Исследование причин аварийного разрушения куттерных ножей

Реклама
Исследование причин аварийного разрушения куттерных ножей
Солодихина Нина Александровна, 11 класс гимназии 21, г. Электросталь
Научный руководитель: Доронин Игорь Владимирович, к.т.н.,
доцент кафедры металлургии ЭПИ МИСиС, филиал НИТУ МИСиС
1. Введение
Промышленное приготовление фарша для колбас
осуществляется в куттерах (рис. 1), измельчающий механизм
которых
состоит
из
быстровращающегося
ножевого
устройства с комплектом ножей (от 2 до 12 в зависимости от
марки
куттера
и
требований,
предъявляемых
к
обрабатываемому сырью), заточенных с одной стороны, и
стальной гребенки. Чем меньше зазор между ножами и чашей,
тем лучше качество фарша и меньше его нагрев, поэтому
радиус ножа практически равен радиусу чаши (рис. 2).
Рис. 1. Внешний вид
куттера.
Чаша куттера имеет форму тора и вращается со
скоростью от 4 до 22 об/мин. Качественное резание
сырья осуществляется при линейной скорости ножа
  100 м / c [1]. Исследование парметров различных
куттеров позволяют сделать вывод, что такая скорость
достигается только в верхней части ножа (таблица 1).
Рис. 2. Схема куттера.
Но увеличение скорости оборота ножевого вала так,
чтобы свыше 70% точек режущей кромки ножа имело скорость   100 м / c , вызывает
резкое увеличение случаев аварийного разрушения ножей.
Таблица 1 – Сравнение параметров «наиболее быстрых» куттеров отечественного и
иностранного производства в зависимости от объема чаши.
Объем чаши, л
200
250
330
500
750
Максимальная загрузка, кг
160
200
260
420
680
Частота вращения ножевого вала
(оптимальная резка), об/мин
Максимально возможная частота
вращения ножевого вала, об/мин
Радиус ножа
Линейная скорость кончика ножа
в оптимальном режиме, м/с
Наибольшая линейная скорость
кончика ножа, м/с
1900/3800 1800/3600 1700/3400 1400/2800 1200/2400
5000
4500
4200
3800
3600
265-285
300-306
315-335
350-385
420-450
53-113
57-115
56-116
51-113
53-113
144
141
141
143
158
1
Замечание. Скорость высчитывалась для конкретных куттеров. Например, для
чаши в 330 л максимальная линейная скорость кончика ножа встречается у куттеров
"PSS" K-330 VF, частота вращения ножевого вала которых 4200 об/мин при радиусе
чаши в 322 мм. Получаем   2R  6,28  0,32 
4200
 140,7  м с  . В таблице 2
60
приведены рассчеты для скоростей середин сегментов ломаной кромки ножа. С
учетом площади заточки каждого сегмента получаем, что порядка 46% точек режущей
кромки имеют скорость, недостаточную для качественного резания сырья даже в
максимальном режиме «самого быстрого», из имеющихся в данный момент на рынке
куттеров. На верхней границе «оптимального режима» порядка 70% точек режущей
кромки имеют скорость   100 м / c .
Таблица 2 – Линейная скорость различных точек ножа
Номер i режущей кромки
5
4
3
2
1
Ri, м
0,315 0,305 0,27 0,21 0,15
Скорость середины i-ой кромки в максимальном режиме, м/с 138
134 119 92
66
Скорость середины i-ой кромки в оптимальном режиме, м/с 56-112 54-108 48-96 37-75 27-53
Площадь i-ой режущей кромки, мм2
986 1428 1830 2135 1420
Для обеспечения износостойчивости ножей предлагается
применять технологию по-слойной закалки [2, 3]; производить
раскрой металла с помощью лазера [2]; использовать только
холодную заточку [4]; регулярно осуществлять процедуру
"снятия
внутренних
напряжений
материала"
и
регулярно
проверять ножи на наличие микротрещин [4].
Заводом-изготовителем
куттерных
Рис. 3. Образец №1.
ножей
ЗАО
«КЛИПМАШ» для исследования были представлены 3 ножа, один
из которых (образец №1) полностью отработал эксплуатационный
срок (рис. 3), а два других (образцы №2 и №3) претерпели аварийное
разрушение (рис. 4 и 5). Предварительное исследование показало,
Рис. 4. Хвостовик
разрушившегося
ножа (образец №2).
что при производстве данных ножей соблюдалась разработанные на
заводе технические требования к этому виду продукции.
Цели
исследования:
выявление
причин
аварийного
разрушения куттерных ножей и создание рекомендаций по
повышению износостойкости ножей при увеличении их скорости
вращения.
Рис. 5. Образец №3.
Стрелкой указана
трещина.
2
2. Гипотеза исследования
На основе анализа описаний ножей, размещенной на сайтах заводовизготовителей [1-5, 15, 29], научных исследований, посвященных повышению
эксплуатационной надежности режущего инструмента в куттерах [8-13], возник ряд
предположений о причинах разрушения ножа: 1) поверхность листа заготовки имеет
