Міністерство освіти України

Український державний університет харчових технологій

Сухенко

Юрій Григорович

УДК 663/664:621.891

Науково-прикладні основи підвищення

довговічності деталей обладнання

харчових і переробних галузей АПК

Спеціальність: 05.05.09 – машини харчової, мікробіологічної та фармацевтичної промисловості

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ – 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій Міністерства освіти України

Науковий консультант – Доктор технічних наук, професор Некоз Олександр Іванович, Український державний університет харчових технологій, завідувач кафедри матеріалознавства та технології машинобудування, м. Київ

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Аністратенко Володимир Олексійович, Український державний університет харчових технологій, професор кафедри машин і апаратів харчових виробництв, м. Київ

Доктор технічних наук, професор Тищенко Генадій Петрович, Український державний хіміко-технологічний університет, професор кафедри хімічного опору матеріалів і захисту від корозії, м. Дніпропетровськ

Доктор технічних наук, професор Каплун Віталій Григорович, Технологічний університет Поділля, проректор з наукової роботи, м. Хмельницький

Провідна організація – Національний технічний університет України “КПІ” Міністерства освіти України, м. Київ

Захист відбудеться “ 16 ” червня 1999 р. о 14 00

на засіданні спеціалізованої Ради Д.26.058.02 при Українському державному університеті харчових технологій, в аудиторії А-311, за адресою: 252033, м. Київ–33, вул. Володимирська, 68

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою: 252033, м. Київ–33, вул. Володимирська, 68

Автореферат розісланий “ 14 ” травня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Зав`ялов В.Л.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Економічний розвиток України в значній мірі визначається успішною роботою

підприємств харчових та переробних галузей агропромислового комплексу (АПК). Подальше нарощування потужностей виробництва в цих галузях можливе за рахунок створення високопродуктивного енерго- і ресурсозбережного обладнання. Особливого значення, при цьому, набуває проблема підвищення його надійності і довговічності. Втрата працездатності обладнання внаслідок відмов призводить до простоїв, значних витрат на ремонт та запасні частини. Щорічні втрати на відновлення працездатності та запасні частини на харчових підприємствах становлять більш як 300 млн. крб. (в цінах до 1991 р.). За 10 років на ремонт обладнання харчових підприємств України витрачаються кошти, співрозмірні з вартістю основних виробничих фондів.

Значним чинником ресурсопоглинання є зношування робочих органів. В більшості випадків довговічність обладнання харчових виробництв пов`язана з проблемою спрацювання окремих деталей та вузлів. Тому підвищення зносостійкості деталей вузлів тертя є основним з головних напрямків підвищення надійності та довговічності обладнання.

Зношування в умовах харчових та переробних виробництв є маловивченою специфічною проблемою триботехніки. Робочі вузли машин, перероблювані речовини та технологічні рідини утворюють складні динамічні системи, в яких закономірності тертя та інтенсивність зношування залежать від багаточисельних факторів: умов переробки, характеристик робочих рідин, конструкційних матеріалів, геометрії робочих органів тощо. Враховуючи, що більшість технологічних процесів харчової промисловості відбувається в рідинних середовищах, багато з яких є корозійно- та поверхневоактивними, значна частина деталей обладнання піддається дії швидкоплинних потоків рідини, що спричиняє їх інтенсивне кавітаційно-ерозійне та корозійно-механічне спрацювання. Функціонування таких систем вивчене недостатньо, тому актуальним є питання розробки науково-обгрунтованого підходу до проектування вузлів тертя та оцінки їх працездатності в конкретних умовах експлуатації.

В практиці конструювання обладнання харчової та переробної промисловості ресурс робочих органів призначається часто емпірично з урахуванням досвіду експлуатації аналогів, що може призвести до помилок стосовно нових зразків створюваної техніки. Це викликає необхідність розробки розрахункового методу оцінки довговічності робочих органів, що базується на глибоких теоретичних та експериментальних дослідженнях, розкритті природи, механізму зношування, одержанні фізичних моделей процесів, що протікають при руйнуванні матеріалів. Останнє дозволяє прогнозувати довговічність матеріалів в залежності від електрохімічних характеристик технологічних рідин та навантажень в зоні фрикційного контакту при терті.

Існуючі уявлення про корозійно-ерозійне, корозійно-механічне та кавітаційне зношування матеріалів в недостатній мірі враховують вплив технологічних рідин та перероблювальної сировини. Агресивність середовища вносить особливості в процес ерозійного зношування, тому не всі закономірності абразивного процесу справедливі для ерозійно- абразивного зношування. В цьому випадку матеріали повинні характеризуватись корозійною стійкістю і опором абразивному впливу. Ступінь цих якостей повинна варіюватися в залежності від впливу кожного фактора. Особливій різновидності корозійно-механічного зношування піддаються робочі органи машин по переробці сировини, що містить жирні кислоти, які є поверхневоактивними речовинами.

Поглиблення знань в області фізико-хімічних процесів, що протікають при зношуванні матеріалів в середовищах харчових виробництв (ефект Ребіндера, вибіркове перенесення тощо) має не тільки теоретичний, але й прикладний аспект, що полягає в обгрунтуванні вибору матеріалів і способів керування експлуатаційними характеристиками деталей.

Невикористаним резервом підвищення надійності та довговічності обладнання на підприємствах переробного комплексу є раціональний вибір матеріалів і технологічних методів поверхневої обробки деталей. Існує багато технологічних методів впливу і керування складом, структурою і властивостями поверхневих шарів. Проте їх впровадження у виробництво гальмується відсутністю науково-обгрунтованих рекомендацій щодо раціонального вибору матеріалів та технологій зміцнення деталей в залежності від виду зношування, його характеру, інтенсивності, характеристик робочих середовищ тощо.

