Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 4
1.1 Мясо как объект измельчения 4
1.1.1 Особенности строения и механические свойства мяса 4
Механическая переработка мяса, как напряженно-деформационные ' процессы
1.1.3. Диаграмма деформации мяса 23
Задачи и методы экспериментально-теоретических исследований деформации свойств мяса
1.1.5. Определение усилия резания 27
1.2. Обзор машин для измельчения мяса 33
1.2.1. Конструктивные особенности волчков 34
1.2.2. Основные методы расчета мясорезательных машин 42
1.2.3. Краткие выводы и задачи исследований 46
Аналитические исследования процесса измельчения мяса на волчках
2.1. Исследование процесса истечения мяса через решетку 49
Влияние диаметра отверстий решеток на усилие продавливания мясного сырья
Влияние коэффициента эффективности использования площади решетки на давление истечения
Влияние формы взаимного расположения отверстий на усилие продавливания сырья
2.2. Силовое взаимодействие режущего механизма с материалом 59
3. Теоретическое исследование процесса резания мяса 63
3.1. Разработка математической модели волчка 63
3.1.1. Основные допущения 68
3.1.2. Постановка задачи 69
3.1.3. Расчет параметров процесса резания 71
3.1.4. Анализ основного уравнения процесса 77
Определение эффективности усилия резания по максимальному напряжению на разрыв
3.2. Моделирование процесса резания мяса чистым сдвигом 82
Экспериментальные исследования для определения предельного напряжения сдвига
Экспериментальные исследования процесса измельчения мясного
4. Сырья на волчке с возвратно-поступательным движением режущего органа
4.1. Устройство и принцип действия экспериментальной установки 96
4.2. Экспериментальные исследования 98
Определение расхода энергии в зависимости от частоты колебательных движений решеток
Определение производительности при колебательном линейном и вращательном резании 103
Определение влияния частоты колебательных движений решеток на степень измельчения
Определение влияния частоты колебательных движений решеток на производительность установки
Практическое применение результатов работы в промышленности
Разработка инженерной методики расчета измельчителя мяса с колебательным движением режущего механизма
5.2. Разработка промышленных образцов измельчителей мяса 122
Выработка опытной партии колбасных изделий из сырья измельченного на экспериментальной установке
5.4. Выводы и основные результаты работы 137
Список используемой литературы
- Особенности строения и механические свойства мяса
- Влияние коэффициента эффективности использования площади решетки на давление истечения
- Определение эффективности усилия резания по максимальному напряжению на разрыв
- Определение расхода энергии в зависимости от частоты колебательных движений решеток
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время технический рынок России по переработке мясного сырья существенно насыщен импортным оборудованием, что значительно обостряет конкуренцию, в которой побеждает тот производитель техники, у которого выработанная продукция имеет не только хорошее качество и товарный вид, но и более низкие затраты энергии на ее производство. Это относится и к технологическому оборудованию, используемого для измельчения мясного сырья.
Наиболее распространенной машиной для первичного измельчения мясного сырья служат мясорубки или, как их называют в отрасли волчки, но в их конструкции есть ряд факторов, существенно снижающих эффективность процесса резания и качество получаемого фарша.
В волчках режущая кромка ножа расположена по радиусу и при вращательном движении линейная скорость режущей части ножа изменяется в зависимости от величины радиуса.
Каждая точка режущей кромки имеет свою линейную скорость, поэтому невозможно добиться того, чтобы все полотно ножа однородно измельчало мясное сырье. Отсюда, наибольшая эффективность резания наблюдается только на более удаленной от оси вращения части режущей кромки и резко снижается ближе к оси вращения.
Структура фарша по сечению получается неоднородной: хорошо измельченная на периферии и хуже ближе к оси вращения. Конструктивные изменения режущей кромки, например придания ей серповидной формы или использование разных углов заточки, не дают ощутимого эффекта.
