автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.14, диссертация на тему:Совершенствование рабочих органов машин для производства мясных порционных полуфабрикатов

6 од

5 ДПР 1003

МИНИСТЕРСТВО ПРОСВЕЩЕНИЯ УКРАИНЫ

КИЕВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

На правах рукописи

Эспирр Зазси

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ ОРГАНОВ МАШИН да ПРОИЗВОДСТВА МЯСНЫХ ПОРЦИОННЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ

Специальность 05.02.14 - Машины и агрегаты пищевой

промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев - 1993 г.

Работа выполнена в Киевском технологическом институте пищевой промышленности не кафедре "Машины и аппараты пищевых производств".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Клименко М.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,, профессор Некоз А.И.

кандидат технических наук доцент ■ • • _ ^Ле(5едевчИ.Н.

Ведущее предприятие: Технологический институт молока и мяса. г.Киев.

Защита диссертации состоится " п " ' 1995 г.

на заседании Специализированного Совета Д068.1^.04 при Киевском технологическом институте пищевой промышленности. 252017, г.Киев, ул.Владимирская, 68.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_"_Т99_г.

Ученый секретарь Специализированного Совета, к.т.н., доиент

Н.И.Сороколит

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В Сирийской Арабской республике пищевая промышленность г настоящее время находится на этапе своего становления. Мяонея отрасль пищевод промышленности развивается ускоренными темпами, строятся мясокомбинаты и мясоперерабатывающие ЗЕВОДЫ.

Потребности населения Сирии в высококачественных мясопродуктах с каждым годом возрастают. Значительнее место в ассортименте мясопродуктов занимает полуфабрикаты. В связи с этим в, последние годы возникла необходимость в совершенствовании техники и технологии порционировг.нил мясных полуфабрикатов и их расфасовка.

В Сирии при производстве мясных продуктов в качестве сырья используется в основном скелетная мыкечная ткань крупного и мелкого рогатого скота. Потребление мяса свинины крайне ограничено вследствие положений исламской религии. Данная работа посвящена исследованию процессов и механизмов для резания говядины при производстве полуфабрикатов.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы ясляется повышение ¡эффективности процесса, совершенствования режущих узлов м*чдин, разработке и создание рациональной конструкции рабочих органов и машины для производства мясных порпионних полуфабрикатов на основе анализа процесса резания, теоретических и экспериментальных исследований процессов сопутствующих реэпнмю мяса.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

- Анализ опыта в области конструирования, изготовления и экс-. пду»тации измельчителей мяса, а такке способов резания с целью выбора рациональной конструктивной схемы режущего механизма ;

- составление уравнения баланса, сил резания и их работ при 1 осуществлении процесса резания мяса;

- Создание и совершенствование методик и стендов для измерения усилия резания и сил трения мясопродуктов по стельной поверхности при динамических режимах ведения процесса резания мяса;

- экспериментальное определение величин сил резания, трения и наиболее рациональных режимов процесса резания.

Научная новизна работы.Составлены уравнения баланса сил резания и их работ при осуществлении процесса резания порционных полуфабрикатов; созданы и усовершенствованы методики и стенды для измерения усилий резяния, сил трения при динамических режимах пронесся резания; исследовано влияние геометрических и кинематических параметров режущих органов но величину усилив резения и сил трения процесса резания; экспериментально определена и аналитически обоснована область рациональных кинематических и геометрических параметров режущих механизмов машин для резания мясных порционных полуфабрикатов.

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

- Определены наиболее рациональные геометрические формы лезвия режущих инструментов, кинетические режимы процесса и область температур разрезаемого сырья с целью получения качественной поверхности разреза, снижения затрат энергии и расхода сырья.

- Предложены математические модели описания пронесся резания и трения, позволяющие выбрать наиболее рациональные параметры процесса и рабочих органов для резяния мяса;

- Усовершенствована конструкция стенда для определения усилия резяния органических материалов при динамических режимах ведения процесса резания.

- Модернизирована конструкция прибора для определения сил трения органических материалов по твердым поверхностям.

Апробация работы. Основные положения и результаты рвботы докладывались н<" Республиканской научно-технической конференции

"Разработка и внедрение гысокоэффективных ресурсосберегающих технологий оборудования и новых видов пищевых продуктов в пищевую и перерабатывающую отрасль АПК" (г.Киев, 1991г.) и на четвертой Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка комбинированных продуктов питания"(г.Кемерово, 1991г.По теме диссертации опубликовано 2 печатных работы.

Структуры и объем работы. Диссертация состоит из введения , четырёх глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложен» нл 144 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 14 таблиц. Список литературы включает 147 - наименований отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, ее научное и практическое значение для народного хозяйства Сирийской Арабской республики.

