Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ исследований износа режущего инструмента и методов его снижения і 8
1.1 Анализ исследований процесса резания сельскохозяйственных материалов 8
1.2 О дефектах строения твердых тел ...11
1.3 Износ режущих деталей волчков и анализ способов восстановления. 12
1.4 Применение электроконтактной приварки стальной и спеченной ленты для восстановления и упрочнения деталей 30
Выводы и задачи исследований...; ::..1.. 32
2. Теоретический анализ процесса износа ножей мясоизмельчительных машин 34
2.1 Состав и свойства мяса 34
2.2 Взаимодействие поверхйостно-активных веществ с твердым телом 41
2.3 Изменение условий...; резания при измельчений продуктов.. 45
2.4 Механизм взаимодействия режущих деталей с измельчаемым материалом и их износ. 47
Выводы по главе 60
3. Программа и методика экспериментальных исследовании
3.1 Программа исследований:. 61
3.2 Общая методика исследований. 62
3.3 Выбор числа повторностей опытов и обработка результатов экспериментов .' 65
3.4 Методика замера толщины лезвия 67
3.5 Методика определения предельной толщины лезвия ножа 72
3.6 Экспериментальная установка и методика изнашивания сталей в технологических средах. 75
3.7 Методика исследований влияния технологической среды на изнашивание материалов 81
3.8 Экспериментальная установка и методика упрочненця ножей электроконтактной приваркой 87
3.9 Методика металлографического анализа'. 93
3.10 Методика проведения производственных испытаний ножей 94
4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 97
4.1 Обоснование предельных размеров крестовых ножей волчков 97
4.2 Результаты лабораторных исследований образцов на установке торцевого трения 115
4.3 Результаты экспериментальных- исследований влияния агрессивной среды на изнашивание материалов1^ 121
4.4 Металлографический анализ приваренного покрытия 125
4.5 Производственные испытания крестовых ножей волчков 128
Выводы по главе... ' 130
5. Экономическая эффективность применения упроченных ножей волчков 132
5.1 Применение результатов исследовании. 132
5.2 Определение расхода материала и электроэнергии при упрочнении ножа волчка 133
5.3 Определение себестоимости упрочнения ножа волчка. 134
Общие выводы 139
Литература
- О дефектах строения твердых тел
- Взаимодействие поверхйостно-активных веществ с твердым телом
- Выбор числа повторностей опытов и обработка результатов экспериментов
- Результаты лабораторных исследований образцов на установке торцевого трения
Введение к работе
Существенным источником пополнения продовольственного фонда страны собственной продукцией является сокращение , потерь при переработке, транспортировке и хранении.
Операции резки, рубки и измельчения являются основными во многих технологиях по переработке сельскохозяйственного сырья. От совершенства их исполнения зависят величина себестоимости выпускаемой продукции, её качество, производительность труда, общая рентабельность производства. Поэтому следует отметить исключительное значение режущих инструментов в перерабатывающей промышленности и важность их совершенствования с целью повышения долговечности, что приведет к снижению себестоимости выпускаемой продукции. Переход к рынку и жесткая конкуренция продукций отечественных перерабатывающих предприятий с , иностранными, определяют
необходимость технологической модернизации существующего режущего инструмента. Анализ технологии и конструкции режущего инструмента показал, что вопрос обеспечения им перерабатывающего оборудования в нашей стране не решен, более того, в отечественной промышленности отсутствуют технологии и соответствующее оборудование для производства высококачественного режущего инструмента, то есть на данном этапе Россия не в состоянии удовлетворить свои потребности в режущем инструменте /16/.
Мясная промышленность занимает первое место среди , отраслей пищевой индустрии по стоимости валовой продукции; при этом качество продукта во многом зависит от соблюдения оптимальных режимов в процессе измельчения сырья/112/.
Во время работы режущий инструмент изнашивается, качество продукта резко снижается, потребляемая мощность мясо измельчительной машины (волчка) возрастает на1 8.„20 %. іНаиболее изнашиваемым элементом режущего комплекта волчка является крестовый нож. Изнашивание ножа заключается в изменении геометрических параметров лезвия, в результату чего нарушается процесс измельчения мяса.:
При восстановлении режущих свойств инструмента перешлифовкой снимается 0,5 мм и более поверхностного упрочненного слоя металла, поэтому в процессе дальнейшей эксплуатации темп изнашивания возрастает, что отрицательно сказывается на качестве .продукта и энергозатратах работы волчка /9/. Ввиду отсутствия качественного режущего инструмента частые остановки волчков приводят к простоям оборудования и порче продуктов.
