Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние механизации переработки плодов бахчевых культур 9
1.1 Основные направления переработки плодов бахчевых культур 9
1.2 Основные требования, предъявляемые к конструкции машин и аппаратов пищевого и консервного производства 17
1.3 Теоретические основы процесса резания 21
1.4 Обзор существующих конструкций для резания плодов овощных и бахчевых культур 45
Выводы к главе 59
Глава 2. Аналитическое исследование процесса стесненного резания очищенной мякоти плодов бахчевых вращающимся ножевым барабаном в виде ножевой решетки 60
2.1 Машина для резания очищенной мякоти плодов бахчевых культур при первичной переработке на цукаты 60
2.2 Определение основных кинематических параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых 63
2.3 Определение основных конструкторских параметров машины для резания очищенной мякоти бахчевых культур 72
2.4 Определение силовых параметров процесса резания очищенной мякоти плодов бахчевых 75
Выводы к главе 81
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 82
3.1 Программа исследований 82
3.2 Условия и объекты исследования 84
3.3 Общая методика экспериментальных исследований 85
3.4 Приборы и оборудование, применяемые при проведении экспериментальных исследований 90
3.5 Методика определения физико-механических свойств мякоти плодов бахчевых культур 95
3.5.1 Определение толщины мякоти 95
3.5.2 Определение плотности мякоти 96
3.5.3 Определение коэффициентов трения скольжения покоя 96
3.6 Определение прочностных показателей мякоти плодов бахчевых 100
3.6.1 Определения усилия разрушения 100
3.6.2 Определение модуля упругости 102
3.6.3 Определение усилий резания плоским ножом 103
3.7 Методика экспериментального исследования процесса стесненного резания мякоти плодов бахчевых 104
3.8 Методика проведения факторного эксперимента 106
3.9 Планирование факторного эксперимента 107
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 113
4.1 Определение толщины мякоти 113
4.2 Определение плотности мякоти 115
4.3 Определение коэффициентов трения скольжения покоя мякоти по различным конструкционным материалам 115
4.4 Определение коэффициентов трения скольжения движения мякоти по различным конструкционным материалам 119
4.5 Определение усилия разрушения мякоти плодов бахчевых 119
4.6 Определение модуля упругости мякоти 122
4.7 Определение усилия резания мякоти бахчевых плоским ножом 124
4.8 Определение усилия резания мякоти бахчевых ножом-решеткой при различных скоростях резания 128
4.9 Оптимизация параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых культур при переработке на цукаты 131
Выводы к главе 149
Глава 5. Определение основных экономических показателей применения машины для резания очищенной мякоти 150
5.1 Затраты на изготовление машины 151
5.2 Эксплуатационно-технологические показатели применения машины 153
5.3 Производственные затраты при использовании машины 154
Заключение 157
Список литературы 159
Приложения 176
- Теоретические основы процесса резания
- Определение основных кинематических параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых
- Определение коэффициентов трения скольжения покоя мякоти по различным конструкционным материалам
- Оптимизация параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых культур при переработке на цукаты
Теоретические основы процесса резания
Резание — технологический процесс обработки путем разделения материала с нарушением его целости, осуществляемый режущим инструментом с целью придания материалу заданной формы, размеров и качества поверхности.
Резание как один из технологических процессов обработки пищевых материалов широко применяется в различных отраслях пищевой, мясной, рыбной, комбикормовой промышленности: разрезание пластов и жгутов конфетных масс на отдельные корпуса; отделение куска от тестовой массы; резание туши или большого куска мяса на части; отделение головы и плавников рыбы; порционирование рыбы и мяса; резание овощей и фруктов; отделение гранул при выпрессовывании и т. п. Резание очень часто осуществляется в сфере общественного питания при разделении на части различных продуктов: хлеба, колбасы, рыбы, мяса, сыра, овощей. Применительно к пищевым продуктам резание должно осуществляться без отходов.
