ПОДВИЖНЫЙ КРЕСТООБРАЗНЫЙ НОЖ ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к элементам режущего механизма измельчителя технологического сырья для производства пищевых продуктов и может быть использована как в пищевой отрасли промышленности, так и в бытовых условиях.
Известна конструкция [Патент РФ №2220771 «Нож лопастной», патентообладатель Серебряков В.М.] в виде четырехлопастного ножа: «Нож лопастной содержит ступицу с посадочным отверстием, на которой размещены лопасти, имеющие в поперечном сечении форму параллелограмма с режущими лезвиями на противоположных поверхностях, лопасти имеют площадь поперечного сечения, уменьшающуюся от ступицы к периферии, при этом уменьшение поперечного сечения лопасти от ступицы к периферии выполнено путем уменьшения длины сторон параллелограмма, лежащих в плоскости резания, и/или путем уменьшения острых углов параллелограмма со стороны передних и/или задних поверхностей резания, при этом лопасти могут быть загнуты по окружности, по архимедовой спирали, по логарифмической спирали. Лопасти ножа вдоль режущих лезвий со стороны плоскости резания могут быть снабжены выступами, имеющими в поперечном сечении форму параллелограмма или трапеции. Посадочное отверстие ножа может представлять собой совмещенные двумя противоположными гранями квадрат и шестигранник, имеющие общий центр. Изобретение позволяет повысить режущие свойства ножа и снизить энергозатраты при измельчении продукта».
Известно, что инструмент, предназначенный для разделения (измельчения) продукта на части, должен иметь лезвие в форме классического клина с углом заострения α не более 5…6°. Поперечное сечение ножа, с точки зрения энергоэффективности, не может иметь форму параллелограмма, трапеции, квадрата или любой другой геометрической фигуры. Поэтому предложенную конструкцию нельзя признать энергоэффективной.
Известна также конструкция четырехперьевого ножа [SU 1791020 А1] к измельчителю пищевых продуктов, преимущественно мяса, содержащего корпус с центральным отверстием и лезвиями криволинейной формы, образованными пересечением задних и передних поверхностей перьев. Утверждается, что, с целью уменьшения усилий при измельчении, режущие кромки лезвий образованы отрезками дуг окружностей, центры которых лежат на рядом расположенном пере, при этом угол резания каждого лезвия составляет 35-50°, а образующая передней поверхности прямая.
Если угол резания, как утверждает автор изобретения, равен 35-50°, то угол заострения при вершине режущего лезвия будет α=55-40°. Такой угол заострения режущего лезвия, как показывают элементарные расчеты, с точки зрения энергозатрат на процесс измельчения, не является оптимальным.
Может быть, автор изобретения ориентировался на геометрические параметры лезвия металлорежущего инструмента, принятые в металлообработке. Обеспечение прочности режущей кромки лезвия металлорежущего инструмента весьма сложная и трудная задача, которая решается, в том числе, и за счет геометрических параметров (углов). В конструкциях деталей измельчительных механизмов измельчителей пищевых продуктов такая проблема практически не имеет место.
В изобретении [Нож к устройствам для измельчения мяса и мясопродуктов, 632392, В02С 18/36; А22С 17/00; В.И. Ивашов, С.Г. Юрков) В.К. Бубыренко, Н.М. Дворак] авторы постарались создать конструкцию подвижного ножа, отвечающего некоторым требованиям к пищевым машинам и аппаратам. В конструкции ножа предусмотрена сменная деталь, которая может быть изготовлена из более, чем корпус ножа, износостойкого материла. В описании к изобретению это звучит следующим образом:
«Нож к устройствам для измельчения мяса содержит лопастной держатель 1, на каждой лопасти 2 которого расположено сменное режущее лезвие 3, закрепленное с одного конца.
Предлагаемая конструкция ножа может уменьшить износ лезвий и повысить срок службы инструмента в 2,5-3 раза».
Авторам в какой-то мере удалось удовлетворить одно требование к пищевому оборудованию (в полной мере это еще никому не удалось), а именно: «Пищевые машины и аппараты должны обладать высокой износостойкостью рабочих органов во избежание попадания частиц металла в перерабатываемый продукт».
Износ рабочих органов, независимо из каких материалов они изготовлены, всегда имеет и будет иметь место. Другое дело, какова интенсивность этого износа.
Не следует забывать и о том, что мясо является скоропортящимся продуктом. Если в процессе измельчения оно будет попадать в щели, углубления или в другие труднодоступные для очистки места, то это может привести, после очередного измельчения, к тяжелым пищевым отравлениям (порче измельченного продукта).
В конструкции ножа предусмотрены резьбовые отверстия, углубления для винтов с потайными головками и другие щели. Рассчитывать на то, что оператор, обслуживающий машину, каждый раз после смены будет разбирать нож и пинцетом из углублений, щелей и отверстий будет извлекать застрявшие там кусочки мяса, не следует. И в том не будет необходимости, если в своей изобретательской деятельности руководствоваться принципами соответствия требованиям, предъявляемым к пищевым машинам и аппаратам, а именно:
«Машины и аппараты должны состоять из отдельных, несложно соединяемых между собой агрегатов и узлов для быстрой разборки и сборки после периодической санитарной обработки машин, а также при их монтаже и ремонте. На внешних и внутренних поверхностях машин и аппаратов и деталях, соприкасающихся с продуктом (кроме особых случаев), не должно быть щелей, раковин, впадин, выступов и острых углов, труднодоступных для промывки и очистки». Это требование в конструкции ножа проигнорировано.
