Анотація до роботи:

Лукасiк К. Науково-технічні основи пiдвищення ефективностi роботи та довговічності клапанних гомогенізаторів. - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.18.12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв. Національний університет харчових технологій, Київ, 2003.

Дисертація узагальнює результати теоретичних і експериментальних досліджень з метою підвищення ефективності та довговічності обладнання для здійснення процесу гомогенізації - клапанних гомогенізаторів тиску (ГТ).

Розроблені теоретичні передумови побудови загальної концепції оптимізації конструкції ГТ з метою підвищення довговічності їх деталей і ефективності процесу гомогенізації. Досліджено вплив конструкційно-технологічних чинників на інтенсивність і характер зношування їх деталей. Методами комп’ютерного моделювання вивчено вплив геометричних параметрів і конструкційних форм клапанів на динаміку руху дисперсних часток. Дано кількісну оцінку величини навантаження поверхневих шарів клапанів. Запропоновані методи зниження енергетичних витрат в системі клапана. Визначена зносостійкість нових конструкційних матеріалів та покриттів, які забезпечують суттєве підвищення довговічності ГТ.

Виконані експериментальні та теоретичні дослідження показали, що існують значні резерви підвищення ефективності роботи і довговічності клапанних гомогенізаторів.

Використаний в роботі системній підхід забезпечує комплексне вирішення технологічних, конструкційних, енергетичних, трібологічних та інших аспектів завдань, націлених на створення високопродуктивного і надійного конкурентоспроможного обладнання для оброблення харчових продуктів.

Одержані в роботі з використанням сучасних методів і засобів дослідження результати дають підстави відмітити наступне:

1. Встановлено, що ефективність та енергоємність процесу гомогенізації на ГТ, а також інтенсивність і характер зношування деталей клапанів (особливо на найбільш важливому початковому етапі їх експлуатації), які визначаються гідромеханічними характеристиками руху РНС, у вирішальній мірі залежать від геометричних параметрів та конфігурації клапанів.

Результати натурних спостережень, мікротопографічних досліджень та комп’ютерного моделювання показали, що характер та інтенсивність спрацювання деталей клапанів визначається інтенсивністю процесів гідроерозії, кавітації, щілинної ерозії та абразивного зношування з урахуванням корозійної активності робочих середовищ. Їх кінетика та співвідношення залежать від геометричних параметрів елементів клапанів, що обумовлює можливість керування рухом дисперсної фази, а, як наслідок, і процесами зношування.

2. Застосування комп’ютерного моделювання гідромеханічних процесів в області робочої щілини дало можливість знайти конструкторські рішення, які сприяють розділенню зон концентрації інтенсивних процесів зношування та які забезпечують суттєве (в 2…15 разів) зменшення інтенсивності спрацювання.

3. Встановлено, що найбільш ефективним для вирішення проблеми підвищення зносостійкості клапанів є виключення можливості розвитку кавітації у взаємозв’язку з урахуванням характеру руху дисперсної фази, i за допомогою термоактивацiйного методу виявленi зони кавiтацiйного руйнувания. При цьому вирішальне значення має дія відцентрових сил на частки дисперсної фази при їх русі в підобласті входу до щілини.

4. На підставі аналізу результатів експериментальних досліджень і спостережень, а також комп’ютерного моделювання процесу гомогенізації встановлено, що ефективність роботи ГТ визначається в основному градієнтами швидкості потоку рідини в робочій зоні клапана, які залежать від величини тиску гомогенізації та гідравлічних втрат. Показано, що ефективність використання енергії потоку для здійснення процесу гомогенізації залежить також від ступеня перемішування потоку, що може бути реалізовано розміщенням препон по ходу потоку, наявністю зон кавітації та стрибкоподібною зміною тиску в місці входу до щілини.

5. Встановлено, що підвищення ефективності роботи ГТ забезпечується підвищенням максимальної швидкості потоку в щілині, реалізація якого можлива при коротких довжинах щілин і оптимізованій висоті, а також при різкій зміні напрямку течії в області виходу із щілини.

