Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние механизации переработки плодов бахчевых культур. Цель и задачи исследования 17
1.1 Значение бахчевых культур в аграрном комплексе. Уровень и перспективы развития бахчеводства в южных регионах России 17
1.2 Основные направления использования плодов тыквы 20
1.3 Уборка и хранение плодов тыквы. Общие требования к качеству плодов тыквы при переработке на пищевые цели 28
1.4 Обзор общих способов очистки растительного сырья от наружного покрова 31
1.5 Обзор существующих конструкций для удаления коры с плодов овощных и бахчевых культур 37
Глава 2. Аналитическое исследование процесса удаления коры щёточным очистительным аппаратом 56
2.1 Машина для удаления коры с плодов тыквы 56
2.2 Определение конструкторских параметров щёточного барабана 59
2.3 Условие вращения плода на опорно-приводных барабанах 62
2.4 Начальные условия 66
2.5 Технологические особенности процесса удаления коры щёточными барабанами 67
2.6 Определение основных кинематических параметров цилиндрических щёточных барабанов машины для удаления коры с плодов тыквы 69
2.7 Определение толщины и площади поперечного сечения стружки 77
2.8 Определение силовых параметров рабочего процесса цилиндрического щёточного барабана 81
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 87
3.1 Программа исследований 87
3.2 Условия и объекты исследования 90
3.3 Общая методика экспериментальных исследований 90
3.4 Приборы и оборудование, применяемые при проведении экспериментальных исследований 95
3.5 Методика определения физико-механических свойств элементов плода 103
3.5.1 Определение толщины коры 103
3.5.2 Размерно-массовая характеристика плодов 104
3.5.3 Определение плотности коры и подкоровой мякоти 105
3.5.4 Определение коэффициентов трения скольжения покоя 106
3.5.5 Определение коэффициентов трения скольжения движения 108
3.6 Определение прочностных показателей коры плода ПО
3.6.1 Определение усилия проколам твёрдости плода ПО
3.6.2 Определение нормальных напряжений в коре плода тыквы и подкоровой мякоти при деформации сдвига 111
3.6.3 Определение модулей упругости коры и подкоровой мякоти 113
3.7 Особенности проведения поисковых опытов по разработке рабочего органа 114
3.8 Методика проведения многофакторного эксперимента 118
3.9 Планирование факторного эксперимента 120
3.10 Определение мощности реализуемой щёточным барабаном 127
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 128
4.1 Определение толщины коры 128
4.2 Размерно - массовая характеристика плодов 131
4.3 Фрикционные свойства коры и подкоровой мякоти плодов тыквы... 134
4.3.1 Определение коэффициентов трения качения коры и мякоти плодов тыквы по различным конструкционным материалам 134
4.3.2 Определение коэффициентов трения скольжения коры и мякоти плодов тыквы по различным материалам 138
4.4 Определение плотности коры иподкоровой мякоти 141
4.5 Определение усилия прокола и твёрдости коры плода , 143
4.6 Определение модулей упругости коры и мякоти 144
4.7 Определение усилия сдвига коры 148
4.8 Оптимизация конструктивных и кинематических параметров машины для удаления коры с плодов тыквы 150
Глава 5. Определение основных показателей при использовании машины для удаления коры с плодов тыквы 159
5.1 Затраты на изготовление машины 160
5.2 Технико-экономические показатели применения машины 162
5.3 Производственные затраты при использовании машины в сравнении с ручным трудом 163
Общие выводы и практические рекомендации 165
Список использованной литературы 167
Приложения 178
- Основные направления использования плодов тыквы
- Определение конструкторских параметров щёточного барабана
- Условия и объекты исследования
- Размерно - массовая характеристика плодов
Введение к работе
Актуальность темы. Ценность плодов бахчевых культур в частности плодов тыквы очень высока и обусловлена содержанием в них важнейших элементов питания. Разнообразие витаминов позволяет использовать тыкву в качестве профилактического и лечебного средства при различных болезнях. Очищенная мякоть плодов бахчевых культур может широко использоваться для получения концентрата сока, джемов, повидла, цукатов, производства сублимированного порошка, детского питания, пюре, каши, пасты, а кора после сушки может использоваться для получения пектина.
В данный момент технология удаления наружного покрова с плодов бахчевых культур основана на применении ручного труда, а существующие конструктивно - технологические решения .машин по очистке плодов от коры не обеспечивают при переработке бахчевых эффективной и качественной работы.
