白口鐵抗小麥籽粒粉料的磨料磨損試驗研究

張克平 姜良朋 姚亞萍

（甘肅農業大學工學院，蘭州 730070）

白口鐵抗小麥籽粒粉料的磨料磨損試驗研究

張克平 姜良朋 姚亞萍

（甘肅農業大學工學院，蘭州 730070）

為了研究小麥粉加工時，輥式磨粉機磨輥與物料之間的磨料磨損狀況，本研究選用與輥式制粉工況相似的磨料磨損試驗機，應用正交試驗法考察了小麥籽粒粉料粒度、轉速和軋距對白口鐵磨損性能的影響，采用掃描電子顯微鏡對其磨損表面形貌進行觀察。結果表明，磨料粒度對白口鐵磨損性能的影響極為顯著，磨損的主要形式有塑變疲勞剝落、多沖疲勞磨損和脆性剝落。研究結果可為提高磨輥的耐磨性和減少加工過程對面粉的金屬污染提供參考。

小麥 輥式磨粉機 磨料磨損 磨輥 磨損特性

小麥制粉過程并不是簡單地將小麥機械研磨成小麥粉，而是在研磨過程中盡量保證小麥籽粒皮層不過于碎裂的基礎上，實現皮層與胚和胚乳的分離，進一步將胚和胚乳磨碎成小麥粉［1-2］。由于輥式磨粉機在研磨制粉過程中能最大程度的保證面粉質量與營養成分，實現最優的工藝效果與食用品質，成為小麥制粉最主要的研磨設備。磨輥作為該設備的核心部件，其內層采用的金屬材料大多為灰口鑄鐵，而外層抗磨部分則基本選用白口鐵。在實際應用中，磨輥由于長時間承受麥料的劇烈摩擦，極易磨損鈍化，因此需經常做磨光拉絲或噴砂處理［3-4］。如何減少磨輥的磨損鈍化，延長維修處理周期是制粉工業長期面臨的問題。

金屬材料的耐磨性能在一定程度上取決于材料硬度Hm與磨料硬度Ha的比值，當Hm＞（1.2～1.3）Ha時，磨料磨損屬于“軟磨料磨損”的范疇［5］。因此硬度較低的小麥籽粒粉料，其對磨輥的磨損行為屬于一種典型的軟磨料磨損（植物磨料磨損）。國內外學者對農業機械中機件的磨損問題進行了眾多研究［6-8］。在軟磨料磨損方面，Richardson［9］認為，軟磨料在磨損過程中會產生硬化現象，當硬化后的磨料硬度超過材料硬度時，便具備了硬磨料磨損的特征。Rabinowicz［10］認為，硬度僅為一個統計值，是軟磨料中混雜著的硬磨粒對硬材料中較軟的部位進行了磨損。吳勁鋒等［11-12］與張煒等［13-14］就苜蓿草粉對金屬材料的磨損機制進行了眾多研究。趙博彥等［15］選用濕砂為磨料進行磨損試驗以探討白口鐵的軟磨料磨損機制。

降低磨輥磨耗以減少面粉內磁性金屬含量是保證食用安全的前提。因而，本研究應用正交試驗優化設計，選用小麥籽粒粉料為磨料、白口鐵為被磨材料，利用與輥式制粉工況相似的三體磨料磨損試驗機進行磨損試驗，研究小麥籽粒粉料對白口鐵磨損性能的影響，初步探討磨損機制。為磨粉機操作參數設定、粉磨工藝優化以及磨輥耐磨材料的研制提供理論指導。

1 試驗方案

1.1 試樣和磨料的特性參數

試樣選用KmTBCr2白口鐵，進行規格為57.0 mm×25.5 mm×6.0 mm的線切割加工，斷口色顯白且不做熱處理。試驗前，試樣均需消磁、除靜電、酒精清洗烘干的方式進行預處理。磨料選用自然風干后的甘肅產西旱號小麥籽粒，經粉碎處理后，通過分級篩篩分出符合試驗粒度規格的小麥籽粒粉料。表1為試樣化學組分，表2為磨料特性參數。

表1 試樣化學組分／%

表2 磨料特性參數／%

1.2 試驗裝置與方法

選用MLS-225型橡膠輪式三體磨料磨損試驗機，結構示意圖如圖1所示。橡膠輪直徑為178 mm，寬度為12 mm，硬度為60邵爾硬度；負荷為225 N，經配重1在杠桿原理作用下借助杠桿2獲得；試驗機采用直流電機通過齒輪箱減速使橡膠輪獲得穩定轉速，改變變壓器電壓值可以對轉速進行調節。試驗前，利用軋距調節裝置3設定磨損試樣4同橡膠輪5之間的間距并依靠負荷保持恒定，同時將轉速調節到預設值。試驗機運行時，逆時針旋轉的橡膠輪5帶動磨料6對磨損試樣4進行摩擦，從而形成三體磨料磨損現象。

圖1 MLS-225型磨料磨損試驗機示意圖

設置試驗磨程為100 000轉，試樣磨損前后的質量損失采用精度為0.1 mg的分析天平進行稱量，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣磨損表面形貌進行觀察分析。

1.3 正交試驗設計

本研究通過預試驗和實地工況調研，選定了輥式制粉工況中導致磨輥磨損失效現象的3個主要外部參量因素，即磨料粒度、轉速及軋距（試樣與橡膠輪之間的最小距離）。試驗各因素均選用四水平，磨料粒度四水平分別為面粉加工過程中的主要粒度分布；轉速四水平依據磨粉機研磨機構工作時一對磨輥的轉速比和試驗機所能達到的工作要求而定。表3所示為因素水平編碼表。

