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/7134| Title: | Підвищення ефективності роботи м’ясорізального вовчка |
| Authors: | Філімонова, Надія Вікторівна Єльцова, Анна Юріївна |
| Keywords: | м’ясорізальний вовчок;металоємність;продуктивність;узгодження подачі |
| Issue Date: | 14-Dec-2023 |
| Abstract: | Мета роботи: покращення роботи вовчка шляхом узгодження способів подачі до різального вузла та процесу подрібнення м’ясної сировини. Методи досліджень: положення механіки суцільного середовища, сучасні методи математичного моделювання складних технічних систем та процесів. Наукова новизна одержаних результатів: − на основі отриманих аналітичних залежностей набули подальшого розвитку положення про вплив основних конструктивних і кінематичних параметрів вовчка на продуктивність процесу подрібнення. Практичне значення отриманих результатів. Розроблено нову методику розрахунку основних конструктивних і кінематичних параметрів вовчка, яка дає змогу коректніше врахувати їх вплив на процес подрібнення м’ясної сировини. Особистий внесок магістранта полягає в самостійній розробці методик розрахунку технологічних та конструктивних параметрів вовчків. Виконано аналіз отриманих результатів, сформульовано висновки й положення, які виносяться на захист. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7134 |
| Appears in Collections: | 133 Галузеве машинобудування (Обладнання переробних і харчових виробництв) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРМ Єльцова.pdf Restricted Access | Обсяг роботи. Кваліфікаційна робота магістра складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 22 найменування. Роботу викладено на 72 сторінках, містить 32 рисунка. | 2.9 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)
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА
МАГІСТРА
магістр
(освітньо-кваліфікаційний рівень)
на тему «ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ ВОВЧКА ПРИ
ПЕРЕРОБЦІ М’ЯСА»
Виконав: здобувач вищої освіти
2 курсу, групи мПВ-86
спеціальності 133 Галузеве машинобудування
(шифр і назва спеціальності)
Єльцова А.Ю.
(прізвище та ініціали)
Керівник доцент Філімонова Н.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент
(прізвище та ініціали)
Черкаси 2023
2
РЕФЕРАТ
Обсяг роботи. Кваліфікаційна робота магістра складається із вступу, 4
розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 22 найменування.
Роботу викладено на 72 сторінках, містить 32 рисунка.
Мета роботи: покращення роботи вовчка шляхом узгодження способів подачі
до різального вузла та процесу подрібнення м’ясної сировини.
Методи досліджень: положення механіки суцільного середовища, сучасні
методи математичного моделювання складних технічних систем та процесів.
Наукова новизна одержаних результатів:
− на основі отриманих аналітичних залежностей набули подальшого
розвитку положення про вплив основних конструктивних і кінематичних
параметрів вовчка на продуктивність процесу подрібнення.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблено нову методику
розрахунку основних конструктивних і кінематичних параметрів вовчка, яка дає
змогу коректніше врахувати їх вплив на процес подрібнення м’ясної сировини.
Особистий внесок магістранта полягає в самостійній розробці методик
розрахунку технологічних та конструктивних параметрів вовчків. Виконано аналіз
отриманих результатів, сформульовано висновки й положення, які виносяться на
захист.
Ключові слова: м’ясорізальний вовчок, металоємність, продуктивність, , кут
подачі, узгодження подачі, ножі, подрібнення.
ABSTRACT
The scope of work. Master's qualification work consists of an introduction, 4
sections, conclusions, list of sources used, including 22 titles. The work is presented on
72 pages, contains 32 figures.
The purpose of the work is to improve the work of the sheepfish by agreeing on
how to feed it to the cutting unit and the process of grinding meat.
3
Research methods: position of mechanics of continuous environment, modern
methods of mathematical modeling of complex technical systems and processes.
Scientific novelty of the obtained results: on the basis of the analytical dependences
obtained, the provisions on the influence of the basic structural and kinematic parameters
of the lupus on the performance of the grinding process were further developed.
The practical significance of the results obtained. A new technique for calculating
the basic design and kinematic parameters of a lupine has been developed, which makes
it possible to take into account their influence on the process of grinding meat raw
materials more correctly.
The personal contribution of the undergraduate student consists in the independent
development of methods of calculation of technological and design parameters of lupus.
The results obtained are analyzed, conclusions and provisions made for defense are
formulated.
Testing the results of the dissertation. The main scientific provisions of the master's
work were reported at the student scientific conference of the BSTU 2019.
Keywords: top, productivity, metal consumption, feed matching, feed angle,
knives, grinding, raw meat.
4
ЗМІСТ
ВСТУП 6
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ РОЗВИТКУ М’ЯСОРІЗАЛЬНИХ
ВОВЧКІВ 9
1.1 Способи вдосконалення м’ясорізальних вовчків 9
1.2 Конструкції вузлів подачі сировини в різальний вузол вовчка 16
1.3 Аналіз конструкцій різального комплекту м’ясорізальних вовчків 22
1.4 Висновки за розділом 1 25
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ
26
2.1 Експериментальна база для досліджень 26
2.2 Методика та обладнання для дослідження впливу
кінематичних параметрів та конструкції м’ясорізального 26
вовчка на продуктивність
2.3 Дослідження інтенсивності подачі м’ясної сировини 28
2.4 Висновки за розділом 2 28
РОЗДІЛ 3. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ
ОСНОВНИХ ОРГАНІВ М’ЯСОРІЗАЛЬНОГО ВОВЧКА 29
3.1 Математична модель подачі м'ясної сировини до
різального вузла 29
3.2 Розрахунок коефіцієнта продуктивності вовчка 41
3.3 Висновки за розділом 3 56
РОЗДІЛ 4. ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ
ПОДРІБНЮВАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ У ВОВЧКУ І 57
ВИКОРИСТАННЯ РІШЕНЬ ЩО РОЗРОБИЛИ НА ПРАКТИЦІ
4.1 Експериментальні дослідження інтенсивності подачі м’ясної
сировини останнім витком шнека 57
4.2 Вплив кінематичних і конструктивних параметрів вовчка на його
продуктивність 58
5
4.3 Висновки за розділом 4 63
РОЗДІЛ 5.ОХОРОНА ПРАЦІ 64
ВИСНОВКИ 66
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 67
ДОДАТКИ 69
Додаток А Основні робочі органи вовчка моделі АЛ – 130. 70
Додаток Б Результати відеозйомки руху сировини крізь різальний вузол
71
вовчка
6
ВСТУП
Оцінка сучасного стану підвищення ефективної роботи вовчка. Передумовою
успішного розвитку харчової промисловості є постійне вдосконалення обладнання
з метою підвищення ефективності переробки сировини та зниження
експлуатаційних витрат.
Одним з найпоширеніших технологічних обладнань, що використовується в
м'ясопереробній промисловості, є м'ясопереробний вовчок [1-6]. Операції різання
сировини займають важливе місце в технологічному процесі виробництва м'ясних
продуктів [7-9]. Подрібнювачі характеризуються відносною простотою
конструкції, надійністю та зручністю в експлуатації [10-17]; В.М. Горбатов, А.І.
Пелєєв, Г.О. Прейс, В.Ю. Сухенко, О.І. Некоз, Ю.Г. Сухенко, Т.В. Чижикова, В.К.
Кукшин, С.Г. Юрков, та інші працювали над вивченням та удосконаленням вовчків
та їх складальних одиниць. Незважаючи на важливість отриманих результатів, вони
не є остаточними щодо окремих аспектів робочого процесу різання та подрібнення
м’яса.
У сучасних умовах подальший розвиток цих верстатів відбувається в руслі
загальної ринкової тенденції, а саме в напрямку підвищення питомої
продуктивності та зниження експлуатаційних витрат на придбання різального
інструменту [18]. Підвищення питомої продуктивності дозволяє збільшити обсяг
випуску продукції без збільшення капвитрат та експлуатаційних витрат на
утримання технічних засобів. Згідно з проведеним автором аналізом, існуюча
конструкція м’ясорізального вовчка має резерв для підвищення продуктивності.
Тому, згідно з теоретичною концепцією, при визначенні продуктивності вовчка
враховується коефіцієнт, що зменшує розрахункове значення до 70%. У відомій
літературі немає вичерпної інформації, яка б пояснювала природу цього
коефіцієнта. На думку автора, велика різниця між фактичними та розрахунковими
значеннями продуктивності м’ясорізального вовчка пов'язана з особливостями
подачі м'ясної сировини шнеком. Сировина подається не інтенсивно на всю робочу
зону решітки в будь-який момент часу, а лише в межах певних секторів. Вивчивши
7
і правильно врахувавши цей ефект, можна підвищити продуктивність шнека без
збільшення геометричних розмірів основного робочого органу шнека.
У свою чергу, існуючі експлуатаційні витрати можна зменшити за рахунок
зниження вартості ріжучого інструменту. Це пов'язано з тим, що в сучасних умовах
вартість різальних інструментів значно вища, а їх стійкість, як правило, не
перевищує двох місяців.
Актуальність теми. Тому, для досягнення більш високих технічних
показників роботи обладнання необхідно заново визначити та скоригувати відомі
залежності між конструкцією, кінематикою та технічними параметрами
м’ясорізального вовчка та структурно-механічними властивостями сировини, а
також розробити нові, більш досконалі конструкції м’ясорізального вовчка та
різального інструменту для подрібнення. Це є центральним питанням даного
дослідження і визначає його актуальність.
Мета роботи: покращення роботи вовчка шляхом узгодження способів подачі
до різального вузла та процесу подрібнення м’ясної сировини.
Для досягнення мети були поставлені такі завдання:
― провести аналіз основних закономірностей подачі та процесу
подрібнення м’ясної сировини у вовчках;
― розробити комплексну систему аналітичного та чисельного математичного
моделювання процесів роботи робочих органів вовчка;
― встановити закономірності впливу величини кута підйому витків шнека,
частоти його обертання, товщини решіток різального вузла, площі лез ножа на
продуктивність вовчка;
― виявити характер подачі сировини окремими зонами останнього витка
шнека вовчка;
― на основі результатів досліджень обґрунтувати і запропонувати найбільш
ефективний спосіб подачі сировини до різального вузла.
Об’єкт дослідження: процес подрібнення м’ясної сировини в різальному
вузлі та його взаємозв’язки з параметрами її подачі.
8
Предмет дослідження: конструктивні та експлуатаційні характеристики
пристроїв для подачі сировини і різального комплекту, закономірності їх
взаємовпливу на покращення роботи вовчка.
Методи досліджень: положення механіки суцільного середовища, сучасні
методи математичного моделювання складних технічних систем та процесів.
Анотація нових наукових положень:
− на основі отриманих аналітичних залежностей набули подальшого
розвитку положення про вплив основних конструктивних і кінематичних
параметрів вовчка на продуктивність процесу подрібнення.
Практичне значення отриманих результатів. Розроблено нову методику
розрахунку основних конструктивних і кінематичних параметрів вовчка, яка дає
змогу коректніше врахувати їх вплив на процес подрібнення м’ясної сировини.
Особистий внесок магістранта полягає в самостійній розробці методик
розрахунку технологічних та конструктивних параметрів вовчків. Виконано аналіз
отриманих результатів, сформульовано висновки й положення, які виносяться на
захист.
