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輥式破碎機輥面磨損的建模分析

發布時間:2015-03-27 09:53:06

破碎輥是大型輥式破碎機的關鍵部件,在長期工作中輥面受滑動摩擦力和支反力的作用,產生磨粒磨損和疲勞磨損,導致兩輥間隙變大,造成出料粒度不均勻的后果,嚴重影響生產質量。因此,為保證生產,需要定期修復破碎機的磨損輥面,恢復其尺寸精度。在線堆焊技術為大型輥式破碎機磨損輥面的常用修復技術,而近些年廣泛用于冶金輥修復的等離子噴涂技術,不僅可用于破碎輥磨損輥面的修復,而且更易于制備厚度可精確控制的復合功能修復涂層。目前噴涂操作多由人工完成,存在以下2個問題:噪聲和輻射影響工人身心健康;噴涂的運動參數由人工判斷控制,導致修復層與磨損輥面的結合強度產生突變區域,嚴重影響修復層的壽命。為改善這一現狀,我們應用自動控制技術代替人工控制,對磨損輥面實行等離子噴涂在線修復。首先建立噴涂點的涂層厚度模型,確定噴涂變參數;再建立噴涂變參數的控制模型;后分析該控制模型的可靠性。

1、噴涂點的涂層厚度模型

基于平面直線軌跡上噴涂點涂層厚度模型的分析,可推導出輥面上噴涂點的涂層厚度模型,確定噴涂變參數。

輥面上噴涂點的涂層厚度與平面直線軌跡的不同之處在于,噴涂面由平面變為圓柱面,且噴涂軌跡由直線變為貼合輥面的曲線。由于噴槍噴涂至輥面所形成涂層的覆蓋面積與輥面面積比值很小,可視為噴涂點在磨損輥面上所形成的涂層,近似于平面上所得圓形涂層。因此,重點研究基于輥面噴涂軌跡的涂層厚度模型。

(1)輥面噴涂修復的噴涂軌跡規劃

基于破碎輥圓柱形的幾何外形,為增強輥面的耐磨性,采用圓柱螺旋線噴涂軌跡。沿圓柱螺旋線軌跡噴涂的接縫方向,與破碎輥相對物料運動產生的切向滑動摩擦力相差一個軌跡傾角,修復后的涂層接縫能在工作過程中抵消一部分破碎力,具備更高的強度。

(2)輥面螺旋線軌跡上噴涂點的涂層厚度模型

將輥面沿圓柱螺旋線噴涂軌跡展開,由圓柱螺旋線軌跡可知,此時噴槍相對輥面的進給速度由破碎輥自轉的盤車速度和噴槍沿破碎輥軸線進給速度合成,且夾角為螺旋角。

噴涂點的涂層厚度與噴涂距離、噴射張角、盤車速度及噴粉量有關。而沿圓柱螺旋線軌跡噴涂修復時,要求涂層厚度隨磨損量而變化。對磨損輥面噴涂時,由于磨損量與噴槍至未磨損輥面距離的比值很小,可將噴槍至磨損輥面的距離h視為常量,同時盤車速度和噴射張角均為常量,上述參數均不符合控制要求;可通過控制可控變量實現涂層厚度隨磨損量而變化,因此,可控變量為噴涂變參數。

但從修復涂層性能上看,當涂層厚度過大時,輥面長時間噴涂造成涂層過厚和受熱變形,致使涂層冷凝后存在較大的殘余應力,引起涂層結合不良,甚至開裂、翹曲和分層。因此,對磨損量較大的區域,為保證涂層與基體的涂層結合強度,應采用多道次噴涂,由此引入噴涂道次。因此,噴涂變參數有噴粉量及噴涂道次。

2、控制模型

(1)噴粉量與涂層厚度的關系

對磨損輥面噴涂時,由于噴涂距離、噴射張角和盤車速度為恒定值,可簡化涂層厚度表達式,得到噴粉量與涂層厚度呈正比關系。

(2)噴涂道次與涂層厚度的關系

針對破碎輥磨損機理,采用磨粒磨損和剝落抗力高且結合強度好的粉末作為噴涂粉末。硬質合金對外表面等離子噴涂時的大允許涂層厚度是0.38mm。涂層厚度為各噴涂道次所對應單道涂層厚度的總和,且每道涂層厚度需控制在大允許涂層厚度0.38mm以內。

