破碎機耐磨部件磨損失效分析

劉毅

摘 要：筆者結合自身工作實際，介紹了破碎機耐磨部件磨損失效的機理。

關鍵詞：破碎機；耐磨；失效

1 金屬材料的磨損機理

1.1 粘著磨損

粘著磨損常常發生在經過機械加工后的零部件。粘著磨損是指在滑動摩擦時，摩擦副接觸表面局部發生金屬粘著，在隨后相對滑動中粘著處被損壞，而使金屬屑粒從零件表面被拉拽下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。當兩個相互作用表面接觸時，接觸僅在少數幾個孤立的微凸體頂尖上發生，由于接觸面積小，所以在這些接觸著得面積上就會產生很大的應力，使得接觸表面發生塑性變形，表面膜層因金屬流動而遭到破壞，使得金屬原子直接接觸，從而產生金屬原子間的鍵合，形成了冷焊點，也就產生了粘著現象。然后在隨著相對滑動的進行，粘著處發生破壞，而使有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來，因此產生了磨損。粘著磨損過程一般分為三個階段：磨合階段、穩定磨損階段和劇烈磨損階段。

1.2 磨料磨損

磨料磨損一般是指硬的磨粒或凸出物在與摩擦表面互相接觸運動的過程中，使表面材料發生損耗的現象。在工業實際生產中，磨料磨損造成的材料損耗是最高的，約50%以上的磨損失效是由于磨料磨損造成的。目前關于磨料磨損的機理主要有微觀切削、微觀犁溝、微觀剝落等。

在實際磨粒磨損過程中，往往是幾種磨損機制同時存在的，但是以某一種磨損機制為主。上述幾種磨損機制中，以微觀切削對材料所造成的磨損最為嚴重，而微觀剝落的影響在某些脆性較大的材料中所造成的磨損也較為嚴重。

1.3 表面疲勞磨損

當兩接觸面作滾動、滑動或滾動滑動復合運動時由于作用在摩擦表面微觀體積上周期性的接觸載荷或交變應力，使表面及亞表面由于疲勞而產生裂紋，最后導致材料剝落和損耗的現象，稱為表面疲勞磨損。表面疲勞磨損裂紋可以在表面和亞表面上發生，可以沿著與表面平行的方向或垂直的方向擴展，最終結果都會導致表層材料成細片狀剝落，形成麻點狀或痘斑狀的剝落坑。

1.4腐蝕磨損

腐蝕磨損是腐蝕和磨損同時起作用的一種磨損。在摩擦過程中，摩擦副之間或摩擦副表面與環境介質發生化學或電化學反應形成腐蝕產物，腐蝕產物的形成和脫落造成的磨損稱為腐蝕磨損。腐蝕磨損一般分為化學腐蝕磨損和電化學腐蝕磨損兩大類。在化學腐蝕磨損中最重要的一種是氧化磨損。當摩擦副作相對運動時，凸起部分與另一方摩擦接觸產生塑性變形，空氣中的氧擴散到塑性變形層內，形成氧化膜。由于氧化膜強度低，在遇到第二個凸起時剝落，露出新的表面。新的表面又不斷被氧化，形成氧化膜，然后再剝落。如此周而復始，機件表面逐漸被磨損，最后導致零件失效，這就是氧化磨損的過程。

1.5沖蝕磨損

沖蝕磨損又稱為浸蝕磨損，它是指流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損。沖蝕磨損與腐蝕磨損的區別是前者對材料表面的破壞主要是機械力作用引起，腐蝕只是第二位的因素；而后者則發生在腐蝕介質中，摩擦副的磨損是腐蝕和磨損綜合作用的結果。

2破碎機工作原理

顎式破碎機有多種結構形式，但其工作原理是相同的，即通過動顎板的周期性運動來破碎物料。在動顎板繞懸掛心軸向固定顎板擺動的過程中，位于兩顎板之間的物料便受到壓碎、劈裂和彎曲等綜合作用。開始時，壓力較小，使物料的體積縮小，物料之間互相靠近、擠緊；當壓力上升到超過物料所能承受的強度時，即發生破碎。反之，當動顎板離開固定顎板向相反方向擺動時，物料則靠自重向下運動。動顎板的每一個周期性運動就使物料受到一次擠壓作用，并向下排送一段距離。經若干個周期后，被破碎的物料便從排料口排出機外。隨著電動機連續轉動而破碎機動顎板作周期運動壓碎和排泄物料，實現批量生產。