Для решения указанной проблемы необходимо на основе анализа особенностей развития бахчевых культур, их биологических и химических свойств обосновать рациональную технологию и разработать технические средства для механизации процесса очистки плодов тыквы от коры, которые полностью соответствуют всем требованиям процесса удаления наружного покрова с плодов бахчевой продукции.
Цель исследования. Создание средств механизации для технологического процесса удаления коры с плодов бахчевых культур преимущественно тыквы и повышение эффективности этого процесса за счёт применения очистительного аппарата щёточного типа, позволяющего обеспечить максимальную полноту очистки и снизить потери съедобной мякоти.
Объект исследований. Технологический процесс удаления коры с плодов тыквы с использованием машины оснащённой очистительным аппаратом щёточного типа.
Предмет исследования. Конструктивно-технологические и кинематические параметры очистительного аппарата щёточного типа.
Методика исследований. В теоретических и экспериментальных исследованиях использованы методы теоретической механики, физики, сопротивления материалов, 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 2000 Professional.
Испытания машины для удаления коры с плодов тыквы проводились в лабораторных условиях на основе ОСТ 70Л0.8-84 «Испытания сельскохозяйственной техники. Программа и методы испытаний» и ГОСТ 24055-88 «Методы эксплуатационно-технологической оценки».
Научная новизна заключается в усовершенствовании технологического процесса удаления коры с плодов тыквы; обосновании конструктивно-технологической схемы машины для удаления коры с плодов тыквы и конструктивных параметров щёточных барабанов; получении аналитических зависимостей для определения кинематических параметров щёточных барабанов, применительно к процессу удаления коры; силовом анализе технологического
процесса; определении энергетических затрат на процесс удаления коры; получении математических моделей влияния жёсткости щёточных элементов, угловой скорости щеточных барабанов, соотношения окружных скоростей щёточных барабанов и плода на полноту очистки плодов и потери съедобной мякоти.
Практическая ценность. На основании проведенных исследований разработана конструкция машины для удаления коры с плодов тыквы (патенты РФ №2266028, №2266693), позволяющая повысить полноту очистки плодов и снизить потери съедобной мякоти. Обоснованы оптимальные конструктивные и кинематические параметры машины для удаления коры с плодов тыквы, позволяющие получать высокие показатели качества работы.
Реализация результатов исследования. Экспериментальный образец машины для удаления коры с плодов тыквы изготовлен и исследован в лабораторных условиях, а также прошел производственные испытания и показал высокие показатели эффективности в условиях межфермерского научно-производственного кооператива «Фармаол» Быковского района Волгоградской области.
Апробация работы. Основные результаты теоретических исследований по теме диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на: Первой Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК», Ставропольская ГСХА (2001 г); региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области, Волгоградская ГСХА (2001-2005 г); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития АПК», посвященной 60-летию Победы в Великой Отечественной войне, Волгоградская ГСХА. (2005 г); научной конференции профессорско-преподавательского состава Волгоградской ГСХА (2006
г).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, из которых две опубликованы в центральной печати (патенты РФ №2266028, №2266693).
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Материал изложен на 210 страницах машинописного текста, содержит 33 таблицы, 95 рисунков и 10 приложений. Список использованной литературы состоит из 114 наименований, из них 4 - на иностранных языках.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
усовершенствованный технологический процесс удаления коры с плодов бахчевых культур;
конструкция установки для удаления коры с плодов тыквы;
теоретический расчет конструктивных и кинематических параметров машины для удаления коры с плодов бахчевых культур;
математическая модель, описывающая процесс очистки коры с плодов тыквы; "
результаты лабораторных исследований разработанной машины для удаления коры с плодов тыквы;
- технико-экономические показатели эффективности применения машины для удаления коры с плодов тыквы.
Основные направления использования плодов тыквы
Углубленное изучение различных аспектов жизнедеятельности человека в зависимости от возраста, рода занятий, условий жизни выявило необходимость создания новых, наряду с совершенствованием традиционных, технологий и продуктов питания с привлечением малоиспользуемых видов сырья растительного происхождения.
Решение данной актуальной и глобальной проблемы не ограничивается задачей устранения дефицита пищевых продуктов в нашей стране. Она затронула, и все больше охватывает экономически развитые страны, т.к. многие болезни, которыми страдает множество людей в мире, вызваны повышенной калорийностью потребляемой пищи, разбалансированностью продуктов питания по основным компонентам, что приводит к излишней массе тела, преждевременному старению организма, развитию атеросклероза и других сердечно - сосудистых заболеваний.
Перспективным источником растительного сырья при производстве различных пищевых продуктов являются бахчевые культуры.
