混凝土磨损（精选4篇）
混凝土磨损 篇1
水泥混凝土路面的抗滑性能主要取决于路表的宏观抗滑构造和微观抗滑构造。混凝土路面抗滑性能的关键技术措施在于制作良好且耐久的宏观构造。而宏观构造的长期有效性除了采用适当的构造工艺外,提高混凝土的耐磨性能是保证其耐久性的关键因素。
路面水泥混凝土的磨损过程复杂而影响因素繁多,材料的本身性能、磨损方式及条件甚至环境因素都会影响材料的磨损性能。以下首先分析水泥路面的磨损机理,通过室内试验比选道路混凝土耐磨损性能的改善技术,并采用微观分析其改性机理。
1 提高混凝土路面整体耐磨性能的措施分析
路面水泥混凝土的磨损形式可分为粘磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和侵蚀磨损四种类型,其中疲劳磨损和磨粒磨损是水泥路面磨损的主要方式。
磨粒磨损是水泥路面最常见的磨损形式,由路面上坚硬颗粒楔入相对较软的路面引起;疲劳磨损则是当水泥路面受到车辆移动的推压力作用,在车轮作用点前后分别形成压、拉应力的交替循环,导致路面原生裂缝的扩展,最终引起路面的局部断裂和砂浆层的脱落而造成的。实际上水泥路面的磨损常是上述几种磨损形式的综合作用结果。
当交通荷载和环境条件一定即其他外界影响因素相同时,水泥路面的磨损劣化性能取决于路面材料的耐磨损性能。当路面混凝土表面受到车轮的冲击、摩擦、切削等磨蚀破坏作用时,与混凝土耐磨相关的最大剪应力发生在表面以下的次表面层,磨蚀破坏的作用力首先破坏混凝土表面的水泥石,集料逐渐凸出程度的增加,受磨蚀的作用力不断加大,磨蚀速度随之增加。由此可见,如果混凝土水泥石含量较大,混凝土中集料与水泥石的磨蚀破坏难以趋于平衡,水泥路面的磨耗也会持续下去。
通过以上分析可见,改善路面混凝土的耐磨性能不仅需要提高砂浆或集料单组分的耐磨损性能,限制混凝土中水泥和用水量的最大用量也非常必要。而通过各种手段改善混凝土的断裂和疲劳性能以减少疲劳磨损,更是从根本上提高路面混凝土整体耐磨性能的途径。
参照国内外经验,具体措施可为:
1)采用优质的水泥和粗细集料:C3S是硅酸盐水泥矿物成分中耐磨损能力最大的,选择C3S含量较高的水泥;选择较小最大粒径和较大硬度的石料。
2)在水灰比一定时,选择较小的水泥用量,采用优质减水剂在同水灰比时降低水泥用量;采用矿物掺合料代替部分水泥。
3)提高混凝土的韧性,采用各种技术提高混凝土的断裂和疲劳性能,降低混凝土疲劳磨损的速度和强度。
4)提高混凝土的强度,混凝土的抗压强度和耐磨性能成比例上升是公认的结论,但会引起混凝土早期开裂的可能性增加。
2 改善混凝土耐磨性能的室内试验
2.1 试验方案设计
在调研与试验的基础上,选用了可能的6种混凝土耐磨改善方案进行试验,具体方案设计见表1。所有方案中混凝土的坍落度均控制在3 cm～5 cm。
2.2 原材料性能与试验方法
水泥选择42.5号普通硅酸盐水泥,28 d抗折强度为8.0 MPa;细集料选用细度模数为0.2的中砂;粗集料选用最大粒径为31.5 mm的级配石灰岩碎石。粉煤灰选用市购Ⅱ级灰,比表面积为4 750 cm2/g;矿渣比表面积为5 300 cm2/g;搅拌水选择自来水。
耐磨损试验参考JTJ 053-94公路工程水泥混凝土试验规程中水泥混凝土的耐磨性方法进行,以磨耗后的质量损失率作为耐磨性能指标。
2.3 试验结果与讨论
耐磨损试验结果见表2,图1。
分析表2,图1可以得到以下结论:
1)掺入减水剂对水泥混凝土的耐磨性能有不同程度的改善,表现为混凝土的单位面积磨耗量均有所下降。粉煤灰则改性效果差,特别当粉煤灰掺量较高时,混凝土的耐磨损性能有大幅度下降,因此对于大掺量粉煤灰混凝土在路面中的应用应较慎重。
2)掺入减水剂后混凝土耐磨损性能提高,掺入超细矿渣后混凝土的耐磨性进一步提高,在矿渣掺量为20%与30%时,减水剂掺量为0.8%时,混凝土的单位磨损量较普通混凝土降低了31%与44%。
3)混凝土的磨耗量与抗压强度相关性较高,但此规律只是针对普通混凝土与粉煤灰混凝土线性关系较好,矿渣混凝土的相关性则略差;磨耗量与抗折强度没有显著的相关性。
比选上述结果可见,双掺矿渣和减水剂对改善混凝土耐磨性能的效果显著,考虑到矿渣的应用还可以大幅度提高混凝土的抗折强度和柔性,因此推荐采用矿渣改性混凝土,建议掺量为20%～30%。
3 矿渣—混凝土改性机理分析
由分析可知,普通混凝土内部砂浆孔隙率较大,水泥水化物间以棒条形或针状的AFT相连,整体呈现为间断、孔隙较大的骨架网状体系结构。双掺矿渣和减水剂后,混凝土内部砂浆渐趋于致密,超细矿渣填充混凝土内部的孔隙和裂隙,混凝土的表面孔隙也相应随之下降,耐磨性能得以提高。
基于矿渣的技术性质,参考微观电镜试验结果,其改性方式可综合表现为以下三个方面:
减水增密型:超细矿渣的粒径均远小于水泥颗粒,掺入后可以充分填充在内部孔隙和水泥与集料界面裂隙内;矿渣和减水剂的双重作用还表现在减少混凝土用水量,降低水灰比,混凝土更为密实,耐磨损性能提高。
增柔型:矿渣能起到改善混凝土脆性的效果,从而降低混凝土疲劳磨损的破坏速度与强度,从而在根本上改善混凝土的耐磨性能。
取代水泥型:降低水泥石的相对含量有利于提高混凝土的耐磨性能,室内试验也证明了这一点,如矿渣取代了部分水泥用量,对混凝土的耐磨性有促进作用。
