发布时间:2015-03-27 09:53:06
破碎辊是大型辊式破碎机的关键部件，在长期工作中辊面受滑动摩擦力和支反力的作用，产生磨粒磨损和疲劳磨损，导致两辊间隙变大，造成出料粒度不均匀的后果，严重影响生产质量。因此，为保证生产，需要定期修复破碎机的磨损辊面，恢复其尺寸精度。在线堆焊技术为大型辊式破碎机磨损辊面的常用修复技术，而近些年广泛用于冶金辊修复的等离子喷涂技术，不仅可用于破碎辊磨损辊面的修复，而且更易于制备厚度可精确控制的复合功能修复涂层。目前喷涂操作多由人工完成，存在以下2个问题：噪声和辐射影响工人身心健康；喷涂的运动参数由人工判断控制，导致修复层与磨损辊面的结合强度产生突变区域，严重影响修复层的寿命。为改善这一现状，我们应用自动控制技术代替人工控制，对磨损辊面实行等离子喷涂在线修复。首先建立喷涂点的涂层厚度模型，确定喷涂变参数；再建立喷涂变参数的控制模型；后分析该控制模型的可靠性。
基于平面直线轨迹上喷涂点涂层厚度模型的分析，可推导出辊面上喷涂点的涂层厚度模型，确定喷涂变参数。
辊面上喷涂点的涂层厚度与平面直线轨迹的不同之处在于，喷涂面由平面变为圆柱面，且喷涂轨迹由直线变为贴合辊面的曲线。由于喷枪喷涂至辊面所形成涂层的覆盖面积与辊面面积比值很小，可视为喷涂点在磨损辊面上所形成的涂层，近似于平面上所得圆形涂层。因此，重点研究基于辊面喷涂轨迹的涂层厚度模型。
（1）辊面喷涂修复的喷涂轨迹规划
基于破碎辊圆柱形的几何外形，为增强辊面的耐磨性，采用圆柱螺旋线喷涂轨迹。沿圆柱螺旋线轨迹喷涂的接缝方向，与破碎辊相对物料运动产生的切向滑动摩擦力相差一个轨迹倾角，修复后的涂层接缝能在工作过程中抵消一部分破碎力，具备更高的强度。
（2）辊面螺旋线轨迹上喷涂点的涂层厚度模型
将辊面沿圆柱螺旋线喷涂轨迹展开，由圆柱螺旋线轨迹可知，此时喷枪相对辊面的进给速度由破碎辊自转的盘车速度和喷枪沿破碎辊轴线进给速度合成，且夹角为螺旋角。
喷涂点的涂层厚度与喷涂距离、喷射张角、盘车速度及喷粉量有关。而沿圆柱螺旋线轨迹喷涂修复时，要求涂层厚度随磨损量而变化。对磨损辊面喷涂时，由于磨损量与喷枪至未磨损辊面距离的比值很小，可将喷枪至磨损辊面的距离h视为常量，同时盘车速度和喷射张角均为常量，上述参数均不符合控制要求；可通过控制可控变量实现涂层厚度随磨损量而变化，因此，可控变量为喷涂变参数。
但从修复涂层性能上看，当涂层厚度过大时，辊面长时间喷涂造成涂层过厚和受热变形，致使涂层冷凝后存在较大的残余应力，引起涂层结合不良，甚至开裂、翘曲和分层。因此，对磨损量较大的区域，为保证涂层与基体的涂层结合强度，应采用多道次喷涂，由此引入喷涂道次。因此，喷涂变参数有喷粉量及喷涂道次。
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（1）喷粉量与涂层厚度的关系
对磨损辊面喷涂时，由于喷涂距离、喷射张角和盘车速度为恒定值，可简化涂层厚度表达式，得到喷粉量与涂层厚度呈正比关系。
（2）喷涂道次与涂层厚度的关系
针对破碎辊磨损机理，采用磨粒磨损和剥落抗力高且结合强度好的粉末作为喷涂粉末。硬质合金对外表面等离子喷涂时的大允许涂层厚度是0.38mm。涂层厚度为各喷涂道次所对应单道涂层厚度的总和，且每道涂层厚度需控制在大允许涂层厚度0.38mm以内。
（3）喷粉量和喷涂道次控制
