制粒环模磨损失效机理研究及优化设计

论文摘要

环模是制粒机的核心部件,加工苜蓿草颗粒的环模寿命只有加工配合饲料颗粒的四分之一。在环模草颗粒制粒过程中,由于草粉对环模磨粒磨损,当颗粒的成型率下降至75%时,产生环模失效。本文在农业部牧草产业化生产关键技术装备研究项目的支持下,对环模磨损失效机理、苜蓿草粉对金属材料的磨损机理、环模力学特性及对结构的影响进行研究,并取得了重要研究成果。1.通过对环模失效的分析研究,揭示了制粒环模失效机理是环模表面在塑性变形和显微切削两种磨损机制作用下产生表面的材料流失;2.通过对不同金属材料的抗苜蓿草粉磨粒磨损行为的研究,苜蓿草粉磨料对金属材料的磨损有两种不同的磨损机制,在硬磨料磨损条件下,以显微切削机制为主导,在软磨料磨损条件下,以多次塑性变形机制和低周期疲劳机制为主导;3.试验研究发现,提高金属材料抗植物材料磨料磨损抗力不是简单地提高金属材料表面的硬度,而是应综合考虑金属材料的硬度与韧性的合理配合,即在本试验条件下,45#钢硬度HRC50.67,韧度0.69kgfm:4.确定了45#钢的抗苜蓿草粉磨粒磨损的热处理制度即:45#钢亚温淬火比常温淬火能提高耐磨性;45#钢抗苜蓿草粉磨损最佳热处理工艺为:840℃保温30min水淬,550℃回火后水冷预处理;770℃加热5-6min,水淬,200℃回火2小时。5.通过对环模制粒过程的力学特性分析和挤出力与制粒密度的关系研究,建立了进行环模结构优化设计的数理模型,为环模结构设计提供了理论依据。本论文的研究成果开创了植物材料对金属材料磨料磨损机理研究的新领域,为农业机械、饲料加工机械的设计制造中的材料选择、热处理工艺的制定提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外文献综述
• 1.2.1 环模颗粒机的国内外发展概况
• 1.2.2 国内外环模研究现状
• 1.2.3 国内外软磨料磨损研究现状
• 1.3 研究的目的及意义
• 1.3.1 目的
• 1.3.2 意义
• 1.4 研究思路和主要内容与方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.1.1 环模制粒系统的磨损失效分析研究
• 1.4.1.2 试验平台的研制
• 1.4.1.3 在磨粒磨损试验机上进行以苜蓿草粉为主的植物性材料对金属材料的磨料磨损机理的研究
• 1.4.1.4 对环模模孔的结构、模孔分布、开孔率等进行了改善,改进设计适合加工粗纤维含量较高的苜蓿草颗粒的环模。
• 1.4.2 研究方法
• 第2章 制粒环模的失效分析
• 2.1 草颗粒制粒技术应用进展
• 2.2 环模颗粒机工况
• 2.2.1 颗粒机的主要结构及工作原理
• 2.2.2 环模与压辊的工作原理
• 2.2.3 制粒过程分析
• 2.3 环模强度分析与讨论
• 2.3.1 弯曲强度
• 2.3.1.1 受力分析
• 2.3.1.2 弯曲强度分析
• 2.3.2 接触抗压强度
• 2.4 环模失效分析
• 2.4.1 交变应力下的疲劳破坏失效
• 2.4.2 磨损失效
• 2.4.2.1 环模失效的宏观形貌分析
• 2.4.2.2 环模失效的微观形貌分析
• 2.4.3 本章小结
• 第3章 苜蓿草粉对金属材料的磨损性能的影响
• 3.1 磨料磨损与试验方案选择分析
• 3.1.1 磨料磨损
• 3.1.1.1 磨料磨损的概念
• 3.1.1.2 磨料磨损的分类
• 3.1.1.3 磨料磨损机理
• 3.1.1.4 磨料磨损的影响因素
• 3.1.2 试验方案选择分析
• 3.2 制粒环模磨料磨损与三体磨料磨损
• 3.2.1 两体磨料磨损
• 3.2.2 三体磨料磨损
• 3.2.3 两体磨料磨损与三体磨料磨损的关系
• 3.2.4 制粒环模磨料磨损
• 3.3 试验平台设计
• 3.3.1 三体磨料磨损试验机结构设计和工作原理
• 3.3.2 试验机功能
