破碎机耐磨部件磨损失效分析

刘毅

摘要：笔者结合自身工作实际，介绍了破碎机耐磨部件磨损失效的机理。

关键词：破碎机；耐磨；失效

1 金属材料的磨损机理

1.1 粘着磨损

粘着磨损常常发生在经过机械加工后的零部件。粘着磨损是指在滑动摩擦时，摩擦副接触表面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被损坏，而使金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。当两个相互作用表面接触时，接触仅在少数几个孤立的微凸体顶尖上发生，由于接触面积小，所以在这些接触着得面积上就会产生很大的应力，使得接触表面发生塑性变形，表面膜层因金属流动而遭到破坏，使得金属原子直接接触，从而产生金属原子间的键合，形成了冷焊点，也就产生了粘着现象。然后在随着相对滑动的进行，粘着处发生破坏，而使有金属屑粒从零件表面被拉拽下来，因此产生了磨损。粘着磨损过程一般分为三个阶段：磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。

1.2 磨料磨损

磨料磨损一般是指硬的磨粒或凸出物在与摩擦表面互相接触运动的过程中，使表面材料发生损耗的现象。在工业实际生产中，磨料磨损造成的材料损耗是最高的，约50%以上的磨损失效是由于磨料磨损造成的。目前关于磨料磨损的机理主要有微观切削、微观犁沟、微观剥落等。

在实际磨粒磨损过程中，往往是几种磨损机制同时存在的，但是以某一种磨损机制为主。上述几种磨损机制中，以微观切削对材料所造成的磨损最为严重，而微观剥落的影响在某些脆性较大的材料中所造成的磨损也较为严重。

1.3 表面疲劳磨损

当两接触面作滚动、滑动或滚动滑动复合运动时由于作用在摩擦表面微观体积上周期性的接触载荷或交变应力，使表面及亚表面由于疲劳而产生裂纹，最后导致材料剥落和损耗的现象，称为表面疲劳磨损。表面疲劳磨损裂纹可以在表面和亚表面上发生，可以沿着与表面平行的方向或垂直的方向扩展，最终结果都会导致表层材料成细片状剥落，形成麻点状或痘斑状的剥落坑。

1.4腐蚀磨损

腐蚀磨损是腐蚀和磨损同时起作用的一种磨损。在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成和脱落造成的磨损称为腐蚀磨损。腐蚀磨损一般分为化学腐蚀磨损和电化学腐蚀磨损两大类。在化学腐蚀磨损中最重要的一种是氧化磨损。当摩擦副作相对运动时，凸起部分与另一方摩擦接触产生塑性变形，空气中的氧扩散到塑性变形层内，形成氧化膜。由于氧化膜强度低，在遇到第二个凸起时剥落，露出新的表面。新的表面又不断被氧化，形成氧化膜，然后再剥落。如此周而复始，机件表面逐渐被磨损，最后导致零件失效，这就是氧化磨损的过程。

1.5冲蚀磨损

冲蚀磨损又称为浸蚀磨损，它是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。冲蚀磨损与腐蚀磨损的区别是前者对材料表面的破坏主要是机械力作用引起，腐蚀只是第二位的因素；而后者则发生在腐蚀介质中，摩擦副的磨损是腐蚀和磨损综合作用的结果。

2破碎机工作原理

颚式破碎机有多种结构形式，但其工作原理是相同的，即通过动颚板的周期性运动来破碎物料。在动颚板绕悬挂心轴向固定颚板摆动的过程中，位于两颚板之间的物料便受到压碎、劈裂和弯曲等综合作用。开始时，压力较小，使物料的体积缩小，物料之间互相靠近、挤紧；当压力上升到超过物料所能承受的强度时，即发生破碎。反之，当动颚板离开固定颚板向相反方向摆动时，物料则靠自重向下运动。动颚板的每一个周期性运动就使物料受到一次挤压作用，并向下排送一段距离。经若干个周期后，被破碎的物料便从排料口排出机外。随着电动机连续转动而破碎机动颚板作周期运动压碎和排泄物料，实现批量生产。

