7. Забезпечення надійності та довговічності обладнання харчових виробництв

У сучасних виробництвах проблеми підвищення надій­ності й довговічності машин і обладнання є особливо актуаль­ними. Витрати на підтримку роботоздатності різноманітних технічних об'єктів і систем постійно збільшуються. Аналіз даних щодо ремонту обладнання у харчовій і переробній промисловості показує, що на лік­відацію наслідків його корозії потрібно близько 80 % усіх витрат на ремонт, а витрати, пов'язані з корозією, становлять близько 2 % вартості основних виробничих фондів. Наприк­лад, річні втрати матеріалів від корозії лише на виноробних підприємствах у світі досягають 15 млн т. Основні причини відмов технічних об'єктів, серед яких спрацювання, руйну­вання від утомленості, корозія, потрібно ретельно вивчити і по можливості усунути.

Втрати роботоздатності виробів унаслідок відмов при­зводять до простоїв, значних витрат на ремонт і запасні час­тини. За останні 10 років на ремонт обладнання харчових під­приємств України витрачено кошти, порівнянні з вартістю основних виробничих фондів.

Трудомісткість ремонтних робіт значно перевищує трудомісткість виготовлення нових машин, оскільки ремонт обладнання за рівнем оснащення значно відстає від основного виробництва. До 70 % ремонт­них робіт виконується вручну, а деталі, які виготовлені в ре­монтних цехах замість спрацьованих, в 5—10 разів дорожчі за деталі, виготовлені на заводах, що випускають техноло­гічне обладнання. Наприклад, середня трудомісткість виго­товлення металорізального верстата 1К62 становить 216 нормо-годин, а його капітального ремонту — 700. Ресурс роботи біль­шості тракторів та їхніх двигунів — 3000...5000 год, а після капітального ремонту не перевищує 1500 год.

Підраховано, що запобігання позаплановим простоям цукрових заводів, наприклад у країнах СНД, рівноцінне вве­денню в експлуатацію 14 середніх за потужністю заводів, а 60 % часу їх простоїв зумовлені недостатньою надійністю і довговічністю обладнання.

Тому підвищення зносостійкості вузлів тертя машин і захист від корозії елементів конструкції апаратів є головними напрямами підвищення на­дійності та довговічності устаткування галузі.

7.1 Підвищення довговічності обладнання конструкторським шляхом

Конструктивне виконання деталей і вузлів обладнан­ня для забезпечення довговічності та зносостійкості слід про­водити з урахуванням:

• раціональної схеми роботи вузлів, їх конфігурації і розмірів;

• доцільного розрахунку та вибору кінематичних і сило­вих параметрів навантаження елементів контактної взаємодії;

• раціонального вибору матеріалів для виготовлення деталей, які взаємодіють із технологічними середовищами;

• вибору ефективних видів мастил і систем змащування вузлів, а також захисту їх від потрапляння технологічних середовищ і абразивних частинок;

• необхідності забезпечення ефективної системи від­ведення теплоти від поверхонь тертя;

• забезпечення технологічності та ремонтопридатності вузлів обладнання.

У високопродуктивних загортальних машинах пакуваль­них автоматів, застосовують паперорізальні вузли з одним оберто­вим, а іншим нерухомим ножами. Паперорізальні пристрої мають недостатню надійність і довговічність унаслідок низької зносостійкості ножів, що є однією з основних причин частих зупинок загортальних автоматів, зниження їх продуктивності та збільшення ви­пуску бракованої продукції.

Проведені дослідження показали, що головним недо­ліком паперорізальних вузлів є викорис­тання переважно нераціональної циліндрично-гіперболічної схеми різання (рис. 15.2). За цією схемою лезо рухомого ножа при обер­танні у просторі описує ци­ліндричну поверхню, оскіль­ки кут нахилу леза до гори­зонтальної площини Х₁=0, а лезо нерухомого ножа при інверсії обертання опи­сує поверхню гіперболоїда обертання, адже кут його нахилу до горизонтальної площини Х₂=0. Ці дві по­верхні не можна сумістити, а паперорізальний вузол — налагодити для роботи без обламування різальних лез ножів, що зменшує їх дов­говічність.