В первой главе рассмотрено современное состояние теории и практики резания мясопродуктов и состояние проблемы , перспективы развития машин для нарезания мясных полуфабрикатов. Приведен анализ данных, имеющихся в литературных источниках, в том числе работы А.С.Большакова, А.В.Горбатова, В.П.Горячкина, В.К.Ивашова, В.И.Карпова, М.Н. Клименко, Н.В.Морозова, А.А.Соколов 8, Т;В. Чижиковой, А.К.Пелеева, А.Н. Познышева, Н.А.Резника, С.Г.Юркова и других исследователей по резанию пищевых материалов. Дан анализ машин и устройств для резания мясных порционных' полуфабрикатов. На основании анализа информации сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена теоретическим основам процесса резания мясных порционных полуфабрикатов.

Общая работа, затрачиваемая на измельчение мяса, равна суше элементарных работ:

А = А| + Аг, + А3+А4+ А5 (I)

где: А^ - работа, необходимая на разрушение структурных связей;

Аи - работа на преодоление сопротивления смещению поверх-■ ностей разреза;

- работа на преодоление сил трения продукта о грани лезвия и поверхность корпуса ноже; - работа, затраченная на сообщение кинетической энергии отрезанной части продукта.

Величину затрачиваемой энергии при резании мяса можно определить при условии определения сил, действующих на рабочий орган в процессе измельчения (рис.1),и его кинематики. Математическая модель процесса резания для случая действия статических сил на лезвие ножа при внедрении его в мясо имеет виц:

3 =»<эв^Ь + и^ыр + /+ рсг (2)

где: <3 - сила резания, Н;

- временное сопротивление мяса разрушению лезвием ножа, Н/м^; р - острота режущей кромки но'яа, м; Ь - длина линии резания, м;

М4 - нормальные реакции измельчаемого продукта на

грани ножа, Н; / - коэффициент трения продукта о грани ножа; р - угол заточки ножа, град.

СотУношения величин в модели (Й1» представляют собой линейную зивисимость между величинами сил резания ф , вре-пенным сопротивлением структуры мяса разрушению (?а и нормальными реакциями и К2 продукта при деформировании измельчаемого продукта на грани лезвия ножа.

Рис. I. Схема сил, действующих на рабочий орган.

В главе приведены основные параметры математической модели, которые необходимо определить экспериментальным путем, для различных конструкций режущих инструментов производилась

Системг линейных уравнений для неизвестных параметров

И

по схеме:

имеет гид:

- о -

I ^ ¡пуВ ^ ^ ~

Оценка паргметров <эе , ЬС^ , К^ проводилась с использованием регрессионного анализа по методу наименьших квадратов с применением ЭВМ и полученных экспериментальным путем величин усилий резания, структурно-механических характеристик продукта и геометрических параметров режущих органов.

В третьей главе излагаются методики проводимых экспериментов. Для моделированияя процесса резглия мяся были разработаны и изготовлены экспериментальные установки для измерения усилий резания при динамических режимах ведения процесса резания. В этих установках для измерения сил резания применяли датчики сил, состоящие из упругих элементов, изготовленных из стали

65Г и наклеенных на них тензорезисторы с активным сопротивлением К. =100 Ом , коэффициентом тензочугствительности К = 2.19 'И базой & =20 мм. При регистрации усилий резания использовались тензоусилитель типа ТОПАЗ-З-02, светолучевой осциллограф м»рки Н 071.2. Контроль и опрецеление температуры образцов осуществляли с помощью термопар, установленных внутри обрсзцп и подключенных к электронному показывающему прибору А-535-003-01. Использовались методики для измерения усилий трения образцов мяся, о металлическую поверхность при различных скоростях скольжения и температуры образца.

В четвертой главе приведены результаты комплексных исследований с целью определения наиболее рациональных режимов процесса резания мясных порционных полуфабрикатов.

При исследовании влияния угла заточки режущего инструмента на величину усилия резания мяса было установлено, что изменение угла заточки ножа от 12 до 30° удельные усилия розания увеличиваются при рубящем резании на 73* 84^, а при скользящем резании -на 70,Ш (рис.2).

Зависимость удельного усилия розания ф от угле заточки нож» р при температурах <63, 268, 278 К можно описать следующими эмпирическими зависимостями:

При рубящем резянии:

0,486/ - 0,322, Н/М, Чг= 0,370/ - 1,17 , Н/М, 0,237^ - 0,81 , Н/М.