(3)噴粉量和噴涂道次控制

噴涂前,用激光位移傳感器沿規劃的噴涂軌跡,測量傳感器離輥面的垂直距離,得到磨損量,并以二維數組為測量點的磨損量及其位置信息。噴粉量的調控越頻繁,修復精度越高,以大允許厚度對應的噴粉量噴涂;后一道以剩余厚度對應的噴粉量噴涂。

由于輥面溫度過高或過低均會提高涂層的熱殘余應力,降低涂層的結合強度[9],因此,需注意在完成一道噴涂后,應待涂層散熱冷卻到輥面預熱溫度后再進行下一道噴涂。

在噴涂過程中,控制噴粉量的同時,應控制電功率、主氣、輔氣及送粉氣流量與噴粉量相配合,使粉末在等離子焰中充分融化與加熱,確保良好的涂層性能。基于噴粉量和噴涂道次的控制模型,可確定經n道修復后的涂層厚度。

3、實際分析

測量所得輥面的磨損量分布表現為磨損量在破碎輥輥身中部區域大,向兩側區域逐漸減弱,且輥身中部和兩側的局部區域分別存在不同程度的磨損量差異突變現象,這與實際磨損情況相符。導致該情況產生的原因為:破碎物料經輥身中部正上方的進料口落下,主要集中在破碎輥中部,而輥身兩側存在漏料,導致輥身中部的磨損量大于兩側;且物料存在個體差異,體積較大相對于體積較小的物料對輥身產生的反作用力更大,作用力大的位置磨損量也大,使輥身局部區域的磨損程度分布產生了突變。

疊加后所得涂層厚度曲線與磨損量分布情況大體一致。由于輥面上任意一點的所需涂層厚度由若干個測量節點測得的磨損量的平均值所決定,導致計算仿真所得的涂層厚度與所測得的磨損量分布有所偏差。

根據輥面磨損量的不同,依靠控制模型控制噴粉量和噴涂道次,對磨損量平均值小于大允許涂層厚度的區域,采用單道次、當期噴粉量進行噴涂修復;對磨損量平均值大于大允許涂層厚度的區域,采用多道次及各道次對應噴粉量進行噴涂修復,得到了修復涂層厚度與磨損量分布基本一致的仿真結果。該控制模型基本符合恢復輥面原有尺寸精度的要求。

破碎輥是大型輥式破碎機的關鍵部件,在長期工作中輥面受滑動摩擦力和支反力的作用,產生磨粒磨損和疲勞磨損,導致兩輥間隙變大,造成出料粒度不均勻的后果,嚴重影響生產質量。因此,為保證生產,需要定期修復破碎機的磨損輥面,恢復其尺寸精度。在線堆焊技術為大型輥式破碎機磨損輥面的常用修復技術,而近些年廣泛用于冶金輥修復的等離子噴涂技術,不僅可用于破碎輥磨損輥面的修復,而且更易于制備厚度可精確控制的復合功能修復涂層。目前噴涂操作多由人工完成,存在以下2個問題:噪聲和輻射影響工人身心健康;噴涂的運動參數由人工判斷控制,導致修復層與磨損輥面的結合強度產生突變區域,嚴重影響修復層的壽命。為改善這一現狀,我們應用自動控制技術代替人工控制,對磨損輥面實行等離子噴涂在線修復。首先建立噴涂點的涂層厚度模型,確定噴涂變參數;再建立噴涂變參數的控制模型;后分析該控制模型的可靠性。

1、噴涂點的涂層厚度模型

基于平面直線軌跡上噴涂點涂層厚度模型的分析,可推導出輥面上噴涂點的涂層厚度模型,確定噴涂變參數。

輥面上噴涂點的涂層厚度與平面直線軌跡的不同之處在于,噴涂面由平面變為圓柱面,且噴涂軌跡由直線變為貼合輥面的曲線。由于噴槍噴涂至輥面所形成涂層的覆蓋面積與輥面面積比值很小,可視為噴涂點在磨損輥面上所形成的涂層,近似于平面上所得圓形涂層。因此,重點研究基于輥面噴涂軌跡的涂層厚度模型。

(1)輥面噴涂修復的噴涂軌跡規劃

基于破碎輥圓柱形的幾何外形,為增強輥面的耐磨性,采用圓柱螺旋線噴涂軌跡。沿圓柱螺旋線軌跡噴涂的接縫方向,與破碎輥相對物料運動產生的切向滑動摩擦力相差一個軌跡傾角,修復后的涂層接縫能在工作過程中抵消一部分破碎力,具備更高的強度。

