基于跨黏度纤维素对磨螺杆表面的实验与仿真研究.pdf
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1、第 51 卷 第 1 期2024 年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science)Vol.51,No.12024引用格式:庞皓升,杨彦雄,尹绚,等.基于跨黏度纤维素对磨螺杆表面的实验与仿真研究J.北京化工大学学报(自然科学版),2024,51(1):67-75.PANG HaoSheng,YANG YanXiong,YIN Xuan,et al.Experimental and simulation study of a grinding screw surface bas
2、edon cross鄄viscosity celluloseJ.Journal of Beijing University of Chemical Technology(Natural Science),2024,51(1):67-75.基于跨黏度纤维素对磨螺杆表面的实验与仿真研究庞皓升1摇 杨彦雄2摇 尹摇 绚2*摇 张摇 冰2,3(1.中国航空研究院,北京摇 100012;2.北京化工大学 机电工程学院,北京摇 100029;3.北京化工大学 国际交流与合作处暨港澳台事务办公室,北京摇 100029)摘摇 要:采用摩擦学性能测试与 EDEM 仿真模拟相结合的方法,研究了跨黏度纤维素在不同转
3、速和不同载荷下的摩擦学行为,以及在摩擦过程中对螺杆表面的磨损机制。跨黏度纤维素的摩擦学性能测试采用“球-盘冶式摩擦磨损试验机,而对螺杆的磨损机制采用 Archard Wear 磨粒磨损计算公式及离散元方法构建纤维素及螺杆磨损机制模型。研究结果表明,在高转速 60 r/min 条件下,跨黏度纤维素的磨损规律受施加载荷大小的影响较大,15 mPa s 的摩擦系数在0郾 19 至0郾 44 之间,100 000 mPa s 的摩擦系数在0郾 25 至0郾 52 之间;在低转速10 r/min 条件下,摩擦系数受法向载荷影响波动较大,15 mPa s 的摩擦系数在0郾 25 至 0郾 44 之间,10
4、0 000 mPa s 的摩擦系数在0郾 24 至 0郾 58 之间。通过 EDEM 仿真模拟发现,随着纤维素黏度增大,纤维素与螺杆表面的接触面积随之减少,螺棱在对纤维素推动的过程中,不易造成纤维素在螺槽中的相对滑动,进而减少螺槽部位的磨损。纤维素的黏度大小对润滑效果有一定影响,但并不是决定性因素;影响纤维素的润滑效果和磨损机理的主要是加载载荷,其中磨损程度随着载荷变大而加深,而磨损机理以磨粒磨损为主。同时,纤维素黏度会对螺杆的磨损位置和磨损程度产生影响。关键词:纤维素;载荷;陶瓷螺杆;离散元法;磨损机理中图分类号:TH117;TQ352摇 摇 DOI:10.13543/j.bhxbzr.20
5、24.01.008收稿日期:2023-07-24基金项目:国家自然科学基金(51905295);辽宁省航发材料摩擦学重点实验室开放基金(LKLAMTF202304);清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室开放基金(SKLT鄄KF21B09)第一作者:男,1987 年生,博士*通信联系人E鄄mail:yinxuan 引摇 言全球 50%以上的机械装备恶性事故起源于润滑失效或过度磨损1。双螺杆挤出机作为最常用的化工机械设备之一,其螺杆作为最为重要的运动部件,在加工过程中为原料移动提供推力,并完成混合、挤压、加热等操作2-5。在成型过程中,螺杆会受到较强的摩擦作用,影响生产效率与加工稳定性6。
6、生产中常采用表面改性方法对螺杆进行表面强化,而陶瓷螺杆比金属螺杆有着更高的硬度和更好的稳定性,有助于提高双螺杆挤出机的产量和挤出品质7-8。纤维素及其衍生物9常被用作双螺杆挤出机的原材料或填料添加,极易与机筒内壁之间发生摩擦,并导致机筒内壁磨损10。Shi 等11-12通过摩擦测试发现羟丙甲基纤维素(HPMC)涂层可以有效降低硅片的摩擦磨损,摩擦系数和磨损率的降幅均超过了 50%以上。此外,Shi 等13-14还发现 HPMC 与二硫化钼(MoS2)复合后所得薄膜具有优良的润滑减摩性能。相似的工作也在 Shi 等关于 SA(硬脂酸)/HPMC 复合薄膜15和石墨烯/铜/HPMC 复合涂层16的
