CC BY
35
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.171:635.61
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ОЧИЩЕННОЙ МЯКОТИ ПЛОДОВ БАХЧЕВЫХ
М.Н. Шапров, доктор технических наук, профессор Д.В. Сёмин, кандидат технических наук, доцент М.А. Садовников, старший преподаватель
Волгоградский государственный аграрный университет
В статье рассматриваются теоретические зависимости для определения силовых параметров процесса стесненного резания очищенной мякоти плодов бахчевых культур с учетом физико-механических свойств мякоти и конструктивных параметров рабочего органа.
Ключевые слова: бахчевые культуры, мякоть, ножевая решетка, стесненное резание, давление, деформация, усилие проталкивания.
Стандартную продукцию бахчевых культур в Нижнем Поволжье используют главным образом для транспортировки в более северные районы и крупные промышленные центры страны, а также для местного потребления в свежем виде. Плоды бахчевых широко используются для кормовых целей в животноводстве. Наряду с этим, бахчевые могут перерабатываться на различные продукты (соки, повидло, джемы, цукаты, семена, порошки, масло из семян, медицинские и ветеринарные препараты). Сдерживающим фактором при этом является низкая рентабельность из-за высокого процента использования ручного труда. Это связано не только со специфическими свойствами растений и плодов, но и с отсутствием специальных машин [6, 7].
В процессе переработки невозможно обойтись без такой операции, как резание. Для измельчения и резания мякоти плодов бахчевых культур используются установки различных типов. Когда к получаемому материалу не предъявляются особые требования, то, как правило, используются машины центробежного типа. Машины с дисковыми и пластинчатыми ножами применяются для получения продукта правильной формы (кусочки, столбики, брусочки и т.п.). При этом резание в разных плоскостях осуществляется разными группами ножей. Использование известных в перерабатывающей промышленности машин затруднено по разным причинам: из-за специфических физико-механических свойств мякоти, цикличности работы, сложности конструкции, невозможности получения продукта заданной формы. В результате проведенного анализа различных способов и машин, применяемых для резки овощебахчевого сырья, мы пришли к выводу, что наиболее оптимально процесс резания мякоти реализуется вращающимся барабаном, у которого ножи выполнены в виде решетки. Исходя из этого, нами была разработана конструкция соответствующей машины [1].
В процессе работы данной машины ломоть мякоти, защемленный в ячейке ножевой решетки, подвергается всестороннему сжатию (стеснению) гранями ножей при врезании решетки. Резание мякоти происходит в два этапа (рисунок 1). Сначала осуществляется врезание рабочих фасок лезвия ножа, давление при этом увеличивается от нуля до некоторого значения рвр. Затем одновременно осуществляется резание мякоти и перемещение защемленного куска вдоль боковых граней ножа. Т.к. ножи установлены по радиусу Я и наклонены друг к другу на угол а, то давление при заполнении ячейки решетки постепенно возрастает и достигает максимального
значения рпр при полностью заполненной ячейке. Длина Н ячейки и угол а должны обеспечивать наименее возможное сжатие мякоти и выдержку под давлением в течение короткого промежутка времени с целью получения упругого последействия при выходе из ячейки.
Физическая сущность процесса сжатия, знание которой необходимо для выяснения влияния различных технологических факторов на уплотнение мякоти плодов бахчевых является сложной и невыясненной. Основным показателем, характеризующим сжатие мякоти при резании, является плотность получаемых кусков. Она повышается по мере увеличения давления рабочих органов на сжимаемый материал. Для определения напряжений, действующих в деталях и механизмах машины, а также энергии, уходящей на сжатие, нужно знать усилие на рабочем органе, учитывающее как сопротивление материала сжатию, так и его трение о стенки ножевой решетки.
Рисунок 1 - Схема к расчету давления проталкивания мякоти плода через ячейки ножевой решетки
Для раскрытия взаимосвязи между плотностью мякоти и прикладываемым давлением примем следующие допущения [5]:
1) Начальная плотность мякоти одинакова во всем объеме ячейки.
2) Начальные напряжения в мякоти при отсутствии внешних нагрузок равны
нулю.
3) Плотность мякоти в процессе проталкивания возрастет непрерывно.
4) Усилия при статическом сжатии не зависят от скорости деформации.
Эти предпосылки и накопленный опыт [2, 3, 4] позволяют считать, что производная давления р по плотности является непрерывной, монотонно-возрастающей, линейной функцией последнего:
% = /00 = ар + ь, (1)
где а и Ь - коэффициенты линейного уравнения.
Проинтегрировав правую и левую часть этого уравнения в пределах от 0 до р и от до , получим зависимость давления от плотности в явном виде:
р = С ■ ( ев(Р-Р° } - 1 ), (2)
где С = Ь/а .
Величина представляет собой приращение начальной плотности материала при давлении, равном С ■ (е — 1 ). Таким образом, коэффициенты 0 и С зависят от физико-механических свойств материала и характеризуют его сопротивление сжатию.
