автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.14, диссертация на тему:Повышение долговечности деталей оборудования молочной промышленности, подверженных коррозионно-механическому изнашиванию

ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О К0РР03И0НН0-МЕХАНИ-ЧЕСКОМ ИЗНАШИВАНИИ В ЖИДКИХ СРЕДАХ ПРИМЕНИТЕЛЬНО

К МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ . II

1.1.Общие сведения . II

1.2.Изнашивание оборудования молочной промышленности литературный обзор /

1.3. Общая характеристика коррозионно-механического изнашивания

1.4. Анализ известных методов исследования коррозионно-механического изнашивания

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ

МОЛОЧНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

2.1. Особенности условий эксплуатации молокоперера-батывающего оборудования

2.2. Анализ изношенных деталей / лабораторные исследования /

2.3. Характеристика рабочих жидких сред отрасли

2.4. Коррозионная агрессивность рабочих жидких сред

2.5. Особенности изнашивания металлов в системах трения металл + среда и металл1 + металл2 + среда

2.6. Экспериментальные исследования электрохимических свойств рабочих жидких сред отрасли

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ К0РР03И0НН0-МЕХАНИЧЕ

СКОГО ИЗНАШИВАНИЯ

3.1. Методы исследования коррозионной стойкости металлов в рабочих жидких средах отрасли

3.1.1. Объекты исследования

3.1.2. Ячейка для исследования электрохимической коррозии металлов

3.1.3. Устройства для исследования коррозии металлов при переменном погружении образцов в жидкость . 69 3.2. Методы исследования коррозионно-механического изнашивания при' трении в рабочей жидкой среде . 70 3.2.1. Потенциостатический метод исследования процесса трения металлов

3.2.2. Микротрибометр для исследования деформирования поверхностного слоя металлов при трении в жидкой среде

ЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОРРОЗИОННО-МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ В РАБОЧИХ ЖИДКИХ СРЕДАХ ОТРАСЛИ

4.1. Кинетика электродных процессов в системе трения металл - рабочая среда отрасли

4.1.1. Влияние свойств и состояния рабочей жидкости на восстановление Ц^р конструкционных сплавов

4.1.2. Влияние рабочих жидких сред отрасли и условий эксперимента на коррозионный процесс

4.1.3. Определение коррозионной стойкости металлов методом экстраполяции поляризационны кривых

4.1.4. Определение коррозионной стойкости металлов при переменном погружении образцов в жидкость

4.2. Исследование коррозионно-механического изнашивания в системе металл1 + металл2 + рабочая жидкая среда

4.2.1. Восстановление защитных пленок на вновь образугащейся поверхности металлов под влиянием агрессивных рабочих жидких сред

4.2.2. Ускоренный метод определения скорости коррозии металлов в жидкой среде

4.2.3. Влияние рабочей жидкой среды отрасли на деформирование поверхностного слоя металлов при трении

4.2.4. Исследование износостойкости некоторых материалов в рабочих жидких средах отрасли

4.2.5. Оценка долговечности деталей, контактирующих с агрессивными средами отрасли

ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ МОЛОКО-ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ /Производственные исследования /

ХХУТ съезд, выдвинув широкую программу социального развития и повышения народного благосостояния, на первый план поставил задачу лучшего обеспечения населения продуктами питания.

Принятая на майском 1982 г. Пленуме ЦК КПСС Продовольственная программа СССР на период до 1990 года предусматривает широкое использование производственного потенциала всех отраслей агропромышленного комплекса страны.

На декабрьском /1983 г./ и февральском /1984 г./ Пленумах ЦК КПСС указывалось, что положение дел в народном хозяйстве требует решительного поворота к повышению технического уровня производства, качества продукции.

В целях значительного увеличения производства продуктов питания намечены меры по увеличению производства и переработки молока, улучшению ассортимента и повышению качества молочных продуктов. Осуществление их связано с техническим перевооружением молочной промышленности /Сш 7Предусматривается создание высокопроизводительных машин, аппаратов и поточных технологических линий, обеспечивающих повышение производительности труда. Перевооружение молочной промышленности на новой технической основе должно обеспечить повышение технического уровня, качества, надежности и долговечности используемых машин и агрегатов.

Оборудование молокоперерабатывающих предприятий работает в тяжелых условиях: при высоких температурах, во влажной атмосфере, при значительных скоростях относительного перемещения трущихся деталей, при наличии вибраций. В ряде случаев рабочие среды содержат абразивные примеси. В молочной промышленности оборудование периодического действия все больше вытесняется непрерывно действующим, что позволяет значительно повысить эффективность его использования. В производстве, работающем на непрерывном цикле, остановка машин, вызванная изнашиванием или разрушением деталей влечет за собой не только убытки от простоя, но и порчу продуктов.