4 结语
1)水泥路面的磨损方式主要是疲劳磨损和磨粒磨损,改善路面水泥混凝土的耐磨性能应从以下三方面入手:提高砂浆和集料耐磨性能、限制水泥最大用量、改善混凝土的断裂和疲劳性能。
2)研究了双掺减水剂和粉煤灰或矿渣对混凝土耐磨性能的改善作用,其中以复合掺加减水剂和矿渣的效果最佳,单掺减水剂次之,而粉煤灰在掺量较大的条件下会降低混凝土的耐磨损性能。
3)双掺减水剂和矿渣可以通过减水及增密效果,使混凝土内部更为致密充分,因而对其耐磨性能的改善效果较佳。
4)考虑到标准磨损试验难以考察混凝土疲劳耐磨损性能,因此如何定量的考察磨粒磨损和疲劳磨损在混凝土磨耗中所占的比率和强度,需要进一步研究。
摘要：结合多年工作实践,对提高混凝土路面整体耐磨性能的处理措施进行了具体论述,在此基础上依照相关技术规范,对混凝土耐磨性能进行了室内试验,对试验取得的数据和结果进行了分析,并就矿渣改性混凝土的应用机理进行了科学的评价和总结,以提高路面耐磨性能。
关键词：水泥混凝土路面,耐磨损技术,抗滑性,矿渣改性混凝土
参考文献
[1]吴磊,祝真强.机场水泥混凝土道面耐久性研究[J].山西建筑,2008,34(7):308-309.
混凝土磨损 篇2
磨损是造成机械零件功能退化以致失效的重要因素。多年以来, 摩擦学界在磨损机理、摩擦学系统分析理论与方法、磨损表面微观分析等方面进行了大量的研究[1]。但磨损研究方法仍以大量的试验为主, 且着重于微观层面, 不仅造成很高研发成本, 也难以为工程设计提供快捷的方法。数值仿真技术可以弥补上述不足, 为摩擦学研究提供了一种新的手段[2], 其中, 有限元仿真分析已在工程中广泛应用, 特别是在磨损分析和摩擦学系统特性预测方面具有较强的实用性[3]。磨损通常定义为“两表面在相对运动时发生的材料的渐进损失的现象”[4]。在有限元分析中, 这种接触表面材料的损失, 可看作移动边界问题, 最简单的方法是直接用侵蚀 (erosion) 算法, 即当某个单元的磨损量达到给定值时, 将该单元删除, 并将新暴露出来的单元边界作为新的接触面。这样做虽然简单, 但生成的磨损面不太光滑。另一种方法是根据磨损量的大小, 动态确定每个时间步的表面形状, 并将原节点向法向移动[5]。但是这样可能会导致表面附近的单元形状发生畸变, 需要采用一定的光滑算法以重新生成网格。本文提出了基于有限元分析的滑动磨损仿真预测方法, 详细分析了其中边界节点移动和网格畸变两个关键技术难点及解决方法, 并通过方块-圆环试验对所提方法进行了验证。
1 滑动磨损的预测方法
磨损计算采用实际中广为认可的Archard模型[6]:
式中, V为磨损体积;s为滑动距离; K为量纲一磨损系数;FN为法向载荷; H为材料的布氏硬度。
对于工程应用人员而言, 磨损的深度更具有实际意义, 因此假定特定微小面积ΔA, 将式 (1) 的两边同时除以ΔA, 得到Archard模型计算公式的另一种微分形式:
令
式中, Kd为线性磨损系数, Kd=K/H。
从式 (3) 可看出, 磨损系数Kd和接触压力p是进行磨损仿真的关键参数。特定载荷下的磨损系数Kd可通过试验方法 (销盘试验机) 经相应换算得到。
有限元方法可实现对接触问题的求解, 根据节点的接触状态可得到具体的接触位置和接触压力。应用式 (3) 对磨损过程进行离散, 并建立方程:
hj, n=hj-1, n+Δhj, n (4)
式中, Δhj, n为节点n在第j个仿真步内的磨损量;hj-1, n为节点n在j-1个仿真步的总磨损量;hj, n为节点n在j个仿真步的总磨损量。
假定每个仿真步内接触参数为定值, 那么利用欧拉积分法对式 (4) 进行累积计算得到每个节点的磨损量, 从而实现对整个磨损过程的模拟。具体实现方法为:应用ANSYS软件进行接触模型求解, 并在每次仿真步计算后沿着表面内法向重新定位边界节点, 当边界节点变动量超过其所在单元的高度的特定比例后, 更新网格。
2 关键难点的解决方法
2.1 接触点法向量的计算
通常认为磨损是沿接触面的内法向进行的。因此应用有限元方法进行磨损仿真时, 接触表面上的每个节点的内法向必须确定。
图1所示为二维单元, 节点1、2、6位于边界线上。r
r
为确保向量n
n
式中, si为节点1指向与它相邻的内部节点的向量。
最后, n
同理, 对于三维单元, 某节点的内法向量应是与其邻属的4个单元面的法向量的线性组合。如图2所示, 节点i和与其相邻的4个节点形成4个向量分别为r
npk=εijkrqirrj=0 ∀p, q, r (8)
式中, εijk为矢量叉乘时的置换符号。
2.2 网格畸变的处理
磨损过程仿真中材料的去除是通过重新定位边界节点以生成新的磨损表面来模拟的。但是重新定位边界节点有可能会造成网格的极度扭曲, 以致求解困难, 因此有必要更新网格。如图3所示, 接触边界由节点1、2、3所在边界构成, 初始位置如图3a所示。移动边界节点1、2、3到新的位置1′、2′、3′, 由于节点2侵入了别的单元, 造成单元①发生了扭曲, 破坏了原有的网格拓扑关系, 如图3b所示。为了维持网格的规则化, 本文引入形状拓扑优化算法中的边界位移法, 来实现边界节点和内部节点的同步移动, 从而减小网格的扭曲和畸形, 如图3c所示。有限元分析中, 总体方程[7]的矩阵形式可写为
