ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6750| Title: | Покращення експлуатаційних характеристик м’ясорізального вовчка |
| Authors: | Філімонова, Надія Вікторівна Кірілов, Василь Павлович |
| Keywords: | м'ясорізальний вовчок;шнек;міцність;зношування;довговічність;ефективність роботи |
| Issue Date: | 2025 |
| Abstract: | Покращення експлуатаційних характеристик м'ясорізального вовчка. - Кваліфікаційна робота магістра. Обсяг роботи. Кваліфікаційна робота магістра складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел, Роботу викладено на 88 сторінках, містить 39 рисунків, 5 таблиць. Метою досліджень є покращення експлуатаційних характеристик одного з основних видів обладнання м'ясопереробної промисловості – м'ясорізального вовчка К7-ФВП-160 шляхом покращення напружено-деформованого стану решіток та зменшення зношування робочого циліндру і шнеку за рахунок конструктивного вдосконалення. Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному: - отримані кількісні показники спрацювання ребер циліндру вовчка; - встановлено показники напружено-деформованого стану решіток вовчка збірної конструкції; - запропоновано нові напрямки вдосконалення м'ясорізальних вовчків. Практичне значення одержаних результатів: - одержані кількісні показники напружено-деформованого стану і зносостійкості можуть бути використані для визначення технічного рівня м'ясорізальних вовчків і обґрунтування термінів ремонтів та розрахунку запасних частин; - використання досліджених конструкцій решіток вовчка дає можливість до 2 разів підвищити їх довговічність та зменшити експлуатаційні витрати на купівлю різального інструменту; - використання запропонованої конструкції збірної решітки забезпечує підвищення продуктивності вовчка та зменшення втрат м’ясного соку при подрібненні м’ясної сировини; - використання запропонованої конструкції захисного піддону дозволяє суттєво зменшити зношування робочого циліндру та шнеку вовчка. В кваліфікаційній роботі магістра відомих літературних джерел та виконано аналіз конструкцій вузлів вовчків, які застосовуються в харчовій промисловості, описано принцип роботи технологічної лінії по виготовленню варених ковбас та конструкцію вдосконаленого вовчка К7-ФВП-160. Було проведено огляд. Визначено задачу, що потребує вирішення – підвищення довговічності вовчка. Виконано технологічний, міцнісний та кінематичний розрахунки. Проведено наукові дослідження з пошуку шляхів підвищення довговічності вовчків. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6750 |
| Appears in Collections: | 133 Галузеве машинобудування (Обладнання переробних і харчових виробництв) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ Кірілов.pdf Restricted Access | 2.98 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
(повне найменування вищого навчального закладу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та
машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового
покоління
(повна назва кафедри)
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до кваліфікаційної роботи магістра
на тему:
«Покращення експлуатаційних характеристик
м'ясорізального вовчка»
Другий (магістерський)
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
мПВ33.133025.000 ПЗ
Виконав: здобувач вищої освіти
2 курсу, групи мПВ-33
спеціальності G11 Машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Обладнання переробних і харчових виробництв
(освітня програма)
Василь КІРІЛОВ
(ім’я та прізвище)
Керівник Надія ФІЛІМОНОВА
(ім’я та прізвище)
Рецензент ___________________
(ім’я та прізвище)
Черкаси 2025
1
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
(повна назва факультету)
Кафедра проектування харчових виробництв та верстатів нового покоління
(повна назва кафедри)
Другий (магістерський)
(рівень вищої освіти)
G 11 Машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Обладнання переробних і харчових виробництв
(назва освітньо-професійної програми)
ЗАТВЕРДЖУЮ:
завідувач кафедри ПХВ ВНП
Василь ОСИПЕНКО
«____»_____________2025 р.
З А В Д А Н Н Я
НА КВАЛІФІКАЦІЙНУ РОБОТУ МАГІСТРА
ЗДОБУВАЧУ ВИЩОЇ ОСВІТИ
____________________Кірілову Василю Павловичу________________________
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Покращення експлуатаційних
характеристик м'ясорізального вовчка»
Керівник кваліфікаційної роботи магістра:
Філімонова Надія Вікторівна, к. т. н., доцент____________________
( прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджені наказом Черкаського державного технологічного університету
від “___”____________2025 року №_____
2. Строк подання студентом магістерської роботи _____________ 2025 р.
3.Вихідні дані до кваліфікаційної роботи магістра: технічний опис вовчка К7-
ФВП-160.
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які
потрібно розробити: анотація, вступ, порівняльний аналіз існуючих
конструкцій і постановка задачі проектування машини, технологічні
розрахунки машини, конструктивні, кінематичні, на міцність, енергетичні,
науково-дослідний розділ, висновки,.
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень):
загальний вигляд машини, складальні креслення вузлів, креслення
нестандартизованих деталей, результати проведених досліджень, маршрут
обробки деталі.
2
6. Консультанти розділів магістерської кваліфікаційної роботи
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
1 Філімонова Н. В., доцент
2 Філімонова Н. В., доцент
3 Філімонова Н. В., доцент
7. Дата видачі завдання_____________________________
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
№ Назва етапів магістерської кваліфікаційної Строк
з/п роботи виконання етапів Примітка
проекту (роботи)
1 Порівняльний аналіз існуючих конструкцій і
постановка задачі проектування машини
2 Технологічні розрахунки машини
3 Конструктивні розрахунки машини
4 Гідравлічні розрахунки машини
5 Науково-дослідний розділ
6 Оформлення креслень
Здобувач вищої освіти: __________________Василь КІРІЛОВ
( підпис ) (прізвище та ініціали)
Керівник кваліфікаційної роботи магістра: ________________Надія ФІЛІМОНОВА
( підпис ) (прізвище та ініціали)
3
РЕФЕРАТ
Покращення експлуатаційних характеристик м'ясорізального вовчка. -
Кваліфікаційна робота магістра.
Обсяг роботи. Кваліфікаційна робота магістра складається із вступу, 3
розділів, висновків, списку використаних джерел. Роботу викладено на 63
сторінках, містить 19 рисунків, 5 таблиць.
Метою досліджень є покращення експлуатаційних характеристик
одного з основних видів обладнання м'ясопереробної промисловості –
м'ясорізального вовчка К7-ФВП-160 шляхом покращення напружено-
деформованого стану решіток та зменшення зношування робочого циліндру і
шнеку за рахунок конструктивного вдосконалення.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:
- отримані кількісні показники спрацювання ребер циліндру
вовчка;
- встановлено показники напружено-деформованого стану решіток
вовчка збірної конструкції;
- запропоновано нові напрямки вдосконалення м'ясорізальних
вовчків;
Практичне значення одержаних результатів:
- одержані кількісні показники напружено-деформованого стану і
зносостійкості можуть бути використані для визначення технічного рівня
м'ясорізальних вовчків і обґрунтування термінів ремонтів та розрахунку
запасних частин;
- використання досліджених конструкцій решіток вовчка дає
можливість на до 2 разів підвищити їх довговічність та зменшити
експлуатаційні витрати на купівлю різального інструменту;
4
- використання запропонованої конструкції збірної решітки
забезпечує підвищення продуктивності вовчка та зменшення втрат м’ясного
соку при подрібненні м’ясної сировини;
- використання запропонованої конструкції захисного піддону
дозволяє суттєво зменшити зношування робочого циліндру та шнеку вовчка.
В кваліфікаційній роботі магістра виконано техніко-економічне
обґрунтування роботи, проведено огляд типів конструкцій вовчків, які
застосовуються в харчовій промисловості, описано принцип роботи
технологічної лінії по виготовленню варених ковбас та конструкцію
вдосконаленого вовчка К7-ФВП-160.
Було проведено огляд відомих літературних джерел та виконано аналіз
конструкцій вузлів вовчків. Визначено задачу, що потребує вирішення –
підвищення довговічності вовчка.
Виконано технологічний, міцнісний та кінематичний розрахунки.
Проведено наукові дослідження з пошуку шляхів підвищення довговічності
вовчків.
Ключові слова: м'ясорізальний вовчок, шнек, циліндр, решітки,
міцність, зношування, довговічність, ефективність роботи.
ABSTRACT
Improving the operational characteristics of a meat grinder. – Master’s
qualification thesis.
Scope of work. The master’s qualification thesis consists of an introduction,
3 chapters, conclusions, and a list of references. The work is presented on 63 pages
and contains 19 figures and 5 tables.
The aim of the research is to improve the operational characteristics of one
of the main types of equipment used in the meat-processing industry — the K7-
5
FVP-160 meat grinder — by improving the stress–strain state of the grinder plates
and reducing the wear of the working cylinder and the screw (auger) through
constructive enhancement.
Scientific novelty of the obtained results lies in the following:
quantitative indicators of rib wear on the grinder cylinder have been obtained;
stress–strain characteristics of the plates in the modular grinder design have
been established;
new directions for improving meat grinders have been proposed.