9
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ РОЗВИТКУ М’ЯСОРІЗАЛЬНИХ ВОВЧКІВ
1.1 Способи вдосконалення вовчків
М’ясорізальні вовчки (промислові м'ясорубки) - тип обладнання, що
становить основну частину ліній з виробництва ковбас і м'ясних консервів.
М’ясорізальні вовчки підходять для подрібнення замороженого і розмороженого
м'яса та інших харчових інгредієнтів (наприклад, сиру, овочів). Незважаючи на
відносно просту конструкцію м’ясорізальних вовчків, до ефективності їх роботи
висуваються жорсткі вимоги, оскільки якість подрібнення м'ясної сировини на
м’ясорізальному вовчку (тобто без пошкодження білкових волокон) переважно
визначає якість кінцевого продукту. З цієї причини необхідно ретельно підходити
до вибору конструктивних рішень при створенні нових моделей цього типу машин.
Будову вовчка [2] можна проілюструвати на прикладі вовчка К6-ФВЗП-200
що зображений на рисунку 1.1.
Опис роботи вовчка: приймальний бункер 1 кріпиться до приймального
циліндра 2, який в свою чергу кріпиться до робочого циліндра 3. Робочий циліндр
має знімну втулку 4 і відкидну втулку 5. При виході з гільзи міститься ріжучий
комплект 6, що містить ніж і набір решіток. Ріжучий механізм фіксується маховими
гайками 7. Привід робочого шнека здійснюється від головного електродвигуна 8
через клинопасову передачу 9 і редуктор 10. Робочий шнек приводиться в рух
двома подавальними шнеками 14 (один правосторонній, інший лівосторонній).
Живильні шнеки приводяться в дію електродвигуном 11 при участі черв'ячного
редуктора 12 та зубчастої передачі 13.
Основним параметром, який характеризує продуктивність промислової
м'ясорубки, є зовнішній діаметр решітки. Залежно від стану сировини та діаметра
вихідного отвору решітки швидкість робочого шнека млина коливається від 100 до
400 хв-1 [2, 10, 18].
10
Рисунок 1.1 - Схема вовчка К6-ФВЗП-200
Сучасні моделі м'ясорубок [10, 18] відрізняються типом системи
переміщення і приводу, а також конструкцією окремих вузлів. Існують м'ясорубки
для подрібнення м'якої (парної) м'ясної сировини. Також є мішалки та
подрібнювачі.
Змішувачі призначені для виконання двох завдань: змішування м'ясної
сировини з рецептурними інгредієнтами і подрібнення отриманої суміші.
Передбачено три режими: змішування, змішування з подальшим подрібненням і
чисте подрібнення.
М’ясорізальний вовчок призначений для подрібнення замороженого м'яса у
вигляді блоків. Подрібнені напівфабрикати далі подрібнюються у вовчках,
змішувачах, кутерах і емульгаторах або змішуються в фаршемішалках, в
залежності від використовуваного технічного методу.
Однак всі типи подрібнювачів мають спільні риси, такі як ріжучі механізми,
включаючи ножі і круглі решітки, та пристрої (механізми) для подачі сировини. На
рисунку 1.2 наведено класифікацію [10] м’ясорізальних вовчків за конструкцією
механізмів подачі, різання та приводу. Ця класифікація відображає основні
11
особливості машини, хоча деякі конструкції м'ясорубок мають інші
характеристики (див. пункт 1.2).
Вовчки
Швидкість
Призначення Подача сировини Розташування обертання Конструкція
на робочий шнек робочого циліндру робочого шнеку робочого шнеку
і ножа
Кількість
Конструкція Нагнітаючий Привод швидкостей
різального орган Режим роботи
обертання
механізму
робочого шнеку
Рисунок 1.2 - Класифікаційна схема конструкцій вовчків [10]
На практиці основним способом підвищення продуктивності є використання
більших діаметрів. Це може значно збільшити загальну площу отвору, через який
проходить сировина. Крім того, цей метод можна використовувати практично без
обмежень щодо необхідного збільшення продуктивності. Наразі на млині
використовуються решітки діаметром 200-250мм, а також 300 мм і навіть 400 мм.
Недоліком такого методу підвищення продуктивності є те, що значно зростає
ппллаассккіі ррооббооччіі ооррггааннии ууннііввееррссааллььнніі
ккооннііччнніі ррооббооччіі ооррггааннии
ссппееццііааллііззоовваанніі
ццииллііннддррииччнніі ррооббооччіі ооррггааннии
шшннееккооввиийй ааббоо ссппііррааллььнниийй ппррииммууссоовваа
ппеерреемміішшууююччиийй
ггррааввііттааццііййннаа
зз ппааллььццееввииммии шшттооввххааччааммии
ззааггааллььнниийй ддлляя ууссііхх ггооррииззооннттааллььннее
ррооббооччиихх ооррггаанніівв
ррооззддііллььнниийй ппррииввоодд ппіідд ккууттоомм
ооддннаа шшввииддккііссттьь
ооддннааккоовваа
ддввоошшввииддккіісснниийй ппррииввоодд
ппррииввоодд іізз
ччаассттооттнниимм ккеерруувваанннняямм ррііззннаа
ррууччннее ккеерруувваанннняя ццииллііннддррииччнниийй
ааввттооммааттииззооввааннее
ккеерруувваанннняя ккооннііччнниийй
12
металоємність як різального комплекту так і машини в цілому, що, в свою чергу,
значно збільшує витрати.
Іншим методом є підвищення питомої продуктивності м’ясорізального
вовчка. Цей метод дозволяє поліпшити техніко-економічні показники машини в
заданому діапазоні розмірів і ваги без надмірних капітальних вкладень.
Наприклад, за рахунок збільшення швидкості робочого шнека, який подає
матеріал в різальний апарат м'ясоріжучого вовчка, можна збільшити кількість
матеріалу, що проходить через різальний апарат за одиницю часу. Однак цей метод
має обмеження в застосуванні. Він ефективний для підвищення продуктивності
лише в певному діапазоні частот обертання шнека (зазвичай нижче 400 хв-1), за
межами якого збільшення продуктивності припиняється. Це пов'язано з тим, що
збільшення частоти обертання шнека збільшує швидкість проходження матеріалу
через ріжучий комплект, але збільшення швидкості проходження матеріалу через
отвори решітки викликає значне збільшення її гідравлічного опору, що призводить
до зниження подачі робочого шнека.
Застосування двозахідного робочого шнека на шнеку також призводить до
збільшення його питомої продуктивності. Однак через значно збільшений крок між
витками двозахідні шнеки характеризуються значно більшим кутом підйому. На
практиці, якщо гідравлічний опір ріжучого елемента нижчий (при використанні
вихідних решіток з більшими отворами), продуктивність двозахідних шнеків
збільшується, тоді як якщо гідравлічний опір ріжучого елемента вищий (при
використанні вихідних решіток з меншими отворами), то продуктивність у
порівнянні зі звичайними однозахідними шнеками продуктивність знижується.
Тому використання шнеків з подвійним входом обмежується певними випадками.
Продуктивність м’ясорізального вовчка також може бути збільшена за
рахунок раціонального розташування отворів у розвантажувальних решітках.
Розміщення отворів у вершинах рівносторонніх трикутників ("шахова дошка")
дозволяє використовувати більшу робочу площу решітки, ніж при розміщенні
отворів у вершинах квадрата. Крім того, в останніх моделях решіток досягається
13
більш щільне прилягання за рахунок розташування отворів по спіралі. Однак цей
метод може лише незначно підвищити продуктивність м'ясоріжучого вовчка.
Використання вихідних решіток з більшим діаметром отворів значно
покращує продуктивність м'ясоріжучого вовчка. Причиною цього є те, що більший
діаметр отворів збільшує площу живого перерізу решітки, що, в свою чергу, значно
полегшує процес подачі через ріжучий блок. Однак в деяких випадках збільшення
діаметра отворів не дозволяє подрібнити фарш до відповідного ступеня згідно з
технічними вимогами.
Конструкція ножа також впливає на продуктивність м'ясоріжучого вовчка.
Для підвищення продуктивності слід докласти зусиль, щоб мінімізувати площу
фронтальної проекції ножа. Таким чином можна зменшити кількість отворів
решітки, заблокованих лезом ножа, тим самим збільшуючи вільний простір для
проходження сировини. Такого результату можна досягти за рахунок зменшення
ширини ножів і зменшення їх кількості.
Також можна збільшити використання робочої зони, зробивши решітку
різального вузла кільцевою [5, 6]. Така конструкція різального апарату дозволяє
зменшити висоту ножових лез, що призводить до зниження навантаження на кожне
лезо, а також до зменшення довжини основи леза і площі його поверхні. Це
призводить до зменшення площі фронтальної проекції ножа та збільшення робочої
площі сита, що забезпечує вільне проходження матеріалу.
Структура ріжучого набору впливає на продуктивність м'ясоріжучого вовчка.
Наприклад, використання трьох решіток (чотири ріжучі поверхні) може збільшити
продуктивність машини на 55% в порівнянні з набором, що містить дві решітки, і
на 70% в порівнянні з набором, що містить одну решітку [1]. Крім збільшення
продуктивності, знижується енергоспоживання приводного агрегату. На практиці
найчастіше використовуються ріжучі набори з чотирма ріжучими поверхнями.
Збільшення їх кількості надмірно здорожує комплект і збільшує енергоспоживання
через тертя ножів по решітці.
Ще однією особливістю впливу процесу подрібнення сировини на
продуктивність м’ясорізального вовчка є збільшення продуктивності при
14
інтенсифікації процесу різання. Наприклад, приводячи робочий шнек і вал ножа в
коловий рух окремо, можна збільшити частоту обертання ножа відносно шнека [7].
При такій конструкції матеріал подрібнюється більш тонко, що підвищує плинність
матеріалу і зменшує зусилля, необхідні для проштовхування матеріалу в отвори
решітки. В результаті питома продуктивність м'ясоріжучого вовчка збільшується
на 25-60%. Однак подальше підвищення продуктивності неможливе, оскільки
високошвидкісні ножі штовхають сировину вниз і ускладнюють подачу сировини
робочим шнеком.
Вищеописані методи призначені для підвищення теоретичної
продуктивності. Крім теоретичної продуктивності, вирішальну роль відіграє
технічна продуктивність, тобто фактична продуктивність, яка залежить від
надійності машини і робочого процесу в ній.
Для збільшення фактичної продуктивності промислові м’ясорубки
оснащуються допоміжними шнеками. Ці допоміжні шнеки призначені для надійної
і безперервної подачі матеріалу з бункера до робочого шнека. Допоміжний шнек
виключає можливість підвисання матеріалу в бункері або ненадійного захоплення
матеріалу обертанням робочого шнека. Конструкція м'ясоріжучого вовчка дозволяє
використовувати один або два подавальних шнека, які розташовуються паралельно
або перпендикулярно робочому шнеку.
З вищесказаного можна зробити висновок, що основним завданням при
проектуванні шнеків є забезпечення заданої (високої) продуктивності при
збереженні необхідної якості. Найбільш конкретне підвищення продуктивності
шнека може бути досягнуто за рахунок збільшення теоретичної продуктивності.