Под давлением опорного вальца в сжимаемом материале возникают усилия, действующие параллельно оси ячейки. Мякоть сжимается в направлении действия опорного вальца и стремится расшириться перпендикулярно этому направлению. Стенки ячейки препятствуют расширению, вследствие чего возникает боковое давление на стенки. Предположим, что зависимость бокового давления от осевого выглядит как показано на рисунке 2. Пока отсутствует осевое давление, нет и бокового, то есть кривая проходит через начало координат. Затем по мере увеличения осевого давления, кривая выпрямляется, так как плотность материала повышается, и он по своим свойствам приближается к упругому твердому телу. Характер этой зависимости при малых значениях можно определить только экспериментально. Предположим, что кривая, изображающая зависимость и , лежит ниже указанной прямой и приближается к ней. Поэтому зависимость бокового давления от осевого считаем линейной во всем интервале изменения осевого давления:
Ч = /ф . (3)
где / - коэффициент бокового давления при нагрузке.
Доведя осевое давление до некоторого значения р , уменьшим его до нуля. Боковое давление при этом не упадет до нуля, а сохранит некоторое значение Зависимость при разгрузке можно записать так:
Ч = Ч о + / 1Р > (4)
где / 1 - коэффициент бокового давления при разгрузке.
А
//
Р
Рисунок 2 - Зависимость бокового давления q от осевого р
Первое слагаемое выражает остаточное боковое давление на стенки ячейки, обусловленное упругим расширением сжатого материала. В момент остановки, когда увеличение деформации материала прекращается, не зависит от осевого давления. Второе слагаемое представляет собой боковое давление, вызываемое осевым, то есть оно является функцией от р.
В момент остановки левые и правые части выражений (3) и (4) равны. Откуда
¡1
V
(5)
Чтобы определить сопротивление ячейки прямоугольного сечения с наклоном двух противоположных стенок, составим дифференциальное уравнение равновесия элементарного слоя сжатого материала. При этом будем иметь в виду, что на расстоянии от начала ячейки две стороны его сохраняют свой начальный размер , а две другие будут иметь размер а0 — 2 ■ г ■ Ьда. Сила трения (рисунок 3) на стенке, параллельной оси канала, будет оу = / ■ qx ■ 2 ( а0 — 2 ■ г ■ Ь да)с1 г.
На стенки, наклоненные к оси ячейки под углом , действуют силы: нормальные , тангенциальные
Qx = qx■dг■ а 0 ■ б 1 п а и силы трения Р =/■ Qn = /■ qx ■ Сг ■ а 0 ■ с о б а.
Рисунок 3 - Схема сил, действующих на элементарный слой мякоти, защемленной в ячейке ножевой решетки
Условие равновесия элементарного слоя будет иметь вид:
рг ■ а0( а0 — 2 ■ г ■ Ьд а) — (рг + Ср2)а0( а0 — 2^ г ■ Ьд а) —
-2¥гоу - - 2<?т = О 4
После соответствующих преобразований и замены qx = ¡J.pz + q0 получаем дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными, общим решением которого является формула
1 /cosa+sina
1n(/upz + q0У + 1nC = - — z + 1 n(z • 2 tga - a0 ) ^ , (7)
a0
где C - постоянная интегрирования.
После некоторых преобразований получаем
2f (fc о sa+s i na)ii
Pz = C • e a oz • (z^ 2 tg a-a о) ^ -q о (8)
Подставляя начальные условия и находим значение постоянной
интегрирования
C =__ (9)
(fc о s a+s i n a)n \ f
(H • 2 tg a-a0) №
Полученная зависимость давления проталкивания мякоти через ячейку прямоугольного сечения с наклоном двух противоположных стенок от длины ячейки позволяет с достаточной для практических расчётов точностью определить силовое воздействие рабочих граней ножевой решетки на защемленную мякоть.
Библиографический список
1. Машина для резания очищенной мякоти плодов бахчевых культур [Текст] : пат. 2426463 Российская Федерация, МПК7 A23N15/00, B26D3/26. / М.Н. Шапров, В.Г. Абезин, Д.В. Сёмин, М.А. Садовников; заявитель и патентообладатель Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия - №2010107532/13; заявл. 01.03.10; опубл. 20.08.2011, Бюл.№23. - 2 с.
2. Овчаров, П.М. Разработка технологического процесса выделителя семян тыквенных культур и обоснование параметров его отделяющего аппарата [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук: / П.М. Овчаров. - Волгоград, 1984. - 25 с.
3. Особов, В.И. Механическая технология кормов [Текст]/ В.И. Особов. - М.: Колос,
2009. - 334 с.
4. Особов, В.И. Теоретические основы уплотнения волокнистых растительных материалов [Текст]/ В.И. Особов // Труды ВИСХОМа. - М., 1967. - Вып. 55. - С. 221-265.
5. Садовников, М.А. Обоснование конструктивно-технологических параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых при переработке на цукаты [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук / М. А. Садовников. - Волгоград, 2012. - 24 с.
6. Формирование технологического потока при переработке плодов бахчевых культур [Текст]/ М.Н. Шапров, Д.В. Семин, М.А. Садовников, А.В. Кузнецов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. -
2010. - № 1 (17). - С. 140-146.
7. Шапров, М.Н. Технологии и технические средства для первичной переработки плодов тыквы: монография [Текст]/ М.Н. Шапров. - Волгоград: ИПК ФГОУ ВПО ВГСХА «Нива», 2010. - 136 с.
E-mail: [email protected]