Practical significance of the obtained results:
the obtained quantitative indicators of stress–strain state and wear resistance
can be used to determine the technical level of meat grinders, justify
maintenance intervals, and calculate spare parts;
the use of the studied plate designs makes it possible to increase their service
life up to 2 times and reduce operating costs for purchasing cutting tools;
the use of the proposed modular plate design ensures higher grinder
productivity and reduces losses of meat juice during comminution;
the use of the proposed protective tray design significantly decreases wear of
the working cylinder and the screw.
The master's thesis includes a techno-economic justification, a review of
types of grinder designs used in the food industry, a description of the operating
principles of a cooked-sausage production line, and the design of the improved K7-
FVP-160 grinder.
A review of the literature was conducted and an analysis of grinder
component designs was performed. The key problem identified for solution was
the increase of grinder service life.
Technological, strength, and kinematic calculations were carried out, and
scientific research was performed to identify ways to increase the durability of
meat grinders.
6
Keywords: meat grinder, screw (auger), cylinder, grinder plates, strength,
wear, durability, operational efficiency.
7
Зміст
ВСТУП ......................................................................................................................... 9
1. ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ КОНСТРУКЦІЙ ТА
ФОРМУЛЮВАННЯ ЗАДАЧІ ВДОСКОНАЛЕННЯ ВОВЧКА ........................... 10
2.РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА.......................................................................... 2727
2.1 Технологічні розрахунки вовчка....................................................................27
2.2 Кінематичні розрахунки вовчка ................................................................... 299
2.2.1 Розрахунок циліндричної зубчастої передачі редуктора для приводу
робочого та подавального шнеків ................................................................ 2929
2.3 Розрахунок міцності деталей вовчка ......................................................... 3333
2.3.1 Визначення міцності ножа вовчкаОшибка! Закладка не определена.33
2.3.2 Розрахунок робочого шнеку ................................................................. 3333
2.4 Енергетичні розрахунки вовчка ................................................................. 3737
2.5 Технологічні розрахунки виготовлення деталі ......................................... 4040
2.5.1 Розробка методів обробки поверхонь ................................................. 4041
3. НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ РОЗДІЛ ................................................................. 4545
3.1 Методики та оснащення для проведення досліджень ............................. 4545
3.2 Підвищення ефективності напружено-деформованого стану решіток
вовчка .................................................................................................................. 4747
3.3 Визначення ступеня зношування циліндрів вовчків ................................ 5656
ВИСНОВКИ ........................................................................................................... 6161
СПИСОК ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ ................................................................ 6262
8
ВСТУП
Харчова промисловість у сучасних умовах вимагає
висококваліфікованих фахівців, здатних ефективно працювати з
технологічним обладнанням, пропонувати інноваційні технічні та
технологічні рішення, а також розробляти сучасні зразки устаткування.
Сучасні моделі вовчків вирізняються як своїми кінематичними
схемами та типами приводів, так і конструктивними особливостями окремих
елементів.
Впровадження найбільш передових і ефективних технічних рішень в
конструкції робочих органів є доцільним для підвищення ефективності
роботи вовчків. Зразки сучасних інженерних рішень представлені такими
провідними світовими виробниками як Seydelmann, GEA Convenience-Food
Technologies, Laska, MaDo. Inotec тощо.
Метою магістерської роботи є вирішення окреслених завдань,
спрямованих на вдосконалення технологій та конструктивних характеристик
м’ясорізальних вовчків.
9
1. ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ КОНСТРУКЦІЙ ТА
ФОРМУЛЮВАННЯ ЗАДАЧІ ВДОСКОНАЛЕННЯ ВОВЧКА
Вовчок є машиною для середнього подрібнення м'ясної сировини та
відіграє важливу роль у технологічній лінії виробництва ковбасних виробів.
Його значення зумовлене визначальним впливом на якість готового
продукту, можливістю здійснення ефективного вакуумування сировини, а
також високою вартістю, що перевищує витрати на інше технологічне
обладнання лінії.
У цьому контексті особливий акцент робиться на забезпеченні
ефективної роботи вовчків, їхньої надійності, зручності у використанні та
економному витрачанні матеріальних ресурсів. Прикладом є модель К7-
ФВП-200-02, яку випускає ВАТ «Полтавамаш» і яка зображена на рис. 1.1.
Цей вовчок виділяється інтенсивнішим режимом роботи завдяки підвищеній
частоті обертання робочого шнека. Така особливість сприяє збільшенню
продуктивності та забезпеченню вищої потужності приводу.
Нижче наведено основні технічні характеристики вовчка:
Продуктивність машини: 6500 кг/год;
Діаметр перфорованих решіток: 200 мм;
Об’єм бункера: не менше 280 л
Електродвигун приводу робочого шнека: 22,4 чи 33,5 кВт
Швидкість обертання шнека: 179, 358 об/хв
10
Рисунок 1.1 – Вовчок вітчизняного виробництва моделі К7-ФВП-200-02
Особливу увагу привертає спеціалізований вузол мілкого різання, який
розташовується безпосередньо на виході з основного різального модуля. Це
додаткове обладнання виконує роль тонкого регулювального елемента: саме
воно формує остаточну структуру подрібненої маси. Основною його
функцією є створення потрібної консистенції та визначеного
гранулометричного складу фаршу, які повинні відповідати технологічним
вимогам конкретного виду ковбасної продукції. На рисунку 1.2 наведено
приклад роботи такого пристрою, що дає змогу бачити його призначення та
місце у загальній схемі подрібнення.
а) б)
Рисунок 1.2 - Пристрій мілкого різання вовчків Seydelmann:
а) – ніж; б) – привод пристрою мілкого різання
11
Ніж кінцевого різання розміщений після вихідної решітки, що дає
можливість додатково подрібнювати м'ясо, яке виходить із решітки у формі
довгих джгутів. Це сприяє досягненню однакової довжини шматочків та
рівномірної зернистості фаршу. Привод кінцевого ножа реалізований у
вигляді навісного механізму, який оснащено електродвигуном постійного
струму. Таке рішення не випадкове: двигуни цього типу дозволяють
забезпечити плавне й високоточне регулювання частоти обертання, що є
критично важливим для тонкого налаштування процесу різання.
Завдяки автономності приводу кінцевого ножа його швидкість можна
варіювати незалежно від частоти обертання робочого шнека або основного
різального комплекту. Це відкриває можливість гнучко змінювати
гранулометричний склад фаршу у широких межах — від більш грубого до
дрібнодисперсного. Така конструктивна особливість робить машину
універсальною для виробництва різних видів ковбасних продуктів, де вимоги
до структури фаршу можуть суттєво відрізнятися.
Таке рішення дозволяє налаштовувати текстуру фаршу відповідно до
вимог, забезпечуючи рівномірність його структури незалежно від
особливостей початкової сировини. Пристрій кінцевого різання ефективно
інтегрується у виробничі процеси виготовлення сирокопчених,
напівкопчених ковбас та ковбас для смаження, гарантуючи високу якість
продукції та необхідні характеристики.
Обладнання також оснащене механізмом для завантаження сировини із
гідроприводом (рисунок 1.3). У стандартній комплектації механізм
пристосований для роботи з візками об'ємом 200 літрів типу «BW 200».
Проте за потреби замовника система може бути адаптована для візків на 300
літрів типу «BW 300». Це конструктивне рішення значно спрощує та
прискорює санітарну обробку обладнання.
12
Рисунок 1.3 - Гідравлічний завантажувальний пристрій Seydelmann
Конструкція механізму завантаження має низку переваг у порівнянні зі
щогловими підйомниками, які обладнані електромеханічним приводом та
належать до окремого типу допоміжного обладнання. Використання
гідроприводу забезпечує майже повну відсутність потреби в технічному
обслуговуванні, оскільки конструкція виключає наявність таких
негігієнічних і зношуваних елементів, як ланцюгові чи гвинтові передачі, які
до того ж часто виходять із ладу.
Ще одним значним плюсом цієї конструкції є те, що при
непрацюючому вовчку завантажувальний пристрій може перебувати в
крайньому верхньому положенні над машиною. Це рішення сприяє економії
виробничої площі, що є важливим для оптимізації роботи цеху.
У зоні захоплення сировини в бункері шнеки обладнані не цільними
витками, а сегментами (рис. 1.4, а), що дозволяє здійснювати попереднє
подрібнення підмороженої м’ясної сировини вже на початковому етапі
процесу всередині бункера. Попереднє дроблення заморожених блоків
відбувається на спеціалізованих установках. Використання циліндричних
елементів на кінцях витків у зоні захоплення, які розташовані концентрично
відносно осі шнека, вирішує два ключові завдання: забезпечення тонкого
13
витка для надійного захоплення шматків сировини та одночасне збільшення
його товщини для ефективного ущільнення зазору між шнеком і стінками
робочого циліндра. Це суттєво зменшує реверсивний потік сировини, що
значно впливає на покращення продуктивності обладнання.
а) б)
Рисунок 1.4 - Конструкція подавальних шнеків вовчків MaDo MEW 727:
а) – два шнеки ; б) – передня опора із радіальними ребрами
Кожен із подавальних шнеків обладнано змінною різальною вставкою,
яка встановлюється на кінці останнього витка та фіксується різьбовим
з’єднанням (рис. 1.4, б). Ці змінні елементи працюють у парі з радіальними
ребрами опорної пластини, розташованими на передньому торці шнеків.