Разом з тим, доцільним є підвищення питомої продуктивності машин, що дозволяє
знизити капітальні та експлуатаційні витрати на одиницю виробленої продукції.
Відомі способи підвищення питомої продуктивності вовчків мають ряд
недоліків, основним з яких є недостатній приріст продуктивності (менше 50-60%).
Для вирішення цієї проблеми автор пропонує новий спосіб підвищення питомої
продуктивності вовчка.
15
На основі спостережень за робочим процесом у м'ясорубці, що працює, автор
висуває гіпотезу про те, що не всі леза ножів м'ясорубки приймають однакову
участь при подрібненні сировини в різальному вузлі вовчка.
Отже, згідно з цією гіпотезою, в кожен момент часу інтенсивна подача
м'ясної сировини є нерівномірною по всій площі решітки вовчка, а лише в межах
певних секторів, розмір яких залежить від форми обертання шнека. При цьому
максимальна інтенсивність подачі матеріалу спостерігається там, де кінець
останнього витка шнека знаходиться найближче до приймальної решітки ріжучого
вузла. Іншими словами, робочий шнек м'ясоріжучого вовчка подає сировину не
одночасно по всій робочій площі решітки, а лише в межах певних умовних
секторів, які обертаються разом з робочим шнеком.
Ця гіпотеза дозволяє запропонувати обґрунтування способу подачі сировини
до різального вузла м'ясорізального вовчка таким чином, щоб забезпечити
одночасну подачу сировини по всій робочій площі решітки. Це могло б значно
підвищити продуктивність м'ясорізальних вовчків при постійних параметрах,
таких як зовнішній діаметр решітки і шнека, діаметр робочого циліндра і розміри
ножа, що призвело б до значного підвищення технічного рівня м'ясорізальних
вовчків.
У той же час, ретельне вивчення явищ, що лежать в основі гіпотези, може
дозволити узгодити конструкцію ножа з конструкцією і продуктивністю робочого
шнека. Решітка може дозволити проектувати ножі зі значно меншою
металоємністю і, відповідно, меншою вартістю.
Отже, актуальність роботи - перевірка гіпотези про різну інтенсивність
подачі м’яса по поверхні решіток м’ясорізального вовчка та створення заходів, які
істотно підвищать питому продуктивність м’ясорізальних вовчків та створять
передумови для зниження витрат на ножі.
16
1.2 Конструкції вузлів подачі сировини в різальний вузол вовчка
Найбільш поширеним пристроєм [10, 18] для подачі сировини до різального
вузла вовчка є одногвинтовий насос, який складається з приводного шнека і
приводного циліндра з поздовжніми ребрами. Сировина подається за допомогою
пари шнека і циліндра, а ребра в циліндрі служать для кругової фіксації сировини і
направляють її до ріжучого вузла м’ясорізального вовчка.
Конструкція шнека визначає ефективність процесу, за допомогою якого
сировина подається до ротора і проходить через нього. Шнеки можуть мати
циліндричну або конічну форму, причому як зовнішній діаметр витка, так і діаметр
вала шнека можуть бути змінними.
Залежно від виду і стану сировини, розміру її фрагментів і призначення
шнека спіраль шнека може мати постійний крок між витками крок, який незначно
змінюється (зменшується) вздовж руху продукту, або крок, який швидко
зменшується на початку шнека і поступово в кінці. Крім того, використовуються
гвинти з подвійним входом, де додаткова спіраль починається в середині або в кінці
гвинта.
Важливою умовою правильної роботи гвинтових ППС є те, що обертання
гвинта відповідає геометрії ребер в робочому циліндрі. Під час обертання шнека
вовчка тиск на сировину передається по напрямку, перпендикулярному до
площини обертання шнека. Якщо ребра 3 циліндра мають лінійну форму і
розташовані вздовж вісі циліндра, то лише невелика частина загального тиску Ркор
(а на рис. 1.3) [18] корисно діє на переміщення сировини вздовж осі шнека 1 і
канавки циліндра 2. Інша частина тиску Ршк працює на шкоду, подрібнюючи
сировину, вичавлюючи м’ясний сік і збільшуючи витрати енергії на переміщення
сировини.
Ребро 3 робочого циліндра м’ясорізального вовчка повинно бути вигнуте так,
щоб нормаль поверхні обертання шнека 1 проходила по пазу 2 і ребру 3 робочого
циліндра (рис. 1.3, б). У цьому випадку не відбувається шкідливих втрат енергії і
весь тиск Рзаг використовується для подачі матеріалу через ріжучий комплект.
17
а) б)
Рисунок 1.3 - Взаємозв'язок між геометричними параметрами робочого
шнека та циліндра: а) - ребра робочого циліндра з лінійною геометрією; б) - ребра
робочого циліндра з криволінійною геометрією [10]
Знос ребер циліндра і периферії шнека знижує продуктивність
м’ясорізального вовчка і збільшує енергоспоживання. Зниження продуктивності
м’ясорізального вовчка прямо пропорційне кубічному розміру зазору і тиску, що
створюється в робочій частині м’ясорізального вовчка. Для круглих решіток з
діаметром комірок 160 мм і 200 мм зазор не повинен перевищувати 0,9 мм. При
збільшенні зазору [2, 3] до 6 мм продуктивність пір'я знижується з 4,5 т/год до 1,5
т/год і одночасно збільшується споживання енергії з 3 кВт-год/т до 12 кВт-год/т.
Найбільші світові виробники використовують як однозахідні, так і двозахідні
шнеки [11-19]. Випадки, коли застосовуються шнеки різних конструкцій, наступні.
Якщо м'ясорубка призначена для подрібнення тільки парного та охолодженого
м'яса, слід використовувати робочий шнек зі значно зменшеним кроком витків в
осьовому напрямку (рис. 1.4). Більший крок витків в зоні бункера забезпечує
підхоплення шматків сировини і передачу їх в робочий циліндр м’ясорізального
вовчка.
Менший крок в зоні ріжучого набору буде стискати сировину, збільшувати
швидкість заповнення простору між витками шнека і забезпечувати високий тиск
подачі, необхідний для надійної, високопродуктивної роботи шнека
м’ясорізального вовчка при використанні вихідних решіток невеликого діаметру.
Недоліком такої конструкції шнека є недостатня продуктивність, що пов'язано з
локалізованою зоною подачі сировини вздовж площини решітки.
18
При використанні шнеків для переробки замороженого матеріалу можна
спроектувати робочий шнек з дещо меншим кроком між обертами, оскільки
зв'язний стан матеріалу виключає необхідність попереднього ущільнення (рис. 1.4,
б). Недоліки таких шнеків аналогічні недолікам попередніх.
Двозахідні шнеки (рис. 1.4, в) дозволяють збільшити питому продуктивність
шнеків м’ясорізальних вовчків [19]. Це пояснюється тим, що двозахідний шнек має
вдвічі більше зон активної подачі матеріалу на решітку, ніж звичайний
однозахідний (в кожній точці матеріал переважно подається не на всю робочу
площу решітки, а тільки в межах певного сектора, розташованого в торцевій зоні
останнього витка).
Однак кут підйому шнека з подвійним витком значно більший через значно
більшу відстань між витками. На практиці це означає, що при меншому
гідравлічному опорі різального вузла (при використанні вихідних решіток з
більшими отворами) продуктивність шнека подвійного входу зросте, а при
більшому гідравлічному опорі різального вузла (при використанні вихідних
решіток з меншими отворами) продуктивність звичайного шнека збільшиться, а
при більшому гідравлічному опорі різального вузла (при використанні вихідних
решіток з меншими отворами) продуктивність звичайного шнека зменшиться, що
означає меншу продуктивність порівняно зі шнеками з одним входом. Тому
використання двозахідного шнека не вирішує повністю проблему підвищення
питомої продуктивності шнека.
Автори роботи [4] запропонували незначну модифікацію конструкції
двозахідного шнека. Пропонується використання спеціальних виступів (напливів)
на кінцях обох спіралей (d на рис. 1.4).
Це покращує продуктивність шнека. Однак недоліком таких шнеків є їхня
погана робота в решітках з малими отворами [4], яка не містить кількісних даних,
що дозволили б оцінити взаємозв'язок між конструкцією шнека та його робочими
характеристиками.
19
20
Шнек складається зі сталевого вала та полімерної шнекової секції, що
кріпиться до нього за допомогою штифта рис. 1.4, д. Шнек що виготовлений з
полімеру, контактуючи з сировиною, створює пару антифрикційну з низьким
коефіцієнтом тертя, завдяки чому зменшуються енерговитрати на подачу
сировини. Крім того, гвинтовий корпус полімерного шнека діє як ізолятор і
запобігає нагріванню сировини.
На рис. 1.14, е показано шнек подачі м'ясорубки Karl Schnell Automatenwolf
V250 [5]. Захват м'ясних блоків має паз у витку, а також оснащений вставним
ріжучим елементом. Така конструкція подавального шнека дає можливість
розпочати подрібнення заморожених м'ясних блоків у зоні бункера, що підвищує
продуктивність машини. Однак проблема підвищення продуктивності при
переробці парного м'яса залишається невирішеною.
У конструкції CFS Maxigrind [13] передбачено лише один робочий шнек,
який виконує як функцію подрібнення замороженого м'ясного блоку, так і власне
робочий шнек (f на рис. 1.4). Захоплююча частина шнека робить один оберт з
великим кроком, а його кромки загострені. Захватна частина виконує функцію
захоплення і попереднього подрібнення м'ясного блоку. Подаюча частина шнека
робить шість обертів з постійним кроком і виконує функцію транспортування
шматків м'яса в робочому циліндрі та подачі сировини через ріжучий комплект
м’ясорізального вовчка. Така система спрощує конструкцію та зменшує вартість і
габарити машини.
Шнек дробарки MaDo GIGANT MEW 734 (рис. 1.4, ж) [18] пропонує
можливість використання решітки з дуже дрібними отворами в ріжучому вузлі.
Поряд зі шнековими дробарками на сучасних вольфрамових дробарках
застосовуються й інші типи дробарок, використання яких має багато переваг.
Наприклад, у міксерних подрібнювачах (марки CFS ComboGrind і MaDo MMG239),
де сировиною є фарш, а не кускове м'ясо, використовується двовісний шнековий
насос [3, 4] (рис. 1.5, а). Шнек має великий діапазон обертання і обертається у
21
зворотному напрямку. Як наслідок, цей метод підвищує продуктивність машини,
зменшує споживання енергії та контролює нагрівання сировини [4].
У різальному вузлі вовчка – мішалки CFS UniGrind розташований
ексцентриково-лопатевий насос CintiFlow [3, 4, 7] (рис. 1.5, б). Насос
встановлений між першою та другою парою ножових решіток. Ротор насоса
встановлений на носку робочого колеса. Після попереднього подрібнення на
першій ножовій решітці матеріал під підвищеним тиском лопатевим насосом
подається на вихідну решітку для остаточного подрібнення. Це забезпечує
надійну, високопродуктивну роботу подрібнювача при переробці розморожених
м'ясних блоків, навіть при використанні останніх решіток з невеликими отворами.
