Підвищення ефективності роботи вовчків шляхом узгодження подачі та процесу подрібнення м'ясної сировини: дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: 05.18.12 - Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Роботу присвячено підвищенню питомої продуктивності вовчків та зменшенню витрат на їх експлуатацію шляхом узгодження способів подачі м’ясної сировини до різального вузла та конструкції елементів різального комплекту. У дисертації на основі аналізу літературних джерел і узагальнення виробничого досвіду показано місце і науково-прикладне значення проблеми підвищення ефективності роботи вовчків та їх експлуатаційних показників. Відзначено, що, незважаючи на багаторічне використання цих типів м’ясорізальних машин та дослідження процесів, які супроводжують їх роботу, проблеми вдосконалення конструкцій вовчків та покращення їх експлуатаційних показників і надалі залишаються актуальними. У відомих працях, присвячених дослідженню роботи вовчків, відсутній загальновизнаний підхід до визначення їх продуктивності. Існуючі методики не враховують належним чином зниження продуктивності через наявність зворотного перетікання сировини крізь зазор між витками шнека та робочим циліндром, а також уздовж гвинтового каналу шнека. Суттєвою проблемою є реальна відсутність ґрунтовного аналізу напружено-деформованого стану ножів вовчка, що обмежує пошук ефективних шляхів підвищення їх міцності. Незважаючи на достатньо широке різноманіття конструкцій пристроїв для подачі сировини в різальний вузол вовчків (які, переважно, являють собою одношнековий насос), відсутні конструкції, використання яких давало б змогу істотно підвищити продуктивність вовчка шляхом збільшення ступеня використання робочої площі решіток різального вузла в кожний момент часу. Та само відсутні конструкції ножів, які б володіли істотно зниженою собівартістю, а відтак, обумовлювали б зменшені експлуатаційні витрати. Розглянутий комплекс невирішених питань суттєво стримує подальше вдосконалення вовчків. Виходячи з цього, і були сформульовані напрями досліджень, мета та основні завдання дисертаційної роботи. Для проведення досліджень було обрано вовчки АЛ-130, МП-160, VVS- 180, К6-ФВЗП-200, їх різальні комплекти, а також установку для подрібнення м’ясної сировини на базі вакуумного шприца марки Handtmann VF 628. Дослідження продуктивності вовчків проводилось за допомогою натурних активних експериментів у виробничих умовах. Процес дослідження інтенсивності подачі сировини здійснювався шляхом виконання відеозйомки процесу виходу м’ясної сировини з різального вузла вовчка при її подачі шнеком. Використовувалась цифрова відеокамера SONY Cyber-Shot DSC-S3000, отриманий відеофайл перетворювався на низку покадрових фотозображень за допомогою програмного пакета «Free video to jpg converter 5.0.99.823». Отримані фотозображення аналізувались, і встановлювався характер подачі м’ясної сировини останнім витком шнека. Вплив положення лез ножа в коловому напрямку відносно кінця витка робочого шнека на ефективність їх роботи визначали шляхом вимірювання затуплення різальних кромок лез. Затуплення різальних кромок оцінювалось за радіусом їх заокруглення методом відбитків за допомогою подвійного мікроскопа «МБС-9». Отримані цифрові фотознімки відбитків аналізувалися за допомогою персонального комп’ютера та графічної програми КОМПАС-3D V13. Планування експериментів проводилось за допомогою програмного пакета STATISTIC 10. Обробку експериментальних даних і визначення рівнянь регресії, залишків та коефіцієнта кореляції проводили із використанням програмного пакета Curve Expert 1.3. Для дослідження залежності гідравлічного опору різального вузла від його конструктивного виконання використовувався лабораторний стенд, який складався з аналізатора текстури марки «TA.HDplus STABLE MICRO SYSTEMS» та спеціального пристрою, встановленого у робочих захватах аналізатора. Для визначення структурно-механічних характеристик м’ясної сировини було використано електромеханічну універсальну випробувальну машину CMT2503 виробництва Shenzhen SANS Testing Machine Co. (КНР). Аналітичне дослідження відносної деформації сировини при подачі її шнеком вовчка здійснювалось на основі сіткових методів із використанням програмного комплексу FlowVision. Аналітичне дослідження напружено-деформованого стану ножів вовчка здійснювалось з використанням програмної системи T-Flex Analysis. Оцінка якості обробки проводилась: порівнянням виміряних значень температури сировини до та після подрібнення за допомогою цифрового термометра марки RST 07841; визначенням фізико-механічних властивостей сировини після подрібнення з використанням універсальної випробувальної машини