УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ РЫБНОГО ФИЛЕ НА ЛОМТИКИ
DEVICE FOR CUTTING FISH FILLET INTO SLICES

Изобретение относится к рыбной промышленности, а более конкретно, к области автоматизированного оборудования для резки рыбного филе на ломтики, и может найти применение на береговых рыбообрабатывающих предприятиях и судах промыслового флота.
В настоящее время одним из наиболее востребованных продуктов рыбной отрасли является обесшкуренное рыбное филе. Экономически выгодным является изготовление порционированного филе, нарезанного на ломтики. Наиболее привлекательными и доступными для потребителей являются ломтики филе, имеющие малую толщину и небольшой вес.
Исходным сырьем при этом являются обесшкуренные рыбные филейчики, полученные при машинном филетировании рыбы и обесшкуривании филе. Готовым продуктом являются ломтики рыбного филе, предназначенные для дальнейшей упаковки, охлаждения, транспортировки и реализации потребителю. Процесс резки филе на ломтики оказывает существенное влияние на качество и потребительские достоинства готового продукта. Резка филе вручную является очень трудоемким и травмоопасным процессом, в связи с чем требуется соответствующее технологическое оборудование. Таким образом, большое значение имеют технологические возможности, эффективность и качество работы оборудования для нарезки на ломтики рыбного филе.
Основными проблемами реализации процесса машинной резки филе являются следующие:
- обеспечение высокой точности разрезания филе на ломтики, имеющие привлекательный внешний вид, а также заданные толщину и ширину, зависящие от вида рыбы;
- обеспечение высокого качества поверхности реза без выхватов мяса и неровностей;
- повышение производительности процесса порционирование и снижение расхода электроэнергии.
От величины механического воздействия на мышечную ткань рыбы существенно зависит качество готовой продукции, поскольку при силовых нагрузках снижается влагоудерживающая способность филе, снижается эластичность и прочность тканей, возрастают потери массы при хранении, увеличивается содержание азота летучих оснований, ухудшаются органолептические оценки качества мяса. Вместе с вытекающим мышечным соком при обработке и хранении рыбы теряются вкусовые и питательные вещества (белки, азотистые и минеральные вещества).
Сопротивление движению ножа, как результирующая сила, противодействующая равномерному движению лезвия в продукте, возникает вследствие динамического взаимодействия между поверхностью режущего органа и мышечной тканью филе. Сила сопротивления резанию зависит от геометрической формы профиля режущего органа и реологических параметров сырья. При одинаковой массе ножа и заданной скорости резания требуемая движущая сила будет тем больше, чем больше сила сопротивления, поскольку обе эти силы являются противодействующими. При прочих равных параметрах затрачиваемая мощность привода и качество поверхности реза целиком зависит от сил сопротивления. Следовательно, с ростом сопротивления резанию и увеличением шероховатости среза ухудшается качество продукции, происходят потери массы из-за снижения влагоудерживающей способности ткани, увеличиваются эксплуатационные расходы, повышается себестоимость рыбных изделий, понижается рентабельность производства. Вместе с тем для заданной консистенции филе существует наилучшая форма профиля ножа, при которой силы сопротивления являются минимальными. Таким образом, для обеспечения ресурсосбережения при резании рыбы необходимо использовать режущий инструмент с наилучшей формой профиля, которая обеспечивает минимальное сопротивление резанию при данных реологических параметрах сырья.
Известно устройство для резки на ломтики пищевых продуктов (RU №341460, МПК А22С 25/18, опубл. 14.06.1972 г.), состоящее из подающего транспортера, каретки с режущим инструментом и прижимного механизма. Режущий инструмент выполнен двухсекционным, причем секции расположены в разных плоскостях. Каретка установлена с возможностью возвратно-поступательного движения в соответствии с профилем копира, а прижимной механизм кинематически связан с кареткой. Устройство позволяет резать рыбное филе скошенным резом на ломтики заданной толщины.
