基于跨黏度纤维素对磨螺杆表面的实验与仿真研究

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.1
2024
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 based on cross⁃viscosity cellulose[J].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　杨彦雄2　尹　绚2*　张　冰2,3
(1.中国航空研究院,北京　100012;2.北京化工大学机电工程学院,北京　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　100029)
摘　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㊂跨黏度纤维素的摩擦学性能测试采用 球-盘”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㊂研究结果表明,在高转速60r /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,15mPa ㊃s 的摩擦系数在0.19至0.44之间,100000mPa ㊃s 的摩擦系数在0.25至0.52之间;在低转速10r /min 条件下,摩擦系数受法向载荷影响波动较大,15mPa ㊃s 的摩擦系数在0.25至0.44之间,100000mPa ㊃s 的摩擦系数在0.24至0.58之间㊂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㊂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㊂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㊂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 DOI :10.13543/j.bhxbzr.2024.01.008
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⁃KF21B09)
第一作者:男,1987年生,博士*通信联系人
E⁃mail:yinxuan@
引　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]㊂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㊁挤压㊁加热等操作
[2-5]
㊂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]㊂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]㊂
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]㊂Shi 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㊂此外,Shi 等[13-14]还发现HPMC 与二硫化钼(MoS 2)复合后所得薄膜具有优良的润滑减摩性能㊂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]的摩擦学研究中被报道㊂Scholes 等[17]分别以羧基甲基纤维素(CMC)㊁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㊂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㊂
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㊁载荷㊁黏度等[18]㊂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㊂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为的主要途径[19]㊂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㊂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]㊂
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㊂1937年德国的Tonn[21]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㊂
ε=KH+B(1)式(1)中,ε为相对耐磨性,H为硬度,K为比例系数,B为磨损系数㊂
1972年罗马尼亚的Pavelesou[22]提出了磨损通用计算公式㊂
W=A0+A1H R+A2H C+A3v+A4H(2)式(2)中,A0㊁A1㊁A2㊁A3㊁A4为系数;H R为赫兹应力, GPa;H C为润滑油黏度,m2/s;v为滑动速度,m/s;H 为硬度㊂
1974年美国的Suh[23]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㊂
W[=B1h1d c(1)+B2h2d c(2])P/H(3)式(3)中,d c(1)㊁d c(2)分别为两种材料的临界塑性位移,m;h为剥去层厚度,μm;B为磨损系数;P为法向应力,GPa㊂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㊂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]㊂因此,Rahmadiawan 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㊂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㊂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㊂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㊂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数是影响各输送区输送效率的重要因素㊂相较于摩擦磨损实验,仿真数值模拟研究具有全程可控㊁重复性高等优势,可大幅减少实验耗时和成本㊂
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㊁转速㊁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㊂
1　实验部分
1.1　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15mPa㊃s),甲基纤维素(MC,上海阿拉丁生化科技股份有限公司,黏度为100000mPa㊃s),直径6mm氮化硅(Si3N4)轴承陶瓷球,2.5cm×2.5cm单晶硅(Si)片㊂