KV=f (10)
式中, K为整体刚度矩阵;V为位移矢量;f为整体节点力矢量。
根据基于有限元方法的结构优化思想中的边界位移法[8], 将所有节点分为边界节点和内部节点, 则式 (10) 可以写为
式中, Vb为边界节点位移;Vd为内部节点位移;fb为作用在边界节点上的虚拟力。
根据式 (11) 可得出
KddVd=-KbdVb (12)
根据式 (12) , 如果把计算出的边界磨损深度视为给定的边界节点位移Vb, 在刚度矩阵已知的情况下该方程将转化为以Vd为未知量的线性矩阵方程, 应用高斯法求解该方程可得到在给定边界节点位移变动量时内部节点的相应位移Vd。因此在磨损模拟过程中, 边界节点和内部节点将根据式 (12) 同步移动, 以避免网格的扭曲畸形。
3 试验验证
应用ANSYS软件建立了如图4所示的测试模型。采用四分之一圆环和加压方块来模拟滑动磨损, 圆环具有绕轴线且振幅为3°的往复摆动。方块上表面施加垂直向下的载荷。使用面-面接触单元CONTA174和目标单元TARGET170描述实体之间的接触。为了消除接触分析中产生的刚体运动现象, 在方块4个角点处建立Link单元, 该单元的一端在方块上, 另一端被完全约束。整体上采用增广拉格朗日算法进行接触模型的求解。
线性磨损系数是磨损仿真计算的关键参数。本文采用销-盘磨损试验机测试得到。由于通常磨损是以质量损失来定义的, 因此通过以下公式可将质量损失换算为磨损深度, 进而以求得线性磨损率, 即
式中, mloss为质量损失, g;ρ为材料密度, g/cm3;A为接触面积, cm2。
由于磨损过程进行得十分缓慢, 对每一时刻的磨损进行计算, 既没有现实必要, 也耗费太多的计算机资源。本文采用两个等效策略来实现对磨损进行快速预测:其一, 将环往复摆动一次视为一个循环, 且假定1000个循环内磨损量相同, 那么将一次计算得到的磨损量乘以1000来等效1000次往复运动造成的磨损, 并将这一过程定义为一次分析计算;其二, 100次分析计算就等效为104个往复滑动循环。如此等效策略可以在较高保真度的情况下大幅提高计算效率。
最后, 为了将该磨损预测方法应用于某起吊设备销连接副的磨损分析中, 采用与其相同材料的圆环、方块进行滑动磨损试验 (图5) , 以验证上述滑动磨损预测方法的可靠性。测试材料均为40CrNiMoA, 表面硬度为42～58HRC。加载荷为460N, 并采用坐标测量仪来准确测定被测件的磨损表面轮廓坐标。将未磨损和磨损后的轮廓坐标做求差运算可得到接触面的磨损深度。
图6所示为有限元仿真预测方法和试验所得结果进行的对比。以被测件接触圆弧周向角度为定位基准, 可看出仿真与试验结果中最大磨损深度均出现在圆弧面中央区附近。仿真预测的最大磨损深度值为0.032mm, 其对应实测值略大于预测值, 总体上实测值的分布基本与仿真结果一致。
4 某起吊设备销连接副的磨损预测
针对某型起吊设备 (图7) , 工程实际测得销轴所承受载荷为140kN, 且有3°的往复摆动。应用前述的方法建立图8所示的仿真模型, 并进行分析计算。等效磨损过程为4×105个往复循环。应用有限元方法对接触磨损进行分析预测既可以得到任意时刻的接触状态, 还可以对接触副的表面轮廓乃至使用寿命进行预测。图9所示为磨损前后有限元分析得到的接触区压力分布状况。由图9可见, 磨损后接触区宽度增大, 但接触压力峰值显著的减小, 意味着承载区扩大, 接触压力呈现均匀化的趋势。图10所示为沿销的接触面的磨损深度。由于在载荷作用下, 销与销套只有一侧存在接触, 故以半圆 (即0～180°) 为定位坐标。最大磨损出现在中央部位 (x=0) , 其值约为1.84mm。图11所示为实际测量得到的磨损前后的销轴轮廓线, 可见最大磨损深度的部位与有限元分析结果相同, 都出现在中央部位, 但是其磨损深度最大值约为2.08mm。对比可知, 有限元分析得到的最大磨损深度结果小于实测值, 其原因可能为试验测得磨损率与工程实际中磨损率存在偏差。另外, 本文中有限元分析采用准静态接触模型, 而工程实际中一般会存在冲击振动, 它会导致磨损的加剧, 这一现象也可能是分析计算值和实测值不一致的原因。
5 结论
(1) 根据有限元方法, 将磨损过程离散化, 通过一系列准静态模型对动态、非线性磨损问题进行求解分析, 实现对复杂的磨损过程的仿真, 可为实际工程应用提供现实可用的摩擦学设计工具。
(2) 将磨损问题视为移动边界问题, 通过表面单元的法向量的线性组合来表达边界节点的移动方向。利用结构优化算法中的边界位移法可有效解决内部网格的畸变问题。
(3) 采用合适的插值方法和等效策略可对磨损过程实现快速的仿真。插值步长和等效循环数需要优化选取, 以提高计算的精确度。
参考文献
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[5]Podra P, Andersson S.Simulating Sliding Wearwith Finite Element Method[J].Tribology Interna-tional, 1999, 32 (2) :71-81.