Розглянутий комплекс задач являє собою актуальну народногосподарську проблему, вирішення якої можливо здійснити на базі подальшого розвитку важливого науково-технічного напрямку – триботехніки в застосуванні до умов роботи обладнання різних галузей АПК.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота безпосередньо повязана з планом найважливіших досліджень, що виконані особисто автором, або під його науковим керівництвом, у відповідності з Постановами ДКНТ СРСР № 325 від 15.07.80 р. та № 607 від 18.04.91 р., в яких поставлена задача розробки перспективних матеріалів і покриттів для забезпечення зносостійкості та довговічності машин і обладнання в харчовій і переробній промисловості. Вона також відповідає приоритетним напрямкам розвитку науки і техніки, які затверджені Постановою ВР України № 2705 від 16.10.92 р. і Наказом Міносвіти № 330 від 04.12.95 р. При її виконанні врахований Наказ Держкомітету України з питань науки і технологій від 03.08.93 р., п. 3.13 “Створення нових енерго- і ресурсозберігаючих технологій переробки і збереження сільськогосподарської сировини”.

Робота виконана згідно з планом НДР УДУХТ по темі “Підвищення надійності і довговічності обладнання харчової промисловості” і включає результати досліджень, отриманих при проведенні госпдоговірних робіт ДР №№ 01820098059, 78034777, 01840048389, 73071778, 77032221, 01840077771, 01870057011 та ін., направлених на підвищення довговічності деталей пакувального, холодильно-компресорного, мясо-молочного, цукрового, кондитерського та тютюнового обладнання. В ній використані результати робіт, також виконаних під керівництвом автора, по лінії ВНТОторгівлі в 1989-1992 р.р по темах ДР №№ 4-22, 5-22, 27-22, 62-22, 86-22, направлених на створення дільниць зміцнювальних технологій в харчовій і переробних галузях АПК.

Мета роботи: розробка і впровадження комплексу науково-обгрунтованих технологічних, конструкторських і експлуатаційних рішень з врахуванням природи робочих середовищ, що забезпечують створення технологічного обладнання харчової та переробних галузей АПК з підвищеним ресурсом.

Основні завдання наукового дослідження:

1. Вивчити види, закономірності і характер руйнування органів обладнання харчової та переробної промисловості.

2. Обгрунтувати комплексну методику дослідження закономірностей тертя та зношування робочих поверхонь при взаємодії з оброблюваними середовищами.

3. Виконати теоретичні і експериментальні дослідження зносо- і корозійної стійкості сталей, сплавів і покриттів різних типів в контакті з технологічними, мастильними і мастильно-хладоновими середовищами з врахуванням фізико-механічних властивостей зношуваних матеріалів, реологічних властивостей рідин і факторів, що визначають їх дію на поверхні деталей.

4. Виходячи з концепції втомного зношування, на основі математичного моделювання фрикційно-контактної стійкості та термодинамічної моделі корозійно-механічного зношування в технологічних середовищах, розробити розрахунково-експерементальні методи оцінки довговічності трибоспряжень харчового обладнання. Побудувати математичну модель абразивного зношування,що враховує вплив структури гетерогенних матеріалів покриттів. Розробити методику прогнозування довговічності деталей технологічного обладнання, що експлуатується в умовах ударно-абразивного зношування.

5. Грунтуючись на теоретичних і експериментальних дослідженнях умов роботи та зносостійкості ріжучих інструментів у харчовому та переробному виробництвах розробити конструктивні, технологічні та експлуатаційні методи підвищення їх довговічності.

6. На основі узагальнення результатів дослідження розробити перспективні технологічні методи забезпечення довговічності перероблювальної техніки, а також створити і впровадити в промисловість технологічні процеси, обладнання і матеріали, що гарантують високі експлуатаційні характеристики базових швидкозношуваних деталей обладнання харчових і переробних виробництв.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі систематизовані і узагальнені результати дослідження процесів зношування деталей обладнання і захисних покриттів в технологічних середовищах харчової і переробної промисловості. Створено концептуальне підгрунтя у вирішенні проблеми підвищення довговічності деталей технологічного обладнання конструктивними, технологічними і експлуатаційними методами. Воно опирається на комплекс досліджень фізико-хіміко-механічної контактної взаємодії трибосполучень з урахуванням особливостей технологічних середовищ харчової і переробної промисловості.

Вперше грунтовно досліджені, науково обгрунтовані і узагальнені закономірності корозійно-механічного зношування матеріалів і захисних покриттів з урахуванням особливостей роботи обладнання харчових виробництв.

Запропоновані термодинамічна модель корозійно-механічного зношування матеріалів і покриттів, структурна модель абразивного зношування , стуктурно-імовірнісна модель надійності обладнання, методи розрахунку терміну служби, імовірності безвідмовної роботи, довговічності і зношування складають підвалини наукового обгрунтування технічних рішень, які мають на меті забезпечити належний рівень надійності і довговічності обладнання харчової промисловості.

З позицій фізико-хімічної механіки корозійно-механічного зношування досліджено механізм формування, будова і властивості захисних покриттів (електролітичних, газотермічних, електрофоретичних та ін.), що забезпечує науково-обгрунтований підхід до вибору захисних покриттів для деталей обладнання.

Практична цінність і реалізація результатів роботи. Практична цінність дисертаційної роботи полягає в розробці технологічних, конструктивних та експлуатаційних методів підвищення надійності та довговічності обладнання харчових та переробних галузей АПК.

