Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Изучение вопроса и актуальность выбранного направления исследования 10
1.1 Общее понятие о процессе резания пищевых продуктов 13
1.2 Теория практика процесса квазистатического резания плодоовощного сырья 18
1.3 Характеристика плодоовощного сырья и его влияния на процесс резания 24
ГЛАВА 2 Теоретические предпосылки совершенствования формы лезвийного инструмента 32
2.1 Особенности конструкции измельчительно-режущего оборудования 32
2.2 Оценка и обоснование геометрических параметров характеризующих режущую кромку ножей 38
2.3 Обобщенная модель силового взаимодействия материала с режущим инструментом 43
ГЛАВА 3 Исследования экспериментального аппарата для квазистатического резания плодоовощного сырья 67
3.1 Принципиальная схема и особенность конструкции аппарата для резки на части плодоовощного сырья 67
3.2 Оптимизация формы режущей кромки лезвийного инструмента 71
3.2.1 Силовое взаимодействие ножа с плодоовощным сырьем при квазистатической деформации 86
3.2.2 Исследование породольного изгиба режущей кромки лезвийного инструмента 91
3.3 Экспериментальные исследования технических характеристик аппарата для резки упруго-вязко-пластичного плодоовощного сырья. 98
3.3.1 Исследование влияния формы лезвийного инструмента на удельное усилие резания под режущей кромкой 108
3.3.2 Экспериментальная зависимость изменения удельного усилия резания от остроты лезвия режущего инструмента 116
3.3.3 Определение коэффициента трения 117
3.3.4 Определение потерь сока при резании 118
ГЛАВА 4 Экономическая эффективность аппарата, применяемого для резки плодоовощного сырья 120
4.1 Энергетический расчет аппарата для резки на части плодоовощного сырья 120
4.2 Затраты на изготовления аппарата для резки на части плодоовощного сырья 122
Заключение 125
- Теория практика процесса квазистатического резания плодоовощного сырья
- Оценка и обоснование геометрических параметров характеризующих режущую кромку ножей
- Оптимизация формы режущей кромки лезвийного инструмента
- Затраты на изготовления аппарата для резки на части плодоовощного сырья
Введение к работе
Актуальность работы. Автоматизация и рационализация способов переработки плодоовощного сырья является приоритетной областью производства готовой продукции в сфере общественного питания. Создание малогабаритных экономичных аппаратов, в рамках реализации государственной концепции оздоровления питания населения РФ для производства натуральных продуктов с использованием, в первую очередь, фруктов и овощей требует использовать качественное измельчительное оборудование при минимальных затратах.
Измельчение при этом в зависимости от поставленных целей, как правило, осуществляется в два этапа: крупнокусковое и тонкое. Операция измельчения и соответствующее оборудование являются неотъемлемыми атрибутами практически всех процессов переработки пищевого сырья. Интенсификация процесса резания на части открывает перед промышленностью возможности создания инновационного оборудования и уменьшения затрат на его осуществление, а также повышения спроса на плодоовощную продукцию в сфере общественного питания.
Степень разработанности темы исследования. В литературе в настоящее время освещен достаточно обширный материал, отражающий результаты исследования способов тонкого измельчения плодов и овощей в устройствах типа блендера или куттера. Такими вопросами занимались Арет В.А., Горбатов А.В., Гортинский В.В., Демский А.Б., Лысянский В.М., Панфилов В.А., Пелеев А.И., Пеленко В.В., Попов В.Д., Рогов И.А., Стабников В.Н., Товбин Л.И., Ура-ков О.А., Archenbach J.D., Li Z.L., Nishimura N. , Atluri S.N., Nishioka T., Berens D. Bond F.C., Dempsev J.P., Burgers P., Escudero Sainz E. и другие.
Большинство исследований направлено на выработку рекомендаций по снижению эксплуатационных нагрузок на нож, сохранению свойств перерабатываемого сырья, повышению надежности в эксплуатации используемого оборудования при снижении удельных затрат на измельчение плодоовощного сырья используемого как ингредиенты различных пищевых продуктов, в частности напитков. До сих пор, однако, не была в полной мере показана физическая сущность сокращения энергозатрат и повышения качества лезвийного инструмента для квазистатического резания плодоовощного сырья при его крупнокусковом разделении. Значительный опыт накоплен в вопросах измельчения на части пищевых материалов пластинчатыми ножами, однако, резание материалов нормальными к плоскости разделения усилиями, как частный случай процесса скользящего резания, до сих пор изучено недостаточно. Влияние физико-механических свойств сокосодержащих продуктов, как часть сложной картины разделения слоистой структуры, в настоящее время также мало изучено. Нет четкого понимания степени изменения концентраций напряжения под кромкой лезвийного инструмента, недостаточно полно решены задачи выбора рациональной геометрии и долговечности применяемого режущего лезвия для сохранения клеточной структуры плода.
