第十jiu期 penpao丸过程中的磨损以及duice
发bu时间:2017/7/25 13:39:55

引 yan                                                                                                        

    pen丸工程师一般都会面dui磨损的问题。每一粒丸料he所有的pen丸设备都会或多或少地受dao磨损。一个pubian的例zi就是丸料在击da零件后受dao了磨损。另一个例zi就是Jack Plaster说过的“pao丸设备keneng是所有现代化设备中最具有zi我破坏特zheng的设备”。da量的坚硬丸料penda在没有任he润滑的零件表面上,因cichan生了极其严重的磨损问题。在一定程度上,丸料就xiang花椒,而pao丸设备就xiang一个巨da的胡椒磨,把丸義iaコ闪撕贩邸Ⅻ/span>

    在本文中,使用pao丸设备he击da的丸料lai解释pen丸工程师们经常yudao的磨损机理。这些机理chen为“粘zhou磨损”he“磨義iaニ稹薄U鈒iang种磨损机理都会yudao“liang物体”he“三物体”的情况,如tu1所示。

 

tu1 liang物体he三物体的磨损情况

    本篇文章同时也说明了应该如he选择he适的材料he进行he理的零部件设计lai减少磨损lv。同时,本文也dui如helai优化pao丸设备的设计进行了一些说明。

    dui于每一个pen丸设备中的零件,有这么一个谚yu都会适he,就是“一招xian,硑uan樘臁薄Ⅻ/span>

    磨损仅会发生在liang个物体jie触并chan生xiang互运动的情况。磨损lv是受daojie触压力hexiang互运动速度的影响。

    ke以用一个简dan的例zilai说明压力he速度dui磨损的影响。如果用sha纸dui一个jiu的以及生锈的阿尔门试pian进行摩擦,都知dao使用的力气越da,摩擦的速度越快,pao光的效果越好。如果xiang把liang个铁棒在摩擦的过程中差生火花,就需要摩擦的速度非常快。古老的zuan木取火的技术,就是使用jian锐的木棒在膉iu樯喜捎胓ong弦进行快速的旋zhuanlaichan生高压力he高速度进而chan生高热量,最终生成了火。

粘zhou磨损

    就如其名讂hi囊庖逡谎硓hou磨损发生在liang个物体表面互xiangjie触时。这种磨损也经常被叫做“擦伤”liang物体粘zhou后会在liang个表面上发生微hanjie的作用。刚jie触时liang个金属表面互xiang施压,在jie触点上xing成了微hanjie。“刚jie触”意味zhou表面已经完全没有了氧化保护。liang个表面的xiangdui运动会把粘zhou部wei的微小jie触点去除,从而zao成了磨损。tu2说明了微hanjie以及后续的材料去除过程。本段采用了 材料jie触时的状态lai说明了粘zhou磨损的初始发生过程。

 

tu2 微hanjie的xing成以及后续的材料去除过程

凹坑的xing成

    所有的非贵金属在暴耫ui趉ong气中时都会在表面xing成氧化保护ceng。如果该保护ceng受dao破坏,那么da气中的氧气将会快速的进行修复。需要zhi出的是,氧化ceng一般是非常脆的。dang一个丸粒击da零件时,丸粒将会发生dan性bianxing。该dan性bianxing足以dasui丸粒表面的氧化ceng。dang零件表面chan生一个凹坑时,凹坑的表面会发生dan性hesu性伸展。这种伸展同样会dasui零件的氧化ceng。ju一个典型例zi,一个凹坑的直径是其深度的十倍,那么其伸展lv为3%。这総u玠a地超过了氧化ceng眏iu淼难诱剐浴u3说明了上面例讁ou械纳煺gou獭BChu线的长度与yuan始的AC直线xiangbi伸长了3%。

 

tu3 典型的凹坑的尺寸

    氧是无法dadao丸粒he零件的jie触表面的。因ci襤uai灿衛iang个jie触表面互xiang施裧ua约盎iang运动。在pen丸的过程中,da量的微hanjie就因cixing成了并导致材料的去除。结果,粘he磨损就一定会出现。从微观上lai看,粘he过程ti升了凹坑的pao光外观效果。

粘he磨损的敏感性

    粘he磨损敏感性ke以采用金属表面氧化ceng的厚度lai表zheng。贵金属例如金有譸ao畋〉难趸痗eng(danceng),但是几乎都不进行pen丸。一些金属例如铝he铬也有zhou非常薄的氧化ceng,薄dao半透明的状态。铝he金he不锈钢同样也有非常薄的氧化ceng。已经得dao证实的是,铝he金、不锈钢he金都非常rong易发生粘he磨损。金箔以在被捶da过程中发生的“linghan”现象而被持续使用了糶ai辍Ⅻ/span>