1.2　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0.5N
(0.57GPa)㊁1N(0.72GPa)㊁2N(0.91GPa)㊁3N
(1.04GPa)㊁4N(1.14GPa),转速设置为10r/min 和60r/min㊂
(2)扫描电子显微镜(SEM),Supra55,12X-900,蔡司仪器(德国)公司㊂
(3)光学显微镜,VHX-3000,基恩士(中国)有限公司,数码显微超高精细显微镜㊂
(4)拉曼光谱仪(Raman),LabRAM Aramis,HORI⁃BA Jobin Yvon,测试范围设为100~2000cm-1,激发光波长为532nm㊂
1.3　EDEM参数设置
1.3.1　颗粒工厂
依照生产过程中的实际加料状况,将颗粒工厂
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设置在料斗顶部,如图1所示㊂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0.2m /s,共生成纤维素颗粒50000粒,生成速度为50000粒/
s㊂
图1　固体输送段模型(红色部分为螺杆模型)
Fig.1　Solid transport section model (the red part
is the screw model)
1.3.2　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㊂将螺杆转速设置为60r /min,重力加速度设置沿y 轴负方向,大小为9.81m /s 2,模拟时间步长选取为1×10-7s㊂
1.3.3　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㊂采用Archard Wear 磨损模型进行分析,磨损常数确定为1×10-12Pa㊂
表1　主要控制参数
Table 1　Main controlling parameters
材料
泊松比杨氏模量/GPa 密度/(g ㊃cm -3)恢复系数双螺杆挤出机材料
0.253803.50.5颗粒材料
0.3
26
1.1
0.5
2　结果与讨论
2.1　低黏度纤维素的摩擦学行为2.1.1　纤维素表面形貌
通过电子显微镜观察15mPa ㊃s 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㊂
2.1.2　摩擦学性能如图3所示,在低转速条件(10r /min)的实验下,可以发现在较低接触应力即0.5~2N(0.57~
0.91GPa)
时低黏度纤维素的摩擦系数曲线较为平图2　15mPa ㊃s 纤维素的SEM 图像
Fig.2　SEM images of 15mPa ㊃s cellulose
图3　15mPa ㊃s 纤维素的摩擦系数测试曲线
Fig.3　Friction coefficient curves of 15mPa ㊃s cellulose
稳,其平均值保持在0.25~0.30之间,如表2所示㊂而在较高接触应力即3N (1.04GPa )和4N (1.14GPa)时,摩擦系数曲线出现较大波动起伏,波动幅度约为±0.08㊂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㊂在高转速(60r /min)的实验条件下,只有在载荷为2N 时,
15mPa ㊃s 纤维素的摩擦系数曲线平稳且数值较低,维持在0.2左右㊂而载荷较低时(如1N),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2N 较大㊂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0.25以上㊂对比高低两种转速条件,高转速下15mPa ㊃s 纤维素的平均摩擦系数整体偏低㊂
2.1.3　磨痕表面形貌
在10r /min 低转速条件下,0.5~2N(0.57~㊃
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表2　15mPa ㊃s 纤维素的平均摩擦系数
Table 2　Average friction coefficient of 15mPa ㊃s cellulose
转速/(r ㊃min
-1
)
0.5N 1N 2N 3N 4N 100.29±0.039
0.30±0.021
0.25±0.024
0.38±0.096
0.44±0.071
60
0.24±0.0230.25±0.0210.19±0.0290.44±0.0700.38±0.0890.91GPa)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)㊂这说明,在低接触应力下时,通过纤维素保护,较Si 3N 4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㊂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㊂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㊂此外,在3N 及4N 加载下,硅片表面存在大量的磨屑㊂在高转速(60r /min)下,亦能发现类似结果
㊂
图4　15mPa ㊃s 纤维素的光学显微镜照片
Fig.4　Photomicrographs of 15mPa ㊃s cellulose
2.1.4　磨痕表面结构
图5是15mPa㊃s 纤维素对磨硅片后磨痕的
Raman 光谱图㊂在10r /min 低转速时,磨痕表面以硅元素为主,530cm -1
附近的硅信号峰明显可见
[18,23]
㊂
此外,在100~500cm -1
间,能看到0.5N㊁3N 及4N 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㊂在60r /min 高转速时,1N 和2N 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㊂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
㊂
图5　15mPa ㊃s 纤维素对磨硅片后磨痕的Raman 光谱Fig.5　Raman spectra of the wear track in 15mPa ㊃s
cellulose against a Si wafer
2.1.5　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15mPa ㊃s 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60r /min,长度L 为150μm,
直径R 为30μm,建立简化颗粒模型,见图6㊂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㊂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㊂
(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