Поставленная проблема определила : современные тенденции конструирования режущих , инструментов: оптимизацию профиля и конструктивных элементов, . применение сборных конструкций, использование износостойких материалов и покрытий.
В последнее время сформировались прогрессивные .технологические методы обеспечения надежности режущих инструментов путем использования заготовок и полуфабрикатов из порошковых материалов, упрочнения методами поверхностного • пластического деформирования, химико-термической обработки, лазерного и криогенного воздействия на инструмент, электроискрового легирования /95/.
Несмотря на определенные недостатки методов и недоработки технологий, принимаемые меры позволяют увеличить ресурс режущего инструмента, замедлить темп йзнапщвания режущей пары.: Но значительно повысить ресурс режущего инструмента возможно путем обеспечения его самозатачивания в процессе эксплуатации,; благодаря износостойкому покрытию, позволяющему получить , на лезвий ножа слои с различной твердостью.
Исходя из этого, целью исследований является, повышение долговечности крестовых ножей волчков : за счет . увеличения износостойкости режущей кромки.
Объект исследований: процесс износа крестовых ножей волчков.
Предмет исследований:" закономерности изнашивания серийных и упрочненных крестовых ножей волчков. :
Научная гипотеза: увеличение ресурса режущего инструмента волчков возможно изменением условий резания; и повышением износостойкости режущих кромок ножей, путем создания на их поверхности1 слоев различной твердости с получением эффекта частичного самозатачивания1.
Научная новизна: обоснована, предельная толщина лезвия ножа; получена зависимость толщины режущей, кромки от ширины зуба ножа; разработана конструкция электрода для электроконтактной приварки компактных материалов на плоские ограниченные поверхности; установлена теоретически и экспериментально доказана эффективность упрочнения передней поверхности ножа, повышающая его регламентированный ресурс.
Апробация работы. Основные положения работы.докладывались на Всесоюзной научно-производственной конференции «Механизация и автоматизация технологических процессов в агропромышленном комплексе» (г.Новосибирск, 1989), на Четвертой, Украинской республиканской конференции «Современные методы , наплавки, упрочняющие покрытия, используемые материалы» (г.Харьков, 1990), на Всесоюзном семинаре «Работы в области восстановления и упрочнения деталей» (Москва; 1991), на межвузовских научно-технических конференциях Башкирского сельскохозяйственного института (Уфа, 1989, 1991), Белорусского института механизации (Минск, 1991), на научньіх конференциях ВНИПТИМЭСХ и АЧГАА в 1989-2006 гг.
Публикация. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, получен патент «Устройство для измельчения продуктов» № 2017532.
На защиту выносятся следующие основные положения:
- аналитические зависимости определения величины сжимающих и обжимающих сил, действующих на переднюю поверхность ножа и вызывающих её износ от угла заточки и толщины режущей кромки;
- зависимость толщины режущей кромки ,от износа ножа по его ширине;
- уточненная методика обоснования предельной толщины лезвия ножа по прогрессирующим затратам;
- зависимости износа рабочей поверхности ножей, упрочненных различными износостойкими материалами, рекомендуемыми для режущих инструментов; і .
- способ и режимы процесса упрочнения передней поверхности крестового ножа волчка.
О дефектах строения твердых тел
Если твердое тело рассматривать согласно идеальной схеме, то оно состоит из атомов и молекул, составляющих кристаллическую решетку. Однако, все реальные твердые тела далеки от идеальной схемы, так как содержат большое количество дефектов структуры. Согласно выражению Грифитса, твердое тело представляет собой "собрание" трещин /121/.
К числу основных дефектов различных теліртносятся: микротрещины, мозаичность, и слоистость структуры, инородные включения и т. д. Особо выраженными дефектами являются местные разрывы, которые могут быть видимы невооруженным глазом, и микротрещины. (микроскопические и ультрамикроскопические). Возникновение і их обусловлено механическими или термическими воздействиями на тело. Геометрическая форма микротрещин может быть разнообразной И не иметь правильных очертаний.
