Исследование вибрационного резания пищевых продуктов с целью интенсификации процесса и улучшения его качества

Основными направлениями экономического и социального развития CGCP на одиннадцатую пятилетку и на период до 1990 года намечено повысить выпуск продукции в пищевой промышленности на 23−26% на основе интенсификации производства, всемерной экономии ресурсов, улучшения качества работы, внедрения прогрессивной техники и технологии [ I ]. Для осуществления этой важной задачи, без решения которой экономика не может успешно двигаться вперед по пути интенсификации и повышения качества, необходимо ускоренное внедрение достижений науки и техники в производство и, прежде всего, принципиально новых устройств, способных повысить производительность труда, прогрессивных методов и технологии.

Технологические процессы с использованием механических колебаний (вибраций) в современной отечественной и зарубежной прак.

—тике нашли весьма широкое распространение. Кроме того, имеется тенденция к еще более значительному их использованию в различных целях [11,54,86,88,99]. Вибрационные машины своими рабочи— ми органами оказывают на обрабатываемые среды колебательное воз— действие, что часто приводит к сильной интенсификации отдельных технологических процессов.

В пищевой промышленности на базе механических колебаний внедрены и используются новые методы обработки пищевых продуктов. Известно использование вибраций для ускорения процессов дробления, просеивания, транспортирования различных продуктов в горизонтальном, наклонном и вертикальном направлениях, для мойки, дозирования, смешивания, расфасовки продуктов и пр. Экономический эффект от использования колебаний во многих случаях получается достаточно большим, а иногда процессы вибрирования являются единственными при выполнении ряда технологических oneраций.

Одной из наиболее распространенных и ответственных технологических операций, применяемых во многих отраслях пищевой промышленности: сахарной, консервной, овощесушильной, мясной, рыбной и др., а также в общественном питании, является процесс резания плодов, овощей, мяса, рыбы, шпика, гастрономических и хлебобулочных изделий. От качества выполнения этой операции во многом зависит качество, внешний вид и выход готовой продукции. Систематическое повышение качества продукции, указывается в Программе КПСС[ 2], является обязательным требованием развития экономики.

Советскими учеными внесен большой вклад в разработку научных основ процесса измельчения пищевых продуктов. Интенсивная работа по исследованию и конструированию технологического оборудования в данной области ведется и за рубежом. Важное место среди этих* исследований занимает изучение и совершенствование процес.

N. сов измельчения материалов с использованием вибраций ?11,19,29, 37,58,41,83,101 Использование вибрирующих режущих органов позволяет резко сократить потери сырья, повысить качество разделяемых поверхностей, снизить усилия резания и количество потребляемой энергии.

По вопросам измельчения органических материалов лезвийными инструментами накоплен значительный опыт, но, несмотря на актуальность вопроса, резание материалов с использованием вибраций, как частный случай процесса резания, до сих пор изучено недостаточно. В настоящее время еще мало изучены физико-механические J свойства пищевых продуктов, находящихся под воздействием вибраций при изрезании, нет четкой картины объяснения физической сущности изменения усилий резания с увеличением частоты вибраций, нет достаточно полного решения задач оптимальной геометрии и долговечности режущего инструмента.

Исследование вибрационного резания пищевых продуктов с целью интенсификации процесса и улучшения его качества открывает перед пищевой промышленностью и общественным питанием возможности для более успешного решения задач повышения эффективности производства, улучшения товарного вида готовой продукции, а также увеличения ее выхода.

Цель и задачи исследования

Целью работы является изучение процесса и основных закономерностей вибрационного резания пищевых продуктов, разработка основ расчета и создания виброрезательных устройств.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— изучить процесс образования поверхности раздела при вибрационном резании;

— изучить структурно-механические свойства пищевых продуктов при вибрационной нагрузке;

— установить оптимальные параметры режимов вибрационного резания ряда пищевых продуктов;

— аналитически исследовать процесс виброрезания пищевых продуктов;

— проверить соответствие результатов аналитических исследований данным эксперимента;

— разработать практические рекомендации по выбору параметров режущих узлов измельчающих машин и аппаратов вибрационного действия;

— разработать новые конструкции и устройства для виброрезания пищевых продуктов.