Можно расширить зону нормального измельчения за счет повышения частоты вращения ножей, но тогда на наиболее удаленных от оси вращения частях режущего инструмента возрастает до критической величины износ от контактных напряжений, возникают поломки, значительно возрастает температура фарша.
В связи с этим возникла идея осуществлять резание за счет возвратно-поступательного движения двух решеток, снабженных отверстиями или прорезями. В этом случае в любой точке плоскости поперечного сечения зоны резания будут одинаковые линейные скорости режущих элементов, т.к. в данных условиях они не будут зависеть от радиуса. Увеличивается и рабочее проходное сечение решетки из-за отсутствия оси вращения, что повысит производительность машины.
Такой способ измельчения может обеспечить одинаковую структуру фарша по всему поперечному сечению, создаст одинаковые условия резания для обеих решеток, входящих в режущею пару, снизит затраты энергии на измельчение, повысит надежность и долговечность режущего механизма.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы является создание теоретических и экспериментальных предпосылок, необходимых для разработки нового вида измельчителя мяса на основе возвратно-поступательного движения режущей пары.
С.-Петербург
ОЭ 2<юЫкт53д
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Установить основные закономерности и разработать математическую модель измельчения сырья чистым сдвигом.
-
Разработать методы и средства экспериментального исследования параметров режущего механизма.
-
Разработать конструктивные элементы возвратно-поступательного движения режущего механизма.
-
Разработать инженерную методику расчета режущего механизма измельчителя мяса.
-
Разработать, изготовить и испытать в производственных условиях новый вид измельчителя мяса.
Научная новизна. Экспериментально установлены зависимость между частотой колебательного движения режущего механизма и степенью измельчения мяса; предложена математическая модель процесса измельчения мяса механизмом с возвратно-поступательным движением режущих элементов; доказана целесообразность применения в волчках возвратно-поступательного движения режущего механизма, исследовано влияние режимных и конструктивных параметров установки на показатели качества мясного фарша.
Практическая ценность работы. На основе математической модели измельчителя мяса с возвратно-поступательным движением режущего механизма и результатов экспериментальных исследований предложена инженерная методика расчета измельчителя мяса. Определены основополагающие параметры конструкции измельчителя мяса. Впервые разработана техническая документация на изготовление экспериментального образца.
Расчетный экономический эффект на экспериментальный образец составил 34,2 тыс. руб.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 34 от 2003 года.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были обсуждены на 4-ой и 5-ой Международной научно-технической конференции «Пища. Экология. Человек», Москва, МГУПБ, 2001; 2003г.г.; на научно-методической конференции «Техника, процессы, расчеты и конструирование в подготовке инженера биотехнологических производств», Москва, МГУПБ, 2003 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Получен патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы, содержащего 144 источника и приложений. Основное содержание работы изложено на 150 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков и 7 таблиц.
Особенности строения и механические свойства мяса
Мясопродукты представляют собой сложные по химическому составу и структурному строению вещества. Они обладают значительной прочностью и способностью к диссипации подводимой к ним энергии, которая превращается в тепло. Нагревание измельчаемого мясопродукта вызывает в нем нежелательные физико-химические изменения. С целью предотвращения перегревания мяса процесс измельчения осуществляют в несколько стадий. Например, в волчках, в режущем механизме, используют ряд ножей и решеток с отверстиями, диаметр которых ступенчато изменяется от определяющего размера 0,06м до 0,003-0,002м в выходных решетках. На качественные показатели готовой продукции большое влияние оказывает состояние режущих органов измельчителей и качество процесса резания в рабочей зоне [130].
При комнатной температуре мясо по структуре молекул, характеру их связей можно отнести к анизотропным ориентированным, частично кристаллизованным твердообразным пространственным структурам [123].