При наличии трещин происходит резкий подъем напряжений вблизи вершины угла клиновидного дефекта. Представляет интерес понижение прочности металла после шлифования,. Причиной понижения прочности является образование тончайших надрезов и; царапин остроугольных очертаний, которые наносятся абразивными1 зернами /85/.
Таким образом, из изложенного следует, что у вершины микротрещин может возникать высокая концентрация напряжений, которая при действии переменных внешних сил благоприятствует развитию j микротрещин, ускоряющих процесс разрушения поверхности. Самое большое значение с точки зрения механических и физико-химических дефектов имеет поверхностная сеть микротрещин. Ее особенность заключается в том, что она является как бы "передней линией" микромолекулярной сети твердого тела, содержит все исходные отверстия (устья) микрощелей и, в первую очередь, принимает на себя все виды внешних воздействий. і
Все явления природы и техники представляют собой результаты взаимодействия материальных тел. ,
Основными факторами, определяющими:; вид изнашивания, является среда, в которой работает деталь, динамика и кинематика относительного перемещения взаимодействующих тел, характер контакта и свойства материала изнашиваемой детали. Первые, три фактора первичны. Они характеризуют внешние условия службы деталей.машин, определяют качественную и количественную стороны явлений/30/100/. .
Качество выполняемой работы зависит от комплекса параметров, которые подразделяются на следующие категории: 1. Форма, геометрические параметры, состояние и геометрия : і : режущей кромки ножей и решеток. 2. Физико-химические свойства измельчаемого продукта. 3. Эксплуатационные условия работы: зазор между ножами и решетками, усилие прижатия режущих деталей, частота вращения ножец, ,, Г: производительность. 1-кольцо упорное,- 2-быходная рвшетка,- 3-четырехзубый нож -промежуточнаярешетка, 5-приёмная решетка,- 6-однасторонний нож
Измельчение является наиболее важной из всех операций, выполняемых при переработке мяса. Промышленные мясорубки (волчки) являются машинами для предварительного измельчения мяса /13/.. Режущие инструменты состоят из ножей и решеток (рисунок 1.1). Принцип работы заключается в том, что резание осуществляется парой режущих инструментов - плоским вращающим ножом и неподвижной решеткой. Куски мяса подаются шнеком и,, прижимаясь к ножевой решетке, вдавливаются в её отверстия, а непрерывно вращающиеся.ножи с прижатыми к решеткам лезвиями отрезают вдавленные в решетке частицы материала
Во время работы волчков режущий инструмент изнашивается. Наиболее сильно подвержены износу крестовые ножи. В условиях дефицита режущих комплектов на некоторых мясокомбинатах ножи эксплуатируют до критически малой толщины (рисунок 1.2). Исследованиям износа и влияния его на работу мясоизмельчительных аппаратов посвящены работы авторов: А.Г.Андрющенко, В.К.Бубыренко, М.Ш.Гутуева, М.И.Клименко, В.К.Кукшина, Г.А.Прейса, А.И.Некоза, ФЛ.Рудика, И.А.Сологуба, В.М.Степановой, Т.В.Чижиковой /5, 6, 15, 24, 31, 76, 77, 112, 115/.
Обычно результаты изнашивания мясоизмельчающих аппаратов оцениваются измерителями износа, которые подразделяются на измерители служебные и материальные /76/.