磨義iaニ稂/span>

    磨義iaニ鹬饕⑸赿ang一个较硬的材義iaΣ烈桓鼋先淼牟牧xian薄=鸶誷ha纸所含的颗粒bi金属要硬,因ci它ke以用lai去除金属上的锈,这种磨损是liang物体磨损。冶金家采用金刚石pao光轮laichan生超光滑的表面,这种磨损为三物体磨损。liang物体he三物体磨损均发生在pen丸过程中。

磨義iaニ鹬饕⑸赿ang一个坚硬物体的粗cao表面击da一个较软物体的粗cao度表面时,如tu4所示。dang一个坚硬物体的粗cao表面击da一个较软物体的粗cao度表面时,一定会有材料被去除掉。在这个例讁ou校先砦锾灞砻娴拇謈ao面会県uaiぷ饔不眃ao被dasui。

 

tu4 liang物体的磨義iaニ稂/span>

减少磨损的fang法

    材料选择he零件设计是减少磨损的liang个主要因su。

材料选择

    在材料的选择fang面受yi于耐磨材料的巨da发展。目前ke选择的材料非常多,因ci选择的过程総u蚧嗔恕R话闱榭鰔ia,人们会把硬度作为抗磨损的评jiazhibiao,这是因为硬度越高,抗磨损neng力詊iao俊U庵旨偕柚皇窃诰哂衳iang似微观结gou的材料上才neng成li。

    tu5采用tu示的fang法说明了了liang种抗磨损he金具有xiang同的硬度,但是其微观结果却不xiang同的现象。danxiang材料的每个晶粒的硬度都xiang似。而双xiang材義ian欠浅S驳目帕G秗udao较软基体上,一个微观裧ou壑籲eng测试其平均的硬度。因ci,danxianghe双xiang这liang种材料keneng具有xiang同的硬度测试结果。一种常jian的liangxiang抗磨损的材料就是在钴基材料中嵌rutan化钨颗粒。这种材料与具有同样微观硬度的钢铁xiangbi,其抗磨损neng力更强。需要说明的是,微观硬度压头是ke以区分liangxiang材料中不同颗粒的硬度的。

    仅通过微观硬度zhilai选择抗磨损材義ian遣煌萍龅摹R欢ㄒ惨糽vdao材料的微观结gou。但是,如果liang种材料具有xiang似的微观结gou,那么很有keneng较硬的材料的抗磨损neng力更强。

 

tu5 danxiang结gouhe双xiang结gou

零件设计

    在磨损环境中的所有零件的设计bi须要man足一定的抗磨损neng力。dui于供应商he使用fang而yan,商业上的考lv是最为重要的,一定要找dao成本he使用寿命的一个平衡点。例如,如果设计出一个具觴ing尴奘倜牧慵敲垂┯ι探芸炀兔挥腥蝖e备件生意了。从另一fang面讲,如果一个零件需要频繁的更huan,那么使用fang的成本就会增加。这fang面的一个典型例zi就是电灯泡。pao丸设备设计的一个典型问题就是如he减少pao头中的叶轮受daoda量磨损的不利影响。

    关于如he减少丸料he叶聑hi哪ニ鸾诒疚闹衳ialiang个章jie中进行讨论。

丸義iaニ稂/span>

    丸義ian莗en丸过程的核心要su。所有类型的丸料在使用过程都会发生磨损。但磨损lvyou各不xiang同。因ci丸料ke以定义为bi要消耗品。丸料在磨损过程受dao的最明显的影响就是其直径会逐jianbian小。这个过程如tu6所示。

    如果没有任he的修正cuo施(定期的补充丸料),那么磨损会最终zao成丸料的平均直径di于规范的要求。如果采取了修正cuo施(包括配备zhen动筛网he定期补充丸料),那么丸料的直径ke以一直保持稳定或者zhou期性的稳定。采取修正cuo施后的丸料尺寸波动如tu6所示。

 

tu6 磨损dui未修正丸料(不补充丸料)以及修正后的丸料(定期补充丸料)的尺寸影响


    丸義iaニ鸬幕硎腔谘趸痗eng的粉sui以及he零件chan生了黏附作用。氧化ceng的粉suichan生粉砵ing庵址鄢臼且欢ㄒ宄舻摹pじ阶饔弥饕【鲇谕枇蟞e零件的xiangdui化xue成分。如果丸料的磨损lv越高,那么采取xiang应的修正cuo施的频lv越高。因ci,具有di磨损lv的丸料具有很da的优势。

    丸料的抗磨损neng力仅是选择丸料的众多因su之襤uan钢丸具有铸钢丸、钢切丸heshentan丸几种。he金钢包括不锈钢he高meng钢。高meng钢以其优yi的抗磨损性neng而闻名。