喷涂前，用激光位移传感器沿规划的喷涂轨迹，测量传感器离辊面的垂直距离，得到磨损量，并以二维数组为测量点的磨损量及其位置信息。喷粉量的调控越频繁，修复精度越高，以大允许厚度对应的喷粉量喷涂；后一道以剩余厚度对应的喷粉量喷涂。
由于辊面温度过高或过低均会提高涂层的热残余应力，降低涂层的结合强度[9]，因此，需注意在完成一道喷涂后，应待涂层散热冷却到辊面预热温度后再进行下一道喷涂。
在喷涂过程中，控制喷粉量的同时，应控制电功率、主气、辅气及送粉气流量与喷粉量相配合，使粉末在等离子焰中充分融化与加热，确保良好的涂层性能。基于喷粉量和喷涂道次的控制模型，可确定经n道修复后的涂层厚度。
测量所得辊面的磨损量分布表现为磨损量在破碎辊辊身中部区域大，向两侧区域逐渐减弱，且辊身中部和两侧的局部区域分别存在不同程度的磨损量差异突变现象，这与实际磨损情况相符。导致该情况产生的原因为：破碎物料经辊身中部正上方的进料口落下，主要集中在破碎辊中部，而辊身两侧存在漏料，导致辊身中部的磨损量大于两侧；且物料存在个体差异，体积较大相对于体积较小的物料对辊身产生的反作用力更大，作用力大的位置磨损量也大，使辊身局部区域的磨损程度分布产生了突变。
叠加后所得涂层厚度曲线与磨损量分布情况大体一致。由于辊面上任意一点的所需涂层厚度由若干个测量节点测得的磨损量的平均值所决定，导致计算仿真所得的涂层厚度与所测得的磨损量分布有所偏差。
根据辊面磨损量的不同，依靠控制模型控制喷粉量和喷涂道次，对磨损量平均值小于大允许涂层厚度的区域，采用单道次、当期喷粉量进行喷涂修复；对磨损量平均值大于大允许涂层厚度的区域，采用多道次及各道次对应喷粉量进行喷涂修复，得到了修复涂层厚度与磨损量分布基本一致的仿真结果。该控制模型基本符合恢复辊面原有尺寸精度的要求。
破碎辊是大型辊式破碎机的关键部件，在长期工作中辊面受滑动摩擦力和支反力的作用，产生磨粒磨损和疲劳磨损，导致两辊间隙变大，造成出料粒度不均匀的后果，严重影响生产质量。因此，为保证生产，需要定期修复破碎机的磨损辊面，恢复其尺寸精度。在线堆焊技术为大型辊式破碎机磨损辊面的常用修复技术，而近些年广泛用于冶金辊修复的等离子喷涂技术，不仅可用于破碎辊磨损辊面的修复，而且更易于制备厚度可精确控制的复合功能修复涂层。目前喷涂操作多由人工完成，存在以下2个问题：噪声和辐射影响工人身心健康；喷涂的运动参数由人工判断控制，导致修复层与磨损辊面的结合强度产生突变区域，严重影响修复层的寿命。为改善这一现状，我们应用自动控制技术代替人工控制，对磨损辊面实行等离子喷涂在线修复。首先建立喷涂点的涂层厚度模型，确定喷涂变参数；再建立喷涂变参数的控制模型；后分析该控制模型的可靠性。
基于平面直线轨迹上喷涂点涂层厚度模型的分析，可推导出辊面上喷涂点的涂层厚度模型，确定喷涂变参数。
辊面上喷涂点的涂层厚度与平面直线轨迹的不同之处在于，喷涂面由平面变为圆柱面，且喷涂轨迹由直线变为贴合辊面的曲线。由于喷枪喷涂至辊面所形成涂层的覆盖面积与辊面面积比值很小，可视为喷涂点在磨损辊面上所形成的涂层，近似于平面上所得圆形涂层。因此，重点研究基于辊面喷涂轨迹的涂层厚度模型。
（1）辊面喷涂修复的喷涂轨迹规划
基于破碎辊圆柱形的几何外形，为增强辊面的耐磨性，采用圆柱螺旋线喷涂轨迹。沿圆柱螺旋线轨迹喷涂的接缝方向，与破碎辊相对物料运动产生的切向滑动摩擦力相差一个轨迹倾角，修复后的涂层接缝能在工作过程中抵消一部分破碎力，具备更高的强度。
