Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1. Обоснование выбора объекта исследования 9
1.2. Характеристика условий работы и дефектного состояния ножей Куперов 10
1.3. Анализ существующих технологий изготовления и восстановления ножей куттеров... 17
1.4. Основные направления совершенствования конструкций ножей куттеров 21
1.5. Предпосылки технологического и конструктивного совершенствования ножей куттеров 28
1.6. Обоснование структуры и программы исследований 33
1.7. Выводы и задачи исследований 35
2. Теория конструктивно-технологического совершенствования ножей куттеров 38
2.1. Рабочая гипотеза 38
2.2. Напряженно-деформированное состояние ножей куттеров 38
2.2.1. Теоретическое моделирование напряженно-деформированного состояния серийных ножей куттеров 38
2.2.2. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния серийного и экспериментального ножей куттеров 54
2.2.3. Проектирование жесткости соединений экспериментальных ножей куттеров 58
2.2.4. Исследование силового взаимодействия серийных и экспериментальных ножей куттеров с перерабатываемым продуктом 60
2.3. Определение конструктивных и силовых параметров процесса резки ножей куттеров 67
2.4. Проектирование оснастки для резки ножей куттеров 73
2.5. Выводы 75
3. Методика экспериментальных исследований .76
3.1. Методика исследования напряженно-деформированного состояния ножей куттеров 76
3.2. Методика исследования геометрических параметров ножей куттеров ... 80
3.3. Методика сравнительных макро- и микроструктурных исследований ножей куттеров 82
3.4. Методика определения механических показателей 82
3.5. Методика проведения ускоренных ресурсных испытаний серийных и экспериментальных ножей куттеров 83
3.6. Методика эксплуатационных испытаний ножей куттеров 86
3.7. Выводы 87
4. Анализ данных экспериментальных исследований .89
4.1. Оценка напряженно-деформированного состояния ножей куттеров 89
4.1.1. Результаты исследования напряженно-деформированного состояния серийных ножей куттеров 89
4.1.2. Результаты исследования рациональной конструкции экспериментальных ножей куттеров 92
4.1.3. Результаты сравнительного анализа напряженного состояния серийных и экспериментальных ножей куттера 98
4.2. Результаты исследования напряженного состояния ножей куттеров оптическим методом 102
4.3. Результаты ускоренных ресурсных испытаний ножей куттеров 103
4.4. Результаты исследования показателей качества серийных и экспериментальных ножей куттеров 106
4.4.1. Механические показатели 106
4.4.2. Структурные составляющие 107
4.4.3. Результаты исследования заклепочных соединений 110
4.5. Результаты эксплуатационных испытаний ПО
4.6. Результаты исследования конструктивных и силовых параметров процесса резки заготовок ножей куттеров 115
4.7. Технологический процесс изготовления и восстановления ножей куттеров 115
4.8. Выводы 120
5. Технико-экономическая эффективность результатов исследований 121
5.1. Экономическая эффективность технологии изготовления и восстановления ножей куттеров 121
5.2. Рекомендации по практическому использованию разработанной технологии 130
5.3. Выводы 130
Общие выводы и рекомендации. 131
Список литературы... 133
Приложения 143
- Характеристика условий работы и дефектного состояния ножей Куперов
- Напряженно-деформированное состояние ножей куттеров
- Методика исследования геометрических параметров ножей куттеров
- Результаты исследования напряженного состояния ножей куттеров оптическим методом
Характеристика условий работы и дефектного состояния ножей Куперов
Для тонкого измельчения мяса при приготовлении фарша в колбасном производстве на мясоперерабатывающих предприятиях используют куттеры. Куттеры — это машины преимущественно периодического действия, имеющие одинаковое принципиальное устройство: мясо 1, находящееся во вращающейся открытой или закрытой чаше 2, измельчается ножевой головкой 3 с набором серповидных ножей, частота вращения которой составляет 1500-7-5000 мин"1 (рис. 1.1). Мясо подается под ножи вращением чаши [1]. Допускается измельчение предварительно переработанного на волчке мясного сырья, охлажденного от -1С до +5С кускового мяса массой не более 0,3 кг, а также замороженных мясных блоков температурой не ниже 8С. Размеры кусков мяса и блоков зависят от типоразмера куттера. Качество измельчения, в свою очередь, зависит от: остроты режущей кромки, зазора между ножом и чашей куттера, длительности куттерования, частоты вращения куттерной головки, количества ножей, установленных в головке [2]. В процессе измельчения в куттер добавляется вода или специальный чешуйчатый лед. Этим достигается соблюдение рецептуры фарша и снижение его температуры, так как при куттеровании температура фарша повышается НР 1...4С, что в первую очередь зависит от правильной заточки и установки ножей [3,4].