Розроблені розрахункові методи оцінки довговічності деталей машин і апаратів в технологічних середовищах харчових і переробних виробництв, що дозволяє скоротити обсяг випробувань, замінивши їх аналітичними розрахунками, прискорити проектування нового обладнання, виявити необхідну номенклатуру запасних частин.

Розроблені способи аналітичної оцінки розвитку корозійних процесів в покриттях при взаємодії з середовищами та визначені їх оптимальні товщини для ефективного захисту від корозії, одержані дані про зносостійкість сплавів, у тому числі і розроблених автором, в технологічних середовищах і дані рекомендації їх використання при виготовленні, відновленні та зміцненні деталей.

Створені і впроваджені у виробництво нові промислові технології зміцнення та відновлення деталей обладнання нанесенням газотермічних, азотмістких та кластерних електролітичних, електрофоретичних і металополімерних покриттів (А.С.1219226, 1244211, 1259689, 1338403). Розроблені принципово нові конструкції різальних пристроїв для м`ясної і кондитерської промисловості з підвищеною (в 5…10 разів) довговічністю.

Результати роботи впроваджені на 30 підприємствах та в організаціях з економічним ефектом 3 млн. крб. Дільниці зміцнювальних та відновлювальних технологій впроваджені на РМК Київської облспоживспілки, Кременчуцькому РМЗ Укртютюнефірагропрому, Болохівському машинобудівному заводі (Росія), Лучанському та Саливонківському цукрових заводах, малих підприємствах “ЖАЗ” і “КЕНЧ” (Киргизія), спецПМК Киргизспоживспілки та в лабораторії УДУХТ.

Захисні покриття для зміцнення деталей та ріжучого інструменту запроваджувались на тютюнових фабриках міст Києва, Одеси, Черкас, Харкова, в ФМІ НАН України, на Київському ВО “Росинка”, Рівненському ВО “Азот” та заводі “Високовольтної апаратури”, Резекненському заводі “Електробудінструмент” (Латвія), Черкаському ВО “Комплекс”, у ВАТ “Символ”, в ІВП “Поліном”, на Київському дослідно-механічному заводі та в Лохвицькому цукровому комбінаті, на Камянець-Подільському автопідприємстві 16868, в Київському ВО “Медапаратура”.

Впровадження оптимальних різальних вузлів для подрібнення мяса і розрізання пакувальних матеріалів здійснено на кондитерських фабриках міст Києва, Харкова, Маріуполя, Москви, на заводі “Київпродмаш”, на експериментальному мясопереробному підприємстві Київського міськкоопторгу, мясопереробному підприємстві Васильківської райспоживспілки, Черкаському мясокомбінаті.

Результати досліджень використовуються у навчальному процесі УДУХТ при читанні лекцій з курсів “Надійність і довговічність обладнання харчової промисловості”, “Технологічні основи машинобудування”, “Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів”, “Експлуатація та обслуговування машин” та “Монтаж, діагностика та ремонт обладнання”. Вони застосовуються студентами при виконанні курсових і дипломних робіт, в практичній діяльності аспірантів і наукових співробітників.

Особистий вклад автора. В дисертаційній роботі узагальнені результати досліджень, виконаних безпосередньо автором або групою співробітників під його керівництвом. В останньому випадку автор формулював мету, задачі і постановку роботи, аналізував і узагальнював отримані результати. Матеріал дисертаційної роботи не містить ідей або розробок, що належать співавторам, з якими були написані статті. Автором особисто вивчені закономірності зношування, корозії і втрати працездатності деталями обладнання харчових і переробних виробництв та запропоновані конструктивні технологічні і експлуатаційні методи підвищення їх довговічності; розроблені методики експериментальних досліджень; виконані теоретичні та експериментальні дослідження працездатності матеріалів і покриттів при контактуванні з технологічними середовищами і описана фізико-хімічна механіка їх руйнування; створені або використані перспективні покриття і технологічні процеси захисту обладнання від зносу і корозії; виконана математична оцінка фрикційно-контактної стійкості захисних покриттів і розроблені моделі зношування деталей в технологічних середовищах; розроблені технологічні інструкції по зміцненню та відновленню швидкозношуваних деталей; проведена оптимізація технологічних процесів та їх впровадження; підготовлені та опубліковані результати досліджень. При розробці моделей трибоконтактної взаємодії деталей з технологічними середовищами здобувача консультували академік НАН України В.В. Панасюк, д.т.н. В.М. Голубець, д.т.н. М.І. Пашечко. Методика термодинамічного аналізу газотермічних покриттів обговорювалась з д.т.н. М.В. Кіндрачуком. Дослідження внутрішнього тертя та модулів Юнга матеріалів виконані за сприяння співробітників Тульського технічного університету (Росія) к.т.н. О.О. Морозюка та к.т.н. Н.Б. Фомічової. Потенціостатичні дослідження проведено разом з асистентами О.Г. Дзюбом та О.Д. Клюком. Фізико-механічні характеристики азотмістких покриттів визначались в КВО “Медапаратура” при консультуванні з к.т.н. В.Ф. Павленко. Дослідження корозійно-механічного зношування матеріалів в технологічних середовищах цукрових заводів проведені з урахуванням рекомендацій д.т.н. М.М. Пушанко та д.т.н. М.А. Сологуба, а в технологічних середовищах холодильно-компресорного обладнання – з урахуванням рекомендацій к.т.н. В.І. Гоштовта. Ряд досліджень виконано в процесі консультування аспірантів та пошукувачів: Литвиненка О.А., Клюка О.Д., Малигіна А.І., Тіткіна О.О. Аналіз і узагальнення результатів досліджень проведено за участю наукового консультанта О.І. Некоза.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та положення дисертації доповідалися та були обговорені на 22-х Всесоюзних і Республіканських нарадах, конференціях, семінарах, 6-х міжнародних конференціях і симпозіумах, найважливіші з яких: Всесоюзна науково-технічна конференція “Проектування, виготовлення, експлуатація та діагностика вузлів тертя в машинобудуванні” (Рибінськ, 1983); Всесоюзна конференція молодих вчених та спеціалістів “Удосконалення технологічних процесів виробництва нових видів харчових продуктів і домішок” (Київ, 1989); Всесоюзна науково-технічна конференція “Зносостійкість машин” (Брянськ, 1991); Міжнародна науково-технічна конференція “Розробка та впровадження нових технологій і обладнання у харчову та переробні галузі АПК” (Київ, 1993); Всеукраїнська науково-технічна конференція “Розробка та впровадження прогресивних технологій та обладнання у харчову та переробну промисловість” (Київ, 1995 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість” (Київ, 1997 р.); 3-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 1997 р.); Друга Міжнародна Конференція “Конструкційні та функціональні матеріали” “КФМ`97” (Львів, 1997 р.).