Аналіз відомих типів подавальних пристроїв сировини м’ясорізальних
вовчків дозволяє виділити наступні основні вимоги до їх конструкції:
1) висока питома продуктивність;
2) здатність створювати високі тиски нагнітання;
3) надійне захоплення сировини в зоні бункера;
4) низьке енергоспоживання за рахунок тертя з сировиною;
4) низьке енергоспоживання за рахунок тертя з сировиною;
5) можливість участі в процесі попереднього подрібнення сировини, в тому
числі замороженої сировини;
6) висока зносостійкість.
22
В цілому можна зробити висновок, що, незважаючи на широке розмаїття
конструкцій м’ясорізальних вовчків, в даний час відсутні кількісні дані для
порівняння м’ясорізальних вовчків за такими показниками, як питома
продуктивність і вибору найбільш раціонального типу. Відомі конструкції
м’ясорізальних вовчків мають широкий діапазон показників питомої
продуктивності в усьому діапазоні технологічних режимів і для м'яса в різному
стані. Існує ряд недоліків, серед яких недостатня питома продуктивність при
переробці сировини.
1.3 Аналіз конструкції ріжучого комплекту м’ясорізальних вовчків
При проектуванні м'ясорубок особлива увага приділяється конструкції ножів
і решіток. Це пов'язано з тим, що навіть невеликі зміни в їх конструкції можуть
призвести до зміни продуктивності та енергоспоживання машини [18].
Ріжучі набори м’ясорізальних вовчків складаються з ножів і решіток, які
встановлюються по черзі. Найбільш поширеною є схема, показана на рис. 1.6, яка
складається з вхідної, проміжної та вихідної решіток і двох чотирилопатевих ножів,
розташованих між ними [6].
Відомі конструкції ножів [18] мають декілька лопатей, зазвичай від чотирьох
до восьми (рис. 1.7). Ножі можуть бути розташовані радіально або ексцентрично
відносно центру решітки. Ножі з вигнутою формою гостріші і мають менший
динамічний кут різання, що покращує якість різання сировини. Деякі ножі мають
змінні леза (рис. 1.7, б). Такі конструкції ножів дозволяють економити кошти на
придбання ріжучого інструменту.
Збільшення кількості лез ножа (рис. 1.7, г, д) підвищує ефективність
подрібнення, але в той же час при збільшенні площі лобової проекції ножа
призводить до зниження продуктивності вовчка [1, 6, 18]. Для забезпечення високої
пропускної здатності різального вузла (високої продуктивності м’ясорізальних
вовчків) і одночасно високої пропускної здатності ножа, ніж оснащений силовим
кільцем, що охоплює обидва кінці леза (рис. 1.7, в, е, є, ж, з). Ці кільця підвищують
23
жорсткість і міцність леза і дозволяють виготовляти багатолезові ножі.
Особливістю, спільною для більшості відомих конструкцій ножів, є
рівномірне розташування лез ножів по колу, що означає рівномірну подачу
сировини в ПП м’ясорізального вовчка по робочій поверхні решітки. Однак, як
зазначалося вище, спостереження за роботою м’ясорізального вовчка показали, що
сировина подається шнеком тільки в межах певного сектора робочої зони решітки,
причому цей умовний сектор обертається разом зі шнеком. Це ставить під сумнів
раціональність відомої конструкції ножів, тобто зручність розміщення ножів
рівномірно по колу.
Очевидно, що конструкція ножів м’ясорізального вовчка і загальний
напрямок подачі матеріалу через решітку різального вузла повинні бути узгоджені.
Наприклад, автори роботи [7] вказують, що більш раціональне розташування
звичайних чотирилезових ножів м’ясорізального вовчка на пальцях шнека
(зміщення леза відносно останнього витка шнека) може підвищити питому
продуктивність вольфраму до 30%. Це доводить необхідність узгодження
конструкції ножів м’ясорізального вовчка з конструкцією і робочими
характеристиками живильника сировини (шнекового або іншого). Виконання
цього завдання забезпечить найкращу продуктивність м’ясорізального вовчка і
ступінь подрібнення сировини. Питання, пов'язані із залежністю від кількості
24
ножових лез та ефективності подрібнення сировини в подрібнювачах, розглянуті в
роботах [3, 7].
Значне зменшення вартості ножів є ефективним способом зниження
собівартості різального інструменту, разом з вибором марки матеріалу ножів і типу
зміцнюючої обробки. На думку автора, цього можна досягти конструктивним
шляхом за рахунок раціонального вибору кількості ножів та їх окружного
розташування. При цьому зменшення кількості ножових лез зменшує як нагрів
матеріалу за рахунок тертя ножів об решітку, так і витрати енергії на привід ножів.
В цілому можна зробити висновок, що розробка та обґрунтування
конструкцій ножів, які підвищують продуктивність м’ясорізальних вовчків,
відповідний ступінь подрібнення сировини та зниження собівартості ножів,
залишаються актуальними.
25
1.4 Висновки з розділу 1
1. Були розглянуті технічні рішення для м’ясорізальних вовчків , спрямовані
на підвищення продуктивності. Визначено переваги та недоліки існуючих методів
підвищення продуктивності м’ясорізальних вовчків.
2. Проаналізовано конструкцію живильника сировини до різального вузла
м’ясорізальних вовчків , визначено переваги та недоліки існуючих конструктивних
рішень м’ясорізальних вовчків. Визначено основні вимоги до їх конструкції.
3. Проведено аналіз структури різального комплекту м’ясорізального вовчка.
Визначено переваги та недоліки існуючих конструктивних рішень ріжучих
комплектів. Стосовно останніх необхідно розробити та продемонструвати
конструкцію ножа, яка може забезпечити підвищену продуктивність
м’ясорізального вовчка, відповідний ступінь подрібнення сировини та зниження
собівартості ножа.
4. Аналіз основних закономірностей процесів подачі та подрібнення м'ясної
сировини в м’ясорізальних вовчках показав, що існуючі уявлення про ці процеси
не повною мірою пояснюють їх реальне протікання, зокрема ефект подачі сировини
лише в останній частині обертання шнека.
26
РОЗДІЛ 2. МЕТОДИ ПРОВЕДЕННЯ ДОСЛІДЖЕНЬ
2.1 Експериментальна база для дослідження
Для дослідження було обрано м’ясорізальний вовчок АЛ-130 та ріжучий
комплект до нього.
М’ясорізальний вовчок АЛ-130 (рисунки А.1-А.5 у Додатку А) призначений
для попереднього подрібнення кускового жилованого м'яса, з діаметром решітки
ріжучого набору 130 мм та пропускною здатністю 2200 кг/год. Цей м’ясорізальний
вовчок не має завантажувального шнека, а робочий шнек є однозаходним. Крім
того, м’ясорізальний вовчок оснащений спеціально розробленим шнеком з
більшим кроком (рис. А.3 у Додатку А). Ріжучий комплект м’ясорізального вовчка
складається з решіток трьох і двох двосторонніх ножів (Додаток А, рис. А.4).
Щоб продемонструвати, як можна підвищити продуктивність
м’ясорізального вовчка, було досліджено м’ясорізальний вовчок AЛ-130 з
двообертовим шнеком (рис. 2.1). Цей шнек був виготовлений з кутом підйому 7°
на останньому витку.
Рисунок 2.1 - Схема двозахідного шнека м’ясорізального вовчка АЛ-130
2.2 Методика та обладнання для дослідження впливу кінематичних
параметрів та конструкції м’ясорізального вовчка на продуктивність
Визначення продуктивності м’ясорізальних вовчків в залежності від
конструкції приводу та кінематичних параметрів проводили наступним чином.
Конструкція та кінематичні параметри виконавчого органу, а також фактична
продуктивність м’ясорізального вовчка визначалися експериментально. Потім
27
розраховували значення продуктивності за відомими та авторськими методиками і
порівнювали їх з експериментальними та паспортними значеннями.
Вимір параметрів роботи м’ясорізального вовчка проводилися в ковбасному
цеху м'ясопереробного підприємства ТОВ "Черкаська продовольча компанія".
Досліджувалися конструктивні та технічні параметри м’ясорізального вовчка
АЛ-130. Після дезінфекції машини були виміряні необхідні конструктивні
параметри робочого органу м’ясорізального вовчка.
Були виміряні геометричні параметри горловини, які встановили, що зазор
між шнеком і спіральним виступом горловини не перевищує встановленого
критерію 1-2 мм [16]. Таким чином, робота шнека м’ясорізального вовчка
вважається такою, що відповідає паспортним даним.
Далі вимірювали фактичну продуктивність м’ясорізального вовчка при
переробці м'ясної сировини. Вимірювання проводили наступним чином:
Завантаження порції сировини з установки для обвалки в бункер
м’ясорізального вовчка;
Використання електронного секундоміра для вимірювання часу обробки
завантаженої сировини;
Вбудовані в підлогу тензометричні датчики для вимірювання ваги
переробленої сировини у візку (також враховуючи вагу самого візка);
Отримані значення часу переробки та ваги сировини конвертуються у
фактичну продуктивність м’ясорізального вовчка.
М’ясорізальний вовчок AL-130 використовувався для подрібнення
жилованої яловичини першого сорту, напівжирної свинини, бекону і м'яса птиці.
При використанні стандартного одноходового шнека фактична продуктивність
м’ясорізального вовчка становила 2000 кг/год. При використанні шнека з одним
заходом зі збільшеним кроком фактична продуктивність вовчка становила 2682
кг/год. При використанні двоступеневого шнека фактична продуктивність черв'яка
становила 3767 кг/год.
28
2.3 Дослідження інтенсивності подачі м’ясної сировини
Процес дослідження інтенсивності подачі сировини полягав у відеозйомці
м'ясного матеріалу на виході з ріжучої частини м’ясорізального вовчка, коли він
подавався шнеком.
Використовувалося наступне обладнання: вовчок, відеокамера,
штатив,персональний комп’ютер.
Для відеозйомки використовувалася SONY Cyber-Shot DSC-S3000 - цифрова
відеокамера.
Після завершення зйомки відзняті відеофайли були перетворені у покадрове
фотографічне зображення за допомогою програми "Free Video to JPG Converter
5.0.99.823".
Отримані фотографічні зображення потім аналізували для визначення
характеру подачі м'ясного матеріалу з останнього оберту шнека м’ясорізального
вовчка.
2.4 Висновки з розділу 2
1. Створено експериментальну базу для проведення дослідження.
2. Підібрано та розроблено стандартні та спеціальні методи дослідження:
- вплив колового положення леза ножа на ефективність виконання операції;
- взаємозв'язок між конструктивними та кінематичними параметрами
м’ясорізального вовчка і продуктивністю процесу подрібнення;
- інтенсивність подачі сировини окремими зонами кінцевого обертання
шнека.
3. Обґрунтувати математичну обробку результатів експериментальних
досліджень.
29
РОЗДІЛ 3. МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧИХ ПРОЦЕСІВ
ОСНОВНИХ ОРГАНІВ М’ЯСОРІЗАЛЬНОГО ВОВЧКА
3.1 Математична модель подачі м'ясної сировини до різального вузла
Метою математичної моделі процесу подачі м'ясної сировини до різального
вузла м’ясорізального вовчка є сприяння у дослідженні інтенсивності подачі
сировини на різних ділянках робочої зони решіток різального вузла, а також
підвищення точності аналітичного визначення продуктивності м’ясорізального
вовчка під час розрахунків при проектуванні.