Материалы, подвергаемые резанию, имеют разнообразные физико-механические свойства (хрупкая конфетная масса, упруго-пластичное волокнистое мясо, вязко-пластичное мыло). Они могут быть однородными (тесто, конфетная масса) или неоднородными (рыба, хлеб, табак), изотропными (мыло, тесто) или анизотропными (мясо, рыба), иметь в своем составе более прочные элементы по сравнению с основной массой (волокна, кости, орехи в конфетной массе). Помимо этого разрезаемые материалы могут быть в естественном состоянии или предварительно подвергнуты дополнительной обработке (подпрессовка табака, формование и охлаждение мяса при порционировании), В зависимости от реологических свойств материала выбираются способ резания, вид режущего инструмента, скорости резания и подачи продукции. На качество среза и конечную форму продукта влияют тип ножа, характер заточки режущей кромки, соотношение скоростей резания и подачи.
Резание производят разными по виду ножами, лезвия которых имеют гладкую или фигурную режущую кромку, внедряющуюся в материал и создающую в местах контакта разрушающие напряжения.
При обработке пищевых материалов широко распространены как нормальное, так и скользящее резание. Нормальное резание (рубка) применяется при разделении конфетных охлажденных бесконечных жгутов на отдельные корпуса гильотинными ножами, тестовой массы в процессе ее деления при формовании. Скользящее резание осуществляется при резании хлеба и сухарных плит, мясопродуктов и рыбы, халвы и грильяжа.
При нормальном резании режущий инструмент вначале значительно локально уплотняет материал, а затем разрушает его, при этом образуются новые поверхности среза. Способ пригоден в тех случаях, когда к качеству поверхности среза не предъявляется высоких требований, так как поверхность получается шероховатой и часто наблюдается появление отходов. Таким образом, способ нормального резания пищевых материалов следует применять только в случаях, если предусмотрела их дальнейшая технологическая обработка (например, глазирование конфетных корпусов, округление н закатка тестовых кусков и т. п.).
При скользящем резании режущая кромка инструмента создает местное уплотнение материала, при этом образуется более гладкая поверхность среза. Это резание широко применяется для пищевых материалов. При резании происходит отделение одной части материала от другой в результате разрушения граничного слоя. Разрушению в зоне контакта режущего инструмента с материалом предшествует упругая и пластическая деформация, величина которой зависит от строения материала, скорости его деформирования, физико-механических свойств. Под действием приложенной силы инструмент создает в материале упругую и пластическую деформацию (рисунок 1.3). Разрушение происходит по линии наибольших напряжений и наступает тогда, когда напряжение становится равным временному сопротивлению (пределу прочности) материала. В зависимости от состояния материала и характера приложения силы разрушение происходит при растяжении или срезе. Работа резания расходуется на создание упругой и пластической деформации, а также на преодоление трения инструмента о разрезаемый материал.
Закономерности резания рассматриваются как результат взаимодействия системы: устройство — инструмент — материал. Любой вид резания характеризуется режимом резания, который определяется скоростью резания, глубиной резания и скоростью подачи. Эффективность резания зависит от рациональных режимов, учитывающих все влияющие факторы.
Неотъемлемой частью многих технологических агрегатов пищевой и мясной промышленности являются режущие устройства, при помощи которых обрабатываемый материал разделяется на отдельные части. Анализ работы резательных машин и механизмов показал, что форма и размеры изделий, количество отходов продукта зависят от правильности выбора способа резания, геометрии режущего инструмента, скорости подачи и физического состояния разрезаемого материала. При обработке резанием пищевых материалов особое внимание обращается на эффективность процессов обработки и повышение качества обработанных поверхностей изделий.
Условно различают два способа резания: статический (режущий инструмент перемещается нормально лезвию) и скользящий (режущий инструмент перемещается по двум взаимно перпендикулярным направлениям — нормально и параллельно лезвию). Первый из них некоторые исследователи [60] называют рубкой, а второй — резкой; в других источниках [74] указано, что резание без скольжения является частным случаем скользящего резания. М. В. Калачевым [60] предложено рассматривать следующие способы резания: рубящий, скользящий, вибрационный, водоструйный, лазерный и ультразвуковой. Последние два способа пока не нашли применения в пищевой промышленности, но работы в этом направлении ведутся.