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图6　60r /min 下15mPa ㊃s 纤维素的颗粒模型
Fig.6　Particle model of 15mPa ㊃s cellulose at 60r /min
真对该挤出机的Archard Wear 几何模型进行处理㊂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㊁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]㊂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
㊂
图7　双螺杆挤出机固体输送段模型
Fig.7　Solid conveying section of the twin⁃screw extruder
(3)仿真结果及磨损机理
经过2s 的模拟后,双螺杆挤出机螺杆表面磨损情况如图8所示㊂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㊂同时,发现左螺杆的螺棱磨损较大,右螺杆的螺棱磨损较小㊂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㊂两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
㊂
图8　螺杆磨损及分布
Fig.8　Screw wear and profile
2.2　高黏度纤维素的摩擦学行为2.2.1　纤维素表面形貌
通过图9可以发现,100000mPa ㊃s 纤维素整体呈细长棍状,有少数纤维素团团聚成球状㊂对比
15mPa ㊃s 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
㊂
图9　100000mPa ㊃s 纤维素的SEM 图像
Fig.9　SEM images of 100000mPa ㊃s cellulose
2.2.2　摩擦学行为
在低转速下,100000mPa ㊃s 纤维素的润滑效果较差,但是在2N 加载时获得了较低的摩擦系数,约为0.24;在高转速下,1N 和2N 加载时也获得了较低的摩擦系数,约为0.25,见图10和表3㊂这3种服役工况的摩擦系数曲线波动小且平稳,约为
±0.01㊂在过低或者过高的接触应力下,摩擦系数
波动为±0.06㊂在低转速条件下,除了2N 以外,其他测试结果基本都在0.5以上;而转速升高后,摩擦系数整体降低㊂对比高低两种转速条件,高转速下
15mPa ㊃s 纤维素的平均摩擦系数整体偏低㊂这也与15mPa ㊃s 纤维素的摩擦系数测试结果的趋势一致㊂这说明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㊂
2.2.3　磨痕表面形貌
在10r /min 低转速条件下,只有2N 加载时,硅片表面没有明显的磨痕,这与摩擦测试结果一致,说明100000mPa ㊃s 纤维素在摩擦副间起到较好的抗磨效果㊂而在其他4种载荷加载时,硅片表面的磨痕明显,产生犁沟效应[22],如图11(a)㊂由于纤维㊃
17㊃第1期 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
图10　100000mPa ㊃s 纤维素的摩擦系数测试曲线
Fig.10　Friction coefficient curves of 100000mPa ㊃s cellulose
表3　100000mPa ㊃s 纤维素的平均摩擦系数Table 3　Average friction coefficient of 100000mPa ㊃s cellulose
转速/(r ㊃min -1)
0.5N 1N 2N 3N 4N 100.54±0.064
0.58±0.10
0.24±0.007
0.51±0.060
0.49±0.078
60
0.42±0.0680.25±0.0140.26±0.0070.52±0.0680.32±0.010素黏度极高达到100000mPa ㊃s,聚合物链的运动状况受工况条件的影响更加难测㊂结合摩擦学性能测试结果和表面形貌可以发现,摩擦系数高的硅片表面存在明显的黑色磨痕,极高黏度纤维素无法在过低和过高接触应力时保护硅片表面,反而形成众多高黏微凸接触点,使得陶瓷球表面也有部分脱落,在摩擦过程中与极高黏度纤维素㊁硅磨屑混杂,由摩擦诱导形成以磨粒磨损为主的磨粒磨损与黏着磨损共存的结果㊂在高转速(60r /min)下发现,1N㊁2N 和
4N 的硅片表面平滑且没有明显的犁沟效应㊂比对两种黏度差异较大的纤维素(15mPa ㊃s 和100000mPa ㊃s),在高转速(60r /min)条件下,磨损规律受施加载荷大小的影响较大
㊂
图11　100000mPa ㊃s 纤维素的光学显微镜照片
Fig.11　Photomicrographs of 100000mPa ㊃s cellulose
2.2.4　
磨痕表面结构
图12　100000mPa ㊃s 纤维素对磨硅片后磨痕的Raman 光谱Fig.12　Raman spectra of the wear track in 100000mPa ㊃s
cellulose against a Si wafer
图12是100000mPa ㊃s 纤维素对磨硅片后磨痕的Raman 光谱图㊂在10r /min 低转速时,磨痕表面以硅元素为主,530cm -1附近的硅信号峰明显可见[18,23]㊂除2N 以外,其他载荷下硅片表面有更明显的纤维素峰(100~500cm -1)呈现[11,15]㊂这与由光学显微镜观测到的形貌结果相一致,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
㊃27㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2024年
损㊂在60r /min 高转速时,1N㊁2N 及4N 载荷下,磨痕表面没有明显的纤维素信号峰,而0.5N 和3N 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㊂相比于低转速条件下,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主要为粘着磨损㊂
2.2.5　EDEM 模拟磨损机理
(1)颗粒模型
基于图9中100000mPa ㊃s 纤维素的扫描电子显微镜图,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60r /min,长度L 为500μm,直径R 为60μm,建立简化颗粒模型㊂在固体输送段中,螺杆和机筒间的磨损机理以磨粒磨损为主㊂所以颗粒选取硬球模型,在数值模拟过程中纤维素无额外变形,故不对纤维素颗粒模型之间的碰撞磨损进行额外分析
㊂图13　60r /min 下100000mPa ㊃s 纤维素的颗粒模型
Fig.13　Particle model of 100000mPa ㊃s cellulose at 60r /
min 图14　螺杆表面磨损分布图
Fig.14　Screw surface wear distribution diagram
(2)仿真结果及磨损机理