Научная новизна. Работа включает теоретические и экспериментальные исследования процесса вибрационного резания, научная новизна которых заключается в следующем:

— дано объяснение физической сущности процесса виброрезания пищевых продуктов с позиций волновой теории разрушения материалов;

— на созданном испытательном стенде исследовано деформационное поведение пищевых продуктов и получены эмпирические зависимости изменения модуля упругости от основных параметров вибрации;

— исследовано влияние вибрации режущего органа на усилия резания. Установлены оптимальные соотношения частоты, виброускорения и амплитуды колебаний;

— исследована микрогеометрия лезвийных инструментов, определены зависимости основных параметров лезвий от времени резания и дана формуда для определения оптимального времени работы режущего инструмента между пере заточками с позиций волновой теории виброрезания;

— предложен метод оценки качества среза по шероховатости полученной поверхности для сравнения качества резания пищевых продуктов.

Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные исследования, конструкторские разработки, проведенные при выполнении работы, имеют следующее практическое значение:

— предложенные математические модели описания процесса виброрезания и движения режущего органа, эмпирические зависимости модуля упругости пищевых продуктов от основных параметров вибрации позволяют проводить силовые расчеты машин вибрационного действия для измельчения пищевых продуктов, выбирать геометрию режущего органа, обоснованно оценивать достоинства и недостатки существующей и проектируемой техники для резания продуктов, а также могут использоваться для исследовательских целей.

— предложенная формула определения долговечности работы режущего инструмента позволяет планировать оптимальные графики ремонтно-щюфилактических работ при эксплуатации виброрезательных установок;

— разработала конструкция виброножа для нарезки пищевых продуктовусовершенствована ножевая рамка для овощерезательных машин типа МРОВпроведена модернизация шпигорезной машины марки ЖГ;

— разработана конструкция сменного шпигорезного механизма для предприятий общественного питания, высокопроизводительного измельчителя непрерывного действия (Авт.св. СССР Л 443 680).

Реализация научно-технических результатов. Результаты выполненных исследований были использованы при проектировании, обосновании конструкций и модернизации различных режущих механизмов. Использование виброножа на Донецкой фабрике-кулинарии позволило существенно снизить трудоемкость ручных операций по разделке рыбы, мяса, нарезки гастрономии и пр. и повысить производительность труда на 15−20%. Использование на Донецком, Макеевском и Красноармейском мясокомбинатах модернизированных шпигоре-зок марки Ш1Г с наплавленными высокопрочным материалом лезвиями позволило в два раза увеличить период стойкости ножей. Модернизация режущего узла овощерезательных машин типа МРОВ в три раза сократила количество суммарной массы крошки и некондиционных частиц по сравнению с резанием стандартными рамками.

Частичное внедрение предложенных разработок дало экономический эффект более 18 тыс.рублей.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре по совершенствованию организации производства и механизации труда на предприятиях общественного питания (г.Москва, 1975 г.), на республиканских научных конференциях «Интенсификация и совершенствование технологических процессов на предприятиях общественного питания» (г.Харьков, 1977, 1979 гг.), на 42-й (1976 г.) 44-й (1978 г,) и 46-й (1980 г.) научных конференциях КТШШ, на ежегодных научных конференциях ДИСТ (1973 * 1980 гг.).

Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ШШШ5ДАЦШ.