Разом вони утворюють локальні різальні вузли, що функціонують як
додаткові ступені подрібнення.
Під час обертання подавальні шнеки формують різальні пари, які
активно подрібнюють сировину ще до її надходження в зону основного
робочого шнека. Таким чином, у вовчках компанії MaDo продукт проходить
два проміжні етапи подрібнення перед попаданням до головного різального
комплекту. Дослідження показали, що така багатоступенева схема
подрібнення дозволяє:
• підвищити питому продуктивність обладнання;
14
• зменшити енергоємність процесу, оскільки навантаження на основний
шнек і різальний комплект значно знижується.
Подальше вдосконалення — оптимізація конструкції робочих та
подавальних шнеків, переробка гільз робочого циліндра, модернізація
ножового вузла та впровадження ефективних режимів перероблення
замороженої сировини — дозволили компанії MaDo досягти помітного
технічного прогресу. У результаті встановлена потужність вовчків цієї марки
зменшена у 1,5–2 рази порівняно з аналогічними машинами інших
виробників без втрати продуктивності.
Основні технічні характеристики моделі MEW 727 такі: діаметр
різального комплекту — 160 мм; можливі конфігурації ножових елементів —
3, 5 або 7 шт.; потужність приводу робочого шнека — 38 або 63 кВт, залежно
від того, застосовано двошвидкісний електродвигун чи систему частотного
керування. Привод подавальних шнеків має потужність 11/19 кВт. Частота
обертання робочого шнека становить 150/300 об/хв із двошвидкісним
приводом або діапазону від 1 до 300 об/хв за умови частотного керування.
Подібно, частота обертання подавальних шнеків дорівнює 12/24 об/хв при
використанні двошвидкісного приводу, а з частотним керуванням – від 1 до
36 об/хв. Місткість бункера становить 500 літрів, а продуктивність вовчка
досягає 4000 кг/год.
Вовчки марки Kolbe (рис. 1.5) вирізняються застосуванням робочого
шнека і робочого циліндра зі спеціальної неіржавіючої сталі, легованої
бронзою. Цей сплав розроблений у такий спосіб, щоб забезпечити
максимальну зносостійкість і мінімізувати тертя між деталями, які працюють
під високими навантаженнями.
На рис. 1.6 представлені конструктивні особливості окремих вузлів
вовчка AWK130. У цьому механізмі використовується різальний комплект
системи Unger, подавальний шнек із збільшеним діаметром, який
15
розташований під прямим кутом до робочого шнека. Також передбачено
зручний пульт управління для полегшення експлуатації машини.
а) б)
Рисунок 1.5 - Вовчки марки Kolbe:
а) – вовчок MWЕ52; б) – вовчок AWK130
а) б) в)
Рисунок 1.6 - Виконання окремих вузлів вовчка Kolbe AWK130: а) різальний
комплект; б) подавальний шнек; в) пульт керування.
Вовчок Karl Schnell Winkelwolf 160, вироблений у Німеччині й
зображений на рисунку 1.7, призначений для подрібнення шматкового,
16
безкісткового та жилованого м'яса при виготовленні фаршу, що
використовується у виробництві ковбас та інших м'ясних виробів. Ця машина
належить до категорії кутових вовчків, у яких подавальний шнек встановлено
перпендикулярно до робочого шнека.
а) б)
Рисунок 1.7 - Вовчок Karl Schnell Winkelwolf 160:
а) – зовнішній вигляд вовчка; б) – подавальний шнек вовчка
Вовчок може використовуватись як для заморожених, так і для свіжих
продуктів, таких як м’ясо, овочі або сир. Живильник обладнаний приводом з
регульованою частотою обертання, що в поєднанні з двоступеневим
приводом робочого шнека забезпечує дбайливу обробку продуктів. Серед
додаткових переваг пристрою варто відзначити простоту управління та
легкість очищення. Для вовчків Karl Schnell Winkelwolf пропонуються різні
варіанти ріжучих комплектів, які адаптовані до переробки конкретних
продуктів, включаючи як заморожене, так і свіже м’ясо, сир та інші харчові
складові.
Електронний контролер дозволяє плавно змінювати швидкість
обертання шнеків, що сприяє отриманню якісного подрібненого продукту.
17
Наприклад, вовчок із решітками діаметром 160 мм оснащено робочим
шнеком з потужністю приводу 25/34 кВт, водночас привід подавального
шнека складає 2,2/4,4 кВт. При використанні решіток діаметром 200 мм
потужність головного приводу зростає до 34/52 кВт.
Конструкція робочого шнека та циліндра. У вовчках класичного
типу використовується металевий робочий шнек (рис. 1.8) та металевий
робочий циліндр. Внутрішня поверхня циліндра оснащена литими або
фрезерованими пазами, які запобігають прокрутці шматків м’яса разом зі
шнеком і сприяють ефективній роботі механізму.
Рисунок 1.8 - Конструкція робочого шнека вовчка
Недоліками такої конструкції шнека є його висока вартість і низька
ремонтопридатність. Аналогічні проблеми притаманні й робочому циліндру.
Зношування ребер циліндра та зовнішньої кромки шнека негативно
впливає на продуктивність вовчка і водночас збільшує енергоспоживання. Це
відбувається через утворення збільшеного зазору, який спричиняє зворотний
викид "текучої" частини сировини під тиском у робочій зоні.
Продуктивність вовчка знижується пропорційно розміру зазору,
піднесеного до куба, а також рівню тиску в робочій зоні. Для вовчків із
діаметрами решіток 160 і 200 мм оптимальним є підтримання зазору не
більше 0,9 мм. Збільшення зазору до 6 мм істотно погіршує показники:
продуктивність зменшується з 4,5 до 1,5 т/год, а енерговитрати зростають із 3
до 12 кВт·год/т.
18
У зв'язку з цим важливо передбачити можливість оперативного
ремонту або заміни шнека та циліндра, що дозволить підтримувати
ефективну експлуатацію вовчка.
Вовчки марки MaDo мають конструктивні особливості у виконанні
зазначених робочих частин. Інженери німецької компанії Maschinenfabrik
Dornhan GMBH (торгова марка «MaDo») внесли до конструкції вовчків
кілька змін. Зазначимо оригінальну конструкцію робочого шнека: він
складається зі сталевого валу, на якому змонтовано полімерний шнек (рис.
1.9, а).
а) б)
Рисунок 1.9 — Приклади модернізованих робочих елементів вовчків
MaDo: а) збірний робочий шнек, конструкція якого поєднує металевий вал і
полімерну гвинтову частину; б) гільза робочого циліндра, виконана у
вдосконаленому конструктивному варіанті.
Полімерний шнек, взаємодіючи з сировиною, формує антифрикційну
пару з низьким коефіцієнтом тертя, що дозволяє зменшити енергозатрати на
транспортування матеріалу. Крім того, корпус з полімеру виконує роль
термоізоляції, запобігаючи надмірному нагріванню сировини.
19
Цікавим інженерним рішенням є конструкція робочого циліндра
вовчка. Гладкий циліндр обладнано металевою гільзою з гвинтовими пазами.
Сітчаста конструкція гільзи служить функціональною альтернативою
циліндрам зі спіральними ребрами. Перемички між пазами виконують роль
виступаючих елементів, сприяючи легшому переміщенню сировини при
взаємодії зі шнеком.
Сітчаста гільза має суттєві переваги, зокрема високу технологічність
виготовлення, адже пази формуються шляхом вирізання з трубчастої
заготовки на верстатах плазмового або лазерного різання з ЧПК. Окрім
цього, вона забезпечує ремонтопридатність робочого циліндра у разі
зношування його внутрішньої поверхні. Гвинтові лінії сітчастої гільзи разом
із замороженою сировиною створюють антифрикційну пару з низьким
коефіцієнтом тертя ковзання, що значно зменшує зусилля, необхідне для
переміщення сировини по робочому каналу вовчка. Рекомендовано
впровадити зазначені конструктивні рішення у конструкції вовчка К7-ФВП-
160.
Ріжучий комплект. Схема та конструкція ріжучого комплекту
показані на рис. 1.10.
20
Рисунок 1.10 - Схеми різальних комплектів вовчків:
1 – кільце-підпора; 2 – вихідна решітка; 3 – чотиризубий ніж із
прямолінійними кромками; 4 – проміжна решітка; 5 – приймальна решітка.
Решітки. На рис. 1.11 показано основні типи конструкцій решіток, які
використовуються в сучасних моделях вовчків. Решітки вовчка можуть
містити отвори з діаметром 30, 20, 18, 13, 10, 8, 5, 4, 3, 2,5, 2 та 1,5 мм.
Зазвичай отвори на перфорованій частині решіток розміщують за
ромбічною сіткою з кутами 60° і 120°, для отворів від 1,6 до 5,0 мм. Отвори
більшого діаметра розташовують по концентричних колах. Кількість і
інтервал між отворами визначаються розмірами решітки та діаметром самих
отворів.