(2)輥面螺旋線軌跡上噴涂點的涂層厚度模型

將輥面沿圓柱螺旋線噴涂軌跡展開,由圓柱螺旋線軌跡可知,此時噴槍相對輥面的進給速度由破碎輥自轉的盤車速度和噴槍沿破碎輥軸線進給速度合成,且夾角為螺旋角。

噴涂點的涂層厚度與噴涂距離、噴射張角、盤車速度及噴粉量有關。而沿圓柱螺旋線軌跡噴涂修復時,要求涂層厚度隨磨損量而變化。對磨損輥面噴涂時,由于磨損量與噴槍至未磨損輥面距離的比值很小,可將噴槍至磨損輥面的距離h視為常量,同時盤車速度和噴射張角均為常量,上述參數均不符合控制要求;可通過控制可控變量實現涂層厚度隨磨損量而變化,因此,可控變量為噴涂變參數。

但從修復涂層性能上看,當涂層厚度過大時,輥面長時間噴涂造成涂層過厚和受熱變形,致使涂層冷凝后存在較大的殘余應力,引起涂層結合不良,甚至開裂、翹曲和分層。因此,對磨損量較大的區域,為保證涂層與基體的涂層結合強度,應采用多道次噴涂,由此引入噴涂道次。因此,噴涂變參數有噴粉量及噴涂道次。

2、控制模型

(1)噴粉量與涂層厚度的關系

對磨損輥面噴涂時,由于噴涂距離、噴射張角和盤車速度為恒定值,可簡化涂層厚度表達式,得到噴粉量與涂層厚度呈正比關系。

(2)噴涂道次與涂層厚度的關系

針對破碎輥磨損機理,采用磨粒磨損和剝落抗力高且結合強度好的粉末作為噴涂粉末。硬質合金對外表面等離子噴涂時的大允許涂層厚度是0.38mm。涂層厚度為各噴涂道次所對應單道涂層厚度的總和,且每道涂層厚度需控制在大允許涂層厚度0.38mm以內。

(3)噴粉量和噴涂道次控制

噴涂前,用激光位移傳感器沿規劃的噴涂軌跡,測量傳感器離輥面的垂直距離,得到磨損量,并以二維數組為測量點的磨損量及其位置信息。噴粉量的調控越頻繁,修復精度越高,以大允許厚度對應的噴粉量噴涂;后一道以剩余厚度對應的噴粉量噴涂。

由于輥面溫度過高或過低均會提高涂層的熱殘余應力,降低涂層的結合強度[9],因此,需注意在完成一道噴涂后,應待涂層散熱冷卻到輥面預熱溫度后再進行下一道噴涂。

在噴涂過程中,控制噴粉量的同時,應控制電功率、主氣、輔氣及送粉氣流量與噴粉量相配合,使粉末在等離子焰中充分融化與加熱,確保良好的涂層性能。基于噴粉量和噴涂道次的控制模型,可確定經n道修復后的涂層厚度。

3、實際分析

測量所得輥面的磨損量分布表現為磨損量在破碎輥輥身中部區域大,向兩側區域逐漸減弱,且輥身中部和兩側的局部區域分別存在不同程度的磨損量差異突變現象,這與實際磨損情況相符。導致該情況產生的原因為:破碎物料經輥身中部正上方的進料口落下,主要集中在破碎輥中部,而輥身兩側存在漏料,導致輥身中部的磨損量大于兩側;且物料存在個體差異,體積較大相對于體積較小的物料對輥身產生的反作用力更大,作用力大的位置磨損量也大,使輥身局部區域的磨損程度分布產生了突變。

疊加后所得涂層厚度曲線與磨損量分布情況大體一致。由于輥面上任意一點的所需涂層厚度由若干個測量節點測得的磨損量的平均值所決定,導致計算仿真所得的涂層厚度與所測得的磨損量分布有所偏差。

根據輥面磨損量的不同,依靠控制模型控制噴粉量和噴涂道次,對磨損量平均值小于大允許涂層厚度的區域,采用單道次、當期噴粉量進行噴涂修復;對磨損量平均值大于大允許涂層厚度的區域,采用多道次及各道次對應噴粉量進行噴涂修復,得到了修復涂層厚度與磨損量分布基本一致的仿真結果。該控制模型基本符合恢復輥面原有尺寸精度的要求。

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