Використовувані на практиці гомогенізаційні головки з довгими щілинами у вигляді дифузору спричинюють зростання втрат енергії і зниження ефективності процесу.

6. Показано, що енергоємність процесу гомогенізації визначається потрібною ефективністю та ступенем диспергування, котра знижується із зростанням енергетичних втрат. Величина та розподіл цих втрат залежать від характеру течії РНС та геометричних параметрів елементів клапана.

В роботі всебічно вивчено вплив форми і параметрів робочих ділянок клапана та запропоновані рекомендації з їх раціонального вибору, що забезпечує підвищення ефективності процесу гомогенізації на 3…11 %.

7. Запропонована залежнiсть для визначения критичноi густини потоку потужностi деформациiї, який дае можливiсть кiлькiсно оцiнити iнтенсивнiсть поверхневнего навантажения деталей клапана i порiвнювати конструктивнi рiшення системи клапана.

8. Виконаний комплекс трібологічних досліджень дав можливість визначити зносостійкість ряду матеріалів при різних видах зношування у взаємозв’язку з конструкційними факторами стосовно до клапанів ГТ.

З металевих матеріалів найвищу зносостійкість показали стеллiтові сплави, зносостійкість яких до 80 раз перевищує зносостійкість серійних деталей з сталі 20Х17Н2.

Дослідження деталей з металокерамічних матеріалів та спечених карбідів показали, що їх зносостійкість визначається матеріалом матриці з урахуванням електрохімічних характеристик робочих середовищ. Перспективними є сплави типу інконель, ніхром; сплави на основі кобальту можуть використовуватись в основному в нейтральних середовищах.

Найбільш перспективними та зносостійкими матеріалами для деталей клапанів є керамічні матеріали на основі оксидів алюмінію та цирконію. Однак, їх використання потребує вдосконалення конструкції клапана, яка виключає появу ударних навантажень (така конструкція запропонована в роботі).

9. На підставі виконаних досліджень зносостійкості різних матеріалів та покриттів розроблені рекомендації по вибору методів поверхневого зміцнення, які забезпечують суттєве підвищення довговічності плунжерів гомогенізаторів.

Застосування тонкошарових покриттів TiN, CrN, TiC, одержаних методами PA PVD, CVD з попереднім азотуванням забезпечує підвищення зносостійкості плунжерів до 6 разів порівняно із серійними.

10. Впровадження одержаних в ході виконання роботи рекомендацій з удосконалення конструкції клапана та використання зносостійких матеріалів і покриттів на ряді переробних підприємств Польщі забезпечило одержання значного економічного ефекту до 1300 дол. США (5450 PLN) на гомогенiзатор i пiдвищення якостi продукцiї.

Публікації автора:

Фахові видання

1. Niszczeta W., ukasik K., Weroсski W. Obliczanie prкdkoci ruchu strumienia proszkowego w urz№dzeniu do metalizacji natryskowej// Przegl№d Spawalnictwa - 1994, - №4.-P.98-103.

Особистий внесок - проведення промислових випробувань, розробка концепції моделі обчислення, підготовка дослідних зразків, обробка результатів досліджень.

2. Niszczeta W., ukasik K., Fijaіkowski S., ozak M. O tribologicznych uwarunkowaniach procesu homogenizacji przy wytwarzaniu zdrowej їywnoci// Tribologia. - 1996, - № 6. - P.740-752.

Особистий внесок – виконання експериментальних досліджень , розробка моделі процеса зношування, обробка та аналіз результатів досліджень.

3. Fijaіkowski S., ukasik K. Preliminary identification of ageing processes in homogenizing valves in the aspect of healthy food production// Part I - analysis of the valve system: AMPT - Gimares (Portugal) -1997, - Vol.II, - P.643-649.

Особистий внесок - опрацювання концепції досліджень, підготовка зразків для промислових випробувань, обробка результатів досліджень.