3耐磨部件失效分析

颚式破碎机物料在破碎腔内流动是一个看似简单却很复杂的过程。理想状态下，物料经过一系列的破碎，粒度减小到标准要求。从排料口排出。由颚板运动分析可知，动颚板在挤压行程中竖直方向有运动。因此，物料与颚板之间必然存在相对滑动。从运动分析中可以发现，在动颚的挤压行程中，动颚在垂直方向先向上然后向下运动。下面分别对物料破碎时上述两种情况进行受力运动分析。由于物料自身重力相比较其他力较小，可以忽略。图1，图2为物料破碎时受力分析图。动颚向上运动时：

由此说明，在动颚向上运动的时候，物料和定颚板首先发生相对滑动，且较物料与动颚板相对容易发生滑动。同样方法，在动颚板向下运动的时候。物料和动颚板首先发生相对滑动，且较物料与定颚板相对容易发生滑动。

很显然，物料在颚式破碎机中的破碎大多数情况下是点接触挤压引起的劈裂破碎，在这种情况下破碎是由于物料内部拉应力作用下内部裂纹扩张引发物料破碎，而在实际情况中，破碎的物料为不规则形状，其破碎前挤压接触部分粉碎发生要更为严重，需要更多的挤压行程，其破碎过程中竖直行程更多，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体积有关，是随着体积增大而加大的。破碎腔内上部破碎时动颚有较多的向下行程，而在下部由于向上运动的破碎行程很大，可以认为在破碎行程中动颚板向下运动时物料基本上已经完成破碎。这也可从使用过的颚板得到证明，在定颚板磨损严重的中下部有明显的相对划痕，而动颚板则几乎没有看到划痕。

从上述分析可知颚板磨损的主要原因是磨料相对颚板进行短程滑动、切削金属造成磨屑和磨料反复挤压引起颚板材料多次变形，最终导致金属材料疲劳脱落。其磨损失效过程是：（1）物料多次反复挤压凿削颚板，在颚板表层，或在挤压金属的突出部分根部形成微裂纹，此微裂纹不断扩展到相连，最后造成表面金属材料脱落，形成磨屑。（2）物料反复挤压，造成颚板金属材料被局部压裂或翻起，其碎裂或翻起部分又随着挤压撞击的物料一起脱落形成磨屑。（3）物料相对颚板短程滑动，切削颚板形成磨屑。

在复摆颚式破碎机使用过程中，物料的堵塞也是造成颚板磨损的原因之一，特别是在有较大破碎比时，物料的堵塞相对严重，这就会出现物料破碎困难或者无法破碎。在这种情况下物料在颚板挤压下的滑动增加，颚板的磨损加剧，同时由于磨损产生，使得啮角进一步加大，堵塞更加严重，如此形成恶性循环，最终导致颚板磨损失效。

从上述磨损失效分析可知，对于颚板材料应选择硬度较高的材质以抵抗挤压、显微切削失效，选择足够韧性的材质以抵抗撞击疲劳失效。同时从颚板结构上进行改进，以减少物料与颚板的相对滑动，同时还应考虑物料的堵塞问题以减少颚板的磨损。这不仅对提高生产效率有益，而且对提高材料的使用寿命也有益。

4影响磨损的主要因素

4.1零件的形状

不同结构和几何形状的颚板，其热处理的力学性能、内部的金相组织有很大的差别，进而对耐磨性有较大的影响，特别是厚度、尺寸影响更为突出。颚板越厚大，越不易淬透，其抗磨损性能也就越差。由于颚板的内部抗磨损性能明显低于表面，因此，对于厚度尺寸较大的颚板，只能借助于合理的铸造和热处理工艺来改善这一状况，但这一手段对提高颚板的抗磨损性能是有限的，最好的办法是在不改变颚板的打击动能和强度的情况下，对颚板的结构进行优化设计，一方面可提高颚板的利用率，同时又可减少结构对热处理性能的影响，避免颚板的耐磨性能下降。