В настоящее время имеется ряд классификаций, в которых рассмотрены машины и устройства для резания пищевых материалов или машины, имеющие узлы резания. Это классификации Н. В. Зайцева по резанию хлебного теста; Г. А. Маршалкина по резанию конфетных, карамельных и бисквитных материалов; С. М. Гребенюка по резанию сахарной свеклы; А. К. Друссейка и М. Я. Аболотиньша по разделке рыбных материалов и некоторые другие. Однако перечисленные классификации не являются общими по резанию пищевых материалов; так как они учитывают только отраслевую специфику, но не отражают в полной мере особенностей процесса резания и не связаны с реологическими свойствами обрабатываемого материала.
Наиболее полная и общая классификация, отражающая современные представления о процессе резания с учетом физико-механических свойств материала, предложена М. В. Калачевым. Машины и устройства для резания любых пищевых материалов он делит по следующим функциональным признакам:
1. по назначению: для резания хрупких, твердообразных, упруго-вязко-пластичных и неоднородных материалов;
2. по принципу действия: периодического, непрерывного и комбинированного;
3. по виду режущего инструмента: дисковые, струнные, гильотинные, роторные, струйные (жидкостные и пневматические), ультразвуковые, лазерные (рисунок 1.4); 4. по характеру движения режущего инструмента: машины с вращательным, возвратно-поступательным, плоско-параллельным, поворотным, вибрационным возвратно-поступательным движением основного рабочего органа;
5. по характеру движения материала при резании: материал неподвижен, движется поступательно, увлекается режущим инструментом, движется поступательно с поворотом на 90 или 180;
6. по виду крепления материала: материал не имеет ограничений перемещения в направлении, перпендикулярном плоскости разреза, с односторонним или двусторонним ограничением;
7. по характеру привода: с механическим, гидравлическим, пневматическим и электромеханическим.
Определение основных кинематических параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых
Рабочее движение лезвий ножей барабана разработанной нами машины для резания очищенной мякоти представляет собой криволинейную поверхность, в сечении имеющую форму части петли циклоиды. Это обусловлено тем обстоятельством, что в процессе резания ножи не только внедряются в материал, но и протаскивают его, описывая при этом окружность вокруг оси барабана, ребром которого они являются.
В процессе резания угол внедрения лезвий ножей все время меняется относительно поверхности разреза, вследствие чего фаски лезвия вместе с необходимым резанием производят смятие материала, расходуя на это энергию.
Рассмотрим такие элементы кинематики ножевого барабана, как абсолютная траектория его ножей, их относительная траектория в перерезаемом материале, зависимость скорости резания от геометрических и кинематических параметров.
Ножи 1 (рисунок 2.2) ножевого барабана и опорный валец 2 при вращении со скоростью со захватывают ломоть мякоти 3, затем сжимают и протягивают его, при этом одновременно ножи внедряются в мякоть и разрезают ее, использую в качестве опоры поверхность вальца 2. Продолжая вращаться, ножи удерживают отрезанные кусочки внутри ячейки ножевой решетки. Абсолютная траектория движения кромки лезвия в координатах х-у может быть представлена уравнением окружности: х2 + [y-R]2 = R2 (2.1) где R - радиус ножа по лезвиям.
Кромка лезвия ножа 1 вращаясь по окружности радиуса R с угловой скоростью со, имеет окружную скорость v0Kp. Эта скорость может быть разложена на составляющие vx и vy: окру = POKp-sin p0; (2.2) окрх = vwp-cos(pQ. (2.3) где фо - угол поворота ножа от момента соприкосновения лезвия с мякотью до момента, когда нож займет вертикальное положение.
Составляющая v0Kp у представляет собой скорость вертикального перемещения кромки лезвий, составляющая v0Kp х - скорость протаскивания мякоти ножами или скорость перемещения мякоти в направлении оси х без учета проскальзывания.
