Введение к работе
Актуальность темы: В настоящее время рабочие органы и детали
оборудования пищевой промышленности работают в сложных условий
эксплуатации (высокие скорости и нагрузки, интенсивные контактные
напряжения, абразивное воздействие, осложненное многоцикловыми
ударными нагружениями и т.д.), что обуславливает их низкую
износостойкость. Применяемые материалы затрудняют достижение
требуемого уровня надежности и долговечности.
В ряде случаев уровень износостойкости рабочих органов наиболее нагруженных деталей не превышает 100-150 часов непрерывной работы, что влечет за собой снижение надежности и долговечности. Попадание частиц износа в пищевую среду ухудшает качество продукции, а в некоторых случаях приводит к производственному браку.
Различным видам изнашивания наиболее подвержены трущиеся детали рабочих органов пищевого оборудования: втулки молотковых дробилок, карамелеобкаточных машин, заторных и сусловарочных котлов, фризера, мясорубок; кольца торцевых уплотнений центробежных насосов, сепараторов, центрифуг; подшипники скольжения, плунжеры насосов, гильзы цилиндров дозаторов.
Одним из путей повышения срока службы и эксплуатационной надежности машин и механизмов является использование в конструкциях узлов пищевого оборудования, подверженных наибольшим нагрузкам, антифрикционных композиционных материалов, обладающих повышенной износостойкостью, низким значением коэффициента трения, способностью работать при высоких скоростях и больших ударных нагрузках.
Данная работа посвящена повышению износостойкости пар трения молотковых дробилок и карамелеобкаточных машин за счет использования новых АКМ следующего поколения, отличительной особенностью которых является гетерогенная структура псевдосплава, состоящая из наполнителя (упрочнителя - стальных частиц ШХ-15), в основном ответственного за физико-механические свойства, и матрицы (связующая составляющая - бронза), которая перераспределяет напряжения в КМ.
При жидкофазной технологии формирования КМ в процессе получения матрицы происходит расплавление ее компонентов и смачивание наполнителя, пропитка каркаса частиц и формирование КМ. Особенность композиционного материала заключается в том, что совместная работа разнородных материалов, входящих в его состав, создает эффект, равноценный созданию нового материала с требуемым комплексом эксплуатационных свойств. В состав АКМ входят материалы, разрешенные в работе в контакте с пищевой средой.
Использование разрабатываемых в рамках данного исследования материалов в нагруженных узлах пищевого оборудования обеспечит: повышенную износостойкость рабочих органов молотковых дробилок и карамелеобкаточных машин, уменьшение коэффициента трения, а также сокращение межремонтных периодов.
Целью работы является: повышение износостойкости и увеличение продолжительности рабочего цикла наиболее нагруженных узлов молотковых дробилок и карамелеобкаточных машин при использовании новых АКМ.
Задачи:
1. Осуществить выбор объектов исследования, изучить условия
эксплуатации рабочих органов оборудования и выявить наиболее нагруженные
элементы молотковых дробилок и карамелеобкаточных машин, которые
подвержены наибольшему износу.
-
Изучить влияние износостойкости и коэффициента трения на сокращение межремонтных периодов, ресурсосбережение и продление срока работы рабочих органов молотковых дробилок и карамелеобкаточных машин.
-
Разработать состав и технологию получения АКМ, составленного из материалов, разрешенных к применению в пищевом оборудовании, а также выбор в качестве упрочнителя АКМ гранул размером d=l мм из стали ШХ-15 и бронзы БрОФ 4-0,25 в качестве матрицы и установить режимы жидкофазного спекания, определяющие структуру и физико-механические свойства материала. Разработать методику исследования процесса формирования АКМ.
-
Выявить принципиальную возможность диспергирования поверхностных слоев гранул, обеспечивающих заполнения промежутков между ними мелкодисперсными частицами. Исследовать влияние режимов термообработки (закалка, гомогенизирующий отжиг, низкотемпературный отпуск) на структуру, твердость и износостойкость АКМ.
-
Изготовить образцы износостойкого антифрикционного композиционного материала АКМ и произвести комплекс испытаний.
6. Предложить техническое решение по использованию в рабочих
органах дробилки, втулки для сохранения шейки вала и диска, а также
изготовление части молотка из АКМ и вариант его закрепления в валу рабочего
органа.
Научная новизна:
-
Проанализирована работа молотковых дробилок и карамелеобкаточных машин и выявлено, что лимитирующим фактором срока службы является износ ударных элементов и узлов трения.
-
Разработан АКМ в состав которого входит 62% бронзы, 36% стали ШХ -15, 2% - модифицирующие добавки. Использование АКМ в конструкциях нагруженных элементов машин позволяет увеличить ресурс работы до замены на 70%.
-
Выявлена зависимость повышения износостойкости АКМ от 3 до 10 раз по сравнению с используемой традиционной бронзой и снижения коэффициента трения на 10...30% по мере увеличения числа оборотов валов машин от 70 до 100 об/мин.
4. Впервые обнаружено формирование двухслойной структуры в
поверхностном слое гранул: слоя, получаемого в процессе проникновения
расплава по границам зерен под действием давления миграции П, и слоя
науглероженной стали. Показана зависимость появления этих слоев от режима спекания.
-
Проанализирован вклад диспергирования поверхностного слоя стальных гранул в кинетику жидкофазного спекания частиц.
-
Впервые показана возможность полного разрушение гранул при 1200С, 15 мин в процессе миграции расплава и формирования коллоидной системы, состоящей из мелкодисперсных частиц (менее 2...10 мкм) и пересыщенного железом твердого раствора бронзы.
-
Выявлено, что после охлаждения на воздухе композиционный материал обладает высокой твердостью (не поддается обработке резанием твердым сплавом ВК8 с твердостью 80 HRC), но обладает высокой вязкостью при ударных нагрузках (предел текучести АКМ близок к стали 40), что расширяет сферу его практического применения.
-
Получены численные зависимости характеристик износа ударных элементов молотковых дробилок и узлов трения в зависимости от нагрузок и скорости вращения рабочих органов молотковых дробилок и карамелеобкаточных машин. На этой основе сделан прогноз увеличения предельно допустимых сроков работы до замены или капитального ремонта.
Практическая значимость:
Повышение работоспособности рабочих органов и деталей за счет создания АКМ позволяет использовать его в ударных элементах молотковых дробилок и пар трения карамелеобкаточных машин. Совокупность этих решений увеличивает долговечность нагруженных элементов до их замены с 2-3 недель до 3-х месяцев.
Предложен режим жидкофазного спекания (время и температура), обеспечивающий получение АКМ с необходимыми техническими характеристиками.
Использование АКМ в нагруженных рабочих органах машин позволяет повысить износостойкость и снизить коэффициент трения, а также дает возможность реализации ресурсосбережения (снижение себестоимости продукции, энергозатрат, снижение времени на ремонт, а также увеличение количества произведенной продукции и продления ресурса).
Предложены технические решения по изготовлению из АКМ молотков при помощи высокотемпературной пайки и решение по закреплению молотка в рабочем вале. Это обеспечит сохранность отверстий в валу, а также установку на шейку вала из композиционного материала и замены втулок карамелеобкаточной машины.
Апробация результатов работы: по основным результатам работы сделаны сообщения, которые были представлены на семи конференциях.
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ.
Структура и объём работы: диссертационная работа состоит из введения и литературного обзора, глав, посвященных описанию объектов и методов исследования, а также анализу результатов исследований, выводов и библиографического списка. Диссертация изложена на 165 страницах (не включая приложения), содержит 14 таблиц, 62 рисунков.