4. ukasik K., Fijaіkowski S. Preliminary identification of ageing processes in homogenizing valves in the aspect of healthy food production. Part II - mvestigations on destructive influences in the valve system: AMPT - Gimares (Portugal) -1997, - Vol.II, - P.649-655

Особистий внесок – розробка програми досліджень, проведення промислових випробувань, обробка та аналіз результатів досліджень.

5. ukasik K. Fijaіkowski S. O przyczynach starzenia fizycznego zaworуw homogenizuj№cych w aspekcie ujкcia systemowego// Problemy Eksploatacji - 1997, - №3. -P. 249 - 260.

Особистий внесок – проведення експериментальних досліджень, концептуальний аналіз та обробка результатів досліджень

6. ukasik K. Osobliwoci ksztaіtowania wіasnoci warstwy wierzchniej poprzez dynamiczne dziaіanie ruchomych cz№stek materii// Folia Societatis Scientiarum Lublinensis -1998, - Vol7, - P.88-100.

7. Tarkowski P., ukasik K., Budzyсski P., Likiewicz J.: About possibility of improving durability of metal forming tools by ion implantation// Nukleonika -1999. - Vol.44. - № 2. - P. 247-252.

Особистий внесок - підготовка робочих елементів та проведення промислових випробувань, аналіз процеса зношування, обробка результатів досліджень.

8. ukasik K. Badanie kinetyki zuїycia zaworуw urz№dzeс do homogenizacji cinieniowej// Folia Societatis Scientiarum Lublrnensis - 2000, - Vol.9, - P. 9-17.

9. Литвиненко О.А., Некоз О.И, Лукасік К. Перспективні матеріали для виготовлення робочих вузлів гідродинамічних кавітаційних апаратів/ Наукові праці УДУХТ. - Київ - 2001, - 146 с.

Особистий внесок - проведення промислових випробувань, підготовка керамічних зразків робочих елементів, обробка результатів досліджень.

10. Чернец М., Лукасик К. До оцінки зносостіийкости матеріалів мінеральними частинками// Проблеми трибології. - 2001, - № 4. - С. 143-150.

Особистий внесок - проведення лабораторних досліджень, вибір матеріалів, підготовка зразків, обробка та аналіз результатів досліджень.

11. Лукасік К.М. Абразивна зносостійкість конструкційних матеріалів// Проблеми трібології. - 2001, - №1. - С. 35-43.

12. Лукасик К. Сравнение зксплуатационных характеристик материалов плунжеров насосов гомогенизаторов повышенного давлення/ Наукові праці УДУХТ. - Київ, -2001, - 146 с.

13. Steczyszyn M., ukasik K., Nekoz A. Porуwnanie parametrуw elektrochemicznych wybranch materiaіуw konstrukcyjnych w kwanym rodowisku soku jabіkowego// Folia Societatis Scientiarum Lublinenzis. - 2001. - Vol.10, - P.95-103.

Особистий внесок - проведення лабораторних потенціодинамічних досліджень, аналіз результатів досліджень.

14. ukasik K., Pedzich Z. Zuїycie ceramiki TZP i kompozytu TZP/WC w rуїnych warunkach// Tribologia. - 2001. - № 6. - P. 1087-1101.

Особистий внесок - проведення лабораторних досліджень, вибір матеріалів, обробка та аналіз результатів досліджень.

І5. Лукасік К.М. Гомогенизация пюреподобных фруктово-овощньгх соков// Вісник ТУП.- 2002. - №1. - С. 164-169.

16. ukasik K. Wykorzystanie zjawiska kawitacji w procesach przemysіowej obrуbki mieszanin dwufazowych// Hydraulika i Pneumatyka. - 2002. - №2. - P. 18-21.

17. ukasik K. Przykіad modyfikacji konstrukcji stoїkowego zaworu homogenizuj№cego w celu zmniejszenia intensywnoci zuїycia hydrociernego// Hydraulika i pneumatyka - 2002.-№3. -P.20-22.

18. ukasik K. Сравнение виброакустических характеристик различной конструкционной формы клапанов гомогенизаторов давления// Вісник ТУП. - 2002. - №6. - С.178-182.

