Батраченко О. В. Науково-практичні основи вдосконалення машин для подрібнення м'ясної сировини: дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук: 05.18.12 – Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

Abstract

Дисертація присвячена розробці науково-практичних основ вдосконалення машин для подрібнення м'ясної сировини, а саме кутерів, вовчків і емульситаторів, на базі вироблення і використання концепції вдосконалення машин для подрібнення м’ясної сировини, яка ґрунтується на взаємоузгодженні гідродинаміки сировини, процесу її подрібнення, напружено-деформованого стану та параметрів зношування робочих органів машин. Наукова гіпотеза роботи полягає у тому, що конструктивні та кінематичні параметри робочих органів визначають характеристики процесу подрібнення та гідродинаміку сировини під час обробки та після її контакту з робочим органом. В той же час гідродинаміка сировини впливає на рівень її стискання, нагрів, процес руйнування при подрібненні, силове навантаження робочих органів. Конструкція і кінематика робочих органів спільно з їх взаємодією із сировиною визначає їх зношування, статичну, втомну, вібраційну, ударну міцність та корозійну стійкість. Виявлення та розкриття означених системних зв'язків в даних машинах створює умови для ефективного подальшого розвитку кутерів, вовчків і емульситаторів у нових напрямках, які до цього часу були не явними, через що вдосконалення обладнання суттєво стримувалось. У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, показаний її зв'язок з науковими темами ЧДТУ, сформульовано наукову гіпотезу, мету, задачі, об’єкт і предмет досліджень, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, вказано відомості про їх практичне впровадження, основний внесок здобувача, публікації та відомості щодо апробації матеріалів дисертаційної роботи. В першому розділі здійснено аналіз результатів відомих досліджень робочих процесів в машинах для подрібнення м'ясної сировини, а також основні можливості їх сучасних моделей. З’ясовано, що, незважаючи на багаторічне використання кутерів, вовчків і емульситаторів та дослідження робочих процесів в них, проблеми підвищення питомої продуктивності цих машин, якості обробки сировини, зносостійкості та працездатності робочих органів і надалі залишаються актуальними. Виявлено, що відомі підходи до процесу отримання нових рішень в техніці діляться на дві основні групи, які засновані на використанні наукових досліджень та положень теорії вирішення винахідницьких задач. Їх окреме використання не дозволяє вирішити задачі зі складними технічними протиріччями. Проведений аналіз дозволив сформулювати задачі досліджень. В другому розділі наведено методики проведення досліджень та обробки отриманих результатів, описано використовуване технологічне, лабораторне та вимірювальне обладнання, наведені оцінки достовірності отриманих результатів. В якості досліджуваного технологічного обладнання використовувались м'ясорізальні вовчки АЛ-130, МП-160, VVS-180, К6-ФВЗП-200, кутери Laska KR 200-2V, Laska KR-330-2V, емульситатор Karl Schnell FD175, вакуумний шприц HandtmannVF 628 та їх різальні комплекти. Високошвидкісна відеозйомка здійснювалась за допомогою комплекту обладнання, основою якого була цифрова відеокамера Sony FS700. Аналіз отриманого відеофайлу здійснювався із використанням програми "Free Video to JPG Converter 5.0.99.823". Дослідження структурно-механічних властивостей сировини проводилось із використанням універсальної випробувальної машини CMT 2503 Інституту продовольчих ресурсів НААН України. Температура сировини визначалась за цифрового термометра марки RST 07841, а також за допомогою цифрового тепловізору ULІRvіѕіоn ТІ384. Твердість різального інструменту та дослідних зразків за допомогою твердоміра ТК-2М. Ударна в'язкість зразків вимірювалась за допомогою маятникового копра МК-30А. Для вимірювання шорсткості поверхонь різального інструменту та дослідних зразків використовувався профілометр TIME 3221. При визначенні радіуса закруглення різальних кромок різального інструменту машин використовувався оптичний мікроскоп МБС-9. При дослідженні втомної міцності зразків використовувалась вібраційна електродинамічна установка ВЭДС-200А Інституту проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України. Імпульсно-плазмове зміцнення різального інструменту та нанесення зносостійких покриттів здійснювалось на установці «ИМПУЛЬС» лабораторії Інституту електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України. Поверхневе зміцнення дослідних зразків проводилось шляхом високочастотного механічного проковування за допомогою установки PWI-IPM Інституту електрозварювання