За оптимальную продолжительность куттерования принята длительность процесса, при которой все показатели фарша и готовой продукции достигают экстремальных значений. Горбатов А.И. сделал важный практический вывод о том, что оптимальная продолжительность механического воздействия и оптимальный химический состав сырья соответствуют эталонным условиям его обработки и позволяют получить готовый высококачественный продукт с эталонными значениями структурно-механических свойств с требуемыми технологическими показателями. Это обеспечит наименьшие затраты машинного времени [5, 6].
Большинство куттеров можно использовать для перемешивания фарша с получением гомогенной массы. Для этого используется реверс ножей и перемешивание ведется их тыльной незаточенной стороной. При этом скорость вращения ножевого вала должна быть меньшей [7, 8].
Конструктивной особенностью измельчающего механизма современных куттеров является наличие быстровращающегося ножевого устройства с комплектом серповидных ножей, которые могут быть с несколькими режущими кромками. Как показали исследования Пелеева А.И., Рогова И.А., Бакунца Г.В., Чижиковой Т.В., Даурского А.Н. [9, 10, 11, 12, 13, 14], форма кожей и скорость их вращения существенно влияют на куттерование и качественные показатели фарша.
Нож куттера состоит из лезвия 1 с режущей кромкой 2 и посадочной части 3, фиксирующей положение ножа в головке (рис. 1.2, а). Большинство ножей куттеров имеют лезвия в форме двугранного одностороннего клина (рис. 1.2, б). Грань лезвия Б, совпадающая с плоскостью движения ножа, является опорной. Грань лезвия С, расположенная под углом к плоскости движения ножа, называется рабочей. Эта грань производит деформирование и вытеснение измельчаемого мяса из пространства, занимаемого впоследствии ножом. Линия пересечения опорной и рабочей граней образует режущую кромку лезвия. С помощью режущей кромки происходит непосредственное разрушение мясной ткани путем вклинивания и разделения ее на части. Режущая кромка практически не представляет собой строго геометрической линии, а имеет микронеровности с закруглениями, величина радиуса которых оказывает существенное влияние на режущие свойства ножа куттера [15]. Выполненная с тыльной стороны лезвия 1 выборка 4 (рис. 1.2) способствует более плавному, без вспенивания, обтеканию измельчаемого продукта поверхности ножа.
Толщина ножей составляет 3-Й? мм. В зависимости от вида вырабатываемого сырья и требований, предъявляемых к фаршу, на головке куттера устанавливается от 2 до 9 ножей [16]. Ножи собирают в строгой последовательности таким образом, чтобы крайние точки их кромки описывали в диаметральном сечении окружности одного диаметра с окружностью, образуемой крайними точками режущей кромки крайних ножей [17]. Этим достигается балансировка ножевой головки. Большое значение для качества фарша и соблюдения технологического процесса куттерования имеет зазор между крайними ножами головки и стенками чаши - он должен быть минимальным (0,8-4-2 мм). Современные куттеры оснащены специальным механизмом, позволяющим регулировать, а иногда и автоматически поддерживать заданный зазор.
