Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ технических средств для измельчения и переработки плодов яблок 11
1.1 Значение плодовых культур в аграрном комплексе южных регионов России 11
1.2 Требования к качеству плодов 11
1.3 Процесс измельчения материалов 14
1.4 Классификация машин для измельчения резанием 16
1.5 Анализ существующих машин для измельчения плодов 16
1.6 Конструкционные особенности и рабочий процесс работающих аналогов 18
1.7. Анализ конструктивных решений измельчителей плодоовощного сырья
в современном патентоведении 22
1.8 Виды нарезки плодов 28
1.9 Поточно-технологической линия производства сушеных яблочных чипсов и яблочного порошка 29
1.10 Цели и задачи исследования 30
Глава 2 Теоретическое исследование процесса резания плодов яблок на ломтики зигзагообразным режущим аппаратом 33
2.1 Предлагаемая конструкция ломтикового измельчителя плодоовощного сырья 33
2.2 Испытательный стенд для измерения составляющих сил резания плодоовощной продукции 35
2.3 Реологические свойства яблок при различных способах их обработки 3 7
2.4 Классификация механического резания 39
2.5 Общий случай резания ножом с продольной режущей кромкой 39
2.6 Кинематическая трансформация угла заточки лезвия и кромки лезвия ножа при скользящем резании 41
2.6.1 Кинематическая трансформация остроты лезвия ножа 41
2.6.2 Кинематическая трансформация угла резания з
2.7 Особенности влияния скорости на процесс резания плодов яблок на ломтики 44
2.8 Оценка параметров силового взаимодействия плоского ножа зигзагоооб-разного режущего аппарата с перерезаемым материалом 47
2.9 Определение критической силы резания, работы резания, коэффициента полезной работы лезвия и удельного давления на лезвие 56
Выводы по главе 63
Глава 3 Методика экспериментальных исследований 64
3.1 Программа исследований 64
3.2 Условия и объекты проведения исследования
3.3 Приборы и оборудование, применяемые при проведении экспериментальных исследований 68
3.4 Методика изучения структуры плода яблока, определения толщины границ областей, образующих его разнородную структуру 79
3.5 Определение основных физико-механических свойств плода
3.5.1 Размерно-массовые показатели плодов 81
3.5.2 Определение плотности структуры (мякоти) плода 83
3.5.3 Определение коэффициентов трения скольжения покоя 84
3.5.4 Определение коэффициента трения скольжения движения 85
3.6. Определение силовых (прочностных) показателей плодов яблок
3.6.1 Определение усилия резания при различных вариантах расположения ножей 87
3.6.2 Определение модулей упругости мякоти плодов яблок
3.7 Особенности проведения поисковых опытов по разработке ломтикового измельчителя 90
3.8 Методика проведения многофакторного эксперимента 92
3.9 Планирование факторного эксперимента
3.10 Определение зависимости усилия резания от количества ножей, контактирующих с плодом 97
3.11 Измерение остроты лезвия методом использования отпечатков
3.12 Определение потери сока при резании на различных вариантах расположения ножей 100
3.13 Определение расчетной производительности ломтикового измельчителя (по сырью и готовой продукции) 101
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований 103
4.1 Изучение структуры плода яблока, определение толщины границ областей, образующих его разнородную структуру 103
4.2 Определение основных физико-механических свойств плода
4.2.1 Размерно-массовые показатели плодов 108
4.2.2 Определение плотности мякоти плода 113
4.2.3 Определение коэффициентов трения скольжения покоя 114
4.2.4 Определение коэффициента трения скольжения движения мякоти плодов яблок по различным материалам
4.3 Определение усилия резания плода при различных вариантах расположения ножей 121
4.4 Определение модулей упругости структуры (мякоти) плодов яблок
4.5. Оптимизация режимов и параметров ломтикового измельчителя яблок 126
4.6. Определение зависимости усилия резания от количества ножей, контактирующих с плодом 1 4.7 Измерение остроты лезвия методом использования отпечатков 132
4.8 Определение потери сока при резании на различных вариантах расположения ножей 132
4.9 Энергетический расчет измельчителя 135
Выводы по главе 143
Глава 5. Технико-экономические показатели эффективности применения ломтикового измельчителя плодов яблок 146
5.1 Затраты на изготовление измельчителя 146
5.2 Технико-экономические показатели применения ломтикового измельчителя 147
5.3 Производственные затраты при использовании ломтикового измельчи теля 148
Заключение 149
Список сокращение и условных обозначений 151
Список литературы
- Классификация машин для измельчения резанием
- Классификация механического резания
- Определение коэффициентов трения скольжения покоя
- Определение модулей упругости структуры (мякоти) плодов яблок
Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее распространенные в сельском хозяйстве и пищевой промышленности режущие аппараты дискового и барабанного типов, реализуемые в измельчителях плодоовощной продукции, имеют ряд существенных недостатков.