21
а) б) в)
Рисунок 1.11 - Решітки вовчка зазвичай бувають наступних типів:
а) приймальна решітка; б) проміжна решітка з отворами, розташованими по
спіралі; в) вихідна решітка з отворами, розташованими в шаховому порядку.
Недоліками існуючих конструкцій приймальних, проміжних та
вихідних решіток, які використовуються на практиці, є наступне: недостатня
ефективність різання сировини через кут ріжучої кромки отворів решітки
90°; надмірне споживання високоякісної легованої сталі для їх виготовлення.
Це спричинено тим, що при зношенні решітки до половини її товщини вона
вважається непридатною для подальшого використання, оскільки втрачає
необхідну жорсткість і міцність. У результаті значна частина матеріалу
решітки не задіяна для безпосереднього різання сировини, а слугує виключно
для забезпечення структурної міцності.
Розв’язання зазначених проблем пропонується у винаході,
розробленому кафедрою ПХВВНП ЧДТУ. Конструкція представлена
збірною решіткою (рис. 1.12), що включає центральну частину в формі диска
або кільця з торцевими отворами. До цієї центральної частини приєднуються
накладні елементи, які можуть кріпитися з одного або обох торців. Для
правильної орієнтації накладних елементів щодо центральної частини
передбачено спеціальні орієнтуючі штифти. Закріплення елементів
реалізується за допомогою кріпильних деталей, зокрема болтів.
22
1
2
3
4
5
а)
1 2 1 2 3
б) в)
Рисунок 1.12 - Решітка збірної конструкції
Через певний період експлуатації відбувається затуплення країв
торцевих отворів на накладних частинах, а також зношення торцевих
поверхонь цих елементів. Для заміни накладних частин 2 необхідно
відкрутити кріпильні елементи 4 (болти) та зняти зношені деталі. На їхнє
місце встановлюють нові накладні частини 2, ретельно позиціонуючи їх за
допомогою орієнтуючих елементів 3 (штифтів). Після цього нові накладні
частини 2 закріплюють кріпильними елементами 4 (болтами).
Виконання торцевих отворів, як показано на рис. 1.12, б, забезпечує
простоту технологічного процесу виготовлення торцевих отворів у
23
центральній та накладних частинах. У свою чергу, виконання торцевих
отворів за схемою, представленою на рис. 1.12, в, сприяє значному
підвищенню різальної здатності решітки. Однак суттєвим недоліком цієї
конструкції є недостатня площа опорних поверхонь, призначених для
витримування моменту тертя та моменту різання, які передаються обертовим
ножем.
Тому доцільно розробити заходи із вдосконалення збірної решітки для
її більш ефективної адаптації до практичного використання у ввочках.
Ножі. Ножі вовчків характеризуються широким розмаїттям
конструкцій. Вони мають кілька лез, зазвичай від 4 до 8 (рис. 1.13). Леза
можуть бути розташовані радіально або з ексцентриситетом відносно центру
решітки.
Серед моделей ножів виділяються варіанти зі змінними лезами-
вставками (рис. 1.13, б). Такі конструкції сприяють економії на придбанні
ріжучого інструменту, оскільки корпус ножа виготовляється з конструкційної
сталі, а для ріжучих вставок, які мають низьку металоємність,
використовуються леговані сталі або тверді сплави. Застосування ножів
збірної конструкції доцільно, наприклад, у вовчку моделі К7-ФВП-160.
Матеріали решіток та ножів. У процесі експлуатації вовчків значне
зношування решіток є звичайним явищем. Тривалість використання решіток
зі сталі У8А до першого переточування становить 1-2 робочих дні (при
двозмінній роботі), для сталі ХВГ — не більше 4 робочих днів. Граничне
зношування решіток відбувається через 10-15 робочих днів.
Підвищення зносостійкості і довговічності решіток залежить від
правильного вибору матеріалу, оптимального розташування отворів на
робочій поверхні решітки та технології виготовлення, враховуючи режим
термічної обробки.
Для виробництва решіток застосовують різні матеріали, зокрема:
інструментальні вуглецеві сталі У7, У8А; інструментальні леговані сталі
24
9ХС, ХВГ; конструкційні вуглецеві та леговані сталі 65Г, 30ХН3А, 40Х13,
Х12М тощо.
а) б)
Рисунок 1.13 - Ножі чотирилезові:
а) – ножі з прямими лезами; б) – ніж із прямим лезами, розташованими з
ексцентриситетом, та із змінними різальними вставками
Великий інтерес становить група зносостійких сталей
шарикопідшипникового типу, таких як ШХ15 і ШХ15СГ. Ці сталі леговані
доступними елементами, відсутність дефіциту яких робить їх привабливими
для використання. У відпаленому стані вони добре обробляються різанням.
Після термічної обробки матеріал набуває високої ударної в'язкості та
чудових ріжучих характеристик. У гарячому стані сталь типу ШХ15 легко
піддається куванню, деформації шляхом плющення та висадці. Вона
демонструє гарну прогартовуваність, а після загартування та низького
відпуску досягає твердості до HRC 65.
Зносостійкість решіток, виготовлених із сталей ШХ15 і ШХ15СГ, в 3,5-
4 рази перевищує зносостійкість решіток із сталей У8 і У8А, а також у 2-2,5
рази перевищує зносостійкість решіток із дефіцитної сталі ХВГ.
На основі проведеного аналізу літературних джерел можна зробити
такі висновки:
25
● рекомендується знизити собівартість виробництва робочих елементів
вовчка К7-ФВП-160 та покращити їхню ремонтопридатність;
● доцільно використовувати у конструкції вовчка шнек та робочий
циліндр модульного типу;
● перспективним рішенням є впровадження ножів зі змінними
різальними вставками ;
● потрібно вдосконалити збірну решітку для покращення її адаптації до
умов практичного застосування;
● варто розробити конструкцію приймальної решітки, яка матиме
мінімально можливу собівартість виготовлення;
● для різальних елементів ножів та решіток доцільно застосовувати сталі
та сплави із підвищеними твердими характеристиками та
зносостійкістю.
26
2.РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА
2.1 Технологічні розрахунки вовчка
При оцінці продуктивності вовчка приймається, що вона залежить від
обсягу потоку сировини, який проходить через різальний вузол. Відповідно,
формула для розрахунку продуктивності вовчка матиме такий вигляд:
Q 60S ñ 60 42358.9 106 21,7 1020 5624,7
, кг/год,
де S – площа отвору, через який протискується сировина, м2;
υ – швидкість поступального переміщення сировини, м/хв;
ρс — густина сировини, кг/м3 (ρс =1020÷1150 кг/м3).
Площа отвору, через який протискується сировина, м2:
S S 4235.9мм2
ж. р.вуз. ,
де Sж.р.вуз. – загальна площа "живого" перерізу різального вузла.
Загальна площа "живого" перерізу різального вузла визначається за
формулою:
Sж. р.вуз. в. р. (S р.пл. Sн ) 0,45 (147705358) 4235.9мм2
,
де φв.р. — коефіцієнт використання робочої площі вихідної решітки;
S 2
р.пл. – робоча площа вихідної решітки, м ;
Sн – площа фронтальної проекції ножа, що контактує із вихідною решіткою,
м2;
Коефіцієнт використання робочої площі вихідної решітки обчислюється за
формулою:
27
n d 2 2 6 3
отв. отв. 944 3 10 944 9 10
в. р. 0,45
D2 d 2 1462 502 106 6
р.отв. р. р.отв. р. 18816 10
,
де nотв. =944 — кількість отворів у решітці;
dотв. = 3 мм — діаметр отворів решітки, м;
Dр.отв. р. — зовнішній діаметр зони розташування отворів решітки, м;
dр.отв.р. – внутрішній діаметр зони розташування отворів решітки, м;
Робоча площа вихідної решітки, м², обчислюється за формулою:
(D2 2 2 2
р.отв. р. d р.отв. р.) 3,14(146 50 )
S р.пл. 14770мм2
4 4 ,
Площа фронтальної проекції ножа, що контактує з вихідною решіткою, м²:
Sн Sл zл 1339,5 4 5358мм2
,
де Sл – площа фронтальної проекції одного леза ножа, м2;
zл =4 — кількість лез ножа.
Швидкість поступального руху сировини визначається так, м/хв:
2
2 Dш dш в.ш. Lв.ш. nш К зап.ш. в.ш. tш nш К зап.ш.
2
2
16086
0,25 302 5 0,75 363,17мм / с
2 ,
363,17мм / с 21,7м / хв ,
де αв.ш. — коефіцієнт подачі або використання шнека, який залежить від
довжини шнека, зазорів між шнеком і стінкою циліндра та інших факторів
(αв.ш.=0,25÷0,35);
Dш — зовнішній діаметр шнеку (по витках), м;
28
dш — діаметр валу шнеку, м (можна прийняти dшdр.отв.р.);
tш =30 мм — крок шнеку, м;
nш — частота обертання шнеку, хв.-1;
Lв.ш. – довжина витка шнеку, м;
Кзап — коефіцієнт заповнення міжвиткового простору шнеку (Кзап=0,75÷0,85).
У процесі розрахунку продуктивності необхідно враховувати
мінімальний крок шнека tш, тобто відстань між двома останніми витками. Це
значення є визначальним для транспортуючої здатності шнека, а відтак – для
швидкості руху сировини.