В процессе резания между ножом куттера и продуктом возникает силовое воздействие. На нож действуют следующие силы (рис. 1.3) [18]: сопротивление перерезанию волокон продукта (Р/), направленное перпендикулярно режущей кромке лезвия в сторону, обратную его движению; сопротивление отгибанию отрезаемого слоя (Р?) направленное перпендикулярно рабочей грани ножа; усилие прижатия (Рз) продукта, направленное перпендикулярно опорной грани ножа; силы трения (7/) между рабочей гранью ножа и продуктом, а также силы трения (Г?) между опорной гранью ножа и продуктом, возникающие вследствие движения режущего инструмента относительно измельчаемого продукта.
Напряженно-деформированное состояние ножей куттеров
Исходя из теории упругости [73, 74, 75, 76, 77], нож куттера моделируется кривым брусом переменного сечения. Внешние контуры бруса в осевом сечении образованы дугами эксцентрических окружностей ОВ и СВ (рис. 2,1). Где S я S[ центры кривизны дуг ОВ и СВ, соответственно: SB = R;S{B = Rl. Точка S\ имеет координаты (є, ч). Точка 2 имеет координаты —;-——— и является центром кривизны осевой линии DB. Осевая линия DB образована центрами тяжести произвольно выбранных поперечных сечений тела ножа. Параметр р является угловой координатой текущего сечения ножа, Параметр Ф, является угловой координатой точки В. Уравнение дуги ОВ имеет вид Уравнение дуги СВ представляет собой соотношение вида Для получения уравнения осевой линии DB составим уравнение луча S2M: Найдем координаты точек пересечения луча с дугами окружностей СВ и ОВ. Для этого выберем произвольное поперечное сечение MN. М — точка пересечения луча S2M с дугой СВ, N — точка пересечения луча с дугой ОВ. Координаты точки М удовлетворяют следующим уравнениям Результатом их решения будут координаты точки М fayj Определим зависимость высоты h поперечного сечения ножа куттера от угла поворота сечения р . Эта высота определяется отрезком MN. Очевидно, что: Расстояние точек нейтральной линии до геометрической оси ножа куттера будем измерять по направлению луча i%iV (рис. 2.2). На этом рисунке а — угол заточки ножа, град; d— толщина ножа, м; S20 = р0 — радиус кривизны оси ножа, м; S2E = p0—c — радиус кривизны нейтральной оси ножа, м; S2F = pQ — z — радиус кривизны линейного элемента ножа куттера GF при изгибе, м. Относительное удлинение элемента GF подсчитывается по формуле: Получаем гиперболический закон распределения линейных напряжений по высоте поперечного сечения ножа [73, 74]. Нормальное напряжение а будут определяться соотношением вида: где Е — модуль Юнга материала ножа, Н/м2. Для определения касательных напряжений воспользуемся схемой, представленной на рис. 2.3. От элемента ножа (рис. 2.3), удаляется слой толщиной Z\ и рассматривается равновесие оставшейся части. Эта часть находится в равновесии под действием нормальных а и касательных т напряжений. Последние возникают за счет неравномерности распределения нормальных напряжений по длине ножа. Запишем условие равновесия слоя элемента ножа, параллельного его оси Отсюда получим выражение для определения касательных напряжений т:
Методика исследования геометрических параметров ножей куттеров
Исследование геометрических параметров изношенных ножей куттеров проводилось с целью определения характера и величины износа рабочих поверхностей лезвия и посадочной части. Для исследования макрогеометрии изношенных ножей куттеров модели Л5-ФКБ проведены микрометражные измерения пятидесяти деталей. Отбор деталей осуществлялся из различных партий ремонтного фонда в случайном порядке.
Трещины и сколы на лезвиях ножей проверялись визуальным осмотром с помощью лупы ЛП-1-4 ГОСТ 25706-83. Ширина режущей кромки лезвия, а также длина и ширина посадочного паза фиксировались с помощью штангенциркуля ШЦ-11-250-0,05 ГОСТ 166-80 по схеме, представленной на рис. 3.4.