К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие измерительного блока, позволяющего получать и обрабатывать информацию о размерах филе. В устройстве рез осуществляется пластинчатым ножом с большой толщиной лезвия, в результате чего возникают значительные силы сопротивления резанию, что отрицательно сказывается на качестве поверхности ломтиков. Управление подающим транспортером и режущим инструментом осуществляется сложным механизмом, включающим копир, кулачок, ролик, подпружиненный шток и храповое колесо. Это значительно снижает производительность и надежность устройства. Вследствие этого существенно ограничены возможности устройства для формирования требуемых потребительских качеств продукции, имеются трудности для экономичного использования сырья и энергии.
Известно устройство для резки филе рыбы на ломтики (RU№1621834, МПК А22С 25/18, опубл. 23.01.1991 г.), включающее загрузочное приспособление, барабан с ячейками и ножевой вал, набранный из дисковых ножей, установленных с постоянным шагом.
Решающим недостатком, ограничивающим применение данного устройства, является резка рыбного филе на ломтики только одной заданной толщины. Для изменения толщины ломтиков требуются демонтаж и замена ножевого вала. Кроме того, качество и скорость резания являются низкими, поскольку филейчики прижимаются к дисковым ножам только под действием силы веса филе. Дисковые режущие органы имеют большую толщину и вес, что приводит к значительным затратам электроэнергии на вращение ножевого вала.
Известно устройство и способ для разделывания мяса, в частности рыбы (US №8968059, МПК А22С 25/18, опубл. 03.03.2015 г.), предназначенное для резки рыбы на кусочки заданной толщины. Устройство содержит режущий инструмент, приводной блок, соединенный с режущим инструментом для его перемещения из исходного положения в положение обработки, а также управляющее приспособление, соединенное с приводным блоком для управления режущим инструментом. Приводной блок содержит два пневматических цилиндра, имеющих отдельные контуры управления.
Устройство содержит режущий инструмент, приводной блок, соединенный с режущим инструментом для его перемещения из исходного положения в положение обработки, а также управляющее приспособление, соединенное с приводным блоком для управления режущим инструментом. Приводной блок содержит два пневматических цилиндра, имеющих отдельные контуры управления.
Решающим недостатком, ограничивающим применение данного устройства, является отсутствие возможности смены рабочего органа. В конструкции не предусмотрено измерительное приспособление для получения информации о размерах филе и его консистенции. Кроме того, устройство обладает невысокой производительностью, что обусловлено конструкцией приводного блока и низким быстродействием пневматических цилиндров.
Наиболее близким техническим решением является устройство для резки рыбного филе (RU№2729351, МПК А22С 25/18, опубл. 06.08.2020 г.), включающее снабженные приводами подающее и отводящее приспособления в виде двух линий конвейеров, режущее приспособление с рабочим органом, измерительное приспособление и вычислительный блок. Устройство снабжено прибором для измерения консистенции рыбного филе, установленным после измерительного приспособления над подающим приспособлением и связанным с вычислительным блоком. Также устройство дополнительно имеет ротор с установленными на нем сменными рабочими органами, при этом ротор закреплен на отводящем приспособлении и снабжен отдельным приводом, связанным с вычислительным блоком. Режущее приспособление установлено на подающем приспособлении и снабжено связанным с вычислительным блоком отдельным приводом, обеспечивающим перемещение режущего приспособления для смены рабочего органа, причем вал привода режущего приспособления выполнен полым и снабжен зажимным приспособлением для его установки и фиксации вала рабочего органа.
Решающим недостатком данного устройства является длительная и сложная смена рабочих органов, что приводит к существенному снижению производительности. Поскольку режущий орган в устройстве совершает вращательное движение, резание филе является косоугольным. Линия контакта режущей кромки при этом перемещается поперек конвейера, за счет чего на филе действует значительная боковая сила, направленная по касательной к поверхности ленты конвейера. Это приводит к нарушению прижима продукта и его смещению на конвейере, образованию неровных срезов, а также неконтролируемому изменению толщины ломтиков, что отрицательно сказывается на качестве готового продукта. Режущий орган приводится в движение электродвигателем, что связано с большими затратами электроэнергии.