Дисертаційна робота в цілому обговорювалася на наукових семінарах в УДУХТ, в Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАНУ та в НТУ “КПІ”.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 50 наукових робіт загальним обємом 22 ум. –друк.арк. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 3-х монографіях, 20-ти наукових публікаціях у фахових журналах (10 моностатей) та 6-ти авторських свідоцтвах і патентах.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, висновків, бібліографічного списку літератури з 457 найменувань, додатків з документами, що підтверджують впровадження та економічну ефективність розробок, містить 295 сторінок, 150 рисунків і 80 таблиць.

Основний зміст дисертації

У вступі розглядаються сутність і стан наукової проблеми та їх значення, обгрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, формулюється мета і задачі роботи, визначається наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджень, подається анотація дисертації.

Перший розділ присвячений аналізу стану проблеми, формулюванні мети і визначенню задач, розвязання яких необхідне для їх досягнення.

На основі аналізу умов роботи і причин втрати працездатності деталей обладнання харчових і переробних галузей АПК (на прикладі цукрової, пиво-безалкогольної, хлібопекарної, кондитерської, м`ясо-молочної, тютюнової промисловості, а також деталей холодильного обладнання) показано, що основними причинами, які призводять до їх швидкого спрацювання, є висока механічна і хімічна агресивность зовнішніх середовищ та використання традиційних конструкційних матеріалів. Особливо у важких умовах експлуатації знаходяться машини і апарати, робочі органи яких працюють безпосередньо в корозійно-агресивних середовищах – дифузійному соці, молочній сироватці, сирній масі, миючих і дезінфекуючих розчинах тощо. Терміни служби такого обладнання невеликі і воно повністю або частково виходить з ладу через 2-3 роки внаслідок зношування і корозійного руйнування деталей під дією хімічно- і поверхнево-активних середовищ. Ряд деталей в харчовій промисловості слугують від одного тижня до декількох місяців.

Грунтуючись на результатах досліджень, зроблено висновок, що надійність і довговічність обладнання визначається зносостійкістю деталей. Разом з тим, використання математичних методів для опису надійності і довговічності обладнання утруднено через брак статистичних даних і складність механічних і фізико-хімічних процесів руйнування матеріалів під дією навантажень і робочих середовищ. З огляду на це, найбільш правильним напрямком розвитку методів оцінки надійності і довговічності обладнання харчової промисловості, що працює в корозійно-активних середовищах, є поєднання імовірнісних методів з вивченням фізико-хімічної сутності процесів, які протікають в робочих шарах деталей. Оскільки обстежені машини, обладнання та апарати виходять з ладу по причині зношування і корозії, то базою для визначення показників надійності і довговічності повинні бути критерії корозії або зносу.

Відзначається, що для розкриття механізму корозійно-механічного зношування матеріалів і покриттів в рідинних агресивних середовищах харчових виробництв необхідно розглянути термодинамічну систему, що зв`язує макроскопічні параметри об`єкту і навантажень з електрохімічними процесами внутрішньої взаємодії та руйнування. Звернуто увагу на те, що сумісний кількісний аналіз різнорідних процесів можливий при введені універсальних енергетичних критеріїв з використанням методів термодинаміки незворотних процесів. Розглянуто сучасні методи забезпечення довговічності і підвищення зносостійкості обладнання і показані приклади їх використання.

Тільки на основі вивчення закономірностей зношування та руйнування деталей, встановленні критеріїв їх довговічності з позицій фізико-хімічної механіки матеріалів можна розробити методи комплексного підвищення надійності і довговічності технологічного обладнання в харчовому та переробному виробництвах. Ці передумови і визначили основні завдання наукового дослідження.

У другому розділі розглядаються результати розробки методичного та технічного забезпечення досліджень, які дозволяють визначити кількісні і якісні параметри процесів, що призводять до руйнування і зношування матеріалів та покриттів, оцінити властивості поверхневих плівок вторинних структур, кількісні параметри електрохімічних і механічних процесів, причини руйнування поверхневих шарів деталей при терті і вплив на це технологічних середовищ харчових і переробних виробництв, можливості управління процесом тертя і зношування з метою підвищення довговічності деталей обладнання харчової промисловості.

Дослідження процесів руйнування при КМЗ в технологічних середовищах харчових виробництв проводились на основі положень фізико-хімічної механіки матеріалів, підвалини якої закладені П.О. Ребіндером, О.О. Ахматовим, Г.В. Карпенком, Г.О. Прейсом, О.І. Некозом, М.А. Сологубом та ін. Дослідження також базуються на теоріях втомного зношування І.В. Крагельського та структурної пристосовуваності Б.І. Костецького.