Траектория ножей в слое мякоти представляет собой циклоиду (рисунок 2.2), уравнение которой для ножа в параметрической форме в неподвижных осях координат Ох и Оу будет:
Скорость перемещения кромки лезвия в материале является скоростью резания vpe3- Направление скорости урез совпадает с направлением разреза материала и определяется касательной к траектории движения кромки. По величине скорость УрЄз равна производной пути по времени, т.е. рез = dt = .№резх резу (2-6)
Данное выражение показывает, что с увеличением угловой скорости со, радиуса R окружности по лезвиям ножа, толщины h разрезаемой мякоти скорость Урез увеличивается. Эта скорость меняется вместе с углом поворота ножа cot. Он изменяет свое значение с нуля в момент соприкосновения кромки лезвия с материалом в точке О до ср0 в момент конца резания в точке А. Из выражения (2.9) видно, что максимальное значение урез будет при cot =0: = Wtf2-r2 (2.13) рез max
Минимальное значение скорости резания будет при cot= ср0. При этом выражение (2.9) с учетом (2.11) примет вид
Следовательно, в начале резания вертикальная составляющая vpe3 у по величине и направлению равна скорости резания, т.е. vpe3 — vpe3y = vpe3max.
Как уже отмечалось, при cot=(po vpe3y = 0, а горизонтальная составляющая скорости резания может быть выражена уравнением (2.7). Учитывая выражения (2.5), (2.10) и (2.11), получим резх = (Я - г) = шК (2.19) т.е. в точке А при cot=(po скорость резания является минимальной и по величине равной горизонтальной составляющей vpe3 = vpe3X = vpe3min.
Анализ уравнений (2.16), (2.17), (2.19) показывает, что скорость резания vpe3X зависит от угловой скорости и толщины разрезаемого куска и направлена вдоль перерезаемого слоя, способствуя его сжатию. В точке А горизонтальная составляющая скорости резания достигает максимальной величины. Для уменьшения vpe3X необходимо создать такие условия, при которых резание бы заканчивалось не в точке А, где vpe3y = 0, а несколько раньше, при u)t р0.
Увеличение вертикальной составляющей скорости резания vpe3 у может быть достигнуто за счет увеличения: угловой скорости со и радиуса R барабана при определенной толщине h перерезаемого слоя мякоти. Качество резания мякоти в значительной мере зависит от скорости ее подачи vnod. Анализируя процесс резания можно увидеть, что если скорость подачи меньше составляющей v0Kpx, т.е. то траектория ножа представляет удлиненную циклоиду, что приводит к отрыву кусочков мякоти от ломтя. Если скорость подачи будет значительно больше составляющей v0Kpx, т.е. то траектория ножа представляет собой укороченную циклоиду. В этом случае мякоть будет упираться в грани ножа, что приведет к дополнительному её сжатию и возможному разрушению куска. Казалось бы, наилучшее качество резания будет при равенстве скорости подачи и составляющей v0Kp х, т.е. vnoA = v0Kp х, но при этом траектория ножей в мякоти будет представлять кривую О А (см. рисунок 2.2), а объем мякоти заключенный в сечении в область OAK будет теряться из-за смятия.
Для того, чтобы не происходила значительная потеря мякоти необходима такая траектория ножа в материале, которая была бы наиболее близка к прямой параллельной оси Оу. Этого можно добиться при Я 1 и при этом нож должен проходить ниже границы куска мякоти (рисунок 2.3). В таком случае ножи будут прорезать мякоть полностью, а резание заканчиваться при cot ср0.
Для удобства будем считать, что ломоть мякоти находится на месте, а ножевой барабан вращается вокруг горизонтальной оси с угловой скоростью со и одновременно вместе с машиной участвует в поступательном движении со скоростью VM = Упод.