Изобретение решает задачу экономии электроэнергии при одновременном повышении производительности и улучшения качества срезов при осуществлении операции нарезки рыбного филе, за счет ускорения выбора подходящего режущего органа и изменения его рабочего движения, использования пневмопривода для приведения в действие режущего органа и применения вакуума для предотвращения смещения филе при нарезке.
Для достижения необходимого технического результата в устройстве для резки рыбного филе на ломтики, включающем снабженные приводами подающий и отводящий конвейеры, измерительное приспособление, прибор для измерения консистенции рыбного филе, установленный над подающим конвейером, ротор со сменными режущими органами, установленный на отводящем конвейере и снабженный отдельным приводом для поворота вала ротора, вычислительный блок, связанный с приводами конвейеров и ротора, измерительным приспособлением, прибором для измерения консистенции рыбного филе предлагается вал ротора со сменными режущими органами ориентировать горизонтально, расположить поперек отводящего конвейера и оснастить на концах двумя дисками, в которых предлагается закрепить ориентированные параллельно валу, сменные режущие органы. Предлагается для поворота вала ротора использовать шаговый двигатель. Кроме этого, для осуществления вертикального перемещения вала ротора при выполнении операции отрезания ломтика филе, предлагается снабдить устройство пневмоприводом, включающим вакуумный насос, связанный с двумя пневмоцилиндрами, штоки которых связаны с валом ротора. При этом пневмоцилиндры предлагается снабдить пневмораспределителями, связанными с вычислительным блоком, а вакуумный насос установить на отводящем конвейере и связать с вычислительным блоком и вакуумной камерой, расположенной под лентой конвейера, которую предлагается выполнить перфорированной.
Сменные рабочие органы имеют формы профиля, соответствующие различным диапазонам реологических параметров сырья, которые определяются при помощи прибора для измерения консистенции рыбного филе. В результате получения информации о реологических параметрах мышечной ткани определяется текущий диапазон их значений, которому наилучшим образом соответствует определенная форма профиля режущего органа. При изменении диапазона значений консистенции сырья и несоответствии этого диапазона находящемуся в действии рабочему органу осуществляется его автоматическая смена на орган с более эффективным профилем, что позволяет существенно минимизировать силы сопротивления резанию.
Прибор для измерения консистенции мышечной ткани рыбы содержит свободно падающий шток, который соединен с датчиком положения и расположен внутри катушки индуктивности. При опускании штока на поверхность рыбного филе в результате механического взаимодействия шток отскакивает вверх на высоту, значение которой определяется консистенцией сырья. При помощи катушки индуктивности шток устанавливается в исходное положение и удерживается до поступления следующего образца филе. Диапазон значений реологических параметров определяется вычислительным блоком после серии измерений нескольких образцов филе, и зависит от температуры сырья, времени хранения, предварительной технологической обработки и т.д.
Описание изобретения иллюстрируется прилагаемыми схемами, где на:
фиг.1 - предлагаемое устройство для резки на ломтики рыбного филе, общий вид со стороны вычислительного блока;
фиг. 2 - предлагаемое устройство для резки на ломтики рыбного филе, общий вид со стороны вакуумного насоса;
фиг. 3 - предлагаемое устройство для резки на ломтики рыбного филе, вид справа;
фиг. 4 предлагаемое устройство для резки на ломтики рыбного филе, вид слева;
фиг. 5 - предлагаемое устройство для резки на ломтики рыбного филе, вид спереди, с выключенным лазерным источником и снятым ротором;
фиг. 6 - предлагаемое устройство для резки на ломтики рыбного филе, вид сзади;
фиг. 7 - ротор со сменными режущими органами на отводящем конвейере, вид сверху;
фиг. 8 - ротор со сменными режущими органами на отводящем конвейере со снятой лентой конвейера;
фиг. 9 - ротор, соединенный с пневмоцилиндрами и шаговым двигателем;
фиг.10 - ротор и опорный подшипник, вид сбоку;
фиг. 11 ротор, соединенный с опорными подшипниками и шаговым двигателем;
фиг. 12 - ротор с частично снятыми режущими органами.