Математична модель має описувати рух сировини через робочий циліндр
подрібнювача під дією обертового шнека, а також враховувати вплив конструкції
різального вузла на процес подачі сировини.
На рисунку 3.1 показана конструктивна схема м’ясорізального вовчка. Він
складається з робочого циліндра 1, в якому розташований шнек 2. Сировина
надходить в робочий циліндр з бункера 3, проходить через ріжучий вузол 4 і
виходить з робочого циліндра, де відбувається її подрібнення.
При побудові математичної моделі використано такий же підхід, як і в [11,
13], виходячи з наступних міркувань (рис. 3.1). Продуктивність м’ясорізального
вовчка визначається, в першу чергу, продуктивністю шнека, який формує основний
потік сировини Qосн через ріжучий вузол. Якби на виході з робочого циліндра не
було ріжучого пристрою, продуктивність м’ясорізального вовчка досягала б
максимального значення (за умови, що сировина постійно подається з бункера на
робочий шнек м’ясорізального вовчка, що отвори решіток ріжучого набору не
забиті частинками матеріалу, що решітки і ножі належним чином заточені і т.д.). .
Однак, наступні основні фактори можуть призвести до зниження продуктивності.
30
Рисунок 3.1 - Розрахункова схема для побудови математичної моделі процесу
подачі сировини в вовчок: а) - структура вовчка б) - робоча зона (модель)
Решітки та ножі у різальному вузлі м’ясорізального вовчка та їх відповідні
геометричні параметри створюють гідравлічний опір в різальному вузлі Рр.в.., що
перешкоджає вільному витіканню м’ясної сировини з робочого циліндра під
тиском, що створюється шнеком. В результаті утворюється зворотний потік
31
сировини по ходу шнека Qв.з.; між витками шнека, через зазор Qв.к. між зовнішньою
поверхнею витка шнека і внутрішньою поверхнею робочого циліндра, що
характеризується зниженням продуктивності.
Для визначення продуктивності м’ясорізального вовчка використовують
наступні методи. Рух сировини в робочому циліндрі можна описати,
використовуючи принцип механіки суцільного середовища. При цьому слід
використовувати коефіцієнт продуктивності KQ (фізичний зміст коефіцієнта
продуктивності KQ обговорюється в розділі 3.2), щоб врахувати специфічні ефекти
нагнітання сировини в м’ясорізальному вовчку тільки в певні сектори поперечного
перерізу шнека. У цьому випадку продуктивність шнека визначається за формулою
кг/с:
G KQ Qосн. Qв.к. Qв.з. , (3.1)
де ρ – густина сировини, кг/м3.
Згідно з [12,13], математичний опис руху суцільного середовища (в даному
випадку подачі сировини шнеком м’ясорізального вовчка) отримують шляхом
розв'язання наступної системи рівнянь:
- рівняння нерозривності;
- рівняння руху;
- рівняння енергії;
- рівняння реологічного стану сировини.
У той же час, отримання точного рішення такої системи рівнянь є досить
складним завданням при подачі реальної (досить складної за властивостями)
сировини через криволінійні гвинтові канали. Однак її можна спростити, ввівши
певні припущення та обмеження.
Тому бажано замінити реальну гвинтовий подавальний пристрій сировини на
його розрахункову (модельну) схемоу. При цьому слід виключити всі несуттєві
властивості реального гвинтового подавального пристрою сировини, залишивши
32
тільки ті, які є суттєвими для розрахунку процесу і машини і для яких можна
отримати відносно просту модель.
Пропонуємо такі спрощення. Замінимо обертовий гвинт і нерухомий робочий
циліндр на нерухомий гвинт і обертовий робочий циліндр. Далі слід випрямити
гвинтову канавку, що утворюється між обертанням гвинта і обертанням робочого
циліндра. Іншими словами, замість гвинтового каналу з прямокутним поперечним
перерізом введемо пряму трубу довжиною, що дорівнює довжині гвинтового
каналу, з рухомою верхньою поверхнею (згідно з попереднім припущенням).
Виберемо прямокутну систему координат, як показано на рисунку 3.1: вісь x
вздовж каналу, вісь y вздовж висоти і вісь z вздовж ширини каналу Розглянемо шар
сировини в замкненому об'ємі, обмеженому розмірами lв, hв, та L.
Розглянемо густину ρ сировини, швидкість υ0 вздовж осі каналу, напруження
pij (внаслідок дії сил в'язкості), що виникають у сировині, тиск P і температуру T
як функції часу t так і просторових координат x, y, z.
При розв'язуванні задачі механіки суцільного середовища невідомими є:
- три компоненти вектора швидкості вздовж осей обраної системи координат:
- густина матеріалу t,x, y, z,
vx vx t, x, y, z;
v y v y t, x, y, z; (3.2)
vz vz t, x, y, z;
- з десяти компонент тензора напруги лише шість є незалежними внаслідок
симетрії тензора ):
ij ji
xx xxt, x, y, z;
xy xyt, x, y, z; (3.3)
yz yz t, x, y, z;
zx zxt, x, y, z;
33
yy yy t, x, y, z;
zz zz t, x, y, z.
- температура м’ясної сировини що подається – T Tt, x, y, z.
Щоб визначити ці одинадцять невідомих, необхідно скласти і розв'язати
систему, що складається з такої ж кількості рівнянь:
- рівняння нерозривності (математичний вираз закону збереження матерії, де
маса в замкненій системі залишається постійною):
vx
v y v z 0 ; (3.4)
t x y z
- рівняння руху кількістю три в обраній системі координат (за другим
законом Ньютона):
Введемо допустимі спрощення. Вважаємо, що розглядаємо ізотермічну
задачу. Розглядаємо сировину, що не стискається, отже приймемо ρ = const.
Тоді з рівняння нерозривності маємо:
v v
x y v
z 0 , (3.6)
x y z
а коли �� ≠ 0, то маємо:
34
v v
x y v
z 0 , (3.7)
x y z
Аналізуючи відомі реологічні моделі [9, 11, 12, 13] процесу подачі сировини
до м’ясорізального вовчка, м'ясна сировина, що подається до різального вузла
шнеком, є в'язкопружним середовищем, а модель складається з послідовно
з'єднаних тіл Кельвіна і Максвелла. Вважається, що вона складається з послідовно
з'єднаних тіл Кельвіна і Максвелла. У цьому випадку реологічні властивості м'ясної
сировини кускової згідно з [13] можна відобразити за допомогою модуля
в'язкопружних властивостей м'яса, Па·с, причому:
Запишемо шість реологічних рівнянь:
x x y
xx p 2 ; xy yx ;
x y x
y y
yy p 2 ; yz zy z ; (3.9)
y z y
zz p 2 z ; zx xz
z x
.
z x z
де p – гідростатичний тиск для ньютонівських середовищ:
1
p p11 p22 p33, (3.10)
3
p11, p22 , p33 – головні нормальні напруження.
Підставивши відповідні вирази для компонент тензора напружень у рівнянні
(3.9) в рівняння (3.5) і поділивши їх на ρ, отримаємо три рівняння руху в'язкого
середовища, записані у формі Нав'є-Стокса:
35
Розглянемо стаціонарний режим руху сировини.
Тут розглядаються ламінарні течії, які майже завжди виникають при подачі
в'язких або високов'язких середовищ. При цьому передбачається, що за відсутності
турбулентності існує лише складова швидкості подачі вздовж осі х каналу - vx , а
v та v z дорівнює нулю.
y
Таким чином, для ізотермічного руху середовища в усталеному режимі, коли
масові сили нехтуються і турбулентність відсутня, рівняння Нав'є-Стокса
набувають вигляду:
1 p
0 ,
z
1 p
0 , (3.12)
y
2 2
1 p v v
0 x x .
x
z2 y2
Після алгебраічних перетворень отримаємо, що рівняння Пуассона
спроститься:
2x p
2 ; (3.13)
y l
Двократне інтегрування по y і беручи до уваги що граничні умови
( 0; 0), отримаємо, м/с:
1 0 2
2
0 y hв y y p
;
hв 2 x
36
Праворуч в і цьому рівнянні перший член - це швидкість прямого потоку
м’яса впродовж гвинтового каналу шнека м’ясорізального вовчка (продуктивністю
Qосн.), а другий член рівняння –це швидкість, що направлена у зворотний бік, отже
маємо зворотний потік сировини вдовж гвинтового каналу шнека (продуктивністю
Qв.к.). Сума двох швидкостей і є швидкістю результуючого потоку.
З рівняння (3.13) маємо, якщо проінтегрувати швидкості за перерізом
потоку, тобто, по ширині lв, та висоті hв маємо інтенсивність потоку результуючого
(в одиницю часу яка проходить кількість маси) виражається формулою, м3/с:
l h l h3 p
Qрез
0 в в в в ; (3.14)
2 12 x
де α – кут підйому витків шнека.
p1 – тиск маси сировини на початку зони подачі сировини, Па;
p2 – тиск маси сировини в кінці зони подачі сировини, Па;
L – довжина зони подачі м’ясної сировини, м.
1,2
Вираз (3.14) набуде вигляду:
Отже, зворотний потік м’ясної сировини пропорційний ширині впадини
шнека, та глибини витка в кубі і зворотньо пропорційний довжині каналу
прямокутного перерізу.
Таким чином здійснивши ряд алгебраїчних перетворень та замін, отримаємо
рівняння для визначення кожної складової потоку виглядають наступним чином:
- прямий потік м’ясної сировини вздовж гвинтового насосу, м3/с:
37
2D2 n h
Q ш ш в sin cos
; (3.17)
осн.
2
- зворотний потік м’ясної сировини вздовж гвинтового каналу, м3/с:
Dшh3
в sin
2 p p
Qв.к. 2 1 ; (3.18)
12 L1,2
- зворотний потік м’ясної сировини у зазорі між шнеком та циліндром, м3/с:
2D2 3 p p
Q ш tg 2 1
в.з. ; (3.19)
12 b L1,2
Отже, вираз (3.1) по визначенню продуктивності м’ясорізального вовчка
буде:
Розрахунок продуктивності м’ясорізального вовчка за формулою (3.20) дає
можливість вирахувати основні кінематичні та конструктивні параметри
шнекового подавального пристрою сировини, так і джерела втрати продуктивності.
Підвищення питомої продуктивності вовчка можна досягти, збільшуючи
частоту обертання шнеку вовчка nш, коли збільшити зовнішній діаметр шнеку
вовчка Dш, зменшити глибину витка шнека hв, зменшити зазор δ між робочим
шнеком та циліндром вовчка, а також збільшувати товщину витка шнека b.
Нижче зображено графіки залежності продуктивності мясорізального вовчка
від його кінематичних та конструктивних параметрів (рис.3.2 – 3.7), що отримані
за виразом (3.20).
Підвищення кута підйому витків шнека вовчка α (рис. 3.2) призводить до
зростання продуктивності м’ясорізального вовчка, але згодом спостерігається
зниження продуктивності, це пояснюється підвищенням швидкості подачі м’ясної
38
сировини та, відповідно, збільшенням гідравлічного опору комірок решітки (на
рис. 3.2 для решітки товщиною 16мм, яка має отвори діам.3 мм).