（2）辊面螺旋线轨迹上喷涂点的涂层厚度模型
将辊面沿圆柱螺旋线喷涂轨迹展开，由圆柱螺旋线轨迹可知，此时喷枪相对辊面的进给速度由破碎辊自转的盘车速度和喷枪沿破碎辊轴线进给速度合成，且夹角为螺旋角。
喷涂点的涂层厚度与喷涂距离、喷射张角、盘车速度及喷粉量有关。而沿圆柱螺旋线轨迹喷涂修复时，要求涂层厚度随磨损量而变化。对磨损辊面喷涂时，由于磨损量与喷枪至未磨损辊面距离的比值很小，可将喷枪至磨损辊面的距离h视为常量，同时盘车速度和喷射张角均为常量，上述参数均不符合控制要求；可通过控制可控变量实现涂层厚度随磨损量而变化，因此，可控变量为喷涂变参数。
但从修复涂层性能上看，当涂层厚度过大时，辊面长时间喷涂造成涂层过厚和受热变形，致使涂层冷凝后存在较大的残余应力，引起涂层结合不良，甚至开裂、翘曲和分层。因此，对磨损量较大的区域，为保证涂层与基体的涂层结合强度，应采用多道次喷涂，由此引入喷涂道次。因此，喷涂变参数有喷粉量及喷涂道次。
（1）喷粉量与涂层厚度的关系
对磨损辊面喷涂时，由于喷涂距离、喷射张角和盘车速度为恒定值，可简化涂层厚度表达式，得到喷粉量与涂层厚度呈正比关系。
（2）喷涂道次与涂层厚度的关系
针对破碎辊磨损机理，采用磨粒磨损和剥落抗力高且结合强度好的粉末作为喷涂粉末。硬质合金对外表面等离子喷涂时的大允许涂层厚度是0.38mm。涂层厚度为各喷涂道次所对应单道涂层厚度的总和，且每道涂层厚度需控制在大允许涂层厚度0.38mm以内。
（3）喷粉量和喷涂道次控制
喷涂前，用激光位移传感器沿规划的喷涂轨迹，测量传感器离辊面的垂直距离，得到磨损量，并以二维数组为测量点的磨损量及其位置信息。喷粉量的调控越频繁，修复精度越高，以大允许厚度对应的喷粉量喷涂；后一道以剩余厚度对应的喷粉量喷涂。
由于辊面温度过高或过低均会提高涂层的热残余应力，降低涂层的结合强度[9]，因此，需注意在完成一道喷涂后，应待涂层散热冷却到辊面预热温度后再进行下一道喷涂。
在喷涂过程中，控制喷粉量的同时，应控制电功率、主气、辅气及送粉气流量与喷粉量相配合，使粉末在等离子焰中充分融化与加热，确保良好的涂层性能。基于喷粉量和喷涂道次的控制模型，可确定经n道修复后的涂层厚度。
测量所得辊面的磨损量分布表现为磨损量在破碎辊辊身中部区域大，向两侧区域逐渐减弱，且辊身中部和两侧的局部区域分别存在不同程度的磨损量差异突变现象，这与实际磨损情况相符。导致该情况产生的原因为：破碎物料经辊身中部正上方的进料口落下，主要集中在破碎辊中部，而辊身两侧存在漏料，导致辊身中部的磨损量大于两侧；且物料存在个体差异，体积较大相对于体积较小的物料对辊身产生的反作用力更大，作用力大的位置磨损量也大，使辊身局部区域的磨损程度分布产生了突变。
叠加后所得涂层厚度曲线与磨损量分布情况大体一致。由于辊面上任意一点的所需涂层厚度由若干个测量节点测得的磨损量的平均值所决定，导致计算仿真所得的涂层厚度与所测得的磨损量分布有所偏差。
根据辊面磨损量的不同，依靠控制模型控制喷粉量和喷涂道次，对磨损量平均值小于大允许涂层厚度的区域，采用单道次、当期喷粉量进行喷涂修复；对磨损量平均值大于大允许涂层厚度的区域，采用多道次及各道次对应喷粉量进行喷涂修复，得到了修复涂层厚度与磨损量分布基本一致的仿真结果。该控制模型基本符合恢复辊面原有尺寸精度的要求。
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