автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Разработка процесса измельчения блочного замороженного мяса методом фрезерования

На правах рукописи

Каповский Борис Романович

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ БЛОЧНОГО ЗАМОРОЖЕННОГО МЯСА МЕТОДОМ ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Специальность 05.18.12 - процессы и аппараты пищевых производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 3 СЕН 2015

005562559

Москва 2015

005562559

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Всероссийский научно - исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова» (ФГБНУ «ВНИИМП им. В.М. Горбатова»).

доктор технических наук, профессор, академик РАН

Ивашов Валентин Иванович

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Николаев Николай Сергеевич

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет пищевых производств», профессор кафедры ресурсосберегающих технологий пищевых производств Будрик Владислав Глебович кандидат технических наук, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт молочной промышленности», заместитель директора по научной работе

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт холодильной промышленности» (ФГБНУ «ВНИХИ»)

Защита диссертации состоится ¿^О715 г. в

заседании диссертационного совета ДМ 006.021.01 при Федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Всероссийский научно -исследовательский институт мясной промышленности им. В.М. Горбатова» по адресу: 109316, г. Москва, ул. Талалихина, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБНУ «ВНИИМП им. В.М. Горбатова» и на сайте \vw\v.vniirnp.ru. Автореферат разослан «/-/ » 15 г.

Ведущая организация:

асов на

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук старший научный сотрудник

А.Н.Захаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Основными тенденциями развития мясной промышленности в настоящее время являются снижение издержек на производство, энерго - и ресурсосбережение. Одним из самых энерго - и металлоемких технологических процессов в мясоперерабатывающем производстве является процесс измельчения сырья, в том числе измельчение замороженных мясных блоков. Применение одностадийного процесса тонкого измельчения замороженного мясного сырья приведет к сокращению традиционной технологической цепочки из нескольких мясорезательных машин до минимума, что позволит снизить затраты электроэнергии, обеспечит экономию конструкционных материалов и промышленного пространства, занимаемого оборудованием. Таким образом, создание энерго — и ресурсосберегающего одностадийного процесса измельчения замороженного мясного сырья и его аппаратурного оформления является актуальной задачей, решение которой будет способствовать импортозамещению дорогостоящего мясоперерабатывающего оборудования в свете требований Доктрины продовольственной безопасности Российской Федерации.

Степень разработанности проблемы

Теоретическим и экспериментальным исследованиям процесса измельчения мяса, проблемам теории резания (разрушения) материалов (сырья) в различных отраслях промышленности посвящены работы Бакунца Г.В., Баренблата Г.И., Баркана Д.Д., Грановского Г.И., Дубровского A.A., Зворыкина К.А., Зеленина А.Н., Ивашова В.И.,Илюхина В.В., Клименко М.Н., Крыльцова В.Д., Кряжева H.A., Косого В.Д., Кувшинского В.В., Кулишева Б.В., Линча А.Д., Мазуркина П.М., Максимова А.Ю., Морозова Е.М., Партона В.З., Пелеева А.И., Резника Н.Е., Рогова И.А., Сагомоняна А.Я., Тиме И.А., Титова Е.И., Трофимова М.П., Цаплина С. А., Челюсткина А.Н., Черепанова Г.П., Чижиковой Т.В., Шелковникова И.Г., Г. Шпура и др.

Цель и задачи исследования

Целью исследований является разработка энерго - и ресурсосберегающего процесса измельчения замороженных блоков мяса методом фрезерования.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

на основе анализа научно-технической информации изучить принципиальные особенности процесса измельчения замороженного мясного сырья методом фрезерования;

разработать экспериментальную установку для исследования параметров процесса измельчения замороженного мяса при различных режимах резания и комплектации установки фрезами разной конструкции;

- на основе микроструктурных исследований измельченного мяса установить статистические закономерности распределения размеров мясной стружки в зависимости от режима резания и конструкции применяемых фрез;

- разработать и экспериментально подтвердить аналитический метод расчета производительности процесса измельчения;

- установить по экспериментальным данным удельное усилие резания сырья фрезой с винтовым зубом, и на основе полученных данных разработать метод расчета энергозатрат процесса измельчения;

- разработать структуру системы автоматического управления (САУ) процессом измельчения замороженного мяса методом фрезерования с поддержанием заданной степени измельчения сырья;

- провести опытные выработки и оценку качества мясной продукции из сырья, измельченного методом фрезерования;

- разработать техническое задание на опытно-промышленный образец измельчителя замороженных блоков мяса.

Научная новизна заключается в том, что:

- установлено распределение размеров мясной стружки (толщины и ширины) как случайных величин в процессе измельчения замороженных блоков мяса фрезами разной конструкции при различных режимах резания;

разработан и подтвержден экспериментальными данными аналитический метод расчета производительности процесса измельчения блоков замороженного мяса фрезой;

разработан метод расчета энергозатрат процесса измельчения блоков замороженного мяса фрезой;

разработана структура САУ процессом измельчения блоков замороженного мяса методом фрезерования с применением управляющей вычислительной машины (УВМ) для стабилизации параметров режима резания сырья в процессе измельчения и оптимального выбора параметров режима резания сырья при различной его температуре.

Новизна технических решений подтверждена патентом №2519790 «Измельчитель материалов, преимущественно в виде замороженных блоков пищевых продуктов» и патентом №2529172 «Система автоматического управления процессом измельчения пищевых продуктов, замороженных в виде блоков».

