7.3 Підвищення зносостійкості обладнання шляхом раціонального вибору матеріалу деталей

При механічній взаємодії відбувається вишкрябування (мікрорізання, відривання частинок матеріалів деталей пари тертя), відшаровування (у результаті багаторазового вигла­джування), викришування (у результаті неоднорідного ста­ну поверхневих шарів), мікроруйнування (відшаровування, викришування, оплавлення) поверхонь тертя.

На основі запропонованих класифікацій видів спрацю­вання встановлюють такі його види:

Механічне — спрацювання внаслідок механічних впливів.

Корозійно-механічне — спрацювання в результаті механічного впливу, що супроводжується хімічною або еле­ктричною взаємодією матеріалу з середовищем.

Абразивно-механічне — спрацювання матеріалу в результаті переважно різальної дії на матеріал твердих час­тинок, що перебувають у вільному чи закріпленому стані.

Ерозійно-механічне — спрацювання внаслідок дії потоку рідини або газу.

Гідроабразивне (газоабразивне) —абразивне спра­цювання внаслідок дії твердих частинок, завислих у рідині (газі), які переміщуються відносно спрацьованого тіла.

Втомлювальне — механічне спрацювання в резуль­таті руйнування від утомленості при циклічному деформу­ванні мікрооб'ємів матеріалу поверхневого шару, яке може відбуватись як при терті кочення, так і при терті ковзання.

Кавітаційне — гідроерозійне спрацювання при пе­реміщенні твердого тіла відносно рідини, при якому буль­башки газу, розчиненого в ній, захлопуються поблизу поверх­ні, внаслідок чого створюється місцеве підвищення тиску і температури.

Склад середовищ харчових виробництв надзвичайно різноманітний. їх умовно можна поділити на мінеральні та органічні (або речовини, які їх містять). До першої групи на­лежать водні розчини мінеральних кислот, іони металів, вод­ні середовища, що містять різні абразивні домішки. Другу групу складають дуже численні й різноманітні вуглецевмісні сполуки рослинного і тваринного походження. Крім того, виробництво харчових продуктів пов'язане з гідравлічним транспортуванням і миттям сировини, проце­сами гідролізу, екстрагування, фільтрації тощо. Для здійс­нення гідролізу, екстрагування, фільтрації використовують велику кількість допоміжних речовин: мінеральні кислоти (НС1, Н₂80₄, Н₂80₃), луги, хлориди, водні розчини аміаку, спирту. Розглянемо склад деяких середовищ.

В устаткуванні підприємств харчової промисловості де­талі робочих органів часто спрацьовуються внаслідок контак­ту не з іншими деталями, а з продуктами переробки, причо­му інтенсивність спрацювання в деяких випадках дуже велика.

Із практики відомо, що значного спрацювання зазна­ють деталі робочих органів обладнання м'ясокомбінатів (ма­шини для різання, подрібнення, розмелювання, перемішуван­ня сировини і продукції). У деяких випадках деталі цих пристроїв без­посередньо не контактують між собою, а контактують лише з продуктами, які переробляються. Очевидно, що при цьому на інтенсивність спрацювання істотно впливає середовище.

Найважливішою складовою м'ясних продуктів, що пе­ребувають у контакті з робочими органами м'ясопереробних машин, є досить складна за хімічною будовою м'язова тка­нина. До її складу входять білки, різні екстрактивні й міне­ральні речовини, вуглеводні, вітаміни, ферменти. Основними в ній є білки і ліпіди. Так, на білки припадає близько 80 % сухого залишку м'язової тканини. Ліпіди — жироподібні сполуки, які у великій кількості містять жирні кислоти, в тому числі певну кількість вільних жирних кислот. Найбіль­шу частину з них становлять: олеїнова (35...45 %), пальметинова (24...29 %), стеаринова (11...23 %), лінолева (1... 10 %). Значна кількість цих жирних кислот входять і до складу жи­рової тканини.

Із часом у м'язовій тканині утворюється також молочна кислота, водневий показник рН м'яса знижується і досягає 5,6...5,4 після 2...3 діб його зберігання.

Таким чином, технологічні середовища на м'ясопере­робних підприємствах є агресивними і містять значну кіль­кість поверхнево-активних кислот, частина з яких перебуває у вільному стані. Тваринні жири містять до 50 % амінової і до 30 % стеаринової кислот, а також ліцетинову, пальметино-ву і лінолеву кислоти. Отже, при переробленні тваринних жирів деталі робочих органів обладнання перебувають під дією ПАР. При переробленні м'язів та інших органів вплив цих речовин також істотний. Так, м'язи різних тварин міс­тять 0,8...2,0 % жиру, печінка — 1,5...5,0 % жиру.

