УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ НОЖЕЙ ДЛЯ ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ И МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ.

Романюк С. П., аспирант

(Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко)

Оборудование пищевых производств чрезвычайно разнообразно по назначению и конструкторским решениям технологических задач. Все это разнообразие машин и аппаратов определяется, с одной стороны, различными технологическими свойствами сельскохозяйственного сырья растительного и животного происхождения, а с другой — многообразием потребительских свойств готовой продукции.

В пищевой промышленности измельчение осуществляют в следующих целях: для подготовки сырья, придания продукту требуемой консистенции и т.д. Значительная часть продуктов, используемых в пищевой промышленности, при измельчении подвергается деформации и имеет большую влажность. Эти продукты относятся к условно твердым.

Способы измельчения подразделяют на следующие: раздавливание, раскалывание, разламывание, резание, распиливание, истирание, измельчение с помощью удара.

Высокие требования к надежности технологического оборудования пищевых производств обусловлены тем, что в большинстве случаев отказы в работе приводят к нарушению технологического процесса и потере продукта.

Для элементов технологического оборудования, контактирующего с пищевыми средами или - моющими, особо важную роль играет коррозионная стойкость.

Технологические процессы пищевых производств протекают при высоких и низких температурах, значительном давлении и вакууме при больших скоростях потоков и длительной выдержке в этих средах и состоянии покоя. Это также сопровождается изменениями рН сред в широком диапазоне, обуславливающими агрессивность их воздействия. К основным критериям работоспособности оборудования и их отдельных деталей относятся: прочность, жесткость, износостойкость, тепло- и хладостойкость, виброустойчивость, коррозионная стойкость.

Под тепло- и хладостойкостью при конструировании понимают способность деталей оборудования сохранять работоспособность при повышенных или низких температурах, а также при циклических колебаниях температуры. Как правило, это обеспечивается только правильным выбором материала. Важнейшим условием использования материалов в любой конструкции является их совместимость с рабочей средой.

Функциональное назначение режущего инструмента – сохранять свою работоспособность в течение заданного времени резания. Потеря работоспособности в период запланированного времени эксплуатации приводит к негативным последствиям процесса резания, особенно, в условиях автоматизированной обработки.

Целью настоящей работы является анализ факторов, обеспечивающих увеличение срока службы режущего инструмента в перерабатывающей промышленности на основе определения наиболее весомых причин отказов.

Режущий инструмент при непрерывном и прерывистом резании эксплуатируется в крайне экстремальных условиях. В отличие от обрабатываемого материала, деформируемые объемы которого подвергаются наиболее интенсивному воздействию в течение долей секунды, является режущее лезвие. Оно непрерывно сопротивляется изнашиванию, деформированию и разрушению в течение промежутка времени на несколько порядков больше, чем деталь в целом.

Необходимым условием работы режущего инструмента является геометрический профиль режущего лезвия и его положение относительно обрабатываемой поверхности. Нарушение этих условий вследствие формоизменения лезвия или его положения (например, при вибрации) приводит к потере работоспособности и увеличению риска отказа режущего инструмента.

Экспериментальные исследования выполнены на ножах кондитерского производства. Основными параметрами режущего инструмента являются:

- толщина дискового ножа 0,7мм

- диаметр 75мм

- величина режущей кромки 3мм

В процессе эксплуатации основными дефектами режущего инструмента являются: изменение формы лезвия, его абразивное изнашивание, коррозия рабочей поверхности, скалывание режущей кромки, разрушение, пластическая деформация (рис. 1).

Формоизменение режущего лезвия осуществляется также и в результате его изнашивания. Затупление режущего инструмента происходит при действии одновременно протекающих различных видов изнашивания и пластического формоизменения.

Абразивное изнашивание инструмента протекает в результате микроцарапания твердыми компонентами обрабатываемого материала передней и задней поверхностей инструмента.