При скользящем резянии

<^=0,419/3 -1,011, Н/М, <51= 0,248/ - 0,466, Н/М, <?1= 0,115^ - 0,08 , Н/М.

(7^

При исследовании зависимости уцельного усилия резания мяса от угля скольжения 5 (рис.З') было установлено, что при угле скольжения <5 =0(рубящее резание1 величина принимает максимальное значение для данных паряметров процесса резания. При дальнейшем увеличении угла 5 значения величины С) заметно уменьшается. Исходя из точки зрения оптимизаций удельного расхода анергии на процесс резания мясных порционных Лол.уфябрй-к.тгов,режущие кромки ножей должны быть выполнены с углом скольжения от 30 до 50°, при этом расход энергии на Получение единицы площади раздела минимален и срез получается Наиболее чистый» а с точки зрения технологии изготовления лезвия, а также снижения габаритов режущих органов рекоменауем выбирать угол скоЯЬ-жения ближе к 45°.

Получены значения величин суммарного удельного усилия резания с? и его составляющих: нормальной <9„ И тангенциальной в зависимости от температуры продукта (рис.4). Математическая зивисимость этих величин в интервале ТбШёрйТУр от 266 К до 270 К описывается выражением:

С) =* Ае *

(01

Для рубящего резания:

при = 15°

при р = 20° при ^ = 27°

А = 1,261 А = 2,31 А = 3,52

В = 0,134 В = 0,122 В = 0,129.

Рис.2. Зависимость удельного усилия рубящего резания <3 мяса от угла заточки лезвия ножа , при

скорости резания тГ = 3,4 м/с и температурах: I - Т = 263 К; 2 - Т = 268 К; 3 - Т = 273 К.

Рио.З. Зависимость работы А • 10~3 Н 1^/м2 и удельного усилия Q , Qn , Qt- 1СГ3 Н/М скользящего резания (говядины ^ от угла скольжения S , при температуре Т = 263 К, скорости резания = 3 4 м/с и угле заточки ножа ß =27°.

Рис.4. Зависимость суммарного, нормального и тангенциального удельного усилия, скользящего резания, мяса ¿говядины) от температуры Т, при скорости резания от =3,4 м/с, угле скольжения б =40° и угле заточки р =27°.

Для скользящего резания:

при = 15° Л = 1.63; В = 0,07

при А = 20° Л = 2,58; В - 0,07

при = 27° Л = 2,97; В = 0,083

Значения удельного усилия (? Л0~3(Н/и1 скользящего резания МЯСНЫХ лориионных ПОЛУфзЗрИКЛТОР В Э8РИСИН0СТИ от температуры при рязных углях эагочки ножя, скорости реэг.ния У=Э,4 м/о, угля скольжения 5 =40° представлены п теблии? I.

Тяблиия I

Угол заточки ножа Вид усилия М..Ог.«)' КГэ.НАО Величина удельного уем при температуре мяс тля резяния (К/м1 а (¡0

283 ¡281 ¡278 ¡276 ¡273 271 270 ¡268 ¡266 ¡263

¿=15 1.нормяльная 2.касательная 3.общее 0,38.0,4110,58¡0,99!0,93 0,30 0 33 0,53 0,4510,40 0,49,3,53(0,79,0,9Ш,М 1,07 0,78 1,39 1,98!2,25'2,66'3,87 1,0611,20!I 49'3,10 2,2412,55|3,05!4,9о

¿=20 1.нормальная 2. кясательная 3. общее 0,600,640,92 5 0,9811,47 0,39 0,о1 0,68 0,72!0,87 о^г-о^вд; 111&; I' гг:} 1^71 1,68 1,35 2116 2,5512,94'3,24'4,73 1,96(2,22 2,62М.48 3,22|3 69 4,29'6 52

¿=27 1.нормальная 2. касательная З.обгцее 0,97'0,98*1,31'1,53'1,7С 0,37! 0,79! 1,054! 02! 1,44 1,04! 1,264,68!I 64!2!29 1 I г 1 1,98 1,71 2,62 2,71!3,08;3,52'3,79 3,67!4,>,6 $,¿4 $,¿8

Хяряктер увеличения удельного усилия реэпния с понижением температуры мясопродуктор объясняется тем, что при понижении температуры пропуктя ниже 271 К начинается изменен-.ге его агрегатного состояния, увеличение прочности и кесткости. Это явление сряэгно с фазовым переходом воды и жира в твердое состояние и упрочнением связи между кристаллами.

С точки зрения технологических требований и энергетических затрат на процесс реэпния рекомендуем вести процесс резания мясных порционных полуфабрикатов в диапазоне температур 266 К до 265 К.