[6]温诗铸.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社, 1990.
[7]刘国庆, 杨庆东.ANSYS工程应用教程—机械篇[M].北京:中国铁道出版社, 2003.
混凝土磨损 篇3
关键词：锥形双螺杆挤出机,磨损,影响因素,延缓,对策
锥形双螺杆挤出机的磨损基本可以分为正常磨损与非正常磨损这两种类型。其中, 正常磨损是指在各项运行指标与生产指标均充分符合要求的情况下, 锥形双螺杆挤出机螺杆部件与螺筒部件正常发生的磨损;而非正常磨损情况下可能会导致整个挤出机出现严重的运行障碍, 甚至是引发运行失效的问题, 也是延缓磨损的主要关注对象。本文试针对以上相关问题做详细分析与说明。
1 锥形双螺杆挤出机磨损的影响因素分析
1.1 挤出机出现空载运行
锥形双螺杆挤出机的最主要特点在于:螺杆大头部件在机筒当中完全借助于动力分配箱当中的轴承部件加以支撑。而对于螺杆小头部件而言, 其在机筒当中则处于完全悬臂的状态当中。结合这一实际情况来看, 若在锥形双螺杆挤出机开机启动的状态下, 机内没有添加必要的物料或者是清洗料, 则可能会导致小头螺杆部件与机筒内壁形成过大的接触面, 短期时间内引发严重的磨损问题。
1.2 开机频率问题
由于锥形双螺杆挤出机设备, 特别是对长期处于停运状态下的挤出机设备而言, 在每次开机过程当中都无法保障挤出机螺杆与机筒之间充满物料。因此, 在每次对挤出机设备进行开启操作的过程当中, 都会使得挤出机设备的机筒部件与螺杆部件之间的磨损问题进一步加重。相关数据同时证实:同处于长周期运行状态下的锥形双螺杆挤出机相比, 间断开停机状态下的锥形双螺杆挤出机磨损更严重。
2 延缓锥形双螺杆挤出机磨损问题的对策分析
2.1 相关设备的选购需要特别慎重
为保障锥形双螺杆挤出机运行的有效性与可靠性, 首先需要特别严谨的进行相关设备的选购工作。同时, 机筒材料在选取过程中需要严格按照合同规定执行, 其中涉及到的关键设备材料还需要采取热处理方式检验材料性能的合理性。且, 还需要结合实际情况, 对螺杆机筒材料进行必要的留样检测工作。
2.2 重视对原材料采购及储存工作的合理控制
各方工作人员需要严格控制锥形双螺杆挤出机设备的原材料采购工作, 原材料的采购需要尽量面向信誉较好、资质较好的企业开展。所采购原材料收货之后需要由专人维护原材料存放库区的环境条件, 确保温度适中、且相对干燥。
2.3 重视对填充料的合理选取
在锥形双螺杆挤出机的运行过程当中, 填充料的应用可在很大程度上保障挤出机运行的可靠性与稳定性, 同时对减缓挤出机磨损问题而言也有着极为突出的意义。结合实践工作经验来看, 适用于锥形双螺杆挤出机运行的填充料应当为具有突出活性的超细碳酸钙填充料。同时, 在用料方面也需要作出明确的规定与控制。不但如此, 在选取再生料的情况下, 破碎处理之后还需要对其进行磨粉处理, 防止在填充料运行中出现严重的机械磨损问题。
2.4 开机操作控制内容
在锥形双螺杆挤出机开机操作之前, 需要安排专门工作人员进行性能检查, 防止锥形双螺杆挤出机当中混入各类铁屑或者是剩余夹生料, 加速磨损。同时, 在启动挤出机设备之前, 需要保障其温度指标能够满足具体的操作要求。在锥形双螺杆挤出机开机运行之后, 工作人员需要详细检查料斗当中是否有料, 避免挤出机设备出现空载运行, 加重磨损的问题。操作过程中还需要严格控制挤出速度。
2.5 对挤出机进行定期的检修与维护工作
定期的检修与维护工作是及时发现锥形双螺杆挤出机所存在磨损问题, 并采取有效对策的关键途径之一。具体而言, 在检修与维护过程中, 比较常见的问题可分为以下几种类型:1) 相关工作人员在发现锥形双螺杆挤出机机筒或者是螺杆部件局部位置出现划痕或者是拉毛现象的情况下, 需要对这部分区域进行及时的抛光处理, 清除磨损痕迹;2) 同时, 在发现机筒部件与螺杆部件间隙产生变化的情况下, 需要参照设计数据对其进行必要的调整与优化处理;3) 而对于轴承部件所产生的磨损问题而言, 结合对相关实践工作经验数据的分析, 不难发现, 导致锥形双螺杆挤出机出现轴承部件磨损的最主要原因在于动力分配箱轴承与支座内径存在一定的偏差。若不及时对这一问题进行处理, 则会导致螺杆与机筒之间的接触面积有所扩大, 加重磨损问题。因此, 在定期检修维护中, 若存在此类问题, 则需要对轴承进行及时的更换处理;4) 若在检修过程中发现螺杆表面存在裂纹问题, 则需要及时对其进行去除, 并作打磨抛光处理, 以此延缓磨损。
3 结论
通过本文以上分析不难发现:全面掌握可能对锥形双螺杆挤出机造成磨损的主要因素, 并于实际工作中采取相应的应对措施, 延缓磨损问题, 不但能够在很大程度上实现对锥形双螺杆挤出机设备有效使用寿命的合理提升, 同时也能够提升挤出机所生产产品的质量合格水平, 极为重要。总而言之, 本文针对有关影响锥形双螺杆挤出机出现磨损问题的因素, 以及延缓磨损的相关对策做出了简要分析与说明, 希望能够引起各方工作人员的特别关注与重视。
参考文献
[1]孟祥慧, 周平.大型螺杆电刷镀修理工艺[C].//晋冀鲁豫鄂蒙川沪云贵甘十一省市区机械工程学会学术年会论文集:59-61.