На схемах приняты следующие обозначения:
1 - рама опорная;
2 - конвейер;
3 - лента конвейера;
4 - отверстие ленты;
5, 6 - привод конвейера;
7 - кронштейн прибора для измерения консистенции филе;
8 - прибор для измерения консистенции филе;
9 - шток прибора для измерения консистенции филе;
10 - блок вычислительный;
11 - источник лазерный;
12 - фотоприемник;
13 - луч лазерный;
14, 15, 16, 17 - кронштейн;
18, 19 - пневмоцилиндр;
20, 21 - шток пневмоцилиндра;
22, 23 - пневмораспределитель;
24, 25 - подшипник опорный;
26 - двигатель шаговый;
27 - вал ротора;
28, 29 - диск ротора;
30 - паз диска;
31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 - режущий орган;
39 - насос вакуумный;
40 - камера вакуумная;
41, 42 - филе;
43 - ломтик;
44 - лоток.
В предлагаемом техническом решении наличие прибора для измерения консистенции сырья позволяет передавать информацию о реологических параметрах филе в вычислительный блок для выбора и введение в действие оптимального рабочего органа. Улучшение качества среза продукта и снижение расхода энергии достигается за счет автоматического поворота барабана с закрепленным в нем набором режущих инструментов и введения в действия режущего органа, профиль которого наилучшим образом соответствует консистенции сырья с точки зрения минимизации сил сопротивления резанию. Установка оптимального рабочего органа значительно снижает силы сопротивления резанию, что создает наилучшие условия резания и улучшает качество поверхности ломтиков. Закрепление на барабане двух концов каждого лезвия позволяет существенно снизить толщину лезвия, что приводит к значительному снижению усилий резания, улучшает качество среза и сокращает энергетические затраты на перемещение режущих органов.
Наличие вычислительного блока позволяет сформировать планарную цифровую модель продукта и определить его размеры и координаты линий рационального резания, а также сформировать управляющие воздействия на подающее приспособление и режущее приспособление. Программа вычислительного блока позволяет на основании полученной информации о размерах и форме продукта формировать в процессе обработки каждого экземпляра автоматическое задание скорости подачи и определять требуемые моменты включения режущего приспособления.
Размещение набора режущих инструментов на роторе позволяет осуществлять быструю смену рабочего органа без остановки конвейера путем поворота вала ротора шаговых двигателем. Шаговый электропривод ротора обеспечивает устойчивое движение и надежную фиксацию ротора в заданном положении. Статическая и динамическая ошибки такого привода ограничены максимальными значениями, обусловленными ценою шага и числом тактов коммутации двигателя, и не превышают их во всем диапазоне нормальной работы.
Шаговый электропривод непосредственно реагирует на импульсные команды вычислительного блока, причем информационная характеристика сигнала определяется только частотой и числом импульсных посылок. Изменения в определенных пределах амплитуды и формы импульса не нарушают нормальной работы. Скорость вращения и суммарный угол поворота вала двигателя пропорциональны соответственно частоте и числу поданных импульсов. При отсутствии сигнала коммутация фаз прекращается, поле в рабочем зазоре двигателя останавливается, а шаговый двигатель развивает значительный статический момент (синхронизирующий момент). Это позволяет приводу фиксировать заданный угол поворота барабана с набором сменных режущих органов.
Как показывают промышленные исследования, для резания продуктов с мягкой консистенцией наиболее подходящим и экономичным является пневматический привод режущего инструмента, выполненный в виде пневматического цилиндра. Пневматический привод характеризуется большим быстродействием, малым потреблением электроэнергии, высокими показателями по мощности, усилию и массе. Пневматический привод может работать во влажной, запыленной и загрязненной средах, длительное время выдерживает перегрузки. Перемещение сжатого воздуха в полости двигателя и элементах пневматического привода позволяет отводить избыточную теплоту, что обеспечивает работу привода в условиях повышенной температуры.