Практическая значимость работы

Разработано и передано машиностроительному предприятию ЗАО «Единство» (г. Тутаев Ярославской области) техническое задание на изготовление опытно - промышленного образца фрезерного измельчителя. Между ФГБНУ «ВНИИМП им.В.М. Горбатова» и ЗАО «Единство» заключен Договор исключительной лицензии на производство фрезерного измельчителя.

Проведенными опытными выработками мясной продукции показана возможность повышения качества колбасных изделий и полуфабрикатов, выработанных из замороженного мяса с использованием процесса измельчения сырья методом фрезерования.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанного процесса и оборудования для его реализации при производительности процесса 2000 кг/час состоит из экономии конструкционных материалов и объёма промышленного пространства на размещение оборудования, а также годовой экономии денежных средств, затраченных на электроэнергию, равной 1075,85 тыс. руб. при действующем на 2015 г. тарифе на потребленную электроэнергию для промышленных предприятий.

Предмет и методы исследования

Предметом исследования явились процесс измельчения блоков замороженного мяса фрезами разной конструкции при различных режимах резания и полученное измельченное мясо. Методы исследования основывались на традиционных экспериментальных методиках, современной приборной технике, современных представлениях теории резания различных материалов.

На защиту выносятся:

- выбранное направление интенсификации и оптимизации процесса измельчения блоков замороженного мяса;

- полученные количественные характеристики частиц измельченного мяса для организации и расчетов процесса измельчения блоков замороженного мяса методом фрезерования;

- метод расчета производительности процесса измельчения блоков замороженного мяса фрезой с винтовым зубом с усреднением толщины мясной стружки по дуге резания.

Публикации и апробация работы

По результатам выполненных исследований опубликовано 9 статей в журналах, рекомендованных ВАК, а также получено 2 патента, список которых приведен в конце автореферата.

Результаты исследований были представлены на конференциях: V Международная научно - техническая конференция «Пища. Экология. Человек», г. Москва, 2003; научно - практическая конференция «Интеграция фундаментальных и прикладных исследований - основа развития современных аграрно - пищевых технологий», г. Углич, 2007; 16 - ая Международная научно - практическая конференция, посвященной памяти В.М. Горбатова. «Развитие постгеномных технологий при формировании и оценке качества сельскохозяйственного сырья и готовых пищевых продуктов», г. Москва, 2013; 17 - ая Международная научно - практическая конференция, посвященная памяти В.М. Горбатова «Теоретические и практические аспекты управления технологиями пищевых продуктов в условиях усиления международной конкуренции», г. Москва, 2014.

Работа награждена Дипломом и золотой медалью XV Российской агропромышленной выставки «Золотая осень».

Структура и объём работы

Объём диссертации составляет 239 страниц, включающих 110 рисунков, 70 таблиц, 133 литературных источника. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов и приложений, списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулирована общая направленность исследований.

В первой главе приведен аналитический обзор научно - технических публикаций по проблеме измельчения блочного замороженного мяса в мясоперерабатывающей промышленности и проблеме резания сырья (металлов, каменного угля) в других отраслях промышленности, из которого сделаны следующие выводы: 1) конструкции применяемых в настоящее время блокорезок и волчков - блокорезок не предусматривают возможность переработки в одну стадию замороженного мясного сырья в фарш, размеры частиц которого сопоставимы с размерами частиц мяса, получаемых после измельчения на куттере или других машинах того же назначения; 2) для оценки качества измельчения блочного замороженного мяса методом фрезерования следует анализировать средние размеры получаемой мясной стружки и средние квадратические отклонения от средних размеров частиц измельченного мяса; 3) при выборе параметров режима резания замороженного мяса фрезами необходимо контролировать температуру исходного сырья, влияющую на его механические свойства и показатели прочности; 4) при разработке САУ процессом измельчения методом фрезерования целесообразно использовать малоинерционные датчики (энкодеры), контролирующие основные режимные параметры процесса измельчения, и не имеющие контакта с сырьем.

Во второй главе изложен материал по экспериментальному исследованию процесса измельчения блоков замороженного мяса методом фрезерования. Поставлены задачи экспериментального исследования, заключающиеся в определении размеров частиц измельченного мяса при различных режимах резания сырья фрезами разной конструкции, расчете производительности процесса измельчения по опытным данным, определении энергозатрат при измельчении блоков замороженного мяса. Исследование проводили на созданной для решения поставленных задач экспериментальной установке (ИБФ - 1).

При проведении экспериментальных исследований на установке ИБФ - 1 (рисунок 1) замороженный мясной блок устанавливался в жёлобе направляющем 2 и фиксировался прижимами в вертикальном и горизонтальном направлениях. Шток механизма подачи 3 продвигает блок по жёлобу к вращающейся фрезе механизма резания 4. Фреза закрыта кожухом 5, который направляет измельчённое мясо в сборную емкость 6. Движущиеся части механизма подачи и механизма резания закрыты крышкой 7.

Рисунок 1 - Устройство измельчителя ИБФ-1 (схема) 1- рама; 2 - желоб направляющий; 3 - механизм подачи; 4 - механизм резания; 5 - кожух; 6 - сборная ёмкость; 7 - крышка; 8 - шкаф управления (на рисунке не показан)

Параметры режима резания устанавливали соответствующими настройками преобразователей частоты питающего напряжения шкафа управления, задающими частоту вращения электродвигателей приводов механизма резания и механизма подачи сырья установки ИБФ — 1. Установка ИБФ - 1 комплектовалась фрезами (рисунок 2): а) фрезой с мелким зубом по ГОСТ 29092 - 91; б) фрезой с крупным зубом по ГОСТ 29092 - 91; в) фрезой насадной строгальной с твердосплавными пластинами ТМ21М ЕЕС (компания Freud, Италия).