Так, у дисковых измельчителей неравномерна нагрузка на вал, они требуют большей мощности приводного двигателя, чем барабанные той же производительности. К недостаткам барабанных следует отнести большие осевые нагрузки на подшипниковые опоры барабана, малую высоту горловины, что также ограничивает их производительность. Общим недостатком является разрушение структуры обрабатываемого продукта, а вследствие этого значительное соковыделение, что отражается на снижении концентрации витаминов и полезных веществ в готовой продукции и повышении энергозатрат. Поэтому решение задачи обоснования и разработки измельчителя плодоовощной продукции с использованием рабочего органа в виде ножевого аппарата с зигзагообразной схемой расположения ножей является актуальной и значимой для агропромышленного комплекса.
Степень разработанности темы. Совершенствованию технологического процесса и технических средств измельчения резанием плодов яблок посвящены работы белорусских ученых С.А. Арнаута, З.В. Ловкиса и др. Однако, разработанный ими измельчитель дискового типа, имеет ряд существенных недостатков, сопровождающих машины подобного типа, а именно ограниченную производительность, повышенные энергозатраты, препятствующих получению продукции высокого качества.
Цель исследования. Обоснование конструктивных параметров и режимов работы измельчителя яблок с зигзагообразным расположением ножей в режущем аппарате.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:
-
Выполнить патентный поиск и провести конструктивный анализ современных измельчителей плодоовощного сырья.
-
Определить физико-механические свойства плодов яблок, необходимые для обоснования параметров ломтикового измельчителя.
-
Разработать принципиальную схему измельчителя с зигзагообразной ножевой стенкой, теоретически и экспериментально обосновать его режимно-конструктивные параметры.
-
Составить методику расчета энергетических параметров разработанного измельчителя, с учетом следующих показателей: мощности привода; силы трения продукта о ножи; скорости продвижения продукта через ножевую стенку; удельного сопротивления продукта резанию; усилия, направленного на разрезание продукта.
-
Обосновать экономическую целесообразность внедрения измельчителя, на основе анализа результатов производственных испытаний разработать рекомендации к внедрению ломтикового измельчителя яблок.
Научная новизна заключается в усовершенствовании конструкции измельчителя яблок с зигзагообразным расположением ножей в режущем аппарате; обосновании конструктивно-режимных параметров измельчителя с зигзагообразной ножевой стенкой; разработке диаграммы разреза яблока, соответствующего погружению резака в структуру яблока по направлению «воронка-верхняя ямка»; получении экспериментальной зависимости усилия резания при зигзагообразном и рядном расположении ножей от количества ножей, контактирующих с плодом.
Теоретическая и практическая значимость работы. На основании проведенных исследований разработано экспериментальное оборудование для исследования процесса резания (патент №118519 РФ, 127986 РФ), а также ряд измельчителей плодоовощного сырья (патент №2369083 РФ, 102175 РФ, 113636РФ, 129845 РФ), позволяющих повысить эффективность и снизить энергоемкость процесса резания. Обоснованы оптимальные параметры работы ломтикового измельчителя.
Методика исследований. В теоретических и экспериментальных исследованиях использованы методы теоретической механики, физики, прикладной математики, математической статистики, теории планирования эксперимента. Обработка результатов экспериментальных исследований, а также графические работы осуществлялись на ПЭВМ при помощи прикладных компьютерных программ Microsoft Excel, MathCAD 14, Power Graph 3.1. Professional, SolidWorks 2011, КОМПАС-3D V13.
Испытания ломтикового измельчителя проводились в лабораторных условиях на основе ОСТ 70.10.8-84 «Испытания сельскохозяйственной техники. Программы и методы испытаний» и ГОСТ 24055-88 «Методы эксплуатационно-технологической оценки».
Положения, выносимые на защиту:
-
Усовершенствованный технологический процесс резания плодов яблок на ломтики.
-
Конструкция испытательного стенда для измерения составляющих сил резания плодоовощной продукции.
-
Конструкция ломтикового измельчителя яблок.
