苜蓿的調制和加工是在確保苜蓿高產基礎上獲得優質、高效草產品的主要手段，加速牧草機具特別是加工機械的研究是苜蓿產業化順利發展的必然要求。從畜牧業生產資料的角度考慮，我國苜蓿飼草產品加工利用的主要方式采用加工配合飼料的環模顆粒機生產苜蓿草顆粒，已解決了苜蓿產業化生產中貯藏、運輸及飼喂管理的問題。
但是，由于苜蓿飼草的形狀和物理機械性能與普通飼料不同。研究表明，采用配合飼料加工機械來進行苜蓿草顆粒加工，因苜蓿草粉重量輕、粗纖維含量高，壓制苜蓿顆粒時當粗纖維含量超過15%就容易引起模孔的堵塞，在擠壓過程中達不到塑性體的基本條件，使物料的過模阻力增大、壓縮性差，從而影響顆粒的成形率和硬度。同時加工機械的磨損增大，產量降低，產量只有壓制普通顆粒的1/3～1/2，環模壓輥的壽命只有加工普通飼料的1/4。在環模制粒過程中，當顆粒的成型率下降至75%時即認為環模失效。本文對環模失效原因進行分析，用苜蓿草粉對環模常用材料3cm3進行磨料磨損試驗，用電鏡進行觀察分析，初步探究了環模磨損的磨損機制。
1、制粒過程與環模失效分析
1.1基本原理
環模在主動力的驅動下，以一定的轉速順時針旋轉。在制粒過程中，依粉料壓實程度可將環模分為三個區域。
1)供料區。指物料基本處于自然松散狀態，不受模輥作用，密度為0.4~0.7g/cm3。
2)壓縮區。隨著模輥的轉動，把物料帶入此區域，由于模輥之間空間驟小，粉料受到擠壓作用，粉粒間空隙逐步減小，物料產生不可逆的變形，因此密度也增至0.9-1.0g/cm3。
3)擠出區。物料被繼續帶至空間更小的區域，粉粒進一步靠緊、鑲嵌，相互接觸面積增大，產生較好的聯結，并被壓人模孔，經過在模孔中一段時間的飽壓作用，形成顆粒飼料，密度達到1.2～1.4g/cm3(即顆粒成型密度)。
1.2環模失效分析
在環模制粒過程中，當顆粒的成型率下降至75%時，我們稱之為環模失效。研究環模失效的原因，改善環模的使用條件。對提高產品質量和產量、降低能耗(制粒能耗占整個車間總能耗的30%～35%)、減少生產成本f環模損耗費用占整個生產車間維修費的25%以上）等方面具有重要意義。
經過對失效的環模進行觀察測量，從環模實際失效現象進行分析得出：
1)環模工作一段時間后，各出料小孔內壁磨損，孔徑增大，所生產的顆粒飼料的直徑超過規定值，導致環模失效。
2)環模孔的進料斜面被磨掉，擠壓的進料量減少，擠壓力減小，模孔擠不出料，模孔堵塞，導致環模失效（如圖2所示）。
3)環模內壁磨損后，內表面凹凸不平嚴重，使飼料流動受阻，出料量下降而停止使用（如圖3所示）。
4)環模內徑增大，壁厚減小；同時出料小孔內壁也隨著磨損，使各出料小孔間的壁厚不斷減薄，因而結構強度下降，在出料小孔的直徑增大到允許的規定值之前，在最危險的截面上首先出現裂紋并不斷擴大，直到裂紋延伸到較大的范圍而導致環模失效。
產生上述4種失效現象的實質性原因，歸納起來，首先是磨損，其次是疲勞破壞。所以有必要進行磨損試驗，通過試驗探究磨損機理，提出提高環模耐磨性的方法。
2、磨損試驗與磨損機理初探
2.1磨損試驗方法
選用與環模制粒工況相似的橡膠輪磨料磨損試驗機進行磨損試驗。試驗負荷為40.5N，橡膠輪的轉速為98～100r/min，磨料流量為50-80g/min。每一磨程為2h，進行5個磨程，共計l0h。磨損過程的定量評定指標使用體積磨損損失(mm3)。采用2206型表面輪廓儀測量磨損輪廓，使用掃描電鏡對磨痕進行分析，并對磨損機制進行初探。
試樣3Cr13規格為65x30x10mm．試樣未進行熱處理，其金相組織為下貝氏體+馬氏體+少量屈氏體，硬度為RHA64。磨料為甘農三號紫花苜蓿草粉。苜蓿在自然風干下，用粉碎機粉碎，粒度為6mm。磨料特性參數如表1所示。
2.2磨損輪廓測量與電鏡觀察
體積磨損即磨損零件的體積損失。采用2206型表面輪廓儀測量3Cr13試樣的被磨損面最大磨痕的體積磨損，掃描深度270um，掃描區域分成14列和5行，共70個小區域(面積1.12mm2)，最后把這些通過拼圖組合到一起。圖6是通過表面輪廓儀得到的3Cr13試樣沿寬度方向最深磨痕處的輪廓三維體積磨損輪廓圖。圖7是使用Microcal origin 7.0軟件繪制的3Cr13試樣體積磨損曲線圖。圖8是采用JSM -5600LV型掃描電子顯微鏡觀測所得3Cr13試樣被磨面的磨痕表面形貌。
2.3磨損失效的機理分析
由于草粉磨料顆粒比試樣材料軟，接觸應力較低，磨料破碎率較低，同時又使金屬材料不斷流失，因此試樣被磨面的表面光亮。根據磨料磨損相關理論判斷其磨損為低應力磨料磨損。但從試樣材料的磨損表面形貌SEM照片和表面輪廓圖所實際反映狀況判斷，草粉磨料對試樣材料的磨損應為中應力磨料磨損。從磨痕表面和縱面可以看出存在犁溝和犁皺，在犁溝兩側殘留大量的疲勞剝落的金屬碎片及脆化剝落金屬的細碎顆粒，局部有大量聚集。說明苜蓿草粉（軟磨料）主要是承受磨料被擠壓而形成的“不可壓縮團”的擠壓應力，猶如尖銳棱角的磨料沿工件表面滑動，形成犁溝和犁皺，亦伴有微觀切削磨損。由于3Cr13具有較好的綜合機械性能，在軟磨料作用下形成的犁溝淺而狹，磨溝兩側的塑變凸緣不明顯。這些塑變凸緣在應力反復作用下，裂紋一經形成便迅速擴展而脆化剝落，磨屑呈細小顆粒狀，磨面形貌則呈蜂窩狀。
3、結果與討論
通過以上分析，環模失效主要以中應力磨料磨損為主。由于磨料磨損破壞機制不同，磨料的磨粒特性及材料性能對磨損體積的影響也不同。以塑性變形為主要機制時應提高材料的硬度；以脆性斷裂為主要機制時應改善其斷裂韌性，即要改善其抗斷裂及微觀裂紋擴展的能力。根據本研究分析結果，對于3Cr13這種環模材料，其制造工藝應在考慮材料硬度的同時重點考慮材料的韌性，以提高環模的使用壽命。
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