發(fā)布時間：2019-09-19 09:02

【摘要】：近年來我國的水泥產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，已成為世界上第一水泥生產(chǎn)大國。高壓輥磨機是水泥生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，而高壓輥磨機的核心部件就是用于擠壓和粉磨水泥生料和熟料的磨輥。磨輥在工作過程中承受著巨大的沖擊壓力和物料的磨損，多種應(yīng)力聯(lián)合作用磨輥導(dǎo)致相互疊加產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重降低其服役壽命，是亟待解決的重大技術(shù)難題。提高磨輥的服役壽命對于降低水泥生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率都有著重要的意義。實際生產(chǎn)中常用的提高磨輥壽命的方法是在磨輥表面堆焊一層或者多層耐磨材料，主要從材料或單一因素考慮解決，但是由于這類碾磨件的工作環(huán)境極其惡劣，即使部件服役壽命提高成本也大為提高，遠(yuǎn)不能滿足需要。 生物在億萬年的進(jìn)化過程中為適應(yīng)各種各樣惡劣的生存環(huán)境，不斷進(jìn)化出了具有某些特殊功能的特性。通過對穿山甲，潮間帶貝類等具有優(yōu)異表面耐磨特性的生物體表觀察發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其體表都是非光滑的；而對蜻蜓翅膀，樹葉的研究表明其表層不規(guī)則的紋路和翅脈葉脈結(jié)構(gòu)具有很好的抗疲勞和止裂作用。進(jìn)一步的研究表明，生物的優(yōu)良功能是多因素耦合作用的結(jié)果。 本文以水泥生產(chǎn)用的主要工作部件磨輥為研究對象，學(xué)習(xí)生物對生存環(huán)境高度適應(yīng)的生物耦合多功能表面系統(tǒng)，模仿生物材料、形態(tài)、結(jié)構(gòu)的耦合原理進(jìn)行磨輥的仿生耦合設(shè)計，發(fā)明了軟質(zhì)基體包嵌硬質(zhì)單元體和硬質(zhì)耐磨層鑲嵌軟質(zhì)強韌仿生骨架兩種軟硬相間的仿生耦合結(jié)構(gòu)磨輥(分別獲得了發(fā)明專利的授權(quán))。同步解決了現(xiàn)行磨輥耐磨性與抗沖擊能力相對立，無法同時滿足耐磨性和沖擊韌性的需求，要靠犧牲一方保證另一方，來解決多種應(yīng)力聯(lián)合作用產(chǎn)生疊加破壞這一技術(shù)難題。 系統(tǒng)研究了軟質(zhì)基體包嵌硬質(zhì)單元體耦合結(jié)構(gòu)的形狀、材料耦元因素及單元體大小、間距、凸起高度及材料成分等特征量，磨料、沖擊能量的大小等磨損因素，對軟質(zhì)基體焊熔硬質(zhì)單元體仿生耦合試樣沖擊磨損性能影響規(guī)律。單元體面積一定時，，圓柱型單元體能很好地包嵌圓柱型單元體其耐磨性最優(yōu)；單元體直徑變化對焊熔單元體組織基本沒有影響，其間距變大軟相區(qū)增大，在其上作的內(nèi)接圓直徑大于磨料公稱直徑時，磨料會直接作用在軟質(zhì)基體上降低耐磨性，單元間距徑為1mm時，試樣的耐磨性最優(yōu)；單元體在試樣表面的凸起高度為0.6mm時，耐磨性最好；單元體材料為高鉻鑄鐵時，在沖擊力較小時過共晶高鉻鑄鐵具有優(yōu)良的耐磨性，沖擊應(yīng)力較大時亞高鉻鑄鐵具有優(yōu)良耐磨性。高鉻鑄鐵中加入Nb或在合金中加入WC和TiC陶瓷，可以細(xì)化高鉻鑄鐵組織或生成新的碳化物，增加單元體硬度可增強耐磨性。 系統(tǒng)研究了硬質(zhì)耐磨層鑲嵌軟質(zhì)強韌仿生骨架耦合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、材料耦元及骨架網(wǎng)格直徑、網(wǎng)格面積、凸起高度及材料成分等特征量，對硬質(zhì)耐磨層鑲嵌軟質(zhì)強韌仿生骨架的仿生耦合試樣沖擊磨損影響規(guī)律。菱形網(wǎng)格能很好避免骨架的磨損，很好的固定耐磨層其耐磨性最優(yōu)；骨架網(wǎng)格直徑影響軟質(zhì)相在耐磨層中占的比例，軟質(zhì)相比例為25%左右耐磨性最佳；耐磨層凸起高度為0.6mm時，耐磨性最好；高鉻鑄鐵中加入Nb或在合金中加入WC和TiC陶瓷，可以細(xì)化高鉻鑄鐵組織或生成新的碳化物，增加耐磨層硬度可增強耐磨性。 研究結(jié)果表明，兩種軟硬相間的仿生耦合結(jié)構(gòu)都能獲得較佳的耐磨性能，其耐磨的機理是，仿生耦合結(jié)構(gòu)把原來通過單一因素或材料起作用改善耐磨性，變?yōu)椴牧稀⑽锢斫Y(jié)構(gòu)、形狀多因素共同起作用，軟質(zhì)相阻斷了耐磨層沖擊時產(chǎn)生的裂紋，防止擴(kuò)展成貫穿裂紋割裂耐磨層產(chǎn)生剝落；非光滑表面增加了磨料與耐磨層的接觸點，降低了接觸應(yīng)力減弱了沖擊破壞；軟質(zhì)相包裹硬質(zhì)相軟硬相間結(jié)構(gòu)，使其在受到?jīng)_擊時，軟質(zhì)相接受應(yīng)力產(chǎn)生部分變形消耗部分應(yīng)力，也減弱了沖擊破壞。裂紋阻斷效應(yīng)、應(yīng)力分散效應(yīng)和應(yīng)力吸收效應(yīng)綜合，使得仿生試樣耐磨性大大提高。 模擬磨損試驗驗證了兩種軟硬相間的仿生耦合結(jié)構(gòu)的抗磨性能，其規(guī)律與沖擊磨損相同，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了仿生耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)在亞泰集團(tuán)通化水泥股份有限公司，進(jìn)行了一系列的現(xiàn)場運行試驗。經(jīng)過運行監(jiān)測，研發(fā)的仿生耦合水泥磨輥比原廠家的磨輥耐磨性提高了一倍以上，使用壽命從原來的5300-7600小時提高到了12000-14000小時，直接經(jīng)濟(jì)效益約2300萬元，間接經(jīng)濟(jì)效益6000多萬元。
【圖文】：