Цель и задачи исследования. Цель работы - создание малогабаритного экономичного аппарата для резки плодоовощного сырья на части. Снижение
энергоемкости процесса резания плодоовощного сырья, посредством профилирования режущей кромки лезвия ножа.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Разработать обобщенную классификацию разновидностей механического резания плодоовощного сырья.
-
Провести анализ физической картины процесса квазистатического внедрения тонкого (пластинчатого) ножа с двусторонней заточкой в виде клина в различный по физическим свойствам материал.
-
Построить модель выявления рациональной формы лезвийного инструмента, по критерию исключения ударного воздействия на плодоовощное сырье.
-
Исследовать схему нагружения ножа, учитывающую взаимосвязь между силой резания, необходимой для разделения материала с различными физико-механическими свойствами и геометрией лезвия при квазистатической деформации.
-
Выполнить анализ влияния формы лезвийного инструмента на энергоёмкость процесса разрезания плодоовощного сырья.
-
Найти величину максимального критического усилия в точке резания для упругой линии изогнутой поверхности плодоовощного сырья.
7. Разработать конструкцию узла для аппарата резки на части плодо
овощного сырья, приближенного к сферической форме и изготовить его опыт
но-лабораторную модель.
8 Экспериментально исследовать технические характеристики аппарата для резки плодоовощного сырья.
Научная новизна работы заключается в том, что:
построена модель для объяснения физической сущности процесса квазистатического резания пищевых сокосодержащих продуктов;
предложена форма лезвийного инструмента и экспериментально доказано, что эффективность процесса резки плодоовощного сырья нормальным перемещением пластинчатого ножа зависит от его формы и способа заточки;
- на созданном испытательном стенде получена зависимость изменения
деформации плодоовощного сырья от величины сосредоточенной нагрузки,
экспериментально определено значение критической силы процесса резания
для предложенного устройства.
Практическая значимость работы. По результатам научных исследований предложен малогабаритный ресурсосберегающий аппарат. Предложенное техническое решение защищено охранным документом ФИПС «Устройство для резки на части плодов и овощей (Патент РФ № 138201от 12.06.2013).
Материалы, изложенные в диссертационной работе, используют в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» при проведении лабораторных работ (Свидетельство на программу для ЭВМ №2013660856 от 20.11.2013).
Полученные результаты внедрены на экспериментальную многофункциональную линию по производству продуктов питания из плодоовощного сы-
рья ООО «Мирол» в г. Смоленск. Внедрение предложенной конструкции лезвийного инструмента позволяет автоматизировать процесс крупнокускового разделения для овощерезки типа Nemco N56500-2 и сократить на 20% затраты на изготовление рабочего органа, за счет выбора рациональной формы ножа. Разработаны принципиальные схемы дополнительных устройств для комплектации аппарата при работе в автономных условиях, например, в составе линии для приготовления «смузи»:
- Устройство для измельчения фруктов и овощей (Патент РФ № 131996 от
26.02.2013);
- Устройство для хранения фруктов и овощей (Патент РФ № 141084 от
12.03.2014);
Методология и методы исследования.
В соответствии с параметрическим анализом и структурой используемых аппаратов построена функциональная зависимость между отдельными элементами выборки. Анализ механики контактного взаимодействия плодоовощного сырья с режущим оборудованием — изучение удельных деформаций в области контакта — разработка принципиального решения — создание рационального узла резки и рабочих органов для измельчения — проектирование технологии и изготовление опытного образца — монтаж и отладка — эксплуатация опытного образца — доводка узлов или отдельных деталей. При определении качества сырья использовали общепринятые и специальные приборы. Моделирование процесса взаимодействия инструмента с материалом проводили в компьютерных программах: Solid Works, Kompas3D. Обработка результатов, полученных данных производилась в программах Excel и Mathcad.
Положения, выносимые на защиту:
-
Модель процесса квазистатического внедрения пластинчатого ножа в виде клина с двусторонней заточкой в различные по физическим свойствам материалы.
-
Конструкция аппарата для резки на части плодоовощного сырья, близкого к сферической форме и его опытно-лабораторная модель.