особенности или дефекты, влияющие на износостойкость ножей в усложнившемся
режиме эксплуатации, но не отмеченные в технической документации; 2) нарушения
технологии обслуживания ножей; 3) не оптимальная форма и угол режущей части.
Гипотеза исследования: износостойкость куттерных ножей повысится, если
изменить геометрию ножа; ужесточить требования к состоянию поверхности
листовых заготовок; изменить термическую обработку заготовок.
Таким образом, исследование получило два направления: 1) анализ металла
представленных ножей (целого и претерпевших разрушение) с помощью макро- и
микроструктурного анализа поверхности, измерения твердости металла, 2) анализ
влияния геометрии ножа на перераспределение сил, вызывающих разрушающие нож
нагрузки при куттеровании.
Задачи исследования: 1) провести анализ технической документации и
научных исследований, посвященных эксплуатационной надежности режущего
инструмента; 2) провести макро- и микроструктурный анализ металла ножей с целью
выявления особенностей или дефектов листовой заготовки, а так же определения
характера излома с точки зрения выявления вида сил, вызвавших разрушение; 3)
провести анализ химического состава стали; 4) измерить твердость ножей; 5) оценить
силы, действующие на нож при куттеровании; 6) определить влияние геометрических
характеристик ножа на распределение сил при куттеровании, так как угол заточки и
форма режущей кромки ножа является ключевыми элементами, влияющим на
технические характеристики и срок службы ножа [28], причем геометрия кромки
зависит от вида колбасного изделия [29]; 7) определить способы увеличения
износостойкости ножей и сделать предложения для завода-изготовителя.
Методы
исследования:
макроструктурный
анализ
поверхности
ножа
(визуально и с помощью лупы после шлифовки и травления), микроструктурный
анализ сегментов ножей (металлографический микроскоп МИМ 7), измерение
твердости
металла (прибор Роквелла), линейные измерения длин и
углов
штангенциркулем и угломером, сравнение полученных результатов с технической
3
документацией, анализ, моделирование глубины шлифовки на образцах стали 40Х13
и моделирование распределения сил на пенопластовых ножах, вращающихся в воде.
База исследования: Электростальский политехнический институт (филиал
ФГАОУ ВПО НИТУ «Московский институт стали и сплавов»).
3. Анализ металла ножей
3.1. Химический состав стали
Заводом ОАО «КЛИПМАШ» ножи изготавливаются из стали 40Х13. Остальные
производители ножей так же, среди прочего, пользуются металлом данной марки.
Нержавеющая
сталь
марки
40Х13
обладает
свойствами,
близкими
к
инструментальным сталям и применяется в тех случаях, когда от материала требуется
высокая твёрдость в сочетании с антикоррозионными свойствами [31]. Например, для
деталей с высокой твердостью, работающих на износ при больших механических
нагрузках [26, 27], что вполне соответствует описанию режима куттерования.
Таблица 3 – Химический состав стали 40Х13 и образцов ножей, согласно
сертификатам.
Содержание основных элементов, %
ГОСТ, ТУ
Номер образца
С
40Х13 ГОСТ 5632-72
Сr
Si
Mn
S
P
0,36-0,45 12-14 н.б. 0,80 н.б. 0,80 н.б. 0,025 н.б. 0,030
Ni
-
Образец металла ножа №1
0,376
13,70
0,30
0,48
0,008
0,014
0,120
Образец металла ножа №2
0,407
14,49
0,43
0,22
0,008
0,020
0,123
Образец металла ножа №3
0,373
13,31
0,32
0,50
0,007
0,012
0,120
Исследование химического состава образцов №1, №2 и №3 показало, что
содержание основных элементов вполне соответствует нормам ГОСТ 5632-72
(таблица 3). Повышенное (примерно на 0,5%) содержание хрома в образце №2 не
могло отрицательно повлиять на его работоспособность. Степень загрязненности
металла неметаллическими включениями низкая (таблица 4). Нож с повышенным
содержанием глобулей (образец №1) показал наиболее высокую стойкость.
Таблица 4 - Химический состав исследуемых образцов.
Номер
образца
Вид неметаллических включений и балл по ГОСТ 1778-70
Оксиды
Оксиды Силикаты Силикаты Гло- Суль-
строчечные точечные
Нитриды
Нитриды Нитриды
хрупкие пластичные були фиды строчечные точечные алюминия
Образец №1
0,5
1,0
0,5
0,5
1,0
0,5
Нет
Нет
Нет
Образец №2
0,5
1,0
0,5
0,5
0,5
0,5
Нет
Нет
Нет
Образец №3
0,5
1,5
0,5
0,5
0,5
0,5
Нет
Нет
Нет
4
3.2. Твердость стали
Твердоcть,
RCH
Рис. 6. Распределение твердости HRC по поверхности образца №1.
Твёрдость - свойство материала сопротивляться проникновению в него другого
тела, не получая остаточной деформации. Измерение твердости образцов проводилось