Деталі технологічного обладнання, що працює в транс­портерно-мийних водах цукрових підприємств (соломоуловлювачів, каменеуловлю-вачів, бурякомийок, бурякоелеваторів тощо), зазнають інтен­сивного спрацювання. Транспортерно-мийні води містять різні розчинні й не­розчинні речовини. Склад вод різноманітний і нестабільний протягом року. Крім того, вони містять також домішки, на­приклад оксиди алюмінію, заліза, силіцію, частинки квар­цового піску, кварцитів тощо, розміром від кількох мікро­метрів до кількох міліметрів.

Інтенсивного абразивного спрацювання в багатьох ви­падках зазнають деталі насосів, у яких абразивне спрацюван­ня посилюється агресивним впливом середовища. Дуже інтенсивно спрацьовуються деталі насосів, що пе­рекачують у цукровому виробництві вапняне молоко.

Напружений стан у поверхневому шарі деталей деталей зеєрного трак­ту при переробці насіння соняшнику ви­никає внаслідок напружень, створюваних дією нормальної сили на поверхню деталей зеєра, і тангенційних розтягальних напружень, які зумовлені силою тертя шроту по цих деталях при його переміщенні шнековим механізмом. Розрахунки показали, що тиск біля вихідного конуса камери досягає 18 МПа, внаслідок чого поверхневі шари деталей зеєрного тракту перебувають у напруженому стані. Під дією поверхнево-активних жирних кислот напружений по­верхневий шар деталей зеєрного тракту набуває такого ста­ну, що легко диспергується, а відокремлені час­тинки металу виносяться масою шроту.

В устаткуванні м'ясопереробних заводів найважливі­шим типом обладнання є м'ясоподрібнювальні машини (вовчки, кутери, емульситатори). Найінтенсивніше спрацьо­вуються деталі різальних комплектів, наприклад ножі та решітки вовчків.

На рис. 17 приведены результаты испытания ряда металлов па изнашивание; испытания проводили в дистилли­рованной воде в паре трения с сухой (обезжиренной) пень­ковой набивкой при скорости скольжения 3 м/с, нормаль­ном давлении 6 кгс/см², температуре жидкой рабочей среды 60±2°С. При этих условиях наименее износостойкими оказались отбеленный (НВ 580) и серый чугун СЧ 15-32, а наиболее износостойкой - бронза Бp.ОЦС5-5-5. Износостойкость сталей за­висит от содержания углерода и фазового состояния. Коэффициент трения испытанных в дистиллированной воде нар трения в среднем составляет 0,023÷0,025.

Следовательно, подшипники свекломоек рационально изготовлять из достаточно твердых чугунных отливок: с перлитной основой и мелкопластинчатыми включениями графита. Износостойкость деталей, работающих в условиях абра­зивного изнашивания, повышается при применении высо­копрочного чугуна с шаровидным графитом. Износостойкость такого чугуна (НВ 360—400) при абразивном изна­шивании примерно в 3,5 раза выше износостойкости феррито-перлитного чугуна (НВ 100—120). Износостойкость чугунных деталей при абразивном из­нашивании повышается при термической обработке, за­ключающейся в закалке и отпуске при 400° С и позволяю­щей получить трооститную пли троосто-сорбитную струк­туру металлической основы.

Касательно деталей оборудования хлебопекарной промышленности, можно сделать важные выводы: среды хлебопекарной промышленности в зависимости от их химического состава оказывают раз личное влияние на пластическое деформирование и раз­рушение поверхностного слоя при трении; интенсивное разрушение может быть вызвано не только коррозионным, но и адсорбционным воздействием. При трении в среде ржаного и пшеничного теста пластическая деформация, оцениваемая шириной дислокационной зоны, приблизи­тельно равна пластической деформации при трении без смазки, а коэффициент трения в тесте в 2—3 раза меньше, чем при трении без смазки. В среде маргарина пласти­ческая деформация больше, чем при сухом трении, а коэф­фициент трения в 4 раза меньше. Это может быть объяс­нено адсорбционным воздействием среды. Таким образом, из исследуемых пищевых смазок маргарин наиболее па­губно влияет на поверхности трущихся деталей, способ­ствуя их разрушению. Эмульсия же, используемая дли смазки хлебных форм и зачастую для смазки трущихся деталей, является более благоприятной смазочной средой,, чем маргарин.