-
Аналитические зависимости, определяющие режимно-технологические параметры ломтикового измельчителя.
-
Математическая модель, описывающая процесс резания плодов яблок на ломтики.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований разработанной конструкции ломтикового измельчителя.
-
Технико-экономическая оценка эффективности использования разработанного ломтикового измельчителя.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается достаточным объемом и высокой степенью точности эмпирических данных, использованием известных зависимостей по оценке эффективности технических систем; применением современных методик обработки результатов экспериментов; использованием ГОСТ, общепринятых методик и рекомендаций.
Основные результаты исследований по теме диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Волгоградский ГАУ» (2008-2012 г.г.), региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (2008-2012 г.г.), программе «У.М.Н.И.К» (государственный контракт №8708р/13143, государственный контракт №16804) , «У.М.Н.И.К. на СТАРТ» (государственный контракт №11339р/20530), Ежегодном Областном конкурсе инновационных проектов, конкурсе «Молодой инноватор Волгоградской области – 2012», Всероссийской выставке «Золотая Осень 2010» и др. Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах общим объемом 5,82 п. л. (3,38 п.л. приходятся на долю автор), четыре из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент на изобретение и 5 патентов на полезные модели.
Классификация машин для измельчения резанием
Продукция, поступившая из сада на плодоупаковочный пункт, представляет собой смесь плодов различного качества. Задача сортировки заключается в том, чтобы распределить плоды в зависимости от имеющихся на них дефектов на определенные качественные группы, предусматриваемые стандартами.
Товарные качества плодов определяют по внешним признакам: размеру, фаске, форме, механическим повреждениям, степени пораженности вредителями и болезнями. На основании этих внешних признаков разработаны технические условия, которые служат руководством для заготовительных организаций при закупке продукции и для торгующих организаций, получающих ее от поставщиков с последующей реализацией потребителям.
В настоящее время действуют технические условия на свежие яблоки. Разработаны проекты ГОСТов на яблоки, груши и другие плоды. Все технические условия предусматривают сортировку яблок на три группы: два товарных сорта -первый и второй и несортовые или нестандартные.
Соответствие плодов тому или иному товарному сорту определяют сопоставлением имеющихся на них дефектов с дефектами, допускаемыми техническими условиями.
Так, согласно ГОСТ 21122-75 к первому товарному сорту яблок относятся плоды типичные и нетипичные по форме, с окраской, свойственной данному помологическому сорту, чистые, с целой или поломанной плодоножкой. При заготовке плоды должны быть съемной зрелости, при реализации в розничной торговой сети - в потребительной (съедобной) зрелости. К числу допускаемых повреждений плодов первого сорта относят: легкие ушибы, нажимы и градобоины (до двух повреждений площадью не более 1 см каждое), пробковые образования на площади не более 1 см"; пятна парши (не более трех точек): не более пяти повреждений щитовкой; повреждения долгоносиком и другими насекомыми - не более трех. Не допускаются сажистый налет, вялость, побурение кожицы, повреждения плодожеркой, проколы [33, 34].
Ко второму сорту относят: плоды типичные и нетипичные по форме, -неправильной формы, но не уродливые, с окраской, свойственной помологическому сорту, или без нее; с плодоножкой или без плодоножки, но без повреждения кожицы плода; зрелость плодов должна быть такой же, как и плодов первого сорта; размер не менее 35 мм по наибольшему поперечному диаметру.
Допускаемые повреждения для плодов второго товарного сорта: легкие ушибы, нажимы и градобоины на площади не более 5 см"; не более двух опробко-вевших проколов, пробковые образования на площади не более 1/8 поверхности плода; поражение паршой - в виде пятен или точек без белого окаймления общей площадью не более 2 см ; сажистый налет - легкий, общей площадью не более 1/4 поверхности плода; не более пяти повреждений долгоносиком и другими насекомыми; не более двух зарубцевавшихся повреждений плодожоркой.
Допускается также легкое увядание плодов, но без признаков морщинистости, а в период январь - июнь - плоды с побуревшей кожицей.
Наиболее распространенные дефекты плодов - механические повреждения виде проколов кожицы, нажимов, ушибов, потертостей и градобоин. Многие из этих повреждений возникают при небрежном обращении с плодами во время уборки, погрузочно-разгрузочных работах, при транспортировке и товарной обработке.
