白口铁抗小麦籽粒粉料的磨料磨损试验研究

张克平 姜良朋 姚亚萍

（甘肃农业大学工学院，兰州 730070）

白口铁抗小麦籽粒粉料的磨料磨损试验研究

张克平 姜良朋 姚亚萍

（甘肃农业大学工学院，兰州 730070）

为了研究小麦粉加工时，辊式磨粉机磨辊与物料之间的磨料磨损状况，本研究选用与辊式制粉工况相似的磨料磨损试验机，应用正交试验法考察了小麦籽粒粉料粒度、转速和轧距对白口铁磨损性能的影响，采用扫描电子显微镜对其磨损表面形貌进行观察。结果表明，磨料粒度对白口铁磨损性能的影响极为显著，磨损的主要形式有塑变疲劳剥落、多冲疲劳磨损和脆性剥落。研究结果可为提高磨辊的耐磨性和减少加工过程对面粉的金属污染提供参考。

小麦 辊式磨粉机 磨料磨损 磨辊 磨损特性

小麦制粉过程并不是简单地将小麦机械研磨成小麦粉，而是在研磨过程中尽量保证小麦籽粒皮层不过于碎裂的基础上，实现皮层与胚和胚乳的分离，进一步将胚和胚乳磨碎成小麦粉［1-2］。由于辊式磨粉机在研磨制粉过程中能最大程度的保证面粉质量与营养成分，实现最优的工艺效果与食用品质，成为小麦制粉最主要的研磨设备。磨辊作为该设备的核心部件，其内层采用的金属材料大多为灰口铸铁，而外层抗磨部分则基本选用白口铁。在实际应用中，磨辊由于长时间承受麦料的剧烈摩擦，极易磨损钝化，因此需经常做磨光拉丝或喷砂处理［3-4］。如何减少磨辊的磨损钝化，延长维修处理周期是制粉工业长期面临的问题。

金属材料的耐磨性能在一定程度上取决于材料硬度Hm与磨料硬度Ha的比值，当Hm＞（1.2～1.3）Ha时，磨料磨损属于“软磨料磨损”的范畴［5］。因此硬度较低的小麦籽粒粉料，其对磨辊的磨损行为属于一种典型的软磨料磨损（植物磨料磨损）。国内外学者对农业机械中机件的磨损问题进行了众多研究［6-8］。在软磨料磨损方面，Richardson［9］认为，软磨料在磨损过程中会产生硬化现象，当硬化后的磨料硬度超过材料硬度时，便具备了硬磨料磨损的特征。Rabinowicz［10］认为，硬度仅为一个统计值，是软磨料中混杂着的硬磨粒对硬材料中较软的部位进行了磨损。吴劲锋等［11-12］与张炜等［13-14］就苜蓿草粉对金属材料的磨损机制进行了众多研究。赵博彦等［15］选用湿砂为磨料进行磨损试验以探讨白口铁的软磨料磨损机制。

降低磨辊磨耗以减少面粉内磁性金属含量是保证食用安全的前提。因而，本研究应用正交试验优化设计，选用小麦籽粒粉料为磨料、白口铁为被磨材料，利用与辊式制粉工况相似的三体磨料磨损试验机进行磨损试验，研究小麦籽粒粉料对白口铁磨损性能的影响，初步探讨磨损机制。为磨粉机操作参数设定、粉磨工艺优化以及磨辊耐磨材料的研制提供理论指导。

1 试验方案

1.1 试样和磨料的特性参数

试样选用KmTBCr2白口铁，进行规格为57.0 mm×25.5 mm×6.0 mm的线切割加工，断口色显白且不做热处理。试验前，试样均需消磁、除静电、酒精清洗烘干的方式进行预处理。磨料选用自然风干后的甘肃产西旱号小麦籽粒，经粉碎处理后，通过分级筛筛分出符合试验粒度规格的小麦籽粒粉料。表1为试样化学组分，表2为磨料特性参数。