SANS CMT2503; органолептичним оцінюванням готових ковбасних виробів на їх відповідність вимогам нормативної документації за чинною в галузі методикою. Представлено комплексну систему математичного моделювання процесів роботи робочих органів вовчка. Точність отриманих виразів по визначенню продуктивності знаходиться в межах 6…11% відносно експериментальних значень. Шляхом чисельного моделювання гідродинаміки руху сировини при обертанні шнека виявлено характер впливу конструктивного виконання шнека на величину кута, який окреслює зону подачі сировини шнеком у різальний вузол. Встановлено, що шнекам із меншим кутом підйому витків α властиві як більші максимальні відносні деформації ε сировини в зоні перед різальним вузлом, так і вищі середні значення відносної деформації. Результати аналітичних досліджень дають можливість пояснити подачу сировини шнеком вовчка в межах локальної зони робочої площі решітки і, відповідно, запропонувати основні шляхи вдосконалення вовчків, які базуються на цьому ефекті. За допомогою проведення чисельних експериментів досліджено напружено-деформований стан ножів вовчка, які найчастіше використовуються на практиці та розробленої секторної конструкції, запропонованої на базі ефекту зональності подачі сировини в зону різання. Виявлено, що наявність силового кільця при однаковому навантаженні всіх лез незначним чином впливає на підвищення їх міцності. Це можна пояснити тим, що на усі леза ножа діє однакове навантаження, внаслідок чого вони деформуються на однакову величину, при цьому силове кільце намагається прокрутитися навколо осі обертання ножа, що не дозволяє йому з максимальною ефективністю підвищувати міцність лез. На основі отриманих результатів запропоновано ножі секторної конструкції зі зменшеною металоємністю, леза яких розташовані в межах кута βmax зони подачі сировини шнеком у різальний вузол. Застосування в будові ножа опорного леза підвищеної ширини разом із силовим кільцем дає змогу підвищити міцність лез на величину до 25% за допустимими значеннями коефіцієнту запасу міцності kz по еквівалентним напруженням. Внаслідок цього стає можливим розмістити в межах кута βmax більшу кількість лез та забезпечити їх належну міцність завдяки передачі частини зусилля, яке діє на вузькі леза, на опорне лезо. Представлено результати експериментальних досліджень процесів взаємодії робочих органів вовчків з сировиною. За допомогою відеозйомки процесу подачі м’ясної сировини шнеком вовчка крізь його різальний вузол встановлено, що сировина в кожний момент часу подається не по всій робочій площі решіток різального вузла, а лише в межах деякого сектора, величина якого залежить від конструктивних параметрів шнека та від структурно-механічних властивостей сировини. Подача сировини Q є максимальною в зоні наближення кінця витка шнека до різального вузла. Досліджено Вплив положення лез ножа в коловому напрямку відносно кінця витка робочого шнека на ефективність їх роботи для вовчків АЛ-130, МП-160, VVS-180, К6-ФВЗП-200, а також для установки для подрібнення м’ясної сировини на базі вакуумного шприца марки Handtmann VF 628. Встановлено, що при використанні однозахідного шнека кожне лезо ножа характеризується власною величиною зношування. Отримані результати підтверджують дані чисельного моделювання та відеозйомки про те, що за таких умов у кожний момент часу подача сировини в різальний вузол здійснюється не по всій площині решітки, а лише в межах певного сектора (з кутом 90…120°), величина якого визначається наближенням поверхні витка шнека до решітки. У той же час, при використанні як пристрою для подачі сировини двозахідного шнека або ексцентриково-лопатевого насосу леза ножа мають майже однаковий радіус закруглення, що свідчить про подачу сировини в кожний момент часу по всій площі решітки. Досліджено вплив напружено-деформованого стану м’ясної сировини (яловичини та свинини) на ефективність її подачі крізь решітки різального вузла. Отримані результати дають змогу пояснити подачу сировини шнеком вовчка в межах певного сектора площі решітки (сировина продавлюється крізь отвори решіток тільки при досягненні необхідного значення відносної деформації, що, в свою чергу, серед іншого, залежить від геометрії шнека). Вони можуть бути використані для визначення значень перепаду тиску і коефіцієнтів при розрахунках продуктивності вовчка. При виборі типу фаршевого насосу вовчка необхідно віддавати перевагу тому, в якому буде забезпечено найменшу відстань від нагнітального елемента до різального вузла. Таке виконання фаршевого насосу дасть можливість зменшити енерговитрати на процес продавлювання та покращити якість продукту, не піддаючи сировину надмірному