Для визначення зносостійкості при терті в технологічних середовищах харчових виробництв використовувались серійні машини тертя СМЦ–2, СМТ–1, М–22М та М22–П, а також спеціальні стенди і установки. Дослідження тертя та зношування матеріалів проводились за схемами торцьового тертя, вал-укладка підшипника, вал-лезо ножа, лезо-решітка, лезо-обгортка-лезо та ін. Стенди дають можливість проводити дослідження в різних технологічних середовищах в широкому діапазоні швидкостей і питомих навантажень на контакті в зоні тертя.

Електрохімічні властивості матеріалів і покриттів оцінювались за величиною і характером зміни в часі електродних потенціалів. Корозійна стійкість металів і захисних покриттів визначались згідно з ГОСТ 9012–73. Досліди на корозійну стійкість в умовах періодичного змочування проводились на спеціально виготовленій установці. Швидкість проникнення корозії визначалась згідно з ГОСТ 9.908–85. Пористість покриттів визначалася методом накладування фільтрувального паперу. Обробка результатів вимірювань і спостережень проводилась згідно ГОСТ8.207–76.

Дослідження внутрішнього тертя та модулів пружності матеріалів проводили на кілогерцовій установці в Тульському технічному університеті. Металографічні дослідження захисних покриттів проводили на мікроскопах МБС–2, Неофот та растрових електронних мікроскопах. Залишкові напруження в покриттях визначались за методом Марші та Давиденкова. Міцність зчеплення покриттів з основою визначалась за методом штифта. Фазові перетворення в електролітичних сплавах при нагріванні визначались за допомогою термографічного аналізу. Поверхні тертя вивчались методами оптичної і електроннорастрової мікроскопії. Оже – спектральні дослідження проводились на ОЖЕ – спектрометрі “Джамп 10С”. Визначення відносного вмісту водню в поверхневих шарах деталей здійснювали на енерго-мас-аналізаторі лазерному ЕМАЛ–2 у вакуумі.

Досліди на зношування проводились в модельних і технологічних середовищах харчових виробництв: дистильованій та жорсткій воді, 15 % розчині цукру, лужному (рН11) та кислих (рН4-рН6.5) модельних середовищах, а також в дифузійному соці, вапняному молоці та сатурованому соці. Найбільш агресивні кислі середовища хлібопекарної промисловості моделювалися модельним розчином хліба, а молочної – за допомогою молочної сироватки. Випробування ножів вовчків здійснювали в умовах м`ясопереробних підприємств. Середовища пиво-безалкогольної промисловості моделювались жорсткою водою, насиченою вуглекислим газом, з добавленням спирту, цукру, гліцерину, а також проводились досліди в пиві. Абразивні середовища тютюнової промисловості моделювались за допомогою річного піску та електрокорунду. Для ножів пакувальних машин середовище моделювалось етикетом ОДПЕГ – 40, який широко використовується в кондитерській промисловості. Мастильно-хладонові середовища холодильних компресорів моделювалось мастилами, насиченими хладонами.

У третому розділі розглянуті основні закономірності зношування і корозії конструкційних матеріалів і покриттів в модельних і технологічних середовищах харчових і переробних виробництв.

Досліджувалась зносостійкість нормалізованої, загартованої і електролітично азотованої сталі 40Х, чавуну СЧ 20, а також газотермічних покриттів з бронзи Бр ОЦС-5-5-5, нікель-алюмінієвого сплаву ПН85Ю15, самофлюсованих сплавів виробництва Тулачормет і ТЗНТС, а також дослідні сплави ФМІ та ІПМ НАН України – евтектичні і керамічні матеріали. Випробування проводились при терті по металевих контртілах з сталі 45 і чавуну СЧ 20 без змащування і в кислих модельних середовищах бурякоцукрового, хлібопекарного, пиво-безалкогольного та молочного виробництв. В кожному конкретному випадку досліджена кінетика зношування матеріалів і визначений вид зношування, який потім моделювався в лабораторних умовах.

Встановлено, що зносостійкість плазмових покриттів та контртіл визначається їх складом і властивостями і залежить від умов роботи. За ступенем зростання зносостійкості при сухому терті (рис. 1, а) покриття можна розташувати наступним чином:(конртіло чавун СЧ 20) – Cr2O3 БрА10 Mn28 БрО10 (Al2O3+3%TiO2) ПН85Ю15 титановий електрокорунд рутиловий концентрат; (контртіло сталь 45) – Mn28 БрА10 (Al2O3+3%TiO2) БрО10 Cr2O2 ПН85Ю15 рутиловий концентрат титановий електрокорунд. Отримані результати свідчать, що підбір найбільш підходящих матеріалів для пар тертя ковзання можна зробити в кожному окремому випадку тільки на основі старанного співставлення умов роботи пар тертя, вихідних властивостей матеріалів і тих змін, яким вони піддаються в процесі тертя.

Виявлено, що в технологічних середовищах закономірності руйнування покриттів змінюються. Характер процесу корозійно-механічного зношування визначається насамперед природою матеріалу покриття, його корозійною стійкістю та пористістю. Пористість сприяє активації корозійних процесів по глибині покриття і на поверхні контртіла. В модельному розчині тіста кращими є покриття з оксиду хрому і титанистого електрокорунду, гіршими – покриття з бронзи БрА10 (Рис. 1,б). Тертя бронзових покриттів в парі з чавуном СЧ 20 і сталлю 45 супроводжується випаданням на останніх міді, яка, в свою чергу, при контакті з бронзою сприяє зчепленню поверхонь зразка та контртіла і призводить до підвищеного спрацювання самого покриття. Низьку зносостійкість мають і покриття з порошку сплаву ПН85Ю15.