Для переработки скоропортящихся плодов, к которым относятся бахчевые культуры, необходимо создать безотходную технологию. Этим обусловлены основные направления переработки бахчевых культур, в частности плодов тыквы (рис. 1.1).
В последнее время растительные лекарственные препараты в медицине и ветеринарии занимают особое место, поскольку они стоят дешевле, действуют мягче, чем синтетические, обладают малой токсичностью и не оказывают, как правило, побочных действий, часто являются незаменимыми для лечения хронических заболеваний. Кроме того, они способствуют получению экологически чистой продукции животноводства.
Преимущество препаратов растительного происхождения обусловлено тем, что они содержат комплекс активных природных биологических веществ в оптимальном сочетании, которые при введении в организм даже в очень малых количествах вызывают определённый терапевтический эффект. Доказано, что лечебное действие растительных средств тем эффективней, чем полнее сохранено природное сочетание действующих начал. При разрушении природного комплекса устраняется или значительно ослабляется желаемый эффект.
Плоды тыквы содержат 6-30% сухих веществ, в состав которых входят углеводы, азотистые и минеральные соединения, органические кислоты, витамины. Содержание пектиновых веществ в разных сортах тыквы различное [89]. Массовая доля клетчатки гемицеллюлозы колеблется в пределах 4-12%. Из органических кислот в тыкве преобладает яблочная. Азотистые вещества в плодах тыквы не превышают 1-3% на сухую массу. Минеральные вещества представлены в основном кальцием, калием, натрием, магнием, в наименьшем количестве содержатся фосфор, железо и другие элементы. Плоды тыквы являются непревзойдённым источником каротина - провитамина А, а также аскорбиновой кислоты.
Определение конструкторских параметров щёточного барабана
Отмечая, что объём посевных площадей бахчевых культур ежегодно увеличивается, следует обратить внимание на проблемы, которые, предположительно обострятся в ближайшем будущем.
Многие небольшие фермерские хозяйства и мелкие арендаторы перешли на самообеспечение семенным материалом, который, из-за нарушений пространственной изоляции и отсутствии квалифицированной семеноводческой работы, стал гибридом смеси сортов, возделываемых в данном хозяйстве, что в дальнейшем привело к снижению урожая, товарности и качества плодов.
Стремление к получению максимально возможного урожая, особенно при использовании временных плёночных укрытий, в подавляющем большинстве случаев приводит к неконтролируемому внесению огромного количества азотных удобрений, в связи, с чем получаемая продукция становится токсичной для человека.
Отсутствие в крестьянских хозяйствах средств и земель для освоения севооборотов приводит к освоению одного из экстенсивных типов земледелия -кочующему бахчеводству со всеми вытекающими последствиями (резкое сокращение земель, пригодных для бахчеводства, появление на полях сорной растительности) [28].
Вместе с тем, наблюдается и некоторые положительные тенденции, вызванные введением рыночной экономики в стране. Многие хозяйства специализируются на производстве ранней продукции бахчеводства с использованием временных плёночных укрытий, для чего им необходимы ранние и ультраранние сорта. Некоторые хозяйства, наоборот, специализируются позднеспелых сортов арбуза, пригодных для длительного типа хранения в различных типах хранилищ. Таким образом, значительно расширяется период потребления бахчевой продукции в стране.
С 60-ьгх годов прошлого века учёные работают над созданием средств для механизации возделывания, уборки и переработки плодов бахчевых культур. Этим занимались учёные ВНИИОБ, Волгоградской ГСХА, Саратовского института механизации сельского хозяйства, ВИСХОМа и ряда других организаций. Результат общих усилий - создание валкообразователя для бахчевых культур УПВ - 8, подборщика плодов ПБВ - 1, широкозахватного транспортёра ТШП - 25, прополочного агрегата, плетеукладчика, сеялки бахчевой навесной СБН - 3 устройства для выборочной уборки плодов по размеру и др. Большой вклад в решение вопросов механизации бахчеводства внесли Г.Е. Листопад, Л.Н. Чабан, А.Н. Цепляев, М.Н. Шапров, В.И. Малюков, В.Г. Абезин, В.П. Бо-роменский, Е.Ю. Раков, С.Д. Стрекалов, П.М. Овчаров и другие. К сожалению, в настоящее время продолжает работать в этом направлении только лаборатория механизации бахчеводства Волгоградской ГСХА.
В последнее время появился интерес к вопросам переработки продукции бахчеводства. Например, получение масла, лекарственных препаратов и красителей из семян, а также цукатов, концентратов сока из очищенной мякоти арбуза, тыквы и дыни.