Проведенный анализ современного состояния теории и практики процесса резания пищевых продуктов показал, что по вопросу резания лезвийным инструментом накоплен значительный опыт, однако общая теория резания материалов органического происхождения пока еще не нашла окончательного завершения. Современное состояние исследования процесса резания, в основном, заключается в накоплении экспериментальных данных и установлении эмпирических зависимостей между основными параметрами. Пищевая промышленность и общественное питание располагают весьма скудными сведениями о влиянии динамических Факторов на процесс резания с вибрациями, о структурно-механических свойствах пищевых продуктов при вибрационной нагрузке, об износе и периоде стойкости режущих элементов машин вибрационного действия. Анализ отечественной и зарубежной литературы, практика резания пищевых продуктов позволили наметить задачи и цели, разработать методику проведения теоретических и экспериментальных исследований для изучения возможностей интенсификации процесса виброрезания пищевых продуктов и улучшения его качества.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие основные выводы:

I. Процесс вибрационного резания сходен с силовым резанием со скольжением и характеризуется вполне определенными закономерностями .

Б процессе вибрационного резания в зоне контакта режущего инструмента с материалом происходит изгиб и разрыв контуров. В месте контакта образуется уплотненное ядро диспергированного материала, посредством которого на материал передается гибкая нагрузка от нормальных и тангенциальных сил и сил трения со сйерическщ: распре, делением давленая: и максимальным его значением в центре площадки контакта. С нарастанием внешней силы, а следовательно, и внутренних сопротивлений деформации материала, в вер шине трещины накапливается потенциальная энергия. Раскрытие тре щины происходит в сторону рабочей поверхности тела за счет концентрации напряжений у ее вершины и волнового перераспределения накопленной материалом энергии.

2. Сделано предположение, что колебания режущего инструмента, попадая в резонанс с колебаниями концентрации напряжений в вершине трещины, вызывают снижение усилий резания. Дальне lineе увеличение частоты вибраций ведет к выходу из резонанса и росту усилий резания. Волны напряжений достигают свободной поверхности и образуют отраженные волны. Колебания отраженных воли, складываясь с собственными колебаниями контуров, дают новый резонанс и снижение усилий при более высоких частотах резания. Затем картина повторяется с постепенным выравниванием кривой изме нения усилий резания при дальнейшем росте частоты.

3. На основе гипотезы контуров, волновой теории раскрытия трещины разрыва и учета снижения усилий резания за счет уменыпе ния кинематического угла заточки режущего инструмента выведены зависимости, позволяющие определить среднее перемещение точек контура, его относительное удлинение, максимальное и среднее давления по контуру, усилие резания. Полученные аналитические зависимости могут служить исходным материалом при силовых расче тах машин вибрационного действия для измельчения пищевых продуктов, позволяют выбирать геометрию режущего инструмента, обоснованно оценивать достоинства и недостатки существующей и проекти руемой техники для резания продуктов.

4. Процесс виброрезания существенно зависит от структурно-ме ханических характеристик пищевых продуктов, изменяющихся в продессе наложения механических колебаний. vУстановлено, что модуль упругости пищевых продуктов при наложении вибрации в исследуемом диапазоне частот (до 250 Гц), амплитуд-'(до 6 мм) и виброускорений (до 20 CJ,) снижается.

Разработанные модели изменения модуля упругости продуктов от частоты, виброускорения и амплитуды колебаний позволяют определить для конкретных условий виброрезания основных пищевых продуктов численные значения вибрационного модуля упругости, которые могут использоваться как в исследовательских целях, так и в силовых расчетах измельчающих машин и механизмов вибрационного действия.

5. Интенсификация процесса виброрезания возможна при оптимальном сочетании частоты и амплитуды вибрации, виброускорения режущего органа и скорости подачи продукта при минимуме удельных усилий виброрезания. Характер изменения удельных усилий виброрезания одинаков для овощей, фруктов и мясных продуктов во всем рассмотренном диапазоне частот (15 — 250 Гц), амплитуд (0,005.

— 6 мм), вшороускорений (I — 20 IJ,) и скоростей подач (0,001.