Ткани, из которых состоит мясо, принято классифицировать по их промышленному значению. Различают мышечную, жировую, соединительную, хрящевую и костную ткани. Основным структурным элементом мышечной ткани является мышечное волокно, представляющее собой сильно вытянутую клетку [124]. Мышечные волокна слагаются в первичные мышечные пучки, в которых они разделяются прослойками соединительной ткани (эндомизием), связанными с волокнами. Эндомизий образован тонкими и нежными коллагеновыми волокнами, свободные пространства между которыми заполнены межуточным веществом. Первичные пучки объединяются в пучки вторичные, третичные и т.д. Пучки высшего порядка покрыты соединительной оболочкой — перимизием и в совокупности образуют мускул. Мускул также покрыт оболочкой — эпимизием. Основу соединительной ткани составляют лентовидные коллагеновые и нитевидные эластиновые волокна. Они входят в состав тонких бесструктурных перепонок и образуют вместе с ними губчатую структуру, в ячейках которой содержится тканевая жидкость. Из соединительной ткани построены оболочки мышечных пучков и мускулов — эндомизий, перемизий, элимизий и более крупные и прочные образования.
Жировая ткань представляет собой разновидность соединительной ткани, клетки которой содержат значительное количество нейтрального жира.
Хрящевая ткань построена из плотного основного вещества, в котором располагаются клеточные элементы. В состав мяса входит жалиновыи хрящ, построенный из коллагеновых волокон и пучков, подобно соединительной ткани. Коллагеновые волокна и пучки склеены аморфным веществом, содержащим в своем составе белковые вещества [124,125,123].
Подводя итоги из вышеизложенного, можно вполне определенно утверждать, что мясо представляет из себя систему структурированных белковых гелей, пропитанных тканевой жидкостью, которая является белковым золем, содержащим растворимые в нем органические и неорганические вещества. Ткани, составляющие мясо, принадлежат к природным биополимерам. Поэтому исследование их механических свойств на современном этапе проводится в основном в рамках представлений механики полимеров.
Механические свойства в самом общем виде определяются деформациями, которые происходят под воздействием силы. Деформации полимеров вообще и тканей мяса как биополимеров в частности, представима в виде суммы трех составляющих: упругой деформации — обратимой в фазе с напряжениями, остаточной— полностью необратимой и высокоэластической — обратимой, но не в фазе с напряжениями.
Упругая деформация связывается с изменением межмолекулярных расстояний, остаточная — с необратимыми перемещениями молекул на расстояния, большие, чем молекулярные размеры и высокоэластическая связывается с изменениями конформации полимерных цепочек. В качестве макроскопической характеристики деформированного состояния весьма удобно использовать циклическую диаграмму нагрузки-разгрузки, позволяющую проследить поведение образца в замкнутом цикле изменения внешней нагрузки.
Упругая деформация — обратимая в фазе с напряжениями. На рис.1 представлены циклические диаграммы є = є(т), полученные при сжатии образцов, вырезанных из длиннейшего мускула говяжьей туши, которые хранились 30 часов при температуре 2-3 С после убоя [71].
Циклическая диаграмма получена при такой последовательности режимов: сжатие мгновенно приложенной постоянной нагрузкой вплоть до точки (А), затем в интервале (АВ) выдержка при постоянном напряжении а „олзучести, после которой следует быстрая разгрузка, при этом в точке (С), У =0, после чего — длительный интервал (CD), в течение которого происходила релаксация деформации.
Влияние коэффициента эффективности использования площади решетки на давление истечения
Отметим экспериментально установленные черты высокоэластической деформации непосредственно выделяемой на циклической диаграмме рис.2.
1. Высокоэластическая деформация практически полностью релаксирует после разгрузки, но с течением времени, которое существенно зависит от температуры. Нагревание значительно ускоряет релаксацию деформаций.
2. В процессе разгрузки связь между напряжениями и деформациями тем более отклоняется от линейной (прямой, параллельной "гуковской"), чем меньше скорость разгрузки. Линия разгрузки на диаграмме растяжения- сжатия образует кривую, обращенную выпуклостью к оси абсцисс.
3. Высоко эластическая деформация есть результат обратимого изменения конфигурации высокомолекулярных структур.
4. Скорость высокоэластической деформации является функцией напряжения, температуры и самой деформации.