Для дальнейшего возрождения и развития овощебахчевой отрасли необходимо в полной мере использовать накопленный научный потенциал и разработать стратегию её развития.
Условия и объекты исследования
Для решения указанной проблемы необходимо на основе анализа особенностей развития бахчевых культур обосновать рациональную технологию и разработать технические средства для механизации процесса очистки плодов тыквы от коры, которые полностью соответствуют всем требованиям процесса удаления наружного покрова с плодов бахчевой продукции.
Цель исследования. Создание средств механизации для технологического процесса удаления коры с плодов бахчевых культур преимущественно тыквы и повышение эффективности этого процесса за счёт применения очистительного аппарата щёточного типа, позволяющего обеспечить максимальное качество очистки и снизить потери съедобной мякоти.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования: 1. Провести анализ способов и устройств для очистки плодов овощебах-чевых культур от коры. 2. Определить некоторые физико-механические свойства коры плодов тыквы необходимых для обоснования параметров машины для удаления коры с плодов. 3. Разработать принципиальную схему устройства, теоретически и экспериментально обосновать её конструктивные и кинематические параметры. 4. Разработать математическую модель процесса удаления коры с плодов тыквы. 5. Обосновать экономическую целесообразность внедрения предлагаемого технического решения. 6. На основе анализа результатов производственных испытаний разработать рекомендации к внедрению машины для удаления коры с плодов тыквы
Объект исследования. Технологический процесс удаления коры с плодов тыквы с использованием машины, оснащённой очистительным аппаратом щёточного типа.
Методика исследования. В теоретических и экспериментальных исследованиях использованы методы теоретической механики [18,27,35 и др.], физики [14], сопротивления материалов [11,23,60 и др.], прикладной математики [32,33], математической статистики [30,36,49 и др.], теории планирования эксперимента [10,21,29 и др.]. Обработка результатов экспериментальных исследований, а также графические работы осуществлялись на ПЭВМ при помощи прикладных компьютерных программ Microsoft Excel [91], MathCAD 2000 Professional [42].
Испытания машины для удаления коры с плодов тыквы проводились в лабораторных условиях на основе ОСТ 70.10.8-84 «Испытания сельскохозяйственной техники. Программа и методы испытаний» [84] и ГОСТ 24055-88 «Методы эксплуатационно-технологической оценки» [40].
Научная новизна заключается в усовершенствовании технологического процесса удаления коры с плодов тыквы; обосновании конструктивно-технологической схемы машины для удаления коры с плодов тыквы и конструктивных параметров щёточных барабанов; получении аналитических зависимостей для определения кинематических параметров щёточных барабанов, применительно к процессу удаления коры; силовом анализе технологического процесса; определении энергетических затрат на процесс удаления коры; получении математических моделей влияния жёсткости щёточных элементов, угловой скорости щеточных барабанов, соотношения окружных скоростей щёточных барабанов и плода на полноту очистки плодов и потери съедобной мякоти.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту: - усовершенствованный технологический процесс удаления коры с плодов бахчевых культур; - конструкция предполагаемой установки для удаления коры с плодов тыквы; - теоретический расчет конструктивных и кинематических параметров машины для удаления коры с плодов бахчевых культур; - математическая модель, описывающая процесс очистки коры с плодов тыквы; - результаты лабораторных исследований разработанной машины для удаления коры с плодов тыквы; - технико-экономические показатели эффективности применения машины для удаления коры с плодов тыквы.
Практическая ценность. На основании проведенных исследований разработана конструкция машины для удаления коры с плодов тыквы (патенты РФ №2266028, №«2266693), позволяющая повысить полноту очистки плодов и снизить потери съедобной мякоти. Обоснованы оптимальные конструктивные и кинематические параметры машины для удаления коры с плодов тыквы, позволяющие получать высокие показатели качества работы.
Реализация результатов исследования. Экспериментальный образец машины для удаления коры с плодов тыквы изготовлен и исследован в лабораторных условиях, а также прошел, производственные испытания и показал высокие показатели эффективности в условиях межфермерского научно-производственного кооператива «Фармаол» Быковского района Волгоградской области (акт внедрения прилагается).
Размерно - массовая характеристика плодов
Для лечебно-профилактического использования тыквы для детского питания готовят пюре из тыквы с рисом молоком, пюре из тыквы и яблок, пюре из тыквы с манной крупой [96,97].
Из плодов тыквы получают цукаты, которые в дальнейшем используют в кондитерской промышленности [44,46]. Технология приготовления цукатов из тыквы включает нарезку сырья, введение сахара, уваривание полученной массы, отделение сырья от сока, сушку цукатов.
