Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 6
1.1.1 .Упругая деформация — обратимая в фазе с напряжениями 8
Остаточная деформация — полностью необратимая 11
Высокоэластическая деформация - обратимая не в фазе с напряжением 12
Сжатие 16
1.1.2. Механическая переработка мяса, как напряженно-деформационные процессы 21
1.1.3. Диаграмма деформирования мяса 25
1.1.4. Задачи и методы экспериментально-теоретических исследований деформационных свойств мяса 26
1.1.5. Определение усилия резания 29
Краткие выв оды 32
1.2. Анализ машин и аппаратов для измельчения мяса 34
1.2.1. Конструктивные особенности волчков 35
1.2.2. Основные методы расчета мясорезательных аппаратов 43
1.2.3. Краткие выводы и задачи исследований 47
2. Аналитические исследования процесса измельчения мяса на волчках 49
2.1. Исследование процесса истечения мяса через решетку 50
2.1.1. Влияние диаметра отверстий решеток на усилие продавливания мясного сырья 51
Таблица № 1. Параметры решеток 53
2.1.2. Влияние коэффициента эффективности использования площади решетки на давление стечения 55
Таблица № 2Лараметры решетки при различных значениях у для диаметра отверстий 0,007 мм 56
2.1.3. Влияние формы взаимного расположения отверстий на усилие продавливания сырья 58
Таблица №3 59
2.2. Силовое взаимодействие режущего механизма с материалом 60
3. Теоретические исследования процесса резания мяса 65
3.1. Разработка математической модели волчка 65
3.1.1. Основные допущения 70
3.1.2. Постановка задачи 71
Расчет параметров процесса резания 72
Анализ основного уравнения процесса 78
Определение эффективности усилия резания по максимальному напряжению на разрыв 80
Моделирование процесса резания мяса чистым сдвигом 84
3.2.1. Экспериментальное исследование для определения предельного напряжения сдвига 91
Таблица 4 %
4. Экспериментальные исследования процесса измельчения мясного сырья на аппарате с возвратно-поступательным движением режущего органа 98
Устройство и принцип действия экспериментальной установки 98
Экспериментальные исследования 100
Определение расхода энергии в зависимости от частоты колебательных движений решеток 101
Определение производительности при колебательном линейном и вращательном резании 105
Определение влияния частоты колебательных движений решеток на степень измельчения 108
Таблица № 5 109
Определение влияния частоты колебательных движений решеток на производительность установки 118
Выводы по главе 4 121
5. Практическое применение результатов работы в промышленности Разработка инженерной методики расчета аппарата для резания мяса возвратно- поступательным движением режущего механизма 122
Разработка промышленного аппарата для резания мяса 126
Выработка опытной партии колбасных изделий из сырья измельченного на экспериментальном аппарате 132
Таблица №6 134
Таблица №7 136
Заключение 137
Выводы и основные результаты работы 141
Список используемой литературы
- Механическая переработка мяса, как напряженно-деформационные процессы
- Влияние диаметра отверстий решеток на усилие продавливания мясного сырья
- Влияние формы взаимного расположения отверстий на усилие продавливания сырья
- Определение эффективности усилия резания по максимальному напряжению на разрыв
Введение к работе
Интенсификация технологических процессов является одним из основных направлений технического прогресса в мясной отрасли.
Наряду со значительным увеличением объемов выпускаемых мясопродуктов, перед мясной отраслью стоит задача по улучшению качества и ассортимента выпускаемой продукции при наиболее полном и рациональном использовании сырья.
При производстве колбасных изделий и полуфабрикатов широко применяются процессы резания, которые существенным образом оказывают влияние на качество сырья и готовой продукции.
В настоящее время процесс измельчения мясного сырья в фарш или шрот осуществляется в основном с помощью относительно медленно вращающихся ножей и неподвижных решеток при непрерывной подачи сырья шнеком. Такие устройства называются волчками.