-
Модель рациональной формы лезвийного инструмента, по критерию исключения динамических нагрузок в области контакта лезвия с материалом и обеспечивающая сохранение структуры материала.
-
Определение величины критической нагрузки необходимой для устойчивости формы ножа, с учетом геометрических параметров режущего инструмента на примере плода лимона
Личное участие автора. Разработка конструкции узла аппарата для резки на части и изготовление его опытно-лабораторного образца, предложена модель рациональной формы лезвийного инструмента, исследована работа лезвийного инструмента, и проведена систематизация данных. Внедрение предложенной модели на экспериментальную линию для получения консервов из плодоовощного сырья. Подготовка публикации по выполненной работе.
Достоверность результатов исследования. Обеспечена использованием классических положений механики твердого тела и апробированных методов
математико-статистической обработки результатов эксперимента. Предложенное техническое решение защищено охранным документом ФИПС «Устройство для резки на части плодов и овощей (Патент РФ № 138201от 12.06.2013). Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Процессы и аппараты пищевых производств» при проведении лабораторных работ (Свидетельство на программу для ЭВМ №2013660856 от 20.11.2013).
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненные автором представлены в докладах на Международных и Всероссийских научных конференциях: 6-ая Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» - 2013, г. Бийск, 22.05.13-22.05.13; Всероссийский конгресс молодых ученых. НИУ ИТМО – 2013-2016, г. Санкт-Петербург; Десятая международная техническая конференция студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» - 2013, НИУ «МЭИ» г. Смоленск, 18.04.13-19.04.13; 25 международная конференция «Актуальные проблемы в современной науке и пути их решения» 28.04.2016-28.04.2016, Москва; Международная выставка изобретений и инноваций (бронзовая медаль) Воронеж - 2016, 26.05.2016-26.05.2016; XLVI Научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО– 2017, 31.01.2017-03.02.2017 г. Санкт-Петербург.
Публикации. Опубликовано 15 научных работ по материалам диссертации, общим объемом 8,9 п.л., в их числе 5 работ, входящих в перечень ВАК РФ, а также получено 3 патента на полезную модель РФ и 1 свидетельство на программу для ЭВМ.
Структура и объем работы. Работа изложена на 150 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, списка условных обозначений, списка литературы из 220 источников, включая 30 иностранных и содержит 25 таблиц, 54 иллюстрации и 10 приложений.
Теория практика процесса квазистатического резания плодоовощного сырья
В работах A.Д.Ахундова, В.Н. Горячкина, В.Н.Иванца, Д.В. Кожевникова, Н.Е.Резника, А.Ф. Соколова и других учёных [7,26,46,63,127,140] достаточно отражены вопросы влияния физико-механических свойств материала на процесс разрезания. Критерии физико-механических характеристик плодоовощного сырья являются начальными параметрами определения параметров рабочего органа и помогают обосновать суть технологического процесса.
Авторы многих работ изучали влияние основных его параметров на процесс резания, а именно удельное усилие и работу резания, температуру материала и микрогеометрию режущего инструмента[20].
Как известно, скорость движения лезвия является функцией многих автономных переменных: жесткости и влажности плодоовощного сырья, толщины лезвия, размеров материала и заточки ножа. При действии на материал режущего инструмента можно записать в общем виде условие разрезания [11]: (1.8) Где: – материала, необходимое для центровки, Н; – сопротивление сдвига материала от оси со стороны стенок цилиндра, Н.
В дальнейшем при определении критической силы резания плодоовощного сырья примем допущение, что и сопротивление сдвига материала со стороны стенок цилиндра минимально и незначительно. Свободно упавший плод «без опоры можно представить как консольную балку»[ укрепленную на жидком основании, на центр которой действует сосредоточенная сила , со скоростью на высоте резания H. Предположим, что за какое-то время после начала резки плод лимона отклонится на величину . Определим сопротивление изгибу: + + 3 (1.9) Где: – усилие, воздействующее на инструмент, Н; – угол заточки инструмента, равный углу заострения; – коэффициент трения продукта о поверхность рабочего инструмента, среднее значение 0,3; – радиус приложения силы сопротивления резанию продукта; – модуль упругости, Мпа; – высота разрезания плода, мм. Определим значение прогиба в момент резания [11]: (1.10) Где: - скорость режущего элемента, м/с. Скорость режущего элемента для разреза плода равна: (1-П) Где: EJ - жесткость при изгибе, Нм2; Из выражения 1.10 следует, что скорость определение квазистатического резания плода зависит от времени, за которое произойдет разделение плода, жесткости плода, высоты разрезания, массы плода и сопротивления материала. Влажность материала влияет на процесс разделения на части. Поэтому при влажности более 30...35 % экспериментально установлены наибольшие коэффициенты трения, что, в действительности, затрудняет разрезание материала[60].
