【技术】辊压机辊套疲劳剥落机理分析

辊压机是水泥厂普遍采用的预粉磨系统，它由两个速度相同，作相对运动的辊子所组成。物料由上部喂入辊间的缝隙内，在双辊间受到挤压（挤压力一般认为可达300MPa），辊压机辊套所以辊压机主要以挤压破碎为主，起预破碎和预磨损的作用，其磨损属于高应力三体磨粒磨损，其工作原理如图1所示。辊压机的耐磨性主要是依靠条纹层来保证的。

　　图 1 辊压机工作原理

　　对于立磨、辊压机等耐磨堆焊工件尤其是辊压机在使用过程中经常会出现表面剥落掉块的情况，深度和面积不定，这都属于疲劳破坏的范畴。疲劳破坏是由于在零部件的局部高应力区，较弱的晶粒在变应力的作用下形成微裂纹，然后发展成宏观裂纹，裂纹继续扩展最终导致疲劳破坏。所以辊面除了保证耐磨以外，也要考虑抗疲劳剥落能力，因此辊压机辊面的材料必须有良好的塑韧性。

　　1 辊套疲劳失效分析

　　目前已知的材料疲劳极限得出了一个经验公式：

　　σ-1=0.5σb————————————（1-1）

　　σ-1——材料的疲劳极限

　　σb——抗拉强度极限

　　辊压机在正常使用情况下，其辊面所受到的挤压力范围是50-300MPa，一般情况下应该在200MPa左右，显然这个工作压力远低于辊压机常用的母体材料42CrMo钢(σb=1080MPa，σ-1≈540MPa)的疲劳极限，而辊压机的表面堆焊材料的疲劳极限更是远高于这个数值，以这个标准推论，辊压机只会发生磨损，不会发生疲劳剥落。而实际情况往往是在距辊面20-30mm的位置发生疲劳剥落。这一方面是条纹层的裂纹向下延伸，到达最大剪切应力的深度，而疲劳，另一方面就是在辊压机运行过程中出现意外情况而引起辊面压力在某处某时超过了材料的强度极限或在相当长的时间内超过了疲劳极限而使材料在最大剪切深度处产生了微裂纹。

　　辊压机的疲劳剥落是由循环变应力、拉应力、和塑性应变同时作用而造成的。循环变应力使裂纹形成，拉应力使裂纹扩展，塑性应变影响整个疲劳过程。如三者缺一，则疲劳不可能形成及扩展。

　　图2描绘了辊压机固定辊与活动辊以及之间物料的三体磨损系统。

　　图 2 辊压机三体磨损系统

　　位于两辊间隙中的物料的流动，形成了具有不同磨损机制的两个系统，如图中的区域I(满料密实阶段)和区域II（层压粉碎阶段和结团排料阶段）。区域I内的辊面受到物料的低应力磨粒磨损，而区域Ⅱ内的辊面同时受到物料的挤压和磨损，属于高应力磨粒磨损。在区域Ⅱ内，辊面由于磨损失效或由于挤压剥落而失效，两者哪一个处于主导地位，主要取决于辊面承受物料的磨损能力和辊体承受周期性变化的挤压力即抗疲劳的能力。

　　周期性变化的挤压力，使辊面发生了弹性变形，甚至塑性变形。在辊面下一定深度产生最大剪切应力，在该剪切应力的作用下，若辊体的疲劳强度低于疲劳剪切应力的最大值，则疲劳剪切应力最大值所处位置会产生疲劳裂纹，在疲劳剪切应力不断作用下，新产生的裂纹或在堆焊辊面过程中产生的原有裂纹不断扩展、增大，导致辊面的局部剥落，甚至大范围剥落，最终因挤压、磨损，辊面破坏严重而无法正常使用。

　　2 辊压机最大剪切应力深度分析

　　对剪切应力最大值所处位置的探讨是有必要的。确定了位置即深度，可以在此处提高辊材或堆焊层的疲劳强度，就提高了挤压辊的抗疲劳剥落的寿命。按纯弹性理论推算的数据——最大疲劳剪切应力距离辊面的深度，应该是物料与辊面接触的面积上辊面弧长的一半的0.786倍。

　　接触辊面辊面弧长L= Dπ×(γ÷3600) ————————（1-2）

　　D——辊压机直径

　　γ——咬入角

　　按照这个方法可以大概估算疲劳深度，但误差非常大，实际理论疲劳深度远小于此值。辊压对咬入角的积分计算，0.786b约为5.2mm。综上如果考虑到安全系数和数学模型的误差的话，那么，辊压机的最大剪切应力的深度是在10mm～15mm左右，正好是过渡层的深度，这可能也就是辊压机堆焊层设计的理论依据之一。

　　3结论

　　通过理论分析，辊压机的理论疲劳深度约为10～15mm。

　　1、辊径与疲劳深度成正比，辊径越大，其可能发生疲劳的深度越大；

　　2、咬入角与疲劳深度成正比，咬入角越大，可能发生疲劳的深度越大。咬入角γ的大小取决于物料的种类、粒度、形态及两辊的间隙、辊压、辊面状态（条纹形状）、辊径及转速等因素。影响最大的显然是辊缝间隙和辊压，辊缝间隙越小，辊压越大，都会使得咬入角变大，使得疲劳深度变深；

　　3控制合适辊缝，显然原始辊缝越小，物料的通过量也就越小，为了达到较高的产量就必须提高料仓的压力，将辊缝撑开强行增大通过量，这时，料柱升高，咬入角γ加大，同时辊缝间隙内的料饼密度增加，最小辊缝处的压力值也急剧升高，这些都会造成辊面压力更接近疲劳强度，并且与最大剪切应力的深度成正比，对保证疲劳寿命不利。

　　另外金属异物的密度和硬度远大于水泥熟料，因此进入金属异物会造成辊压的突然升高，甚至直接产生微裂纹，因此喂人辊压机的物料应尽可能地除铁彻底。系统中除了在进料皮带上设置除铁器外，还有必要在选粉机的喂料皮带上设置金属探测仪。而且在生产过程中，应确保金属探测仪与气动三通阀连锁畅通，反应快捷，以便及时排除物料中混杂的金属异物，避免金属异物在辊压机与V型选粉机组成的闭路系统中不断循环而反复损伤辊面。

　　总之，要保证辊压机在稳定、规范的操作规程内运行，才能够确保辊压机的疲劳寿命，最大的发挥效能。