Для окрашивания кондитерских изделий применяют пектиновый концентрат, выделяемый из тыквы,
Один из способов переработки это её консервирование методом сушки. При этом удаляется большая часть влаги, увеличивается концентрация клеточного сока и в несколько раз повышается осмотическое давление, вследствие чего развитие микрофлоры становится невозможным, прекращаются биохимические процессы. Содержание влаги снижается до 12-14%. При соблюдении технологических параметров сушки в тыкве хорошо сохраняются основные питательные вещества, а их концентрация увеличивается.
Исследования возможности использования сухих добавок при производстве пищевых продуктов показали, что эти порошки обладают рядом ценных технологических свойств: они имеют длительный срок хранения, экономичны при транспортировке, удобны в использовании, легко восстанавливаются в воде [8,9].
Пектиновые вещества порошков обладают комплексом уникальных свойств, что выдвигает их на одно из первых мест среди компонентов профи лактического питания для различного рода профессиональных заболеваний. Наличие в пектиновых веществах свободных кислотных групп галактуронової! кислоты способствует связыванию в кишечнике ионов металлов, образуя стойкие, малодиссоциирующие соединения - хелаты, которые не всасываются и выводятся из организма. Эти свойства позволяют использовать пектиновые вещества для профилактического и лечебного питания в условиях радиоактивного загрязнения [89].
Белки тыквенного порошка являются биологически полноценными [67], поскольку содержат все незаменимые (эссенциальные) аминокислоты (мг/г); лизин - 1,92; гистидин - 2,28; аргинин - 3,15; аспарагиновая кислота - 4,89; треонин - 1,33; серин - 3,4; глютаминовая кислота - 7,57; пролин - 0,83; лицин - 4,09; аланин - 2,56; валим - 1,42; метионин - 0,78; изолейцин - 1,9; лейцин -3,52; тирозин - 2,8; фенилаланин - 2,39.
Экспериментально установлено, что тыквенный и морковный сухие порошки способствуют оптимизации брожения, улучшают структуру мякиша и сохраняют свежесть хлебобулочных изделий. Введение до 3% сухих тыквенного и морковных порошков позволяет обогатить изделия пищевыми волокнами, минеральными веществами, органическими кислотами, биофлаваноидами, обладающими противовоспалительным, детоксирующим и антиоксидантним действием.
Исследованы возможности использования сухих плодоовощных добавок тыквы и моркови при разработке кисломолочных напитков. Технологический процесс предусматривает сквашивание пастеризованного молока закваской, составленной из специально подобранных по антагонистической активности штаммов ацидофильной палочки и ароматобразующих стрептококков. В сквашенное молоко вносят восстановленные фруктовые или овощные наполнители.
Семена тыквы используют для получения тыквенного масла, употребляемого в пищу. Масло из семян тыквы является ценным пищевым и целебным продуктом . В последние годы интерес к этому продукту возрос в связи с тем что в составе масла тыквы выявлены ценные биологически активные вещества, способные оказывать лечебный эффект при разнообразной патологии (в частности токоферолы, каротиноиды, стеролы). Масло из семян тыквы относится к маслам растительного происхождения [111,112]. Растительные масла, в частности тыквенное, являются для организма источником фосфатидов, выполняющих важные функции, Так, фосфатиды входят в состав клеточных мембран митохондрий и ядер, участвуют в процессах клеточной регенерации, транспорте жиров, жирных кислот и холестерина в крови, оказывают влияние на интенсивность всасывания жиров и использование их в тканях.
Современное состояние производства продуктов питания позволяет утверждать, что к середине 21 века продукты питания будут выполнять роль самых эффективных лекарственных и профилактических препаратов, предупреждающих появление тех или иных заболеваний человека. Применение плодов тыквы в лечебных целях представлено на рисунке 1.2.
Установлен положительный эффект при включении тыквы в диетическое питание при нарушениях обмена веществ, сердечно-сосудистых заболеваниях, заболеваниях печени и почек, нарушениях моторно-эвакуаторной деятельности желудочно-кишечного тракта, задержке жидкости в организме.
Выявлено, что мякоть тыквы или сок из неё оказывают положительное влияние при кишечных расстройствах (дискинезии, колиты, запоры), особенно при колитах с недостаточным опорожнением кишечника, улучшая его моторную функцию, и как лёгкое послабляющее средство. Мякоть тыквы и тыквенный сок используют в качестве мочегонного средства, существенно усиливающего диурез при болезнях почек и сердца и способствующего выведению из организма солей.
