陳 彥，曹艷兵，歐京寧，李網(wǎng)芹，陳 露

（南京中船綠洲機(jī)器有限公司，南京 210039）

0 引言

活塞排渣碟式分離機(jī)具有分離效率高、產(chǎn)量高和自動化程度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于燃料、醫(yī)藥、化工和食品等行業(yè)。隨著活塞排渣分離機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，物料的品種也越來越多樣化，對該設(shè)備中與物料直接接觸的零件也相應(yīng)提出了更高的要求?；钊鳛樵撛O(shè)備的關(guān)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(wěn)，而影響這些的主要因素是活塞內(nèi)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(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并提出優(yōu)化設(shè)計。

1 存在的問題

活塞排渣碟式分離機(jī)通過沿轉(zhuǎn)鼓周壁上下移動的活塞，在液壓作用下啟閉轉(zhuǎn)鼓壁上的排渣口來實現(xiàn)排渣。因此在分離過程中，活塞內(nèi)錐面特別是靠排渣口的一段隨分離物料的不同，會出現(xiàn)不同程度的腐損和沖刷現(xiàn)象，導(dǎo)致碟式分離機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)積渣，造成碟式分離機(jī)異常振動，設(shè)備無法正常運行。在碟式分離機(jī)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(nèi)錐面表面進(jìn)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(nèi)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(dǎo)致排渣不暢、轉(zhuǎn)鼓內(nèi)積渣，導(dǎo)致轉(zhuǎn)鼓不平衡量增加，導(dǎo)致設(shè)備振動過大，不能正常工作[2-3]。

2 原因分析

1）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得知：塑性材料在20°～30°攻角時，沖蝕率出現(xiàn)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(xiàn)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(rèn)為是塑性材料。

3）根據(jù)塑性材料的磨損機(jī)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(xiàn)為鑿坑和塑性擠出，多次沖擊反復(fù)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(chǎn)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(dá)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(yīng)變；εc為材料臨界變形破壞應(yīng)變。

每種材料都有臨界變形破壞應(yīng)變量εc，當(dāng)材料受沖擊變形應(yīng)變量達(dá)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(yīng)變量很大，一次沖擊中的變形量往往達(dá)不到該值，因而需要在多次沖擊之后應(yīng)變逐漸積累而使材料發(fā)生破壞。由此可見，活塞的材質(zhì)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(nèi)錐表面的沖蝕磨損。因為碟式分離機(jī)具有高轉(zhuǎn)速和分離物料不確定性，使用環(huán)境已將其它影響因素如沖蝕速度、沖蝕時間、環(huán)境溫度、磨料的性質(zhì)（磨粒硬度、形狀、顆粒破碎性）已固化成定數(shù)基本無法改變。

根據(jù)上述沖蝕磨損的理論，綜合考慮各方面因素，將活塞內(nèi)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(yōu)化設(shè)計來提高耐用度。通過多年的實踐經(jīng)驗和理論推敲內(nèi)錐面α角度的選擇范圍45°～75°。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)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(yán)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(nèi)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(nèi)錐表面的沖蝕磨損，就要使內(nèi)錐面的材料屬性發(fā)生變化，由原有的的塑性材料變?yōu)榇嘈圆牧?，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(nèi)錐面的材料屬性發(fā)生變化，但綜合各方面因素并結(jié)合生產(chǎn)實際情況，選擇對α角度的內(nèi)錐表面處理使其表面材料屬性變?yōu)榇嘈圆牧稀?/p>

圖3 沖蝕率和沖擊角的關(guān)系

通過對活塞內(nèi)錐面進(jìn)行表面涂覆處理，涂層在經(jīng)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(jié)論

與原工藝相比，通過活塞工藝優(yōu)化設(shè)計取得如下效果：

1）活塞雙錐面結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對內(nèi)錐面角度優(yōu)化，使排渣順暢，消除積渣現(xiàn)象，延長了設(shè)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(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧希儗拥娘@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(shè)計降低了制造成本，成型更容易，只需對α錐面實施表面進(jìn)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(dá)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(xiàn)象。