Рисунок 2 - Фрезы, комплектующие измельчитель ИБФ - 1 : а) фреза с мелким зубом; б) фреза с крупным зубом; в) фреза с твердосплавными пластинами

В качестве сырья для измельчения были использованы экспериментальные замороженные блоки мяса, нарезанные из блока мяса промышленного типоразмера (говядина второго сорта; свинина полужирная).

Размеры экспериментальных блоков составляли: ширина 0,075 м; высота 0,070 м; длина 0,3 - 0,4 м. Температура мяса перед измельчением в глубине блока составляла минус 12 °С - минус 14 °С, на поверхности блока составляла минус 4°С - минус 6 °С. В результате микроструктурного исследования определяли размеры частиц измельченного сырья (стружки) - толщину и ширину (рисунок 3). Учитывая случайный характер факторов воздействия на степень измельчения сырья в связи с его неоднородностью по текстурному и структурному признакам, проводили статистический анализ распределения размеров мясной стружки как случайных величин при различных режимах резания и комплектации установки ИБФ - 1 фрезами разной конструкции (таблица 1). Для всех указанных в таблице 1 режимов резания были определены опытные статистические распределения размеров частиц измельченного мяса и построены соответствующие гистограммы плотностей частот распределения размеров частиц мяса по диапазонам их значений. Для каждого режима резания сырья определяли оценки выборочных средних значений толщины а*р и ширины Ь*р мясной стружки, оценки средних квадратических отклонений толщины и ширины мясной стружки; измеряли температуру

измельченного мяса непосредственно после измельчения и рассчитывали по опытным данным производительность процесса измельчения, фиксируя время измельчения и взвешивая измельченное мясо на электронных весах (таблица 2).

Методами математической статистики были проверены опытные распределения размеров мясной стружки, полученной при резании сырья фрезой с мелким зубом, соответствию нормальному распределению Гаусса. Расчетами установлено, что опытное распределение толщины стружки подчиняется закону Гаусса, а опытное распределение ширины стружки не может быть выровнено нормальным распределением. Это можно объяснить превалирующим влиянием

Рисунок 3 - Размеры мясной стружки (говядина): а^ — толщина стружки, мкм; — ширина стружки, мкм

на ширину стружки длин следов всех одновременно режущих зубьев фрезы на поверхности резания мясного блока в сравнении с другими факторами влияния (неоднородностью сырья по структурному и текстурному признакам,

изменением температурного поля в объёме блока). Отсюда следует вывод о целесообразности применения фрез с режущими кромками, фрагментированными на сегменты, для снижения дисперсии ширины мясной стружки.

Таблица 1. Параметры режимов резания сырья (говядина, свинина) фрезами разной конструкции, комплектующими установку ИБФ - 1

Наименование фрезы Режим резания Вид сырья Скорость подачи сырья на фрезу, м/с Частота вращения фрезы, мин"1

1.1 0,0243 2289,14

Фреза с мелким 1.2 Говядина 0,0468 2289,14

зубом 1.3 1.4 0,0468 0,0468 1743,00 871,50

2.1 0,0243 2289,14

Фреза с крупным зубом 2.2 2.3 Свинина 0,0375 0,0468 2289,14 2289,14

2.4 0,0562 2289,14

3.1 0,0243 2033,50

Фреза с твердосплавными 3.2 3.3 3.4 Говядина 0,0243 0,0243 0,0243 1743,00 1452,00 871,50

пластинами 4.1 0,1227 2289,14

4.2 Свинина 0,2044 2289,14

4.3 0,2454 2289,14

Таблица 2. Опытные данные для режимов резания сырья (говядина, свинина) фрезами разной конструкции

Наименова- Режим Температура измельченного мяса, °С а*р, мкм Ь*р, мкм Производи-

ние фрезы резания мкм мкм тельность кг/час

1 2 3 4 5 6 7 8

Фреза с мелким зубом 1.1 1.2 1.3 -2,9 -2,0 -1,3 42,28 64,65 88,87 166,64 197,51 259,20 15,86 21,72 32,82 90,48 73,57 130,86 403,11 405,46 412,50

1.4 -1,0 173,34 441,67 61,77 180,83 425,29

Продолжение таблицы 2

1 2 3 4 5 6 7 8

Фреза с крупным зубом 2.1 2.2 2.3 2.4 -1,0 -0,5 -1,6 - 1,9 118,99 132,57 156,74 219,59 495,28 427,10 451,53 509,79 61,15 57,25 115,81 143,12 245,57 247,66 272,64 339,38 104,40 572,40 705,60 744,00

Фреза с твердосплав ными пластинами 3.1 3.2 3.3 3.4 -0,7 -2,1 -1,0 - 1,9 349,16 420,50 279,88 408,39 571,68 606,37 511,01 562,59 215,59 212,09 153,93 239,45 240,24 316,52 306,56 444,00 792,00 820,80 726,00 800,00

4.1 4.2 4.3 -0,7 -1,3 - 1,9 228,73 363,47 240,59 554,05 704,64 442,48 188,11 234,74 187,00 451,42 499,58 293,89 180,00 480,00 463,50

Статистическим анализом опытных распределений размеров мясной стружки, полученной при измельчении сырья фрезой с мелким зубом, показано, что выборочные средние значения толщины стружки а£р при различных режимах резания хорошо коррелируются с соответствующими подачами на зуб фрезы Б2 (рисунок 4, а). Выборочные средние значения ширины мясной стружки Ь*р при различных режимах резания уменьшаются при увеличении частоты вращения фрезы (рисунок 4, б), что объясняется сокращением дуги контакта режущего зуба фрезы с пучком мышечных волокон фрагмента блока мяса.