При этом путь пройденный куском за один оборот барабана
Зная число ножей п по окружности барабана, находим значение шага барабана, т.е. расстояние между одинаковыми точками двух циклоид, описанных одноименными точками соседних ножей
Определение коэффициентов трения скольжения покоя мякоти по различным конструкционным материалам
Во время работы разработанной нами машины мякоть опирается и движется по различным поверхностям. В точках контакта между мякотью плода и поверхностями возникает трение скольжения покоя и трение скольжения движения, оказывающее большое влияние на технологический процесс.
Опыты по определению коэффициентов трения скольжения покоя проводились на установке рисунке 3.5, а результаты представлены в таблицах 4... 12 приложения 4.
Средние значения коэффициента трения скольжения покоя для мякоти тыквы Волжская серая-92 и арбуза Дисхим отличаются не значительно и составляют соответственно по стали 0,97 и 0,96; по текстолиту - 0,61 и 0,64; по резине - 1,30 и 1,31. Средние значения коэффициента трения скольжения покоя для мякоти дыни Быковская-735 несколько ниже и составляют по стали 0,87; по текстолиту - 0,57; по резине - 1,24.
Существенно влияет на коэффициент трения мякоти тыквы по различным поверхностям площадь взаимного контакта. Зависимость коэффициента трения от площади контакта весьма сложная (рисунки 4.5...4.7).
Изучалось также влияние удельного нормального давления на коэффициент трения при р = 0,2- 105Па; 0,6 105Па и 1,0 105Па для мякоти арбуза Дисхим и Волжская серая-92,а для мякоти дыни Быковская-735 р = 0,2-105Па; 0,4 105Паи 0,6 105Па (рисунки 4.8...4.10). При прохождении через ножевую решетку мякоть перерабатываемых плодов подвергается сжатию, в виду чего возрастает нормальное давление на границе мякоть-поверхность граней и полотно ножа.
Средние значения коэффициента трения скольжения движения для мякоти тыквы Волжская серая-92 и арбуза Дисхим отличаются не значительно и составляют соответственно по стали 0,45 и 0,43; по текстолиту - 0,46 и 0,48; по резине - 0,72 и 0,75. Средние значения коэффициента трения скольжения покоя для мякоти дыни Быковская-735 несколько ниже и составляют по стали 0,37; по текстолиту - 0,41; по резине - 0,69.
Оптимизация параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых культур при переработке на цукаты
В результате проведённых исследований нами было установлено, что на процесс резания очищенной мякоти плодов бахчевых культур наибольшее влияние оказывают следующие факторы: скорость резания, угол заточки ножей, толщина режущей кромки и угол подачи куска.
Дальнейшие исследования были направлены на определение оптимальных значений конструктивных и кинематических параметров машины для резания очищенной мякоти. При этом они оценивались качеством резания мякоти при соответствующей настройке указанных параметров.
Конструкция исследуемой машины была изготовлена в соответствии с данными, проанализированными в главе 2. Настройка машины на необходимый режим работы осуществлялась в соответствии с принятой методикой проведения эксперимента.
В соответствии с принятой методикой, для исследования области оптимума был реализован план Рехтшафнера для 4-х факторного эксперимента (таблица 3.4). Полученные результаты экспериментов представлены в приложениях П8,П9,Ш0.
На основании экспериментальных данных по предложенной программе рассчитаны коэффициенты b0, b;, by и Ьн уравнения регрессии (3.22).
Значимость коэффициентов уравнения (3.22) оценивалась по критерию Стьюдента. Незначимые коэффициенты удалялись, и выполнялся повторный расчет коэффициентов регрессионной модели. В результате расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде
Адекватность полученных математических моделей проверялась по критерию Фишера.
Результаты расчетов s и S (у) представлены приложениях. П.8, П.9,
П. 10.
Получено, что при исследовании неравномерности распределения качества резания мякоти арбуза Дисхим F = 0,58, мякоти тыквы Волжская серая-92 F=0,5873, мякоти дыни Быковска-735 F=0,7686. Во всех случаях Fo.c F (здесь Fo.o5=2,1646 - табличное значение критерия Фишера при уровне значимости 5%). Таким образом, математические модели адекватны результатам эксперимента.
С помощью предложенной программы были определены оптимальные значения факторов (таблица 4.1).