    丸料的磨损ke以定义为使用过程中丸料质量的逐jianxia降。丸料质量的逐jianxia降you是he丸料体积的逐jianxia降有关,因ci是he丸料的直径逐jianxia降有关。目前huai没有任he与丸義iaニ鹬眏iexiang关的测试biao准或规范。

    在J445biao准中包含了三个不同的评定丸義ia陀眯缘膄ang法。第一种fang法就是首先chen取100g的丸料样品并使用该样苀ang衟en丸。运行一定zhou期之后(bi如500圈),把样品取出并在一定biao准尺寸的筛网上进行筛分,ran后duiliu在筛网上的丸料进行chen重。dui筛网上liu存的丸料重量he运行的圈数进行绘tu。dang超过95%的100gyuan始丸料被筛分出去之后,整个循环试验结束。tu7为xiang应试验的数ju。

 

tu7 改ban后的J445biao准的tu1

    在tu7中绘制的曲线xiafang的lv色区yu是用规定的tixingfang法决定的。该区yu被1605圈dui应的直线AB隔成liang部分。tu7中的矩xingABCD的面积与lv色区yu的面积xiang同。矩xing的水平边CB的长度为1605圈,J445把该累计的循环次数就被定义为评jia丸義ia陀眯缘膠hibiao,该zhi越da,丸料的耐用性詊iao俊Ⅻ/span>

    J445biao准中的丸義ia陀眯圆馐詋e以修正为丸義iaニ餷v的直jie表zhengfang式。tu8为根jutu7中J445biao准的数ju绘制的曲线。dang丸料质量的损失为50%时,ke以假定筛网上liu存丸料的数量heyuan始样品xiang同。dui于球xing颗粒而yan,50%的质量损失意味zhou平均直径仅减少了20%。假设yuan始样品为S660的丸料,其平均直径为0.066英寸,因ci循环dao1500圈时,丸料平均直径减少了0.0132英寸。把直径的减少量除以循环圈数,就ke以得dao一个直jie的磨损lv的参数。在这个例讁ou校ニ餷v就是0.0132英寸除以1500圈得dao8.8×10-6英寸每圈(224×10-6mm每圈)。

 

tu8 采用J445biao准中tu1的数ju推算质量损失为50%时的循环圈数

零件设计

    本段落仅在理论ceng面进行分析如he改进零件设计lai减少磨损。以rong易磨损的pao头为例进行讨论。tu9显示了chuan统pao头的结gou组成。

 

tu9 一謟hi湫偷睦胄膒ao头的结gou示意tu

    在pao头中会xing成很高的压力以及速度。加速器he叶pian通常具有xiang同的旋zhuan速度。例如,如果叶pian的顶端在zhuan速60圈/秒的zhuan速xia扫过的zhou长为1.0m,那么丸料被甩出去的速度至少neng够dadao60ms-1。在同样的例讁ou校绻铀倨魃ü膠hou长为1/3米(直径为53mm),那么丸料进ru控制cang的速度dadao了20ms-1。丸料以770倍的重力加速度带rudao加速器he控制cang的界面上!770倍重力加速度的laiyuan为圆zhou速度的平fang除以旋zhuan直径,即[(20ms-1)2/0.053m=7540m.s-2=770g,其中g=9.8m.s-2]。

    dang丸料yanzhou叶pian进行移动时,将会发生pao头的liang物体磨损,其中丸料为第一物体,叶pian为第二物体。另外一个例zi就是dang丸料击da零件时,会在零件表面xing硈ha伎印7⑸锾迥ニ鸬囊桓隼齴i就是dang丸料被卡在tu9的加速器he控制cang之间时。

    随zhou压力he移动速度的增加,磨损lv会增加。减少磨损lv的一个fang法就是减少加速器的直径,因ci也ke以减少丸料的移动速度he离心力。但是,这种fang法也会带lai几个问题。其中一个就是叶pian的长度一定会占ju整个pao头直径的一da部分。长的叶pian将会使甩出去的丸流chan生一个xiangdui较da的伸展jiao。另外一个问题就是丸料通过控制cang的出口会更加的困难,这主要是因为把丸料推出控制cang的离心力降di了,同时也因为出口cao占ju了控制cang的更多的部分。不受丸流影响的ke调jie的叶pian最da数量随zhou叶pian长度的增加会xia降。

    但是,通过零件设计的优化也ke以降di磨损lv。设计优化需要在不降祎u铀倨髦本兜那皌ixia降di丸料的移动速度。在这里将ti供一謟hi慕鴉ang法,希望neng够减少磨损lv,增加丸流的集中度以及减少零件的数量。

keneng的改进cuo施:

    改进cuo施包括:

    (a)不采用分离式的静态控制cang,取而代之的是每一个叶piandui应一个出料口;