圖 1.1 輥壓機碾輥表面磨損情況Fig. 1.1 Wear on the press grinding roller surface生物體為了適應(yīng)環(huán)境和滿足生存需要，在大自然優(yōu)勝劣汰的法則下進(jìn)化出各種各樣豐富的形態(tài)和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其各種因素如形態(tài)、結(jié)構(gòu)與材料等通過優(yōu)化耦合成為對生存環(huán)境具有最大適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性的系統(tǒng)。人類可以學(xué)習(xí)和模仿生物界，找出解決目前人類科技發(fā)展面臨的諸多問題的答案和方法。從工程仿生學(xué)的實用角度出發(fā)，經(jīng)過對具有優(yōu)良耐磨性能的生物體表分析表明，其獲得優(yōu)異耐磨性能是多因素共同作用的結(jié)果，主要起作用的是形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料等因素，他們通過相互作用組合起來，形成不同形式生物耦合獲得易于生存的耐磨功能。本論文根據(jù)生物耦合這一理論，在水泥耐磨部件表面模仿生物耦合結(jié)構(gòu)，采用堆焊技術(shù)焊熔耐磨性能優(yōu)良的材料，與原表面形成軟硬相間、強韌相濟(jì)的耐磨表層，制備抗沖擊、耐磨性能優(yōu)良的仿生部件。開辟制造抗沖擊、耐磨性優(yōu)良，材料和制造成本低廉的新型仿生耦合水泥耐磨部件的新途徑。

，兩者工作原理相近，輥壓機主要工作部件是由一對相向同步轉(zhuǎn)動其中一個為固定輥，一個為活動輥。物料進(jìn)入兩個反向旋轉(zhuǎn)的磨輥壓力作用下被粉碎，見圖 1.2。磨輥間是三體磨料磨損，即固定輥個輥子間物料相互作用的高應(yīng)力磨料磨損，物料在高應(yīng)力作用下，性、塑性變形，在亞表層不同深度會形成循環(huán)應(yīng)力(包括壓應(yīng)力和應(yīng)力超過材料的疲勞強度時，在表層形成裂紋，裂紋擴(kuò)展、搭接、磨損，磨輥的失效形式包括:正常磨損、過度磨損、不均勻磨損、體本體破壞等。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TQ172.632.5;TH117.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2538012