Уравнения регрессии (4.1,4.2,4.3), представленные в канонической форме, имеют вид:
Для мякоти арбуза Дисхим
Уд - 98,67 = -6. Ц2 - 1.6х22 - 2.91x1 4-63 2 (4.4)
Для мякоти тыквы Волжская серая-92
ук-п -97,74 = -4,8х2 -6,1х22 - х\ -2.1л;2 (4.5)
Для мякоти дыни Быковская-735
YB- -97.2 = -5.1х,2 -8.75х2 - 2.5д-2 - 6.0 2 (4.6)
Поскольку все коэффициенты при квадратных членах имеют отрицательные знаки, то поверхности откликов, описанные уравнениями (4.1, 4.2, 4.3), представляют не что иное, как четырехмерные параболоиды с координатами центров поверхностей в оптимальных значениях факторов.
При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (4.1) для мякоти арбуза Дисхим, относительно скорости резания (х,) и угла заточки ножа (х2), факторы толщина режущей кромки ножа (х3) и угол подачи куска (X4) фиксировались на оптимальных значениях х3 = -0,94 Х4 = - 0,2.
Результаты расчетов приведены в табл. П. 8 и графически представлены на рисунке 4.29. Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х,= 0,5...1 их2= -0,5...-0,9.
При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (4.1) для мякоти арбуза Дисхим, относительно скорости резания (х j) и толщины режущей кромки ножа (х3), факторы угол заточки ножа (х2) и угол подачи куска (Х4) фиксировались на оптимальных значениях Х2 = -0,6 и Х4 = - 0,2. Результаты расчетов приведены в табл. П. 8 и графически представлены на рисунке 4.30.
Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х{= 0,4... 1 и хз = -0,5... 1.
При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (4.1) для мякоти арбуза Дисхим, относительно скорости резания (х,) и угла подачи куска (х4), факторы угол заточки ножа (х2) и толщина режущей кромки ножа (х3) фиксировались на оптимальных значениях х2 = -0,6 и х3 = -0,94.
Результаты расчетов приведены в табл. П. 8 и графически представлены на рисунке 4.31.
Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х,= 0,4...1 и Х4 = -0,4...0,1.
При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (4.1) для мякоти арбуза Дисхим, относительно угла заточки ножа (х2) и толщины режущей кромки ножа (х3), факторы скорость резания (xi) и угол подачи куска (х4) фиксировались на оптимальных значениях Xi = 0,7 и х4 = - 0,2.
Результаты расчетов приведены в табл. П. 8 и графически представлены на рисунке 4.32.
Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х2= -0,4...-0,9 и х3 = -0,5...-1.
При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (4.1) для мякоти арбуза Дисхим, относительно угла заточки ножа (х2) и угла подачи куска (х4), факторы скорость резания (xi) и толщина режущей кромки ножа (х3) фиксировались на оптимальных значениях Xi = 0,7 и х3 = -0,94.
Результаты расчетов приведены в табл. П. 8 и графически представлены на рисунке 4.33.
Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х2= -0,4...-0,8 их4 = 0,1...-0,5.
При рассмотрении двумерного сечения поверхностей отклика по уравнению регрессии (4.1) для мякоти арбуза Дисхим, относительно толщины режущей кромки (х3) и угла подачи куска (х4), факторы скорость резания (х]) и угол заточки ножа (х2) фиксировались на оптимальных значениях Xi = 0,7 и х2 = -0,6.
Результаты расчетов приведены в табл. П. 8 и графически представлены на рисунке 4.34. Могут быть рекомендованы следующие оптимальные значения факторов: х2= -0,5...-1,0 их4= 0,1...-0,4.
Анализ приведенных двумерных сечений показал, что для того, чтобы качество резания очищенной мякоти арбуза Дисхим было максимальным, могут быть рекомендованы следующие интервалы значения факторов: х,= 0,5...0,9; х2= -0,4...-0,8; х3 = -0,8...-1 и х4 = 0...-0,4. При этом качество резания очищенной мякоти j составит 98%.