При використанні решітки з товщиною 8 мм (рис. 3.3, а) функція
продуктивності м’ясорізального вовчка від кута підйома витків шнеку змінює свій
характер – продуктивність вовчка прогресивно збільшується.
Частота обертання шнека вовчка nш (рис. 3.3, б) – при збільшенні частоти
обертання шнека вовчка продуктивність вовчка спочатку збільшується, і
досягнувши свого максимуму спадає.
Збільшення кута підйому витків шнека α (рис. 3.2) спричиняє зростання
продуктивності, але потім спостерігається її зниження, що можна пояснити
підвищенням швидкості подачі сировини та, відповідно, підвищенням
гідравлічного опору отворів решітки (показано для решітки товщиною 0,016 м, яка
має отвори діаметром 0,003 м).
Рисунок 3.2 - Залежність продуктивності вовчка від: кута підйому витків
шнека α при товщині вихідної решітки Вр = 0,016 м; для сировини різного виду:
■ – яловичини; ● – свинини; ▲ –м’яса курки
39
а)
б)
Рисунок 3.3 - Залежність продуктивності вовчка від: а) – кута підйому
витків шнека α при товщині вихідної решітки Вр = 0,008 м; б) – частоти обертання
шнека nш ; для сировини різного виду: ■ – яловичини; ● – свинини; ▲ –м’яса
курки
40
а)
б)
Рисунок 3.4 - Залежність продуктивності вовчка від: а) – товщини вихідної
решітки Вр; б) – площі фронтальної проекції лез ножа Sл, який контактує з вихідною
решіткою; для сировини різного виду: ■ – яловичини; ● – свинини; ▲ –м’яса курки
41
При збільшенні товщини решітки Вр продуктивність вовчка стрімко
зменшується (рис.3.4, а), оскільки збільшується гідравлічний опір отворів по
експоненціальному закону при збільшенні довжини отворів. Збільшення площі
ножового леза Sл, яке контактує з решіткою, обумовлює зменшення продуктивності
вовчка внаслідок перекривання більшості отворів для проходження м’ясної
сировини (рис.3.4. б).
Отже, формулу (3.20) слід використовувати для обрахування продуктивності
м’ясорізальних вовчків, які мають різну конструкцію різального вузла вовчка та
шнека.
3.2 Розрахунок коефіцієнта продуктивності вовчка
Значення коефіцієнта продуктивності для м’ясорізальних вовчків можна
визначити, враховуючи всі основні фактори, які суттєво знижують теоретично
можливу продуктивність [13]. На думку автора [13], таким основним фактором є
здатність м'ясної сировини до стиснення під дією прикладеного навантаження. Це
вимагає достатньої деформації сировини для подолання опору ріжучого комплекту
при проходженні сировини через ріжучий комплект.
Тому форма шнека і опір ріжучого вузла є важливими факторами. Іншим
важливим фактором є структура ріжучого вузла, тобто ножів у поєднанні з решіткою
(як обговорювалося в розділі 1.5, збільшення кількості лез ножів та їх фронтальної
проекції значно зменшує площу, по якій м'ясо може вільно проходити через
решітку).
Виходячи з вищесказаного, пропонується визначати коефіцієнт
продуктивності м'ясорубки КQ, з урахуванням як параметрів шнека, так і параметрів
ріжучого вузла за методикою описаноу в джерелі [13].
Параметри шнека враховуються за допомогою коефіцієнта використання
шнека Кв.ш .
Цей коефіцієнт є відношенням площі поперечного перерізу робочого циліндра
(сектор AOB в b на рис. 3.4), який представляє собою контур області, де шнек подає
42
матеріал в ріжучий вузол, до загальної площі поперечного перерізу робочого
циліндра, який відповідає за подачу матеріалу в ріжучий вузол шнеком.
Якщо ці значення площі виразити через відповідні значення кута, то рівняння
для визначення коефіцієнта використання шнека Кв.ш має вигляд (рис. 3.4):
К max
в.ш. , (3.21)
360
де βmax – максимальне значення кута подачі сировини шнеком, град.
Значення βmaxвизначаємо, додавши рівняння рівноваги сил, які діють на шарі
сировини, що останнім витком шнека буде подаватися у різальний вузол
м’ясорізального вовчка.
Для подолаання сировиною силу опору різального вузла Fр.в., Н необхідно
створити відповідну силу стискання Fст:
F F ; (3.22)
ст р.в.
Ці сили визначаємо:
Сила стискування, Н:
Fст ст S (3.23)
ст ,
Сила гідравлічного опору різального вузла, Н:
m
Fр.в. Fоп.і kпром k , (3.24)
і1
43
Fоп.і Fпен Fзр Fотв , (3.25)
де Fпен – зусилля пенетрації м’ясноі сировини під час обтікання перемичок між
отворами решітки, Н;
Fзр – зусилля зрізу сировини при вдавлюванні в отвори решітки, Н;
Fотв – зусилля опору рухові м’ясної сировини всередині отворів решітки, Н.
Визначимо зусилля пенетрації, Н:
Fпен пен Sпен , (3.26)
де θпен – напруження пенетрації, Па;
Sпен – площа перемичок між отворами, м2.
Визначимо зусилля зрізу, Н:
Fзр зр S , (3.27)
зр
де θзр – напруження зрізу, Па;
S – площа отвору, м2
зр .
Звизначимо зусилля опору, Н:
44
Fотв Ротв Sотв , (3.28)
де Ротв – тиск опору рухові сировини всередині отворів, Па;
Sотв – площа отвору решітки, м2.
Визначимо тиск гідравлічного опору м’ясної сировини всередині отворів
решітки [11], Па:
4 f kб Bp
q d q
Р 0 0 0
отв e (3.29)
kб kб ,
де f – коефіцієнт тертя м’ясної сировини о стінки каналу;
Вр –довжина каналу, м;
d0 – діаметр отвору решітки, м;
q0 – залишковий бічний тиск, Па;
kб – коефіцієнт бічного тиску (kб=0,6…0,8 [1]).
45
а)
б)
Рисунок 3.5 - Розрахункова схема останнього витка шнека при визначенні
коефіцієнта використання шнека Кв.ш. вовчка: а) вид зверху; б) вид спереду
46
Ці значення площі записуються наступним чином (де площа поперечного
перерізу шару сировини, що пресується, дорівнює сумі площі одного отвору сітки
і відповідної частки перемички між отворами), м2:
d 2
S 0 ; (3.30)
отв
4
d 2
S 0 ; (3.31)
зр
4
d 2 1
S 0
пен ; (3.32)
4
d 2 1
S 0
ст Sотв Sпен ; (3.33)
4
де φ – коефіцієнт перфорації решітки.
Емпіричний коефіцієнт збільшення опору різального вузла:
b
a
k o
e , (3.34)
1
де υо – вісьова швидкість подачі м’ясної сировини, м/с;
υ1 – одинична швидкість подачі м’ясної сировини, коли немає підвищення
гідравлічного опору отворів решіток, м/с;
aυ, bυ – емпіричні коефіцієнти, величини яких залежать від довжини отворів
решітки та типу сировини.
Вісьова швидкість переміщення сировини, м/с:
47
sin
о cos кол
n тр cos тр
cos тр
, (3.35)
nш Dш h sin
cos тр
cos тр
де n – власна частота обертання шнека, с-1
ш .
Визначимо напруження, що виникають у слої сировини при його стисканні.
Знаємо, що напруження в сировині, Па прямо пропорційні відносній її деформації
ε та модулю пружності Е:
Е , (3.36)
ст.
де ε – відносна деформація м’ясної сировини;
Е – при стисканні модуль пружності, Па.
Визначаємо значення кінцевої відносної деформації м’ясної сировини під
час її подачі останнім витком шнека м’ясорізального вовчка:
, (3.37)
к o.к. k
де εо.к. –відносна деформація сировини кінцева, що відбулась в зоні останнього
витка шнека, її заміряли в секторі прилягання останнього витка шнека до
різального вузла вовчка;
kε – коефіцієнт деформації, що визначає ступінь попереднього деформування
м’ясної сировини при її знаходженні в зоні останнього витка шнека вовчка,
причому:
V
k зап , (3.38)
V
o
де Vзап. – об’єм простору міжвиткового шнека, де коефіцієнт його заповнення
м’ясною сировиною дорівнює 1;
Vo– міжвитковий об’єм простору шнека вовчка , який є перед останнім витком
шнека.
Вираз (3.46) набуде вигляду для часткового випадку конструкції шнека з
постійними параметрами Dш і dш :
H
k зап , (3.39)
H
o
48
де Нзап. – крок простору між витками шнека, де коефіцієнт заповнення сировиною
дорівнює 1;
Но – крок простору шнека міжвиткового в межах останнього витка.
Визначимо значення відносної деформації шару м’ясної сировини при русі в
зоні останнього витка шнека вовчка (рис. 3.5):
Ho l Dш tg LAB tg , (3.40)
о
Ho Dш tg
де l – відстань ( l L tg ), м;
AB
Dш – величина зовнішнього діаметра шнека, м;
α – величина кута нахилу гвинтової поверхні шнека;
LAB – величина довжини дуги АВ, м.
Рисунок 3.5 - Розрахункові схеми: а) розгортка останнього витка шнека
вовчка при знаходженні коефіцієнта використання шнека Кв.ш.; б) останнього витка
(вигляд спереду) шнека при знаходженні коефіцієнта продуктивності вовчка КQ
Довжина дуги АВ, м пропорційна довжині кола діаметром Dш стільки,
скільки разів пропорційна величині кута β від 360°:
LAB Dш (3.41)
360
49
Отже, значення відносної деформації можна визначати:
Dш tg Dш tg
360 1 (3.42)
о
Dш tg 360
де β –значення кута поточне, що окреслює зону подачі м’ясної сировини шнеком у
різальний вузол вовчка, град.
Відносна деформація [9] залежить від прикладеного тиску:
а 0,32
а 1
Р 1 а2 lg 5,2 Р 1 0,058 lg , (3.43)
де Р – прикладений тиск, Па;
τ – тривалість деформації, с;
аε, а1, а2 – коефіцієнти, що залежать від механічних і геометричних факторів та
фізико-хімічних параметрів сировини (для м’яса середні значення аε = 5,2; а1 = 0,32;
а2 = 0,058).
Згідно з [9] значення тиску, Па в шарі м’ясної сировини:
0,115lD 0,33
ш .
Pl P e , (3.44)
Беручи до уваги, що зміні тиску Р протягом відстані l співвідноситься зміна
відносної деформації м’ясної сировини ε, якщо розглядаємо деформування м’ясної
сировини останнім витком шнека (3.51), отримаємо:
0,33
0,037lD
1 e
ш . , (3.45)
о.к.
360
де l LAB tg Dш tg – відстань від поверхні останнього витка до
360
різального вузла.