Обобщая результаты, можно сказать, что основной вопрос при разрезании материалов на части заключается в определении сил, возникающих в процессе резания, и теоретическом обосновании физической сущности на основе принимаемой схемы деформации плода в разрезе.
Так в работе изучалось влияние разнообразных параметров: температура материала, время хранения, сила, приложенная к ножу, скорость резания, угол скольжения материала, структурно-механические свойства плодоовощного сырья; проводилось исследование по выбору режущего инструмента и оптимизации его режущей кромки по принципу исключения жесткого удара, а также изучалась микрогеометрия лезвия ножа и пути повышения долговечности и износостойкости. Наряду с энергетическими показателями, важное значение имеет и качество среза.
К плодоовощному сырью, использованному в данной работе, относятся: фрукты и овощи, близкие к сферической форме, обладающими сложным строением и различным модулем упругости, которые являются как, цитрусовыми плодами, так и мягкими несокосодержащими. Физико-механические и реологические свойства многих сокосодержащих плодов в значительной степени не похожи друг с другом, из-за их различий в строение и химическом составе. Из за сложности определения структуры материала и неравномерности распределения упругих деформаций модуль упругости и упругопластический модуль, будем считать условными. Выделены наиболее значительные физико-механические свойства плодоовощного сырья: строение плодов, их прочностные показатели, влажность материала, объёмная плотность, значение коэффициента трения при контакте с режущим инструментом. Результат исследований [67] показал, что при измельчении плодоовощного сырья лезвийным инструментом достигается минимальная удельная энергоёмкость процесса при выборе рациональной формы режущей кромки. Необходимо отметить, что влажность и плотность, наиболее существенные факторы, влияющие на свойства плодоовощного сырья. Влажность исследуемого сырья соразмерна числу жидкого заполнителя [100]. Объёмная плотность плодоовощного сырья зависит от влажности, подвида фрукта или овоща и их геометрических размеров. Прочностные свойства включают удельные показатели работы резания, а также скорости распределения упругих деформаций, как следствие потеря сока, разрушающее напряжение. Удельная работа, необходимая для разрезания плода характеризует энергоёмкость разделения на части исходного материала.
Для разработки устройства измельчения плодоовощного сырья, близкого к сферической форме, использовались плоды лимона, киви, томата, картофеля, яблони. Плод примерной длиной 60—80 мм, диаметром 40—60 мм, яйцевидный или овальный гесперидий (рисунки 1.4-1.8) [14].
Плоды лимона Плод с длиной 60 мм и диаметром от 40 до 60 мм, яйцевидный или овальный геспердий [14], суженный к обоим концам, на верхушке расположен сосок, цвет светло-жёлтый, корка трудноотделяемая ямчатой структуры, лимон содержит большое количество желез с эфирным маслом, называется флаведо (от лат. жёлтый) [14]. Внутри плода расположены гнезда, и «разросшимися в виде мешковидных волосков клетками эндокарпа, заполняющими гнёзда»[6]. Волоски составляют мякоть плода, они заполнены соком. Мякоть кислая, зеленовато-жёлтая. «Семена с одиночным зародышем, яйцевидные, жёлто-зелёные или белые, в разрезе зеленоватые» [120]. Плоды лимона созревают осенью. Большинство питательных веществ, как показано в таблице 1.1, находится в кожуре лимона, особенно в верхнем слое – лимонной цедре, ее применяют в составе множества лекарств многообразного назначения.
Именно поэтому для приготовления рецептуры лимонного напитка плод лимона брали с цедрой. Внутренний слой плода лимона называется альбедо. Он представлен белой тканью под кожурой и в семечковой камере. У созревшего плода лимона белый слой мягкий и легко отделяется от кожуры. Мякоть составляет около 60 % веса плода, корка — около 40 %.
В плодах цитруса большое количество витамина С, около 40-60 мг на 100 г вещества. Есть мнение, что в зеленоватых (не совсем зрелых) плодах витамина С заметно больше, поэтому они предпочтительней в лечебных целях[107]. Этим объясняется несколько парадоксальный факт, что в некоторых странах недозревшие плоды продают дороже зрелых.