Известно, что в волчках режущая кромка ножа расположена по радиусу и при вращательном движении линейная скорость режущей части ножа изменяется пропорционально радиусу, что приводит к неоднородности измельчения.
Каждая точка режущей кромки имеет свою линейную скорость, поэтому невозможно добиться того, чтобы все полотно ножа одинаково хорошо 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 в сечении получается неоднородная, 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.
При крупном измельчении, например, через приемную решетку или решетку с отверстиями диаметром 25мм указанные недостатки не очень заметны, кроме энергетических потерь на привод ножей, но при измельчении через- 5-ти и 3-х мм-е решетки становится очевидным, что традиционный способ измельчения вращением создает ощутимые недостатки. Условия эксплуатации в режущей паре для решетки и для ножа разные. В наиболее тяжелом положении находится нож, который испытывает большие удельные нагрузки. Процесс резания или сдвиг со стороны ножа осуществляется по прямой линии, а со стороны решетки по окружности, которая всегда больше по длине прямой линии. Поэтому более однородное измельчение на волчке целесообразно осуществлять не вращением, а применив способ возвратно-поступательного движения решеток в противофазе. В этом случае в любой точке плоскости поперечного сечение зоны резания будут одинаковые линейные скорости режущих элементов, т.к. в данных условиях они не будут зависеть от радиуса, кроме того увеличивается и рабочее проходное сечение решетки из-за отсутствия оси вращения, что повысит производительность аппарата.
Такой процесс измельчения обеспечит однородную структуру фарша по всей площади решетки, создаст одинаковые условия для режущего механизма, снизит затраты энергии на процесс резания, повысит надежность и долговечность режущего аппарата.
Возвратно-поступательное, линейное движения решеток в плоскости, перпендикулярной продольной оси движения фарша, приводит к уплотнению и удалению из его структуры воздуха, а также существенно уменьшают силу трения о решетки, что способствует прохождению фарша через рабочие органы машин с меньшими гидравлическими потерями.
Увеличение частоты возвратно-поступательного движения решеток уменьшает толщину срезаемого слоя или уменьшаются геометрические размеры срезаемых частичек, что вызывает увеличение степени измельчения, а уменьшение частоты снижает степень измельчения. Таким образом, регулируя частоту движения решеток при постоянной скорости подачи сырья, получим разную степень измельчения или дисперсности фарша, не прибегая к дополнительным аппаратам, что является актуальной задачей.
В связи с вышеизложенным, целью данной работы является изучение процесса измельчения мясного сырья возвратно- поступательным движением рабочих органов (решеток) и создания соответствующего аппарата.
Механическая переработка мяса, как напряженно-деформационные процессы
Механическая переработка мясопродуктов заключается в основном в резании, при котором уменьшаются линейные размеры кусков обрабатываемой продукции, прессовании, дроблении, механизированной обвалке мяса [45] и т.д. Во всех этих случаях перерабатываемый материал подвергается силовому воздействию со стороны рабочего инструмента и, следовательно, в той или иной форме деформированию.
Так, если обратиться к процессам резания, то, как установлено академиком Ребиндером, энергетические затраты на этот процесс подчиняются следующему закону. dA=dAi + dA2+dA3 (2.) где dAi — энергия, расходуемая на образование элемента новой поверхности (на преодоление молекулярных сил); dA2 — энергия, расходуемая на компенсацию потерь, связанных с преодолением сил трения; dA3— энергия, расходуемая на объемные пластические деформации; dA2 + сІАз — необратимая часть энергии, переходящая в тепло.
Как отмечает академик Кузнецов, удельный вес каждой составляющей в общем расходе энергии зависит от механических свойств продукта; например, при резании мяса при комнатной или не очень низких отрицательных температурах основная часть энергии затрачивается на пластическое деформирование (до 85% всех затрат) и роль поверхностной энергии второстепенна, а при дроблении хрупких продуктов (мясо при очень низких температурах, кость и т.д.) роль поверхностной энергии значительно возрастает.