стисканню. Уточнено кількісні значення структурно-механічних властивостей м’ясної сировини, яка найчастіше переробляється у вовчках (яловичина, свинина, м’ясо курки). Встановлено, що найбільший модуль осьового стискання властивий яловичині (456 кПа), для свинини та м’яса курки він набуває менших значень (144 та 108 кПа відповідно). Найбільше напруження стандартної пенетрації спостерігається для свинини (172 кПа), тоді як для яловичини та м’яса курки – 83 та 48 кПа відповідно. Аналогічним чином, найбільше напруження зрізу при різанні лезом з кутом загострення 90° спостерігається для свинини (467 кПа), тоді як для яловичини – 277 кПа, а для м’яса курки – 141 кПа. Отримані дані можуть бути використані при визначенні напруження пенетрації, напруження зрізу та модуля пружності м’ясної сировини при стисканні для вирахування коефіцієнта продуктивності вовчка. Було досліджено залежність значення продуктивності вовчків від конструктивних та кінематичних параметрів їх робочих органів. Отримані результати дозволили суттєво розширити уявлення про вплив основних конструктивних і кінематичних параметрів вовчка та структурно-механічних властивостей сировини на продуктивність процесу подрібнення. Перевірка підтвердила повну відсутність погіршення якості фаршів, отриманих на вдосконаленому обладнанні з підвищеною продуктивністю. Для більш точного визначення раціональних параметрів обладнання виконано статистичний аналіз впливу конструктивних і кінематичних параметрів робочих органів вовчка на його продуктивність за допомогою рототабельного центрально-композиційного планування (РЦКП) багатофакторного експерименту. Отримано коефіцієнти комплексного рівняння множинної регресії 2-го порядку: Визначено раціональні технологічні параметри роботи вовчка: Dр = 0,15…0,155 м; nш = 4,5…5,2 с-1; α = 4,8…5,5º; Sл = 0,001…0,0011 м2; Вр = 0,0075…0,0082 м. Встановлено, що при використанні двозахідного шнека продуктивність вовчка підвищується в 1,82 разу порівняно з однозахідним. Використання для подачі сировини ексцентриково-лопатевого насосу дає змогу підвищити продуктивність вовчка в 1,8…2,2 разу, причому як для решіток з великими, так і з малими отворами, для яких застосування двозахідного шнека не дає задовільних результатів через збільшення гідравлічного опору різального вузла. Результати експериментальних досліджень дали змогу запропонувати шляхи вдосконалення вовчків та визначити основні залежності, які можуть бути при цьому використані. Запропоновано методику розрахунку технологічних параметрів вовчків, опис розробок, здійснених на основі виконаних досліджень і спрямованих на поліпшення роботи вовчків, а також розрахунок техніко-економічної ефективності використання результатів виконаних досліджень. Запропонована методика визначення основних технологічних параметрів вовчків базується на використанні розроблених математичних виразів для визначення продуктивності вовчка, що дозволяє точніше визначати технологічні параметри машини з повнішим відображенням конструктивних особливостей залежно від її устрою. На основі результатів експериментальних досліджень розроблено нову конструкцію вовчка, яка дає змогу забезпечити вирішення таких задач: підвищення продуктивності процесу; надання можливості безступінчасто змінювати ступінь подрібнення сировини без зупинки вовчка; підвищення надійності роботи при переробці твердої та в’язкої сировини. Незважаючи на зазначені переваги схеми вона є конструктивно складною. Тому автором розроблено спрощену, більш компактну конструкцію вовчка, в якій досягається суттєво вища питома продуктивність порівняно з відомими аналогами. При цьому необхідні конструктивні зміни вовчка та зміни порядку його технічного обслуговування – мінімальні. Виконані в ході роботи розробки впроваджені на машинобудівному підприємстві ПП «Алнат» та на м’ясопереробному підприємстві ТОВ «Черкаська продовольча компанія», що підтверджено відповідними актами. Економічний ефект, залежно від застосованих технічних рішень (зменшення експлуатаційних витрат через застосування ножів меншої металоємності та меншої собівартості або зменшення капітальних вкладень та експлуатаційних витрат через зменшення кількості задіяних вовчків у технологічній лінії при підвищенні їх питомої продуктивності) та залежно від моделі вовчка, становить 3500…264000 грн для однієї одиниці обладнання.