5. Величина высокоэластической деформации и ее доля в суммарной существенно зависит от температуры. В наиболее чистом виде высокоэластическая деформация проявляется в интервале температур между температурой стеклования полимера и температурой текучести.
6. При температуре стеклования и выше каждому постоянно действующему напряжению соответствует равновесная высокоэластическая деформация, линейно связанная с напряжением. Коэффициент пропорциональности этой зависимости (равновесный модуль высокоэластичности) растет с температурой. В основном он обладает энтропийной природой происхождения.
7. При наличии высокоэластической деформации, в случае постоянной суммарной деформации, напряжения релаксируют не до нуля, а до некоторого равновесного значения.
Как известно, изотропные полимеры могут быть условно разделены на три группы, в каждой из которых одна из перечисленных компонент деформации при данных условиях является преобладающей [16;26]: а) жесткие полимеры, проявляющие малые деформации и обладающие значительно более высоким модулем упругости, чем другие полимеры; б) мягкие эластичные полимерные материалы, обладающие способностью к очень большим (десятки и сотни процентов) обратимым деформациям; г) полимеры, обнаруживающие текучесть при воздействии внешних сил.
Следует иметь в виду, что деление полимеров на эти группы является весьма условным, ибо в зависимости от режима нагружения и температуры соотношение компонентов деформации в полимере может меняться. Все вышесказанное непосредственно относится к мясу, как биополимеру. Действительно, как показано в работе [43], мясо при обычных температурах является пластичным телом, весьма близким, согласно приведенной классификации, к мягким полимерам. По мере понижения температуры, содержащаяся в мясе вода начинает вымерзать и резко изменяются его механические свойства. Так, при температурах ниже криогидратных, по своим механическим свойствам мясо можно отнести к достаточно жестким полимерам.
В интервале температур между криоскопической и криогидратной мясо обладает промежуточными свойствами между хрупкостью и пластичностью, т.е. в деформациях его в различных соотношениях между собой одновременно присутствуют все три рассмотренных выше компоненты.
Ранее отмечалась весьма большая роль установления количественных закономерностей деформации мяса для разработки и конструирования машин и оборудования механической переработки. При этом следует особо подчеркнуть, что при установлении количественных закономерностей деформации необходимо использовать только те экспериментальные результаты, которые получены весьма корректными методами, обеспечивающими однородность полей деформаций и напряжений. Заметим, что диаграммы растяжение-сжатие и другие результаты механических опытов, публикуемые в технической литературе, далеко не всегда могут быть использованы в механике мяса именно в силу некорректности применяемых методик [91].
Так, в ряде работ, которые мы будем рассматривать, измерение деформаций производилось не на базе, а по изменению расстояний между зажимами, т.е. в области, где не обеспечивается однородность деформации.
Рассмотрим результаты экспериментальных работ по изучению ряда механических характеристик мяса при пониженных температурах. В этих условиях мясо можно отнести к жестким (по крайней мере в направлении волокон) анизотропным полимерам. В работе [79] представлены данные результатов испытания мяса на растяжение в интервале температур от -5 до- 100 Целью работы было определение пределов прочности "в, эффективных модулей упругости ЕЭф и коэффициента
Определение эффективности усилия резания по максимальному напряжению на разрыв
По своему назначению волчки разделяют на универсальные, предназначенные для обработки всевозможного вида сырья, находящегося в различном агрегатном состоянии, и специальные, для обработки конкретного вида сырья. Например, волчки для обработки замороженного мяса имеют дополнительные дробящие устройства, а для измельчения жира - паровую рубашку и т.д. [41,110,140,137,136].
За основную характеристику волчка принимают диаметр решетки: для промышленных типов она равна от 80мм до 400 мм; число оборотов червяка в минуту от 100 до 200 для тихоходных; 200 - 300 для средних и более 300 для быстроходных машин. Для волчков, предназначенных не только для резания, но и для отжима жидкой фракции, число оборотов в минуту выбирают не более 70.
