WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

Кузьмин Вячеслав Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ МЯСНОГО СЫРЬЯ НА ОСНОВЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФОРМЫ РЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ.

Специальность 05.18.12 – «Процессы и аппараты пищевых производств»

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Санкт – Петербург

2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В. В. Пеленко

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Г. В. Алексеев

кандидат технических наук,

доцент А. Г. Крысин

Ведущая организация: ГОУ ВПО Санкт-Петербургский

государственный университет

сервиса и экономики (СПбГУСЭ).

Защита диссертации состоится « 25 »февраля 2009 г. в 14 час на заседании диссертационного совета Д 212.234.02 при Санкт-Петербургском государст- венном университете низкотемпературных и пищевых технологий по адресу: 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, тел/факс (812) 315-30-15.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » января 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор В. С. Колодязная

Актуальность темы диссертации. Для современных мясоперерабатывающих предприятий по-прежнему актуальной остаётся задача дальнейшего совершенствования технологических процессов и соответствующего оборудования с целью снижения его энергоёмкости, потерь сырья, повышения производительности, улучшения качества выпускаемой продукции. Машины для измельчения мяса и мясных продуктов составляют около половины всего действующего оборудования в мясной промышленности. Волчок – одно из главнейших оборудований мясоперерабатывающей индустрии. Резание мяса – процесс довольно энергоёмкий, поэтому любые возможности сокращения энергорасходов должны быть изучены и реализованы. При измельчении мясного сырья на волчке происходит отжим мясного сока, обладающего высокой пищевой и биологической ценностью. От обоснованности выполнения этой операции зависят конечные энергозатраты, выход и качество готовой продукции.

Цель и задачи исследования.

Целью настоящей диссертационной работы является совершенствование процесса измельчения мясного сырья посредством профилирования формы режущей кромки лезвия ножа и нахождение закономерности распределения отверстий в ножевой решётке.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи: разработка математической модели процесса резания, отражающая три характерных режима: квазистатический, ударный, волновой; построение физической модели процесса силового взаимодействия лезвия с материалом при квазистатическом режиме; создание экспериментальной установки для определения энергетических характеристик процесса измельчения мясного сырья в волчках; получение экспериментальных энергетических характеристик для процесса рубящего резания в зависимости от вида сырья и скорости резания; экспериментально – аналитическое определение зависимости усилия от скорости процесса резания; оптимизация начального угла скольжения по критерию минимального усилия; оптимизация формы режущей кромки лезвия ножа волчка по критерию постоянства распределения выделяемой удельной объёмной мощности вдоль длины лезвия; разработка конструкторской документации и изготовление экспериментального образца ножа; проведение экспериментальных исследований энергоёмкости процесса измельчения мясного сырья экспериментальным ножом; определение закономерностей расположения отверстий в ножевой решётке с целью снижения пульсаций усилий резания.

В процессе исследования выбрана совокупность режущих органов волчков, в частности, режущая кромка лезвия ножа и отверстия в ножевой решётке. Предметом исследования явилась оптимизация процесса измельчения мясного сырья по критерию минимальной мощности, затрачиваемой на процесс, выразившаяся в формировании закона

описания формы режущей кромки лезвия, а также закономерности расположения отверстий ножевой решётки волчка.

Предполагается разработать новые, экономически выгодные конструкции ножей, позволяющие повысить качество готового продукта и снизить энергозатраты на осуществление процесса. В результате проведённых теоретических и экспериментальных исследований целесообразность выполненной работы полностью подтвердилась. Разработанные новые конструкции ножей для волчка позволили снизить энергозатраты и повысить качество готового продукта.

Научная новизна. Сформулировано научное положение о наличии трёх характерных режимов резания: квазистатический, ударный, волновой. Определено условие оптимизации при квазистатическом режиме резания. Получено уравнение, описывающее взаимосвязь между усилием резания, геометрическими параметрами ножа и физико-механическими свойствами измельчаемого материала, позволяющее оптимизировать параметры процесса. Экспериментально установлена взаимосвязь между скоростью резания и усилием резания мясного сырья.