Підставляючи отриманий вираз у рівняння, визначимо напруження стиску,
яке виникає в шарі м’ясної сировини, положення його в коловому напрямі
характеризується кутом β:
50
0,037lD 0,33
1 e
ш. k ; (3.46)
ст. Е
360
Скористуємося вихідним рівнянням (3.30) і, скоротимо Sотв, м
2 маємо:
0,037 Dш tgD0 ,33
ш H Е
1 е 360 зап
360 H
o
4 f kб В р
1 q q
0
d0 0
е ; (3.47)
пен зр
k k
б б
b
a
k n е v D hsin
пром ш ш
сos
тр
cos
1 тр
Рівняння (3.47) розв’язується чисельними методами. Для практичних
розрахунків скористуємося спрощеннями - зміна деформації по товщині шару
мясної сировини не враховується.
Знаходимо значення кута βmax, що окреслює зону подачі м’ясної сировини
шнеком вовчка у різальний вузол, град:
4 f k
б Вр
1 q q
360 360 d
0 0 0
пен зр
е
k k
б б
; (3.48)
b
k Н a
n е
пром 0 D h sin
ш ш
сos
тр
Е Н
cos
зап 1 тр
На рисунках 3.6 та 3.7 наведено результати визначення кута подачі β за
рівнянням (3.48) для м’ясорізального вовчка із зовнішнім діаметром Dр = 0,16 м в
решітці різального вузла.
51
а)
б)
52
Визначимо коефіцієнт продуктивності вовчка КQ (рис. 3.9). Його можна
визначити як відношення площі активної частини решітки S акт
р , через яку може
подаватись м’ясна сировина і ця частина обмежена кутом βmax, до площі решітки
Sр:
S акт
р
K ; (3.49)
Q
S р
Визначимо площу активної частини решітки, м2:
S акт акт
р Sсек Sн , (3.50)
S D2 d 2
де max – площа кільцевого сектора, обмеженого кутом β м2
сек р р max, ;
4 360
S акт S акт zакт – площа проекцій лез ножа фронтальних що знаходяться в зоні
н л л
подачі м’ясної сировини, що окреслена кутом β 2
max, м ;
53
S р D2
р d 2
р – площа решітки, м2;
4
Dр – зовнішній діаметр решітки, м;
dр – діаметр центрального отвору решітки, м;
S акт
л – площа проекції фронтальної одного леза ножа, м2;
z акт
л – леза ножа, що знаходяться в зоні подачі м’ясної сировини, що окреслена
кутом βmax.
Отже, після елементарних перетворень, остаточний вираз по знаходженню
коефіцієнта продуктивності вовчка КQ має вигляд:
4S акт zакт
K max л л ; (3.51)
Q
360 D2 2
р d р
З урахуванням рівняння (3.56):
4 f k B
S акт zакт б p
л л 1 q d q
KQ 1 пен 0 e 0 0
зр
2 k k
Dр d 2 б б
р
4 ; (3.52)
b
a
k
пром Ho n e
ш D
ш hsin
cos
тр
Е H зап. 1 cosтр
Рівняння (3.52) може бути використане для визначення коефіцієнта корисної
дії системи розмелювання для практичних цілей. Це рівняння враховує як зниження
продуктивності м'ясоріжучого вовчка через зменшення розвантажувальної
здатності шнека, так і зниження продуктивності через перекриття отворів решітки
лезом ножа. Це дає можливість врахувати структурно-механічні характеристики
м'яса та особливості конструкції елементів різального вузла м'ясоріжучого вовчка.
На рисунках 3.8 та 3.9 наведено графічні залежності, отримані шляхом
розрахунку значень коефіцієнта корисної дії вовчка КQ за рівнянням (3.52).
54
Рисунок 3.8 - Залежність коефіцієнта продуктивності вовчка KQ від: а) –
кута підйому витків шнека α; б) – товщини вихідної решітки Bр ; для сировини
різного виду: ■ – яловичини; ● – свинини; ▲ –м’яса курки
55
Характер впливу кута підйому витка α (а на рис. 3.8) подібний до впливу кута
подачі сировини. Зі збільшенням товщини решітки Вр зростає опір отворів у
решітці, що призводить до значного зменшення значення коефіцієнта
продуктивності (рис. 3.8 б). Зі збільшенням площі Sл леза ножа в межах кута подачі
β коефіцієнт продуктивності зменшується, оскільки зменшується кількість отворів,
через які може вільно проходити сировина (рис. 3.9).
Результати можна використати при проектуванні м’ясорізальних вовчків та
при обґрунтування високопродуктивних способів подачі сировини до їх різальних
вузлів.
56
3.3 Висновки за розділом 3
1. Розроблено систему математичного моделювання робочих процесів
робочого органу м’ясорізального вовчка.
2. На основі аналітичних залежностей, отриманих шляхом
математичного моделювання, визначено основні конструктивно-кінематичні
параметри дробарки (зовнішній діаметр вихідної решітки Dр, кут підйому шнека α,
частота обертання шнека nш, товщина вихідної решітки В, зовнішній діаметр шнека
Dш, глибина обертання шнека hв, (зазор δ між шнеком і робочим циліндром,
товщина шнека b, площа фронтальної проекції леза ножа Sл.).
3. Розроблено метод аналітичного визначення коефіцієнта продуктивності
м’ясорізального вовчка, який може відображати фізичну природу ефекту, що
полягає в тому, що під час обертання шнека м’ясорізального вовчка сировина
нагнітається лише в певні ділянки робочої зони решітки.
57
РОЗДІЛ 4
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПОДРІБНЮВАЛЬНИХ ПРОЦЕСІВ У
ВОВЧКУ І ВИКОРИСТАННЯ РІШЕНЬ ЩО РОЗРОБИЛИ НА ПРАКТИЦІ
4.1 Експериментальні дослідження інтенсивності подачі м’ясної сировини
останнім витком шнека
Відеозаписи процесу подачі м'ясної сировини через ріжучий вузол шнека
м’ясорізального вовчка дозволили встановити характерні особливості
інтенсивності подачі матеріалу за зонами останнього витка шнека.
Результати відеозаписів наведені на рисунках Б.1-Б.3. На рис. Б.1 додатку Б,
додаток Б.1, показано зміну положення сектора інтенсивної подачі сировини на
початку подачі сировини крізь різальний вузол. Межі сектора окреслені кутом β
(див. рис. Б.1 в додатку Б.1). На рис. Б.1 і додатку Б.1 показано момент, коли
сировина ще не почала видавлюватися через вихідну решітку; на рис. Б.1, додаток
Б.1, б чітко видно, що сировина подається лише на невелику ділянку вихідної
решітки.
Рисунок 4.1 - Епюра інтенсивності подачі сировини окремими зонами
останнього витка шнека
На рис. Б.1, додаток Б.1, в-е, ці зони змінилися, але положення зони подачі
через різальний апарат не змінилося. Сектор під кутом β обертається проти
58
годинникової стрілки разом з черв'ячним гвинтом. Аналогічна картина
спостерігається при подрібненні різних видів сировини різними подрібнювачами
(рисунки Б.2 і Б.3 в додатку Б.1).
Спостерігаючи за роботою м'ясоріжучого вовчка та аналізуючи
відеоматеріали, можна встановити наступні особливості подачі м'ясної сировини
через ріжучий вузол одновитковим шнеком. Сировина подається не на всю робочу
зону решітки різального вузла, а лише в межах певних секторів. Схематично це
показано на рисунку 4.1. Швидкість подачі Q максимальна в зоні, де кінець шнека
наближається до ріжучого елемента. У зоні різального вузла, що відповідає відстані
між поверхнею останнього витка шнека і приймальною решіткою, швидкість
подачі Q значно зменшується і зрештою зникає повністю.
Це доводить справедливість гіпотези, прийнятої в даному дослідженні.
4.2 Вплив кінематичних і конструктивних параметрів вовчка на його
продуктивність
Було досліджено, чи залежить продуктивність м’ясорізального вовчка
AЛ-130 від конструкції та кінематичних параметрів його робочої частини
(рис. 4.2-4.4).
Як показують результати, ці параметри мають значний вплив на
продуктивність решітки.
Збільшення зовнішнього діаметра решітки Dp підвищує продуктивність,
оскільки збільшується кількість отворів, через які може проходити матеріал (а на
рис. 4.2). Наприклад, при збільшенні діаметра решітки з 130 мм до 170 мм
продуктивність зростає в 2,3 рази.
Змінюючи інші параметри, можна підвищити питому продуктивність без
збільшення розмірів корпусу м’ясорізального вовчка.
При збільшенні кута підйому α шнека з 2° до 5° продуктивність зростає
приблизно вдвічі (рис. 4.3, б). В той же час, при подальшому збільшенні α
продуктивність шнека зменшується. Це можна пояснити тим, що чим більше
59
значення α, тим більша осьова відстань за один оберт шнека, тим більша частина
сировини переміщується (в цьому випадку продуктивність шнека зростає). Однак
при цьому зменшується частка сили, що штовхає сировину в осьовому напрямку на
шнек. Якщо на стороні ріжучого вузла є гідравлічний опір, це зменшення сили
подачі призводить до того, що менше матеріалу проштовхується через отвір
решітки, і матеріал починає прослизати вздовж обертання шнека і рухається в
зворотному напрямку через канал шнека і через зазор між шнеком і циліндром.
60
а)
б)
61
а)
б)
62
Як наслідок, при низькому ККД ріжучого вузла (малому значенні Bp)
збільшення α призводить до збільшення продуктивності м'ясоріжучого вовчка
(рис.4.3, а), а при високому ККД ріжучого вузла (великому значенні Bp) збільшення
α призводить до зменшення продуктивності м'ясоріжучого вовчка.
Для м'ясоріжучих вовчків, розрахованих на вихідні решітки з дрібними
отворами (для подрібнення матеріалу в фарш), рекомендується використовувати
шнек з α = 4... .5° можна рекомендувати для м'ясоріжучих вовчків, призначених для
вихідних решіток з великими отворами (подрібнення сировини на шрот), тоді як
шнеки з α = 5,5. .8° можна рекомендувати шнеки з α = 5,5...8°.
Вплив частоти обертання шнека nш (рис. 4.3, б) подібний до впливу кута
підйому шнека. Найбільші значення продуктивності спостерігаються при
nш = 4 - 6с-1. При подальшому збільшенні nш продуктивність знижується. Це можна
пояснити тим, що чим вища швидкість, з якою матеріал рухається через отвори
решітки, тим більший його гідравлічний опір. Збільшення гідравлічного опору
викликає, зокрема, збільшення кількості матеріалу, що рухається між обертами
шнека і через зазор між шнеком і циліндром в напрямку, протилежному до
різального вузла. Це також призводить до зниження продуктивності.
Збільшення товщини Вр вихідної решітки призводить до різкого зниження
продуктивності (рис. 4.4, а). Це пов'язано зі збільшенням гідравлічного опору
отвору зі збільшенням довжини отвору (гідравлічний опір зростає
експоненціально). В результаті, при збільшенні початкової товщини решітки з 8 мм
до 20 мм продуктивність знижується в 4,5-6,8 разів, в залежності від типу
матеріалу.
Залежність продуктивності м’ясорізального вовчка від площі Sл передньої
проекції леза ножа в поєднанні з вихідною решіткою обернено пропорційна (рис.
4.4, б). При цьому зі збільшенням загальної площі леза продуктивність
м’ясорізального вовчка зменшується, оскільки перекривається більша кількість
отворів для проходу матеріалу.