19. ukasik K. Moїliwoci analizy wibroakustycznej i badaс diagnostycznych systemu przepіywowego zaworуw homogenizuj№cych// Diagnostyka. - 2002.-Vol.26.- P. 111-115.

20. ukasik K. Przykіady spektrogramуw JTFA zarejestrowanych w wybranych warunkach pracy homogenizatora cinieniowego// Diagnostyka. - 2002 - Vol.27, - P. 111-115.

21. ukasik K. Analiza ruchu cz№steczek fazy rozproszonej w systemie zaworu homogenizuj№cego obejmuj№ca zmniejszenie jego zuїycia erozyjnego// Hydraulika i pneumatyka - 2002.- №4. - P.22-25.

22. Лукасик К. Некоз О.І., Сухенко Ю.Г. Дослідження впливу геометричних параметрів на експлуатаційні характеристики клапанів гомогенізаторів// Харчова і переробна промисловість. - 2003. - №2 (276) - С.94-95.

Особистий внесок - проведення лабораторних досліджень, підготовка елементів, обробка результатів досліджень.

23. ukasik K. Moїliwoci wykorzystania badaс wibroakustycznych w ocenie pracy zaworu homogenizuj№cego// Hydraulika i pneumatyka - 2003. - №2. - P. 14-18.

Патенти

24. Gіowica do zaworуw homogenizuj№cych, zwіaszcza ceramicznych: Al 131549/ ukasik K. Заявлено 17.02.1999; Опубл. 28.08.2000, Biuletyn Urzкdu Patent. RP №18 (696) 2000, - l c.

25. Патент України № 54242А B01F5/06. Клапан до гомогенізатора для харчових продуктів/ К.Лукасік, О. Некоз, О. Литвиненко. Заявлено 19.06.2002. Опубл. 17.02.2003. Бюл.№2. - 2с

Особистий внесок - концепція конструктивної схеми, проведення промислових досліджень.

Тези доповідей

26. Niszczeta W.W., ukasik K. M., Weroсski W. S. Zwiкkszenie odpornoci erozyjnej elementуw regenerowanych w oparciu o matematyczny model ich zuїycia// Konferencja Regeneracja 95. - Bydgoszcz (Poland) - 1995, - P.54-62.

Особистий внесок - проведення промислових випробувань, розробка моделі процеса зношування, обробка та аналіз результатів досліджень.

27. ukasik K., Wendler B., Chejchman Z. The effect of a titanium carbide coating on the life of cutting tools// BAMFAC 98. -Vilnius - 1998, - P.68-74

Особистий внесок - проведення лабораторних досліджень, розробка концепції статті, підготовка зразків, обробка результатів досліджень.

28. Лукасик K. M. Вплив покриття з карбіду титану, утвореного посереднім методом, на твердість різального инструменту// 4-й міжнародний симпозіум украінських інженерів-механіків у Львові. - Львів. - 1999, - Р.132.

29. ukasik K. M. Comparison of a selected materials for homogenizing valves// Труды 6-й Междунар. Конф. "Проблеми та перспективи створення і впроваждення нових ресурсо-та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості" - ч. III. УДУХТ. - Київ - 2000, - С.94.

З0. Лукасік К. Влияние интенсивности структурных преобразований в пластически деформированных сталях на их коррозионную устойчивость// Труды 6-й Междунар. конф. "Проблеми та перспективи створення і впроваждення нових ресурсо-та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості" - ч. III. УДУХТ - Київ - 2000, - С.78-79.

31. Лукасик К. Сравнение абразивной износостойкости избранных конструкционных материалов/ Міжнар. науково-технічна конф. ЗНМ 2000 Хмельницкий 2000, - 60 с.

З2. Чернец М.В., Лукасик К. До оцінки зносостійкости матеріалів під дією мінеральних частинок/ Міжнар. науково-технічна конф. ЗНМ 2001 Хмельницкий 2001, -70c.

Особистий внесок - проведення лабораторних досліджень, вибір матеріалів, підготовка зразків, обробка та аналіз результатів досліджень.