Градобоины плоды получают на дереве и различаются по характеру и степени заживления. Повреждения плодов как на деревьях, так и после сбора урожая могут быть зарубцевавшимися и свежими. Особенно опасны свежие повреждения кожицы, открывающие доступ к мякоти плодов многим вредителям и возбудителям болезней. Проколы кожицы плодоножкой, выступающими гвоздями в таре и другими острыми предметами, приводят к снижению сортности плодов и их относят уже к нестандартным. Нажимы и ушибы могут быть слабыми и сильными. Слабые ушибы и нажимы ухудшают вид плодов, но мало влияют на их лежкость, поэтому такие плоды относят к стандартным. Сильные ушибы и нажимы вызывают значительное потемнение в местах повреждения плодов. Внешний вид их ухудшается, лежкосгь снижается.
Такие плоды относят к нестандартным. Повреждение мякоти особенно заметно на плодах со светлой кожицей. На окрашенных плодах повреждения менее заметны, поэтому при сортировке их необходимо осматривать более тщательно.
Дефекты покровных тканей плодов (солнечные ожоги, растрескивание, стекловидность, повреждения низкими температурами) вызваны неблагоприятными условиями роста. Они портят внешний вид плодов и снижают их товарные качества. Сложность сортировки по качеству вызвана разнообразием дефектов и многочисленными комбинациями их, поэтому до сего времени она не может выполняться без участия человека. Работы по созданию средств механизации сортировки плодов ведутся в направлении облегчения оператору-сортировщику возможности качественной оценки плодов и распределения их на отдельные сорта.
Измельчение — процесс механического воздействия на продукт рабочими органами, который приводит к преодолению сил взаимного сцепления и разрушению продукта под действием внешних нагрузок, а также к увеличению поверхности твердых материалов [18].
Способы измельчения (рис. 1.1) подразделяют на следующие: раздавливание, раскалывание, разламывание, резание, распиливание, истирание, измельчение с помощью удара. В каждой измельчающей машине реализуются, как правило, все способы измельчения, но главную роль играет тот, для которого она создана.
Процесс резания (рис. 1.1, д) осуществляется лезвиями (ножами), под действием которых создается усилие F, направленное под определенным углом к измельчаемому материалу. Кроме того, ножи совершают движение в плоскости, параллельной плоскости разделения материала. При резании в материале возникают напряжения сдвига. Резание используется в измельчителях для плодов фруктов и овощей, а также туш животных, причем сырье можно измельчить на части заранее выбранных размеров и форм.
Резание применяют, когда требуется не только уменьшить размер кусков, но и придать им определенную форму (овощи и фрукты, конфетная и тестовая масса, мясо и другие продукты) [52, 67].
Классификация механического резания
Устройство содержит станину 1 со стойкой 2, неподвижно закрепленный на ней датчик частоты вращения приводного вала 3, и электродвигатель 4 с различной скоростью вращения, передающего крутящий момент посредством вала 5 через муфту 6 на спаренный механизм вертикального перемещения 7 режущего аппарата 8, с установленной между ними тензометрической балкой восприятия нагрузок 9, передающей изменение сопротивления при работе на АЦП и далее на ПЭВМ (на рисунке не показаны) и пуансон 10.
Устройство работает следующим образом. Посредством передачи крутящего момента приводным валом 5 через муфту 6 от электродвигателя 4 на спаренный механизм вертикального перемещения 7 тензометрическая балка восприятия нагрузок 9 с пуансоном 10 перемещается вниз навстречу режущему аппарату 8 с предварительно помещенным в него сырьевым материалом. Полученные сигналы от датчика частоты вращения приводного вала 3 и тензометрической балки восприятия нагрузок 9 передаются на АЦП и далее на ПЭВМ. При этом датчик частоты вращения приводного вала 3 считывает каждый оборот электродвигателя 4, выводя изменение частоты вращения последнего на экран монитора, а режущий аппарат 8 неподвижно зафиксирован на станине 1.
Данное устройство позволяет за счет применения датчика частоты вращения приводного вала повысить эффективность измерения скорости резания.
Применение спаренного механизма вертикального перемещения позволяет исключить консольные нагрузки на режущий аппарат, тем самым повысить достоверность полученных измерений.