К служебным измерителям износа относятся показатели, характеризующие качество технологического процесса. Для волчков основными показателями являются: - однородность фракционного состава фарша; - влагоемкость фарша. Наиболее употребительными материальными измерителями износа являются: - толщина режущей кромки лезвия и форма его ортогонального сечения . - форма контура по длине зуба лезвия ножа; - угол режущей кромки лезвия. . Толщина режущей кромки и форма контура сечения являются параметрами, определяющими микрогеометрию лезвия, и разными исследователями оцениваются по-разному: ; І, : I
Известно, что растительная и мясная среда по физико-химическим свойствам имеют различие, поэтому , для ;нас очень . важными и существенными являются работы по исследованию износа, влияния его на качество переработки мясных продуктов, а так же уже известные и апробированные способы повышения межремонтного ресурса серийных ножей. Существенный вклад в исследование износа ножей мясоизмельчающих машин с целью повышения их долговечности внесли Г.А.Прейс, А.И.Некоз, В.К.Кукшин /31, 32, 33,76, 77/.. I В работе /76/, авторы подчеркивают, что даже при весьма тщательной заточке любого режущего инструмента .происходит округление режущего лезвия, влияющее на его работу. ,
Эти выводы подтверждают данные АА.Ивашко, согласно которых лезвие имеет соизмеримую величину, от размеров которой зависят режущие свойства ножей/21/.,
Учитывая это, авторы /76/ приводят данные і влияния радиуса закругления на режущую способность ножей и на качество перерабатываемого продукта. Испытания показали, что с, увеличением радиуса закругления лезвия, значительно снижается количество мясного сока в фарше, что значительно ухудшает его качество (рисунок 1.3).
Взаимодействие поверхйостно-активных веществ с твердым телом
Правильное понимание явлений, которые происходят на границе смазки с металлом, началось после публикаций исследований американского физика-химика Ирвинга Лангмюира1 /122/. На основании изучения поверхностного натяжения растворов, он доказал, что молекулы жирных кислот, растворенные в воде, в ничтожно малых количествах собираются на поверхности раствора в виде мономолекулярного слоя (вещества, которые, будучи примешаны к растворам, уменьшают поверхностное натяжение и содержат резко выраженные группы ОН и СООН называемые1 поверхностно-активными). Он высказал предположение, чтої тонкие мономолекулярные слои, содержащие группы ОН (гидроксил) и СООН (карбоксил), адсорбируются на поверхности металла.
П.А.Ребиндер исследовал влияние кислот. жирного ряда и воды на поверхности кристаллов, и пришел, к выводу, что адсорбция полярных молекул вызывает уменьшение твердости .адсорбента, то есть того твердого тела, которое адсорбирует на своей поверхности полярные молекулы из раствора /86/. Это объясняется тем, что ввиду, наличия на поверхности твердого тела микроскопических трещин, в, которые проникают полярные молекулы и образуют адсорбционные слои, энергия расклинивания уменьшается. Первым актом облегчения разрушения твердого тела под влиянием активной жидкости является проникновение её в устья микротрещин с вытеснением из них воздуха. Это проникновение вызывается "всасывающим" капиллярным давлением, достигающим в весьма тонких частях микротрещин высоких давлений. - і
Вторым актом действия среды при разрушении твердого тела, является стремление к утолщению тонкой смачивающей пленки жидкости, проникшей в микротрещины. Вследствие стремления к утолщению проникших в эти микротрещины смачивающих пленок, жидкости, внутренние напряжения достигают порядка 1000 кг/см2.
Значительные давления расклинивания возникают в тонких частях микротрещин, куда только может проникнуть, жидкая пленка. Такое расклинивающее действие давления разрыхляет наружный слой металла, соприкасающийся с поверхностью трения, и облегчает его разрушение при механическом воздействии, например, шлифовании, износе.
Расклинивающие давления создают в зоне предразрушения внутренние напряжения, которые накладываются на механические воздействия сопряженного тела. Если тело " прдвергается механическому диспергированию, ; то расклинивающее , действие увеличивается в присутствии поверхностно активных веществ. А так как при любом трении, поверхности испытывают пластическую деформацию, то зона пластической деформации и есть зона предразрушения. Следовательно, износ в присутствии поверхностно-активных веществ определяется поверхностным разрушением трущихся тел под влиянием тангенциальных усилий трения, вызывающих в отдельных местах наружного слоя напряжения, превосходящие предел прочности, то. есть вызывающие скалывание, вырывание из поверхностного слоя твердого тела мельчайших частиц с предварительным пластическим течением металла. То есть износ есть поверхностное диспергирование под влиянием сил трения, которое облегчается адсорбцией поверхностно-активных веществ /86/.