2.2 Кінематичні розрахунки вовчка
2.2.1 Розрахунок циліндричної зубчастої передачі редуктора для приводу
робочого та подавального шнеків
Визначаємо крутний момент на ведучому валі редуктора за формулою:
30N1 30 15000
T1 191_ Н м
n1 750
де Т – крутний момент на валах; N – потужність на валах, Вт; n – частота
обертання валу, об/хв.
Передаточне число першого ступеня редуктора визначається так:
z2 n
u 1 40
1.33
z1 n2 30 ,
де z1 = 30 – кількість зубців ведучого зубчастого колеса;
z2 = 40 – кількість зубців ведучого зубчастого колеса.
Округлене значення передаточного числа до стандартного – u=1,25.
29
У розрахунку циліндричної прямозубої передачі визначається
міжосьова відстань за формулою, мм:
T2 KH 1911,25
aw Ka u 1 3 49,51.25 1 3 14.8
2
2 7332 1.252
H u 0,125
ba
де Ка – коефіцієнт для врахування типу зубчастої передачі; КНβ – коефіцієнт
нерівномірності навантаження по ширині вінця; Т2 – величина крутного
моменту, Н*м; u=1,25 – передаточне число; σН – допустиме контактне
напруження; ψba – коефіцієнт ширини зубчастого вінця.
Округлене значення міжосьової відстані приймається як стандартне –
aw=40 мм.
Допустиме контактне напруження визначається за формулою:
H limbKHL 880 1
H 733
SH 1,2
де σHlimb – межа контактної витривалості при базовому числі циклів;
KHL – коефіцієнт довговічності; [SН] – коефіцієнт безпеки.
N
K HO
6
HL
NHE
тут NHO – базове число циклів зміни напружень;
NHЕ – еквівалентне число циклів зміни напружень.
Коефіцієнт ширини зубчастого вінця обчислюється таким чином:
b
ba 0,125
a
30
де b=17 мм - ширина зубчастого вінця.
Сумарна кількість зубців у передачі:
z z1 z2 30 40 70 .
Значення чисел зубців шестерні та колеса визначають так:
z
z 70
1 31
u 1 1.25 1
z2 z z1 70 31 39
.
По округленим значенням уточнюють передаточне число:
z 39
u 2 1.258
z1 31
Допустиме відхилення від номінального значення передаточного числа
становить не більше ніж 2,5% при u<4,5. Прийняте значення u=1,25
відповідає цій умові.
Після всіх вказаних округлень перевіряють міжосьову відстань:
aw 0,5 z1 z2 mt 0,531 393.5 122.5
.
Далі виносять уточнення у розміри шестерні та зубчастого колеса та
перевіряють розрахункові контактні напруження. В результаті округлення
розмірів остаточні коефіцієнти параметрів передачі можуть змінитися в
порівнянні з попереднім аналізом.
Контактне напруження обчислюється за формулою:
31
2T2 K u 1
H 195 ZM Z H
H Z
d 2 H
2 b
E
ZM
1 2
де =275 - коефіцієнт механічних властивостей матеріалу
спряжених зубців коліс; його розмірність відповідає параметру E .
2cos 2
ZH 1,82
sin 2w sin 40
- безрозмірний коефіцієнт форми спряжених
поверхонь зубців у полюсі зачеплення;
4 4 1,79
Z
0,86
3 3 - коефіцієнт для сумарної довжини контактних
1 1 2
1,88 3,2 cos 1,88 3,2 11,79
z z
1 2 70
ліній, – коефіцієнт торцевого
перекриття.
У результаті вираз для контактного напруження набуває вигляду:
3
Z Z T K
195 M 2 H u 1
H H
a b u2
w .
3
1,82 0,86 1911,21.25 1
H 195 38
420 52 12
МПа
Для передач, що працюють з піковими навантаженнями, важливо
перевірити відсутність пластичної деформації або крихкого руйнування
зубців. Максимальне напруження при піковому навантаженні обчислюється
за формулою:
32
T
2max 3*191
max H 38 54.8
T2 191
;
Це значення не має перевищувати граничне допустиме напруження, яке
становить 3,1σТ=340 МПа. Умова дотримана.
2.3 Розрахунок міцності деталей вовчка
2.3.1 Розрахунок робочого шнеку
Розрахунок робочого шнека ґрунтується на зміні кутів підйому
гвинтових ліній правильної гвинтової поверхні, що зростають від периферії
до центру шнека. Через це осьове переміщення частинок матеріалу в
радіальному напрямі є неоднорідним. Для практичних розрахунків
використовують середнє арифметичне значення кутів підйому гвинтових
ліній (рис. 2.1), розраховане для периферії αD і валу αd шнека:
аср = 0,5 (αD + аd)=0,5(9,9+18)=14°.
Кути для шнека можна визначити за формулами:
tш 88
D arctg arctg 9,90
Dш 3,14 160
;
t 88
d arctg ш arctg 180
dш 3,14 86
,
де tш — середній крок витків шнека, м;
Dш і dш - діаметри шнека та його валу, м.
Для урахування зниження переміщення частинок продукту в осьовому
напрямку застосовується коефіцієнт відставання:
33
kо = 1— (cos2 αср - 0,5fтр.·sin 2αcp)=1-(0,94-0,059)=0,12,
де fтр.= tgφтр. — коефіцієнт тертя (φтр. — кут тертя), (fтр.=0,15÷0,33;
приймемо fтр.=0,25).
Рисунок 2.1 – Схема визначення кутів підйому шнеків
Діаметр валу шнека має бути більшим за граничний, визначеного з умови:
tш 88
dnp tgтр 0,25 7мм
3,14 ,
86 7 (умова виконується).
Для максимальної продуктивності шнекового пристрою
рекомендується приймати невеликі кути підйому гвинтових ліній близько
10°. Зменшення цього показника може призвести до відриву матеріалу від
внутрішньої поверхні корпусу пристрою.
Площі внутрішньої циліндричної поверхні корпусу пристрою та однієї
сторони поверхні витка на довжину одного кроку шнека визначаються за
наступними виразами, м²:
Fв.п.к. Dш tш в.ш. 3,14 0,1600,088 0,009 0,039
;
34
1 2 Dш 2L
F гв.л.
в.ш. Dш Lгв.л. dш lгв.л. tш ln
4 dш 2lгв.л.
1 0,16 2 0,510
3,14 0,160 0,5103,14 0,086 0,284 0,0882 ln
4 3,14 0,086 2 0,284
0,080,256 0,077 0,004 0,015
де δв.ш.=9 мм — товщина витка шнека за зовнішнім діаметром в осьовому
напрямку, м;
lгв.л. і Lгв.л. — розгортки гвинтових ліній по діаметру валу та витків шнека, м.
Здебільшого при обробці парної чи охолодженої кускової м’ясної
сировини товщина витка δв.ш. приймає такі значення, що задовольняють
Dш 1417
умову в.ш. . При обробці мороженої сировини застосовуються
Dш 912
шнеки з потовщеними витками для співвідношення в.ш. . Для
обробки глибоко замороженої сировини або повторного подрібнення фаршів
(в разі подачі текучої сировини) використовують шнеки із співвідношенням
Dш 5,56
в.ш. .
Крутний момент на валу шнека та осьове зусилля обчислюються за
методикою К. П. Гуськова за формулою:
M кp 0,131n 3
t pmax Dш d 3
ш tgcp 0,1317 300000 0,163 0,0863 tg14
0,1317 300000 0,163 0,0863 tg14 239,8
;
35
Рвісь 0,393n 2 2
t Dш dш pmax 0,393 7 0,162 0,0862 300000
195000 0,162 0,0862 3549
,
де nt =7 — кількість робочих кроків шнека.
Знаючи крутний момент на валу та осьове зусилля, визначають нормальне і
дотичне напруження:
Рвісь 4 3549
сж 0,61МПа
Sв.ш. 3,14 0,0862
;
M кр 16 239,8
1,92МПа
W 3,14 0,0863
p.ш. ,
де Sв. ш. — площа поперечного перетину валу шнека, м2 ;
Wp.ш. — полярний момент опору поперечного перетину валу шнека, м3.
Еквівалентне напруження за теорією найбільших дотичних напружень
розраховують за формулою:
2
3 сж 4 2 0,612 4 1,922 15,1МПа
.
Останній виток шнека, який входить в пресову камеру, працює під дією
максимального тиску та має бути розрахованим на міцність. Один виток
можна наближено вважати кільцевою пластинкою, затисненою по
внутрішньому контуру в тілі валу шнека. У цьому випадку найбільший
вигинаючий момент на внутрішньому контурі такої пластинки зі сталі буде: :
36
pmax Dш 1,9 0,7 4 1,2 2 5,2 ln
М з.ш.
32 1,3 0,7 2
300000 0,160 1,9 0,7 1,864 1,2 1,862 5,2 ln1,86
32 1,3 0,7 1,862
1,9 0,7 1,17 1,2 1,36 3,23 1,9 0,82 1,633,23
1500 1500 2520Н м
1,3 0,7 1,862 2,25 ,
а найбільше напруження (воно ж і еквівалентне)
6М з 6 2520
зг. 186,7МПа
2 2
ш 0,009
,
Dø
d
де α= ø - відношення діаметрів, величина якого практично лежить в межах
від 1,8 до 3 (α=1,86).