Принадлежность реального тела к тому или иному виду «идеального» реологического тела, выявленная на основе предварительных экспериментов, позволяет верно выбрать прибор для исследования и определить свойства, подлежащие изучению [3, 76]. Феноменологическая классификация пищевых продуктов при сдвиговых деформациях, основанная на уравнениях Максвелла, Фойгта — Кельвина, Бингама и др. и распространенная в настоящее время, обращает внимание на различие в макроскопических свойствах материалов, но может оставить в тени характерные особенности, общие для многих тел [113]. Эти особенности становятся часто несущественными, если придерживаться классификации, основанной на молекулярном строении. Однако применение такой классификации ограничено для реологических исследований гипотезами сплошности и непрерывности. Кроме того, многие пищевые продукты имеют сложное строение и в процессе измерения или перемещения могут разделяться по фазам и следовать тому или иному закону в зависимости от уровня напряжений и деформаций, температуры и давлений.
Реологические свойства материала оказывают существенно влияние на условия протекания процессов их переработки. Знание этих свойств и закономерностей их изменения может указать новые пути управления процессом механического резания, выбрать правильные направления при разработке технологического оборудования.
Структурно-механические свойства характеризуют поведение продукта в условиях напряженного состояния и позволяют связать между собой напряжения, деформации или скорости деформации в процессе приложения усилий. Они не являются «чистыми» константами материала и существенно зависят от формы и размеров тела, скорости нагружения, состояния поверхности, влияния окружающей среды, температуры, структуры и множества других факторов.
При переработке яблок на стадии измельчения резанием важно исследовать процессы деформирования и разрушения клеточной ткани во всем диапазоне нагрузок и на их основе разработать реологические модели с учетом временных эффектов. Существующие данные о структурно-механических свойствах яблок весьма малочисленны и носят разрозненный характер.
Р Рисунок 2.3 - Реологическая модель плода яблока
Исследования [106] показали, что яблоки относятся к упруго-вязкостно-пластичным телам. Для оценки напряженно-деформированного состояния яблок использовался метод модельного анализа. На основе проведенных исследований предложена реологическая модель (рис. 2.3).
При составлении модели учтен временной эффект, поскольку в процессе деформирования яблок проявляется вязкостное сопротивление клеток. Предложенная модель включает следующие механические аналоги: упругопластическое тело Еу, упругое тело Гука Ev, тело упругого последствия Кельвина-Фойгта Еэ, и тело Бангама Ет.
Процесс механического резания характеризуется кинематическим и силовым взаимодействием лезвия ножа с материалом (объектом обработки). Результатом взаимодействия является возникновение в зоне их контакта сложных процессов деформирования и разрушения материала. Параметрами взаимодействия являются относительное перемещение, скорость, угол резания, свойства материала. Силовое взаимодействие характеризуется прежде всего усилием и работой резания.
Многообразие параметров взаимодействия и факторов, влияющих на процесс механического резания, определяет и многообразие подходов к обобщению и систематизации способов такого взаимодействия.
В общем случае процесс резания может протекать различно. В связи с этим теория резания лезвием из всего многообразия выделяет три характерных случая, или три вида, резания: нормальное, наклонное и скользящее [1, 15, 20, 32, 42, 98].
В нашем случае резание представляет собой измельчение продукта режущим инструментом в форме клина [68]. Для установления зависимости а.\ от а2 рассмотрим резание лезвием с продольной режущей кромкой. В плоскости с относительной скоростью v0 (плоскость угла резания) происходит разделение разрезанных ломтиков продукта [44, 46] (рис. 2.4).