Перспективнішою є гіперболічна симетрична схема різання. Загальний вигляд роз­робленого авторами паперо­різального вузла з гіпербо­лічною симетричною схе­мою різання наведено на рис. 15.3, а його конструкцію і схе­му різання — на рис. 15.4. У прямокутні пази (рис. 15.4, а) корпусу 7 установлено планку 6, до якої гвинтами 16 прикріп­лено дволезовий нерухомий ніж 15. Його різальне лезо нахилене до горизонтальної площини під кутом Х_г за рахунок виготовлення похилої площини на планці. З одного боку на планку діють регулювальні гвинти 8, а з другого — пружини 11, які розміщені в кришках 17, прикріплених до корпусу гвинтами 12. Сумарне зусилля пружин становить 150...200 Н, що захищає ножі від перевантаження. Гвинти 13 не дають планці зміщуватися вбік. Поворотний ніж 14, закріплений на валу 5 гвинтами 1, нахилений під кутом Х₁ до осі вала. Кути нахилу різальних лез до горизонтальної площини Х₁ = Х₂. У налагодженому вузлі різальні леза обертового і нерухомого ножів (при інверсії обертання) описують поверхні гіперболоїдів обертання, які зливаються. Розміщення вала без нахилу у вертикальній площині, де встановлено різальне лезо нерухомого ножа, поліпшує роботу зчеплення шестерень 2 і 10. Розроблена конструкція при кутах Х₁ = Х₂ = 25...35' забезпечила збіль­шення стійкості ножів зі сталі ХВГ у 2 рази.

Дослідження роботи модернізованого вузла показали, що у міру спрацювання ножів їх наближають один до одного за рахунок переміщення планки з нерухомим ножем у гори­зонтальній площині, що супроводжується спотворенням гео­метрії гіперболічної симетричної схеми різання і зміною міс­ця контакту різальних лез. Це зумовлює їх повторне припрацювання, стрибкоподібне зростання фаски спрацюваня і ра­діуса зокруглення леза ножів та їх швидкий вихід з ладу.

Цю проблему розв'язано за рахунок зміни конструкції па­перорізального вузла. Корпус 1 має прямокутні отвори (рис. 15.5, а), в яких розміщено клиноподібну планку 6 з нерухомим ножем 2, вал 5 з рухомим ножем 3 і фіксатори 4. Планку з нерухомим ножем установлено в корпусі по­хило вздовж лінії аЬ (рис. 15.5, б), перпендикулярної до дотич­ної сії,. Планка має отвори, в які установлено спіральні пружини 8. її прикріплено до корпусу гвинтами. На ній розміщено напрямну гребінку 7, по якій ковзає обгортальний папір. Та­ке розміщення планки з нерухомим ножем максимально змен­шує спрацювання ножів, оскільки місце припрацювання при регулюванні розташування лез ножів залишається незмінним.

Таким чином, завдяки використанню нової схеми рі­зання і застосуванню раціональної конструкції ножів, дов­говічність паперорізальних ножів зросла майже в 5 разів.

На підприємствах харчової промисловості поширене застосування відцентрових насосів для перекачування тех­нологічних продуктів, гарячої і холодної води, мийних розчи­нів тощо. Аналіз роботи цих насосів показав, що через кілька місяців роботи доводиться замінювати або ремонтувати робо­чі колеса через виникнення тріщин на диску колеса та лопа­тях (рис. 15.11). їх утво­рення спричинене інтен­сивною кавітаційною дією рідини, а також явища­ми втоми внаслідок вібра­ції колеса і високим рів­нем внутрішніх напру­жень на його периферії, що виникають при штам­пуванні лопатей.

Матеріал перифе­рійних ділянок колеса за лопатями перебуває в складному напруженому стані. Під дією відцентрових сил виникають розтягальні напруження, значення яких становить понад 2 МПа. Робочі колеса серійних насосів виготовляють листовим штампуван­ням, використовуючи для утворення лопатей операцію надрі­зування. Напруження, що виникають у місцях надрізування, досягають 20...40 % границі міцності матеріалу. В умовах дії розтягальних напружень і кавітації в корозійних техноло­гічних рідинах інтенсивність кавітаційного спрацювання зростає на 60...70 %.

Аналіз геометричних параметрів робочого колеса дав змогу знайти способи підвищення ефективності роботи насо­са і його довговічності завдяки вдосконаленню конструкції. У серійному робочому колесі є три радіальні лопаті (див. рис. 15.11). Водночас відомо, що насоси із загнутими назад лопатями забезпечують більший коефіцієнт корисної дії. На підставі виконаного аналізу і розрахунку професор О.І. Некоз запропонував нову конструкцію робочого колеса, яка дає можливість зменшити витрати дефіцитної високолегованої сталі, підвищити довговічність і ефективність роботи насосів.

Робоче колесо серійного насоса складається з передньо­го диска 1 (див. рис.15.11), основного диска 2 з лопатями 3 і заднього диска 4. У запропонованій конструкції відпадає потреба у використанні заднього диска, основний диск су­цільний, а до нього точковим зварюванням приварено лопаті з кутом на виході 30°. Зміна геометричних па­раметрів, кількості лопатей і конструкції колеса забезпе­чила поліпшення його харак­теристик (рис. 15.12) і унемож­ливила тріщини та кавітацій­не руйнування.