Чтобы выпускаемые машины по надежности и долговечности не уступали лучшим зарубежным образцам, необходимо обеспечивать высокую износостойкость его деталей и рабочих органов. Вследствие недостаточной долговечности машин и агрегатов, обусловленной износом трущихся элементов, молокоперерабатывающие предприятия несут огромные потери, расходуя значительные средства на ремонт и замену изношенных деталей. При этом нередко стоимость ремонта превышает стоимость новых машин. Производство запасных деталей и узлов ведет к значительному расходу металла.

Повышение долговечности и надежности работы современных машин и агрегатов невозможно без использования достижений науки и практики в области трения и изнашивания. Фундаментальные исследования в этой области выполнены советскими учеными Алябьевым А.Я., Ахматовым A.C., Бегагоеным И.А., Буше H.A., Гаркуновым Г.А., Гогего Н.Л., Демкиным Н.Б., Евдокимовым В.Д., Евдокимовым Ю.А., Запорожцем В.В., Костецким Б.И., Крагельским И.В., Кузнецовым В.Д., Матвиевским P.M., Михиным Н.М., Назаренко П.В., Носовским И.Г., Семеновым А.П., Те-ненбаумом М,М., Хрущевым М.М., Чичинадзе A.B. и др., а также зарубежными учеными Боуденом Ф., Тейбором Д., Тиссеном П., Хадярдом Н. и др.

Важное значение для понимания механизма изнашивания в жидких коррозионных средах имеют работы, выполненные Аксеновым А.Ф., Васильевым И.В., Венцелем C.B., Карпенко Г.В., Лазаревым Г.Е., Неко-зом А.И., Портером А.И., Прейсом Г.А., Сологубом H.A., Томашо-вым Н.Д., Трофимовичем А.Н., Шевеля В.В. и др. Они вскрывают физические и механо-электрохимические явления на фрикционном контакте при трении в различных условиях, что позволило наметить направления исследований по изысканию путей повышения долговечности узлов трения, работащих в специфичных условиях молокоперерабатывающих производств,

К сожалению до настоящего времени вопросами изнашивания деталей оборудования молочной промышленности на современной научной основе не занимались. В отечественной и зарубежной литературе нам удалось обнаружить очень небольшое число работ, посвященных долговечности отдельных деталей молокоперерабатывающего оборудования ¿"8, 38, 42.7, но в них не раскрывается механизм процесса изнашивания в специфичных условиях его работы, а приводится лишь отдельные отрывочные практические сведения.

Для обоснованного подхода к этой проблеме необходимо внимательно изучить процесс изнашивания деталей МО с учетом специфики его работы, установить наиболее распространенные виды изнашивания и после этого наметить пути повышения износостойкости его деталей. С этой целью на ряде молочных заводов СССР в течение нескольких лет нами собрано большое число изношенных деталей, которые исследовались по апробированной ранее методике В результате проведенного исследования были установлены виды изнашивания, встречающиеся в оборудовании молочных заводов. Вследствие того, что на трущиеся поверхности деталей попадают агрессивные рабочие жидкости, чаще всего они подверженны коррозионно-механическому изнашиванию /КМИ/, при котором механическое изнашивание усиливается коррозионным воздействием среды. В таких условиях работает большинство деталей МО, например подшипники скольжения, защитные втулки зальниковых уплотнений, шнеки, мешалки, корпуса и рабочие колеса засосов, уплотнительные кольца торцовых уплотнений центрифуг и се-гараторов, детали режущих органов измельчителей и многие другие. В )вязи с тем, что ШИ в отрасли встречается чаще других видов изнапшвания и приводит к большим затратам на восстановление работоспособности оборудования, в настоящей работе ему уделено основное внимание.

Развитие и интенсивность КМИ оборудования отрасли зависит от условий работы трущихся деталей и среды, при этом коррозионный фактор в ряде случаев может играть преобладающую роль. Это объясняется специфичными свойствами нагретых до 100 °С и перемещающихся с большой скоростью рабочих сред, содержащих химически активные и поверхностно-активные вещества, которые попадая на рабочую поверхность детали, принимают непосредственное участие в процессе изнашивания. При попадании на металлические детали рабочих сред, представляющих собой водные растворы электролитов, развиваются электрохимические коррозионные процессы.