ім. Є. О. Патона. Планування експериментальних досліджень та аналіз їх результатів проводились із використанням теорії планування експерименту та прикладної статистики, зокрема із використанням програмного комплексу STATISTIC та програми CurveExpert 1.3. Дослідження гідродинаміки сировини чисельними методами проводилось із використанням методу скінченних елементів за допомогою САЕ програмного забезпечення FlowVision та SolidWorks FlowSimulation. Дослідження напружено-деформованого стану різального інструменту машин здійснювалось з використанням програмного комплексу SolidWorks Simulation. Оцінка якості обробки сировини проводилась із використанням лабораторного обладнання та шляхом проведення органолептичного оцінювання отриманих фаршів та готових ковбасних виробів. Також у другому розділі наведено розроблені методологічні засади розвитку вовчків, кутерів і емульситаторів. Запропоновано використовувати науково-винахідницький біном, як методологічний базис для вирішення технічних задач зі складними протиріччями. Науково-винахідницький біном являє собою системне взаємоінтегроване поєднання наукових досліджень та методологічних засобів аналізу і вирішення технічних протиріч. На основі використання науково винахідницького біному розроблено концепцію вдосконалення машин для подрібнення м’ясної сировини. Третій розділ містить результати досліджень гідродинаміки сировини в робочих зонах кутерів, вовчків і емульситаторів. Виявлено характер взаємодії ножів кутера із замороженою сировиною на початкових та серединних стадіях її подрібнення. Встановлено, що при швидкісному подрібненні м’ясної сировини ніж кутера не контактує з нею однією зі своїх бокових поверхонь, що суттєвим чином розширює уявлення про пошук ефективних шляхів підвищення міцності ножів кутера. Досліджено вплив конструктивних і кінематичних параметрів ножів кутера на винесення сировини із зони подрібнення за рахунок адгезійної взаємодії ножів із сировиною. Уточнено відомості про зносостійкість різних ножів ножової головки кутера. Досліджено гідродинаміку м’ясної сировини в робочих зонах вовчків і емульситаторів, встановлено закономірності руху сировини в залежності від конструкції та швидкості обертання різального інструменту та залежно від конструкції робочих зон даних машин, а також залежно від фізико-механічних параметрів м’яса та напівфабрикатів. Виявлено, що шнек вовчка подає сировину в кожен момент часу в межах локального сектору, величина якого визначається, насамперед, наближенням витка шнеку до решіток різального механізму. Доповнено положення про залежність продуктивності роботи м'ясорізального вовчка від конструкції різального інструменту та шнеку, від частот їх обертання, а також від фізико-механічних параметрів м'ясної сировини. Уточнення величини напруження зрізу, напруження стандартної пенетрації та модуля осьового стискання яловичини, свинини та м'яса курки. Наявність у емульситаторів горизонтального живлячого патрубку обумовлює суттєве зменшення продуктивності переробки сировини та підвищення її нагріву при подрібненні. Виявлено залежність впливу кінематичних параметрів сировини та конструктивних і кінематичних параметрів робочих органів емульситатора на ефективність переробки сировини в ньому. Уточнено значення структурно механічних властивостей основних видів м’ясної сировини, яка найчастіше переробляється в емульситаторах. В четвертому розділі наведено результати досліджень напружено деформованого стану, витривалості і зносостійкості робочих органів кутерів, вовчків і емульситаторів. Чисельним моделюванням встановлено значення тисків, які діють на ножі кутера за різних умов їх роботи. Шляхом математичного моделювання із використанням чисельних методів досліджено статичну міцність ножів кутера. Встановлено, що ножі кутера всіх досліджених типів при використанні їх в сучасних високошвидкісних машинах працюють в області частот коливань, наближених до резонансу. Проведено комплекс експериментальних та теоретичних досліджень границі витривалості ножів кутера. Виявлено, що їх геометрична форма суттєвим чином впливає на границю витривалості при знакозмінних навантаженнях. За допомогою проведення обчислювальних експериментів встановлено значення напружень в ножах м'ясорізального вовчка. Виявлено, що в разі дії однакового зусилля на всі леза застосування кільця жорсткості без леза підвищеної ширини не дозволяє значно зменшити напруження в лезах. Виявлено, що залежність напружень та деформацій в решітках від їх товщини носить лінійний характер. Дослідження напружено-деформовано стану решіток емульситатора з радіальними ребрами жорсткості дозволили встановити, що найбільш напруженими