3耐磨部件失效分析

顎式破碎機物料在破碎腔內流動是一個看似簡單卻很復雜的過程。理想狀態下，物料經過一系列的破碎，粒度減小到標準要求。從排料口排出。由顎板運動分析可知，動顎板在擠壓行程中豎直方向有運動。因此，物料與顎板之間必然存在相對滑動。從運動分析中可以發現，在動顎的擠壓行程中，動顎在垂直方向先向上然后向下運動。下面分別對物料破碎時上述兩種情況進行受力運動分析。由于物料自身重力相比較其他力較小，可以忽略。圖1，圖2為物料破碎時受力分析圖。動顎向上運動時：

由此說明，在動顎向上運動的時候，物料和定顎板首先發生相對滑動，且較物料與動顎板相對容易發生滑動。同樣方法，在動顎板向下運動的時候。物料和動顎板首先發生相對滑動，且較物料與定顎板相對容易發生滑動。

很顯然，物料在顎式破碎機中的破碎大多數情況下是點接觸擠壓引起的劈裂破碎，在這種情況下破碎是由于物料內部拉應力作用下內部裂紋擴張引發物料破碎，而在實際情況中，破碎的物料為不規則形狀，其破碎前擠壓接觸部分粉碎發生要更為嚴重，需要更多的擠壓行程，其破碎過程中豎直行程更多，而且物料的有效破碎行程，也就是物料劈裂所需行程和物料的體積有關，是隨著體積增大而加大的。破碎腔內上部破碎時動顎有較多的向下行程，而在下部由于向上運動的破碎行程很大，可以認為在破碎行程中動顎板向下運動時物料基本上已經完成破碎。這也可從使用過的顎板得到證明，在定顎板磨損嚴重的中下部有明顯的相對劃痕，而動顎板則幾乎沒有看到劃痕。

從上述分析可知顎板磨損的主要原因是磨料相對顎板進行短程滑動、切削金屬造成磨屑和磨料反復擠壓引起顎板材料多次變形，最終導致金屬材料疲勞脫落。其磨損失效過程是：（1）物料多次反復擠壓鑿削顎板，在顎板表層，或在擠壓金屬的突出部分根部形成微裂紋，此微裂紋不斷擴展到相連，最后造成表面金屬材料脫落，形成磨屑。（2）物料反復擠壓，造成顎板金屬材料被局部壓裂或翻起，其碎裂或翻起部分又隨著擠壓撞擊的物料一起脫落形成磨屑。（3）物料相對顎板短程滑動，切削顎板形成磨屑。

在復擺顎式破碎機使用過程中，物料的堵塞也是造成顎板磨損的原因之一，特別是在有較大破碎比時，物料的堵塞相對嚴重，這就會出現物料破碎困難或者無法破碎。在這種情況下物料在顎板擠壓下的滑動增加，顎板的磨損加劇，同時由于磨損產生，使得嚙角進一步加大，堵塞更加嚴重，如此形成惡性循環，最終導致顎板磨損失效。

從上述磨損失效分析可知，對于顎板材料應選擇硬度較高的材質以抵抗擠壓、顯微切削失效，選擇足夠韌性的材質以抵抗撞擊疲勞失效。同時從顎板結構上進行改進，以減少物料與顎板的相對滑動，同時還應考慮物料的堵塞問題以減少顎板的磨損。這不僅對提高生產效率有益，而且對提高材料的使用壽命也有益。

4影響磨損的主要因素

4.1零件的形狀

不同結構和幾何形狀的顎板，其熱處理的力學性能、內部的金相組織有很大的差別，進而對耐磨性有較大的影響，特別是厚度、尺寸影響更為突出。顎板越厚大，越不易淬透，其抗磨損性能也就越差。由于顎板的內部抗磨損性能明顯低于表面，因此，對于厚度尺寸較大的顎板，只能借助于合理的鑄造和熱處理工藝來改善這一狀況，但這一手段對提高顎板的抗磨損性能是有限的，最好的辦法是在不改變顎板的打擊動能和強度的情況下，對顎板的結構進行優化設計，一方面可提高顎板的利用率，同時又可減少結構對熱處理性能的影響，避免顎板的耐磨性能下降。