По конструктивному исполнению режущего механизма они подразделяются на волчки с коническим, цилиндрическим и плоским режущим механизмом.
Наибольшее распространение получили волчки с плоским режущим механизмом, позволяющим производить ступенчатое измельчение мяса, удобством и быстротой обслуживания, простотой изготовления и надежностью работы. Примером выполнения волчков с цилиндрическим режущим механизмом могут служить волчки фирмы «Nagema» [141], с коническим режущим механизмом [110,111].
Эффективность работы волчка в основном зависит от конструкции подающего механизма. Подающий механизм может быть лопастным [5], поршневым [2], или шнековым [11]. Лопастный подающий механизм обладает низкой надежностью и долговечностью, поршневой механизм обладает равномерностью подачи сырья к режущему механизму и отсутствия обратного перетекания сырья, но он не обладает непрерывностью подачи сырья. Шнековый подающий механизм устраняет описанные выше недостатки, к тому же он отличается простотой конструкции шнека. Шнековые и спиральные питатели используются в большинстве промышленных волчков, как российских, так и зарубежных производителей. Конструкции таких волчков подробно рассмотрены в работах [17,41, 58].
Шнековый подающий механизм работает в паре с цилиндром, внутри которого он расположен. Работа такой пары осуществляется за счет разности между силами трения продукта о рабочий цилиндр и на поверхности контакта продукта - шнека. Для увеличения разности этих сил на внутренней поверхности цилиндра нарезаются спиральные канавки. Если канавки нарезаны по всей длине цилиндра, то это может привести к увеличению обратного тока измельченного сырья.
Автор [40] предлагает часть внутренней поверхности цилиндра, примыкающей к режущему механизму, делать гладкой, по его мнению это, с одной стороны, сохранит преимущества нарезного цилиндра, а с другой сократить обратный ток сырья.
Интересное решение подающего механизма было выполнено в конструкции волчка ФВП - 120 авторами [12], которое изготовили рабочий цилиндр с винтообразными заостренными ребрами и конусной частью, примыкающей к корпусу и подпорного элемента, выполненного в виде свободно размещенной вокруг этого хвостовика спирали, имеющей привод для вращения в направлении, противоположном направлению шнека.(рис.9). Рис. 9 Подающий механизм волчка ФВП - 120
Противоположное вращение спирали и шнека способствует перемещению сырья из корпуса к рабочему цилиндру закручивания по спирали и под высоким давлением. Для равномерной и надежной подачи сырья к режущему механизму авторами [4] предложена новая конструкция шнека (рис.10), в которой последний виток шнека выполнен с выступом, являющимся продолжением витка, примыкающим к одной из лопастей ножа. Такая конструкция способствует более интенсивному продавливанию сырья через решетку и препятствует его прокручиванию вокруг вала-шнека. Рис. 10. подающий шнек с выступом.
Авторами [11] для повышения надежности работы волчков предложен подающий механизм, состоящий из спирали, навитой вокруг оребренного неподвижного стержня. Благодаря наличию продольных ребер в цилиндре и на подвижном стержне сырье перемещается к решеткам без вращения.
Основным конструктивным узлом волчка, влияющего на степень измельчения сырья, является его режущий механизм. Долговечность и производительность работы режущего механизма складывается из многих факторов: конструкции ножей и решеток; материалов из которых они изготовлены и способов термической обработки; степени затяжки режущего механизма; способа выполнения резания и т.д. Одним из эффективных факторов, влияющим на работу волчка, является степень затяжки режущего механизма: чрезмерная затяжка увеличивает износ режущего механизма и потребляемые энергозатраты; при недостаточной затяжке ухудшаются условия измельчения, наблюдается перетирание продукта.
В основном степень затяжки режущего механизма осуществляется вручную, но в последнее время появились механические и автоматические устройства, следящие за этим процессом. На рис. 11 авторами [1] предложено устройство затяжки режущего механизма, поддерживающее требуемое усилие.