Прессование, как технологический процесс обработки мясопродуктов также связан с созданием объемного напряженно-деформированного состояния сжимаемого материала. Таким образом, для того, чтобы теоретически исследовать процессы механической переработки мяса необходимо знать параметры напряженно-деформированного состояния (т.е. напряжения и деформации) по всему объему перерабатываемого сырья. Параметры напряженно-деформированного состояния — напряжения и деформации дают полную картину внутренних сил и геометрического изменения формы в процессе механической обработки продукта. Остановимся кратко на определении и формулировке этих основных понятий механики деформируемых тел, необходимых для математического описания ряда процессов механической переработки мясного сырья.
Теории напряженного и деформированного состояний верны для любых тел, поскольку базируются на чисто геометрических и статических соотношениях. Функциональную зависимость же между напряжениями и деформациями целиком определяется природой сопротивления тел деформациями и, таким образом, имеет физический характер. Современное состояние науки пока не позволяет вскрыть исчерпывающим образом и изобразить в математической форме взаимосвязи между отдельными частицами тела при его деформации. Приходится довольствоваться интегральным эффектом сопротивления тела деформациям, обнаруживаемым экспериментальным путем при испытании образцов. Феноменологически связь между напряжениями и деформациями тел устанавливается на основании двух гипотез.
Гипотеза детерминантности утверждает, что напряженное и деформированное состояние тел полностью определяется заданием функционалов [61]. Т и (s — некоторые параметры, например, температура, влажность и т.д.
Вторая гипотеза — гипотеза макроопределяемости по существу уже содержится в первой. Она утверждает, что на основании однородного напряженного состояния, которое легко реализуется при испытании образцов, можно характеризовать неоднородные напряженные состояния в телах, реализуемые, как правило, на практике.
Математические операторы L и N определяются как физической природой тела, так и его состоянием (температура, влажность, степень анизотропии и т.д.).
Конкретные формы этих операторов для характеристики тканей мяса в различных интервалах температур и способы их определения на основании ограниченного числа простейших испытаний будут обсуждены ниже, а сейчас представляется возможным дать систему уравнений для решения задач по определению напряжений, деформаций и перемещений в нагружаемых телах любой природы.
Расчеты процессов резания мясопродуктов необходимо производить на основе диаграмм деформирования мяса, получаемых в лабораторных условиях из опытов на разрыв. Как известно, изучение механических свойств тел лучше всего осуществляется при испытании на разрыв [44]. Вообще ни один из методов испытаний по полноте выдаваемых сведений не может равняться с простым испытанием на растяжение. Однако, ценными с точки зрения возможности применения в расчетах, эти сведения становятся тогда, когда они получены в условиях, обеспечивающих однородность напряженного и деформированного состояний испытываемого образца. Это означает, что измерение деформаций должно производиться не по изменению расстояния между зажимами испытательной машины, а по базе образца. Производить же измерения деформаций на базе с помощью датчиков для таких тел, как мясо, представляет большие технические трудности из-за его весьма малой жесткости. Авторами [56,128] предложен метод, обеспечивающий как достаточную степень однородности напряженно-деформированного состояния, так и высокую точность измерений напряжений и деформаций.
Влияние диаметра отверстий решеток на усилие продавливания мясного сырья
После загрузки исходного сырья в волчок производиться его нагнетание к режущему инструменту. Этот этап характеризуется значительным сжатием сырья и при достижении напряжения превышающего напряжение среза начинается процесс вдавливания мяса в отверстия решеток. Процесс сжатия и вдавливания являются неразрывной частью процесса истечения мяса через отверстия решеток.