[2]陈奎, 杨瑞成, 成生伟, 等.蒙脱土填充聚丙烯复合材料的摩擦磨损行为研究[J].摩擦学学报, 2006, 26 (6) :561-565.
[3]陈辉殿.浅析单螺杆挤出机用螺杆的径向挠曲与磨损的原因[J].中国制造业信息化, 2011, 40 (15) :76-77, 81.
混凝土磨损 篇4
我公司主要从事埋地式高压电力电缆氯化聚氯乙烯CPVC套管的管材生产 (以下简称“CPVC套管”) , 2005年和2007年先后购进了两条上海金湖挤出设备有限公司生产的SJZ80/165锥形双螺杆挤出机生产线 (2005年购进的命名为1#线, 2007年购进的命名为2#线) ;2009年又购进一条上海金纬挤出设备有限公司生产的SZ65锥形双螺杆挤出机生产线 (命名为3#线) 。从2005年正式投产至今, 除3#线由于新购进不久, 未更换过螺杆和料筒外, 1#线已更换了2套螺杆机筒, 2#线也更换过1套螺杆机筒。其中1#和2#线均出现过由于螺杆机筒的磨损失效导致主机的动力箱和分配箱的齿轮和轴的损坏, 不得不进行严重机械事故的大修。长期以来, 我们把注意力集中在关注材料配方和产品性能质量方面, 对螺杆机筒的磨损及其寿命关注不够。这几年, 在维修更换螺杆机筒上, 付出了巨大费用, 给公司造成了较大的损失。在此, 很有必要把挤出机寿命和螺杆机筒磨损问题, 作为重要课题进行分析研究。
PVC套管管材挤出分为塑化、成型、定型三个步骤, 作为流水生产, 后续还有牵引喷码印字标识、定长切割、热烤扩口和打磨倒角等工序。塑化是由挤出机来完成, 成型和定型分别由口模和定型模来完成。其生产工序流程见图1:
文章主要针对物料在主机锥形双螺杆机筒中塑化、挤出成型过程进行分析。
图2为锥形双螺杆挤出机简图。物料由进料斗进入锥形双螺杆机筒后, 在缠绕在机筒外的加热装置的加热下, 物料被螺杆剪切并在螺杆上的螺的导向作用下, 随着螺杆的旋转而向前旋转移动;伴随着旋转移动的过程, 物料逐渐由粉末固态→玻璃态→高弹态→熔融态转变, 经口模挤出成型。可见, CPVC套管管材生产是CPVC物料在外力和外加热的作用下, 连续不断地进行物理形态变换和移动的过程。物质之间相对移动, 就会产生摩擦和磨损。挤出机的螺杆机筒、口模、定型模磨损的快慢、单位时间磨损量的大小及其工作寿命长短, 与这些部件选用的材质、加工精度和装配质量、物料的纯度和粒度、加工温度和工作压力、工作时间以及对设备的维护保养等情况的不同而不同。
锥形双螺杆挤出机的螺杆机筒的磨损分为正常磨损和非正常磨损。所谓正常磨损, 指的是挤出机的螺杆机筒选用的材质和制造加工精度、装配精度符合国家标准要求, 生产CPVC套管所用原材料、工艺均在生产质量指标的控制范围内, 挤出机的螺杆和机筒在正常运行条件下所发生的磨损, 其磨损特点是螺杆和机筒相对的摩擦面光洁度降低, 间隙增大, 反之, 则为非正常磨损。非正常磨损除具有正常磨损的特点外, 往往有相对摩擦面出现划痕、凹坑、裂纹、螺杆扭曲、螺脱块、断裂等现象。图3是本公司锥形双螺杆挤出机螺杆与机筒非正常磨损的情况记录图片。
研究锥形双螺杆挤出机的磨损因素, 旨在正确购置和使用挤出机, 加强日常维护保养和对挤出机磨损状态的检查, 以尽可能地确保挤出机在正常的磨损范围内工作;并在挤出机出现正常磨损后, 采取适当的维修措施, 以延缓其磨损速度。当出现非正常磨损后, 能准确进行磨损失效状态界定, 及时更换螺杆机筒, 以确保挤出机的动力分配箱的安全和管材产品的质量性能稳定。
下面着重论述:锥形双螺杆挤出机正常磨损的相关因素;螺杆和机筒磨损的基本特征;延缓磨损的对应措施;螺杆机筒磨损失效的界定;挤出机磨损后修复方法及提出几条正确使用、维护和保养挤出机的建议。本文对单螺杆挤出机、平双螺杆挤出机以及口模、定型模的磨损研究, 也有一定的参考、借鉴价值。
1 锥形双螺杆挤出机正常磨损相关因素的分析
1.1 螺杆机筒的材质和制造质量
