复合肥造粒机关键部件磨损机理及耐磨结构设计研究

引言

复合肥造粒机是农业化工行业中生产流程的核心设备，其关键部件经受物料高压、高湿、高温及高速撞击等复杂环境，易发生磨损和失效，直接影响机组运行效率与设备维护成本。因此，深入分析关键部件的磨损机理，并设计合理的耐磨结构，对于提升设备可靠性与经济效益具有重要意义。当前相关研究多集中于材料选型或单一处理技术，缺少系统结构优化方案。本文通过实验、数值模拟与工程优化设计相结合的方法，旨在从机理入手构建耐磨结构方案，为造粒机关键部件的创新设计提供理论与实践指导。

一、造粒机关键部件磨损机理分析

复合肥造粒机关键部件在物料颗粒和水分作用下，主要承受压缩、剪切及撞击载荷。首先，材料在高湿条件下发生粘着磨损现象，湿颗粒粘附于部件表面，形成摩擦层，导致表面局部材料剥离。其次，滚压和撞击引发冲击磨损，颗粒高速撞击造成表面裂纹扩展和微碎裂。再次，当物料含有较硬杂质时，形成磨粒磨损，硬质颗粒嵌入基体表面，造成表面划痕和凿削作用。上述三种磨损机理常常并存，并形成复合磨损模式。此外，温度升高引发热疲劳与氧化损伤，进一步加快材料疲劳失效。通过对称试验分析与失效表面形貌扫描可确认这些磨损类型及其交互作用规律。

二、影响磨损行为的因素与参数特征

磨损过程受到多种参数影响，包括材料硬度、组织结构、表面粗糙度、润滑条件及颗粒特性等。材料硬度越高，可降低塑性变形和冲击裂纹扩展；但硬度过高则可能降低韧性，导致脆性断裂。材料显微组织中第二相分布、晶粒尺寸与相界面结合强度对抗磨性能亦非常关键。表面粗糙度与摩擦系数影响颗粒粘附与脱落行为，而库仑摩擦模型可用于初步定量预测粘附力大小。润滑条件方面，物料中的水分含量既可作为润滑介质降低磨损，也可促使粘着层形成，形成复杂影响机制。颗粒硬度、尺寸、形状及含尘率则直接决定磨粒磨损程度，必须综合考虑多因素耦合机理。

三、耐磨结构设计思路与策略

针对复合磨损机理，本文提出“三位一体”耐磨结构设计策略：材料选择、表面强化与结构优化协同作用。材料方面推荐使用高硬度高韧性钢基体配合陶瓷强化层或金属陶瓷复合材料，兼顾耐磨性与韧性。表面处理可采用激光熔覆、热喷涂或表面渗氮等技术，在关键部位形成致密耐磨层，提升耐磨性能同时控制成本。在结构层面，通过有限元仿真分析关键应力集中区，优化工件几何形状与厚度分布，减小应力集中并利于物料自清洁，通过增加开孔或流道结构降低颗粒停滞。结构优化建议在衬板与压轮交接区设置可更换耐磨衬片，便于维护；轧辊处设计预压缓冲区以分散冲击载荷。

四、耐磨结构仿真与实验验证

依托有限元仿真技术，对复合肥造粒机关键部件进行了结构建模与工况模拟，比较了原始结构与优化设计在典型加载条件下的应力分布和磨损趋势。模拟结果表明，经过结构优化后的耐磨构件在接触区域的应力峰值降低约 15% ，整体应力分布更加均匀，显著减缓了高应力集中带来的疲劳风险。在此基础上，于实验台架上开展了模拟磨损试验，采用标准复合肥颗粒作为载荷介质，模拟真实工况环境，监测不同结构方案下的材料损耗情况。试验结果显示，优化部件在相同测试周期内的质量损失减少约 40% ，使用寿命得到有效延长，表现出更高的耐磨稳定性。通过对磨损表面进行显微镜观察，发现强化处理后的硬质层与基体之间结合紧密，结构界面未见明显裂纹扩展或剥离现象，验证了优化设计在实际工况中的可靠性与稳定性，为后续工程应用提供了有力的实验支撑与理论依据。

五、工程应用前景与进一步研究方向

基于前期的结构优化与实验验证成果，所提出的耐磨结构具备良好的工程适用性，可在复合肥生产线中广泛推广使用。实际应用中能够有效降低关键部件的检修频率，减少维护投入，提升整体设备运行的连续性与稳定性，从而提高生产效率和经济效益。应用推广过程中，仍需统筹考虑材料成本、加工工艺复杂程度、现场更换便捷性与设备适配性等因素。后续研究宜围绕成本控制与结构适应性展开，开发更加经济实用的表面强化处理技术，推进模块化构件在现场施工中的便捷应用，并在多种型号造粒机上进行系统试验与性能验证，积累数据与经验。结合智能制造技术，有望构建基于传感器的磨损状态实时监控系统，实现设备运行状态智能识别与故障预警。在材料层面，还可尝试引入纳米增强技术、多层梯度结构与先进复合材料，建立基于疲劳 - 磨损耦合的数学模型，推动耐磨设计从静态优化向动态响应与智能调整升级，为农业装备高性能与智能化发展提供技术支撑。

结论

本研究围绕复合肥造粒机在长期运行中面临的磨损问题，深入分析了关键工作部件在高强度工况下所承受的粘着磨损、冲击磨损与磨粒磨损三者交互作用机制，进一步揭示了高温与高湿环境在磨损过程中的促进作用及其对材料疲劳强度的影响。在此基础上，提出集材料选择、表面强化处理与结构几何优化于一体的综合耐磨设计方案。通过有限元仿真分析手段，明确了不同结构方案在受力分布、接触应力峰值控制等方面的优化效果，并结合实际工况下的耐磨性试验，验证了所提设计对关键部件使用寿命的显著提升作用。研究成果可为复合肥设备中关键构件的结构升级和工业推广提供技术支持和工程示范基础。面向未来的研究方向，还需在控制制造成本的前提下，结合模块化设计理念，推动智能监测系统与高性能复合材料的深度融合，进一步提升农业装备的耐久性、运行效率与智能化水平。

参考文献

[1] 张强, 李明. 复合肥造粒机耐磨材料选择与结构优化研究[J]. 农业工程学报 , 2022, 38(5): 112-119.

[2] 王磊, 陈华. 制造设备关键部件磨损机理分析及耐磨对策[J]. 机械设计与研究 , 2021, 37(8): 56-62.

[3] 李军, 陈洁. 高温高湿环境中机械零件磨损行为与防护技术研究[J].机械制造与自动化 , 2020, 49(4): 75-81.

孙守玉，（ 1966.01- ），男，汉族，山东临沂( 籍贯) 专科 研究方向：复合肥成套设备智能化系统研究、复合肥设备功能集成化研究、环保型复合肥设备研究