苜蓿草粉对9KWH-250颗粒压制机环模的磨损试验分析

李 浩，张 杰，马 娟，孔令卓，苏 剑，帕合尔鼎，冯 斌

（新疆农业科学院农业机械化研究所，新疆乌鲁木齐830091）

0 引言

近几年来，草颗粒饲料在我国得到了应用发展，用于加工精饲料的环模颗粒压制机被直接用于加工草颗粒饲料或秸秆配合饲料[1]。环模作为环模颗粒压制机的关键部件，环模的工作性能和寿命直接影响着颗粒产品质量和生产成本。苜蓿压制成颗粒后便于储存和运输，但苜蓿草粉粗纤维含量高、压缩性差，在压制苜蓿颗粒时容易堵塞模孔，造成过模时阻力增大，使制粒环模机械磨损增大，环模的寿命只有压制配合饲料时的1/4[2]。以苜蓿草粉为磨料，初步研究其对4Cr13钢的磨损规律与磨损机理，为提高环模颗粒压制机环模的耐磨性提供理论和技术支撑。

1 设备介绍

由新疆农业科学院农业机械化研究所研制的9KWH-250颗粒压制机主要由机架、主轴箱、主轴、料仓、调速喂料器、强制喂料器、压制室等组成（图1）。用于压制水份小于等于20%的粉状饲料（粉状饲料可由玉米粉、小麦粉、麸皮、豆粕等精料构成，也可添加一定比例的草粉或全草颗粒），使之成为颗粒状。

图1 9KWH-250颗粒压制机

9KWH-250颗粒压制机的工作原理是粉碎、混合后的待制粒物料从料仓中经调速喂料器、强制喂料器进入压制室，通过物料自身的重力和环模旋转产生的离心力以及喂料刮刀的作用均匀地喂入环模内的两个压制区，即两个压辊和环模形成的楔形空间内，因压辊和环模内壁最小间隙仅为0～0.15 mm，在环模旋转带动压辊相对旋转的情况下，物料逐渐被压实、挤入到环模的模孔中，并在模孔中成形，从模孔出料一端不断呈柱状挤出，然后由切刀切成所需长度的颗粒[3]。

9KWH-250秸秆颗粒压制机技术参数如表1所示：

表1 9KWH-250颗粒压制机技术参数

2 试验部件及材料

2.1 试验部件

环模材料为4Cr13钢，其化学成分为碳C：0.36～0.45、硅 Si≤1.00、锰 Mn≤1.00、硫 S≤0.030、磷 P≤0.035、铬Cr：12.00～14.00、允许含有镍 Ni≤0.60；热处理工艺为1050℃，淬火300℃回火。环模结构参数如图2所示，模孔直径6 mm、模孔有效长度30 mm、环模内径250 mm、环模外径310 mm、环模宽度135 mm、有效宽度85 mm，环模转速350 r/min（此时制粒效果最佳）。

图2 环模

2.2 试验材料

试验用的苜蓿为新疆大叶苜蓿，在自然风干状态下，含水率为7.73%、粗蛋白质含量18.5～21.3%、粗脂肪含量2.6～2.8%。制粒前用锤片粉碎机将苜蓿粉碎，粉碎机筛网孔径为6 mm，粉碎后将苜蓿草粉进行水分调节，使苜蓿草粉含水率为17～20%。

2.3 磨损试验方法

环模的设计寿命通常在1 000 h以上[4]，但根据实际使用情况，从颗粒饲料加工的条件看，环模的实际使用寿命一般不超过500 h[5]。根据行业惯例，在环模制粒过程中，当颗粒的成型率下降至75%时，即可认定环模失效[6]。本试验所用环模在正常工作380 h后产量下降20%，将环模卸下进行环模的磨损机理分析。

3 结果与分析

3.1 环模磨损宏观形貌

环模磨损分析试样的表观形貌如图3，通过将环模径向切块，可以发现环模试样在通过磨损试验后，外观形貌具有如下特征：环模的模孔在草粉入口处变大明显，沿出口方向的磨损量逐渐变小，模孔入口扩大明显，使得环模草粉入口处的孔壁变薄，部分模孔有变形损坏。

图3 环模模孔磨损后的宏观形貌

由于环模磨损不是很规则，所以采取测量距离环模草粉进入模孔开始的有效长度方向上0 mm、5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm位置处的模孔直径，环模模孔直径变化如图4所示。

图4 环模模孔直径变化

由图4可知，从环模模孔草粉入口到出口，模孔内壁的磨损量由大变小。环模材料为4Cr13钢，采用1050℃，淬火300℃回火热处理，模孔内壁硬度一致，在苜蓿草粉物料通过模孔被挤出的过程中，物料从松散到紧实，草粉颗粒外表面从粗糙到光滑，模孔内壁的磨损与模孔内壁载荷相关[7]，苜蓿草粉所受的压辊挤压力由大变小，导致模孔内壁的磨损量在草粉入口处大于颗粒出口处。从环模模孔直径的测量结果可以看出环模内壁磨损量在草粉入口处基本大于0.1 mm，4Cr13钢热处理后的氧化层已经完全磨损，因表面硬度降低，导致磨损加剧，进而使环模失效。

3.2 环模磨损微观形貌

从环模模孔草粉入口到出口方向将环模均分为前段、中段和后段。对环模块前段、中段和后段的磨损表面微观形貌分别进行分析，环模模孔各段磨损后放大1 000倍的微观形貌如图5所示，从放大1 000倍的环模模孔内壁磨损面上可以清晰看到沟痕和不规则、散乱的点蚀坑，并且沟痕的方向沿出料方向大体一致。在环模前段磨损表面沟痕既深又多，少有点蚀坑；在环模块中段磨损表面沟痕变浅变少，点蚀坑变多；在环模块后段点蚀坑变得更多，沟痕更浅。

图5 环模模孔各段磨损后的微观形貌

在苜蓿草粉被挤压成型的过程中，苜蓿草粉中部分硬质磨粒在压辊的法向压力作用下被压入环模模孔内，硬质磨粒沿着挤压方向对环模孔内壁有切削作用，形成了方向大体一致的犁沟，即图5中的沟痕。同时，由于苜蓿草颗粒外表面在受挤压并向着模孔出口方向移动时，对环模内壁进行着不断的抛光，苜蓿草颗粒外表面的微粒也受到磨损，磨粒表面慢慢钝化，环模内壁的磨损沟痕则慢慢变弱变浅，磨损量逐渐减小。当苜蓿草颗粒慢慢移动到环模模孔后段时，环模内壁点蚀慢慢增多，由此可见，从环模前段到后段，苜蓿草粉和环模的磨损原因主要是磨粒磨损和疲劳磨损。

4 结论

通过苜蓿草粉环模模孔内壁的磨损试验，对环模模孔磨损表面进行了宏观形貌和微观形貌研究，分析讨论了苜蓿草粉物料对4Cr13钢环模不同部位的磨损机理。

（1）苜蓿草粉(软磨料)在通过环模模孔的挤压成型的过程中，环模的磨损机制主要有磨粒磨损、疲劳磨损等磨损形式，环模模孔的不同磨损位置起主导作用的磨损机制有所不同。

（2）环模模孔前段苜蓿草粉和环模的磨损机制主要是磨粒磨损，环模模孔后段苜蓿草粉和环模的磨损机制主要是疲劳磨损。

（3）当环模氧化层磨损殆尽时，环模表面硬度降低，磨损加剧，苜蓿草颗粒成形率大大降低，进而导致环模失效。