Определение коэффициентов трения скольжения покоя
Для упрощения задачи принимаем, что єсж = о/Е, тогда зависимость между гсж и х в пределах предварительного сжатия материала /гсж подчиняется указанному за кону. Однако пропорциональность здесь выдерживается только для зависимости силы Р от относительного сжатия 8СЖ. При этом рост напряжения а = Рсж/Р с увеличением 8СЖ отстает от роста силы Рсж вследствие того, что с внедрением лезвия в материал при условии /ісж b/tga (где Ъ — толщина ножа), пло щадь F, на которую действует сила Рсж, растет по закону (2.21): Fx = AlhC3Ktga (2.21)
Таким образом, если силу Рсж относить к площади Fx, то зависимость между сж и О" подчиняется не закону пропорциональности, а степенному, применимому для большей части упруго-вязких и упруго-вязко-пластических материалов. В данном случае в качестве напряжения можно принять отношение Рсж к первоначальной площади, так как задачей является определение закона изменения Рсж в зависимости от относительного сжатия єсж. Такое допущение сводится к тому, что в выражении степенной функции (2.22): есжЕ = ап (п Ф 1) (2.22) показатель степени п принимается равным 1. Тогда элементарную силу сжатия с1Рсж, действующую со стороны столбика площадью dF, длиной, равной единице, и шириной dx, можно представить в виде (2.23): йРсж = Еєсж(Нісж tg а (2.23) При подстановке значения есж, получаем (2.24): dPcm = E fdhCKtga (2.24) рсж = 1 tg a jQ сж Ь.сжх dhC0K = — Кгсжа (2.25) Таким образом, сила Р , необходимая для сжатия материала гранью лезвия, находится в квадратичной зависимости от величины h и в графическом виде является квадратичной параболой. Если в горизонтальном направлении относительная деформация равна elt то элементарная сила обжатия (2.26): АРобж = Е\Е&Кж (2-26) Относительную деформацию гл в горизонтальном направлении можно выразить через относительную деформацию в вертикальном направлении (2.27): і = єсжЦ (2-27) где ц - коэффициент Пуассона. Подставив значение Ксж из выражения (2.20) в (2.27), получим (2.28): i = 7 (2-28) Тогда элементарную силу, действующую со стороны горизонтального элемента, можно выразить как (2.29): &Ро6ж = гхЕйКсж = EdhC3K (2.29) а силу, обжимающую фаску (2.30): Робж = 4ССЖКж dhC3K = n Of (2.30) Подставляя значения всех сил, противодействующих Ркр, получаем значение критической силы для лезвия единичной длины (А1 =1): PKD = SaD + - tg a + % + /( tg/? sin 2a + cos2a] (2.31) "P P 2 h ь 2 ft \ 4ft ьи 2 ft У vy После выполнения преобразований (2.32): Ркр = Sap + \ f [tg a + fsin2a + n(f + cos2a)] (2.32)
Выражение (2.32) имеет некоторые погрешности, которые обусловлены принятыми допущениями линейной связи а = /(сж). В случае п#1в выражении (10) значение усилия Рсж должно определяться следующим образом (2.33, 2.34): dPa = n {ba -p)dx (2-33) Pc» = /0hgagK- )fdX Следовательно, і і Рсж=тЬ{Э"Ь-" а (2-35) п Далее рассматриваем особенности силового взаимодействия лезвия с перерезаемым материалом при резании со скольжением (рис. 2.22), достигаемого установкой ножа под углом к противорежущему подпору. В первом приближении можно считать направление полной силы резания, приложенной к материалу, совпадающим со скоростью движения ножа относительно материала. Тогда полная сила резания (2.36): Рп = Р0 + 2N sin а2 + 2Nnt cos а2 (2.36) где Р0 - сопротивление движению острия; N - давление материала на нож; ц-L - коэффициент трения материала о нож; F = [i N— сила трения материала о нож. При увеличении коэффициента К соотношения скоростей (К = v2/v1) (см. рис. 2.15) сила Рп будет уменьшаться, так как уменьшается угол а2, а работа разрезания уменьшаться незначительно.
Составляющие силы резания Рх и Ру и сопротивление движению материала Q можно выразить следующим образом: Рх = Рп cos/S; Ру = Рп sinyS; Q = Рх + Ц2(Ру + GM); (2.37, 2.38, 2.39) где \i2 - коэффициент трения материала о поверхность; GM - масса материала. Так как tg/? = К, получаем: (2.40,2.41,2.42) Таким образом, при увеличении К и уменьшении Рп, силы Рх и Q уменьшаются интенсивнее а2, а Ру сначала увеличивается, а затем уменьшается.
Упрощенно схема резания образца плода яблока состоит из трех ярко выраженных этапов. Первый этап - плавное возрастание напряжения в образце. Так как плод яблока и другие виды семечковых плодов имеют клеточную структуру, на первом этапе клетки образца переходят из натурального в напряженное состояние. Второй этап - упругая деформация образца с возрастанием нагрузки относительно расположения волокон. На третьем этапе увеличение деформации ведет к снижению роста напряжения и к разрушению образцов.
Результаты исследования (запись диаграмм резания) приведены на рисунках 2.16, 2.17, 2.18,2.19. Диаграмму резания можно разделить на два характерных участка, соответствующих различным стадиям процесса: 1) сжатие материала лезвием до давления, достаточного для проникновения лезвия в структуру материала (предварительное сжатие); 2) движение лезвия сквозь слой материала (резание). Работа, затрачиваемая на каждую из указанных стадий, характеризуется соответствующей площадью А и Ар диаграммы резания. С точки зрения необходимого эффекта полезной следует считать только ту работу, которая затрачивается непосредственно на резание, и неполезной, хотя и неизбежной - работу предварительного сжатия [96,98].