表1 试样化学组分／%

表2 磨料特性参数／%

1.2 试验装置与方法

选用MLS-225型橡胶轮式三体磨料磨损试验机，结构示意图如图1所示。橡胶轮直径为178 mm，宽度为12 mm，硬度为60邵尔硬度；负荷为225 N，经配重1在杠杆原理作用下借助杠杆2获得；试验机采用直流电机通过齿轮箱减速使橡胶轮获得稳定转速，改变变压器电压值可以对转速进行调节。试验前，利用轧距调节装置3设定磨损试样4同橡胶轮5之间的间距并依靠负荷保持恒定，同时将转速调节到预设值。试验机运行时，逆时针旋转的橡胶轮5带动磨料6对磨损试样4进行摩擦，从而形成三体磨料磨损现象。

图1 MLS-225型磨料磨损试验机示意图

设置试验磨程为100 000转，试样磨损前后的质量损失采用精度为0.1 mg的分析天平进行称量，利用扫描电子显微镜（SEM）对试样磨损表面形貌进行观察分析。

1.3 正交试验设计

本研究通过预试验和实地工况调研，选定了辊式制粉工况中导致磨辊磨损失效现象的3个主要外部参量因素，即磨料粒度、转速及轧距（试样与橡胶轮之间的最小距离）。试验各因素均选用四水平，磨料粒度四水平分别为面粉加工过程中的主要粒度分布；转速四水平依据磨粉机研磨机构工作时一对磨辊的转速比和试验机所能达到的工作要求而定。表3所示为因素水平编码表。

表3 因素水平编码表

运用正交设计，分析所选因素对白口铁磨损影响的主次关系，从而确定影响其磨损量的最佳试验工况。磨料磨损过程的定量评定指标采用磨损失重来衡量，即用分析天平测定试样磨损前后的质量损失。

2 试验结果及分析

2.1 试验失重结果

采用三因素四水平正交试验，每组试验重复3次，取3次试验数据的平均值作为最终结果，表4所示为试验设计方案及试验数据。

表4 试验设计方案及试验数据

从表4可以看出，第5组试验的A2B1C2磨损量最大，为14.2 mg，第4组试验的A1B4C4磨损量最小，为2.8 mg。

2.2 方差分析

2.2.1 显著性分析

应用SPSS统计分析软件对磨料磨损失重试验结果进行方差分析，如表5所示。

表5 磨损失重方差分析表

由表5可知，对于A因素（粒度），由于F0.05（3，6）＝4.76，而对应的F值为5.247，即F0.05（3，6）＜F，因此，A对磨损失重的影响为极显著（P＜0.05）；对于因素B（转速），由于F0.05（3，6）＝4.76，而对应的F值为2.312，即F0.05（3，6）＞F，因此，转速对磨损失重的影响是不显著（P＞0.05）；对于因素C（轧距），由于F0.05（3，6）＝4.76，而对应的F值为2.129，即F0.05（3，6）＞F，因此轧距对磨损失重的影响是不显著（P＞0.05）。各因素对磨损失重影响的显著性依次为：粒度、转速、轧距。

2.2.2 正态分布检验

应用SPSS统计分析软件对磨料磨损失重试验结果进行正态分布检验，如图2、表6所示。

图2 磨损失重正态分布特征曲线图

表6 磨损失重正态分布K-S检验表

由图2可知，磨损失重试验数据基本符合正态分布。由表6可知，Z值为0.152，P值为0.956＞0.05，故检验结果证明数据呈近似正态分布。

2.2.3 各因素大小对磨损的影响分析

用各因素的水平作横坐标，磨损失重的平均值作纵坐标，画出各因素与指标关系趋势图如图3。

由图3可知三因素最优条件组合为A1B4C3。因素A是影响磨损失重最大的因素，曲线基本呈上升趋势，而且尚未到顶，其他2个因素则出现拐点，而且变化幅度略小，因此对磨损失重的影响较小。