Практическая значимость. Применение ножей и решёток новой конструкции для волчка позволяет снизить эксплуатационные затраты за счет уменьшения энергопотребления и повышает выход и качество готовой продукции. Использование конструкций новых ножей позволяет снизить себестоимость измельчительного оборудования за счет использования электродвигателя меньшей установленной мощности.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: научное положение о наличии трёх характерных режимов резания; условие оптимизации формы режущей кромки при квазистатическом режиме резания; уравнение, описывающее взаимосвязь между усилием резания, геометрическими параметрами ножа и физико-механическими свойствами измельчаемого материала; результаты экспериментальных исследований процесса измельчения; методика расчёта формы режущей кромки и расположения отверстий в ножевой решётке.

Опубликованные результаты. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в издании, рекомендованном ВАК РФ и получено 2 патента. Общий объём опубликованных материалов составляет 3 печатных листа и полностью освещает основное содержание диссертации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, трёх глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего более ста источников. Работа содержит 11 таблиц и 46 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В диссертации обоснована актуальность темы, обозначены цель, задачи и научная новизна работы, определены основные направления исследований.

Осуществлено описание особенностей процессов измельчения пищевых материалов, а также конструкций рабочих органов волчков. Проведена систематизация и структуризация конструктивного исполнения волчков. Приведены расчётные зависимости для определения энергии расходуемой на процессы измельчения в волчках. Рассмотрены физико-механические свойства мясного сырья и их влияние на процесс резания. Проведён анализ уравнений для определения усилия резания. При измельчении псевдопластичных материалов, таких как мясное сырьё, только около 20% усилия резания приходится на фаски ножа, а полное усилие резания, при оптимальном угле скольжения, может сокращаться более, чем на 80%. Тогда трансформация угла заточки не объясняет уменьшения усилия резания. Разные исследователи говорят о преимуществах той или иной формы режущей кромки не предлагая значений начального угла скольжения. Так, например, Быстров С. и Степанова В. предлагают выполнять режущую кромку волчка в виде спирали Архимеда. Просёлков В. Г. говорит о преимуществе неосевой прямолинейной режущей кромки. Бренч А. А. рекомендует выполнять режущую кромку в форме логарифмической спирали, т. е. с одинаковым углом скольжения в каждой точке режущей кромки. Немецкая фирма Mado выполняет режущие кромки ножа в виде концентрической окружности, при этом угол скольжения изменяется от 0 до 90о. Целесообразно проектировать режущую кромку таким образом, чтобы усилие резания в каждой точке режущей кромки было минимальным. При минимальной предварительной деформации усилии резания будут минимальными. Сокращение предварительной деформации уменьшает разрушение клеточной структуры пищевого материала. При измельчении мясного сырья сокращается отжим мясного сока, который обладает высокой пищевой и биологической ценностью. На основе всестороннего анализа литературных данных сформулирована основная цель, задачи исследований и общий план теоретических и экспериментальных исследований.

В работе приведены теоретические предпосылки совершенствования конструктивно–технологических параметров рабочих органов измельчительно–режущего оборудования. С точки зрения снижения энергоемкости процесса резания, повышения качества выпускаемой продукции и производительности оборудования, как было показано в первой главе, чрезвычайно актуальное значение имеет вопрос оптимизации формы режущей кромки лезвийного инструмента. Для расчёта формы режущей кромки необходимо знать усилие резания материала. Экспериментально установлено, что усилие резания зависят от скорости резания. В различных диапазонах скоростей усилия резания могут, как уменьшатся, так и увеличиваться. Это можно объяснить тем, что усилие резания находится в сложной зависимости от величины предварительной деформации, которая в свою очередь зависит от скорости резания. Таким образом, при анализе силового взаимодействия лезвия и разрезаемого материала необходимо учитывать скоростной режим резания. В работе сформулировано научное положение о наличии двух характерных критических значений скорости резания. Первая критическая скорость обусловливает такую частоту вращения режущего инструмента, которая совпадает с частотой собственных колебаний деформируемой массы материала в процессе резания. Таким образом, при скоростях, меньших первой критической, имеет место процесс квазистатической деформации измельчаемого материала, а при скоростях, больших, чем первая критическая, мы имеем дело с ударным воздействием лезвия на продукт. Описание процесса резания в этом случае связано с использованием теории удара. Вторая критическая скорость связана с возникновением в измельчаемой массе ударных волн и характеризуется достижением скоростью резания скорости распространения звука в данном материале. Получены выражения для критических скоростей резания при измельчении мясного сырья.