При исследовании влияния скорости резания на величину удельного усилия резания <3 было установлено, что при увеличении

Рис.5. Зависимость удельного усилия резания Ч , С)п ,

Ю~3(Н/м^ мяса от скорости резания V ,м/с при угле скольжения 8 =45°, угле заточки ножа £ =27° и температуре.

0,005 0,006 0,009 0,012 0,015 в,М

Рис.б. Зависимость удельного усилия Q'I(r3(H/M), скользящего резания от толщины отрезаемого кусочка ' при угле скольжения 5 =40° и заточки лезвия - 27°, и температурах образцов:

I - Т = 268 К; 2 - Т = 273 К; 3 - Т = 278 К.

скорости резпния от 0.5 до б м/с при рубящем резании значения

увеличиваются в 1,9 раза, функциональная зависимость величины Q от скорости резания имеет вид: <5=атгх (9)

при Т = 268 К сс = 4,84; х= 0,210 при Т = 273 К а =3,92; х= 0,208 при Т = 278 К а = 3,16; х= 0,131

■ При скользящем резании значения величины суммарного удельного резания уменьшаются с увеличением скорости резания (рис.5\ Эффект уменьшения усилия резания можно объяснить тем, что с увеличением скорости резания, усилия, действующие на перерезаемые волокна, все в меньшей степени успевают распространяться вглубь матрицы продукта и волокна в зоне резания получают усилие напряжения,достаточное для их разрыва быстрее. Поэтому количество волокон одновременно перерезаемых кромкой снижается по мере увеличения скорости резания, то есть, они во все меньшей степени накапливаются перед режущей кромкой и деформируют все меньшие объемы продукта. В результате этого обеспечиваются лучшие условия резания порционных полуфабрикатов мяса, требующие меньших затрат усилий на разрушение структурных связей продукта и его деформацию в зоне резания.

При исследовании влияния толщины отрезаемого кусочка, продукта на величину удельного усилия резания <3 была установлено, что при увеличении толщины от 0,003 м до 0,018 м удельное усилие увеличивается в 4,1Враза (рис.6^. Это объясняется тем, что при увеличении толщины отрезаемого кусочка значительно увеличивается затрата энергии на деформацию продукта в зоне резания, вследствие увеличения объемов продукта, которые необходимо сместить гранями режущей кромки ножа в зоне резания.

Получены значения величин усилий трения, напряжений и эффективного коэффициента внешнего трения мяса о стальную поверхность - сталь У 10 (шероховатость Яа = 0,63 мкм, $ = 0,25мм) и давлении Р = 3,2 кПа в зависимости от скорости скольжения (таблица 2 ).

Таблица 2

Зависимость величины эффективного коэффициента внешнего трения мяса говядины по стальной поверхности от скорости скольжения и давления

Скорость ! Эффективный коэффициент трения при давлении

скольжения !---.-.---*-,-*-i.-

м/с j 0,01 | 0,05: | 0,1 j 0,5 | 1,0 ¡5 ¡10

0,5 3,308 0,724 0,386 0,096 0,069 0,088 0,151

I 3,362 0,641 0,339 0,088 0,054 0,079 0,124

5 3,431 0,694 0,366 0,081 0,059 0,067 0,119

7 3,484 0,712 0,392 0,094 0,062 0,069 0,109

10 3,542 0,763 0,416 0,099 0,068 0,071 0,102

Таблица 3

Зависимость величины эффективного коэффициента внешнего трения мяса по стальной поверхности от. температуры и скорости скольжения

Скорость ! скольжения ! Эффективный коэффициент трения при температуре Т,К ,

м/с ! 263 | 266 } .26В ; 270 | 273 | 278 | 283

0,5 0,289 0,275 0,241 0,231 0,216 0,163 0,141

I 0,240 0,230 0,224 0,214 0,201 0,144 0,126

3 0,216 0,208 0,202 0,194 0,180 0,125 0,104

5 0,204 0,196 0,191 0,175 0,152 0,109 0,096

7 0,199 0,182 0,164 0,153 0,130 0,101 0,081

10 0,162 0,153 0,138 0,130 0,112 0,098 0,072

Рис.7. Зависимость величин эффективного коэффициента

внешнего трения / мяса о сталь от температуры при различных скоростях скольжения: I - тГ= 1м/с; 2 - тГ= 3 м/с; 3 - 5 м/с.