Проведені дослідження в кислому середовищі, яке моделює середовища бурякоцукрового виробництва з рН 4.4, свідчать, що найбільш зносостійкими в парі тертя зі сталлю 45 є покриття з нормального електрокорунду, оксиду хрому та нікель-алюмінієвого сплаву (Рис. 1, б). Зносостійкість покриттів з порошків ПГ–19М–01 і ПТ–19Н–01 приблизно в 2–2.5 рази нижча. Зносостійкість сталі 45 в парі тертя з покриттями, які випробовувались у цьому середовищі, приблизно однакова.

Розташування покриттів по зносостійкості в молочній сироватці не відрізняється від порядку в інших кислих середовищах, але інтенсивність спрацювання зразків в цьому випадку приблизно в 3 рази менша. Це пояснюється присутністю в сироватці залишків білків та жиру, які додатково змащують поверхні тертя. Таким чином, аналіз результатів випробувань покриттів показує, що їх порядок в ряду зносостійкості для всіх вибраних середовищ однаковий. Це дозволяє використовувати для визначення відносної зносостійкості плазмових покриттів в кислих технологічних середовищах харчових виробництв один з модельних розчинів (зокрема буферні розчини двозаміщеного фосфорнокислого натрію і лимонної кислоти в дистильованій воді, які мають велику стабільність властивостей).

Металографічний аналіз показав, що механізм руйнування робочих поверхонь зразків з металічними і оксидними покриттями в кислих середовищах різний. При цьому металічні покриття зношуються за механізмом, описаним Г.О.Прейсом, М.А.Сологубом, О.І.Некозом та іншими дослідниками. В умовах корозійно-механічного зношування цих сплавів проявляється хемомеханічний ефект, але вплив механічного фактору є більшим і тому покриття за збільшенням зносостійкості розташовані і відповідності з їх мікротвердістю: ПН85Ю15, ПТ–19Н–01, ПТ–19М–01. Встановлено, що зносостійкість оксидних покриттів у цих умовах визначається співвідношенням фізико-механічних властивостей (крихкості, пластичності), а також адгезією і когезією шарів, які наносяться при напиленні, і мало залежать від електрохімічних властивостей робочих середовищ. Спрацювання таких покриттів відбувається шляхом викришування мікрочастинок, які виконують роль абразиву. Проте, після стабілізації тертя, це не викликає помітної інтенсифікації зносу. Покриття з оксидів, маючи велику несучу здатність, можуть бути використанні у важконавантажених вузлах тертя. Так, в роботах М.А.Сологуба показано, що різке збільшення інтенсивності зношування і коефіцієнта тертя в парі “Сталь-бронза” в 15%-ному кислому розчині цукру з рН4.5 наступає за рахунок схоплювання при тискові в зоні тертя 2–3 Мпа. Для пар тертя “Сталь 45 – покриття з порошку Cr2O3” і “Сталь 45 – рутиловий концентрат” в аналогічних умовах випробувань інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя практично не змінюється при збільшенні тиску в зоні тертя до 12 МПа. Це робить перспективним використання порошків оксидів в умовах великих навантажень і дії агресивних середовищ харчових виробництв.

Випробування зносостійкості газотермічних покриттів в умовах абразивного зношування показало, що при терті по не жорстко закріплених частках абразиву результати випробувань можуть залежати від співвідношення розмірів пор в покритті і розміру абразиву. Зокрема, випробування покриттів ПН85Ю15 (система Ni3Al) і ПН70Ю30 (система NіAl) при терті по вільних частинках абразиву (моделювання технологічного середовища тютюнових фабрик) показало, що покриття ПН85Ю15 має меншу стійкість, ніж покриття ПН70Ю30, що зумовлено більшою пористістю останнього. В умовах абразивного зношування збільшення пористості може позитивно вплинути на стійкість покриттів.

По іншому впливає пористість на зносостійкість покриттів в умовах корозійно-механічного зношування. При випробуванні покриттів в розчині, який моделює транспортерно-миючу воду виявилось, що насичення покриття ПТ–ЮНХ16СР3 герметиком і мастилом знижують густину струму корозії відповідно в 1.8 та 1.2 рази, що пояснюється ізоляцією пор і гальмуванням корозійних процесів. Найбільш позитивний електродний потенціал, який характеризується найменшим значенням густини і струму корозії (табл.1) поблизу області малих перенапружень був у покриття ПГ–10Н–01, оплавленого в печі (крива 2 на рис.2).

Використання для насичення полімерів може наблизити корозійну стійкість неоплавлених покриттів ПТ–ЮНХ16СР3 до стійкості оплавленого в печі покриття ПГ–10Н–01 (самофлюсованого евтектичного).

Таким чином, покриття, які працюють в умовах корозійно-механічного зношування, повинні мати не тільки високі механічні властивості, але й високу корозійну стійкість (табл.1). Оскільки газотермічні покриття не суцільні, то процес корозійного руйнування основи, локалізується в порах покриттів. В цьому випадку швидкість корозії основного металу у великій мірі залежить не тільки від матеріалу покриття, але й від його товщини.

Таблиця 1.