Факторы, определяющие скорость относительного скольжения, I нормальное давление и температуру, возникающие в зоне измельчения мясопродуктов, значительно влияют на изнашивание режущих деталей, их режущую способность и. качество измельчаемого продукта. Интенсивность изнашивания зависит также от состояния1 перерабатываемого продукта, содержащего химические и поверхностно-активные вещества
Режущие детали мясоперерабатывающих машин соприкасаются только со сравнительно мягкими перерабатывающими продуктами, тем не менее, подвержены довольно интенсивному, изнашиванию. Очевидно, в процессе изнашивания деталей происходят определенные физико-химические изменения в поверхностном слое, в результате которых, он в значительной мере теряет свою прочность. На (тончайший поверхностный слой изнашивающихся режущих деталей воздействуют большие касательные напряжения, вызывая значительное пластическое деформирование. Пластически деформированный слой /может , интенсивно окисляться, взаимодействовать с перерабатываемым продуктом, и вследствие чего, на поверхности образуется чрезвычайно тонкий слой вторичной измененной структуры, который менее прочен и сравнительно легко разрушается перерабатываемым продуктом.
Выбор числа повторностей опытов и обработка результатов экспериментов
Все проводимые эксперименты являлись однофакторными, то есть определяли функции одного переменного. Так как результаты большинства из них показали незначительный разброс полученных данных, то использование, специальных статистических методов для их обработки не имело необходимости. Для установления вида исследуемых зависимостей проводилась, огибающая кривая через полученные, точки, с дальнейшим проведением средней; осевой линии контура. Данные методы при малом разбросе данных, : если , не требуется ; определение параметров функциональной зависимости, являются достаточно точными и эффективными/51/. , , Полученные экспериментальным1 путем данные обрабатывались с помощью ПЭВМ.
Многие авторы толщину лезвия характеризуют радиусом окружности, вписанной в поперечный контур кривой лезвия ножа /23/.
В.Ф.Лоренц /38/ на, закруглённой части лезвия выделяет участок, названный им участком затупления, то есть та часть контура кривой лезвия, на которой, происходит неї скольжение перерезаемого материала, а его прессование: Он предлагает геометрию лезвия характеризовать углом заточки ,лезвия и хордой затупления, соединяющей концы участка затупдения.
.Хорда затупления зависит не только от формы кривой, но и от свойств перерезаемого материала. Поэтому , практически пользоваться хордой затупления, для характеристики толщины лезвия, на наш взгляд довольно затруднительно. В настоящее время для замера толщины лезвия применяются следующие методы;. а) замер путём получения оттисков и моделей в гипсовых слепках; , б) замер с помощью бинокулярного микроскопа; в) с помощью штангензубомера; г) разрез лезвия в нормальной плоскости с последующим анализом сечения с помощью увеличительных приборов; г h д) с помощью пластинчатых шаблонов с конусными вырезами; е) замер путем снятия оттисков на свинцовую пластину, с і , последующей обработкой их на проекционных аппаратах.
Форма ортогонального сечения лезвия ножа может быть получена с помощью методов а), г), е). Следует отметить, что до настоящего времени нет единого показателя 1 затупления лезвия, который бы связал микрогеометрию лезвия" с эксплуатационными показателями и был бы удобен для замера лезвий в . производственных условиях, так как все перечисленные методы требуют специального оборудования и проводятся в лабораторных услрвиях.
Отсутствие единой методики для замера лезвий приводит к тому, что качественные показатели . работы измельчительных аппаратов ряда исследований оказываются в трудно сравнимых условиях.
Для рабочих органов сельскохозяйственных машин наибольшее распространение получил .метод замера толщины лезвия путём снятия оттисков на свинцовую пластину. Это объясняется тем, что снятие оттисков можно производить : в; производственных условиях без сложного оборудования, с малыми затратами времени И высоким качеством оттиска.
Пластины с оттисками вполне транспортабельны и легко обрабатываются в лабораторных условиях.
Поэтому, для определения износа ножей, нами был принят метод снятия на свинцовые оттиски и разработана конструкция пресса. Отобранные серийные упрочненные и наплавленные ножи подвергались клеймению.-На тыльной стороне задней поверхности ножа каждого зуба, электроискровым карандашом наносился порядковый номер ножа и точка замера по ддине зуба.
Уменьшение ширины передней поверхности зуба замерялось в каждой точке от оси ножа к периферии микрометром МК 0-25 с точностью 0,01 мм в четырех точках. .