Указанные в таблице 1 режимы резания сырья фрезой с крупным зубом характеризуются изменением скорости подачи сырья на фрезу при неизменной частоте вращения фрезы. На рисунке 5 показаны зависимости: средней суммарной по трем фазам активной мощности потребляемой

электродвигателем привода механизма резания, выборочных средних значений размеров мясной стружки а*р и Ь*р, расчетной подачи сырья на зуб фрезы 52, — от минутной подачи сырья на фрезу 5.

Отмечено, что наблюдается отличие между расчетными значениями подачи на зуб фрезы 52 и значениями выборочной средней а*ср толщины мясной стружки, рассчитанными по опытным данным. Кроме неоднородности сырья по структурному и текстурному признакам, указан ещё один фактор влияния на прогнозирование размеров мясной стружки (рисунок 6).

и

Sz, мкм/зуб

S = 2,81 м/мин = const

S = 2,81 м/мин = const

1000 871,5 (Режим 1.4)

n, МИН

2289,14 (Режим 1.2)

1743 (Режим 1.3)

а)

871,5 (Режим 1.4)

п, МИН

2000

2289,14 (Режим 1.2)

1743 (Режим 1.3) б)

Рисунок 4 — Параметры процесса измельчения говядины фрезой с мелким зубом: a) Sz, а'ср = f(ri); б) йс*р = f(n). Sz — подача на зуб фрезы, мкм/зуб; alp — выборочное среднее значение толщины мясной стружки, мкм; Ь*р — выборочное среднее значение ширины мясной стружки, мкм; S — минутная подача сырья на фрезу, м/мин; п — частота вращения фрезы, мин'1

Из приведенных в таблице 2 значений температуры измельченного мяса, измеренной непосредственно после измельчения, следует, что температура мяса в зоне резания (области контакта зубьев фрезы с поверхностью резания мясного блока) близка к криоскопической температуре замороженного сырья. В этом диапазоне температур проявляются пластические свойства замороженного мяса. При подаче сырья на фрезу его часть может продавливаться в пространство канавки между зубьями фрезы, вследствие чего толщина срезаемой мясной стружки будет больше расчетной.

Режимы резания говядины фрезой с твердосплавными пластинами характеризуются изменением частоты вращения фрезы при постоянной подаче блоков замороженного мяса в зону измельчения (рисунок 7, а), режимы резания свинины фрезой с твердосплавными пластинами характеризуются изменением скорости подачи сырья на фрезу при неизменной частоте её вращения (рисунок 7, б). Отмечено, что расхождения между расчетными значениями подачи на зуб фрезы Sz и опытными значениями выборочной средней толщины мясной стружки alp более существенны в сравнении с соответствующими данными измельчений фрезой с крупным зубом, и, в большей степени, измельчений сырья фрезой с мелким зубом.

а*х10, мкм

Ь2,х10, мкм

Р.хЮ, Вт

Б^хЮ, мкм/зуб £

--Ь*

-----Р,

1,46 (режим 2.1)

♦5, м/мин 3,37 (режим 2.4) 2,81 (режим 2.3)

П

Зубья фрезы

2,25 (режим 2.2)

Продавливание мяса в канавку между зубьями

Рисунок 5 - Параметры процесса измельчения свинины фрезой с крупным зубом

Рисунок 6 - Проявление пластических свойств сырья

Это можно объяснить тем, что канавки между зубьями фрезы с твердосплавными пластинами имеют наибольшую ширину в сравнении с двумя другими фрезами, комплектующими установку ИБФ — 1. В этом случае пластические свойства сырья могут проявляться в большей степени, увеличивая толщину срезаемой мясной стружки.

Р£х10\

Вт

4 8

7 # 6

5

ТЬ 4

в = 1,46 м/мнн = сопя

871,5 (режим 3.4)

1452 (режим'3.3)

3,37 (режим 4.3)

2,81 (режим 4.2)

а)

б)

Рисунок 7 - Параметры процесса измельчения сырья фрезой с твердосплавными пластинами: а) говядины; б) свинины

Отмечено также, что в целом характер изменений значений выборочных средних толщины и ширины стружки а*р и одинаков. Это можно объяснить тем, что в случае увеличения частоты вращения фрезы при неизменной скорости подачи сырья по определению снижается подача на зуб фрезы и, следовательно, толщина стружки. В то же время, при увеличении частоты вращения уменьшается дуга контакта режущей кромки фрезы с пучком мышечных волокон, что приводит к уменьшению ширины срезаемой мясной стружки. При увеличении скорости подачи сырья на фрезу и неизменной частоте её вращения увеличивается подача на зуб фрезы, что приводит к увеличению толщины стружки. В то же время увеличивается дуга контакта режущей кромки фрезы с пучком мышечных волокон, что приводит к увеличению ширины стружки. Энергозатраты процесса резания при увеличении толщины стружки также увеличиваются.