63
4.3 Висновки до розділу 4
1. Експериментально встановлено характерні особливості інтенсивності
подачі сировини за рахунок останнього оберту шнека. Її величина залежить від
структурно-механічних властивостей сировини та конструктивних параметрів
шнека.
2. Запропоновано найбільш ефективний спосіб подачі сировини до
різального вузла; встановлено, що використання двозахідного шнека підвищує
продуктивність м’ясорізального вовчка машини в 1,82 рази.
64
РОЗДІЛ 5.ОХОРОНА ПРАЦІ
М'ясорубки і вовчки належать до найширше вживаних машин
м'ясопереробних виробництв і підприємств громадського харчування. Саме за
допомогою вказаних пристроїв виконують подрібнення м'ясної сировини,
використовуваної для виробництва ковбасних виробів, м'ясних напівфабрикатів
фаршів, а також продуктів фаршів повної кулінарної готовності. Як і інше
м'ясорізальне устаткування, м'ясорубки і вовчки є об'єктами підвищеної небезпеки
для операторів і інших працівників, що здійснюють технічне обслуговування цих
машин. Саме тому виключно поважно знати і дотримувати всі писані і неписані
вимоги безпеки — і при розробці конструкцій м'ясорубок і вовчків, і при їх монтажі
і введенні в експлуатацію, і безпосередньо під час виконання виробничих операцій.
Інший важливий аспект використання м'ясорубок і вовчків — необхідність
повного і усвідомленого виконання вимог гігієни і виробничої санітарії. Будь-які
відхилення від встановлених санітарних правил поводження з термічно
необробленою м'ясною сировиною, а також правил миття і дезинфекції
устаткування небезпечні не лише для життя і здоров'я співробітників підприємств,
але і для численних споживачів м'ясної продукції, на цих підприємствах тієї, що
випускається.
Прикладом сучасного міжнародного стандарту, що регламентує безпеку
праці і санітарні вимоги в м'ясопереробній промисловості, є стандарт
Європейського комітету із стандартизації EN 12331:2003 «Food processing
machinery — Mincing machines — Safety and hygiene requirements» (Устаткування
для виробництва харчових продуктів — Машини для подрібнення у фарш —
Вимоги безпеки і гігієни — переказ авт.). Стандарти EN вводяться в дію як
національні стандарти держав — членів Європейського комітету із стандартизації
(скорочено CEN) і мають тому подвійне позначення — BS EN у Великобританії,
DIN EN в Германії, EVS EN в Естонії і так далі Стандарти EN видаються на трьох
офіційних мовах — англійському, французькому і німецькому, а також на мовах
країн-членів CEN. Авторитетні стандарти EN активно використовуються як у
65
вітчизняній стандартизації, так і в системі стандартизації наших російських сусідів,
тому все частіше зустрічаються стандарти ДСТУ EN і ГОСТ Р (EN), тобто
національні стандарти, гармонізовані з європейськими.
Авторами стандарту складений докладний перелік зон (рис. 2), де життя і
здоров'я персоналу, що експлуатує і обслуговуючого вовчки, може наражатися на
небезпеку. Небезпека травм для рук і пальців працівників представляє шнек під
завантажувальною горловиною (зона 1) і шнек під завантажувальним бункером
(зона 2). Пальці можуть піддатися травмі в зоні 3, де фарш вивантажується з
машини. Травмами рук і ніг чреваті роботи в зоні 4, виконувані при установці і
знятті ріжучого комплекту і робочого шнека. Джерелом травм рук і пальців можуть
бути приводи робочого і подаючого шнеків, а також шнека-перетрушувача (зона 5).
Такі ж травми можна отримати в зоні 6 при випадковому або навмисному
закриванні кришки. Якщо вовчок забезпечений завантажувальним пристроєм,
небезпечною є зона 7 під вантажною ємкістю, де травми тіла можна отримати під
час штатного або аварійного її опускання. Пальці і руки працівників можуть бути
травмовані в зоні 8 при попаданні між рухливими і нерухомими частками
підйомно-опускного механізму, в зоні 9 при контакті з елементами приводу
вказаного механізму (шківами, ланцюгами, тросами і ін.), а також в зоні 10
розвантажень вантажної ємкості. Механічні травми можливі також в разі
руйнування або перекидання машини.
Рис. 5.2. Схема розташування зон механічної небезпеки
66
ВИСНОВКИ
1. Аналіз основних закономірностей процесів подачі та подрібнення
м'ясної сировини у шнеку м’ясорізального вовчка показав, що існуючі уявлення про
ці процеси не повною мірою пояснюють їх реальне протікання, зокрема вплив
подачі сировини лише на останній ділянці обертання шнека.
2. На основі аналітичних залежностей, отриманих шляхом математичного
моделювання, визначено основні конструктивні та кінематичні параметри шнека
(зовнішній діаметр вихідної решітки D, кут підйому шнека α, частота обертання
шнека nш, товщина вихідної решітки В, зовнішній діаметр шнека Dш, глибина
обертання шнека hв, гвинтовий та виконавчий (зазор δ між циліндрами, товщина
витка шнека b, площа фронтальної проекції леза ножа S ).
л
3. Розроблено метод аналітичного визначення коефіцієнта
продуктивності м’ясорізального вовчка, який дозволяє відобразити фізичну
природу ефекту, коли під час обертання шнека м’ясно сировина нагнітається лише
в певні сектори робочої зони решітки. Цей коефіцієнт враховує структурно-
механічні властивості сировини, форму шнека, опір різального вузла та
конструкцію ножа.
4. . Експериментально встановлено характеристики сили подачі сировини
на останньому оберті шнека. Її величина залежить від конструктивних параметрів
шнека та структурно-механічних властивостей сировини; встановлено, що
використання двовиткового шнека підвищує продуктивність м’ясорізального
вовчка в 1,82 рази.
67
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Анурьев В.І. Довідник конструктора-машинобудівника: У 3-х т. - 5-е изд.,
Перераб. і доп. - М.: Машинобудування, 2000.
2. Березовський Ю.М. та ін. Деталі машин: Підручник для машинобудівник-
них технікумів / Ю.М. Березовський, Д.В. Чернілевський, М.С. Петров; Под ред.
Н.А. Бородіна. - М.: Машинобудування, 2003. - 384 с., Іл.
3. Горшков А.К. Затрати праці на приготування м’ясного фаршу. Вид. 6-е. К.,
«Машинобудування», 2001. Стр. 384.
4. Некоз О.І. Різальний механізм вовчка. Вид. 4-е, перераб. і доп. - Київ,
"Будiвельнік", 2006. - 352 с., іл.
5. Довідник технолога-машинобудівника. У двох томах. Вид. Третій
переробіт. Під ред. канд. техн. наук А.Г. Косилової і Р.К Мещерякова. - К.:
Машинобудування, 2002.
6. Єгоров Г.А., Мельников Е.М., Максимчук Б.М. Технологія приготуваня
ковбас. - Київ, "Будiвельнік", 2016. - 154 с., іл.
7. Єгоров М.Є, Дементьєв В.І., Тішин С.Д., Дмитрієв В.Л. Технологія
машинобудування. - К.: Вища школа, 2005 - 590 с.
8. Збірник діючих нормативних документів з охорони праці. П / ред. А.І.
Конкіна. - К, 2001. - 232 с.
9. Процеси і апарати харчових виробництв /За ред. В. М. Стабникова. - К. :
Вища шк. , 2015. - 375 с.
10.ДСТУ ГОСТ 2.001:2006 Єдина система конструкторської документації.
Загальні положення
11.ДСТУ ГОСТ 2.051:2006 Єдина система конструкторської документації.
Електронні документи. Загальні положення
12.ДСТУ ГОСТ 2.308:2013 ЄСКД. Зазначення допусків форми та
розміщення поверхонь
68
13.Проектування механічних передач: Навчально-довідковий посібник для
вузів / С.А.Чернавський, Г.А.Снесарев, Б.С.Козинцов- К: Машинобудування, 2014,
с. 560.
14. Кіркач Н.Ф., Баласанян Р.А. Розрахунок та проектування деталей машин:
Навчальний посібник для технічних вузів: - Х.: Вища школа. Вид-во при ХДУ, 2008
- 142с.
15. Горбацевич А.Ф., Шкред В.А. Курсове проектування з технології
машинобудування: [Посібник для машинобудування. спец. вузів]. - 4-те вид.,
Перероб. та дод. - К: Вищп школа, 2003, с. 256.
16. Долін П.А. Довідник з техніки безпеки. 5е вид. перероб. та дод. - К:
Енерговидав., 2002 , с. 800с.
17. Охорона праці електроустановках: Підручник для вузів / За ред.
Б.А.Князєвської. - 3-е вид., Перероб. та дод. - К.: Енергоавтом видав, 2013, с.336.
18. А.Н.Плановкий, В.М.Рамм, С.З.Каган. Процеси та апарати хімічної
технології. - М.: Хімія, 1968. - 847с.
19. Решетов Д.М. Деталі машин: Підручник для студентів машинобудівних
та механічних спеціальностей вузів. - 4-е вид., перероб. та дод. - К:
Машинобудування, 2009, с. 496.
20. Орловський Б.В.Проектування м’ясорізальних вовчків: навчальний
посібник / Б.В. Орловський, Н.С. Абрінова. – К.: КНУТД. – 2013. – 285 с.
21. Якимчук М.В. Функціонально модульне проектування машин для
виробництва ковбас: моногр. / О.М. Гавва, Л.О., Кривопляс-Володіна, М.В.
Якимчук [та ін.]. – К: Видавництво «Сталь», 2015. – 547 с.
22. Якимчук М.В. Ніж вовчка/ М.В. Якимчук, О.М. Гавва, А.П. Беспалько
//М’ясна індустрія. – 2010. – 4. – С. 37 – 42.
69
ДОДАТКИ
70
Додаток А
Основні робочі органи вовчка моделі АЛ – 130
Рисунок А.1 – М’ясорізальний вовчок АЛ-130
Рисунок А.2 - Робочі органи м’ясорізального вовчка АЛ-130
Рисунок А.3 - Шнек м’ясорізального вовчка АЛ-130 зі збільшеним кроком
витків
71
Додаток А
Рисунок А.4 - Ніж Рисунок А.5 - Вихідна решітка
м’ясорізального вовчка АЛ-130 м’ясорізального вовчка
АЛ-130
72
Додаток Б
Результати відеозйомки подачі сировини крізь різальний вузол вовчка
а) б)
в) г)
д) е)
Рисунок Б.1 - Сектор інтенсивної подачі сировини змінює положення з кутом
β при обертанні шнека м’ясорізального вовчка (при початку подачі сировини)
73
Додаток Б
а) б)
,
в) г)
д) е)
Рисунок Б.2 - Сектор інтенсивної подачі сировини змінює положення з
кутом β при обертанні шнека м’ясорізального вовчка (при заповненні різального
вузла сировиною)
74
Додаток Б
а) б)
в) г)
д)
Рисунок Б.3 - Сектор інтенсивної подачі сировини змінює положення з
кутом β при обертанні шнека м’ясорізального вовчка (при усталеному режимі
подачі сировини)