Большинством авторов [64,69,83,86,87] при определении характера вдавливания мяса в отверстия принималось, что оно происходит за счет среза мяса по кромкам отверстий, а значит давление, необходимое для среза продукта зависит от угла заточки режущих кромок. Если же принимать во внимание предложение о том, что истечение мяса через отверстие сопровождается разрывом, то острота режущих кромок влияния на давление истечения не оказывает. Для подтверждения этой гипотезы авторами [28,56,128] была проведена серия экспериментов, заключающаяся в продавливание мяса через отверстие с различной степенью остроты режущих кромок. При этом повышение давления при уменьшении степени заострения режущих кромок не наблюдалось, что подтвердило правильность утверждения о том, что измельчение мяса при прохождении через решетки вызвано разрывом его волокон в местах концентрации напряжений.
При работе решетки в паре с ножом, последний выступает как своего рода «ограничитель» развития процесса истечения мяса при достижении определенной глубины вдавливания, отрезая вдавленные кусочки и тем самым, препятствуя полному формированию потоков.
Авторами [28, 40, 128] для подтверждения этого положения были проведены соответствующие эксперименты. Периодически вдавливая мясо на определенную глубину, и отрезая вдавленные кусочки непрерывно замеряли давление истечения. По полученным данным была построена диаграмма истечения мяса.
Характер диаграммы рис.15 полностью подтверждает предположение о том, что давление истечения не может превысить значения, достаточного для вдавливания продукта на заданную величину.
Непрерывность глубины вдавливания по площади решетки была отмечена рядом авторов [28], что указывает на необходимость ее учета при расчете режущего механизма волчков.
Исследованию давления, необходимого для истечения мяса через решетки в зависимости от диаметра отверстий решеток, скорости истечения и скорости деформации посвящена работа [114]. Исследования проводились в пределах изменения диаметров от 0,002 до 0,25 и скоростей истечений от 0,07 до 0,4 м/с. Для определения давления Р необходимого для истечения недеформированного кускового мяса после обвалки, жиловки и сортировки авторами предложена следующая зависимость: Р = 1,265-105 -с/"084 -К0 3 (и) d - диаметр отверстия, м; V - скорость истечения, м/с. Давление же истечения для деформированного предварительно через отверстия диаметром d, м, а затем деформированного через отверстие диаметром di, м: Р = 12,75-105
В результате анализа авторами [113, 28] делается вывод о целесообразности при значительной степени деформации мяса использовать двух или трехступенчатую систему его продавливания через решетки.
Здесь мы хотим отметить тот факт, что, несмотря на снижение затрат энергии на продавливание мяса, применение многоступенчатой системы традиционного комплекса режущего механизма означает установку дополнительных пар трения нож-решетка, что может привести к суммарному повышению затрат энергии, т.к. мощность, затрачиваемая на трение ножей о решетки очень значительна. [116,109].
Кроме того, проведенные экспериментальные исследования [113] не учитывали влияние толщины решеток, коэффициента эффективности использования площади решеток, расположение отверстий решеток и т.д.
В своих исследованиях [40] при определении зависимости давления истечения от диаметра отверстий решеток, он учитывал и коэффициент эффективности использования площади решеток.
Влияние формы взаимного расположения отверстий на усилие продавливания сырья
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]: К-СхрР — (27) где: Схр - коэффициент силы лобового сопротивления; р - плотность материала; W ср - скорость вращения ножа; - длина контактной линии ножа с материалом.
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: и = аПнв (28) где: Cl9fll - эмпирические коэффициенты; М„в - число оборотов ножа. Тогда сопротивление, создаваемое вращающимся ножом с произвольным числом зубьев ножа Zn и дины зуба, можно определить по формуле:
Определение эффективности усилия резания по максимальному напряжению на разрыв
Измельчение мяса в волчке сопровождается его сжатием, смятием, срезом, сдвигом и т.п. Определение рациональных конструктивных решений и режимов работы волчка возможно лишь на основе данных о взаимосвязях и взаимодействие указанных процессов. Последовательность обработки сырья в волчке происходит следующим образом: транспортировка сырья осуществляется рабочим шнеком, что сопровождается сжатием сырья, трением о его поверхность и цилиндра. Работа, затрачиваемая на сжатие, частично воспринимается сырьем, превращается в потенциальную энергию упругой деформации и тепло. В тепло переходит также и значительная часть работы трения, что вызывает нагревание мяса и изменение структурно-механических свойств.