Конструкція роликів пневматичних підіймачів блоків розливу пиво-безалкогольної продукції Т1-ВДР-2 та Т1-ВРЦ-12 (рис. 15.20, а) має певні недоліки: роликопідшипники 9 руйнуються через 6 міс експлуатації; розбиваються місця для посадки підшипників у роликах; високотверда поверхня ролика 1 інтен­сифікує спрацювання копіра блока, реставрація якого досить трудомістка; змащування підшипників 9 через маслянки 4, які закріплені в кришках З, ущільнених прокладками 2 і болтами 7, що розташовані у важкодоступному місці, по­требує великих витрат часу; часта заміна дефіцитних роли­копідшипників 9 у великій кількості (120 штук у кожному блоці) робить експлуатацію блоків незручною і дорогою.

Тому ме­талеві ролики було замінено на капронові (рис. 15.20, б). У такий спосіб спрощено конструкцію кріплення ролика 1 до кронштей­на 4 за допомогою шайби 2 та гайки 3. З'явилася можливість швидкої заміни ролика 1, виключене змащування вузла і підвищена довговічність копіра.

Істотне зниження корозійних руйнувань харчового об­ладнання часто забезпечується системами вентиляції, які раціонально сконструйовані та ефективно працюють. Такі системи не дають можливості парам технологічних і допоміж­них середовищ поширюватися за межі простору ведення ви­робничих процесів. Наприклад, забезпечення витяжною вентиля­цією камер підв'ялення солодосушарок ЛСХА-10 істотно знижує корозійні руйнування розташованого в них обладнання.

При контакті з технологічними рідинами, що містять значну кількість твердих домішок (транспортно-мийні води, вапняне молоко в цукровому виробництві), може виявитися абразивне спрацювання з високою інтенсивністю. При цьому ефективним може бути метод підвищення довговічності вуз­лів тертя завдяки примусовій подачі чистої води в зону тертя. За даними професора М.А. Сологуба, таким методом вдалося на 75 % зменшити спрацювання валів і підшипників буряко-мийних агрегатів.

На підприємствах харчової промисловості трапляються такі характерні конструктивні похибки, які зменшують дов­говічність і спричинюють підвищене кородування металів: наявність в обладнанні важкодоступних щілин і зазорів, які заповнюються залишками агресивних середовищ; застійних зон в апаратах, упорних ділянок продуктопроводів, які не мають ухилів для зливання надлишків продукту; грубе об­роблення металевих поверхонь, яке створює умови для на­копичення забруднень, пилу, осадів; застосування профіль­них форм спряження поверхонь замість округлих; виготов­лення прямокутних і пірамідальних місткостей замість ци­ліндрично-конічних; використання поєднань різнорідних металів, які розташовані далеко один від одного в електрохі­мічному ряду напружень; нерівномірний розподіл темпера­турних навантажень, який зумовлює значне місцеве перегрі­вання окремих частин апаратів.

Найпростішим конструктивним способом забезпечен­ня розрахункового терміну служби обладнання, яке контак­тує з агресивними середовищами, є визначення припуску на корозію за товщиною стінок його деталей. Цей метод використовують заводи-виробники обладнання, збільшуючи металомісткість конструкцій. Так, у вітчизняних теплообмінниках і комунікаціях викорис­товують труби завеликої товщини, що не зумовлено ні міц­ністю, ні корозійними вимогами.

Відомо, що висока корозійна стійкість іржостійких ста­лей зумовлена наявністю самовідновлюваної оксидної плівки завтовшки близько 10"³ мкм. Цей пасивний шар може по­шкоджуватися за недбалого зберігання, транспортування, не­правильного проведення санітарного оброблення обладнан­ня. При цьому захисний ефект може не тільки знизитись, а й зовсім зникнути. При неправильному термообробленні іржо­стійкої сталі на межі поділу зерен металу виділяються карбі­ди хрому і вона може руйнуватися внаслідок міжкристалітної корозії, а її механічні властивості відразу погіршуються.

Для теплообмінників трубні решітки невеликих діамет­рів, фітинги, фланці доцільно виготовляти штампуванням з наступним відпалюванням (для усунення деформацій), а ін­ші елементи — прокатуванням. Відпалюванням зварних швів, хімічним або електролітичним травленням знімають на­пруження та видаляють тонкі напружені прошарки після механічного оброблення, запобігаючи корозійному розтріс­куванню металевих поверхонь.

Раціональний вибір технологічних процесів зварюван­ня, відливання, оброблення металів тиском, механічного об­роблення поверхонь деталей також істотно підвищує стій­кість обладнання до дії руйнівних чинників.