The work is devoted to the increase of specific productivity of meat comminutors and to the decrease of their operation cost by ajusting the ways of feeding of meat raw material to the cutting unit and the design of the elements of the cutting unit. The dissertation on the basis of literary sources analysis and production experience synthesis shows the place and scientific and applied importance of the problem of increasing of comminutors work efficiency and their performance indicators. It is noted that, despite long-term use of these types of meat cutting machines and the research of the processes accompanying their work, the problems of improving comminutors structure and their performance indicators remain relevant. In well-known works, devoted to the study of comminutors work, there is no generally accepted approach for determining of their productivity. Existing techniques do not properly take into account the reduction in productivity due to the presence of reverse flow of raw material through the gap between screw turns and working cylinder, as well as along screw channel. A real absence of a thorough analysis of stress-strained state of ' knives, that limits the search for effective ways to increase their strength, is a significant problem. Despite the wide variety of designs of the devices for raw material feeding into the cutting unit of 's (which are mainly a single-screw pump), there are no designs that could significantly increase comminutor productivity by increasing the use of working area of cutting unit grids at each time point. Also there are no knive designs that would have significantly reduced cost, and therefore would result in reduced operating costs. The considered set of unresolved issues significantly impedes the further improvement of comminutors. Proceeding from this, the directions of research, the purpose and the main tasks of the dissertation work have been formulated. To conduct researches, AL-130, MP-160, VVS-180, K6-FVZP-200 comminutors, their cutting units, as well as a machine for meat material grinding based on Handtmann VF 628 vacuum syringe were selected. The study of comminutors productivity was carried out with the help of full-scale active experiments in production conditions. The process of studying the intensity of raw material feeding was carried out by filming the process of the output of meat raw material from comminutor cutting unit while feeding it with a screw. SONY Cyber-Shot DSC-S3000 digital video camera was used, the resulting video file turned into a series of frame-by-frame images using "Free video to jpg converter 5.0.99.823" software package. The received photographic images were analyzed, and the nature of the feeding of meat raw material by the last screw turn was determined. The influence of knife blades position in circular direction relative to the end of working screw turn on the efficiency of their work was determined by measuring the blunting of blade cutting edges. The blunting of cutting edges was evaluated according to the radius of their rounding by the method of imprints using MBS-9 double microscope. The received digital photos of the prints were analyzed using the personal computer and KOMPAS-3D V13 graphic program. Experiment planning was carried out using STATISTIC 10 software package. The processing of experimental data and the determination of regression equations, residues and correlation coefficient was performed using Curve Expert 1.3 software package. To study the dependence of hydraulic resistance of the cutting unit on its structural design, a laboratory stand consisting of TA.HDplus STABLE MICRO SYSTEMS texture analyzer and a special device installed in analyzer's operating claws was used. To determine structural and mechanical characteristics of meat raw material, CMT2503 electromechanical universal testing machine manufactured by Shenzhen SANS Testing Machine Co. (China) was used. An analytical study of relative deformation of raw material when feeding it with a comminutor screw was carried out on the basis of grid methods using FlowVision software system. An analytical study of stress-strained state of comminutor knives was carried out using T-Flex Analysis software system. The assessment of the processing quality was carried out by: comparing the measured values of raw material temperature before and after grinding using digital thermometer of RST 07841 brand; the determination of physical and mechanical properties of raw materials after grinding using the universal test machine SANS CMT2503; organoleptic evaluation of finished sausage products on their compliance with the requirements of normative documentation according to the current methodology in the field. The complex system of mathematical modeling of the processes of comminutor organs work is presented. The accuracy of obtained expressions on defining the productivity is within the range of 6 ... 