В третьей главе теоретически определяли производительность процесса измельчения, рассчитывая среднюю площадь поперечного сечения слоя мяса, снимаемого одновременно режущими зубьями фрезы, по формуле:

В ■ Н ■ 5 = 1000 • 7р ■ Гср, (1)

где

п-Б-п

V =--

р 1000

- скорость резания, которую принимают равной окружной скорости, м/мин; ^ср— средняя площадь поперечного сечения слоя мяса, снимаемого одновременно режущими зубьями фрезы, мм2; В — ширина замороженного блока мяса, мм; Н — высота замороженного блока мяса, мм; Б — минутная подача сырья на фрезу, мм/мин; Д — диаметр фрезы, мм; п — частота вращения фрезы, мин"1.

Тогда:

_ В ■ Н - 5 В • Н г

Гср ~ юоо ■ кр = ^ГЪ ' (2)

где Б7 — подача на зуб фрезы, мм/зуб; 1 — число зубьев фрезы.

Определяя объём срезаемого слоя мяса в единицу времени (мм3/мин): Ж = 1000 • Рср • Ур, (3)

получим производительность процесса измельчения: П = 6 ■ 10_5р ■ Ш, (4)

где р — плотность замороженного мяса, кг/м3; П - производительность процесса измельчения, кг/час.

Теоретический расчет производительности для режима резания 1.1 фрезой с мелким зубом даёт значение 459,31 кг/час. Определенная по экспериментальным данным производительность для этого же режима равна 403,11 кг/час Относительная ошибка составила 13,94 %. В целях снижения погрешности теоретического расчета производительности процесса измельчения усреднили толщину мясной стружки по дуге резания. Для схемы симметричного фрезерования замороженного блока мяса (рисунок 8) справедливы соотношения: а1=а2 = Sz • sinô, где at, а2 — толщина мясной стружки в точках 1 и 2; Sz — подача на зуб фрезы, мм/зуб; 8 — угол на траектории резания в точках 1 и 2.

Если рассматривать среднюю толщину стружки по длине дуги контакта фрезы и блока мяса как среднее арифметическое значение от максимального значения (в точке 3) и минимального значения (в точках 1 и 2), то будем иметь:

= 5,

D + VD2 — В2

(5)

ср 2 20 Введем коэффициент к, учитывающий изменение подачи сырья на зуб фрезы при усреднении толщины стружки, и рассчитаем его для рассматриваемого случая:

к = ■

D + yjD2 — В2

2 ■ D '

(6)

Рисунок 8 - Схема фрезерования замороженного блока мяса Б - подача блока на фрезу; п - частота вращения фрезы; аь а2, а3 -толщина мясной стружки в точках 1, 2, 3; В - ширина блока мяса; О - диаметр фрезы; - угол контакта; 5- угол на траектории резания в точках 1, 2; 4 - блок замороженного мяса; 5 — фреза.

Тогда средняя площадь поперечного сечения слоя мяса, срезаемого всеми одновременно работающими зубьями фрезы:

В-Н ■ Б? ■ к- г

п-В ■ Ю

Расчетная производительность процесса измельчения в этом случае составила 381,25 кг/час. Вследствие усреднения толщины мясной стружки по дуге контакта фрезы и блока мяса относительная погрешность расчета уменьшилась до 5,42 %.

В четвертой главе определяли энергозатраты процесса измельчения блоков замороженного мяса методом фрезерования, используя экспериментальные данные замеров трехфазной активной мощности, потребленной электродвигателем привода механизма резания установки ИБФ -1 при измельчении сырья (говядины, свинины) фрезой с мелким зубом при параметрах режима резания 1.1 (таблица 1). Используя данные как единую статистическую выборку, определили среднее выборочное значение мощности, равное 3,07 кВт.

По среднему выборочному значению мощности определяли удельное усилие резания сырья как окружную силу резания, приходящуюся на единицу средней площади поперечного сечения слоя мяса, снимаемого одновременно режущими зубьями фрезы:

ЛГСВ ■ 103

РУД = 1Г-Г1 (8) Гср "р

где Руд — удельное усилие резания сырья, Н/мм2; Л/ср — среднее значение потребляемой электродвигателем привода механизма резания мощности в процессе измельчения, кВт; — среднее значение площади поперечного сечения слоя мяса, снимаемого одновременно режущими зубьями фрезы, мм2; Ур — скорость резания сырья, м/с.

В случае комплектации измельчителя ИБФ - 1 фрезой с мелким зубом с максимально возможными по ГОСТ 29092-91 «Фрезы цилиндрические. Технические условия» её размерами (длиной и диаметром) для измельчения блоков мяса промышленных типоразмеров, по удельному усилию резания сырья определили энергозатраты на процесс измельчения, равные 15,97 кВт.

В пятой главе рассматривали экономическую эффективность процесса измельчения блоков замороженного мяса методом фрезерования, сравнивая его с традиционным методом выработки мясных фаршей. Полагая, что измельчитель комплектуется фрезой с мелким зубом и максимальными по ГОСТ 29092-91 её размерами (длиной и диаметром), а также комплектуется электродвигателем привода механизма резания с номинальной мощностью

18,5 кВт в соответствии с расчетом энергозатрат процесса измельчения сырья такой фрезой, рассчитали производительность измельчителя для указанной комплектации. Для сравнительного анализа выбрали мясорезательные машины традиционной технологической цепочки (блокорезка - волчок — эмульситатор), измельчающие исходное сырье с той же степенью измельчения и с той же производительностью (2000 кг/час), что и фрезерный измельчитель с указанной комплектацией. Для корректности анализа совместно с фрезерным измельчителем рассматривали фаршмешалку на ту же производительность. Расчеты показали, что экономический эффект от применения процесса измельчения методом фрезерования в сравнении с традиционным способом измельчения, состоит из: 1) экономии конструкционных материалов в количестве 3130 кг в расчете на один комплект оборудования; 2) экономии объёма промышленного пространства в количестве 13,48 м3 в расчете на один комплект оборудования; 3) годовой экономии денежных средств, затраченных на эксплуатацию одного комплекта оборудования, равной 1075,85 тыс. руб. при действующем на 2015 г. тарифе на потребленную электроэнергию, вследствие снижения установленной мощности в 2,6 раза в расчете на одну тонну продукции.