Оценка и обоснование геометрических параметров характеризующих режущую кромку ножей
Анализируя границу контакта лезвийного инструмента и разрезаемого материала во время развития науки о резании, например, работы И.А.Тиме [127] и В.П.Горячкина [24], можно сказать, что «выбор рациональных режимов резания и оптимальной геометрии ножей, учитывает как характеристики резательного аппарата»[88], так и свойства обрабатываемого материала [83].
Устойчивостью и жесткостью оценивается способность ножа сопротивляться нагрузкам в процессе работы, жесткость оценивается прогибом рабочего органа в результате действия боковой силы, а устойчивость – это способностью оболочки сохранять исходную форму под действием усилия резания. При изучении исследований ряда авторов [60, 97] следует различать как статическую, так и динамическую устойчивость. Величиной критической силы оценивается статическая устойчивость, когда оболочка теряет исходную форму и выпирает в сторону. Динамическая характеризуется приложением силы в процессе резания «возникновением резонансных параметрических колебаний ножа»[32], при котором устойчивость теряется, и сохранение прямого хода становится невозможным.
Обобщенная схема резания лезвием приведена на рисунке 2.10. Лезвие, под действием силы внедряется в разрезаемый материал и осуществляет его разделение своей режущей кромкой или вершиной двухгранного угла, образованного гранями (фасками) лезвия. В зоне непосредственного контакта режущей кромки с материалом образуется новая поверхность, в результате давления вершины лезвия на материал.
Максимальное значение реакции 2 приходится на кромку, а реакции, образующиеся на его гранях (фасках) значительно меньше (по величине). Эпюра реакций определяет функцию силы в процессе резания от элементов режущей части лезвийного инструмента [10]. В процессе резания заштрихованные зоны на рисунке 2 хорошо подтверждают основную функцию элементов, и иллюстрирует их особенности.
Значение передних и задних углов (фасок) второстепенно для процесса резания лезвием и указывается путем установки их под углом = 0.
Лезвие примет вид полотна, рисунок 2.7 б, с толщиной кромки , мм. Прямой пластинчатый нож производит резание материала 2 растягиванием полотна 1 соответствующей продольной силой, и в некоторых случаях более успешно, чем просто лезвие, на рисунке 2.7 а, обладающее фасками. Процесс резания и целесообразность применения фасок находятся в узкой зависимости от реологических свойств обрабатываемого материала. Для упругих материалов фаски воспринимаю на себя 70% приложенной силы резания [11]. Для такого рода материалов усилие резания прямым пластинчатым ножом иногда до 20 % больше, чем лезвием с фасками. Фаски в данном случае, усиливая сопротивление кромки лезвия, растягивают волокнистую структуру материала, что уменьшает давление на кромку [10]. Рисунок 2.7 - Различные виды лезвия: а – лезвие с двумя гранями; б –прямое лезвие; в –лезвие-точка; г – одностороннее лезвие; 1 – нож; 2 – материал; Р – сила резания; – угол заострения; – толщина лезвия Внедрение лезвия, проекции в точку, рисунок 2.7 в, представляющего собой натянутую проволоку или струну диаметром , в такой же материал сильно затруднено отжимающим воздействием материала, который упруго восстанавливает свой объем в разрезе. Значительно увеличивается усилие, необходимое для резания и проволочное разделение материала становится не работоспособным, так как оно, растягиваясь, теряет прямолинейность.
В практике примером применения проволочного лезвия может служить резание масла, мыла и других подобных материалов. Фаски лезвия, таким образом, имеют существенное значение для резания упруговязких материалов, влияние фасок увеличивается или снижается в зависимости от реологических свойств материала.
На основе известных концепций [111, 202, 203] и определений геометрии простейшего инструмента, например, поворотного инструмента с режущим клином в сечении, изучают конструктивные особенности более сложных инструментов. Ранее в ряде работ, например [92], была рассмотрена картина деформации вибрационного разделения конфетного вязкоупругого жгута.
Свойства разрезаемого материала, на примере, конфетного жгута в значительной степени отличаются от плодоовощного сырья, как вязко-упруго пластичного тела. «Характерной особенностью резки подобного вида сырья является зависимость параметров рабочего инструмента от деформаций»[55], возникающих в материале, и, как результат, самого процесса измельчения от скорости резания. Скорость кромки лезвия характеризует направление резания в данной точке. Специфическим свойством вязких материалов является скорость распространения в нем напряжений и деформаций. Уплотнение материала при этом имеет существенное значение (например, предварительное выжимание сока продукта), и особенно актуально при резании волокнистых материалов. Условно резание можно разделить на медленное (при скорости ) и быстрое» (свыше ) [102].