с помощью прибора Роквелла. Расстояние между центрами двух соседних отпечатков
составляло 3-4 мм. Результаты измерений металла образца №1 приведены на рис. 6.
Вдоль горизонтальных осей откладывалось расстояние между точками замера, вдоль
вертикальной – величина твердости в RCH.
Изучение рекомендаций производителей куттерных ножей показало, что на
ООО "ТВС-механика" рекомендованная твердость по всей поверхности 51-53 HRC
[5], на ЗАО "КЛИПМАШ" твердость режущей кромки - 52-54 HRC [15] и
«приобретено оборудование для проведения отпуска хвостовиков ножей, что повысит
устойчивость к разрушению ножей при куттеровании» [15]. В компании J.F. FUCHS
(Германия) применяют технологию послойной закалки, при которой самая высокая
твердость достигается на режущей кромке и плавно понижается до посадочного
места, чтобы позволяет снизить внутреннее напряжение ножа и исключить
вероятность его разрушения в процессе работы [3].
Аналогичное плавное понижение твердости по телу ножа к области его
креплении имеется и у ножей компаний ЗАО Констаниа [29] и БОСК ПЛЮС [30],
причем производители утверждают, что это повышает эксплуатационные свойства
лезвия и существенно уменьшает вероятность разрушения по усталостному и
хрупкому типу.
5
Отметим, что у разных производителей диапазоны твердости в различных
точках
ножа
разнятся
и
величина
ее,
судя
по
всему,
устанавливается
экспериментально. По [14], твердость металла заготовки ножа должна повышаться от
основания крепления (40 – 42 HRC) до режущей кромки (56 – 58 HRC), по [2] - от 37
HRC до 54 – 56 HRC.
По нашим замерам, твердость металла образца №1 на посадочном месте 34-36
HRC, в линии начала цветов побежалости твердость претерпевает резкий скачек до
значения 51-53 HRC
(рис. 6). Далее твердость всей поверхности ножа примерно
одинакова. Таким образом, металл образца №1 прошел процедуру отпуска только у
хвостовика ножа, и плавного понижения твердости к режущей кромке не
наблюдается. Резкий перепад твердостей на 15 HRC у образца №1 является причиной
концентрации напряжений, что напрямую влияет на эксплуатационные свойства
ножа.
Твердость металла образцов №2 и №3 одинакова по всей поверхности от места
крепления до режущей кромки и равна 53-55 и 54- 56 HRC соответственно. Значит,
металл образцов №2 и №3 не прошел процедуру отпуска и является более хрупким,
чем у образца №1. Твердость образца №1 чуть меньше, чем твердость разрушившихся
образцов, что, по - видимому, обеспечивает повышенную вязкость металла (и, как
следствие, более высокую работоспособность). Различие в твердости трёх образцов
металла не связано с общим содержанием углерода (таблица 3) так, образец №2 при
содержании углерода 0,407% имеет твердость 53-55 HRC, а образец №3 с более
низким
содержанием
углерода
(0,373%)
обладает
твердостью
54-56
HRC.
Определяющее влияние на твердость изделий из стали 40Х13 оказывает режим
термической обработки и, прежде всего, температура отпуска.
3.3. Макроструктурный анализ поверхности
Макроскопический анализ заключается в определении особенностей строения
поверхности металла невооруженным глазом или
через лупу при небольших увеличениях (до 30 раз).
№1
В поверхностном слое хвостовика образца Рис. 7. Каверны в хвостовике металла.
визуально были обнаружены небольшие
каверны от вдавленных в поверхность горячекатаных листов частичек окалины (рис.
7), от которых может происходить зарождение трещины. После травления каверны
были обнаружены по всей поверхности образцов. Принятая на заводе технология
6
предусматривает шлифовку поверхности заготовок на
глубину 0,3 мм. Проведенный эксперимент с заготовкой
стали 40Х13 (рис. 8) показал, что шлифовка на такую
глубину не гарантирует полного удаления каверн (рис.
9). При последующей шлифовке поверхности образца
еще на 0,1 мм каверны сохранились.
Конструкция и технология изготовления ножей
Рис. 8. Исходная
(осветленная) поверхность
заготовки.
позволяют осуществлять в процессе их эксплуатации
неоднократную заточку режущих кромок, которую
рекомендуется [1-4] производить до двух раз за смену
при интенсивной работе, а после каждых 3-4 заточек
отсортировывать ножи, имеющие микротрещины, с
целью предотвращения повреждения куттера в случае
разрушения
ножа
[2].
При
перезаточке
должна
Рис. 9. Поверхность заготовки
после шлифования на 0,3 мм.
проводиться зачистка всего ножа, особенно важна шлифовка области крепления, в