Работоспособное состояние режущего инструмента (лезвия) характеризуется таким состоянием, при котором он способен выполнять обработку резанием с установленными требованиями. Отказом режущего инструмента является нарушение его работоспособного состояния в результате отклонений от заданных хотя бы одному из параметров, требований или характеристик обработки, выполняемой этим инструментом.

Различают внезапный и постепенный отказы режущего инструмента. Внезапный отказ наступает, как правило, вследствие его разрушения независимо от времени использования этого инструмента (внезапная поломка). Постепенный отказ наступает после достижения критического значения критерия оптимального или технологического износа из-за постепенного накапливания повреждений. Изнашивание может явиться не прямой, а лишь косвенной причиной отказа, при этом характерно сочетание постепенного накопления повреждений со скачкообразным изменением состояния инструмента. Это характерно для процессов образования нароста и его срыва с режущего лезвия. Отказ инструмента при резании может возникать в результате действия нескольких независимых причин. Все характеристики процесса резания (сила, температура, уровень вибраций и др.) непрерывно изменяются вследствие не только изнашивания инструмента, но и нестационарной природы самого процесса резания. Поэтому на практике постепенный отказ рассматривают как критическое состояние режущего инструмента, при котором он не обеспечивает заданных требований по производительности, точности и качеству обработки. Внезапный отказ режущего инструмента может произойти вследствие выкрашиваний режущей кромки (сколов) или его разрушения. Внезапный отказ инструмента наступает в результате усталостных явлений, обусловленных его динамическим нагружением из-за наличия вибраций в технологической системе (в результате не эффективной наладки оборудования или повреждения режущей кромки – ее деформации, см. рис. 1.в. Развитие вибрации приводит не только к деформации режущей кромки, но и всего ножа.

Причины отказа кроются в условиях резания, когда действие многочисленных факторов создает труднопрогнозируемую ситуацию реакции режущего инструмента.

К основным причинам отказа относятся:

- хрупкое разрушение рабочих поверхностей (микро- и макровыкрашивание), которое является результатом постепенного накапливания и развития микротрещин под действием сил циклического механического и термического происхождения;

- формоизменение режущего лезвия в результате деформации;

- скалывание режущей кромки в результате попадания твердых инородных тел;

- разрушение инструмента (поломка).

Анализ применяемых материалов

 Режущие машины предназначены для измельчения растительного сырья на частицы правильной формы и определенных размеров для соблюдения одинаковых режимов при дальнейшей обработке и дозировке. Качество резки зависит от конструктивных особенностей машины, режима ее эксплуатации, от вида и состояния сырья и режущего инструмента. Резка сырья осуществляется стальными ножами различной формы (пластинчатыми, дисковыми, треугольными, трубчатыми, серповидными, винтовыми и т.д).

Дисковый нож может производиться методом штамповки из листа металла или вытачиванием из заготовки. Срок службы дискового ножа напрямую зависит от правильного подбора стали, из которой он изготавливается, термообработки, а также способов упрочнения режущей кромки. Дисковые ножи для дробления орехов в кондитерском производстве (рис. 2, а), имеют двухстороннюю заточку. Изготавливаются они из импортных и отечественных марок сталей, таких как нержавеющая 20Х13 и конструкционная рессорно-

пружинная 65Г [1]. Дисковые ножи для табачной промышленности (рис. 2, б) изготавливают из стали 30Х13.

В перерабатывающей промышленности широко используются ножи для переработки свеклы (рис. 3) в сахарном производстве, какао (рис. 4), картофеля, мяса (рис. 5), соломы и другой сельскохозяйственной продукции. Эти изделия изготавливают, как правило, из углеродистой стали: например, 0,5 % С – ножи для резки сахарной свеклы, 0,7 % С – ножи для резки мяса [2]. На практике свеклорезные ножи для получения стружки из свекловичных корней методом резания изготавливают из стали 65Г или же из стали У8 [3].