В предлагаемом устройстве для резки на ломтики рыбного филе на опорной раме 1 установлен составной конвейер 2. На конвейере 2 закреплена лента 3, в которой выполнены отверстия 4. С конвейером 2 соединены приводы 5 и 6. На конвейере 2 закреплены кронштейны 14, 15, 16, 17. На кронштейне 17 закреплен кронштейн 7, на котором над лентой 3 установлен прибор 8 для измерения консистенции филе. В приборе 8 для измерения консистенции филе установлен с возможностью вертикального перемещения шток 9. На кронштейне 17 закреплен вычислительный блок 10. Также на кронштейне 17 закреплен лазерный источник 11. Оппозитно лазерному источнику 11 на кронштейне 16 закреплен фотоприемник 12 таким образом, что лазерный луч 13 проецируется из лазерного источника 11 на фотоприемник 12. На кронштейне 14 закреплены пневмоцилиндр 18 и пневмораспределитель 22, а на кронштейне 15 закреплены пневмоцилиндр 19 и пневмораспределитель 23. Пневмоцилиндр 18 соединен с пневмораспределителем 22, пневмоцилиндр 19 соединен с пневмораспределителем 23. Шток 20 пневмоцилиндра 18 соединен с опорным подшипником 24, шток 21 пневмоцилиндра 19 соединен с опорным подшипником 25. В опорных подшипниках 24 и 25 закреплен с возможность вращения вал ротора 27. С опорным подшипником неподвижно соединен шаговый двигатель 26. Вал шагового двигателя 26 соединен с валом ротора 27. На вале ротора 27 закреплены диски 28 и 29, в которых выполнены пазы 30. В пазах 30 дисков 28, 29 закреплены режущие органы 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 с различной формой профиля. Ротор состоит из вала ротора 27, дисков 28 и 29, режущих органов 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38. На конвейере 2 установлен вакуумный насос 39, соединенный с вакуумной камерой 40. Вакуумная камера 40 закреплена на конвейере 2 под лентой 3. На конвейере 2 закреплен лоток 44. С вычислительным блоком 10 соединены приводы 5 и 6 конвейера 2, прибор 8 для измерения консистенции филе, лазерный источник 11, фотоприемник 12, пневмораспределители 22 и 23, шаговый двигатель 26, вакуумный насос 39.
Описание работы устройства для резки на ломтики рыбного филе.
Оператор включает электропитание устройства и задает в вычислительном блоке 10 необходимую толщину ломтиков 43. Вычислительный блок 10 подает команды запуска на приводы 5 и 6 конвейера 2, а также включает лазерный источник  прибор 8 для измерения консистенции филе. Скорость движения ленты 3 регулируется вычислительным блоком 10 посредством управления приводами 5 и 6. Филе 41 помещается оператором на перемещающуюся ленту 3 конвейера 2 и передвигается лентой 3 к лазерному лучу 13. Филе 41 перекрывает лазерный луч 13, после чего фотоприемник 12 передает информацию о времени перекрытия лазерного луча 13 в вычислительный блок 10. По команде вычислительного блока 10 шток 9 прибора 8 для измерения консистенции падает на рыбное филе и отскакивает вверх. Значение высоты отскока штока 9 передается прибором 8 для измерения консистенции филе в вычислительный блок 10. По полученной от фотоприемника 11 и прибора 8 для измерения консистенции филе измерительной информации вычислительный блок 10 определяет размеры рыбного филе 41, а также его консистенцию. По данным о размерах рыбного филе 41 вычислительный блок 10 рассчитывает требуемые координаты линий реза, а также определяет номер режущего органа из набора режущих органов 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, профиль которого наилучшим образом соответствует измеренной консистенции филе 41. Вычислительный блок 10 запоминает размеры и консистенцию филе 41 и отслеживает его перемещение на ленте 3 конвейера 2 с учетом скорости перемещения ленты 3. Филе 42 перемещается по ленте 3 в сторону ротора. При подходе филе 42 к ротору вычислительный блок 10 подает команду на вакуумный насос 39, который создает