противном случае возникает точечная коррозия и образуются волосовидные трещины
[16], которые могут привести к повреждениям в области вибрации [2]. Такая
шлифовка и полировка постепенно уничтожает и каверны, повышая стойкость
металла [29].
По виду образца №1 (рис. 7) видно, что шлифовка в области крепления
своевременно не производилась.
3.4. Макроструктурный анализ излома
Макроскопическому
исследованию были подвергнуты
изломы
на
характер
силового
воздействия (рис. 10, 11, 12) с
Рис. 10. Поперечное сечение излома.
х5
учетом методических указаний РД
50-672-88 [26].
Поскольку излом не имеет
характерных особенностей вязкого
Рис. 11. Излом в зоне зарождения трещины
(стрелкой указана более тёмная область очага
излома).
(матовая шероховатая поверхность разрушения, с расходящимися рубцами, может
иметь слоистость или гладкие участки в виде чешуек) и хрупкого (поверхность
разрушения состоит из блестящих плоских граней) изломов, то разрушение под
7
воздействием
кратковременного
однократного
статического
динамического
нагружения
и
х20
было
исключено.
Так как не видно межзеренного
разрушения, разветвленных трещин,
множественных очагов, то разрушение
под
воздействием
длительного
статического нагружения так же было
исключено.
Рис. 12. Вид излома в зоне зарождения трещины
(стрелкой указана область усталостного излома).
Образец имеет излом, состоящий из очага разрушения вблизи поверхности, зоны
стабильного развития трещины и зоны долома – участка развития трещины,
связанного с окончательным разрушением – т.е. имеет место усталостный излом.
Поскольку не обнаружено наличия продуктов коррозии на поверхности разрушения
(характерно для коррозионно-усталостных изломов) и окисления поверхности
разрушения (характерно для термоусталостных изломов), то данный излом является
многоцикловым усталостным изломом.
3.5. Микроструктурный анализ металла
Были отобраны образцы и подготовлены для
микроскопного
11
исследования
для
выявления
неметаллических включений, микротрещин, пор и
22
микроструктуры.
В структуре металла обнаружены остатки
карбидной сетки (рис. 13) и ярко-выраженная
Рис. 13. Структура металла
(х500) образца №2 в месте излома:
1- Карбидная строчечность.
2- Карбидная неоднородность.
карбидная
оказывают
строчечность
(рис.
отрицательное
эксплуатационную
стойкость
13),
которые
влияние
(пластичность
на
и
вязкость) металла ножей. Наличие остатков сетки вторичных карбидов указывает на
некачественную термическую обработку исходной листовой заготовки.
Карбидная сетка в сломанном и целом ножах располагалась по разному, т.е.
«выкройки» ножа при резании металла располагались не только вдоль, но и поперек
карбидной строчки.
Основные результаты по направлению 1: выявлено, что 1) металл
разрушившихся образцов имеет одинаково высокую твердость по всей поверхности,
8
следовательно, не прошел процедуру отпуска; 2) не разрушившийся образец прошел
процедуру отпуска в районе хвостовика, но твердость его претерпевает резкий скачок,
что является концентратором напряжений; 3) в поверхностном слое ножей были
обнаружены каверны от частичек окалины, от которых может происходить
зарождение усталостной трещины; 4) в структуре металла обнаружены остатки
карбидной сетки и карбидная строчечность, что указывает на некачественную
термическую обработку листовой заготовки; 5) шлифовка в области крепления не
производилась при каждой третьей-четвертой процедуре заточки; 6) разрушение
носит многоцикловой усталостный характер.
4. Анализ геометрии ножей на основе оценки сил, действующих при куттеровании
4.1. Оценка сил, действующих на нож
Место излома (около места заделки) и результаты макроструктурного анализа
(многоцикловой усталостный излом) образцов №2 и №3, свидетельствуют о
поперечных колебаниях, возникающих от циклически действующей поперечной
(параллельно оси вращения) силы [21, 27]. Предположение, что трещины вызваны
автоколебаниями (резонанс), возникающими от перекоса консольной оправки-заделки,
на которой крепятся ножи (остаточные деформации
S
могут быть причиной радиального биения оправки-
t,c
заделки и задеванию ножом чаши), при проверке
Рис. 14. Временная зависимость
подтверждения не нашло, так как после разрушения
площади режущей части,
находящейся в фарше, за 1 оборот. ножа проводится замена оправки-заделки.
Циклическая нагрузка возникает в процессе резания из-за неоднородности по
плотности
рабочей
среды
(время
tв
фарше
1 k 