Резание материала в каждом случае проводилось одним и десятью ножами, расположенными в одной горизонтальной плоскости, а также десятью ножами, зигзагообразно расположенными со сдвигом по вертикали относительно друг друга по высоте в 2 мм. В каждом из вариантов проводились опыты с применением рубящего и скользящего резания (с углом скольжения 30) при постоянной поступательной скорости пуансона к неподвижному режущему аппарату [6,60].
На диаграммах участки работы предварительного сжатия не заштрихованы, участки же работы резания заштрихованы. При этом видно, что участок сжатия при расположении ножей в одной горизонтальной плоскости занимает большую площадь относительно того же участка при расположении ножей зигзагом.
Во всех приведенных опытах применялись яблоки сортов Антоновка и Джонатан среднего размера. Для оценки максимального усилия на разрезание плодов, не соответствующих среднему диаметру, нами вводился поправочный коэффициент (Кпопр) ДЛЯ каж дого плода (см. глава 3). Условия и осредненные результаты опытов сведены в приложении 1.
В диаграммах резания (рис. 2.16, 2.17, 2.18, 2.19) ординаты выражают величину предварительного сжатия ножа на материал, на участке резания - величину усилия резания. Отсутствие плавности кривой на первом участке указывает на неравномерность деформации плодов и смятие верхних слоев структуры. На участке резания неравномерность усилия резания обусловлена изменением сопротивления резанию различных слоев и частей плода, образующих разнородную структуру, а также чередованием резания и некоторого дополнительного сжатия. На участке резания при расположении ножей зигзагом прослеживается ступенчатый вид диаграммы. Это связано с тем, что разрезаемый материал контактирует в одной плоскости не более чем с 2 ножами, образующих симметричную пару на противоположных сторонах зигзагообразной ножевой стенки, имеющий вид равнобедренного треугольника. При этом резание происходит ступенчато, при контакте с каждой парой ножей от исходного материала происходит отделение равных по толщине долек. На диафамме (рис. 2.19) это отражается в некотором вьфавнивании линии фафика на участке резания, связанного со снятием нафузки. Далее уже только часть плода контактирует со следующими парами ножей.
Определение модулей упругости структуры (мякоти) плодов яблок
Размерно-массовые показатели включают такие признаки плодов, как их масса, размеры и коэффициент формы, представляющий наибольший интерес при хранении и переработке плодов.
Основные размеры яблок - это максимальный и минимальный диаметры , а также высота. Высоту плода измеряют в направлении от плодоножки к чашечке. В сечениях, поперечных высоте, образуются кривые, приближающиеся к правильной окружности. Два взаимно перпендикулярных размеров в наибольшем поперечном сечении принято называть максимальным и минимальным диаметрами плода, а вычисленное среднее значение их - средним диаметром плода [110].
Опыты проводились в период полной спелости плодов. Для этого из хранилища с различных мест и точек глубины, дабы избежать эффекта самосортирования, отбирали 100... 150 плодов, которые и служили исходным материалом для снятия числовых значений интересующих нас характеристик (рис. 3.19).
Индивидуальная масса плодов определялась путем взвешивания каждого плода при помощи весов марки DIGI DS-708 с ценой деления 1 г и пределом взвешивания 3 кг, после чего полученные данные сводились в таблицу и обрабатывались [63].
Определение размеров велось с помощью штангенциркуля ШЦ-1 с пределами измерений 0...125 мм и точностью измерения 0,1 мм.
Высоту плода измеряли в направлении от плодоножки к чашечке. Два взаимно перпендикулярных размера в наибольшем поперечном сечении образовывали максимальный и минимальный диаметр плода, а вычисленное среднее значение их - средний диаметр плода (рис. 3.20). После этого по сортам определялся коэффициент формы по выражению (3.1). K = D/H (3.1) где D- максимальный поперечный диаметр плода, мм; Н - высота, мм.