Определение расхода энергии в зависимости от частоты колебательных движений решеток
Многими авторами [18,21,28,39,40,58 и др.] было отмечено, что форма взаимного расположения отверстий во многом определяет энергию формирования потоков, часть которых затрачивается на продавливание мясного сырья.
Аналитическое описание рассматриваемой зависимости затруднено из-за сложности самого процесса истечения и из-за анизотропных свойств мяса. Проведенные экспериментальные исследования по определению влияния формы взаимного расположения отверстий на усилие продавливания мясного сырья не позволило получить устойчивой корреляционной связи по тем же причинам.
При изучении форм взаимного расположения отверстий в выходных решетках, различных конструкций волчков, можно выделить четыре основных группы. Это: 1. По концентричным окружностям; 2. по правильному треугольнику; 3. по квадрату; 4. по спирали Архимеда.
Для определения влияния форм взаимного расположения отверстий на давление истечения, авторами [40,128] в качестве модельного материала был выбран кварцевой песок. Серия экспериментов заключалась в пропускании одинаковой порции сыпучего песка через решетки с разным расположением, но с равным числом отверстий. При этом, авторами предполагалось, что относительные показатели изменения затрат времени, установленные для свободного истечения сыпучего материала через решетки с разным расположением отверстий в сравнении с временем истечения через эквивалентную решетку, могут быть использованы как относительные показатели изменения давления истечения при силовом воздействии на продукт, сохраняя при этом численные значения.
Для практического использования полученных результатов, авторами был введен коэффициент формы расположения отверстий, значение которого определяется в относительном сравнении затрат времени истечения через решетку заданной конструкции с какой-либо базовой величиной. Так как на создание единого выходного потока у «эквивалентной решетки» требуется наименьшие время, то его значение удобно принять за базовое. Результаты этих экспериментов приведены в таблице № 3.
Использование в других методах расчета предлагаемого коэффициента предусматривает принятие за базовый коэффициент тот, который соответствует форме расположения отверстий, положенной в основу расчета. В целом же влияние формы расположения отверстий незначительно.
Если посмотреть на работу волчка, то она направлена на осуществление двух взаимосвязанных доминирующих процессов: истечение мяса через решетку и резание ножом, которые сопровождаются множеством сопутствующих явлений: смятие, срез, перемешивание и т.д. Принципиальное различие этих двух процессов состоит в приемах их выполнения. Если в первом случае измельчение осуществляется стационарным рабочим органом (решетка) за счет подачи к нему сырья, то при резании мяса ножом используется его вращательное движение.
До настоящего момента вращающийся нож рассматривался только как ограничитель глубины вдавливания продукта в отверстие решеток. Однако, его влияние на силовые факторы процесса истечения заметно глубже. Еще в работах Бубыренко В.К. отмечено, что вращение ножа оказывает сопротивление истечению мяса. Им же была предпринята попытка аналитического описания данного явления, но сложность рассматриваемого процесса не позволяла получить удовлетворительное решение задачи. Это связано с большим числом значимых факторов, определяемых конструкцией ножей и решеток, а также режимами работы режущего механизма.
Очевидно, что на работу режущего механизма будет влиять сила лобового сопротивления вращающегося ножа RH, которую можно определить по формуле [22]:
Однако определение коэффициента силы лобового сопротивления Схр, сложная и трудная задача и решается она только экспериментально для каждого отдельно случая.
Авторами [128] было принято решение, что для определения силы лобового сопротивления ножа использовать понятие: давление от силы сопротивления единичного ножа (под единичным ножом понимается нож, состоящий из одного зуба длиной равной единице).
Они предложили что, давление от силы сопротивления единичного ножа Рін будет связана с числом оборотов ножа зависимостью:
Данную формулу можно использовать и для расчета режущего механизма состоящего из нескольких пар (решетка- нож), но только как совокупность работ каждой режущей пары. При этом продукт получаемый после переработки в первой паре является исходным сырьем для работы второй и т.д., и задача сводится к отысканию давлений перед каждой режущей парой.