tв
 4 
в оздухе
(1)
зависит
от
k–
коэффициента загрузки чаши куттера фаршем и определено по рис. 14 -зависимость
получена с помощью моделирования).
Место излома так же указывает, что разрушающая сила сосредоточена у кончика
режущей кромки ножа [5]. Перпендикулярно радиусу вращения ножа действует сила
Fp (рис. 15), состоящая из нормальной (способствует измельчению мышечной ткани)
и тангенциальной (способствует измельчению соединительной ткани, которая
прочнее мышечной ткани и ее обработка резанием затруднительна) составляющих.
Перпендикулярно поверхности заточки (рис. 16) действует сила сопротивления среды
FC, перпендикулярно поверхности ножа действует сила давления фарша F3,
вращающегося в чаше куттера.
9
Сопротивление

 F 1  R1
Fр1 1

Fn1
режущей
части
возникает
ножа
в
результате
площади
S(t)
удара
(площадь
взаимодействия зависит от времени, график зависимости
R3
S(t) на рис. 14) о фарш.
Разные точки ножа движутся с разной линейной
 
 F 3 3
Fр 3

Fn3
скоростью из-за разных расстояний от оси вращения.
Рассмотрим движение i-ой заточки. В течение времени ∆t
Рис. 15. Силы, действующие
во фронтальной плоскости.
передняя поверхность ее должна вытолкнуть перед собой
фарш массой
 sin  i
S i i t (по формуле Жуковского),
4
где ρ – плотность фарша, γi – угол между направлением скорости и плоскостью
движущейся пластины (рис. 16), Si – площадь режущей кромки, соответствующая i-му
отрезку ломанной, i  2Ri  скорость середины i-ой режущей кромки,   число
оборотов ножевого вала, Ri – расстояние от оси вращения до середины i-ой заточки, а
приобретенное этой массой количество движения должно равняться импульсу удара
за время ∆t. Для i-ой заточки, когда вся поверхность режущей части ножа находится в
мясе, нормальная составляющая силы сопротивления среды оценочно равна
F1 

4
n
S
i 1
2
i i
cos  i sin i (2), где γi– угол между направлением скорости и радиусом
Ri ножа, βi– угол заточки i-ой режущей кромки. Эта сила оказывает наибольшее влияние
на изгиб ножа перпендикулярно оси вращения.
Тангенциальная составляющая силы сопротивления среды равна
F2 

4
n
S
i 1
2
i i
sin  i sin  i .
Cила давления фарша при вращении чаши на среднюю и
нижнюю части ножа равна
F3 

 2  n
чаши   Si sin  i S  , где S–
4
 i 1

площадь контакта ножа с фаршем, а  чаши - среднее арифметическое
от скорости фарша на внутренней и внешней поверхности тора.

F3


F2
 
Fс F1
Рис. 16. Силы,
действующие
на торец ножа.
Линейную скорость вращения чаши  чаши можно найти из таких соображений.
Объём чаши составляет (в зависимости от конструкции)   0,3-0,4 объема тела,
ограничиваемого тором (полнотория), как следствие из второй теоремы Гульдина:
2
Vчаши  2 2 Rmax
r , где Rmax  максимальный радиус ножа +2-3 мм (величина зазора), r –
10
расстояние от центра образующей окружности до оси вращения чаши. r 
Тогда
чаши
чаши
min
max
скорость
вращения
у
внутренней
Vчаши
.
2
2 2 Rmax
поверхности
тора
 Vчаши