ділянками решітки є місця кріплення ребер жорсткості до зовнішнього кільця жорсткості. Експериментальне дослідження зносостійкості різального інструменту вовчків дозволило виявити, що одним із суттєвих чинників зношування різальних окрайків лез ножів та отворів решіток є осьова подача м'ясної сировини шнеком вовчка. Зношування робочого циліндру вовчка є надто неоднорідним як в коловому напрямку так і в осьовому. Встановлено, що однією з причин істотного зношування циліндру та шнеку є їх систематичне взаємне тертя на початку та в кінці кожної робочої зміни при встановленні та знятті шнеку. Дослідження зносостійкості лез ножів та отворів решіток емульситаторів у виробничих умовах дозволило встановити, що величини їх зношування збільшується квадратично із збільшенням радіусу розташування точки вимірювання. В п’ятому розділі описано розроблені заходи з підвищення ефективності обробки сировини. Використання ножа кутера, який має заглиблення відповідної ширини, призводить до покращення емульгування сировини при виготовленні безструктурних ковбасних виробів. Конструкція ножа кутера зі зменшеною площею контакту із сировиною дозволяє зменшити інтенсивність нагріву сировини, зменшити витрати енергії на тертя ножів об сировину, підвищити продуктивність кутера. Будова ножа, який встановлюється в ножовій головці кутера з від’ємним кутом атаки дозволяє максимально ефективно знизити нагрів сировини та збільшити кількість сировини для подрібнення наступними ножами ножової головки. Використання в ножі кутера додаткових серповидних лез дозволяє інтенсифікувати подрібнення фаршів сирокопчених ковбас. Реалізація змінного кута різання в ножах кутера дозволяє інтенсифікувати процес кутерування. Доцільно інтенсифікувати процес кутерування шляхом корисного використання кінетичної енергії сировини при її русі в зоні обробки. Для реалізації такого підходу розроблено пристрої статичного та динамічного типів. Нова конструкція ножової головки дозволяє підвищити питому продуктивність кутера за рахунок гальмування сировини всередині ножової головки самими ножами ножових блоків. Підвищення питомої продуктивності вовчка досягається за рахунок використання двох ступеней подрібнення, одна з яких має пристрій для подачі сировини у вигляді шестеренного насосу. Це дозволяє забезпечити одночасну подачу сировини по усій площі решіток різального вузла і таким чином збільшити продуктивність машини на величину до 84%. Підвищення питомої продуктивності досягається і за рахунок використання трьох і двохзаходним шнеків спеціальної будови. Решітка вовчка збірної конструкції зі змінними пластинами малої товщини дозволяє зменшити її гідравлічний опір, покращити якість обробки сировини та зменшити витрати на придбання такого різального інструменту. Підвищення питомої продуктивності емульситатора в 1,4 рази та зменшення нагріву сировини при подрібненні на 4º С запропоновано досягти використанням бункеру нової конструкції та нагнітача. Запропоновано новий шлях зменшення нагріву сировини в емульситаторі – зменшення площі тертя ножів по перфорованим решіткам за рахунок використання кільцевих елементів жорсткості в решітках та лез ножів із відповідними пазами. Також в п`ятому розділі наведено розроблені рішення з підвищення працездатності робочих органів машин для подрібнення м'ясної сировини. Запропоновано спосіб зміцнення ножів кутера, заснований на використанні поверхневого зміцнення шляхом високочастотного проковування, здатний підвищити границю витривалості ножів кутера до 2,5 разів. Запропоновано, а також обґрунтовано можливість і доцільність підвищення міцності ножа кутера шляхом його виконання перемінної товщини. Використання захисного піддону дозволяє зменшити зношування шнеку та робочого циліндру вовчка. Розроблено нову конструкцію збірної решітки вовчка зі змінними пластинами. Запропоновано розміщувати леза в ножах вовчка лише в зонах інтенсивного нагнітання сировини шнеком, чим значно зменшується металоємність ножів. Розроблено новий шлях підвищення міцності лез - застосовувати опорне лезо. Використання кільця жорсткості в конструкції перфорованих решіток емульситатора дозволяє зменшити максимальні напруження на 36%. Зносостійкість різального інструменту вовчка запропоновано підвищувати шляхом нанесення зносостійких покриттів. Так застосування металокерамічного покриття марки WC-Co 88/12 підвищує зносостійкість ножів вовчка в 2,6-3,2 рази. Покриття марки WC-Co 88/12 підвищує зносостійкість лез ножів емульситатора в 2,8-3,4 рази. Технічні рішення, розроблені в даній роботі впроваджені у виробництво на м'ясокомбінаті ТОВ «Черкаська продовольча компанія», що засвідчують акти впровадження.