4.2零件的選材

一般來說，硬度越大的顎板其耐磨性也愈大。要提高顎板的耐磨性，就要增加其硬度，但隨著硬度的提高，顎板的抗沖擊韌性就會降低。因此，如何兼顧顎板適宜的硬度和良好的抗沖擊韌性是提高顎板耐磨性的關鍵。目前破碎機耐磨部件常用的材料有：高錳鋼、高鉻鑄鐵、低碳合金鋼。

高錳鋼韌性好，工藝性好，價格低，其主要特點是在較大的沖擊或接觸應力的作用下，表面層將迅速產生加工硬化，其加工硬化指數比其它材料高5至7倍，耐磨性得到較大的提高。但如果使用中沖擊力不夠或接觸應力小，則不能使表面迅速產生加工硬化，高錳鋼的耐磨性就不能充分發揮。

高鉻鑄鐵是一種具有優良抗磨性能的耐磨材料，但韌性較低，易發生脆性斷裂。

低碳合金鋼主要為含鉻、鉬等多種元素的合金結構鋼，硬度高、韌性好，其基體組織有馬氏體、貝氏體或貝氏體+馬氏體復合組織。在同等工況條件下，其使用壽命至少比高錳鋼提高1倍以上。但它的調質熱處理是關鍵，調質熱處理后不僅要求整體抗拉強度達850MPa 以上，而且要求有相當的塑性和韌性。因此，目前企業所生產的顎式破碎機的顎板的材料常選用高錳鋼或高鉻鑄鐵。

4.3零件的制造質量

顎板的制造也是決定其使用壽命的關鍵因素。如果顎板表面或內部制造中存在缺陷，如縮孔、裂紋、穿晶等，不僅會降低顎板性能，甚至造成顎板斷裂。因此，在顎板生產中必須制定合理的鑄造和熱處理工藝。

顎板在鑄造時，應注意其澆注溫度不宜過高，溫度過高會使鑄件晶粒粗大，對其性能不利；而澆注溫度過低，鑄件表面會產生冷隔、皺皮等缺陷，同時應在鑄造工藝上要著重考慮冒口補縮系統，使鐵水平穩地注入鑄型和有良好的補縮能力，防止產生縮孔等缺陷。顎板的熱處理工藝則決定了其力學性能的實現和碳化物的分布形態。由于在顎板的成分中含有一定量的鉻和其它合金元素，因此如何使這些合金元素形成硬質點碳化物的作用充分發揮出來，也是制訂熱處理工藝時考慮到的一個因素。總之，制訂合理的生產工藝和嚴格的質量檢驗手段，是保證顎板達到使用性能的先決條件。

4.4破碎機的結構

對破碎機的結構進行優化設計，可以使動顎板具有較好的運動特性，能夠減小磨損，提高處理能力。對破碎腔的合理設計，可以有效減少堵塞現象的發生，減緩動顎板的磨損。因此在對破碎機進行結構設計時應當注意破碎腔的設計。破碎腔的形狀和尺寸應該滿足以下要求：首先，為防止機器超載和堵塞，在單位時間內進入破碎腔的物料不應多于能夠破碎和排出的物料；其次，為了保證機器負荷均勻、運轉平穩、破碎板磨損均勻，物料要均勻分布在破碎腔內；然后，為了提高破碎效率，防止堵塞和過粉碎現象，破碎后的物料應能暢通的從破碎腔內排出；最后，為了保證產品的細度和形狀是立方體，破碎型的破碎機，破碎腔的下部應有平行區。

4.5破碎機給料情況的影響

給料情況包括：入料粒度、硬度及破碎機的給料方式。物料入料粒度、硬度關系到破碎機是否會出現積料和顎板打擊物料時所受到的碰撞沖量，破碎機的給料方式則因給料方式不同造成物料到顎板的落差不同，也影響到顎板打擊物料時的碰撞沖量。當顎板重量一定時，顎板的碰撞沖量與物料質量、落差成正比，而碰撞沖量的大小直接關系到顎板加工硬化的程度和耐磨性能。此外，物料含水量過大也對顎板壽命有一定的影響，含水量過高，物料容易粘接成團，造成積料，加劇顎板的磨損。

參考文獻

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