В общем случае на низких скоростях процесс резания включает в себя два характерных периода (зоны) взаимодействия между лезвием и материалом -предварительное сжатие материала и его немедленное разрушение. При динамическом резании образуются дополнительные факторы: значительно уменьшается угол резания, изменение режущей кромки (например, при скользящем резании), увеличение сопротивления прослойками материала, снижения силы трения, увеличения разницы между деформацией в материале и скоростью приложения нагрузки. В итоге происходит концентрация напряжения под режущей кромкой, уменьшение степени предварительного сжатия материала и деформируемый объем материала уменьшается. Во время динмического резания разрушающее напряжение достигает быстрее, по сравнению с квазистатическим. Следует учитывать, что при динамическом резании воздействие силы резания на плодоовощное сырье силовое воздействие лезвия на материал, при определенных условиях, может быть квазиударного характера. С соотношением скорости деформации в слое сложно-структурного материала связаны сила и работа и степень предварительного сжатия , а также принятая скорость резания.
Этим определяется характер взаимодействия и аккуратность среза материала. С повышением скорости характерным является уменьшение усилия резания и соответственно работы резания. Уменьшение начального сжатия слоя материала является также существенным фактором, он предшествует процессу разрушения, и дальнейшему разделению материала. Так при динамическом измельчении быстрее достигается критическое усилие резания, и разрушение материала происходит раньше. В материале мало, как и скорость распространения деформации, отчего при высокоскоростном резании напряжения оказываются локализованными под кромкой, в результате чего разрушение материала требует минимальных затрат энергии. Следует рассматривать зависимость усилия от скорости резания как изменение свойств материала от скорости воздействия. Снижение усилия и работы разрушения происходит в результате действия следующих факторов: концентрации напряжений под кромкой лезвия, а так же снижении коэффициента трения и др. [45].
Оптимизация формы режущей кромки лезвийного инструмента
Существует немало конструкций устройств для измельчения различных материалов. Принцип действия большинства измельчительного оборудования основан на использовании ударного резания. Такое воздействие на материал подходит исключительно для дробления, размалывания твердого материала.
Вследствие научного поиска [77] и рассмотрения известных измельчителей различных продуктов, было предложено устройство измельчителя (рисунок 3.1) [77], на конструкцию этого устройства получен патент на изобретение РФ[77]. Последовательно установленные конструкции рабочего органа в направляющем цилиндре позволят добиться необходимого количества частей готового продукта. Для разрезания плодоовощного сырья на несколько частей необходимо предварительно задать заранее определенное количество частей. Предложенное устройство может успешно применяться в области общественного питания.
Наиболее близким к предложенному устройству является «конструкция для резки на части плодов и овощей автоматических соковыжималок фирмы ZumeX» [77]. Устройство применяется для измельчения плодоовощного сырья в консервной промышленности и в сфере общественного питания, например для приготовления смузи. Рисунок 3.1 – Устройство для резки на части плодоовощного сырья
Аппарат включает опорные поверхности и сопряженный с ножевой узел. Разрезание плодоовощного сырья осуществляется за счет действия на них опорных поверхностей, исполненных в виде полусфер с некоторым зазором, в котором неподвижно установлен ножевой блок. Материалоемкость и сложность исполнения относятся к числу недостатков указанного узла. Для исключения смятия плода при резке вращение опорных поверхностей должно быть строго согласованным. Кроме того, обязательно одновременное использование обеих половинок разрезанного фрукта или плода. В противном случае накапливается ценное неиспользованное пищевое сырье, которое позже попадает в отходы.
Основная цель устройства - повысить производительность и уровень автоматизации технологического процесса.