В шестой главе предложена структура системы автоматического управления процессом измельчения блоков замороженного мяса фрезами (рисунок 9).

Рисунок 9 - Структурная схема САУ процессом измельчения

1 - управляющая вычислительная машина (УВМ); 2 - блок памяти УВМ; 3 - интерфейсный блок; 4 - пульт управления; 5,6 - коммуникационные модули; 7,8 - частотные преобразователи; 9,10 - сумматоры; 11,12 -регуляторы; 13,14 - электродвигатели приводов механизмов резания и подачи соответственно; 15,16 - силовые модули; 17,18 - датчики частоты вращения; 19,20 - интерфейсные блоки; 21,22 - датчики температуры.

САУ контролирует по информационным сигналам датчиков частоты вращения основные режимные параметры процесса измельчения - частоту вращения фрезы и скорость подачи сырья на фрезу. Принцип контроля заключается в стабилизации режимных параметров в процессе измельчения, что позволит поддерживать заданную степень измельчения сырья. В случае отклонения режимного параметра от заданного значения в процессе измельчения, соответствующий регулятор устранит рассогласование между заданным и текущим значениями параметра режима резания. При изменении температуры на поверхности и в глубине блока замороженного мяса в случае отепления сырья или поступления на измельчение партии блоков мяса с другой исходной температурой хранения, УВМ, получая информационные сигналы от соответствующих датчиков температуры, изменяет параметры режима резания для получения продукта измельчения с заданной степенью измельчения.

В седьмой главе представлен материал по опытным выработкам мясной продукции из замороженных блоков, измельченных методом фрезерования. При выработке полуфабрикатов и кулинарных изделий сравнивали функционально - технологические характеристики двух образцов мяса (таблица 3): контрольный образец из размороженного мяса, измельченного на волчке через решетку с диаметром отверстий 3 мм (микроструктура контрольного образца представлена на рисунке 10), и опытный образец, изготовленный из замороженного мяса, измельченного методом фрезерования (микроструктура опытного образца представлена на рисунке 11). По степени измельчения опытные полуфабрикаты превосходят контрольные образцы и могут быть рекомендованы для питания детей, в том числе раннего возраста. Опытная выработка вареной колбасы из замороженного мяса, измельченного методом фрезерования с последующим приготовлением фарша в мешалке, в сравнении с контрольной выработкой вареной колбасы из размороженного мяса путем приготовления фарша на волчке и куттере, показала преимущества опытного образца: 1) по микроструктурным характеристикам — более однородная масса фарша опытного образца, фрагменты мышечной ткани имеют размеры в диапазоне 200 - 400 мкм, что в 2 раза меньше по сравнению с контролем; 3) по структурно - механическим характеристикам - фарш опытного образца имеет меньше пустот, минимальное напряжение резания составляет 21 Н/м2; 4) по органолептическим показателям - внешнему виду, виду и цвету на разрезе, консистенции, вкусу; 5) по потерям при термообработке.

Таблица 3. Функционально - технологические характеристики контрольного (К) и опытного (О) образцов мяса

Образцы всс, % Потери при доведении до кулинарной готовности, %

К 56,72 18,90

О 62,88 15,30

Рисунок 10 - Контрольный образец Рисунок 11 - Опытный образец мяса(К) мяса(О)

Основные результаты работы и выводы

1. Измельчение замороженных мясных блоков на экспериментальной установке ИБФ - 1 доказало возможность осуществления процесса измельчения замороженного мясного сырья методом фрезерования.

Статистический анализ результатов микроструктурного исследования измельченного мяса показал, что размеры получаемой в результате измельчения мясной стружки находятся в диапазоне, соответствующем тонкому измельчению (до 1 мм) с редкими включениями крупных частиц. Размеры мясной стружки меньше при измельчении сырья фрезой с мелким зубом в сравнении с измельчением сырья фрезой с крупным зубом и фрезой с твердосплавными пластинами. Выборочные средние размеры мясной стружки при измельчении сырья фрезой с мелким зубом находятся в диапазоне от 42,28 мкм до 173,34 мкм (толщина) и от 166,64 мкм до 441,67 мкм (ширина). Выборочные средние размеры мясной стружки при измельчении сырья фрезой с крупным зубом находятся в диапазоне от 118,99 мкм до 219,59 мкм (толщина) и от 427,10 мкм до 509,79 мкм (ширина). Выборочные средние размеры мясной стружки при измельчении сырья фрезой с твердосплавными пластинами находятся в диапазоне от 228,73 мкм до 420,50 мкм (толщина) и от 442,48 мкм до 704.64 мкм (ширина). Таким образом, для тонкого измельчения замороженного мясного сырья следует применять фрезу с мелким зубом. Кроме того, экспериментальное исследование процесса измельчения сырья фрезой с мелким зубом показало возможность прогнозировать размер мясной стружки (толщину) путем расчета подачи сырья на зуб фрезы. Прогнозировать другой размер мясной стружки (ширину) возможно при применении фрез с режущими кромками, фрагментированными на сегменты. Прогноз размера мясной стружки важен для выработки продуктов детского питания при регламентации размеров частиц измельченного мяса, используемого в этом случае. Следует рекомендовать применение фрезы с мелким зубом для выработки продуктов детского питания при более тонком измельчении сырья с возможностью

прогноза размера частиц измельченного мяса. Для более крупного измельчения можно рекомендовать применение фрезы с крупным зубом и фрезы с твердосплавными пластинами.