The dissertation is devoted to the development of scientific and practical bases for improving machines for grinding of raw meat, namely bowl cutters, meat grinders and emulsifiers, based on the development and use of the concept of improving machines for raw meat grinding, which is based on the coordination of raw material hydrodynamics, grinding process, stress-strain state and wear parameters of the working elements of machines.The scientific hypothesis of the work is that the constructive and kinematic parameters of the working elements determine the characteristics of the grinding process and the hydrodynamics of the raw material during processing and after its contact with the working element. At the same time, the hydrodynamics of raw material affects the level of its compression, heating, the process of destruction during grinding, the force load of the working elements. The construction and kinematics of working elements together with their interaction with raw material determine their wear, static, fatigue, vibration, impact strength and corrosive resistance. Identification and disclosure of these system connections in these machines creates conditions for the rapid further development of bowl cutters, meat grinders and emulsifiers in new directions, which until now were not obvious, due to this the improvement of equipment was significantly restrained. In the introduction, the topicality of the dissertation work is substantiated, its connection with scientific topics of Cherkasy State Technological University is shown, a scientific hypothesis, a purpose, tasks, an object and subject of research are formulated, the scientific novelty and practical significance of the obtained results are given, information on their practical implementation, the main contribution of the applicant, publications and information concerning the approbation of the materials of the dissertation work are stated. In the first chapter the results of known studies of work processes in machines for raw meat grinding were implemented, as well as the main abilities of their modern models. It was found that, despite the long-term use of bowl cutters, meat grinders and emulsifiers and the study of work processes in them, the problems of improving the specific productivity of these machines, quality of raw material processing, wear resistance and working capacity of working elements remain actual in the future. It was revealed that famous approaches to the process of obtaining new solutions in technology are divided into two main groups, which are based on the use of scientific research and the concepts of the theory of solving inventive problems. Their separate use does not allow to solve problems with difficult technical contradictions. The analysis allowed to formulate research objectives. The second chapter presents methods of research and processing of the obtained results, describes the used technological, laboratory and measuring equipment, gives estimates of the reliability of the obtained results. As the studied technological equipment meat grinders АЛ-130, МП-160, VVS-180, К6-ФВЗП-200, bowl cutters Laska KR-200-2V, Laska KR-330-2V, an emulsifier Karl Schnell FD 175,an installation for raw meat grinding based on a vacuum syringe of the trade mark Handtmann VF 628 and their cutting sets were selected. High-speed video filming was performed using a set of equipment the base of which was a digital video camera SonyFS700. The analysis of there ceived video file was carried out using the program "Free Video to JPG Converter 5.0.99.823". The research of structural and mechanical properties of raw material was performed using a universal test machine CMT 2503 of Food Resources Institute of the National Academy of Agrarian Sciences of Ukraine. The temperature of the raw material was determined by a digital thermometer of the trademark RST07841, as well as using a digital thermovision display device ULІRvіѕіоn ТІ384. Hardness of the cutting instrument and experimental samples were determined with the help of the hardness gauge ТК-2М. Impact strength of the samples was measured using a pendulum copra МК-30А. A profilometer TIME3221 was used to measure the surface roughness of the cutting instrument and test specimens. The МБС-9 optical microscope was used to determine the rounding-off radius of the cutting edges 11 of the cutting instrument of machines. In the research of fatigue strength of samples there was used a vibrational electrodynamic installation ВЭДС-200А of the Institute for Problems of Strength named after G.S. Pysarenko of National Academy of Sciences of Ukraine. Pulsed-plasma reinforcement of the cutting instrument and application of wear-resistant coverings were carried out on installation «IMPULSE» of the laboratory of the Institute of Electric Welding named after E.O. Paton of the National Academy of Sciences of Ukraine. Surface strengthening of the test specimens was performed by high-frequency mechanical forging using the installation PWI-IPM of the Institute of Electric Welding named after E.O. Paton. Experiment planning and processing of experimental research results were carried out on the basis of experimental planning theory