разрежение в вакуумной камере 40. Воздух засасывается через отверстия 4 ленты 3 внутрь вакуумной камеры 40. Поскольку филе 42 перекрывает сверху отверстия 4. филе 42 присасывается к поверхности ленты 3 и надежно удерживается на ней во время движения над вакуумной камерой 40 по ленте 3. При подходе филе 42 режущий орган 31 находится в крайнем нижнем положении. Если профиль режущего органа 31, который находится в крайнем нижнем положении из набора режущих органов 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, соответствует консистенции филе 42, то по команде вычислительного блока 10 пневмораспределители 22 и 23 подают давление в верхние полости пневмоцилиндров 18 и 19, а нижние полости указанных пневмоцилиндров открывают на выхлоп в атмосферу. При этом штоки 20 и 21 пневмоцилиндров 18 и 19 опускаются вниз и выдвигаются из пневмоцилиндров 18 и 19. В результате опускаются вниз вал ротора 27, диски 28 и 29, а также режущие органы 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38. Поскольку режущий орган 31 находится в крайнем нижнем положении и является рабочим, при опускании он внедряется в мышечную ткань продукта и отрезает от филе 42 ломтик 43. После отрезания одного ломтика по команде вычислительного блока 10 пневмораспределители 22 и 23 подают давление в нижние полости пневмоцилиндров 18 и 19, а верхние полости указанных пневмоцилиндров открывают на выхлоп в атмосферу. При этом штоки 20 и 21 пневмоцилиндров 18 и 19 поднимаются вверх и возвращаются внутрь пневмоцилиндров 18 и 19. В результате поднимаются вверх вал ротора 27, диски 28 и 29, режущие органы 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38. Далее цикл опускания и подъема ротора с режущими инструментами повторяется, пока филе 42 не будет полностью нарезано на ломтики 43. Во время нарезки филе 42 подается под режущий орган 31 лентой 3 и надежно удерживается на ленте 3 за счет разрежения, образованного в вакуумной камере 40 вакуумным насосом 39. В случае если профиль режущего органа 31 не соответствует параметрам консистенции рыбного филе 42, после измерения его реологических параметров при подходе филе 42 к ротору вычислительный блок 10 подает команду на шаговый двигатель 26. Шаговый двигатель 26 поворачивает вал ротора 27 до тех пор, пока в крайнем нижнем положении не окажется один из режущих органов 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, профиль которого наилучшим образом соответствует измеренной консистенции филе 42. Нарезанные ломтики 43 выводятся из устройства по лотку 44. После полной нарезки филе 42 на ломтики 43 вычислительный блок 10 подает команду отключения на вакуумный насос 39, в результате чего в вакуумной камере 40 устанавливается атмосферное давление. При поступлении следующего филе 41 в пространство между лазерным источником 11 и фотоприемником 12 и перекрытии лазерного луча 13 цикл измерения консистенции филе, выбора наилучшего рабочего органа и нарезки филе на ломтики повторяется. После завершения работы устройства вычислительный блок 10 выключает лазерный источник 11 и прибор 8 для измерения консистенции филе, а также подает команды останова на приводы 5 и 6 конвейера 2.
Таким образом, при использовании предлагаемого устройства, по сравнению с устройством, описанным в ближайшем аналоге, обеспечиваются повышение производительности, улучшение качества среза ломтиков и снижение расхода энергии при резке рыбного филе. Как показывают промышленные исследования, расход электроэнергии сокращается на 25%. Количество брака сокращается на 35%. Это позволяет обеспечить ресурсосбережение на производстве.
Устройство обеспечивает качественную резку рыбного филе на ломтики, что позволяет исключить трудоемкие операции ручной обработки, улучшить потребительские качества готового продукта, а также сократить количество персонала на производстве.