Макро- и микроструктурные исследования направлены на анализ качества серийных и экспериментальных ножей куттеров с позиции изучения структурных составляющих и возможных дефектов, возникающих в процессе ускоренных и эксплуатационных испытаний.
Качественные макро - и микростру/турн.ле от;азатели ножей куттеров фиксировались растровым, сканирующим и электронным микроскопами МИМ-ЯМ, ММ-2Р и ЭМ-7 соответственно.
Объектами контроля были: режущая кромка серийных и экспериментальных ножей куттеров на наличие микротрещин и сколов, как новых, так и после 200 часов эксплуатации; заклепочные соединения экспериментальных ножей на наличие микротрещин по контуру отверстия, определения величины смятия тела заклепки, определения величины расслоения составляющих нож пластин; анализ причин поломки лезвия ножей после проведения ускоренных ресурсных и эксплуатационных испытаний серийных и экспериментальных ножей куттеров.
Для определения твердости образцов, применялся способ измерения твердости по Роквеллу /ГОСТ 9013-83/. Числа твердости отсчитывались по шкале "С,г прибора ТК-2М.
Твердость тонких поверхностных слоев и структурных составляющих сплава фиксировалась прибором ПМТ-3 /ГОСТ-9450-60/, Образцы шлифовались, полировались и травились 4х процентным раствором серной кислоты. Микротвердость измерялась через 0,25 мм на глубину до достижения стабильных показателей.
При определении ресурса экспериментальных ножей куттеров в сравнении с серийно изготовленными предусматривается проведение ускоренных стендовых испытаний. Главное требование, предъявляемое к таким испытаниям, заключается в модельном воспроизведении в стендовых условиях характера работы исследуемого объекта. Воспроизведение в стендовых условиях динамического характера воздействия на объект возможно, если вся совокупность воздействий будет подобна реальным условиям эксплуатации. Стендовые испытания не должны изменять качественную сторону процесса работы, а усиление воздействующих на исследуемый нож нагрузок должно влиять только на количественные показатели ресурса.
Стенд для ускоренных ресурсных испытаний ножей куттеров разработан на базе вибрационного стенда типа ВУ 5/5000 и имеет следующее принципиальное устройство. Исследуемый нож 1 посадочной частью фиксируется в приспособлении 2, которое в свою очередь закрепляется на платформе вибростенда 3. На платформу вибростенда и исследуемый нож закрепляют пьезокерамические датчики вибрации 4, 5, которые подсоединяются к измерительным приборам 6, 7, в качестве которых выбраны милливольтметры ВЗ-3-9. На исследуемый нож 1 закреплялся груз 8 (рис. 3.5).
Стенд для ускоренных ресурсных испытаний ножей куттеров работает следующим образом. Включается вибростенд 3 и, задав определенный уровень амплитуды колебаний на приспособлении 2 с помощью датчика вибраций 4 и милливольтметра б, определяется амплитуда колебаний исследуемого ножа 1 с помощью датчика вибраций 5 и милливольтметра 7.
На основании теоретического расчета, представленного в главе 2, частота колебаний вибростенда приравнивалась к собственной частоте ножа куттера, и в режиме резонанса происходило ускоренное изнашивание. Время испытаний фиксировалось до поломки элемента ножа. По данным, полученным в ходе ускоренных испытаний, делался вывод о стойкости серийных и экспериментальных ножей куттеров к изгибающим воздействиям нагрузки, возникающей в процессе эксплуатации. Действующий стенд для проведения ускоренных ресурсных испытаний ножей куттеров представлен на рис. 3.6.
