Розроблення методів проектування ресурсозберігаючих технологій виготовлення деталей обладнання харчових виробництв

Abstract

Дисертація присвячена розробленню методів дослідження закономірностей процесів формоутворення деталей обладнання харчових виробництв з порошкових та пористих матеріалів. Метою роботи є наукове обґрунтування ресурсозберігаючих технологій виготовлення конструктивних елементів обладнання харчових виробництв з використанням методів математичного моделювання процесів деформування дисперсних матеріалів. У першому розділі роботи була проведена класифікація деталей машин і апаратів харчових виробництв, встановлені умови та особливості їх експлуатації. На основі проведеної класифікації з врахуванням критеріїв обмеженості ресурсу елементів обладнання запропоновано ряд типових деталей машин і апаратів харчової промисловості, що доцільно отримувати методами порошкової металургії. Встановлено, що: - при моделюванні процесів деформування порошкових і пористих середовищ існує два підходи - дискретний і континуальний; основним підходом є континуальний підхід; моделі пластичної течії порошкових і пористих матеріалів відрізняються і відображають той факт, що пористі матеріали чинять опір навантаженням розтягування, а порошки - ні; найбільш поширеним методом моделювання при вирішенні задач деформування порошкових і пористих матеріалів є метод скінчених елементів, який реалізований у багатьох універсальних програмних системах; в сучасні програми імплементовані різні моделі пластичної течії окремо для порошкових і пористих матеріалів; практичне застосування існуючих програмних систем обмежується тим, що ці моделі реалізовані не разом. В результаті був зроблений висновок, що задача проведення наукового обґрунтування методів проектування ресурсозберігаючих технологій виготовлення деталей обладнання харчових виробництв є актуальною. У другому розділі розроблена математична модель процесів формоутворення структурно-неоднорідних пористих матеріалів. Проведено наукове обґрунтування вибору моделі пластичного деформування порошкових матеріалів. На основі узагальненої моделі пластичного деформування порошкових і пористих матеріалів та методу скінчених елементів розроблено методику визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів ресурсозберігаючих технологій виготовлення деталей обладнання харчових виробництв. Порівняння результатів обчислень з результатами, отриманими іншими авторами, підтвердило адекватність розробленої методики моделювання. У третьому розділі проведені дослідження процесів одержання деталей конструкційного призначення машин і апаратів харчових виробництв з пористих спечених заготовок. Розглянуті процеси отримання втулок циліндричної форми методом штампування, штампування деталей, що мають внутрішню конусоподібну поверхню та процеси отримання втулок із внутрішнім фланцем методом радіального видавлювання. Встановлено, що: наявність радіальної течії при штампуванні виробів типу "втулка" призводить до підвищення рівня накопичених пластичних деформацій матеріалу; при штампуванні біметалевих заготовок, що мають внутрішню конусоподібну поверхню, уникнути явища видавлювання менш міцного шару з під більш міцного можна за рахунок відмінності початкових пористостей шарів; на заключному етапі радіального видавлювання втулки із внутрішнім фланцем розподіл щільності за об`ємом виробу вирівнюється, при цьому розподіл величини накопиченої пластичної деформації істотно нерівномірний; при зворотному видавлюванні наявність недосконалих контактів у матеріалі пористих заготовок призводить до появи зон розущільнення порошкового матеріалу та зменшення величини накопиченої пластичної деформації в цих зонах. Моделювання процесів одержання фільтруючих елементів для технологічного обладнання спиртового виробництва проведено в четвертому розділі. Розглянуті процеси пресування фільтруючих елементів циліндричної форми та фільтруючих елементів складної форми у вигляді колби. Встановлено, що: розподіл величини пористості при радіально-ізостатичному пресуванні порошкового фільтруючого елемента циліндричної форми нерівномірний, зі збільшенням радіуса величина пористості зростає; при виготовленні багатошарових фільтруючих елементів доцільно застосовувати схему ущільнення на оправку, а не на матрицю; величина пористості при пресуванні порошкових фільтрів у вигляді колби розподілена за об`ємом виробу нерівномірно, її розподіл залежить від схеми ущільнення - застосування комбінованої схеми дозволяє отримати більш рівномірний розподіл пористості. П'ятий розділ присвячений результатам практичного застосування дисертаційної роботи. Результати комп'ютерного моделювання і встановлені закономірності пресування пористих заготовок були використані при одержанні багатошарових фільтрів, виготовлених методом радіально-ізостатичного пресування. Основні результати роботи впроваджено у виробництво на Луцькому МПД ДП «Укрспирт» (м. Луцьк) для очищення технічних рідин від механічних забруднень. Використання розроблених одношарових фільтруючих елементів із порошку сталі ШХ15 підвищує рівномірність поророзподілу фільтруючих матеріалів на 20-30% і збільшує проникливість на 15-20% у порівнянні з аналогічними традиційними фільтруючими матеріалами. Результати роботи впроваджено також на підприємстві ТОВ “ГРАНТЕХ ІНЖИНІРИНГ”. Отримані результати дозволять розробити високопродуктивні технології виготовлення з порошкових матеріалів запасних частин для окремих вузлів прес-гранулятора. The dissertation is devoted to the resource - saving technologies designing methods development of manufacturing parts of food production equipment. The aim of the work is scientific substantiation of manufacturing technologies for food productions equipment structural elements by the mathematical modeling methods for dispersed materials deformation processes using. In the work first section the classification of machines parts and devices of food production was carried out, the conditions and features of their exploitation were established. On the basis of the classification carried out, taking into account the criteria of the equipment elements limited resource, a number of typical parts of machines and apparatus of the food industry have been proposed; it is advisable to obtain them by methods of powder metallurgy. It is established that: - there are two approaches - discrete and continuous for modelling of powder and porous media deformation processes; - the main approach is a continuous approach; - the powder and porous materials plastic flow models are differ from each other and reflect the fact that porous materials resist tensile load, while powders - no; - the most common method of modelling in solving problems of powder and porous materials deformation is the finite element method, which is implemented in many universal software systems; - various plastic flow models are implemented in modern programs for powder and porous materials separately; - practical application of existing software systems is limited by the fact that these models are not implemented together. As a result, it was concluded that the task of scientific substantiation of methods for designing resource-saving technologies for the manufacture of food production equipment parts is relevant. In the second section the formation processes mathematical model of structurally inhomogeneous porous materials is developed. The scientific substantiation of the powder materials plastic deformation model selection is carried out. On the basis of the powder and porous materials plastic deformation generalized model and the finite elements method, the definition of technique for rational constructive-technological parameters resource-saving manufacturing technologies of food production equipment parts is developed. Comparison of the calculation results with the results obtained by other authors confirmed the adequacy of the developed modeling methodology. In the third section researches of processes of reception of details of a design purpose of machines and apparatus of food manufactures from porous sintered preparations are carried out. The processes of obtaining cylindrical bushings by the method of stamping, stamping of parts having an inner conical surface and the processes of obtaining bushings with an inner flange by the method of radial extrusion are considered. It is established that: - the presence of radial material flow during stamping of products “bushing” type leads to the increasing of the level of accumulated material plastic deformations; - when stamping bimetallic blanks having an inner conical surface, the phenomenon of extrusion of a less strong layer from under a stronger layer can be avoided due to the difference in the initial porosity of the layers; - at the final stage of radial extrusion of the bushing with an internal flange distribution of density on volume of a product is equalized, thus distribution of value of the saved plastic deformation is essentially uneven; - during back-extrusion, the presence of imperfect contacts in the material of porous blanks leads to the appearance of loosening zones of the powder material and a decrease in the value of accumulated plastic deformation in these zones. The modeling of processes of obtaining filter elements for technological equipment of alcohol production is carried out in the fourth section. The pressing processes of filter elements of cylindrical shape and filter elements of complex shape in the form of a flask are considered. It is established that: - the distribution of the porosity value during radial-isostatic pressing of the powder filter element of cylindrical shape is uneven, with increasing radius the porosity value increases; - in the manufacture of multilayer filter elements, it is advisable to apply the consolidation scheme on the mandrel, and not on the matrix; - the value of porosity at pressing of powder filters in the form of a flask is distributed on volume of a product unevenly, its distribution depends on the consolidation scheme, application of the combined scheme allows to receive more uniform distribution of porosity. The fifth section is devoted to the results of practical application of the work. The results of computer simulation were used to obtain multilayer filters made by the method of radial-isostatic pressing. The main results of the work were implemented in the production at the Lutsk MPD of SE "Ukrspirt" (Lutsk) for cleaning technical fluids from mechanical contamination. The use of the developed single-layer filter elements from BBS15 steel powder increases the uniformity of pore distribution of filter materials by 20 -30 % and increases permeability by 15 - 20 % in comparison with similar traditional filter materials. The results of the work were also implemented at the enterprise "GRANTECH ENGINEERING". The obtained results will allow to develop effective technologies for the production of spare parts from powder materials for individual units of the press granulator.