Електрохімічні та трибологічні характеристики плазмових покриттів

Покриття | , мВ | і, мА/м2 | *, мм3/мм3

ПТ–ЮНХ16СР3: насичене мастилом– | 580 | 210 | 2.29

ПТ–ЮНХ16СР3: насичене герметиком– | 570 | 180 | 1.89

ПТ–ЮНХ16СР3: без насичення– | 520 | 330 | 1.92

ПГ–10Н–01: після оплавлення СВЧ– | 490 | 230 | 0.92

ПГ–10Н–01: після оплавлення в печі– | 440 | 87 | 0.35

* – зносостійкість по відношенню до загартованої сталі 45

Встановлено, що триботехнічні властивості плазмових покриттів в залежності від навантаження і швидкості ковзання визначаються співвідношенням корозійного і механічного факторів. При цьому, при невеликих Р і V більш суттєвий вплив має корозійна стійкість і спостерігається кореляція з величиною спрацювання. Так, зносостійкість досліджуваних покриттів зростає в такому ж порядку як і збільшення корозійної стійкості: ПТЮ5Н + ПТ–ЮНХ16СР3 ПН85Ю15 ПН55Т45 (рис.3). При підвищенні навантаження та швидкості ковзання знос покриття ПН55Т45 різко збільшується і перевершує величину спрацювання менш корозійностійкого покриття. Це зумовлено превалюванням процесу механічного руйнування поверхні над корозією.

Досліджено закономірності корозійно-механічного зношування металів, газотермічних і електролітичних покриттів в сальникових ущільненнях відцентрових насосів, які перекачують технологічні середовища харчових виробництв. Показано, що зносостійкість досліджуваних матеріалів залежить від властивостей робочого середовища. При роботі в хімічно-активному середовищі вона визначається антикорозійними властивостями та властивостями вторинних структур, що утворюються на поверхні тертя. Більш висока зносостійкість металів і покриттів в дифузійному соці порівняно з кислими буферними розчинами зумовлена наявністю в ньому

поверхнево активних речовин, клітковини. Утворення на поверхні тертя більш міцних оксидних плівок, а також пасивуючих плівок з ОН– – іонів, які перешкоджають розвитку корозійних процесів, зменшує знос покриттів в лужному середовищі до 5–9 разів порівняно з випробуваннями в дистильованій воді.

Досліджено вплив параметрів тертя і поляризації фрикційної системи на працездатність евтектичних покриттів при корозійно-механічному зношуванні в 3% розчині NaCl. Показано, що зносостійкість покриттів в значній мірі визначається електрохімічними процесами, що протікають в зоні тертя, швидкість і характер яких залежить від структури покриття, його хімічного і фазового складу. Найбільшою стійкістю в 3% розчині NaCl характеризуються евтектичні покриття ФМІ–2, ФМІ–3, леговані нікелем. Підтверджена можливість керування процесом корозійно-механічного зношування покриттів шляхом регулювання потенціалу в зоні тертя поляризацією зовнішнім джерелом струму (рис. 4).

Представлені результати дослідження кінетики зношування матеріалів і захисних покриттів в мастильних і мастильно-хладонових середовищах. При наявності мастильно-хладонового середовища коефіцієнт тертя в 1.3–1.7 разів, а інтенсивність зношування в 1.5–8 разів вищі, ніж при випробуванні в чистому мастилі. Виключення складають пари тертя з іонно-плазмовими покриттями нітриду титану і ванадію. Їх триботехнічні характеристики не залежать від середовища і практично стабільні в заданому діапазоні швидкості ковзання. Це зумовлює їх перспективність для зміцнення деталей холодильних компресорів.

Виявлено, що в залежності від умов тертя можуть реалізовуватися ефекти вибіркового переносу та Ребіндера. Встановлено, що суттєвий вплив на реалізацію вибіркового переносу має використання газотермічного покриття системи Fe – C – Si – Ti в парі з бронзою Бр.ОЦС – 5 – 5 –5. В парі тертя з газотермічним покриттям системи Fe – C – Si – Al явище вибіркового переносу не спостерігається.

За допомогою повнофакторного планування експерименту отримані статистичні моделі, які адекватно встановлюють зв`язок між зносом покриття (Y1), контртіла (Y2) і коефіцієнтом тертя (Y3) та параметрами тертя (Х1 – питоме навантаження; Х2 – щвидкість ковзання), зокрема при терті евтектичного покриття на основі заліза, легованого алюмінієм, по контртілу з плакованого сплаву АЛ–4 в мастильно-хладоновому середовищі:

Y1=1,63+0,97Х1–0,152Х2+0,490Х1Х2+0,370Х12+0,397Х22; (1)

Y2=11,95+4,02Х1+0,61Х2+2,92Х1Х2–1,82Х12+0,81Х22; (2)

Y3=0,045+0,008Х1–0,022Х2–0,004Х1Х2+0,009Х12+0,018Х22 (3)

Аналіз результатів дослідження довговічності розроблених нових електролітичних покриттів в модельних розчинах харчових виробництв (нейтральних, кислих, лужних) показав, що в кислих середовищах електролітично азотовані сталі не стійкі, але мають підвищену стійкість в нейтральних та лужних середовищах. Проте азотовані деталі в кислих середовищах мають оксидні плівки, які характеризуються добрими екрануючими властивостями, а азотовані шари відзначаються “бар`єрним ефектом”, зумовленим впорядкованою кристалічною структурою і підвищеною енергією зв`язку між атомами, які гальмують вихід дислокацій. Схоплювання електролітично азотованих поверхонь з цієї причини навіть при великих тисках не відбувається.

Цукроза присутня в багатьох технологічних середовищах харчових виробництв. Дифузійний, сульфітований, сатурований, дефекований соки, сиропи, утфель, патока в бурякоцукровому виробництві мають у своєму складі цукрозу. Зменшуючи електропровідність розчину, вона гальмує процеси корозії залізовуглецевих сталей і покриттів, підвищує зносостійкість і знижує коефіцієнт тертя (рис. 5). ЇЇ вплив залежить від електрохімічної активності середовища. Додавання 15% цукрози до дистильованої води підвищує зносостійкість нормалізованої і азотованої сталі 40Х відповідно в 4 і 2, а до буферного розчину лимонної кислоти в 1,5 та 1,3 рази.