— 0,2 м/с) в условиях эксперимента, проведенного на вибростенде.

Тангенциальная составляющая усилия виброрезания уменьшается с увеличением частоты колебаний режущего органа, а с ростом амплитуды вибрации, виброускорения и скорости подачи пищевого продукта — возрастает.

Нормальная составляющая усилия виброрезания растет с увеличением скорости подачи, а при увеличении частоты и амплитуды колебаний, виброускорения режущего органа носит затухающий гармонический характер, изменяясь волнообразно с достижением минимальных значений нормальных усилий в зоне первого оптимума. Общий характер кривых одинаков, однако с ростом модуля упругости продукта и его твердости изменения нормальных усилий виброрезания размахи колебаний) более заметны. Уменьшение толщины режущего инструмента ведет к снижению нормальных усилий виброрезания.

Анализ результатов эксперимента показал, что характер изменения удельных усилий резания соответствует теоретическим предположениям описания физической картины цроцесса виброрезания.

Удельные усилия виброрезания исследуемых пищевых продуктов, но сят затухающий гармонический характер: снижаются с ростом частоты колебаний (зона резонанса), затем возрастают до уровня, расположенного ниже величины статического усилия резания и вновь снижаются и возрастают, имея тенденцию роста удельных усилий резания с дальнейшим увеличением частоты вибраций.

6. На основе проведенных исследований в пищевой промышленности и общественном питании для интенсификации процесса виброрезания овощей, фруктов и дефростированного мяса молено рекомендовать оптимальные зоны параметров виброрезания: частоты вибраций режущего органа от 15 до 60 Гц с оптимумом Jwm = 25 Гцамплитуды колебаний от 0,1 до 2,2 мм с оптимумом, А = 0,35 ммвиброускорения режущего элемента от 1,5 до 3,5 IJ с оптимумом.

Cj.onm = 2,5 CJ,.

7. Предложенная модель процесса виброрезания с учетом влияния параметров вибрации на модуль упругости продукта позволяет с помощью гибридных аналогово-цифровых машин моделировать работу виброрезательной установки с изменением частоты, амплитуды колебаний, скорости подачи и геометрии режущего органа.

8. В результате исследования износа и периода стойкости режущих элементов машин вибрационного действия на основе гипотезы контуров, волновой теории раскрытия трещины разрушения и динамической теории разрушения при знакопеременном нагрузке получена формула определения оптимального времени работы режущих элементов машин между перезаточками, что позволяет планировать оптимальные графики ремонтно-профилактических работ при эксплуатации виброрезательных установок.

Наиболее интенсивный износ режущей кромки ножа происходит в начальный период резания, составляющий примерно 10−20 $ от периода стойкости лезвиязатем износ протекает менее интенсивно, асимптотически приближаясь к предельной величине. Наплавка высокопрочных материалов на режую кромку увеличивает период стойкости режущих элементов примерно в 2 раза.

9. Проведенные исследования шероховатости срезов с помощью профшюграфа-хфофклометра при различных видах резания позволили сделать вывод, что при соотношении размаха колебаний микронеровностей в 1,5 раза и более поверхности можно считать отличающимися по качеству среза, то есть гладкими и шероховатыми. Предложенный метод оценки качества поверхности срезов может характеризовать и качество процесса резания пищевых продуктов, так как от количества и глубины выступов и впадин на поверхности среза зависят и потери сырья в виде крошки, и товарный вед продукции.

10. Предложенные для предприятий пищевой промышленности и общественного питания конструкции шш-ггорезиого механизма, измельчителя непрерывного действия, вибрационного ножа с электромагнитным и электромеханическим приводом и усовершенствованной ножевой рамки для овощерезательных машин типа ЫРОВ переданы на производство. Частичное внедрение предложенных конструкций на Донецком, Макеевском и Красноармейском мясокомбинатах дало экономический эффект 18 678 рублей.