(1) 对于相互摩擦的两个物体来说, 硬度差异越大, 对较硬的物体磨损就越小。一般而言, CPVC物料无论加入的填充料多少或其粉状粒度大小多少, 其硬度都不会增加多少 (排除极端的直接加添破碎但不进行磨粉的回收料情况) 。但螺杆和机筒的硬度可以通过选用不同的材质来大幅提高它们的硬度。因此, 选用高硬度耐磨的材质来制造螺杆和机筒, 是决定挤出机螺杆机筒寿命长短的最重要因素。20世纪80年代前后, 我国挤出机制造企业普遍采用38CrMoAlA作为锥形双螺杆和机筒的材质, 这对于低速挤出加工还算是比较好的材料。但是, 对于高速挤出加工来说, 这种材料的耐磨性和硬度已经不适宜。对于高速挤出加工, 国外挤出机的螺杆和机筒选用的是钴基合金、镍基合金类优质材料, 远比国内挤出机寿命长。令人担忧的是, 国内相当数量的挤出机制造厂家, 由于激烈的市场竞争, 为打压对手降低成本, 采用45#圆柱钢胚表面进行简单的喷涂38CrMo Al A处理, 来制造螺杆和机筒, 质量更差。这无疑使购置使用挤出机的企业, 因螺杆和机筒质量伪劣而增加更换成本, 也大大降低管材的生产质量。
(2) 除了要选用优质的材质来制造螺杆和机筒外, 材质的加工处理也非常重要, 高超的热处理工艺技术, 可大大提高螺杆和机筒的物理性能, 特别是耐磨性能。螺杆、机筒一般要经过热处理、镀铬和喷涂合金材料等加工工艺。在材料热处理技术方面, 我国目前与国外先进企业相比, 还存在不小的差距。
(3) 锥形双螺杆挤出机的螺杆和机筒的机械加工精度和装配精度要求很高。如螺杆和机筒的锥度, 双螺杆之间的螺纹螺距、螺旋角、轴向配合间隙要求均匀一致, 光洁度高。如果螺杆和机筒的机械加工精度和装配精度达不到要求, 将会加大日后使用螺杆和机筒的磨损量和磨损速度。
(4) 挤出机的螺杆结构也对磨损有一定的影响。图4是锥形双螺杆结构的简单示意图。它大致分为4段, 各段之间有一定的间隙。
比如为适应不同挤出速度下, 物料在塑化过程不同区域对热量的需求, 挤出机制造厂家设计的锥形双螺杆的螺杆各段螺距、螺旋角、螺纹头数是有区别的, 因而螺杆各段螺纹对物料产生的剪切热也是不同的。某些螺杆区段, 例如压缩段剪切力和剪切热大, 虽可加速物料塑化, 提高挤出速度, 提高单位管材产量, 但过大的剪切力, 也会造成螺杆在短期内局部磨损量过大。
除挤出机螺杆和机筒因素外, 挤出机主机动力分配箱的装配质量和故障, 对螺杆和机筒造成的磨损影响也不能忽视。由于锥形双螺杆轴向推力较大, 动力分配箱配备有圆锥柱止推轴承。但当圆锥柱止推轴承与动力分配箱轴承支座内径配合不当、松动, 致使一侧螺杆在物料的反作用力下向后移动, 其螺槽与两一侧螺杆螺槽就会相互咬死、摩擦而发生严重磨损。同时, 当动力分配箱轴承因缺油发生干摩擦, 间隙增大, 导致螺杆直接与机筒接触摩擦, 产生磨损。
1.2 原材料的影响
配方中填充料和润滑剂剂量对挤出机的磨损影响比较大。一般而言, 作为无机物碳酸钙硬度较高, 可加大物料对挤出机螺杆和机筒的摩擦。两根螺杆在机筒内啮合后, 对于一根螺杆来说, 原来相连贯的螺旋槽即被另一根螺杆上与之相啮合的螺纹所阻隔, 在每个螺距处形成了一个封闭的C形小室, 如图5所示。物料在这些小室里输送的原理与螺杆泵相同。在双螺杆挤出机里, 物料是被强制输送的。它与螺杆螺槽表面和机筒内壁直接接触摩擦。如果物料中填充的碳酸钙填充量越大、粒度越大、分布越不均匀, 对挤出机螺杆和机筒的局部磨损就越大。
值得注意的是, 近来PVC电力管市场竞争日趋激烈。一些生产厂家为降低成本, 出现碳酸钙填充量越来越大的倾向。这种倾向不仅对PVC电力管材的质量影响很大, 从而给使用PVC电力管的电网造成安全隐患, 也会加剧挤出机设备的磨损, 大大缩短挤出机的工作寿命。据业内有关专家对挤出机工作寿命分类预测:采用规范的、符合国家和行业标准的生产用料, 产出品外观质量和物化性能达标原材料配比配方, 长周期运行, 其磨损有效寿命基本在5年以上;采用原材料质量较差, 高填充配方, 碳酸钙填充量达20%～40%, 长周期运行, 其磨损有效寿命在3年左右;采用碳酸钙填充量达100%～150%的钙塑低成本配方, 长周期运行, 其磨损有效寿命仅为10个月左右。由于挤出机磨损受设备材质、加工精度、加工对象、工艺、设备维修和维护等系统性因素的影响和支配, 绝非一种因素所决定, 上述预测可能存在一定的偏颇之处。但也证明了碳酸钙填充量对挤出机磨损的影响不可低估。同时, 对再生料仅仅进行破碎处理而不进行磨粉, 就直接用双螺杆挤出机生产, 也会明显增大挤出机的磨损。
1.3 工艺操作的影响
工艺对挤出机非正常磨损的影响主要体现在原料中混入杂质, 挤出机空载, 低温、高温、高压运行及频繁开停机等几个方面。
1.3.1 原料处理