2.4 Енергетичні розрахунки вовчка
Технологічна потужність, що витрачається в процесі подрібнення,
включає наступні складові:
N N1 N N
2 3
де N1 - потужність, що використовується для розрізання продукту, кВт;
N2 —потужність, потрібна для подолання сил тертя у деталях різального
механізму, кВт;
N3 - потужність, що витрачається на роботу живильника, тобто шнекового
механізму, кВт.
Розрахунок витрат потужності на розрізання продукту, кВт:
37
де АS - питома витрата енергії на різання або створення одиниці площі
перерізу. Наближено АS = 2,5 ... 3,5 кДж/м2;
nн =5 - частота обертання ножів, с-1;
ΣSPi =Sвих. р.+Sр.пр.р. - сумарна робоча площа ножових решіток.
Робоча площа приймальної решітки визначається за формулою:
2 2 3,14
S р.пр. р. Dр.отв. р. d р.отв. р. m Sпер 0,1462 0,0502 5 0,00042
4 4
3,14
0,1462 0,0502 5 0,00042 0,0148 0,0021 0,0127м2
4
де Sр.пр. р.– робоча площа приймальної решітки ;
m=5 – кількість перемичок поміж отворами приймальної решітки;
Sпер – площа перемички ;
Sпер aпер. bпер. 0,047 0,009 0,00042
м2
де апер.=9 мм - ширина перемички між отворами приймальної решітки, м;
bпер. = 47 мм - довжина перемички між отворами приймальної решітки, м.
Витрати потужності для подолання сил тертя між обертовими ножами
та нерухомими решітками, Вт:
38
N2 nн P3 b zл fтр z 2 2
p Rр.отв. р. rр.отв. р.
3.14 5,3 2,5 106 0,005 6 0,13 0,0732
0,0252 5284Вт
,
де zл =6 — кількість лез на ножі;
zр =3 - кількість решіток;
Р3 = 2.. .3 МПа - тиск затягування різальних інструментів;
bконт. = 5 мм - ширина зони контакту ножів із решітками, м;
fтр.- коефіцієнт тертя між ножами та решітками: за умови змазування цих
соком продукту fтр. =0,1.
При умові лінійного зростання тиску у витках шнека вираз для
нормальної сили притискання продукту до поверхні шнека виглядає так:
P R2 r 2
ш ш zв.ш. 0,4 106 0,0802 0,0432 7
Pn 47549,2
2 cosc 1,92 ,
де Р = 0,3 ... 0,5 МПа – максимальний тиск продукту в робочій камері для
ефективного подрібнення, згідно умов завдання;
zв.ш. – кількість витків шнека;
Rш – радіус витків шнека, м;
rш – радіус вала шнека, м;
βс =15,8° – середній кут підйому витків шнека;
tш.сер. 109
tgc 0,28
Rш rш 80 43
Окружна сила Рокр яка виникає під дією радіальної складової сили Рn і
сили тертя, викликана при дії останньої, має такий вигляд:
39
Pокр Pn sin c fтр.ш. cosc 37549,2 sin15,7 0,3 cos15,7 20974,9
,
де fтр.ш. - коефіцієнт тертя продукту по матеріалу шнека ( fтр.ш. = 0,2...0,4).
Витрати потужності для роботи шнекового механізму, кВт:
2
N 2 n P R2 2
3 ш окр ш rш zв.ш. tgc fтр.ш.
3
2
2 5,3 20974 0,082 0,0432 7 tg15,7 0,3
3
28917790,8 0,0046 0,58 1949,5Вт .
Таким чином, загальна потужність приводу вовчка під час його роботи
визначається::
N N1 N2 N3 5,3 4,751,9 11,95кВт .
Для забезпечення необхідного запасу потужності при переробці більш
складної сировини приймається значення потужності приводу N=15 кВт.
2.5 Технологічні розрахунки виготовлення деталі
2.5.1 Розробка методів обробки поверхонь
При виборі методів обробки поверхонь необхідно скласти перелік усіх
можливих методів обробки, а також розрахувати кількість ступенів оброки
відповідно допусків на розмір заготовки та готової деталі. З цією метою усі
оброблювані поверхні деталі нумеруються (рис. 2.1).
40
Визначення числа ступенів обробки на основі розрахунків загального
уточнення :
T Т Т n
з з 1 Т
... і1 1 2 ... і ...
n i
T Т Т Т i1
д 1 2 і
де n – число ступенів обробки;
Тз , Тд , Ті – допуск параметра, що розглядається відповідно до заготовки ,
деталі, і-ого ступеня обробки.
Рисунок 2.1 – Нумерація поверхонь деталі «Зубчасте колесо»
Для першого ступеня чорнової обробки досяжними є величина
уточнення 6; для проміжних ступенів напівчистової обробки = 3...4; для
ступенів чистової обробки з допусками точності IT5…IT7 =2.
Поверхня №1, розмір 34Н14, допуск на розмір заготовки Тз=1,3 мм.
Визначимо розрахункове уточнення за формулою:
Т 1,3
з
р 2.1
Тд 0,5
41
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg2.1
n 1
0,46 0,46
Поверхня 2, розмір 1*45Н14, допуск на розмір заготовки Тз=0,6 мм.
Визначимо розрахункове уточнення за формулою:
Т 0,6
з
р 2.4
Тд 0,25
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg2.4
n 1
0,46 0,46
Поверхня 3, розмір 115h14, допуск на розмір заготовки Тз=1.7 мм.
Визначимо розрахункове уточнення за формулою:
Т з 1,7
р 2.1
Тд 0,8
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg2.1
n 1
0,46 0,46
Поверхня 4; розмір z=31 m=3,5, допуск на розмір заготовки Тз=1,3 мм.
Визначимо розрахункове уточнення за формулою:
Т з 1,3
р 100
Тд 0,013
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg100
n 4
0,46 0,46
Поверхня 5; розмір 17Н14, допуск на розмір заготовки Тз=0,85 мм.
Визначмо розрахункове уточнення за формулою:
Т з 0,85
р 2,6
Тд 0.37
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
42
lg p lg2,1
n 1
0,46 0,46
Поверхня 6; розмір 34Н14, допуск на розмір заготовки Тз=0,85 мм.
Визначимо розрахункове уточнення за формулою:
Т з 0,85
р 2,6
Тд 0.37
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg2,1
n 1
0,46 0,46
Поверхня 7, розмір 1*45Н14, допуск на розмір заготовки Тз=0,6 мм.
Визначимо розрахункове уточнення за формулою:
Т з 0,6
р 2.4
Тд 0,25
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg2.4
n 1
0,46 0,46
Поверхня 8; розмір 23Н7, допуск заготовки Тз=0,8 мм.
Т з 0.8
р 63
Тд 0,015
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg63
n 3
0,46 0,46
Поверхня 9; розмір 55Н7, допуск на розмір заготовки Тз=1,9мм.
Визначимо розрахункове уточнення за формулою:
Т 1.9
р
з 63
Тд 0.03
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg 63
n 8
0,46 0,46
43
Поверхня 10; розмір 10D10, допуск на розмір заготовки Тз=0,65 мм.
Визначимо розрахункове уточнення за формулою:
Т з 0,65
р 6
Тд 0,11
Число ступенів обробки розраховую за формулою:
lg p lg6
n 2
0,46 0,46
Всі вище розраховані дані зведено до таблиці.
44
3. НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ РОЗДІЛ
3.1 Методики та оснащення для проведення досліджень
Вовчок К7-ФВП-160 (рис. 3.1) використовується для первинного
подрібнення кускового жилованого м’яса. За умови застосування решітки
діаметром 160 мм продуктивність машини може досягати 5000 кг/год, що робить
її придатною для безперервних ліній середньої та високої продуктивності.
Оцінювання ступеня зносу робочого шнека та внутрішньої поверхні
робочого циліндра здійснювали з використанням високоточних вимірювальних
інструментів: штангенциркуля з дискретністю 0,02 мм; нутроміра, що забезпечує
точність вимірювання 0,002 мм.
Для проведення аналізу напружено-деформованого стану різального
інструменту застосовували програмний комплекс SolidWorks, а саме його
розрахунковий модуль Simulation, інтегрований у CAD-середовище. Модуль дає
змогу моделювати широкий спектр фізичних явищ: від статичного навантаження
до ударних впливів, а також виконувати частотний аналіз і прогнозування
довговічності матеріалів на основі методів механіки руйнування.
Процедура моделювання напружено-деформованого стану ножових решіток
включала такі основні кроки:
Побудова тривимірних моделей досліджуваних елементів у SolidWorks.
Призначення матеріалу — легована сталь з межею текучості 620 МПа, що
відповідає властивостям сталі марки 65Г.
Формування розрахункової сітки, де використовувалися тетраедричні
елементи; відносний розмір сітки — 0,05, радіус локального покращення —
5, рівень згладжування поверхонь — 3.