 2 r  Rmax  чаши  2 
 Rmax  чаши . У внешней поверхности тора
2 2
 2 Rmax

 Vчаши

 2 
 Rmax  чаши .
2 2
 2 Rmax

Эти
скорости
для
куттера,
в
котором
использовался образец №2, при частоте 20 об/мин равны чаши min  8,4 мм / с ,
чаши
max
 1,6 м / с .
Наибольшее влияние на изгиб ножа вдоль оси вращения оказывает сила
F  F2  F3 (3).
Результирующая сила, вызывающая циклические нагрузки, равна F  F12  F2  F3 2 .
Вывод не точен. В нем не учтены: 1) форма угла заточки; 2) то, что все
параметры взяты для середины i-ой заточки, правильнее было бы разбить режущую
поверхность на бесконечно малые элементы, а потом провести интегрирование; 3)
появление вихрей, тормозящих движение, причем с увеличением скорости сила
сопротивления растет нелинейно и зависит от формы тела [20]; 4) различная
плотность фарша, т.к. под действием центробежной силы на стенках чаши образуется
уплотнённый слой, а над поверхностью – взвесь из выбитых при вращении ножей
капелек фарша; 5) трение со стороны фарша и т.п.
Дополнительно надо учесть силу, создаваемую выталкиванием отрезанной
массы за счет угла заточки ножей, которая пропорциональна квадрату скорости.
4.2. Анализ геометрии ножей
Как показали исследования реологических свойств фарша, проведенные А.И.
Пелеевым, Г.В. Бакунцем, Г.Е. Лимоновым, Желудковым А.Л., Акуленко С.В. и др.,
форма и скорость вращения ножей существенно влияют на качественные показатели
фарша. С возрастанием скорости резания повышается влияние формы режущих
инструментов на реологические, энергетические и другие показатели фарша.
Исследуемые ножи ломались при высоких скоростях вращения (4200 об/мин при
радиусе ножа 385 мм) при переработке фарша, предварительно измельченного на
волчках через решетку с отверстиями диаметром 2-3 мм. Принцип резания —
рассекание тканей. После переработки в куттере мясо должно достигнуть такой
11
степени измельчения, при которой наблюдается значительное разрушение структуры
клеток. Во время куттерования в мясо добавляется мелкодробленый пищевой
чешуйчатый лед и/или холодная питьевая вода (до 30% от массы сырья), то есть фарш
фактически имеет плотность 1000 кг/м3. Поэтому при моделировании в некотором
приближении фарш можно заменить водой.
Лед уменьшает нагрев фарша, так как поглощает при плавлении тепло,
выделившееся при куттеровании. При исследуемых скоростях вращения по [6] мы
имеем дело с ударным воздействием лезвия на продукт и по [5] большая часть
кинетической энергии переходит в тепловую (рассчитывается по методике, указанной
в [7]), и очень велика сила трения боковой поверхности ножа о фарш (особенно той,
где нет заточки, т.к. со стороны заточки при ударном воздействии ножа происходит
«отброс» фарша). Поэтому необходимо создавать ножи такой формы, чтобы сила
трения была минимальна.
4.3. Форма режущей кромки
Режущая кромка должна быть спроектирована таким образом, чтобы усилие
резания в каждой точке было примерно одинаково [6]. В образце №1 усилия
распределены неоднородно. На рис.
17 видны зазубрины на 4 сегменте
режущей
Рис. 17. Зазубрины на режущей кромке.
кромки
ножа.
При
моделировании процесса вращения
ножей с такой формой режущей кромки, как у образца №1, пенопласт выкрашивался в
том же месте – на кромке 4 сегмента.
Замечание. При моделировании использовались пенопластовые ножи толщиной
5 мм, закрепленные на дрели, форма режущей кромки которых 1) совпадала с формой
кромки образца №1, 2) имела форму логарифмической спирали, 3) рассчитывалась по
формуле (3); 4) рассчитывалась по формуле (4). В
качестве рабочей среды использовалась вода.
Известно, что если профиль вращающихся ножей
режущих машин очерчен по дуге логарифмической
спирали, то угол резания (угол между лезвием ножа и
направлением
его
скорости
вращения)
остается
постоянным вдоль всей кромки ножа, что обеспечивает
Рис. 18. Схема расчета длины
сегментов режущей кромки.
меньший его износ. Основным недостатком ножей,
12
выполненных по логарифмической спирали, является трудность выполнения заточки.
В [11,12] показано, что эта проблема решается путем выполнения режущей кромки
ножа в виде ломаной линии с i-ым количеством прямолинейных участков,
выполненных касательно к логарифмической спирали. Длина Li каждой режущей
кромки должна определяться из выражения (рис. 18):
Li  Li 1 
Ri 1
,
Ri
(4)
где Ri-1 – расстояние от оси вращения ножа до середины (i-1)-ой режущей кромки;
Ri – расстояние от оси вращения ножа до середины следующей режущей кромки.
В [12] приводится формула Li  Ri2  Ri21  2Ri Ri 1 cos i (5), где φi - угол между
Ri и Ri+1. Результаты сравнения длин сегментов заточки образца №1 с рассчитанными
по формулам (4) и (5), приведены в таблице 5.
Таблица 5 – Длины режущей кромки ножа для чаши радиусом 320 мм
Сегмент
1
2
3
4
5
Длина, рассчитанная по (4), м
0,118
0,08
0,066
0,057
0,055
Длина, рассчитанная по (5), м
0,086
0,086
0,085
0,055
0,32
Длина реальная, м
0, 075
0,105
0,09
0,07
0,06
Использование формулы (3) уменьшает длину каждого
следующего
участка
режущей
кромки,
что
снижает
гидравлическое сопротивление [11,12]. Пенопластовая модель
ножа, форма которого выполнена в соответствии с формулой
(4), крошилась почти по всей длине кромки; в соответствии с
формулой (5) – только в 3 и 4 сегментах (рис. 19), поэтому,
Рис. 19. Разрушение
кромки пенопласта
скорее всего, форма режущей кромки, рассчитанная по формуле (4), оптимальна.
4.3. Форма лезвия
В [11, 12] предлагается уменьшать угол заточки
лезвия по мере увеличения расстояния от оси вращения

до режущей кромки, угол заточки должен быть замерен
на плоскости, проходящей через нормаль к углу
вхождения ножа в фарш, что позволит снизить
лобовое сопротивление внедрения лезвия ножа в
продукт.


 


а)
б)
в)
г)
Рис. 20. Профили поперечного
сечения лезвий: β - угол заточки,
β1 - угол заточки первой ступени,
β2 - угол заточки второй ступени.
13
В [23] для профиля с рис. 20, а рекомендуют угол заточки   15 , для
односторонней двухступенчатой заточка (рис. 20, б)
   20 ,   15
углы
и шириной фаски первой
ступени 1-2 мм. Возможна многоступенчатая заточка
(рис. 20, в) с углами        .
Рис. 21. Профиль
поперечного сечения лезвия.
Фирма, Cremer+Grabe рекомендует одностороннюю параболическую форму
заточки (рис. 20, г).
В [1, 22] предлагается
   14 и   27  2 (рис. 21), так как при
  30 снижается качество измельчения и резко уве-личивается скорость нагрева
фарша, возникают значительные изгибающие силы, которые могут стать причиной
вибрационных (усталостных) трещин, при
  30
снижается
стойкость режущей кромки ножа. В [7] предпочтение отдаётся
ассиметричному клину с углом при вершине от 150 до 300.
Углы заточки ножей выработаны практикой без достаточных
теоретических оснований [23]. Односторонняя заточка позволяет
получать более острую режущую кромку на массивном клинке.
Наибольшей прочностью обладают ножи с выпуклой формой заточки
(рис. 20, г).
В образце №1 β = 100, β1 = 170 и одинаковы по всей длине
лезвия.
Нами предложено заточку сделать двусторонней с углами 1i и

F3


F2 1  2 F2


Fс 
F1
F1
Рис. 22. Силы,
действующие
на торец ножа.
 2 i , позволяющими скомпенсировать силы, вызывающие циклическую нагрузку. Если
заточку сделать двусторонней, то появится сила F’, аналогичная F, и углы 1i и  2 i
можно подобрать так, чтобы F  F  (рис. 22), т.е.