7、摩擦学研究中被报道。Scholes 等17分别以羧基甲基纤维素(CMC)、牛血清和滑膜液为润滑液,对 5 种对偶副模拟了全髋关节运动的摩擦学仿真计算,结果表明除金属/金属对偶副外,CMC 是 3种润滑液中润滑性能最佳的。上述研究表明,纤维素具有良好的减摩抗磨功效,具备成为一种新型工业润滑材料的潜力。然而,目前对于影响和调控纤维素摩擦学性能的研究尚较少,已知可影响纤维素摩擦磨损的因素有速度、载荷、黏度等18。但在相关的研究中发现17,所涉纤维黏度的变化幅度较小,低于一个数量级,不足以说明黏度变化对摩擦学性能的影响。在大多数摩擦学研究中,借助相关测试设备与表征仪器进行摩擦磨损实验一直是研究摩擦学行
8、为的主要途径19。但是,单纯借助实验仪器难以解释实际生产中由多因素多变量所导致的复杂动态的摩擦磨损问题。因此,将计算机仿真模拟技术与摩擦学实验相结合,有益于将摩擦磨损测试这一较为复杂的动态问题转化为较为简单的准静态问题20。在摩擦学的仿真模拟计算方面,学者们已进行了大量的研究和探索。1937 年德国的 Tonn21研究了材料机械特性对磨损的影响,首次建立了磨粒磨损的计算公式。着=KH+B(1)式(1)中,着 为相对耐磨性,H 为硬度,K 为比例系数,B 为磨损系数。1972 年罗马尼亚的 Pavelesou22提出了磨损通用计算公式。W=A0+A1HR+A2HC+A3v+A4H(2)式(2)中
9、,A0、A1、A2、A3、A4为系数;HR为赫兹应力,GPa;HC为润滑油黏度,m2/s;v 为滑动速度,m/s;H为硬度。1974 年美国的 Suh23提出磨损剥层理论用于解释粘着磨损,疲劳磨损和微动磨损,并基于该理论提出了磨损计算公式。W=B1h1dc(1)+B2h2dc(2)P/H(3)式(3)中,dc(1)、dc(2)分别为两种材料的临界塑性位移,m;h 为剥去层厚度,滋m;B 为磨损系数;P 为法向应力,GPa。磨损过程受诸多影响因素干扰,而通过数值计算可以简化磨损的计算过程,得到可靠结果。通常,按照这些公式计算所得结果与实际磨 损 值 有 较 大 差 别24。因 此,Rahmadi
10、awan等25建立了关于磨粒磨损的经典模型,奠定了未来建立磨粒磨损的仿真研究基础。冯伟20和吴刚26均对干摩擦条件下的销盘磨损实验进行了有限元数值仿真研究,为机械的故障诊断和磨粒分析奠定了基础。林敏27采用有限元方法分析了一定载荷下的销盘接触应力分布,开发出基于接触力学的磨损计算平台,并借助该平台预测零件的磨损情况。汪选国28使用 ANSYS 软件分别对销盘摩擦副进行了二维和三维的接触应力模拟分析,建立起销盘试样摩擦表面温度及温度场分布的理论模型,便于从直观上分析销盘的受力状态及其摩擦磨损机理。张超29应用 EDEM 软件对双螺杆挤出机的固体输送段进行了模拟分析,发现螺杆转速和挤出机内的摩擦系
11、数是影响各输送区输送效率的重要因素。相较于摩擦磨损实验,仿真数值模拟研究具有全程可控、重复性高等优势,可大幅减少实验耗时和成本。本实验用陶瓷基摩擦副以及跨黏度(即黏度相差极大)纤维素为研究对象,以研究并调控双螺杆挤出机固体输送段部分跨黏度纤维素的摩擦学行为为目标,辅以 EDEM 仿真数值模拟技术,探究黏度、转速、载荷等因素对纤维素摩擦学性能的影响规律,进而总结得到摩擦磨损机理,以期为降低螺杆磨损提供数据支持,并进一步为延长螺杆使用寿命提供一定的技术参考和理论指导。1摇 实验部分1郾 1摇 实验原料羟丙甲基纤维素(HPMC,上海阿拉丁生化科技股份有限公司,黏度为 15 mPas),甲基纤维素(M
12、C,上海阿拉丁生化科技股份有限公司,黏度为100000 mPa s),直径6 mm 氮化硅(Si3N4)轴承陶瓷球,2郾 5 cm 伊2郾 5 cm 单晶硅(Si)片。1郾 2摇 实验仪器(1)多功能摩擦磨损实验仪,MS-M9000,兰州华 汇 仪 器 科 技 有 限 公 司,载 荷 设 置 为 0郾 5 N(0郾 57 GPa)、1 N(0郾 72 GPa)、2 N(0郾 91 GPa)、3 N(1郾 04 GPa)、4 N(1郾 14 GPa),转速设置为 10 r/min和60 r/min。(2)扫描电子显微镜(SEM),Supra 55,12X-900,蔡司仪器(德国)公司。(3)光学