Наименьшая деформация поверхностного слоя была установлена при трении в среде сливочного, горчичного и кукурузного масел, она примерно в 3 раза меньше, чем деформация в дистиллированной воде, и в 4 раза меньше, чем при трении без смазки и в маргарине.

Пальцы делительно-закаточной машины были изготовлены из стали 45 и закалены. Срок службы их обычно не превышал 3— 6 месяцев. В результате лабораторного исследования было установлено, что износостойкость этих детален может быть повышена в 2—3 раза, если их изготовлять из цементуемых сталей (например, профильные кулачки и пальцы из стали 18ХГТ, а ролики из стали 20), цементовать, закаливать и подвергать низкотемпературному отпуску.

В машине чрезвычайно интенсивно изнашиваются мальтийский крест машины типа ХДФ и поводковые пальцы, входящие в пазы этого креста. Срок службы этих деталей может быть значительно увеличен, если мальтийский крест изготов­лять из стали IIIXI5, а поводковый палец из цементируе­мой легированной стали, например 18ХГТ, 12ХНЗА. Термическая обработка должна обеспечивать получение максимальной твердости.

Зависимость износа различных материалов от времени испытания показана на рис 50. Из испытанных мате­риалов при химико-механическом изнашивании в присутствии теста наиболее износостойким является сплав 130Х16М, износостойкость которого превышает износо­стойкость стали 45Л более чем в 400 раз. Высокой износостойкостью обладают также сплав 30X21ЛЦ, сталь 50Х25Ю3 и бронза Бр.АЖ9-4.

Для изготовления режущего инструмента мясорежущих машин, в порядке уменьшения износостойкости стали, под­вергнутые испытаниям, можно условно разделить на три группы: к первой группе можно отнести стали Р18, 9ХС, ШХ15; ко второй — ХВГ, У8А, У10А, сталь 20 (цементо­ванная) и к третьей — Х12М, 4X13 и сталь 45. Наиболее износостойкими являются стали первой группы. Величина суммарного износа при их испытании обуслов­лена в основном износом неподвижного нижнего образца.

Во второй группе наиболее износостойкой есть сталь ХВГ; наименее износостойки легированные стали Х12М и 4X13. Из углеродистых сталей наибольшей износостойкостью обладают стали У8А и У10А, а наименьшей, сталь 45.

При испытании сменных режущих вставок для ножей волчков наиболее износостойкими оказались ножи из стали Р18. Но при переднем угле γ=30° режущие лезвия сменных рабо­чих частей зубьев из этой стали довольно интенсивно выкраши­ваются, что приводит к сниже­нию их режущих свойств и ухудшению качества измель­чаемого продукта. Следует так­же отметить, что износ решеток, работающих в паре с этими но­жами, был значительно боль­шим, чем износ решеток, рабо­тающих в паре с ножами, в которых сменные рабочие части зубьев были изготовлены из других сталей. Это можно объяснить тем, что карбиды, содержащиеся в стали Р18, при выкрашивании в процессе работы интенсивно изнашивают решетку.

Стали 9ХС и ШХ15 легированы недефицитными леги­рующими элементами, просты в обработке, обладают до­статочной ударной вязкостью. Сменные рабочие вставки ножей из этих сталей обладают высокой износостойкостью, хорошими режущими свойствами, что обусловливается сравнительно небольшим радиусом округления режущих лезвий и меньшей склонностью к выкрашиванию лезвий.

Значительно меньшей износостойкостью обладают ножи со сменными вставками из сталей ХВГ и XI2M, кроме того, и решетки, работающие с этими ножами, изна­шиваются достаточно интенсивно. Значительное выкраши­вание режущих лезвий приводит к ухудшению качества измельчения, а металлические частицы могут попасть в перерабатываемую продукцию.

Наименее износостойкими оказались сменные вставки из сталей 20 (цементованной), У8А и 40X13.

На основании проведенных испытаний можно рекомен­довать сменные вставки зубьев составных ножей или цель­ные ножи изготовлять из сталей 9ХС или ШХ15. Эти стали в мясной среде обладают достаточно высокой износостой­костью, хорошей обрабатываемостью, недефицитны; лезвия ножей характеризуются хорошими режущими свойствами и выкрашиваются меньше, чем лезвия вставок из других сталей. По износостойкости они в 4,5÷3 раза превосходят ножи из стали У8Л, которую чаще всего используют для изготовления ножей и решеток волчков.