4
n
 Sii2 sin  i sin 1i 
i 1
n

 2  n
 
чаши   Si sin  i S  
4
 i 1
 4
n
S
i 1
2
i i
sin  i sin  2i .
Откуда

2
2
.
Sчаши
  Si sin  i i2 sin  2i  sin 1i   чаши
i 1
Если контур ножа сделать по логарифмической спирали, то угол, составляемый
касательной в любой точке логарифмической спирали с радиус-вектором точки
касания, постоянный и зависит лишь от параметра b:
14
cos  i 
2
Sчаши

k
1 k
sin  
 const ,
2
 S  sin 
n
1
1 k
2
i 1
i
2
i
2i
1
1 k2
; k  ctg  0,384 ,

2
.
 sin 1i   чаши
Скорость i  2Ri . Логарифмическая спираль (рис. 23) обладает таким
свойством: последовательность длин радиусов, образующих одинаковые углы друг с
другом,
также
n
n
i 1
i 1
составляет
i  2  Ri  2R
геометрическую
прогрессию,
т.е.
1  ekn
.
1  ek
Площадь
n
n 1
i 1
i 1
 Si  
режущей
кромки
Ri 1  Ri
h
h
R e kn  1 , где
cos 
cos 
h- ширина заточки (обычно h=2см), угол
 
120
n
(   24
определяется
Рис. 23. Логарифмическая спираль.
из
при
условия
n=5),
R
равенства
максимального радиуса Rn радиусу чаши.
При условии  2i  1i  27 можно вычислить углы 1i и  2 i по формуле
2
Sчаши

 2R  sin 

n
h
R ekn  1 
i 1
1  k 2 cos 
1
Так как F1 

4
n
S
i 1
2
i i
2
i
2i

2
(6).
 sin 1i   чаши
cos  i sin 1i и F1 

4
n
S
i 1
2
i i
cos  i sin  2i зависят от
синуса угла заточки, то чем меньше углы 1i и  2 i , тем меньше величина
нескомпенсированной силы F1  F1 .
При двусторонней форме заточки трение тыльной стороны ножа о фарш
значительно уменьшается из-за отброса фарша от заточки, что способствует
меньшему нагреву фарша. Профиль заточки предлагается сделать максимально
обтекаемым (по параболе), чтобы ослабить силы вязкого трения (силы сопротивления
среды). Поскольку расчет сил с помощью МКЭ представляет серьезные сложности,
мы эти силы просто оценивали.
Основные результаты по направлению 2: выявлено, что 1) важной причиной
многоциклового усталостного излома являются поперечные колебания, возникающие
от циклически действующей поперечной силы; 2) причиной разрушения не являются
15
автоколебания, возникающие от перекоса консольной оправки-заделки; 3) циклическая
поперечная сила в процессе куттерования возникает из-за неоднородности по
плотности среды; 4) временная зависимость площади режущей кромки, находящейся в
фарше, носит нелинейный характер (формула 1 и рис. 14); 5) при ударном воздействии
ножа на фарш наибольшее влияние на изгиб ножа перпендикулярно оси вращения

оказывает нормальная составляющая силы сопротивления среды Fс (формула 2); 6)

наибольшее влияние на изгиб ножа вдоль оси вращения оказывает суммарная сила F ,

состоящая из тангенциальной составляющей силы Fс и силы давления фарша
(формула 3); 8) усилие резания в каждой точке будет минимальным, если кромка ножа
будет состоять из отрезков касательных к логарифмической спирали с длиной,
рассчитанной по формуле 4; 9) углы заточки ножей выработаны практикой без
достаточных теоретических оснований; 10) при двусторонней заточке с углами в