11% relative to experimental values. By numerical modeling of the hydrodynamics of raw material movement during screw rotation the nature of the influence of screw structural execution on the magnitude of the angle, which outlines the zone of raw material feeding by the screw into the cutting unit, is revealed. It is established that screws with a smaller lifting angle of turns α are characterized by larger maximum relative deformations ε of raw materials in the zone before the cutting unit and by higher mean values of relative deformation. The results of analytical studies give an opportunity to explain raw material feeding with comminutor screw within the limits of the local zone of grid working area and, accordingly, to offer the main ways to improve comminutors, which are based on this effect. By conducting numerical experiments, the stress-strained state of meat comminutor knives, which are most often used in practice, and fundamentally new sector design, offered on the basis of zoning effect of raw material feeding into the cutting zone, are studied. It is found that the availability of a force ring at the same load of all blades slightly affects the increase in their strength. This can be explained by the fact that all knife blades are subjected to the same load, as a result of which they are deformed to the same value, while the force ring tries to scroll around the axis of knife rotation, which prevents it from maximal improving of the blades strength. On the basis of the obtained results, the knives of sectoral structure with a reduced steel intensity, the blades of which are located within the corner βmax of the zone of raw material feeding by the screw to the cutting unit, are offered. The application of supporting blade of increased width in the knife structure together with the force ring enables to increase the blades strength by a value up to 25% at the permissible values of safety factor coefficient kz according to equivalent stress. As a result, it is possible to place a larger number of blades within βmax angle and to ensure their proper strength through the transfer of part of the force, acting on narrow blades, to supporting blade. The results of experimental researches of the processes of interaction of comminutor working organs with raw materials are presented. By filming the process of meat raw material feeding with comminutor screw through its cutting unit it is established that raw material at each time point is not applied throughout the working area of the cutting unit grids, but only within a certain sector, the value of which depends on screw structural parameters and structural and mechanical properties of raw materials. The feeding of Q raw material is maximal in the zone of approaching the end of the screw turn to the cutting unit. The influence of the position of knife blades in a circular direction relative to the end of working screw turn on the efficiency of their work for meat comminutors AL-130, MP-160, VVS-180, K6-FVZP-200, as well as for the unit for grinding of meat raw material on the basis of vacuum Handtmann VF 628 syringe is investigated. It is found that when using a single-threaded screw, each knife blade is characterized by its own wear value. The obtained results confirm the data of numerical modeling and video filming that under such conditions, at any given time, the feeding of meat raw material to the cutting unit is carried out not on the entire grid area, but only within a certain sector (with an angle of 90…120°), the magnitude of which is determined by approximation of the surface of the screw turn to the grid. At the same time, when using as a device for raw material feeding of a two-threaded screw or eccentric impeller pump, knife blades have almost the same radius of curvature, that testifies to raw material feeding at each time point throughout the grid area. The influence of stress-strained state of meat raw material (beef and pork) on the efficiency of its feeding through the cutting unit grids is investigated. The obtained results make it possible to explain raw material feeding by comminutor screw within a certain sector of the grid area (the raw material is forced through the grid holes only when the required value of relative deformation is reached, which, in its turn, depends on a screw geometry). They can be used to determine the values of pressure difference and coefficients when calculating comminutor productivity. When choosing the type of a comminutor of minced meat pump, that one should be preferred which will provide the smallest distance from force element to the cutting unit. Such a performance of minced meat pump will reduce energy consumption on the process