双螺杆挤出机螺杆在经过2s 模拟后,螺杆表面磨损情况如图14所示㊂以x 轴正方向为视角区分左右螺杆,图14(a)是螺棱的背面视角,发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㊂图14(b)是螺棱的推力面视角,发现左螺杆的螺棱磨损较大,右螺杆的螺棱磨损较小㊂这与低黏度纤维素仿真模拟中使用150μm 长度的颗粒模型进行计算所得结果一致㊂对比图8和图14可以
发现,纤维素长度为150μm 时,螺槽基本没有磨损;而纤维素长度为500μm 时,虽然磨损位置仍以螺棱处为主,但螺槽部位也有部分位置受到了磨损㊂这是因为在双螺杆挤出机的固体输送段中,纤维素通常以散体状态存在,纤维素间存在空隙,而随着纤维素黏度的增大,纤维素之间堆积产生的空隙也就越大,纤维素与螺杆表面的接触面积就会减少,进而使纤维素对螺杆的磨损减弱,由此造成了螺杆的整体磨损降低㊂也正由于纤维素间的空隙增大,螺棱在推动纤维素过程中,易造成纤维素在螺槽中产生相对滑动,进而导致螺槽部位产生磨损㊂
3　结论
(1)纤维素的黏度不是决定其润滑性能的因
素,且其润滑及抗磨效果受施加载荷大小的影响较大,而磨损机理以磨粒磨损为主㊂比对15mPa ㊃s 和
100000mPa ㊃s 两种黏度差异较大的纤维素,在相同测试条件下15mPa ㊃s 纤维素的摩擦系数更低㊂低转速和高转速皆对摩擦系数影响较小㊂
(2)通过EDEM 仿真模拟发现,纤维素黏度会对螺杆的磨损位置和磨损程度产生影响㊂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,易造成纤维素在螺槽中产生相对滑动,进而增加螺槽部位的磨损㊂参考文献:
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Experimental and simulation study of a grinding screw
surface based on cross⁃viscosity cellulose
PANG HaoSheng 1　YANG YanXiong 2　YIN Xuan 2*　ZHANG Bing 2,3
(1.Chinese Aeronautical Establishment,Beijing 100012;
2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029;
3.International Exchange &Cooperation Department Hong Kong,Macao,Taiwan Affairs Office,
Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)
Abstract :A combination of tribological performance tests and EDEM simulation has been used to study the tribo⁃logical behavior of cross⁃viscosity cellulose at different speeds and loads,as well as the wear mechanism of a screw surface during friction.The tribological properties of cross⁃viscosity cellulose were tested using a ball⁃disk”fric⁃
tion and wear testing machine.The wear mechanism of the screw was postulated using the Archard Wear model and finite element methods.The results show that the applied load significantly affects the wear law of cross⁃viscosity cellulose for a high rotation speed of 60r /min,the friction coefficient for 15mPa ㊃s is between 0.19and 0.44,and the friction coefficient for 100000mPa ㊃s is between 0.25and 0.52.For a low speed of 10r /min,the friction coef⁃ficient fluctuates significantly under the influence of normal loads.The friction coefficient for 15mPa ㊃s is between
0.25and 0.44,and the friction coefficient for 100000mPa ㊃s is between 0.24and 0.58.EDEM simulations showed that as the size of the cellulose increased,the contact area between the cellulose and the screw surface de⁃creased.In the process of pushing cellulose by the screw edge,it was less likely for the cellulose to slide relative to the screw groove,thus reducing the wear of the screw groove.Although the viscosity of the cellulose has some influ⁃ence on the lubrication effect,it is not the decisive factor.The primary influence on the lubrication effect and wear mechanism of the cellulose is the applied load;the wear degree increases with increasing load,and the wear mech⁃anism mainly involves abrasive wear.At the same time,the viscosity of the cellulose will affect the wear position and wear degree of the screw.
Key words :cellulose;normal load;ceramic⁃based screw;discrete element method;wear mechanism
(责任编辑:李　蕾)
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57㊃第1期 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。