основании 1i и  2 i , полученными из уравнения (6), сила F будет скомпенсирована.
5. Выводы
Предлагается: 1) в техническую документацию внести требования к величине
твердости поверхности ножа, которая должна плавно повышаться от основания
крепления (37-42 HRC) до режущей кромки (54-58 HRC); 2) удалять поверхностный
слой с кавернами от вдавленной окалины, увеличив глубину шлифовки; 3)
периодически проводить шлифовку области крепления; 4) режущую кромку делать в
форме набора отрезков касательных к логарифмической спирали; 5) угол заточки
делать двусторонним с углом при вершине
i  1i   2i
и придать лезвию
параболическую форму, позволяющую уменьшить силу сопротивления среды.
Практическая значимость: увеличение износостойкости куттерных ножей
приводит к значительному экономическому эффекту, так как разрушение ножа до
окончания срока эксплуатации 1) требует закупки нового комплекта ножей; 2) вызывает
простой куттера, производительность которого свыше 3500 кг/час; 3) часто вызывает
повреждение куттера (куттер с чашей емкостью от 300 л стоит несколько млн. руб.); 4)
делает фарш не пригодным для дальнейшей обработки вследствие попадания осколков
металла.
Дальнейшие направления исследования: изучить износостойкость куттерных
ножей при 1) изменении типа стали на более пластичную; 2) использовании
газотермического или высокоскоростного газопламенного напыления; 3) применении
16
трехслойных ножей (центр ножа состоит из твердой тонкой пластины, а по бокам – из
стойкой к знакопеременным нагрузкам стали, так как при изгибающих нагрузках одна
сторона испытывает периодические растяжения, другая сжатия, а середина
испытывает минимальные деформации); 4) исследовать возможность использования
такого металла в пищевом производстве и просчитать экономический эффект; 5)
рассчитать оптимальные углы i  1i   2i .
Апробация: доклад на 45 научно-технической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века – будущее российской науки»,
ЭПИ МИСиС, апрель 2011, участие в конференции-конкурсе "ЮНИОР"-2012 (призер
II степени), доклад на V Международной научно-практической конференции
учащихся и студентов, Протвино, февраль 2012. Первичные результаты исследования,
переданные ЗАО «КЛИПМАШ», были отмечены благодарностью руководства завода.
6. Литература
1.
Электронный ресурс. http://www.dvak.ru/index.php?a=881
2.
Электронный ресурс. http://www.antes.ru/catalog/meat/250.html
3.
Электронный ресурс. http://www.evomarket.ru/index.php?target=products&product
4.
Электронный ресурс. http://www.espomeat.ru/article_8.html
5.
Электронный ресурс. http://www.tvs-m.ru/lang/menu.asp?cmd=draw&groupid=91
6.
Кузьмин В.В. Совершенствование процесса резания мясного сырья на основе
математического моделирования формы режущих инструментов: Дис. к.т.н.: 05.18.12
С.-Петербург , 2008
7.
Пояснительная записка к курсовому проекту по предмету "Машины и аппараты"
Севастюк Т.В. Электронный ресурс. http://www.bestreferat.ru/referat
8.
Повышение эксплутационной надежности режущего механизма машин для
измельчения мясного сырья. Груданов В.Я., Самошкина С.Н., Белохвостиков Г.И.,
Павлов М.Я. Электронный ресурс. http://vesti.belal.by/vesti/pdf/19990121.pdf
9.
Бренч А. А. Повышение эффективности процесса куттерования мясного сырья на
основе разработки новых конструкций ножей: автореферат, УО "МГУП"- Могилев,
2004 -22 с.
10. Груданов В.Я., Бренч А.А., Филиппович М.О. Влияние геометрических
параметров ножей на качество куттерования. С. 36—40 Известия Нац. академии наук
Беларуси.
Сер.
физ.-техн.
наук,
2007,
No.1
http://nasb.gov.by/rus/publications/vestift/vth07_1.php
17
11. Анализ конструкции ножа куттера с режущей кромкой в виде ломаной линии.
Желудков А.Л., Акуленко С.В., http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Otkhv/09_22/6.pdf
12. Методика инженерного расчета куттерных ножей Желудков А.Л., Акуленко С.В.
МГУП г. Могилев, Электронный ресурс. http://www.mgup.mogilev.by/
13. А. Тонков «Куттерные ножи. Их влияние на качество колбасных изделий.
Особенности заточки» Журнал «Мясные технологии» август 2005, № 8 (32)
14. Электронный ресурс. http://ru.wikipedia.org/wiki/%CD%EE%E6_%EA%F3%F2%F2
15. Электронный ресурс. http://www.klipmash.ru/ (производитель)
16. Электронный ресурс. http://cutter-snab.narod.ru/cutknife1.htm
17. Электронный ресурс. http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=41146
18. Дорохов В.П. Разработка рационального режима процесса измельчения мясного
сырья при получении фарша для сырокопченых колбас - 05.18.12 — М., 2006
19. Электронный ресурс. http://www.textreferat.com/referat-2202-20.html
20. Электронный ресурс. http://www.physbook.ru/index.php/Т._
21. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. «Материаловедение» М.: Машиностроение, 1990,
320 с.
22. Электронный ресурс. http://cutter-snab.narod.ru/cutknife1.htm
23.
Бареян
А.Г.
Геометрия
заточки
ножей.
http://dm.ncstu.ru/self-
sharpening/geometry.htm
24. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. «Материаловедение» М.: Машиностроение, 1990,
320с.
25.
Электронный
ресурс.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D3%F1%F2%E0%EB%EE%F1%F
26. Методические указания. Расчеты и испытания на прочность. Классификация видов
изломов металлов РД 50-672-88
27. Сопротивление материалов. Электронный учебный курс для студентов. Каримов
И. http://www.soprotmat.ru/izgib.htm
28. Электронный ресурс. http://www.antes.ru/kutter.htm
29. Электронный ресурс. http://www.zaoconstanta.ru/noji-kutternye.php
30. Электронный ресурс. http://www.boskplus.ru/images/news/konk.htm
31. Зубченко А.С., Колосков М.М., Каширский Ю.В. «Марочник сталей и сплавов»
2-е издание доп. и испр. М.: «Машиностроение», 2003, 784с.
32. Электронный ресурс. http://www.bestreferat.ru/referat-215499.html
18
Скачать