2. Экспериментальное исследование процесса измельчения замороженного мясного сырья методом фрезерования доказало, что температура измельченного мяса, измеренная непосредственно после измельчения, находится в диапазоне отрицательных температур (от минус 0,5 °С до минус 2,9 °С) при применении всех видов фрез, комплектующих установку ИБФ - 1, при всех режимах резания. Это исключает возможность тепловой денатурации белка сырья в процессе измельчения и повышает санитарное благополучие измельченного мяса.

3. Разработан и подтвержден экспериментально метод аналитического расчета производительности процесса измельчения замороженного мясного сырья фрезой, обеспечивающий относительную погрешность расчета не выше 5,42%. Экспериментальным исследованием доказано, что при увеличении размеров мясной стружки увеличивается производительность процесса измельчения сырья.

4. Разработан метод расчета энергозатрат процесса измельчения замороженного мяса фрезой.

5. Разработана структура САУ процессом измельчения замороженного мясного сырья методом фрезерования.

6. Проведенными опытными выработками мясной продукции показана возможность повышения качества колбасных изделий и полуфабрикатов из замороженного мяса, измельченного методом фрезерования.

7. По результатам проведенных исследований разработано и передано на машиностроительное предприятие ЗАО «Единство» (г. Тутаев Ярославской области) техническое задание на изготовление опытно — промышленного образца фрезерного измельчителя, предназначенного для измельчения блоков замороженного мяса промышленных типоразмеров.

Список публикаций по теме диссертации

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Ивашов, В.И. Автоматизация процесса измельчения замороженных мясных блоков [Текст] / В.И. Ивашов, Б.Р. Каповский // Автоматизация и современные технологии. - 2010. — №5 - С.З - 4.

2. Ивашов, В.И. Оптимизация одностадийного процесса криоизмельчения блочного мяса [Текст] / В.И. Ивашов, Б.Р. Каповский // Мясная индустрия. — 2012-№6.-С. 52-60.

3. Максимов, Д. А. Перспективы развития резательных машин для тонкого измельчения мясного сырья [Текст] / Д.А. Максимов, Б.Р. Каповский // Мясная индустрия. - 2012. - №6. - С.28 - 32.

4. Ивашов, В.И. Интенсификация процесса измельчения блочного замороженного мяса [Текст] / В.И.Ивашов, Б.Р. Каповский // Всё о мясе. - 2012. -№4. - С.42 - 44.

5. Максимов, Д. А. Колбасное производство XXI века без куттера и волчка [Текст] / Д.А. Максимов, Б.Р. Каповский, O.E. Кожевникова, И.М. Тамбовцев, А.О. Якушев// Мясная индустрия. - 2012. - №9. - С.20 — 26.

6. Максимов, Д.А. Автоматическое управление процессом тонкого измельчения мясного сырья [Текст] / Д.А. Максимов, Б.Р. Каповский, А.Н. Захаров // Мясная индустрия. - 2013. - №1. - С.42 - 46.

7. Лисицын, А.Б. Измельчение замороженного блочного мяса методом фрезерования [Текст] / А.Б. Лисицын, В.И. Ивашов, А.Н. Захаров, Б.Р. Каповский, Д.А. Максимов // Всё о мясе. - 2013. - №4. - С.42 - 48.

8. Лисицын, А.Б. Интеллектуальная система управления качеством мясных фаршей [Текст] / А.Б. Лисицын, В.И. Ивашов, А.Н. Захаров, Б.Р. Каповский, O.E. Кожевникова // Всё о мясе. - 2013. -№6. - С.32 — 38.

9. Ивашов, В.И. Современная практика переработки замороженного мясного сырья [Текст] / В.И. Ивашов, А.Н. Захаров, Б.Р. Каповский, O.E. Кожевникова, А.Б. Лисицын // Всё о мясе. - 2014. -№2. - С.24 - 29.

Патенты РФ на изобретение

10. Пат. 2519790 Российская Федерация. Измельчитель материалов, преимущественно в виде замороженных блоков пищевых продуктов / А.Б. Лисицын, А.Н. Захаров, Д.А. Максимов, Б.Р. Каповский, В.Г. Жуков.

11. Пат. 2529172 Российская Федерация. Система автоматического управления процессом измельчения пищевых продуктов, замороженных в виде блоков / А.Б. Лисицын, А.Н. Захаров, Д.А. Максимов, Б.Р. Каповский, В.Г. Жуков.

Другие статьи и материалы конференций

12. Каповский, Б.Р. Теплофизика и реология криоизмельчения иглофрезами блочного мяса [Текст] / Б.Р. Каповский, В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев // Теоретические и практические аспекты применения методов инженерной физико - химической механики с целью совершенствования и интенсификации технологических процессов пищевых производств. Сборник научных трудов. - М.: МГУПБ. - 2002. - С.54 - 56.