Фіксація опорних зон та точок закріплення моделі.
Задання типу та величини навантажень, що імітують реальні робочі умови.
Виконання автоматизованого розрахунку у середовищі Simulation.
Формування підсумкового звіту та аналіз отриманих результатів.
а) б)
в)
г)
Рисунок 3.1 - Вовчок К7-ФВП-160: а) - вовчок; б)- решітка; в) - ніж; г) - шнек.
46
3.2 Підвищення ефективності напружено-деформованого стану решіток
вовчка
У традиційних конструкціях решіток для вовчків одним із ключових
недоліків є високий гідравлічний опір, який виникає під час проходження
сировини через отвори. Через значний опір руху продукту знижується фактична
продуктивність обладнання, а сама сировина піддається надмірному стисканню,
що негативно позначається на структурі й соковитості фаршу.
Щоб усунути ці недоліки, була створена нова вдосконалена конструкція
решітки. Вона включає корпус 1, змінну пластину 2, один або кілька кріпильних
елементів 3 та орієнтувальний елемент 4. У змінній пластині 2 виконано систему
наскрізних отворів 5, тоді як у корпусі 1 розташовані наскрізні вікна 6, через які
продукт виходить після подрібнення.
Під час роботи сировина спочатку потрапляє у зону різання через отвори 5
змінної пластини, де виконується основне подрібнення різальними кромками цих
отворів. Далі подрібнений продукт вільно проходить через вікна 6 корпусу.
Геометрія цих вікон передбачає можливість їх виконання у вигляді фігур зі
прямолінійними 7 або криволінійними 8 контурами, що дає змогу підібрати
оптимальну форму для конкретних режимів подрібнення.
Запропонована конфігурація забезпечує зменшення довжини каналу, яким
рухається сировина, а отже — різке скорочення гідравлічного опору. Варто
підкреслити, що залежність гідравлічного опору від довжини отвору має
експоненційний характер. Тому навіть невелике скорочення довжини призводить
до суттєвого зменшення опору проходженню сировини. У новій конструкції ця
перевага проявляється у відсутності надмірного стискання продукту, поліпшеній
соковитості та стабільнішому проходженні маси через решітку.
Ще однією перевагою є уніфікація корпусу. Один і той самий корпус може
використовуватися з трьома типами решіток:
— вихідною (рис. 3.2, в),
— проміжною (рис. 3.2, г),
47
— приймальною (рис. 3.2, д).
Таке рішення значно скорочує кількість необхідних різальних інструментів,
зменшує експлуатаційні витрати та полегшує технічне обслуговування
обладнання.
Для обґрунтування оптимальної товщини змінних пластин 2 було проведено
чисельний аналіз напружено-деформованого стану решітки нової конструкції.
Візуалізацію та основні результати моделювання подано на рис. 3.3 та 3.4.
Проведений аналіз засвідчив, що застосування змінних пластин товщиною
менше ніж 4 мм є недоцільним. За таких параметрів максимальний прогин
робочої ділянки пластини перевищує допустиме значення 0,02 мм, що може
призвести до порушення якості подрібнення. Натомість пластина товщиною 4 мм
забезпечує одночасно і достатню міцність корпуса та змінного елемента, і
належну жорсткість у зоні різання.
Разом з тим конструкції збірних решіток, що використовуються нині, мають
два суттєвих експлуатаційних недоліки. Перший стосується санітарної безпеки. У
процесі роботи між змінною пластиною та корпусом накопичується м’ясний сік,
який стає поживним середовищем для розвитку мікроорганізмів. Якщо перед
наступною зміною таку решітку не очистити належним чином, вона може стати
джерелом бактеріального забруднення нової партії фаршу. Отже, конструкція
решітки повинна передбачати простий та швидкий доступ для очищення.
Другий недолік виникає через те, що тонкі пластини легко деформуються в
місцях кріплення гвинтами. Оскільки площа опорної поверхні поблизу отворів
невелика, пластина піддається локальному стисканню та зминанню внаслідок
обертових моментів, які виникають через контакт ножа з решіткою. Це знижує
жорсткість елемента і зменшує його ресурс, тому усунення цього недоліку є
критично важливим.
Щоб розв’язати обидві проблеми, була запропонована нова конструкція
решітки (рис. 3.5 і 3.6). Інженерне рішення ґрунтується на підході, коли наявні
елементи конструкції отримують додаткову функцію, не ускладнюючи систему.
48
Змінна пластина замість традиційної округлої форми виконана у вигляді
багатогранника з прямолінійними ребрами, а в корпусі передбачено спеціальну
западину з боковими фіксуючими упорами.
а) б)
в) г) д)
Рисунок 3.2 — Конструкція решітки вовчка з оптимізованим (зниженим)
гідравлічним опором: а) фронтальний вигляд решітки; б) поперечний переріз
конструкції; в) варіант вихідної решітки; г) проміжна модифікація; д) приймальна
решітка, що встановлюється з боку подачі сировини.
49
а)
б)
Рисунок 3.3 — Результати чисельного аналізу напружено-деформованого стану
решітки нової конструкції (значення напружень подано в Паскалях):
а) фронтальний вид;
б) вигляд зі зворотного боку.
50
а)
б)
Рисунок 3.4 — Графічна інтерпретація результатів чисельного моделювання
переміщень у решітці нової конструкції (значення подані в м·10⁻³):
а) вигляд з лицьового боку; б) візуалізація зі зворотної сторони.
51
а)
б) в)
г)
Рисунок 3.5 — Конструкція решітки вовчка зі змінними пластинами:
а) загальний вигляд решітки з фронтального боку; б) схема орієнтувальних
елементів, що забезпечують правильне позиціонування пластини; в) конструкція
та розташування кріпильних вузлів; г) деталізоване зображення решітки у бічній
проєкції.
52
а) б)
в) г)
Рисунок 3.6 — Елементи конструкції решітки вовчка зі змінними пластинами:
а) зовнішній огляд диска;
б) конструктивне виконання диска у розрізі;
в) загальний вигляд змінної пластини;
г) детальна схема будови змінної пластини.
53
Така геометрія дає змогу пластині самофіксуватися в корпусі під час роботи
під дією обертального моменту, а не лише за рахунок затягування гвинтів. Це
значно зменшує навантаження на вузли кріплення та усуває проблему зминання
тонких елементів.
Для реалізації цього рішення діаметр корпусу довелося виконати дещо
більшим, ніж у стандартних решітках, що потребує збільшення діаметра
горловини вовчка. Проте така зміна дає значну експлуатаційну перевагу: пластину
можна легко та швидко знімати, встановлювати та обробляти після кожної зміни,
навіть за мінімальної кількості гвинтів.
Фактично, проблему вдалося вирішити шляхом раціонального використання
вже існуючих геометричних можливостей конструкції, без її надмірного
ускладнення.
Для забезпечення точного позиціонування змінної пластини в конструкції
передбачено орієнтуючий штифт, а її кріплення до корпусу виконується за
допомогою єдиного гвинта. Такий мінімалізм у кріпильних елементах став
можливим завдяки використанню ресурсу надсистеми, тобто всієї машини в
цілому. У процесі роботи ріжучий комплект фіксується на вовчку гайкою-
маховиком, яка затягується з достатньо великим зусиллям. Це зусилля забезпечує
щільне притискання пластини до корпуса, а отже, додаткове утримання, що
доповнює і підсилює функцію єдиного гвинта. Таким чином, для фіксації
пластини при монтажі достатньо лише одного болтового з'єднання.
У результаті такого інженерного підходу була створена збірна решітка
вовчка зі змінними пластинами, яка ефективно узгоджує декілька суперечливих
вимог — високу міцність, точність позиціонування, простоту очищення та
легкість заміни.
Конструкція решітки містить диск 1, на один або обидва торці якого
встановлюються змінні пластини 2. Обидві частини — і диск, і пластини —
оснащено наскрізними робочими отворами 3 та 4. Вони беруть участь у процесі
подрібнення, але можуть мати різну геометрію: отвори в пластинах часто
54
виконують більш дрібними, інколи у формі конуса для покращення проходження
сировини.
Точність взаємного розташування пластин 2 відносно диска 1 гарантується
орієнтуючими елементами 5, які перешкоджають зміщенню та перекосу під час
роботи. Безпосереднє закріплення пластин забезпечується кріпильними
елементами 6. Варто зазначити, що матеріал диска може суттєво відрізнятися від
матеріалу пластин — це дозволяє оптимізувати конструкцію з точки зору
зношуваності, міцності та вартості.
Диск 1 виконується намагніченим, а на його торцях формуються
заглиблення 7, до яких щільно входять змінні пластини 2. Контур пластини має
прямолінійні ділянки 8, які взаємодіють з боковими поверхнями 9 заглиблень.
Саме через ці площини контакту змінна пластина сприймає і передає обертовий
момент, що виникає під дією сил тертя та різання під час роботи ріжучого вузла.