Учитывая разнообразие рабочих сред и условий работы МО, единых рекомендаций по повышению износостойкости его деталей, подверженных КМИ, дать нельзя. Рекомендации для каждого отдельного случая могут быть разработаны только после тщательного изучения влияния рабочих сред на процесс и интенсивность изнашивания материалов, из которых изготовлены детали,

Выбирая пути борьбы с КМИ, следует учитывать, что они ограничены требованиями технологического процесса переработки молочного продукта, т.е. состав рабочих сред, температурно-гидравли-ческие режимы не могут быть изменены. Это заставляет ограничиваться изысканием возможностей использования более износостойких материалов для изготовления деталей МО, конструктивных и некоторых других путей повышения его долговечности.

В современном машиностроении используется большое число металлических, неметаллических и композиционных материалов. Однако успешный выбор их для специфичных условий молочной промышленности возможен только после проведения необходимых исследований в лабораторных и производственных условиях.

Учитывая важность и недостаточную изученность проблемы целью данной работы явилось исследование комплекса вопросов, связанных с ИЛИ металлов в агрессивных средах молочной промышленности с учетом условий эксплуатации МО, разработка рекомендаций по повышению долговечности его деталей, подверженных МИ.

При выполнении работы широко использовались современные методы исследования, а также разработанные нами методики и устройства, что дало возможность получить новые научные результаты, имеющие существенное практическое значение и в ряде случаев объяснить происходящие в процессе ШИ явления. Результаты лабораторных исследований проверены в производственных условиях. Значительное внимание уделено коррозионному фактору в процессе ШЛИ, который во многих случаях преобладает над механическим из-за высокой коррозионной активности рабочих сред отрасли.

По материалам исследований опубликовано 16 работ, получено два авторских свидетельства, выполнено 3 научно-исследовательских работы, в которых автор был ответственным исполнителем.

Диссертационная работа изложена на А50 страницах машинописного текста. Она состоит из 5 глав, содержит -М таблиц и 4 6 рисунков. Список литературы включает 154 наименования.

Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность научному руководителю докт. техн. наук, профессору Г.А.ПЕЕЙСУ за руководство, внимание и помощь при выполнении работы, а также профессору Н.А.СОЛОГУБУ и доценту А.И.НЕКОЗУ за советы в проведении отдельных этапов работы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании систематического изучения изношенных деталей технологического оборудования молокоперерабатывающих предприятий, экспериментального исследования процессов, протекающих в поверхностных слоях металлов при трении в контакте с PECO, определения износостойкости наиболее распространенных, а также перспективных для изготовления деталзй МО материалов и натурных испытаний в производственных условиях можно сделать следощие выводы.

1. Проведенный анализ литературных и производственных данных показал, что выдвигаемые предложения с целью повыления долговечности изнашивающихся деталей МО не опираются на научную базу и зачастую не обоснованы.

2. Анализ изношенных деталей и условий эксплуатации МО, трущиеся поверхности деталей которого контактируют с РЖСО показал, что чаще всего они подверженны коррозионно-механическому виду изнашивания.

3. Установлено, что ЕМИ деталей МО возникает не только при трении двух металлических деталей, в зону контакта которых проникает агрессивная жидкая среда, интенсифицирующая процесс механического изнашивания, т.е. в системе MI+M2+C, но и при механическом и коррозионном воздействии среды в отсутствии контакта с другой деталью, т.е. в системе М+-С.

4. Созданы устройства для определения электрохимических, механических, коррозионных и триботехнических пареметров при исследовании ЕМИ материалов в двух системах.

5. Установлено, что с повышением температуры от 20 до 80 °С зри перемешивании PSC0 электропроводность их значительно возрос-рает, что предопределяет увеличение скорости коррозии при ЕМИ в эксплуатационных условиях.

6. Установлено, что при переменном погружении образцов в жидкую агрессивную среду коррозионный процесс значительно интенсифицируется. Поэтому углеродистые конструкционные стали не следует использовать при переменном погружении деталей из них в сыворотку, кисломолочные и другие продукты, содержащие молочную кислоту • 7. При ускорении процесса коррозии на границе раздела фаз металл-среда путем поляризации при 80 °С и движении среды установлено, что на углеродистых сплавах в кислых средах коррозионный ток резко возрастает, что предопределяет преобладание коррозионного фактора при КМИ.

8. Разработана номограмма для ускоренного определения скорости коррозии металлов, что важно при исследовании КМИ.

9. Выявлена взаимосвязь процесса КМИ в PICO с электрохимическими параметрами коррозионного процесса, в частности значений

Д и скорости изнашивания.

