碟式分離機活塞工藝優化設計

陳 彥，曹艷兵，歐京寧，李網芹，陳 露

（南京中船綠洲機器有限公司，南京 210039）

0 引言

活塞排渣碟式分離機具有分離效率高、產量高和自動化程度高等優點，被廣泛應用于燃料、醫藥、化工和食品等行業。隨著活塞排渣分離機應用的日益廣泛，物料的品種也越來越多樣化，對該設備中與物料直接接觸的零件也相應提出了更高的要求。活塞作為該設備的關鍵零件之一，不僅要保證密封性，還要保證排渣過程順暢平穩，而影響這些的主要因素是活塞內錐面的沖擊角、表面光潔度和硬度[1]。本文就三者之間的相互關系進行了詳細的闡述，并提出優化設計。

1 存在的問題

活塞排渣碟式分離機通過沿轉鼓周壁上下移動的活塞，在液壓作用下啟閉轉鼓壁上的排渣口來實現排渣。因此在分離過程中，活塞內錐面特別是靠排渣口的一段隨分離物料的不同，會出現不同程度的腐損和沖刷現象，導致碟式分離機轉鼓內積渣，造成碟式分離機異常振動，設備無法正常運行。在碟式分離機分離物料過程中，由于有小而松散的流動粒子不斷對活塞內錐面表面進行沖擊，造成活塞表面形成沖蝕磨損和疲勞磨損。為提高活塞內表面的耐沖蝕性、耐疲勞磨損性，目前通過增大活塞表面的錐角和增加表面滾壓處理工序提高表面硬度及表面光潔度，活塞的磨損情況得到一定程度的抑制，活塞錐角過大又會導致排渣不暢、轉鼓內積渣，導致轉鼓不平衡量增加，導致設備振動過大，不能正常工作[2-3]。

2 原因分析

1）根據試驗數據得知：塑性材料在20°～30°攻角時，沖蝕率出現最大值，之后沖擊角增加，沖蝕率降低；脆性材料最大沖蝕率出現在接近90°的攻角處。

2）活塞常用材料為馬氏體不銹鋼或雙相不銹鋼，熱處理后延伸率A≥15%，由于延伸率A≥5%的材料稱為塑性材料，故活塞材料認為是塑性材料。

3）根據塑性材料的磨損機制，低角度沖蝕時以微切削犁溝為主，高角度沖蝕對塑性材料起初表現為鑿坑和塑性擠出，多次沖擊反復變形和疲勞引起斷裂與剝落，以低周疲勞為主的沖蝕磨損理論指出，某種材料在磨粒的沖擊下將會產生一定的變形，視材料、磨粒、沖角的不同，材料的變形體積和變形量是不同的[4]。

材料的變形能力決定材料的磨損量，其表達式為

式中：n≈2；ΔV為磨損體積；ΔVd為變形體積；εp為材料在一定變形體積中的平均應變；εc為材料臨界變形破壞應變。

每種材料都有臨界變形破壞應變量εc，當材料受沖擊變形應變量達到該值，材料便會以磨削的形式脫落下，塑性材料它的臨界變形破壞應變量很大，一次沖擊中的變形量往往達不到該值，因而需要在多次沖擊之后應變逐漸積累而使材料發生破壞。由此可見，活塞的材質屬性為塑性材料，在影響沖蝕磨損的諸多因素中，只有通過改變活塞角度和材料的特性兩種渠道來降低內錐表面的沖蝕磨損。因為碟式分離機具有高轉速和分離物料不確定性，使用環境已將其它影響因素如沖蝕速度、沖蝕時間、環境溫度、磨料的性質（磨粒硬度、形狀、顆粒破碎性）已固化成定數基本無法改變。

根據上述沖蝕磨損的理論，綜合考慮各方面因素，將活塞內錐表面由單錐面改為雙錐面，見圖1和圖2。α為沖擊角度，通過α角度的優化設計來提高耐用度。通過多年的實踐經驗和理論推敲內錐面α角度的選擇范圍45°～75°。根據試驗數據得知α角度越小，排渣越順暢，不容易積渣，而活塞的材料特性可知α角度越小沖蝕磨損越嚴重。為了解決二者之間的矛盾，必須著手在α角度減小的前提下降低內錐表面的沖蝕磨損。

圖1 單錐面活塞

圖2 雙錐面活塞

3 解決方案

降低內錐表面的沖蝕磨損，就要使內錐面的材料屬性發生變化，由原有的的塑性材料變為脆性材料，由圖3可見：脆性材料的沖蝕磨損是隨α角度的增大而加大的，使二者之間矛盾得到解決。雖然有很多種方法可以使內錐面的材料屬性發生變化，但綜合各方面因素并結合生產實際情況，選擇對α角度的內錐表面處理使其表面材料屬性變為脆性材料。

圖3 沖蝕率和沖擊角的關系

通過對活塞內錐面進行表面涂覆處理，涂層在經過拋光后表面粗糙度Ra≤0.2 μm；鍍層的顯微硬度值HV≥750。

4 結論

與原工藝相比，通過活塞工藝優化設計取得如下效果：

1）活塞雙錐面結構設計，通過對內錐面角度優化，使排渣順暢，消除積渣現象，延長了設備使用壽命。

2）α錐面通過表面涂覆處理使其材料的屬性由塑性材料轉變為脆性材料，鍍層的顯微硬度值HV≥750，有效降低表面磨損，提高活塞耐磨性。

3）α錐面的設計降低了制造成本，成型更容易，只需對α錐面實施表面進行處理，對于β錐面不做處理。

4）α錐面的表面涂覆處理后通過拋光可以達到鏡面，表面粗糙度Ra≤0.2 μm，有效降低活塞表面的磨損和積渣現象。