Толщина режущей кромки и угол заточки замерялись следующим методом. С помощью специального пресса на свинцовую пластину размером 120x30x6 мм снимались отпечатки при глубине вдавливания 4-5 мм в каждой точке по длине зуба всех ножей. Пресс для получения оттисков представляет собой устройство, позволяющее цолучиті. сіттиски в любом сечении каждого зуба ножа по его длине (рисунок 3.2).
Результаты лабораторных исследований образцов на установке торцевого трения
На основании анализа . скорости скольжения ножей волчков относительно решеток (1-;1,5 м/с), была принята скорость скольжения 0,4 м/с при которой По .данным (76/ происходит наиболее интенсивный износ и температура образцов не превышает 18-20 С. Давление на образцы было принято 200 Н/см2 і так как при большем давлении повышалась температура образцов, что снижало полученные результаты. Так как передняя поверхность ножа в процессе измельчения мяса не контактирует с решеткой, то в качестве опорного диска был выбран диск из дуба толщиной 40 мм, который предварительно выдерживали в моделирующем растворе в течении 2 часов. За эталонные были приняты образцы из стали У8А.
Через каждые 10000 оборотов опорного диска, что соответствовало 2500 метрам пути скольжения образцов, установка останавливалась, и производился замер следующих параметров: весовой износ образцов, микротвердость и, коэффициент трения. Полученные. данные представлены на рисунках 4.10 и 4.11. Износ образцов (рисунок 4.10) при наличии моделирующего раствора возрастает по прямолинейной зависимости. При этом наиболее интенсивно изнашивались серийные образцы, изготовленные из стали У8А, менее интенсивна образцы упроченные ТН-20.
При скольжении длиной 15000 метров, образцы из стали У8А имели износ 17 мг, а упроченные ТН-20 всего 3 мг, износ остальных образцов находился в интервале 4-15 мг. Образцы, упроченные материалами из быстрорежущей стали Р6М5 и Р18, изнашивались с одинаковой интенсивностью, что объясняется их близкими физико-химическими и коррозионными свойствами (таблица 3.1). Шероховатость поверхностей ,трения . образцов изменяется по криволинейной поверхности1 (рисунок 4.11). У образцов, упрочненных сормайтом-1, при трении незначительно снизилась шероховатость. Это объясняется его высокой твердостью и структурой. У образцов из стали У8А- до пути трения,5000 метров шероховатость снизилась на 0,5 мкм и составила 2,5 мкм, и далее оставалась неизменной. У образов, упрочненные Р6М5. и; Р18 снижение шероховатости продолжалось до 7500 метров пути трения и составило 0,9-1 мкм.
У образцов упрочненных, Х6ВФ и ТН-20 с ПГ-СРЗ снижение шероховатости продолжалось до 7500 м, после чего наступила стабилизация шероховатости. Образцы,, упрочненные "ХбВФ, имели шероховатость 1,8 мкм, уменьшение составило 1,4 мкм. Образцы, упрочненные порошковой спеченной лентой из композиции ТН-20 и ПГ-СРЗ, имели шероховатость 1,2 мкм, уменьшение( составило 2 мкм. .
Эти данные свидетельствуют о том, что наиболее высокую чистоту і поверхности имели образцы, из композиции ТН-20 и ПГ-СРЗ, а также хорошую прирабатываемость при наличии моделирующего раствора и высокую антикоррозионную стойкость. Поверхность образцов однородная, чистая, без рисок и вмятин.
Изучение поверхностей с помощью микроскопа МИМ-8М при увеличении в 300 раз1,, показьївает, что до износа все образцы имели поверхность типичную., для шлифования. В процессе изнашивания происходит! сглаживание бороздок и рисок, оставленных зернами абразивного круга, но происходит образование окисных пленок на поверхности трения. Это наглядно видно у образцов изготовленных из стали У8А и упрочненных Р6М5 и Р18, что придает поверхностям темный цвет.
Это происходит до 7500 м скольжения, при дальнейшем изнашивании происходит сглаживание микронеровностей. При этом по мере изнашивания чистота поверхности образццв увеличивается, и в конце изнашивания она представляет собой светлую без царапин й рисок поверхность. И, тем не менее, чистота поверхности этих образцов (рисунок 4.11) ниже чем, у образцов, упрочненных композицией с ТН-20. Коэффициент трения, образцов изменяется по криволинейной зависимости