З метою розробки зносостійких наплавочних матеріалів досліджено фізико-хімічні процеси, що мають місце при абразивному зношуванні. Визначено оптимальний вміст кремнію в матеріалах на Fe–Cr–Ni – основі, що забезпечує підвищення абразивної зносостійкості деталей, зміцнених плазмовим наплавленням, в 2–7 разів. Зроблено спробу пов`язати зміну структурних параметрів наплавлених Fe–Cr–Ni–Si покриттів з рівнем їх абразивної зносостійкості. Показано, що на зносостійкість молотків зерноподрібнювачів суттєво впливає рівень дифузії атмосферного кисню.

Подано результати дослідження кавітаційно-ерозійного зношування евтектичних покриттів у прісній воді та 3% розчині NaCl. Проаналізовано вплив структури і основних фізико-механічних властивостей покриттів, одержаних з використанням концентрованих джерел енергії, на механізм і кінетику їх кавітаційного зношування. Встановлена кореляція між швидкістю кавітаційного руйнування, розміром структурних складових і механічними характеристиками покриття.

У четвертому розділі представлені результати розробки конструктивних, технологічних і експлутаційних методів підвищення довговічності ріжучих інструментів для харчової і переробних галузей АПК. Відзначається, що різальні пристрої пакувальних машин і вовчків для подрібнення мяса мають недостатню надійність і довговічність через низьку стійкість ножів, яка є однією з основних причин частих зупинок загортувальних автоматів та вовчків, зниження їх продуктивності і збільшення браку.

Проведені дослідження показали, що головним недоліком різальних вузлів загортувальних машин кондитерської промисловості, які виробляються на вітчизняних заводах та за кордоном, є використання циліндрогіперболічних схем різання. За цією схемою лезо рухомого ножа утворює при обертанні у просторі циліндричну поверхню , а лезо нерухомого ножа при інверсії обертання описує поверхню гіперболоїда обертання, бо кути їх нахилу до горизонтальної площини не однакові. Ці дві поверхні неможливо сумістити і вузол неможливо налагодити для роботи без обламування ріжучих лез ножів, що знижує зносостійкість інструменту.

Вибрана раціональна схема різання і наводяться теоретичні основи розрахунку різальних пристроїв гіперболічного симетричного типу. Доведено, що гіперболічна схема різання, при якій кути нахилу лез ножів однакові, є більш перспективною, тому що при її використанні початковий зазор між лезами відсутній.

Для різальних пристроїв пакувальних автоматів кондитерської промисловості, які проектуються за гіперболічною симетричною схемою різання встановлені раціональні конструктивні параметри. А для збільшення довговічності ножів і забезпечення однако-вих умов різання обгортувальних матеріалів при нових і зношених ножах запропоновано (а.с. № 863334) при зношуванні наближувати їх в основній площині, яка є перпендикулярною до площини різання.

Запропоновані методи підвищення довговічності ножів мясоподрібнюючих вовчків та ножів пакувальних машин кондитерської промисловості за допомогою поверхневої модифікації лез. Наприклад, застосування детонаційного напилення для зміцнення передніх граней ножів загортувальних автоматів дає можливість реалізувати ефект самозаточування ножів, завдяки чому їх стійкість збільшується в 3 рази, а насичення граней ножів синтетичними алмазами методом шаржування збільшує їх довговічність в 3,5 рази. Досить перспективними для підвищення зносостійкості ножів пакувальних машин є використання для зміцнення нітридних (TiN) іонно-плазмових, електролітичних типу “вольфрам-нікель-азот” (а.с. №№1244211, 1219226) і кластерних покриттів (табл. 2). Покриття в таблиці відповідно позначені НТ, ВНА, КВНА.

Зміцнення обертових папероріжучих ножів з швидкоріжучої сталі Р18Ф2 указаними покриттями підвищує їх зносостійкість в 1,4–2,2 рази, а із сталі 55Х6ВЗСМФ – в 1,3–3,2 рази. Ефект збільшення зносостійкості більше проявляється на малолегованих і середньохромистих сталях.

Таблиця 2

Вплив захисних покриттів на зносостійкість обертових ножів

цукеркозагортувальних машин

Марка сталі ножа | Тип покриття | Стійкість

(млн.циклів)

Нерухомого | Обертового

ХВГ | Р18Ф2 | Без покриття

НТ

ВНА

КВНА | 47,5

64,2

83,0

104,5

Р6М5 | Без покриття

НТ

ВНА

КВНА | 22,0

26,4

41,8

52,8

55Х6ВЗСМФ | Без покриття

НТ

ВНА

КВНА | 16,0

20,8

35,2

51,2

Газоплазмові антифрикційні вставки були запропоновані для підвищення довговічності ножів і решіток у вовчках типу МП–160 для подрібнення м’яса (а.с.1375218). Перед напиленям в решітці (рис.6) свердлились сфероподібні заглиблення, а потім, за допомогою плазми і спеціального екрану, вони заповнювались бронзою, яка допущена санітарними службами до контакту з мясом (БрА9Ж4).

Кількість та діаметр напилених плазмою антифрикційних вставок можуть бути різними, але на концентричному колі і-го радіуса повинно бути не менше однієї вставки для збереження безперервності утвореної мідної сервовитної плівки на поверхні решітки. Величина радіуса кожного концентричного кола вибирається з співвідношення:

Ri = Ri-1 + Dв/n, (4)

де Ri - радіус першого кола, на якому розташована і-та вставка; Ri-1 - радіус найближчого меншого кола, на якому розташована вставка і -1; Dв - діаметр антифрикційної