4.2零件的选材

一般来说，硬度越大的颚板其耐磨性也愈大。要提高颚板的耐磨性，就要增加其硬度，但随着硬度的提高，颚板的抗冲击韧性就会降低。因此，如何兼顾颚板适宜的硬度和良好的抗冲击韧性是提高颚板耐磨性的关键。目前破碎机耐磨部件常用的材料有：高锰钢、高铬铸铁、低碳合金钢。

高锰钢韧性好，工艺性好，价格低，其主要特点是在较大的冲击或接触应力的作用下，表面层将迅速产生加工硬化，其加工硬化指数比其它材料高5至7倍，耐磨性得到较大的提高。但如果使用中冲击力不够或接触应力小，则不能使表面迅速产生加工硬化，高锰钢的耐磨性就不能充分发挥。

高铬铸铁是一种具有优良抗磨性能的耐磨材料，但韧性较低，易发生脆性断裂。

低碳合金钢主要为含铬、钼等多种元素的合金结构钢，硬度高、韧性好，其基体组织有马氏体、贝氏体或贝氏体+马氏体复合组织。在同等工况条件下，其使用寿命至少比高锰钢提高1倍以上。但它的调质热处理是关键，调质热处理后不仅要求整体抗拉强度达850MPa 以上，而且要求有相当的塑性和韧性。因此，目前企业所生产的颚式破碎机的颚板的材料常选用高锰钢或高铬铸铁。

4.3零件的制造质量

颚板的制造也是决定其使用寿命的关键因素。如果颚板表面或内部制造中存在缺陷，如缩孔、裂纹、穿晶等，不仅会降低颚板性能，甚至造成颚板断裂。因此，在颚板生产中必须制定合理的铸造和热处理工艺。

颚板在铸造时，应注意其浇注温度不宜过高，温度过高会使铸件晶粒粗大，对其性能不利；而浇注温度过低，铸件表面会产生冷隔、皱皮等缺陷，同时应在铸造工艺上要着重考虑冒口补缩系统，使铁水平稳地注入铸型和有良好的补缩能力，防止产生缩孔等缺陷。颚板的热处理工艺则决定了其力学性能的实现和碳化物的分布形态。由于在颚板的成分中含有一定量的铬和其它合金元素，因此如何使这些合金元素形成硬质点碳化物的作用充分发挥出来，也是制订热处理工艺时考虑到的一个因素。总之，制订合理的生产工艺和严格的质量检验手段，是保证颚板达到使用性能的先决条件。

4.4破碎机的结构

对破碎机的结构进行优化设计，可以使动颚板具有较好的运动特性，能够减小磨损，提高处理能力。对破碎腔的合理设计，可以有效减少堵塞现象的发生，减缓动颚板的磨损。因此在对破碎机进行结构设计时应当注意破碎腔的设计。破碎腔的形状和尺寸应该满足以下要求：首先，为防止机器超载和堵塞，在单位时间内进入破碎腔的物料不应多于能够破碎和排出的物料；其次，为了保证机器负荷均匀、运转平稳、破碎板磨损均匀，物料要均匀分布在破碎腔内；然后，为了提高破碎效率，防止堵塞和过粉碎现象，破碎后的物料应能畅通的从破碎腔内排出；最后，为了保证产品的细度和形状是立方体，破碎型的破碎机，破碎腔的下部应有平行区。

4.5破碎机给料情况的影响

给料情况包括：入料粒度、硬度及破碎机的给料方式。物料入料粒度、硬度关系到破碎机是否会出现积料和颚板打击物料时所受到的碰撞冲量，破碎机的给料方式则因给料方式不同造成物料到颚板的落差不同，也影响到颚板打击物料时的碰撞冲量。当颚板重量一定时，颚板的碰撞冲量与物料质量、落差成正比，而碰撞冲量的大小直接关系到颚板加工硬化的程度和耐磨性能。此外，物料含水量过大也对颚板寿命有一定的影响，含水量过高，物料容易粘接成团，造成积料，加剧颚板的磨损。

参考文献

[1] 王国鹏，容幸福.颚式破碎机颚板磨损分析[J].科技情报开发与经济.2007，17（9）：167-168.