表3 因素水平編碼表

運用正交設計，分析所選因素對白口鐵磨損影響的主次關系，從而確定影響其磨損量的最佳試驗工況。磨料磨損過程的定量評定指標采用磨損失重來衡量，即用分析天平測定試樣磨損前后的質量損失。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗失重結果

采用三因素四水平正交試驗，每組試驗重復3次，取3次試驗數據的平均值作為最終結果，表4所示為試驗設計方案及試驗數據。

表4 試驗設計方案及試驗數據

從表4可以看出，第5組試驗的A2B1C2磨損量最大，為14.2 mg，第4組試驗的A1B4C4磨損量最小，為2.8 mg。

2.2 方差分析

2.2.1 顯著性分析

應用SPSS統計分析軟件對磨料磨損失重試驗結果進行方差分析，如表5所示。

表5 磨損失重方差分析表

由表5可知，對于A因素（粒度），由于F0.05（3，6）＝4.76，而對應的F值為5.247，即F0.05（3，6）＜F，因此，A對磨損失重的影響為極顯著（P＜0.05）；對于因素B（轉速），由于F0.05（3，6）＝4.76，而對應的F值為2.312，即F0.05（3，6）＞F，因此，轉速對磨損失重的影響是不顯著（P＞0.05）；對于因素C（軋距），由于F0.05（3，6）＝4.76，而對應的F值為2.129，即F0.05（3，6）＞F，因此軋距對磨損失重的影響是不顯著（P＞0.05）。各因素對磨損失重影響的顯著性依次為：粒度、轉速、軋距。

2.2.2 正態分布檢驗

應用SPSS統計分析軟件對磨料磨損失重試驗結果進行正態分布檢驗，如圖2、表6所示。

圖2 磨損失重正態分布特征曲線圖

表6 磨損失重正態分布K-S檢驗表

由圖2可知，磨損失重試驗數據基本符合正態分布。由表6可知，Z值為0.152，P值為0.956＞0.05，故檢驗結果證明數據呈近似正態分布。

2.2.3 各因素大小對磨損的影響分析

用各因素的水平作橫坐標，磨損失重的平均值作縱坐標，畫出各因素與指標關系趨勢圖如圖3。

由圖3可知三因素最優條件組合為A1B4C3。因素A是影響磨損失重最大的因素，曲線基本呈上升趨勢，而且尚未到頂，其他2個因素則出現拐點，而且變化幅度略小，因此對磨損失重的影響較小。

2.3 磨損表面形貌分析和化學組分的變化

圖3 各因素指標對磨損失重影響的趨勢圖

試樣表面材料隨著磨損的加劇而逐漸流失，這種流失集中反映在磨損面微觀形貌的變化方面。因此，試驗選取未磨損、磨損量最小及磨損量最大的3種試樣為觀測對象，分析前用無水乙醇清洗待分析面。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣未磨損和被磨損面磨痕微觀形貌進行觀察分析，從而部分真實的還原出在輥式制粉實際工況條件下，白口鐵抗小麥籽粒粉料的磨料磨損性能。圖4中a、b所示為第4組（輕微磨損）和第5組（嚴重磨損）試樣磨痕微觀形貌SEM圖。

圖4 磨痕微觀形貌SEM圖

由圖4可知，嚴重磨損面相較于輕微磨損面，表面凸凹不平，剝落凹坑增多，是材料在“不可壓縮團”磨料反復擠壓行為下產生了塑性變形［16］，磨痕表面犁溝和犁皺等特征更明顯，在犁溝較深處有金屬翻起物，應為硬度較低被剝落的基體，而犁溝兩側則殘余著一定數量疲勞剝落的金屬殘片及脆性剝落的細碎金屬顆粒。這說明“不可壓縮團”磨料在法向應力的作用下嵌入磨損表面，與此同時受切向應力的推動沿磨損表面滑移。當磨粒取向與行進方向匹配時，磨粒會發揮出類似刀具前角的功用進而對磨損表面進行微觀切削，而當磨粒取向與行進方向不匹配時，磨粒則會發揮出類似刀具負前角的功用從而對磨損表面進行推擠，這2種磨損行為沿磨粒的滑移軌跡造就了SEM圖中的犁溝與犁皺。分析認為，磨損具體表現為珠光體基體和碳化物的磨損。基體的磨損以塑變疲勞剝落和多沖疲勞磨損為主，基體組織塑性好，磨物作用下形成較深的犁溝和較多的金屬翻起物。碳化物的磨損以脆性剝落為主，有少量的大塊剝落碳化物能抵抗塑性變形［17-18］。磨損過程中也可能存在碳化物和基體組織的交互作用，高硬度的碳化物抵抗犁溝作用和磨物的壓入變形，限制基體劇烈變形的深度，但碳化物上容易萌生裂紋并開裂，基體組織韌性好，能抑制亞表層和近表面處碳化物上裂紋的擴展，減少剝落。

3 結論

3.1 磨料粒度、轉速和軋距，磨料粒度對白口鐵磨損性能的影響極為顯著。

3.2 磨損具體表現為珠光體基體和碳化物的磨損，基體的磨損以塑變疲勞剝落和多沖疲勞磨損為主；碳化物的磨損以脆性剝落為主。由此可見，采用多元低合金，強化基體，提高碳化物的顯微硬度等有利于提高磨輥耐磨性。

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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

國家自然科學基金（51265001），中國博士后科學基金（2014M562471），甘肅農業大學伏羲青年英才培養計劃（FXYC20130103），甘肅農業大學青年導師基金（GAU-QNDS-201405）

2015-05-30

張克平，男，1981年出生，副教授，農產品加工機械及材料摩擦磨損