13、显微镜,VHX-3000,基恩士(中国)有限公司,数码显微超高精细显微镜。(4)拉曼光谱仪(Raman),LabRAM Aramis,HORI鄄BA Jobin Yvon,测试范围设为100 2000 cm-1,激发光波长为 532 nm。1郾 3摇 EDEM 参数设置1郾 3郾 1摇 颗粒工厂依照生产过程中的实际加料状况,将颗粒工厂86北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2024 年设置在料斗顶部,如图 1 所示。为保证颗粒快速填充料斗并进入机筒与螺杆接触,给予颗粒沿 y 轴方向,初速度为 0郾 2 m/s,共生成纤维素颗粒 50 000粒,
14、生成速度为 50 000 粒/s。图 1摇 固体输送段模型(红色部分为螺杆模型)Fig.1摇 Solid transport section model(the red partis the screw model)1郾 3郾 2摇 环境参数图1 中两条沿着 x 轴方向蓝色直线为螺杆旋转轴,绕 x 轴旋转的蓝色虚线为软件默认旋转方向,即螺杆会将物料向 x 轴负方向位置输送。将螺杆转速设置为60 r/min,重力加速度设置沿y 轴负方向,大小为9郾 81 m/s2,模拟时间步长选取为1 伊10-7s。1郾 3郾 3摇 其他参数双螺杆挤出机材料和颗粒材料的主要控制参数如表 1 所示。采用 Arch
15、ard Wear 磨损模型进行分析,磨损常数确定为 1 伊10-12Pa。表 1摇 主要控制参数Table 1摇 Main controlling parameters材料泊松比杨氏模量/GPa密度/(g cm-3)恢复系数双螺杆挤出机材料0郾 253803郾 50郾 5颗粒材料0郾 3261郾 10郾 52摇 结果与讨论2郾 1摇 低黏度纤维素的摩擦学行为2郾 1郾 1摇 纤维素表面形貌通过电子显微镜观察 15 mPa s 纤维素的形貌,可以发现纤维素整体呈短棒状,有部分纤维素呈球状团簇,如图 2 所示。2郾 1郾 2摇 摩擦学性能如图 3 所示,在低转速条件(10 r/min)的实验下,可
16、以发现在较低接触应力即 0郾 5 2 N(0郾 57 0郾 91 GPa)时低黏度纤维素的摩擦系数曲线较为平图 2摇 15 mPa s 纤维素的 SEM 图像Fig.2摇 SEM images of 15 mPa s cellulose摇图3摇 15 mPa s 纤维素的摩擦系数测试曲线Fig.3摇 Friction coefficient curves of 15 mPa s cellulose摇稳,其平均值保持在 0郾 25 0郾 30 之间,如表 2 所示。而在 较 高 接 触 应 力 即 3 N(1郾 04 GPa)和 4 N(1郾 14 GPa)时,摩擦系数曲线出现较大波动起伏,波动
17、幅度约为 依 0郾 08。说明在低转速条件下,过高的载荷会使得纤维素的润滑效果加快失效。在高转速(60 r/min)的实验条件下,只有在载荷为 2 N 时,15 mPa s 纤维素的摩擦系数曲线平稳且数值较低,维持在 0郾 2 左右。而载荷较低时(如 1 N),由于HPMC 受摩擦诱导而运动的分子链相对较少,因此摩擦系数相对于 2 N 较大。其他载荷条件下,摩擦系数曲线均不稳定且数值较高,整体维持在 0郾 25 以上。对比高低两种转速条件,高转速下 15 mPa s 纤维素的平均摩擦系数整体偏低。2郾 1郾 3摇 磨痕表面形貌在 10r/min低转速条件下,0郾 5 2N(0郾 57 96第
18、1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 庞皓升等:基于跨黏度纤维素对磨螺杆表面的实验与仿真研究表 2摇 15 mPa s 纤维素的平均摩擦系数Table 2摇 Average friction coefficient of 15 mPa s cellulose转速/(r min-1)0郾 5N1N2N3N4N100郾 29 依0郾 0390郾 30 依0郾 0210郾 25 依0郾 0240郾 38 依0郾 0960郾 44 依0郾 071600郾 24 依0郾 0230郾 25 依0郾 0210郾 19 依0郾 0290郾 44 依0郾 0700郾 38 依0郾 0890郾 9
19、1 GPa)加载时硅片表面未发现有明显磨痕,说明纤维素在摩擦副间起到较好的抗磨效果;而在其他两种载荷加载时,硅片表面的磨痕明显,产生犁沟效应22,如图 4(a)。这说明,在低接触应力下时,通过纤维素保护,较 Si3N4球更软的硅片可以得到很好的抗磨效果,没有明显的犁沟现象。而过高的接触应力磨穿纤维素的保护作用,引发纤维素碎片与硅片磨屑在摩擦轨迹上堆积,随着摩擦进行,这些堆积物作为微凸点,由摩擦诱导继续破坏硅片表面,导致明显的犁沟效应产生。这也是典型的粘着磨损和磨粒磨损的共存现象,会显著影响低黏度纤维素的抗磨效果。此外,在 3 N 及 4 N 加载下,硅片表面存在大量的磨屑。在高转速(60 r/