• 3.3.3 试验试样与环模实际磨损的SEM形貌
• 3.4 苜蓿草粉对金属材料磨损性能影响的正交试验
• 3.4.1 试验方案
• 3.4.1.1 试样和磨料的特性参数
• 3.4.1.2 试验装置与方法
• 3.4.1.3 正交试验设计
• 3.4.2 正交试验结果分析
• 3.4.2.1 直观分析
• 3.4.2.2 计算分析
• 3.4.3 综合分析
• 3.4.4 结论
• 3.5 苜蓿草粉对金属材料磨料磨损试验
• 3.5.1 草粉磨料为介质的磨料磨损累积失重试验
• 3.5.1.1 累积失重试验结果及分析
• 3.5.1.2 累积失重试验结果讨论
• 3.5.2 草粉磨料对不同金属材料的磨料磨损试验
• 3.5.2.1 试验材料与方法
• 3.5.2.2 磨损累积失重试验结果与分析
• 3.5.3 草粉磨料为介质的磨料磨损微观分析
• 3.5.3.1 确定试件磨损前后硬度
• 3.5.3.2 磨料磨损体积磨损△V测量
• 3.5.4 磨损表面形貌分析和磨料磨损组织的变化
• 3.5.5 磨料磨损模型建立
• 3.5.5.1 磨料颗粒的形貌
• 3.5.5.2 软磨料磨损过程的模型
• 3.5.6 初探磨料磨损机理
• #钢的软磨料磨损分析'>3.6 苜蓿草粉对45^#钢的软磨料磨损分析
• 3.6.1 试验部分
• 3.6.1.1 试样和磨料制备
• 3.6.1.2 试验方法
• 3.6.2 结果与讨论
• 3.6.2.1 磨损失重
• 3.6.2.2 讨论分析
• 3.6.3 结论
• #钢抗苜蓿草粉的磨损性能影响'>3.7 热处理工艺对45^#钢抗苜蓿草粉的磨损性能影响
• 3.7.1 试验部分
• 3.7.1.1 试样和磨料制备
• 3.7.2 结果与讨论
• 3.7.2.1 磨损性能
• 3.7.2.2 金相组织分析
• 3.7.2.3 磨损形貌分析
• 3.7.3 结论
• 第4章 环模的力学特性及对结构的影响
• 4.1 环模制粒过程中受力分析
• 4.1.1 制粒原理
• 4.1.2 环模制粒过程中受力分析
• 4.2 草粉粒度对制粒的影响
• 4.2.1 粉碎粒度对功耗的影响
• 4.2.2 粉碎粒度对加工成本的影响
• 4.2.3 粉碎粒度对粉化率的影响
• 4.2.4 粉碎粒度对颗粒质量的影响
• 4.3 苜蓿草粉制粒密度与挤出力的压缩试验
• 4.3.1 环模制粒的模拟模型
• 4.3.2 草颗粒密度与挤出力模拟试验
• 4.3.2.1 材料与试验设备
• 4.3.2.2 试验方案
• 4.3.2.3 测定方法
• 4.3.2.4 试验结果
• 4.3.3 数学模型的建立与试验结果的分析
• 4.3.4 结论
• 4.4 环模压辊系统中草粉流场理论模型建立
• 4.4.1 流体力学概述
• 4.4.2 流场理论模型建立
• 4.4.3 结论
• 第5章 制粒环模的优化设计
• 5.1 环模的材料和热处理
• 5.1.1 环模的材料及加工工艺
• 5.1.2 环模的热处工艺
• 5.2 环模结构优化设计
• 5.2.1 环模制粒机中三种环模结构型孔的有限元分析
• 5.2.1.1 环模型孔的结构模型
• 5.2.1.2 有限元网格划分
• 5.2.1.3 有限元模型约束
• 5.2.1.4 有限元模型加载
• 5.2.1.5 求解
• 5.2.1.6 计算结果
• 5.2.1.7 结果分析
• 5.2.2 环模压缩比
• 5.2.3 环模的厚度
• 5.2.4 环模的模孔形状和结构
• 5.2.5 环模模孔分布
• 5.2.6 环模开孔率
• 5.2.7 环模模孔的粗糙度
• 5.2.8 环模安装形式
• 5.3 环模压辊系统三维实体建模
• 5.3.1 压辊
• 5.3.2 环模压辊间隙与切刀
• 5.3.3 环模压辊系统的装配
• 5.3.4 新型环模生产验证
• 结果与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录