of forcing and improve the product quality without subjecting raw material to excessive compression. Quantitative values of structural and mechanical properties of meat raw material, which is most often processed in meat comminutors (beef, pork and chicken), are specified. It has been determined that the largest axial compression module is characteristic of beef (456 kPa), it takes lower values for pork and chicken (144 and 108 kPa, respectively). The highest stress of standard penetration is observed for pork (172 kPa), while for beef and chicken it is 83 and 48 kPa, respectively. Similarly, the greatest stress in the cut by a blade with an angle of 90° is observed for pork (467 kPa), while for beef it is 277 kPa, and for chicken it is 141 kPa. The obtained data can be used to determine the penetration stress, the cut stress and the modulus of elasticity of meat raw material when compressed to deduct the coefficient of comminutor productivity. The dependence of the value of comminutor productivity on structural and kinematic parameters of their working organs is investigated. The obtained results allow to significantly expand the concept of the influence of the main structural and kinematic comminutor parameters and structural and mechanical properties of raw material on the productivity of grinding process. The test has confirmed the complete absence of deterioration in the quality of minced meat obtained on advanced equipment with increased productivity. For a more precise definition of equipment rational parameters, a statistical analysis of the influence of structural and kinematic parameters of comminutor working organs on its productivity is performed with the help of rotatable central-composite planning (RCCP) of multifactorial experiment. The coefficients of complex multiple-regression equation of the 2nd order are obtained: The rational technological parameters of comminnnutor work are determined: Dp = 0,15...0,155 m; ns = 4.5...5.2 s-1; α = 4.8...5.5º; S1 = 0.001...0.0011 m2; Вр = 0,0075...0,0082 m. It is established that when using a two-thread screw, comminnnutor productivity increases by 1.82 times compared to single-thread one. The use of eccentric impeller pump enables to increase comminutor productivity in 1,8...2,2 times, both for grids with large and small openings, for which the use of two-thread screw does not provide satisfactory results due to the increase in hydraulic resistance of the cutting unit. The results of experimental studies allow to offer the ways to improve comminutors and to determine the main dependencies that can be used. The method for calculation of comminutor technological parameters, the description of developments carried out on the basis of the performed research and aimed at improving of comminutor work, as well as the calculation of technical and economic efficiency of the use of the performed research results is offered. The proposed method for determining the basic technological parameters of comminutors is based on the use of developed mathematical expressions to determine comminutor productivity, which allows to more accurately determine technological parameters of the machine with more complete reflection of design features, depending on its arrangement. Based on the results of experimental studies, a new comminutor design has been developed, which enables to solve such problems: the increase of process productivity; providing the opportunity to gradually change the degree of raw material grinding without stopping comminutors; the improvement of the reliability of the processing of solid and viscous raw materials. Despite the given advantages of the scheme, it is structurally complex. Therefore, the author has developed a simplified, more compact comminutor design, which achieves significantly higher specific productivity compared with the known analogues. At the same time, the necessary structural changes in the comminutor and changes in the order of its maintenance are minimal ones. Developments, completed in the course of the work, are implemented at private machine-building enterprise "Alnat" and meat processing plant LLC "Cherkasy food company", which is confirmed by the relevant acts. Economic effect, depending on the applied technical solutions (the reduction of operating costs due to the use of knives of less steel intensity and lower cost, or the reduction of capital investment and operating costs due to the reduction of the number of comminutors involved in the processing line with the increase in their specific productivity) and depending on comminutor model, is 3500...264000 UAH for one unit of equipment.