Целью исследования по определению плотности структуры (мякоти) позволяют обосновать взаимодействие режущего аппарата и материала, а также соответствие разработанной диаграммы изменения усилий и процесса погружения резака в структуру плода яблока. Теоретически плотность структуры (мякоти) определяется по формуле (3.2) [104]: P = v 0-2) где т - масса исследуемого образца в кг, V- объем исследуемого образца в м3. В месте, показанном на рисунке 3.21, вырезались куски квадратной формы длиной а, шириной Ъ и высотой И, соответствующие толщине мякоти для изучаемого сорта плода определенного размера в данных точках. Для сорта Антоновка размер кусков был 10x10x10 мм, для сорта Джонатан 10 X 5 х 10 мм, что составило Va = 1 см3 (для Антоновки) и Vn = 0,5 см3 (Джонатан) (рис 3.22). Куски мякоти вырезались специальными приспособлениями.
Коэффициенты трения необходимы для выяснения соответствующего угла резания со скольжением (по В.А. Желиговскому) [98], а также характера перемещения плодов яблок по различным конструктивным поверхностям.
Для определения коэффициента трения скольжения покоя /к был использован прибор (рис. 3.23), состоящий из неподвижной горизонтальной плиты 5 и подвижной плиты 1. Винт 4 позволяет изменять угол наклона плиты 1, который определяется по шкале 6. К наклонной штате прикреплялась испытуемая поверхность трения 2 (органическое стекло, пищевая нержавеющая сталь шлифованная) [94,104]. 1- подвижная плита, 2 - поверхность, 3 - испытуемый материал, 4- винт, 5 - горизонтальная плита, 6 -шкала Рисунок 3.23 - Схема установки для определения коэффициента трения скольжения покоя Значение углов трения покоя фиксировались следующим образом. На горизонтально расположенную поверхность трения 2 укладывался испытуемый материал (плод яблока, разрезанный плод яблока). Плавным движением рукоятки винта 4 увеличивался угол наклона подвижной плиты 1 до момента, при котором начиналось движение испытуемого материала. Такому положение наклонной плиты соответствует условие, что угол а наклона плиты равен углу трения скольжения покоя рк (рис. 3.24). Рисунок 3.24 - Схема сил, действующих на испытуемый материал РК = tgyK = tga (3.3) Из выражения (3.15) видно, что коэффициент трения скольжения покоя прямо пропорционален тангенсу угла трения скольжения покоя.
Для определения коэффициентов трения скольжения движения использовался прибор академика В.А. Желиговского (рис. 3.25) [94], состоящий из линейки 1, которая фиксируется стопорным болтом под углом (3 к направляющей 4. Угол Р выбирается таким, чтобы при движении линейки происходило скольжения образца материала по поверхности трения 5 (органическое стекло, сталь шлифованная). Линейка с одной стороны имеет ползун 3, который скользит по направляющей, а с другой опирается на опорный полозок 6. Каретка 2 имеет карандаш 8 для записи траектории ее движения. Поверхность трения прикрепляется струбцинами 7 к линейке, а испытываемый материал (плод яблока, разрезанный плод яблока) закрепляется в каретке. - линейка, 2 -каретка, 3- ползун, 4 - направляющая, 5 - поверхность трения, 6 - полозок опорный, 7 - струбцина, 8 - записывающий карандаш, 9 - испытуемый материал движения Прибор устанавливается на горизонтальной плоскости, на которой закреплена чертежная бумага. При движении ползуна 3 по направляющей 4 каретка под действием нормальной силы N и силы трения Fc движется по направлению, совпадающему с направлением их равнодействующей Pv (рис. 3.26). Определив это направление, строится треугольник СМК, из которого определяется угол ф, равный углу МСК и длина отрезка МК.
Для изучения нагрузочных характеристик процесса резания использовался испытательный стенд для измерения составляющих сил резания плодоовощной продукции, разработанный в лаборатории «Механизация переработки плодов, овощей и корнеплодов» кафедры «Механизация животноводства и переработки с-х продукции», с применением 16-канального аналого-цифрового преобразователя «L-Card» и программного обеспечения «Power Graph 3.1. Professional» [101, 102, 114].
При разработке режущих аппаратов для резания плодов необходимо определять усилие, необходимое на разрезание материала. Определение усилия следует проводить для случаев статического и динамического приложения силы.
С целью получения необходимых данных нами проведены исследования, в результате которых регистрировалось: усилие резания материала одним и десятью ножами, расположенными в одной горизонтальной плоскости; усилие резания материала десятью ножами, зигзагообразно расположенными со сдвигом по вертикали относительно друг друга по высоте в 2 мм (рис. 3.27) [6, 60].
В каждом из вариантов проводились опыты с применением рубящего и скользящего резания (с углом скольжения 30) при постоянной поступательной скорости пуансона к неподвижному режущему аппарату.