Предложенное устройство (рисунок 3.1) для резки на части плодоовощного сырья, близкого к сферической форме содержит опорную поверхность, в виде цилиндра со сквозным крестообразным вырезом, данный вырез служит направляющей для резки, а также вертикальный 1 и горизонтальный паз 2, ножевой блок 3. Блок ножей 3, исполненный в виде пластины с опорными полочками 4, расположен в вертикальной канавке 1. Полочки расположены соосно с канавкой поперечного выреза 5. Общая длина блока ножа, ширина режущей части лезвия ножевого блока, длина и ширина каждой полочки выполнены с геометрическими размерами, связанными с радиусом плода следующими соотношениями [77]: (3.1) ; (3.2) ; (3.3) . (3.4) где: Кроме того, оно может содержать несколько пар опорных плоскостей и ножевых блоков, размещенных последовательно вдоль одной вертикальной оси, причем каждая следующая плоскость режущего лезвия ножевого блока смещена относительно предыдущей на угол определяемый соотношением: (3.5) Где: –
Повышение эффективности резки на части плодоовощного сырья близкого к сферической форме достигается исключения вращающихся элементов тем самым значительного упрощения конструкции. Центрование плодов существенно упрощается при помощи опорный поверхности в виде цилиндра. Точную настройку относительно центра разрезаемого продукта обеспечивает сквозной крестообразный вырез, в вертикальный паз которого размещается ножевой блок. Выполнение режущего инструмента в виде пластинчатого ножа, с соосно расположенными горизонтальными опорными полочками, упрощает возвратно 70 поступательное перемещение движение ножа. Общая длина и ширина ножевого блока находятся в тесной зависимости с радиусом плода (выражения 3.1-3.5). Принципиальная схема предлагаемого устройства изображена в приложении 3. При резке плодоовощного сырья на две части устройство работает, следующим образом: Перед началом процесса резания лезвийный инструмент находится в крайнем правом положении, опорная полочка 4 перекрывает внутреннюю полость цилиндра, и режущее лезвие при этом находится в створе с вертикальным пазом. Под воздействием силы тяжести плодовое и растительное сырье попадает в опорный цилиндр из резервуара (не показано на чертеже). При подаче (поступательное движение ножевого блока 3) по горизонтальному пазу 2 режущая кромка лезвия ножевого блока 3 разрезает фрукт или овощ пополам. Блок ножа находится в крайнем левом положении, а левая опорная полка 4 освобождает проход для разрезанной половины плодоовощного сырья и попадает в аппарат для дальнейшей обработки. Опорная полочка 5 в этот момент поддерживает другую отрезанную половинку материала. Перемещаясь слева направо ножевой блок, освобождает проход для ранее отрезанной половинки, лежащей на опорной полочке 5 и она продвигается на переработку. Затем процесс повторяется. Тот же процесс может происходить с готовыми половинками фруктов или овощей, когда несколько пар опорных цилиндров и блоков ножей последовательно расположены вдоль одной вертикальной оси. Описанная конструкция для резки фруктов и овощей позволяет совершенствовать процесс нарезания плодоовощного сырья.
Использование тонкого пластинчатого ножа для резки плодоовощного сырьяс точки зрения снижения энергоемкости процесса разрезания, снижения потерь сока при раздавливании мягкого и цитрусового плода и автоматизации работы резательного оборудования, подбор рациональной формы режущей кромки лезвийного инструмента имеет весьма острое значение.
В аппарате для резки на части плодоовощного сырья, в качестве рабочего инструмента предложен пластинчатый нож с формой в виде двухстороннего клина и торцевой частью с заостренной двухсторонней заточкой (рисунок 3.2). Материал располагается на жестком основании 1, в которое входит торец ножа 2.
Предполагается, что для уменьшения удельного усилия резания и, и как следствие уменьшения энергоемкости процесса резания плодоовощного сырья, необходимо оптимизировать форму прямого ножа-клина с односторонней заточкой. Полностью плоский спуск (рисунок 3.2) образует практически «чистый» клин. Он и функционирует аккуратно, разделяя рассекаемый материал с неизменным, не зависящим от глубины разреза усилием
Затраты на изготовления аппарата для резки на части плодоовощного сырья
Остроту лезвия достаточно точно передает толщина линии контакта при определенных условиях. Для лучшей точности лезвие 1 (рисунок 3.27) вдавливают в копирку 2 и бумагу 3 на такую величину, равную радиусу кривизны кромки, слой 4 подкладывая под них.
Эластичный материал подложки 4 при неком усилии обеспечивает необходимую величину углубления, близкую к r кривизны. При пренебрежении толщиной копировальной бумаги (1мкм) ширина линии отпечатка s будет полуокружностью кромки, т.е. . При помощи микроскопа производилось измерение ширины s линии, цена деления шкалы которого составляет 0,05 мм, а погрешность показаний не превышает 0,01 мм.