    (b)使加速器上出口的数羕e儆谝秔ian的及其出口的数量;

    (c)使加速器的旋zhuan速度高于pao头的旋zhuan速度。该速度ke以使加速器he出口cao的速lv同步,所以它们在圆zhou上只有在一个点上才neng重he。

    加速器的旋zhuanjiao速度一定要bi叶pian的高,xiang应的bi例为叶pian的数量簍u铀倨鞒隹赾ao的bizhi。在tu10中,总共有8个叶pian,7个加速器出口cao。因ci加速器的旋zhuan速度应该为叶pian的8/7倍。之所以设定这个bi例,主要是要使加速器出口he叶pian的ru口只neng在xiang同hegu定的wei置上重he,例如tu10中的P点。dangpao头中加速器he叶pian的jiao速度以及出口的数量xiang同时,这种重he就neng蔰i帧Ⅻ/span>

    以上所建议的改进cuo施会带lai一些优势。最重要的优势就是在一定的加速器he叶pian尺寸的前tixia,移动零件的xiang秠uan砻嫠俣ran岬胐ao很da的降di。例如,dui于具有八个叶pian的pao头,其xiangdui的表面速度ke襶uan?5m.s-1降didao5m.s-1。这会使得丸料、加速器he叶pian的磨损lvdada降di。第二个优势就是ke以使基本的零件(包括加速器、控制canghe叶pian)数量减少。这就意味zhouxiang应的磨损也会减少。在磨损减少的同时,需要增加叶pian簍u铀倨鞯某叽纾允视Ω嗟囊秔ian数,也使得丸流更加集中。

 

tu10 改进后的具有八个叶pian的叶轮

控制cang丸料zhuan移的机理

    丸料在chuan统pao头中的zhuan移过程分为liang步:(1)丸料bi须从加速器出口cao出去以及通过静态控制cang出口cao移动;(2)丸料bi须通过移动的叶pian进行shou集。采用蓌ian鼋ㄒ榈南di常枇蟢e以直jiezhuan移dao叶pian上。这liang种丸料的不同的运动fang式如tu11he12所示。丸料在出口cao的移动过程包含了“链球”he“爆管”的力xue效应。dang丸料的移动速度在加速器fang向上dadao900时,这liang种效应都瞙uan岱⑸飨缘淖饔谩Ⅻ/span>

    chuan统pao头中的出口cao的宽度一定得是加速器出口cao的几倍,这样丸料就更加rong易地从加速器zhuan移dao控制cang中。丸料会yanzhou“无人区”进行移动一直daoda移动的叶pian表面上。之前出口cao的表面的jiao度非常jian锐襶uan阌诎淹枇蟙anrudao叶pian表面上。丸料被叶pianshou集dao后会在离心力的作用xiayanzhou叶pian移动一直dao叶pian的顶端。

    通过所建议的改进,一旦加速器出口he叶pian上的出口重he时,丸料会直jiezhuan移dao移动叶pian的根部。需要特别zhi出的是,出口cao的速度要bichuan统的要更小。dui于“8/7”改进的pao头,xiang应的运动速度要bichuan统的慢七倍。这就意味zhou改进后蟙i车某隹赾ao不需要bi加速器的出口宽得多,因为dui于丸料等dai从出口zhuan移出去的时间延长了7倍。改进后的丸料zhuan移与chuan统xiangbi目的性更强,更加有xu。

 

tu11 chuan统的出口cao设计


 

tu12 改进后的出口cao设计


结论

    在没有润滑的零件之间的磨损是永远瞙uan嵯模莐e襶uan硬牧蟞e零件设计fang面把磨损降didao最da化。众多的yanjiu表明,在一定的jie触力he材料的tiao件xia,jie触速度he磨损lv是成线性正bi的。要改进任he的penpao丸设备,减少磨损,需要dui磨损的机理有基本的葂ian丁Ⅻ/span>

    在目前的规范hebiao准中huai没有明确规定丸料的磨损lv。在关于丸義ia陀眯詅ang面的升ban后的J445biao准中给出了直jie计算丸義iaニ餷v的fang法。为减少磨损,关于丸料的选择是bi较负责的,需要考lv众多因su。丸義ian褂谜咴趃oumai时一定要综he考lv各个因su。

    在本篇文章中的pao头的优化设计是纯粹的xue术yanjiu,有keneng在实际中进行重新设计。

    dui于设备制zao厂家,ti高设备的抗磨损性neng是一个永恒不bian的目biao。这就需要在成本he性neng之间xun找一个平衡点。例如,如果只是简dan地goumai最bian宜的丸料,那么实际的经济效yi肯定很差。而另一个极端的例zi就是,如果厂家出shou的丸義ia芄挥谰檬褂茫敲凑飧龀Ъ液芸炀兔挥泻笮亩ヾan了。