13. Илюхин, В.В. Криоизмельчение иглофрезами блочного мяса при близкриоскопических температурах [Текст] / В.В. Илюхин, В.Н. Писменская, И.М. Тамбовцев, Б.Р. Каповский // Техника, процессы, расчеты и конструирование в подготовке инженера биотехнологических производств, посвященных 90 - летию со дня рождения, 70 - летию научной и 55 - летию педагогической работы заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических наук, профессора Соколова Василия Ивановича: тезисы докладов научно - методических чтений. - М.: МГУПБ. - 2003. - С.59 - 60.

14. Илюхин, В.В. Энергосберегающая технология измельчения мороженых блоков мяса [Текст] / В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев, М.Б. Зянкин, Б.Р. Каповский // Стратегия развития пищевой промышленности: труды IX международной научно - практической конференции. - М.: МГУПБ. - 2003. -С.159- 161.

15. Илюхин, B.B. Новое направление работ по измельчению мясокостного сырья [Текст] / В.В. Илюхин, И.М. Тамбовцев, A.A. Шпилевой, Б.Р. Каповский // Пища. Экология. Человек: материалы V международной научно - технической конференции. - М.: МГУПБ. - 2003. - С. 181 -182.

16. Ивашов, В.И. Принципы построения мехатронной системы измельчителя блочного мяса [Текст] / В.И. Ивашов, Б.Р. Каповский // Интеграция фундаментальных и прикладных исследований - основа развития современных аграрно - пищевых технологий: сборник материалов научно -практической конференции. - Углич. - 2007. - С. 125 - 129.

17. Ивашов, В.И. Принципы построения мехатронной системы измельчителя блочного мяса [Текст] / В.И. Ивашов, Б.Р. Каповский // Мясные технологии. - 2007. -№9. - С.10 - 12.

18. Ивашов, В.И. Определение нагрузок в мехатронной системе измельчителя блочного мяса [Текст] / В.И. Ивашов, Б.Р. Каповский // Мясные технологии. - 2008. - №1. - С.34 - 35.

19. Каповский, Б.Р. Имитационное моделирование технологического оборудования мясной промышленности [Текст] / Б.Р. Каповский, O.E. Кожевникова, Д.А. Максимов // Перспективные направления исследования в области переработки мясного сырья и создания конкурентоспособных продуктов питания: сборник докладов 14 - ой международной научно -практической конференции, посвященная памяти Василия Матвеевича Горбатова. -М.: ВНИИМП им. В.М.Горбатова. - 2011. - С.73 - 75.

20. Каповский, Б.Р. Анализ точности системы автоматического управления одностадийным процессом измельчения замороженных мясных блоков. Оптимальный синтез регулятора частоты вращения фрезы измельчителя [Текст] / Б.Р. Каповский, Д.А. Максимов, O.E. Кожевникова // Сборник докладов 15 - ой международной конференции, посвященной памяти В.М. Горбатова. - М.: ВНИИМП им.В.М. Горбатова. - 2012. - С. 146 - 155.

21. Максимов, Д.А. Автоматическая поточная линия производства колбасы и колбасных изделий [Текст] / Д.А. Максимов, Б.Р. Каповский // Фундаментальные основы и передовые технологии в пищевой и перерабатывающей промышленности: сборник научных трудов 6-ой конференции молодых ученых и специалистов институтов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии. - Видное Московской области: ВНИИКОП. - 2012. - С.192 - 195.

22. Ивашов, В.И. Статистический анализ результатов имитационного моделирования на ЭВМ процесса измельчения блочного замороженного мяса методом фрезерования [Текст] / В.И. Ивашов, Б.Р. Каповский, O.E. Кожевникова // Развитие постгеномных технологий при формировании и оценке качества сельскохозяйственного сырья и готовых пищевых продуктов: сборник докладов 16 - ой международной научно - практической конференции, посвященной памяти В.М. Горбатова. - М.: ВНИИМП им.В.М. Горбатова. -2013.-С.59-66.

23. Ивашов, В.И. Новая технология криоизмельчения мясных замороженных блоков на автоматической линии по производству колбасы, колбасных изделий и полуфабрикатов [Текст] / В.И. Ивашов, Д.А. Максимов, Б.Р. Каповский, O.E. Кожевникова // Инновационные технологии в производстве и переработке сельскохозяйственной продукции в условиях ВТО, часть 2 - переработка сельскохозяйственного сырья и пищевых продуктов: материалы международной научно — технической конференции. - Волгоград. — 2013. — С.34 — 37.

24. Ивашов, В.И. Система автоматического управления выработкой мясных фаршей заданного качества [Текст] / В.И. Ивашов, Б.Р. Каповский, O.E. Кожевникова // Теоретические и практические аспекты управления технологиями пищевых продуктов в условиях усиления международной конкуренции: сборник докладов 17 - той международной научно — практической конференции, посвященной памяти В.М. Горбатова. -М.:ВНИИМП им. В.М. Горбатова. - 2014. - С.81 - 84.

25. Ивашов, В.И. Оборудование для паровакуумного размораживания мясного сырья [Текст] / В.И. Ивашов, А.Н. Захаров, Б.Р. Каповский, O.E. Кожевникова // Пищевая промышленность. - 2014. - №10. — С.8 — 9.

Тираж экз. 100 заказ №68

ФГБНУ «ВНИИМП им В.М. Горбатова 109316 г. Москва, ул. Талалихина д. 26