Обрабатываемый материал в процессе резания испытывает продолжительное трение скольжения покоя и так же трение скольжения движения, оказывающее значительное влияние на подбор рациональной формы рабочего органа. При выборе конструктивных материалов и их поверхностей наобходимо учитывать величины углов и значения коэффициентов трения [19, 75]. В целом опыты по определению коэффициентов трения скольжения покоя плодов лимона проводились на установке (рисунок 3.6).
Знание коэффициентов позволяет управлять характером процесса разрезания плодоовощного сырья, тем самым применять различный вид резания с рациональной формой ножа, в зависимости от угла трения [103, 111].
Схема к определению углов и коэффициентов представлена рисунке 4.28, а результаты эксперимента представлены в приложении 3.
При этом необходимость определения угла трения скольжения движения по стали у изучаемых сортов показывает различия между схожими по своим реологическим свойствам продуктов: киви-томат, картофель-яблоко.
Проверка теоретической гипотезы, что при резании плодоовощной продукции, а именно плодов цитрусовых, с традиционной формой пластинчатым ножом происходит значительное нарушение клеточной структуры материала в зоне разрушения и обильное выделение сока, стала основной целью опыта. При резании же с помощью изогнутой формы ножа в процессе квазистатического резания нарушение целостности структуры плода минимально, а, следовательно, соковыделение незначительно или вовсе отсутствует. Резание осуществлялось путем поступательного движения пластинчатого ножа с двухстоонней заточкой и через нож, с оптимизированной формой, оба ножа располагались в одной плоскости с подом. Опыты проводились при постоянной поступательной скорости ножа к неподвижному плоду лимона, как частный случай с скользящего резания (с мгновенным квазиударом на плоскость сырья и углом скольжения 0)
При этом потери сока в первом случае составили 3,9 и 4,1 %, рисунок 3.5 от массы выбранного плода, при резании совершенствованной формормой ножа -0,4 и 1% соответственно (рисунок 4.45 и 4.46, приложение 4). При использовании рациональной формы ножа выделение сока уменьшается примерно в 3 раза, применительно к другим видам исследуемого плодоовощного сырья. При этом различие между сортами объясняется реологическими свойствами плодов. Следует отметить небольшие погрешности работы лабораторного стенда, связанные с отклонением лезвийного инструмента от оси резания плода.
Для нахождения величины работы сжатия и работы разрезания в любой для рубящего резания, используем выражения: При изменении угла заточки лезвия рабочего клина от 10 до 35 прослеживается изменение работы, необходимой для разрезания, в большую сторону. Прямая зависимость работы резания от угла заточки лезвия ножа для волокнистых продуктов и продуктов волокнисто-сетчатой структуры (кожи) является непрямолинейной и изображается сложными функциями; для слоя с волокнисто-наполненной структурой (мякоть лимона) она является прямолинейной или же близка к ней.
Значительный рост усилия трения с увеличением величины ширины ножа наблюдается во всех вариантах резания. Хотя, как видно из графика, приложение 5, сила трения продукта о ножи с изогнутой формой рабочего органа уменьшается в разы.
Проведены эксперименты по изучения характера резания плодоовощного сырья на части, тремя формами ножей, расположенными в одной горизонтальной плоскости, а также ножами. Из сопоставления числовых значений результатов расчетных и экспериментальных усилий резания (P1; Р2 и Ррезтах) в обоих вариантах следует, что различия между ними не превышает 16 % при аналогичных условиях (табл. 4.5, 4.6, рис. 4.52, 4.53) [14, 16].
Анализируя результаты теоретических и экспериментальных данных, представленных на рисунках 4.2 и 4.3 можно сделать вывод о том, что: использование ножа с изогнутой формой ножей в аппарате для резки на части плодоовощного сырья снижает энергоемкость процесса измельчения на 15% по сравнению с использованием ножа, формы одностороннего клина, на 30% по сравнению с использованием ножа, прямого клина.
Таким образом, анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что необходимые затраты выше всего у аппарата с использованием ножа, с односторонним клином, в виду наибольших затрат на его изготовление. Аппарат с использованием экспериментального ножа оказался наиболее экономически выгодным.
Ожидаемый годовой эффект от применения предложенных решений при использовании данного аппарата, например, как узла к устройству для получения газированных напитков, может принести значительную прибыль. Следовательно, проектируемая модель ножа эффективна с экономической точки зрения.
Эксплуатация данного аппарата в пищевьк производствах показала целесообразность и эффективность предлагаемых подходов к созданию ресурсосберегающих процессов и аппаратов.