綜上可知，對于3種形狀的高鉻合金鋼材料，帶齒方形因其齒狀而有縫隙，每磨1次厚度，減少的橫截面積較小，導致電阻變化小，故電壓增大的幅度較??；圓柱形材料在磨損后，其橫截面積減小，但邊緣部分由于形狀的變化可能導致電流分布的不均勻，電流密度在橫截面積減小的區(qū)域會相對增加，從而引起電阻的較大變化。這表明對于圓柱形高鉻合金鋼，其磨損量對電壓的影響更為顯著，微小磨損會引起較大的電壓變化。

3.3電流對 U-X 曲線的影響

將Q235、 4 0 C r 、HSS和高鉻合金鋼通過磨損實驗所測得的電壓數(shù)據(jù)均進行歸一化處理，結果如圖10所示。由圖10可知，在不同電流下，4種材料的電壓變化整體均呈現(xiàn)上升趨勢。對于Q235，不同電流下，其 U-X 曲線穿插有局部短暫的下降趨勢。對于 4 0 C r ，在電流為2A時，電壓隨磨損量的波動變化較大，當電流為4A后，曲線開始較均勻增長。對于HSS、圓柱形及方形高鉻合金鋼，在不同電流下，U-X曲線總是穩(wěn)步上升，整體呈現(xiàn)為單調遞增的態(tài)勢。對于帶齒方形高鉻合金鋼，其 U-X 曲線總體上是增大的，但電流對曲線趨勢影響極大，特別是電流為2A時，電壓隨磨損量增加有明顯的下降趨勢，存在很顯著的突變點。

綜上可知，Q235和 4 0 C r 材料由于電阻率穩(wěn)定性和耐磨性較差且易受電流熱效應影響，因此電壓隨磨損量變化波動較大。方形及圓柱形高鉻合金鋼因其優(yōu)異的理化性質，在不同電流條件下電阻變化穩(wěn)定。對于帶齒方形高鉻合金鋼，由于其復雜的形狀和邊緣結構，電流在通過時會在齒和齒槽之間形成復雜的分布，這種分布不僅取決于導體的整體電阻，還受到齒的形狀、大小、排列以及齒縫寬度等因素的影響，故電流分布的變化可能是非線性的，導致電壓變化不明顯但波動較大。這表明高鉻合金鋼材料在磨損過程中的性能更穩(wěn)定，且圓柱形高鉻合金鋼作為磨損棒是可行的。

3.4電壓與磨損量關系模型

考慮到安裝和密封的方便性，選用圓柱形高鉻合金鋼作磨損棒在線檢測磨槳機磨片磨損量。為了滿足模型建立的單位一致性，將采集的原始電壓數(shù)據(jù)進行單位轉換， μ ν 轉換為 m V ，并對數(shù)據(jù)作最小二乘擬合，得到電壓 （ U ） 與磨損量 （ X） 關系如式（5）所示。

對電壓與磨損量數(shù)據(jù)進行二次回歸擬合，結果如圖11所示。由圖11可知，電壓與磨損量數(shù)值能較好地分布在擬合曲線附近。該回歸模型的判定系數(shù) 0 . 9 9 0 0 7 ，并且F檢驗的 P 值 lt; 0 . 0 1 ，因此，電壓與磨損量的二次回歸模型符合檢驗標準，表明該模型成立。

針對模型性能評價指標，選擇平均絕對誤差（MAE）、均方根誤差（RMSE）進行評價，結果如表2所示。由表2可知，MAE與RMSE分別為0.00466和0.00568，表明該模型在預測磨損狀態(tài)上具有較高的準確性和精度。

4結論

本研究提出了利用磨損棒在線測量磨片磨損量的方法，并基于電阻法的原理，實現(xiàn)了導體微小磨損的間接測量。通過對Q235低碳鋼、 4 0 C r 合金鋼、HSS高速鋼和高鉻合金鋼4種材料進行磨損實驗，

探討了不同材料、不同形狀的磨片電壓與磨損量關系。

4.1在給定電流下，電壓 （ U ） 隨著磨損量 （ χ） 增大呈現(xiàn)上升趨勢，且高鉻合金鋼的電壓均勻且大幅度的上升。對比不同形狀的高鉻合金鋼，方形和圓柱形高鉻合金鋼的 U-X 曲線呈現(xiàn)出一種持續(xù)且穩(wěn)定的增長趨勢，電流對其特性曲線基本無影響。

4.2為便于安裝和密封，選用圓柱形高鉻合金鋼作為磨損棒在線檢測磨漿機磨片磨損，二次回歸模型對圓柱高鉻合金鋼磨損預測的均方根誤差、平均絕對誤差分別為0.00568、0.00466，證明了該模型對真實磨損棒磨損量數(shù)據(jù)的擬合程度高、異常值較少、解釋能力強。

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（責任編輯：宋佳翼）