Результаты исследования напряженного состояния ножей куттеров оптическим методом
Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния серийных ножей куттеров модели Л5-ФКБ показали, что его результаты хорошо согласуются с рассчитанными по программе в среде MathCad 7,0 на ЭВМ. На рис. 4.17 представлен график зависимости величины главного напряжения, возникающего на лицевой поверхности серийного ножа от угла поворота поперечного сечения при сложном изгибе. Из графика видно, что экспериментально полученная кривая, не более, чем на 10% расходится с теоретически рассчитанной. Это позволяет сделать обоснованное заключение о достаточно высокой сходимости расчетных данных напряженно-деформированного состояния ножей куттеров, с действительным напряженным состоянием исследуемого объекта, что позволяет использовать полученные результаты для решения вопросов связанных с конструктивно-технологическим совершенствованием режущего аппарата куттера.
На рис. 4.18 а представлена интерференционная картина полос при сложном изгибе серийного ножа куттера.
Исследованиями напряженно-деформированного состояния экспериментальных ножей куттера модели Л5-ФКБ, выполненных из трех слоев стали 40X13, установлено, что величина суммарных главных напряжений на лицевой поверхности ножей при сложном изгибе ниже соответствующего показателя серийных аналогов на 65 %. На рис. 4.17 представлен график зависимости главного напряжения, возникающего на лицевой поверхности экспериментального ножа куттера от угла повората поперечного сечения при сложном изгибе лезвия. Максимальная величина напряжений составляет при этом 5,9-108 Па. На рис. 4.186 представлена интерференционная картина полос при сложном изгибе экспериментального ножа куттера. Результаты расчетов величины главных напряжений оптическим методом представлены в приложении .
Проведенные испытания показали, что наибольшей сопротивляемостью усталостному разрушению обладают экспериментальные ножи куттера, выполненные из трех слоев стали 40X13, общей толщиной лезвия 5 мм. Этот результат хорошо согласуется с данными теоретических исследований (сходимость 90%). Серийные ножи куттеров в среднем после 28 часов воздействия вибрационных нагрузок в режиме резонанса достигают предельного износного состояния - появления видимой трещины на лезвии, тогда как у экспериментальных трехслойных ножей видимая трещина на лезвии появляется в среднем через 38 часов наработки на вибростенде. Из графика, представленного на рис. 4.19 видно, что средняя наработка экспериментальных ножей в условиях ускоренных ресурсных испытаний на 32% превышает аналогичный показатель серийных.
Результаты ускоренных ресурсных испытаний представлены в приложении 4. Показатели твердости имеют исключительное значение для ножей куттеров, они определяют такие их рабочие свойства, как износостойкость, стойкость к затуплению и выкрашиванию, способность выдерживать знакопеременные ударные нагрузки. В результате конструктивно-технологического совершенствования ножей куттеров и за счет применения в качестве материала лезвия коррозионно-стойкой стали 40X13 мартенситного класса улучшаются механические характеристики изделия - возрастает твердость поверхностных слоев и повышается предел прочности.
В результате исследований микротвердости поверхностного слоя поперечного сечения лезвия серийного ножа куттера было установлено, что на глубине 0,5 мм от поверхности ее величина находится в пределах 540 HV. По мере удаления от поверхности показатель микротвердости падает и на глубине 2,5 мм достигает 524 HV. Это объясняется наличием локальной зоны термического воздействия при закалке серийных ножей куттеров. А перепад показателей поверхностной микротвердости и микротвердости срединных слоев особенностью прокаливаемости углеродистой стали.
У экспериментальных ножей куттеров микротвердость по глубине наружного слоя практически постоянна и достигает 650 HV. Микротвердость внутреннего слоя экспериментального ножа куттера также постоянна и достигает величины 240 HV. Таким образом, микротвердость поверхности экспериментального ножа куттера превышает аналогичный показатель серийного ножа в среднем на 24%. Это происходит в результате применения при изготовлении экспериментальных ножей куттеров в качестве материала стали мартенситного класса, обладающей лучшей прокаливаемостью по сравнению с углеродистой сталью.
Результаты замеров твердости и микротвердости серийных и экспериментальных ножей куттеров представлены в приложении 5.