Побочным продуктом производства какао тертого, является какао-велла — оболочка бобов (шелуха). Имея повышенную твердость, она является абразивом и вызывает ускоренный износ режущего инструмента, измельчающего оборудования. Поэтому при изготовлении ножей для дробления какао – веллы в кондитерском

производстве применяют  конструкционную углеродистую качественную сталь Ст.45, которая обладает максимальной прочностью, надежностью и достаточной износостойкостью.

Выбор материала для производства куттерных ножей зависит от условий резания, формы заточки, сорта разрабатываемого в процессе резания сырья. В настоящее время в промышленности применяют куттерные ножи, изготовленные из специальной легированной нержавеющей стали. Но для удешевления производства при изготовлении ножей для промышленных мясорубок, куттеров на мясоперерабатывающих предприятиях чаще используют более дешевую сталь 65Г или же 60С2 [4].

Внешний вид упаковки реализуемой пищевой продукции является составной частью всего технологического процесса производства пищевых предприятий. Применяя ножи различной конфигурации, можно упаковывать продукты всевозможной формы и размеров, например, курагу, чернослив, используя пленку разных типов и толщины. Один из вариантов ножей представлен на рисунке 6. В качестве верхнего ножа используется нож зигзаг, режущая кромка которого выполнена в виде зигзага, или прямой нож. Нижний нож имеет гладкую режущую поверхность, или же с небольшим радиусом скругления для лучшего контакта с верхним. При изготовлении таких ножей применяют стали У8 или 9ХС.

Для детализации конкретных причин выхода режущего инструмента из эксплуатации необходимо анализировать и исследовать кинетику развития процессов их повреждаемости на основе не только макроскопическую картину повреждаемости, но и особенности структурной приспосабливаемости к конкретным условиям эксплуатации инструмента, но и уделять особое внимание зарождению и развитию повреждаемости.

Повысить стойкость режущего инструмента возможно как выбором наиболее эффективного материала, так и дополнительными упрочняющими обработками. На наш взгляд наиболее целесообразным следует признать применение для упрочнения высококонцентрированных источников энергии, т. к. их применение не требует последующей механической обработки изделия.

Выводы:

1. Анализом показано, что скорость износа, а значит, время достижения инструментом неработоспособного состояния, зависит от большого количества факторов. Поэтому для оценки значимости каждого из этих факторов и прогнозирования стойкости инструмента необходимо выявить особенности повреждаемости и провести более глубокие исследования процессов изнашивания поверхности исследуемых инструментов. Определить основные причины отказов и выработать наиболее эффективные направления для повышения их износостойкости.

2. Износ, коррозия, деформация и другие дефекты режущего инструмента приводят к нарушению в работе оборудования и целых автоматизированных производственных линий. Поэтому наиболее актуальной и перспективной на данный момент является разработка технологии поверхностного упрочнения, позволяющая повысить износостойкость инструмента с учетом его назначения, условий работы и материала. Применение прогрессивных способов упрочнения режущего инструмента даст возможность получить изделия с высокими физико-механическими свойствами, продлить срок службы и снизить себестоимость продукции.

Список литературы

1. Скобло Т. С., Сидашенко А. И., Романюк С. П. Особенности износа дисковых ножей для кондитерского производства //Промышленность Focus+.– 2012. – № 9. - С. 38 - 40.

2. Тюрин Ю.Н., Жадкевич М.Л. Плазменные упрочняющие технологии. К.: Наукова думка, 2008. - 216с

3. Черных Д. И. Анализ состояния ножей для переработки сахарной свёклы в эксплуатации по коэрцитивной силе //Материалы XV Международной научно-производственной конференции (23-26 мая 2011 года). Белгород, 2011. - С 238

4. Некоз А.И., Колесниченко Т.А., Батраченко А.В. Импульсно-плазменное упрочнение  ножей мясорежущих машин // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. – 2010. - № 1