一般正规企业生产的原料基本是洁净的, 但不排除由于管理不善, 一些进厂或堆放的原料中混杂有下脚料、铁屑、金属微粒等杂质, 如果这些杂质在挤出机加料前不进行筛分、滤除, 直接进入挤出机, 有可能对挤出机的螺杆和机筒造成严重损伤。
1.3.2 挤出机防护
即使生产原料没问题, 如果在挤出机停产期间不对挤出机进行有效防护, 或者操作人员、检修人员不慎, 致使铁钉、螺钉或铁屑坠入加料斗。尽管挤出机加料斗设置有磁力架, 但如果随意拆除、或不对磁力架进行定期清理, 导致坠入加料斗的铁屑、铁钉直接进入挤出机, 将会对挤出机的螺杆和机筒造成损害。
1.3.3 空载运行
挤出机的螺杆大头在机筒中是依靠动力分配箱轴承支撑的, 螺杆小头在机筒中处于悬臂状态, 在挤出时通过物料充盈其间, 避免螺杆与机筒内壁直接接触、摩擦。如果在挤出机开机时, 机内未添加物料或清洗料, 造成小头螺杆与机筒内壁直接接触、摩擦, 会使挤出机在短期内磨损。
1.3.4 非计划停电
当挤出机在生产过程中突然停电, 导致挤出机内的物料不能及时挤出, 较长时间停留在挤出机内, 不仅对挤出机的螺杆和机筒造成锈蚀, 物料也极有可能在较长时间的高温下发生局部分解, 再次升温挤出时, 形成积碳, 影响管材质量, 同时也造成挤出机磨损。
1.3.5 低温或高温、高压操作
挤出机开机前应进行升温与恒温。如果升温与恒温时间、温度达不到规定要求, 或在低温条件下操作, 不仅因物料塑化不好影响管材质量, 也会因物料过生, 致使扭矩跑高, 导致机械损坏与磨损;反之, 如果在挤出时物料温度、压力跑高不及时处理, 挤出机螺杆和机筒材质也会因温度与承压过高发生蠕变, 抗摩擦性能降低, 并导致物料局部分解, 形成积碳, 影响管材质量, 加剧挤出机磨损。由于高速挤出是需要设备、模具相配套的, 在现有条件下, 过分追求高速挤出是不适宜的。
1.3.6 开机频率
由于每次开机都不能保证挤出机螺杆和机筒间充满物料, 尤其是长期停运的挤出机。每开一次挤出机, 都会加剧挤出机螺杆和机筒的磨损。间断开停机与长周期运行的挤出机相比, 使用寿命会减少很多。
2 挤出机磨损的基本特征
挤出机除因工艺因素导致的非正常磨损———划痕、凹坑、裂纹、螺杆扭曲、断裂等不可预测的症状外, 其它因素导致的挤出机螺杆和机筒非正常或正常磨损, 基本上都具有可预测和推导的明确特征。
挤出机螺杆和机筒的磨损与挤出机结构及磨损部位有关。锥形双螺杆挤出机螺杆与机筒有4个间隙:1) 螺杆外径与机筒内径的径向间隙;2) 两螺杆啮合状态下螺端面与底面的径向间隙;3) 两螺杆啮合状态下螺侧面轴向间隙;4) 螺杆与机筒头部的轴向间隙。其中间隙1) 和间隙2) 对物料不仅起压延、摩擦的作用, 而且还起阻止物料回流的作用。间隙3) 对物料起剪切作用并输送物料。间隙4) 对物料实施挤压作用。由此可知:间隙1) 和间隙2) , 尤其是间隙1) 比较重要, 一旦磨损直接导致挤出机在工作时发生物料逆流, 影响产品质量, 也是制约挤出机工作寿命的主要因素。挤出机工作时, 螺杆螺端面相对机筒而言, 承压面积较小, 相对比压较大。同时, 螺杆每转一圈, 螺端面不仅要与机筒之间的物料进行压延和摩擦, 而且还要与另一根螺杆螺底面间的物料进行压延和摩擦。其次, 当两根螺杆螺槽啮合相交, 螺槽内一部分物料被螺端面与螺底面压延的同时, 另一部分物料又被螺槽所剪切。被螺端面与螺底面压延的一部分物料, 处于剪切所传递力的汇合处, 承受的摩擦较大。故在同等材质的前提下, 螺杆螺端面与机筒内壁相比更容易被磨损。螺杆在运转时, 整个圆周对物料都实施摩擦和剪切, 周向磨损比较均匀。物料在机筒的进料段, 大都处于不饱满状态, 主要集中在机筒的下部。因此, 当动力分配箱与挤出机螺杆采用刚性连接时, 机筒进料段下部磨损较快。本公司的3台挤出机动力分配箱与挤出机螺杆均采用刚性连接方式, 磨损较快的部位均在机筒进料段下部。机筒磨损后基本呈现椭圆形, 机筒的其它部位磨损等同于螺杆。
从物料在挤出机内的形态变化分析, 物料在进料段基本呈固态, 摩擦阻力较大, 相对而言, 这部位的螺杆和机筒的磨损较大;物料在压缩段基本呈高弹态, 但随着螺杆直径变小, 排气段螺纹头数发生变化, 对物料的压缩比增大, 螺杆在压缩段的磨损相应也比较大。物料在计量段 (也有将计量段分为熔融段和计量段两部分) 基本呈熔融态, 虽然螺杆直径变小但螺距增大, 相对排气段螺纹头数增加, 对物料的压缩比大幅递减, 因此, 螺杆在计量段的磨损较小。物料在螺杆螺槽内旋转向前移动时, 一方面承受螺杆螺槽的轴向作用力, 另一方面又被螺杆螺槽分解为对机筒的径向作用力。物料在螺杆头部, 已由圆周运动转化为匀速直线运动, 直接承受口模的轴向反作用力。因此, 在螺杆头部, 物料对螺杆与机筒轴向端面的磨损相对螺杆螺轴向两侧面的磨损要大。