10. При выборе металлов для трущихся деталей, контактирующих с РКСО, необходимо учитывать их электрохимическую совместимость в условиях воздействия сильных электролитов / 0,5% НН03, кисломолочные продукты или растворы солей и щелочи/. При скоростях скольжения меньше I м/с и нормальном давлении до 0,1 МПа в ?злах трения целесообразно использовать полимерный материал /на-зример фторпласт, капролон/ в паре с экономнолегированной нержа-зегацей сталью /например 20X13, 20XI7H2 и др./. При более высоких шгрузках лучшей оказалась пара сталь 45 - сплав I30XI5M2 /термо-)бработанные до HRC 50-55/. При периодическом механическом воздействии и отсутствии гарантированного смазывающего действия среда /например узел прижима носителей автомата розлива молока в [акетн/ целесообразно применение композиционного материала /мегаллофторопласт/ в паре со сталью 40X13 / НЕС 52-56/.

II. Правильность полученных в лабораторных исследованиях результатов и разработанных рекомендаций подтверждена проверкой в производственных условиях и практическим их использованием. Эбщий годовой экономический эффект от их внедрения на ряде лолокоперерабатыващих заводов УССР составил 64,7 тыс .руб.

1. Материалы ШТ съезда КПСС. Москва. Политиздат, 1981 ♦

2. Авдеева A.B. Коррозия в пищевых производствах и способы защиты. Изд. 3-е, пер. и доп. - М.: Изд-во Пищевая пром-сть. 1972. - 274 с.

3. Авилов В.И., Артамонов Л.В. Применение торцовых уплотнений на молочных насосах. Молочная промыиленность, 1975, № II,с. 30-33.

4. Алагезян Р.Г. Моющие и дезинфицирующие средства в молочной промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981, - 168 с.

5. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1969, - 509 с.

6. Бабей Ю.И., Сопрунж Н.Г. Защита стали от коррозионно-меха-нического разрушения. К.: Техн!ка, 1981, 126 с.

7. Барбалат Б.М. Изучение переходных процессов при изнашивании в условиях нормальных и аварийных режимов эксплуатации. -Трение износ и смазка деталей машин, сб., 1964, вып. У,1. К. с. 3I-Ö4.

8. Бапшров Е.И. Повышение износостойкости оборудования молочных заводов. Молочная промышленность, 1967, № 10, с. 35-36.

9. Белезин С.А., Ерофеев Б.В., Подобаев Н.И. Основы физической и коллоидной зшмии.М.: Просвещение, 1975 , 398 с.

10. Васильев И.В. Изнашивание металлов и изменение электродных потенциалов при трении в щелочных средах. Коррозия и износ металлов, сб., М.: Машгиз, 1961 /Труды НИИШМАШ, вып. 37, с. 1П-П2.

11. Васильев И .В. К методике испытания материалов на изнашивание при трении зз агрессивной среде. Трение и износ в машинах: сб.ТХУ, М.: Изд-во АН СССР, 1962, т. 15, с. 59-77.

12. Венстрем Е.К.,Ребиндер П.А. Электрокапиллярный эффект облегчения твердости металлов. М.: АН СССР, 1949, с. 68-70.

13. Виноградов И.Э. Физические метода исследования противозадар-ных присадок к маслам. Методы оценки противозадирных и про-тивоизносных свойств смазочных материалов. М.: Наука, 1969, с. 21-24.

14. Волчков И.И. Насосы для молока и молочных продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1969, 180 с.

15. Воробьев Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. М.: Химия, 1975, 816 с.

16. Геллер Ю.А. Инструментальные стали, 4-е изд. М.: Металлургия, 1975, 584 с.

17. Галат Б.Ф. и др. Справочник по технологии молока /Б.Ф.Галат; Н.И.Машкин, Л.Г.Козач. К.: Урожай, 1980. 216 с.

18. Голего Н.Л., Алябьев А.Я., Шевеля В.В. Фретинг-коррозия металлов. К.: Техника, 1974. 269 с.

19. Голего Н.Л. О роли электрических процессов при фретинг-кор-розии металлов. ФХММ, 1975, вып. 5, с. 12.

20. ГОСТ 5272-68. Коррозия металлов. Термины: Взамен ГОСТ 5272-50. Введ. 01.01.1969; - Переизд. Ишь 1978. - 24 с. УДК 669/014/: 006.354 Группа В00 /СССР/.

21. ГОСТ 23.002-78. Обеспечение износостойкости изделия. Трение, изнашивание и смазка. Термины и определения: Взамен ГОСТ25,26