В целом внешняя энергия расходуется по трем направлениям: - непосредственно на измельчение (образование новой поверхности); -на процессы сопутствующие измельчению (энергия упругих и пластичных деформаций, энергозатраты на трение), -энергия на различные потери (износ деталей, трение в механизмах, потери холостого хода).
Распределение этих энергозатрат зависит от конструкции волчка, условий работы и вида сырья. Учитывая их взаимосвязь можно предвидеть, как меняются технологические показатели от изменения каждого вида энергозатрат.
Для стандартного волчка, установим зависимость между допустимым давлением на решетку, вращающимся моментом на вал шнека, его угловой скоростью и расходом сырья.
Полагаем, что рассматриваемая механическая система, состоящая из шнека вместе с ножом и находящимся между поверхностью шнека и внутренней поверхностью корпуса сырьем, имеет одну степень свободы. Это означает, что кинематические характеристики шнека, ножа и движущегося сырья полностью определяются вращательным движением шнека. Кроме того, полагаем, что процесс движения сырья является установившимся и баланс силовых воздействий на шнек со стороны двигателя и сырья приводит к одному уравнению равновесия, которое записывается с помощью принципа возможных перемещений для системы с одной степенью свободы. {Mb-Mc)d f -{i-K)pds2ds=o (35) м т ъ - вращающий момент, прикладываемый к шнеку со стороны двигателя, ±vx с - момент сил сопротивления вращению, обусловленный наличием трения сырья о поверхность шнека при его вращательном движении и о внутреннюю поверхность корпуса, а также сопротивлением, возникающим в паре решетка-нож, С 2 - площадь сечения шнека перпендикулярного оси Z Ом. возможное перемещение сырья вдоль корпуса при полном отсутствии вращения сырья вокруг оси Z, т.е. только при поступательном перемещении, \1 Л- )иЬ - возможное перемещение сырья вдоль корпуса при наличии вращения вокруг оси Z. Оф - возможное угловое перемещение шнека вокруг оси Z. л d - допускаемое давление на сырье перед решеткой. А- - коэффициент, учитывающий степень увлечения сырья во вращательное движение. (К = 0 - нет вращательного движения сырья, К = 1 - полное увлечение сырья во вращательное движение). Установление зависимости К от физических характеристик сырья, геометрических параметров установки и угловой скорости вращения шнека имеет большое значение для моделирования процесса истечения и резания сырья. Этот процесс будет иметь наибольшую эффективность при стремлении К к нулю и, наоборот, наименьшую эффективность, если величина -Л. стремится к единице. В этом последнем случае как следует из уравнения (35), усилие сжатия сырья между шнеком и решеткой равно нулю и вращающий момент двигателя будет расходоваться только на преодоление сопротивления трения при чистом вращении сырья.
Коэффициент А} который можно назвать коэффициентом проворачиваемости сырья, в первом приближении можно определить как отношение угловой скорости вращения "ч - сырья на поверхности шнека при г — Щ (координата V отсчитывается от оси Z) к угловой скорости вращения шнека :
Следует иметь в виду, что угловая скорость вращения сырья сложным образом зависит от всех физических и геометрических параметров процесса. Зависимость между возможными перемещениями находится из соотношения, учитывающего шаг винтовой линии ("): h 2П 2Я_ — или 0 = -7- as д(ріП т h Величину площади сечения шнека находим по известной формуле с учетом угла наклона винтовой поверхности: S2=nR cosL Подставив найденные значения в уравнение (35) находим зависимость М между вращающим моментом двигателя 1У1ь, угловой скоростью вращения шнека и допустимым давлением на сырье "d