Ширину заглиблень 7 у диску зроблено більшою за діаметр ножа, що
працює разом із решіткою. Це дозволяє ножу вільно входити в робочу зону, не
торкаючись посадочних поверхонь пластини. Орієнтуючі елементи 5 встановлені
асиметрично, що виключає можливість неправильної установки пластини у
корпус. Додаткові отвори й пази 10 полегшують процес демонтажу змінних
пластин, дозволяючи їх зручно підчіплювати або виштовхувати.
Узагалі, запропонована конструкція забезпечує високу надійність та
довговічність з’єднання змінних пластин із диском, а також робить процес їх
заміни максимально швидким і зручним. Крім того, форма пластин з
прямолінійними гранями суттєво підвищує технологічність виготовлення — такі
пластини легко вирізаються лазерним або плазмовим різанням з листової сталі.
55
3.3 Визначення ступеня зношування циліндрів вовчків
Загальний стан зношених ребер робочого циліндра вовчка наведено на
рисунку 3.7.
На представлених зображеннях добре простежуються ділянки, у яких
відбулося найінтенсивніше стирання ребер, зокрема в зоні виходу продукту з
робочого циліндра. Саме в цій частині вузол зазнає найбільших експлуатаційних
навантажень, що й спричинює характерні локальні осередки зношування.
а) б)
Рисунок 3.7 — Стан внутрішньої поверхні робочого циліндра вовчка К7-
ФВП-160: а) загальний вигляд циліндра; б) фрагменти з ділянками найбільш
вираженого зношування
Найсуттєвіше стирання ребер виявлено у нижній частині робочого
циліндра, тобто в зоні, яка зазнає підвищених механічних навантажень. Характер
пошкоджень свідчить про їх механічну природу: на поверхні помітні сліди
56
інтенсивного тертя, що виникають при контакті ребер із твердими елементами.
Найімовірніше, такі дефекти формуються під час встановлення або знімання
шнека, коли його гвинтова частина мимоволі торкається внутрішньої поверхні
циліндра. Якщо ця операція виконується регулярно після кожної робочої зміни,
накопичене стирання стає значним.
Для того щоб оцінити ступінь пошкодження ребер, було застосовано
методику визначення кута а, який характеризує зміну геометрії профілю ребра.
Схематичну послідовність вимірювань показано на рисунку 5.8.
Рисунок 3.8 — Схема вимірювання кута α, що використовується для оцінювання
ступеня зношування ребер робочого циліндра вовчка.
Отримані криві були апроксимовано методом найменших квадратів за
допомогою функції виду:
(3.1)
де а, b - коефіцієнти; при α=0º a=5,141, b=-0.012; при α=45º a=3,603, b=-0,014 ;
при α=90º a=2,592 , b=-0,012; при α=135º a=1,462, b=-0,005; при α=180º a=0,677,
b=-0,006).
Результати експериментального визначення ступеня зношування ребер
робочого циліндра вовчка К7-ФВП-160 наведено на рисунку 3.9.
Отримані дані дали змогу сформулювати низку важливих висновків. По-
перше, встановлено, що зношування внутрішньої поверхні циліндра має
неоднорідний характер: воно змінюється як у коловому напрямку, так і вздовж
57
осі. Така нерівномірність свідчить про те, що на окремі ділянки поверхні
припадають значно більші експлуатаційні навантаження.
Рисунок 3.9 – Залежність величини зношування ребер робочого циліндра вовчка
К7-ФВП-160 від значення кута α: 1 - α=0º; 2 - α=45º; 3 - α=90º; 4 - α=135º; 5 -
α=180º.
По-друге, експериментально підтверджено, що однією з ключових причин
значного стирання є контакт шнека з циліндром у моменти його встановлення та
знімання. Оскільки ці операції виконуються на початку й наприкінці кожної
зміни, локальні механічні дії повторюються систематично, що й призводить до
поступового накопичення ушкоджень як на зовнішній поверхні шнека, так і на
ребрах циліндра.
Для підвищення параметричної надійності обладнання необхідно розробити
конструктивне рішення, яке мінімізувало б або зовсім усунуло взаємне тертя між
зазначеними деталями під час монтажно-демонтажних операцій. Це дозволить
істотно знизити рівень зношування та продовжити загальний ресурс вузла.
58
Оцінка наявних конструкцій вовчків показує, що їхнім спільним недоліком
є підвищена чутливість до зношування, що проявляється у зменшенні
продуктивності, збільшенні споживаної енергії та передчасному виході з ладу
робочого циліндра і шнека. Зношування має нерівномірний характер, а його
максимум традиційно припадає на нижню область поперечного перерізу
циліндра, яка отримує найбільше механічне навантаження.
Для усунення встановлених експлуатаційних недоліків була запропонована
модернізована конструкція спеціального додаткового елемента — захисного
піддону, який використовується під час монтажу та демонтажу робочих органів
вовчка (рис. 3.10).
а)
б)
Рисунок 3.10 - Конструкція вовчка, в конструкції якого передбачено захисний
піддон: а) – вовчок; б) – захисний піддон.
59
Ключовим вузлом вовчка є робочий циліндр 1, всередині якого в процесі
роботи обертається шнек 2. Найбільш інтенсивне зношування поверхонь цих
деталей відбувається саме під час їх установки та зняття, коли шнек некеровано
контактує з ребрами циліндра.
Щоб виключити цей контакт, перед початком монтажно-демонтажних
операцій між шнеком і внутрішньою поверхнею циліндра розміщують захисний
піддон 3. Робоча частина піддону — поверхня 4 — має спеціально сформовану
криволінійну геометрію. Така форма створює напрямну, яка забезпечує плавне
введення шнека в робочий циліндр і його безпечне виведення після закінчення
зміни. У результаті шнек не торкається ребер циліндра, що повністю виключає
механічне пошкодження та значно підвищує ресурс обох елементів.
Впровадження цього пристрою сприяє підвищенню параметричної
надійності та довговічності роботи вовчка.
60
ВИСНОВКИ
В результаті виконання магістерської роботи виконано наступне:
- проаналізовано стан і довговічності робочих органів сучасних
моделей вовчків, відмічено недостатню ефективність відомих рішень та
актуальність вдосконалення конструкцій робочих органів вовчків;
- отримані кількісні показники спрацювання ребер циліндру вовчка;
- встановлено показники напружено-деформованого стану решіток
вовчка збірної конструкції;
- запропоновано нові напрямки вдосконалення мясорізальних вовчків;
- використання досліджених конструкцій решіток вовчка дає
можливість на до 2 разів підвищити їх довговічність та зменшити експлуатаційні
витрати на купівлю різального інструменту;
- використання запропонованої конструкції збірної решітки забезпечує
підвищення продуктивності вовчка та зменшення втрат м’ясного соку при
подрібненні м’ясної сировини;
- використання запропонованої конструкції захисного піддону дозволяє
суттєво зменшити зношування робочого циліндру та шнеку вовчка.
61
СПИСОК ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Промисловий каталог фірми Karl Schnell GmbH & CO. KG [Електронний
ресурс]. – Німеччина, 2025. – Режим доступу : <www.karlschnell.de>.
2. Промисловий каталог фірми GEA Convenience-Food Technologies
[Електронний ресурс]. – Нідерланди, 2025. – Режим доступу :
<www.cfsrussia.com>.
3. Промисловий каталог фірми KILIA Fleischerei- und Spezial Maschinen Fabrik
GmbH [Електронний ресурс]. – Німеччина, 2025. – Режим доступу :
<www.kilia.com>.
4. Промисловий каталог фірми Inotec GmbH Maschinentwicklung und Vertrieb
[Електронний ресурс]. – Німеччина, 2025. – Режим доступу :
<www.inotecgmbh.de>.
5. Промисловий каталог фірми Lumbeck & Wolter GmbH & CO. KG
[Електронний ресурс]. – Німеччина, 2025. – Режим доступу : <www.lumbeck-
wolter .de>.
6. Пат. 50116 Україна, МПК В02С18/00. Решітка подрібнювача / Некоз О. І.,
Шевченко В. В., Вербицький С. Б., Батраченко О. В.; заявник та
патентовласник Черкас. держ. технол. ун-т. – № u200912592 ; заявл.
04.12.2009 ; опубл. 25.05.2010 р., Бюл. № 10 (ІІ ч.).
7. Зменшення металоємності ножів м'ясорізальних вовчків / О. І. Некоз, Н. В.
Філімонова, С. О. Філімонов та ін. // Вісник Черкаського державного
технологічного університету. – 2013. – № 3. – С. 154–161.
8. Пат. 39792 України, МПК В02С18/00 Ніж складаний до вовчка / Некоз О. І.,
Батраченко О. В. Заявл. 23.10.2008 ; Опубл. 10.03.2009, Бюл. 2008, № 5.
9. Методика розрахунку продуктивності м’ясорізальних вовчків / О. І. Некоз, С.
Б. Вербицький, П. В. Іванов, О. В. Батраченко // Вісник ДонНУЕТ. – Донецьк,
2011. – № 1. – С. 26–32.
62
10. Зменшення гідравлічного опору решіток вовчка / О. І. Некоз, В. В. Шевченко,
С. Б. Вербицький, О. В. Батраченко // Вісник Черкаського державного
технологічного університету. – 2009. – № 3. – С. 59–64.
63