碟式分离机活塞工艺优化设计

陈 彦，曹艳兵，欧京宁，李网芹，陈 露

（南京中船绿洲机器有限公司，南京 210039）

0 引言

活塞排渣碟式分离机具有分离效率高、产量高和自动化程度高等优点，被广泛应用于燃料、医药、化工和食品等行业。随着活塞排渣分离机应用的日益广泛，物料的品种也越来越多样化，对该设备中与物料直接接触的零件也相应提出了更高的要求。活塞作为该设备的关键零件之一，不仅要保证密封性，还要保证排渣过程顺畅平稳，而影响这些的主要因素是活塞内锥面的冲击角、表面光洁度和硬度[1]。本文就三者之间的相互关系进行了详细的阐述，并提出优化设计。

1 存在的问题

活塞排渣碟式分离机通过沿转鼓周壁上下移动的活塞，在液压作用下启闭转鼓壁上的排渣口来实现排渣。因此在分离过程中，活塞内锥面特别是靠排渣口的一段随分离物料的不同，会出现不同程度的腐损和冲刷现象，导致碟式分离机转鼓内积渣，造成碟式分离机异常振动，设备无法正常运行。在碟式分离机分离物料过程中，由于有小而松散的流动粒子不断对活塞内锥面表面进行冲击，造成活塞表面形成冲蚀磨损和疲劳磨损。为提高活塞内表面的耐冲蚀性、耐疲劳磨损性，目前通过增大活塞表面的锥角和增加表面滚压处理工序提高表面硬度及表面光洁度，活塞的磨损情况得到一定程度的抑制，活塞锥角过大又会导致排渣不畅、转鼓内积渣，导致转鼓不平衡量增加，导致设备振动过大，不能正常工作[2-3]。

2 原因分析

1）根据试验数据得知：塑性材料在20°～30°攻角时，冲蚀率出现最大值，之后冲击角增加，冲蚀率降低；脆性材料最大冲蚀率出现在接近90°的攻角处。

2）活塞常用材料为马氏体不锈钢或双相不锈钢，热处理后延伸率A≥15%，由于延伸率A≥5%的材料称为塑性材料，故活塞材料认为是塑性材料。

3）根据塑性材料的磨损机制，低角度冲蚀时以微切削犁沟为主，高角度冲蚀对塑性材料起初表现为凿坑和塑性挤出，多次冲击反复变形和疲劳引起断裂与剥落，以低周疲劳为主的冲蚀磨损理论指出，某种材料在磨粒的冲击下将会产生一定的变形，视材料、磨粒、冲角的不同，材料的变形体积和变形量是不同的[4]。

材料的变形能力决定材料的磨损量，其表达式为

式中：n≈2；ΔV为磨损体积；ΔVd为变形体积；εp为材料在一定变形体积中的平均应变；εc为材料临界变形破坏应变。

每种材料都有临界变形破坏应变量εc，当材料受冲击变形应变量达到该值，材料便会以磨削的形式脱落下，塑性材料它的临界变形破坏应变量很大，一次冲击中的变形量往往达不到该值，因而需要在多次冲击之后应变逐渐积累而使材料发生破坏。由此可见，活塞的材质属性为塑性材料，在影响冲蚀磨损的诸多因素中，只有通过改变活塞角度和材料的特性两种渠道来降低内锥表面的冲蚀磨损。因为碟式分离机具有高转速和分离物料不确定性，使用环境已将其它影响因素如冲蚀速度、冲蚀时间、环境温度、磨料的性质（磨粒硬度、形状、颗粒破碎性）已固化成定数基本无法改变。

根据上述冲蚀磨损的理论，综合考虑各方面因素，将活塞内锥表面由单锥面改为双锥面，见图1和图2。α为冲击角度，通过α角度的优化设计来提高耐用度。通过多年的实践经验和理论推敲内锥面α角度的选择范围45°～75°。根据试验数据得知α角度越小，排渣越顺畅，不容易积渣，而活塞的材料特性可知α角度越小冲蚀磨损越严重。为了解决二者之间的矛盾，必须着手在α角度减小的前提下降低内锥表面的冲蚀磨损。

图1 单锥面活塞

图2 双锥面活塞

3 解决方案

降低内锥表面的冲蚀磨损，就要使内锥面的材料属性发生变化，由原有的的塑性材料变为脆性材料，由图3可见：脆性材料的冲蚀磨损是随α角度的增大而加大的，使二者之间矛盾得到解决。虽然有很多种方法可以使内锥面的材料属性发生变化，但综合各方面因素并结合生产实际情况，选择对α角度的内锥表面处理使其表面材料属性变为脆性材料。

图3 冲蚀率和冲击角的关系

通过对活塞内锥面进行表面涂覆处理，涂层在经过抛光后表面粗糙度Ra≤0.2 μm；镀层的显微硬度值HV≥750。

4 结论

与原工艺相比，通过活塞工艺优化设计取得如下效果：

1）活塞双锥面结构设计，通过对内锥面角度优化，使排渣顺畅，消除积渣现象，延长了设备使用寿命。

2）α锥面通过表面涂覆处理使其材料的属性由塑性材料转变为脆性材料，镀层的显微硬度值HV≥750，有效降低表面磨损，提高活塞耐磨性。

3）α锥面的设计降低了制造成本，成型更容易，只需对α锥面实施表面进行处理，对于β锥面不做处理。

4）α锥面的表面涂覆处理后通过抛光可以达到镜面，表面粗糙度Ra≤0.2 μm，有效降低活塞表面的磨损和积渣现象。