Частота собственных колебаний массы деформированного материала:

Первая и вторая критические скорости резания при измельчении говядины

nкр1=(60/2) Ккр1 =544 об/мин. (1) = =1344 об/мин (2)

При измельчении мясного сырья на волчке с четырёхлезвийным ножом первая и вторая критическая скорость будут равны (при r=0,0365м):

Vкр1=2,1 м/с; Vкр2=5,1 м/с

Критические скорости определяют границы трёх режимов резания:

1. Квазистатический – режим, при котором скорость резания меньше первой критической, имеет место процесс квазистатической деформации измельчаемого материала. Происходит переход от разрушения материала по слабым сечениям слоя, не совпадающим с плоскостью разреза, к разрушению материала в плоскости разреза. За счёт этого усилия резания возрастают. Время воздействия кромки лезвия на сырье обратнопропорционально скорости. Отсюда следует вывод, что с удалением от центра вращения лезвия, для одного и того же значения величины линейной деформации, время воздействия на сырье уменьшается, количество движения, передаваемое материалу, так же уменьшается и объем деформации сырья действительно обратнопропорционален линейной скорости или радиус-вектору «r» точки режущей кромки в случае вращательного движения рабочих органов. 2. Ударный – режим, при котором происходит ударное воздействие лезвия на продукт. Описание процесса резания в этом случае связано с использованием теории удара. Величина ускорений прослоек материала достигает значительных величин. 3. Волновой – режим, при котором скорость резания превышает скорость распространения звука в данном материале, в измельчаемой массе происходит возникновение ударных волн. Напряжения передаются в материал со скоростью звука. При превышении скоростью резания скорости распространения напряжений, напряжения оказываются сконцентрированными – локализованными у лезвия.

Процесс резания в волчках происходит при скоростях меньших первой критической. Удельная мощность, выделяемая в единице деформируемого объёма, должна быть постоянной. Это положение является условием, определяющим форму режущей кромки. Приравнивая мощности, выделяемые в первой и второй точке режущей кромки, получаем условие оптимизации формы режущей кромки с целью получения однородного фарша при квазистатической деформации материала:

Р2 r1 cos 2 = Р1 r2 cos 1 (3)

Рис. 1. Схема для определения удельной мощности резания.

Рассматривая силовое взаимодействие лезвия с мясным сырьём в начальный момент резания при квазистатической деформации (рис.1), определим оптимальный угол скольжения режущей кромки.

В момент начала резания критическая сила Ркр, приложенная к ножу, должна преодолеть сумму всех сил, действующих в её направлении:

(4)

Рис. 2. Сопротивления, возникающие при внедрении лезвия в материал.

При резании мяса 80 – 85 % от общего расхода энергии используется на пластические деформации и 15 – 20 % – на преодоление молекулярных сил или поверхностной энергии. Напряжения резания уменьшаются пропорционально уменьшению предварительной деформации. Предварительная деформация будет зависеть от удельной площади контакта лезвия и разрезаемого материала, которая в свою очередь будет зависеть от угла скольжения лезвия по следующим соотношениям: (5а)

(5б)

Рис.3. Схема для определения коэффициента удельной площади контакта лезвия и разрезаемого материала.

Рассматривая силы, входящие в уравнение (4) с учётом удельной площади контакта лезвия и разрезаемого материала получаем:

(6)

или то же самое

(7)

При измельчении мясного сырья в волчке на режущую кромку действуют сила от затяжки прижимной гайки Рг и сила давления создаваемого шнеком. Тогда уравнение (7) примет следующий вид:

(7/)

Из уравнения (7) можно найти оптимальный угол скольжения.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»