and applied statistics using a software package STATISTIC 10 and program CurveExpert 1.3.The study of the hydrodynamics of raw material by numerical methods was carried out on the basis of network methods using software packages FlowVision and SolidWorks FlowSimulation. The study of the stress-strain state of the cutting instrument of machines was implemented using a software complex SolidWorks Simulation.Assessment of the quality of raw material processing was carried out using laboratory equipment and by conducting organoleptic evaluation of the obtained minced meat and finished sausage products. There is a worked out methodological framework of the development of meat grinders, bowl cutters and emulsifiers in the second chapter as well. It is proposed to use the scientific-inventive binomial as a methodological basis for solving technical problems with complicated conflicts. The scientific-inventive binomial is a system defined mutually integrated combination of scientific research and methodological tools of analysis and resolution of technical contradictions. Based on the use of scientific inventive binomial, the concept of improving machines for raw meat grinding has been developed. The third chapter contains the results of studies of the hydrodynamics of raw material in the working zones of bowl cutters, meat grinders and emulsifiers. The nature of interaction of bowl cutter knives with frozen raw material at the initial and middle stages of grinding was revealed. It was established that during high-speed grinding of raw meat, the bowl cutter knife does not come into contact with it by one of its side surfaces, which significantly expands ideas of the search for effective ways to increase the strength of the bowl cutter knives. The influence of constructive and kinematic parameters of bowl cutter knives on removal of raw material from the grinding zone due to the adhesive interaction of knives with raw material was investigated. The information on wear resistance of various knives of a bowl cutter knife head is specified. The hydrodynamics of raw meat in the working zones of meat grinders and emulsifiers was studied, regularities of raw material movement were established depending on constructive and kinematic parameters of working elements and working zones of these machines and structural-mechanical properties of raw meat. It was found that the screw of the meat grinder feeds the raw material at every time within the local sector, the value of which is determined primarily by the approximation of the flight screw to the hole plates of the cutting mechanism. The provision on the influence of the main constructive and kinematic parameters of the meat grinder and the structural and mechanical properties of the raw material on the productivity of the grinding process was supplemented. Quantitative values of the axial compression modulus, standard penetration stress and shear stress of the main types of raw meat processed in the meat grinders were specified. The presence of a horizontal feed pipe in the emulsifiers causes a significant reduction in the productivity of processing of raw material and increase its heating during grinding. The dependence of the influence of the kinematic parameters of the raw material and the constructive and kinematic parameters of the working elements of the emulsifier on the efficiency of raw material processing in it was revealed. The value of structural and mechanical properties of the main types of raw meat, which is most often processed in emulsifiers, was clarified. In the fourth chapter, the results of studies of the stress-strain state, endurance and wear resistance of the working elements of bowl cutters, meat grinders and emulsifiers are presented. The value of the pressures acting on the bowl cutter knives under different operating conditions was established by numerical modelling. The static strength of the bowl cutter knives was investigated by mathematical modelling using numerical methods. It was established that bowl cutter knives of all studied types, when used in modern high-speed machines, work in the range of oscillation frequencies close to resonance. A set of experimental and theoretical studies of the endurance limit of bowl cutter knives was carried out. It was found that their geometric shape significantly affects the endurance limit under alternating loads. By applying numerical simulation, the stress-strain state of the meat grinder knife blades was explored. It was determined that, in contrast to the known assumptions, at equable load of knife blades, use in a design of only a power ring (without a bearing blade) does not lead to essential increase in durability of blades. It was found out that the dependence of stresses and strains in hole plates on their thickness has a linear character. Investigations of the stress-strain state of the emulsifier hole plates with radial rib stiffeners allowed us to establish that the most stressed sections of the hole plate are the attaching points of the rib stiffeners to the outer ring of hardness. Experimental study of the wear resistance of the cutting instrument of the meat grinders revealed that one of the significant