Математическая зависимость эффективного коэффициента внешнего трения от температуры в интервале от 283 до 263 К имеет вид:

/=А+ВТ (10)

при скорости тГ = I м/с Л = 1,160 ; В = -0,0035

V = 3 м/с А = 1,031 ; В = -0,0031

ТГ= 5 м/с А = 1,199 ; В = -0,00377

Из графиков зависимости (рис.7> видно, что на величину эффективного коэффициента внешнего трения по стали темпе-

ратура оказывает значительное влияние. С понижением температуры до 263 К значения величины возрастают. Такое положение можно объяснить тем, что при отрицательных температурах энергии трения п точках контакта лезвия ножа с поверхностью разреза мяся недостаточна для полного расплавления кристаллов ледяного скелета продукта при данных скоростях резания. В этом случае образование смазывающей пленки происходит не в достаточной мере. Из всех составляющих элементов трения главную роль игрчет механическое сцепление, то есть внешнее трение, обусловлено в основном сопротивлением на срез мостиков контакта микронероЕНостэй на контактирующих плоскостях. Менее твердой поверхностью является поверхность разреза мяса. В свою очередь, твердость мяса зависит от его температуры. Методом полного факторного эксперимента установлена зависимость удельного усилия резялия <? от температуры, скорости резания и угла скольжения. Уравнение математической модели для различных способов гедения процесса резания мясных порционных полуфабрикатов имеет вид:

При рубящем резании: Ц = 80 ^ 049 - 0,273 Т + 9, 475v - 0,035-Т"1Г (Ш .

При скользящем резании:

С) = 52,808 + 0, 273 Т - 5, 161 тт + 1,004-5 +

+0,02-ТтГ - 5,084-Т-5 + 7,6181г5 - в, 525 Т-тГ-5 (121

Значения геличин удельного усилия скользящего резания мяса определенных экспериментально и по уравнению математической модели II и 12 представлены в таблице 4.

Таблица 4

Значения величин удельного усилия скользящего резания ЧТ0"3(Н/м1 мясных порционных полуфабрикатов, определенные по уравнению (12^ математической модели и по опытным данным.

п/п Температу-ра т/ к, Скорость Срезания ! V , м/с 'Угол ско-'льжения \ град. 1 ! ^Удельное ¡усилие ре-' .зания _ | 4.10"^! !опы-'ряс- | !тное'четное Ропт -р Шогреш-■ность ! Д % \ Т

I. 263 0,5 20 12,46 12,24 0,22 1,76

2. 268 1,5 30 10,52 11,66 -1,14 -10,83

3. 270 3,0 40 • 8,36 7,82 -0,54 6,43

4. 273 4,5 50 5,04 4,94 0,2 4,16

5. 278 0,0 60 4,93 4,83 0,1 2,02

6. 281 7,5 70 2,04 1,86 0,18 5,63

7. 283 10,0 80 1,32 1,19 0,13 з,л

С, .повышением температуры и увеличением скорости резания мяса величина удельного усилия резания уменьшается. Вместе е.. тем ,при повышении температуры выше 270"К снижается качество поверхности разреза. Рекомендуется при нарезании полуфабрикатов из говядины сырье целесообразно предварительно подморозить до температуры 208+ 266 К.

С учетом получения хорошего качества поверхности разреза при производстве полуфабрикатов из говядины и снижения расхода энергии на процесс резания целесообразно использовать режущий орган с углом заточки лезвия 27°* 35°, с углом скольжения 40+ 50°. Скорость резания может быть задана 1+ 3 м/с.

Эти рекомендации использованы при разработке конструкторской рекомендации на машину для нарезки полуфабрикатов.

ОБЩИЕ ЕЫВОДи И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Составлены физическая модель мясопродукте как объекта резания, и математическая модель пронесся резания мясопродуктов при порционировании их на полуфабрикаты, которые могут быть использованы при исследованиях разрушения неоднородных сплошных тел, структура которых армирована различного рода волокнами.

2. Определены наиболее рациональные геометрические формы ревущей части рабочих органов мясореэательных машин, предназначенных для порционирования полуфабрикатов.

3. Разработаны и рекомендованы промышленности режимы термической подготовки сырья при производстве полуфабрикатов.

4. Обоснованы и рекомендованы промышленности наиболее рациональные кинематические параметры процесса резания при порционировании полуфабрикатов, которые позволяют получить высокое качество поверхности разреза при минимальных затратах энергии.

5. Модернизированы стенды и методики для исследования величин усилий резания при различных режимах и определения сил внешнего трения.

6. Определены усилия значения усилий резания говядины и сил внешнего трения при различных режимах резания, температурном состоянии мяса и различных геометрических параметрах режущих органов.

7. Полупромышленные испытания опытных образцов режущих органов с рекомендованными геометрическими размерами и скоростью резания подтвердили хорощую эффективность и качество процесса порционирования говядины.