2.3 磨损表面形貌分析和化学组分的变化

图3 各因素指标对磨损失重影响的趋势图

试样表面材料随着磨损的加剧而逐渐流失，这种流失集中反映在磨损面微观形貌的变化方面。因此，试验选取未磨损、磨损量最小及磨损量最大的3种试样为观测对象，分析前用无水乙醇清洗待分析面。利用扫描电子显微镜（SEM）对试样未磨损和被磨损面磨痕微观形貌进行观察分析，从而部分真实的还原出在辊式制粉实际工况条件下，白口铁抗小麦籽粒粉料的磨料磨损性能。图4中a、b所示为第4组（轻微磨损）和第5组（严重磨损）试样磨痕微观形貌SEM图。

图4 磨痕微观形貌SEM图

由图4可知，严重磨损面相较于轻微磨损面，表面凸凹不平，剥落凹坑增多，是材料在“不可压缩团”磨料反复挤压行为下产生了塑性变形［16］，磨痕表面犁沟和犁皱等特征更明显，在犁沟较深处有金属翻起物，应为硬度较低被剥落的基体，而犁沟两侧则残余着一定数量疲劳剥落的金属残片及脆性剥落的细碎金属颗粒。这说明“不可压缩团”磨料在法向应力的作用下嵌入磨损表面，与此同时受切向应力的推动沿磨损表面滑移。当磨粒取向与行进方向匹配时，磨粒会发挥出类似刀具前角的功用进而对磨损表面进行微观切削，而当磨粒取向与行进方向不匹配时，磨粒则会发挥出类似刀具负前角的功用从而对磨损表面进行推挤，这2种磨损行为沿磨粒的滑移轨迹造就了SEM图中的犁沟与犁皱。分析认为，磨损具体表现为珠光体基体和碳化物的磨损。基体的磨损以塑变疲劳剥落和多冲疲劳磨损为主，基体组织塑性好，磨物作用下形成较深的犁沟和较多的金属翻起物。碳化物的磨损以脆性剥落为主，有少量的大块剥落碳化物能抵抗塑性变形［17-18］。磨损过程中也可能存在碳化物和基体组织的交互作用，高硬度的碳化物抵抗犁沟作用和磨物的压入变形，限制基体剧烈变形的深度，但碳化物上容易萌生裂纹并开裂，基体组织韧性好，能抑制亚表层和近表面处碳化物上裂纹的扩展，减少剥落。

3 结论

3.1 磨料粒度、转速和轧距，磨料粒度对白口铁磨损性能的影响极为显著。

3.2 磨损具体表现为珠光体基体和碳化物的磨损，基体的磨损以塑变疲劳剥落和多冲疲劳磨损为主；碳化物的磨损以脆性剥落为主。由此可见，采用多元低合金，强化基体，提高碳化物的显微硬度等有利于提高磨辊耐磨性。

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Experiment of White Iron Abrasive Wear for Wheat Grain Powder

Zhang Keping Jiang Liangpeng Yao Yaping

（College of Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070）

The abrasive wear testing machine similar to the roller mills was used to study the abrasive wear condition between rollers and materials during flour processing.The orthogonal test method was used to investigate the effect of abrasive particle size，rotation speed and rolling gap of rollers on white iron wear performance.The scanning electron microscope was applied to observe the topography of wear surface.Results showed that the abrasive particle size was the most important factor which affected the wear properties.The main wear forms were plastic spalling，repeated fatigue wear and the brittle spalling.The conclusion could provide basic reference to improve the wear resistance of grinding roller and reduce the metallic pollution during wheat powder processing.

wheat，roller mill，abrasive wear，roller，wear properties

TH117.1

A

1003-0174（2017）01-0109-05

国家自然科学基金（51265001），中国博士后科学基金（2014M562471），甘肃农业大学伏羲青年英才培养计划（FXYC20130103），甘肃农业大学青年导师基金（GAU-QNDS-201405）

2015-05-30

张克平，男，1981年出生，副教授，农产品加工机械及材料摩擦磨损