由上述分析可知:机筒与螺杆螺端面的磨损对挤出机工作寿命影响最大。螺杆螺端面相对于机筒及螺杆其它部位的磨损较快, 且螺杆螺端面最快的部位主要集中在进料段和压缩段。螺杆沿轴向方向螺端面的磨损极不均匀。
3 延缓挤出机磨损的应对措施
(1) 慎重选购设备, 特别要对螺杆机筒材料进行合同规定, 包括热处理工艺, 必要的情况下, 对螺杆机筒材料留样检测。
(2) 严把原材料采购关, 选择向大型企业或知名企业采购原材料。原材料存放库保持清洁干净。
(3) 尽量选用超细活性碳酸钙作为填充料。严格控制填充量用量。再生料破碎后一定要进行磨粉处理。以减少机械磨损。
(4) 严格工艺操作, 严防铁屑和筛余夹生料混入挤出机。
(5) 挤出机开前, 一定按操作规程要求的时间和温度升温和恒温。不得随意降低或减少升温温度指标与时间。
(6) 挤出机开机时, 一定要将下料斗阀门打开或检查料斗中是否有料。严禁挤出机空载运行。
(7) 防止挤出机在低温、高温、高压或过高挤出速度下运行。
(8) 备发电机, 当突然停电时, 能保证挤出机及时将物料挤出, 在正常条件下停机。如没有配备发电机, 来电升温后, 应用清洗料清洗挤出机的螺杆和机筒。
(9) 每生产一个管材规格的产品, 要有一定的量, 保证一定的生产周期, 最好做到连续开机一周。尽量减少开停机频率。
(10) 定期检修和维护。当发现挤出机螺杆或机筒局部有拉毛、划痕时, 及时进行人工抛光;螺杆和机筒间隙发生变化时, 要及时进行调整;动力分配箱轴承与支座内径配合不当或轴承磨损严重, 导致螺杆后移或螺杆与机筒直接接触时, 应及时检修或跟换轴承。当发现螺杆螺有裂纹, 应及时除掉裂纹处的螺, 并打磨抛光, 以防止使用过程中螺崩断, 加重对其它部位螺杆或机筒的磨损。
(11) 长期停用挤出机, 要将螺杆和机筒用清洗料清洗干净, 用硅油进行封存。料斗用塑料布遮盖封好, 防止粉尘与杂物进入料斗。
上述措施不仅能保证挤出机生产出质量合格的管材产品奠定基础, 同时也可有效减少锥形上螺杆挤出机的非正常磨损, 延长挤出机的工作寿命。
4 锥形双螺杆挤出机磨损失效的界定
尽管采取一定措施可以减少挤出机的非正常磨损, 延长挤出机的工作寿命。但是, 由于挤出机是物料与螺杆机筒摩擦剪切来完成挤出工作的, 两种物体间移动和摩擦, 必然存在磨损。正常磨损是不可避免的, 只不过比非正常磨损速度缓慢而已。当挤出机磨损到什么程度才算失效呢?这就需要对磨损失效进行界定。
从挤出机挤出产品的质量角度来看:管材出现黄线, 色柳或暗纹, 通过调整螺杆与机筒间隙, 工艺温度或配方均无法清除时。
从挤出机设备本身的角度来看:螺杆与机筒径向局部间隙偏大, 主要体现在物料为固态的进料段和压缩比较大的压缩段部位。进料段机筒基本呈椭圆形, 螺杆沿轴向长度方向螺端面磨损又极不均匀, 无论怎样调整螺杆与机筒间隙, 当计量段间隙调至最小范围, 进料段和压缩段径向间隙仍然超过允许范围。螺杆和机筒表面氮化层脱落呈拉毛状, 物料在挤出时漏流严重, 存在无法处理的积碳或真空孔冒料现象时。
因工艺因素导致的螺杆与机筒非正常磨损症状——划痕、凹坑、裂纹、螺杆扭曲、断裂等现象时, 难以正常生产运行, 必须更新方可。
5 锥形双螺杆挤出机磨损失效后的修复方法
挤出机磨损失效后视螺杆与机筒磨损程度和症状可采取以下方法进行修复:
(1) 经测量螺杆与机筒的磨损量各在0.30 mm范围以内, 可对螺杆与机筒进行镀铬处理, 然后经专用磨床精磨抛光处理, 使之达到原来的配合尺寸指标。
(2) 当机筒磨损量过大时, 可用专用机床将机筒进行扩孔, 另加工一个缸套, 采取热压的方法与原机筒镶套为一体, 然后按缸套内径尺寸 (一般比原机筒内径尺寸略小) , 精加工另一新螺杆, 使之与新缸套内径相配。
(3) 更新螺杆与机筒。最好到原挤出机生产厂家购置。防止新购置螺杆及机筒与原挤出机的电加热圈、支架、花键套不匹配。
当然, 上述修复方法, 对于一般的挤出机使用企业来说, 需要具备一定的机械加工设备和能力, 绝大数企业不具备这些能力。需要与专业挤出机设备制造企业联系委托修复。
6 结语