20、min)下,亦能发现类似结果。图 4摇 15 mPa s 纤维素的光学显微镜照片Fig.4摇 Photomicrographs of 15 mPa s cellulose2郾 1郾 4摇 磨痕表面结构图 5 是 15 mPas 纤维素对磨硅片后磨痕的Raman 光谱图。在10 r/min 低转速时,磨痕表面以硅元素为主,530 cm-1附近的硅信号峰明显可见18,23。此外,在 100 500 cm-1间,能看到 0郾 5 N、3 N 及 4 N加载时明显的纤维素信号峰11,15,这与由光学显微镜观测硅片表面形貌的结果相一致,也说明该实验条件下,纤维素对硅片的磨损机理主要为粘着磨损。在 60
21、r/min 高转速时,1 N 和 2 N 载荷下,磨痕表面没有明显的纤维素信号峰,其他加载条件下,磨痕表面皆检测到明显的纤维素特征峰,这也与观测到的磨痕表面形貌一致。相比于低转速条件,高转速下获得的磨痕表面残留的纤维素碎片更多,说明此测试条件时的磨损机理为粘着磨损和磨粒磨损共存。图 5摇 15 mPa s 纤维素对磨硅片后磨痕的 Raman 光谱Fig.5摇 Raman spectra of the wear track in 15 mPa scellulose against a Si wafer2郾 1郾 5摇 EDEM 模拟磨损机理(1)颗粒模型为建立相应颗粒模型,参照图 2 的 15
22、mPa s 纤维素的形貌特征,并基于摩擦学测试结果,使用EDEM 软件中的球柱体(spherocylinder)模型模拟纤维素形状,设置转速为 60 r/min,长度 L 为 150 滋m,直径 R 为 30 滋m,建立简化颗粒模型,见图 6。在双螺杆挤出机的固体输送段中,颗粒会在螺杆的推动下与螺杆和机筒发生相对滑动,从而在螺杆及机筒表面产生磨粒磨损。因此,颗粒选取硬球模型,在数值模拟过程中纤维素无额外变形。(2)双螺杆挤出机模型基于双螺杆挤出机固体输送段的结构及尺寸进行等比例建模(如图 7 所示),并通过 EDEM 数值仿07北京化工大学学报(自然科学版)摇 摇 摇 摇 摇 摇摇摇 摇 摇
23、摇 摇 摇 摇 摇 2024 年图 6摇 60 r/min 下 15 mPa s 纤维素的颗粒模型Fig.6摇 Particle model of 15 mPa s cellulose at 60 r/min摇真对该挤出机的 Archard Wear 几何模型进行处理。首先,使用离散元的方法对模型进行数值计算,需要对计算区域(机筒内表面、料斗表面和螺杆外表面)进行离散,即进行三角形结构化网格划分30。然后,对分布在离散的网格节点的物理场的值求解特定控制方程,完成对该区域的计算。图 7摇 双螺杆挤出机固体输送段模型Fig.7摇 Solid conveying section of the twi
24、n鄄screw extruder摇(3)仿真结果及磨损机理经过 2 s 的模拟后,双螺杆挤出机螺杆表面磨损情况如图 8 所示。以 x 轴正方向为视角区分左右螺杆,现左螺杆螺棱的背面磨损较小,而右螺杆螺棱的背面磨损较大,如图 8(a)所示。同时,发现左螺杆的螺棱磨损较大,右螺杆的螺棱磨损较小。这是因为在该模拟中,颗粒在螺杆推动作用下沿 x 轴正方向行进,而该模型中左螺杆的推力面在右螺杆前方,与颗粒接触较多(如图 8(b)所示),故磨损相比右螺杆更大。两根螺杆的背面则是右螺杆在左螺杆的后方,与颗粒接触较多,故右螺杆背面的磨损相比左螺杆更大。图 8摇 螺杆磨损及分布Fig.8摇 Screw wear
25、 and profile2郾 2摇 高黏度纤维素的摩擦学行为2郾 2郾 1摇 纤维素表面形貌通过图 9 可以发现,100 000 mPa s 纤维素整体呈细长棍状,有少数纤维素团团聚成球状。对比15 mPa s 纤维素,随着纤维素黏度的增加,纤维素的长度明显增加,长径比也更大。图 9摇 100 000 mPa s 纤维素的 SEM 图像Fig.9摇 SEM images of 100 000 mPa s cellulose2郾 2郾 2摇 摩擦学行为在低转速下,100 000 mPa s 纤维素的润滑效果较差,但是在 2 N 加载时获得了较低的摩擦系数,约为 0郾 24;在高转速下,1 N 和
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