factors in the wear of the cutting edges of the blades of knives and holes of the hole plates is the axial feed of raw meat by the screw of the meat grinder. Wear of the working cylinder of the meat grinder is too heterogeneous both in the circular direction and in the axial direction. We discovered that one of the reasons for significant wear of the cylinder and the screw is their systematic mutual friction at the beginning and end of each work shift during the installation and removal of the screw. The research of wear resistance of knife blades and holes of emulsifier hole plate sin production conditions made it possible to establish that the quantities of their wear increase exponentially with an increase in the radius of the location of the measurement point. The fifth chapter describes the measures developed to improve the effectiveness of raw material processing. Use of a bowl cutter knife, which has a deepening of appropriate width, leads to the improvement of raw material emulsification in the manufacture of structure less sausage products. The construction of the bowl cutter knife with the reduced area of contact with raw material allows to reduce intensity of raw material heating, to reduce expenses of energy for friction of knives on raw material, to increase productivity of the bowl cutter. The structure of the knife, which is installed in the knife head of the bowl cutter with a negative attack angle permits you to reduce most effectively the heating of raw material and increase the amount of raw material for grinding by the next knives of bowl cutter knife head. The use of additional crescent-shaped blades in the bowl cutter knife lets us intensify the grinding of minced meat of uncooked smoked sausages. The implementation of an alternating cutting angle in the bowl cutter knives allows you to intensify the cutting process. It is advisable to intensify the cutting process by making good use of the kinetic energy of raw material during its movement in the processing zone. Devices of static and dynamic types were developed to realize this approach. The new construction of the knife head enables to increase the specific productivity of the bowl cutter by slow downing the raw material inside the knife head by the knives of the knife blocks. The rise in the specific productivity of the meat grinder is achieved through the use of two stages of grinding, one of which has a device for raw material feeding in the form of a geared pump. This allows to provide the simultaneous feed of raw material over the entire area of the hole plates of the cutting unit and thus enlarge the productivity of the machine up to 84%.The increase in specific productivity can be achieved through the use of three- and two-flighted screws of special structure. The meat grinder hole plate of a fabricated structure with replaceable plates of small thickness allows to reduce its hydraulic resistance, to improve quality of raw material processing and to reduce expenses for acquisition of such cutting instrument. It was proposed to raise the specific productivity of the emulsifier by 1.4 times and to decrease the raw material heating during grinding by 4º C by using a loading tray of a new design and a feeder. A new way of declining the raw material heating in the emulsifier was offered –reducing the area of friction of knives on the perforated hole plates due to the use of circumferential stiffeners in the hole plates and knife blades with appropriate grooves. In the fifth chapter the developed decisions on increase of working capacity of working elements of machines for raw meat grinding are given as well. A proposed method of strengthening the bowl cutter knives, based on the use of surface hardening by high-frequency forging, is able to increase the endurance limit of the bowl cutter knives up to 2.5 times. The possibility and expediency of increasing the strength of the bowl cutter knife by performing it of variable thickness were offered and substantiated too. Applying of a protective tray (pallet) enables to reduce the wear of the screw and the working cylinder of the meat grinder. A new design of a fabricated hole plate of the meat grinder with replaceable plates was worked out. It was proposed to place the blades in the knives of the meat grinder only in zones of intensive feed of raw material by the screw, which significantly reduces the metal consumption of the knives. A new method of increasing the strength of the blades was developed – using a bearing blade. Use of a stiffening ring in the design of perforated hole plates of the emulsifier allows to reduce the maximum stresses by 36%. It is proposed to rise the wear resistance of the cutting instrument of the meat grinder by applying hardwearing coverings. So the use of metal-ceramic coating of the trademark WC-Co 88/12increases the wear resistance of the meat grinder knives by 2.6-3.2 times. Coating of the trademark WC-Co 88/12 increases the wear resistance of the blades of the emulsifier knives by 2.8-3.4 times. The developments carried out in the course of the work were implemented at the meat processing enterprise Cherkasy Food Company LLC that was confirmed by the relevant acts.