Кроме того, угол заострения режущего лезвия равен 90°, что также не является оптимальным с точки зрения энергозатрат.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является [Патент РФ №2297282, классы: В02С 18/36 ножи или перфорированные диски, авторы Власова В.К. и др.] нож для измельчения мясопродуктов.
Утверждается, что задачей изобретения является повышение качества измельчения мясопродукта и производительности труда. «Поставленная задача решается тем, что в ноже к устройству для измельчения мясопродуктов, содержащем соединенные в виде крестовины лопасти с цилиндрическими канавками на режущих кромках и кольцевые режущие кромки, выполненные у основания лопастей, цилиндрические канавки выполнены на кольцевой режущей кромке под углом 15°-30° к оси ножа в направлении его вращения, а задние поверхности лопастей, относительно режущих кромок, выполнены в виде треугольных выемок и с наклоном относительно оси устройства, а на задней поверхности лопастей относительно режущих кромок, выполнено не менее одной цилиндрической канавки в виде спирали Архимеда».
Сразу отметим, что в используемых общепринятых терминах имеется некоторая вольность их использования. Эта ситуация затрудняет понимание истинной цели и методов ее достижения. Например, на фиг. 2 поз. 6 обозначает заднюю поверхность лопасти 1 и указывает на плоскую поверхность, а на фиг. 3 поз 2 показывает также плоскую поверхность, тогда как в тексте она имеет наименование «Режущая кромка». Кроме того, сечение заштриховано так, что лопасть является сборной. Но об этом в тексте ничего не сказано. Утверждать, что «… лопасти с цилиндрическими канавками на режущих кромках …» не очень корректно.
В политехническом словаре сказано: «Режущая кромка - кромка лезвия инструмента, образуемая пересечением передней и задней поверхностей лезвия». Следовательно, режущая кромка это линия (прямая или кривая) и на ней не могут быть цилиндрические канавки.
Другое дело, лезвие - «Лезвие инструмента - клинообразный элемент режущего инструмента, предназначенный для проникновения в материал заготовки и отделения слоя с материала». На лезвии могут быть канавки любой формы и размеров.
Представленные фигуры (чертежи) и нечеткость использования общепринятых терминов затрудняют понимание некоторых положений в тексте. Например, в той части текста, где рассматривается принцип работы ножа утверждается «При вращении ножа его режущие кромки 2 лопастей 1 врезаются в подаваемый под давлением перерабатываемый продукт и … Для той же цели служит и наклон, т.к. изменение длины режущих кромок обеспечивается изменением угла наклона стенок треугольных канавок 3, выполненных на режущих кромках 6 лопастей 1, в то время … Выполнение на обратной режущим кромкам 2 поверхности 6 спиральных цилиндрических канавок 7, выполненных по спирали Архимеда, позволяет не только осуществлять предварительное измельчение продукта, но и обеспечивает подачу мясопродукта, предварительно измельченного на режущих кромках 4, в зоны …»
Из этого текста вытекает, что на фиг. 2 и фиг. 3 поз. 2 и 6 имеют одно наименование - режущая кромка, но это не так. Кроме того спиральные цилиндрические канавки 7 к поверхности 6 не имеют никакого отношения, потому что они расположены на другой поверхности (других поверхностях).
К сожалению, в настоящее время отсутствует стандарт на термины применительно к частям и элементам подвижного ножа измельчителя пищевых продуктов. Поэтому, пользуясь терминологией, принятой в продовольственном машиностроении, выделим характерные поверхности лопасти, имеющей в поперечном сечении, приблизительно, прямоугольную форму:
1) поверхность лопасти, обращенная к решетке и контактирующая с ней - поверхность резания;
2) поверхность лопасти, расположенная на противоположной стороне от поверхности резания - задняя поверхность;
3) поверхность лопасти, к которой примыкает режущая кромка и является переходной между поверхностями резания и задней - передняя поверхность.
Патент на изобретение МПК 2297282 В02С 18/36 принят за прототип предполагаемой полезной модели.
Утверждается, что «Задачей изобретения является повышение качества измельчения мясопродукта и производительности труда».
А как добиться повышения качества измельчения мясопродукта? Например, за счет снижения энергозатрат на процесс измельчения пищевых продуктов, по крайней мере, можно сохранить качественные показатели исходного сырья в измельченном продукте. Мясо должно резаться, а не перетираться и терять сок!
Из фиг. 2 и фиг. 3 вытекает, что передняя поверхность образует с плоскостью резания угол 90° (угол заострения при вершине лезвия). Такой угол не является оптимальным с точки зрения энергоэффективности. С точки зрения энергоэффективности этот угол не должен быть более 6…8° в конструкциях измельчительных механизмов пищевых продуктов. С этой точки зрения поперечное сечение лопасти ножа может иметь форму только классического клина. Тогда лопасть не будет иметь передней поверхности. В этом случае поверхность резания пересекается с задней поверхностью, образуя режущую кромку, которая может быть прямолинейной, криволинейной, зигзагообразной и т.д.
Далее в описании принципа работы ножа утверждается, что «… Выполнение на обратной режущим 2 поверхности 6 спиральных цилиндрических канавок 7, выполненных по спирали Архимеда, позволяет не только осуществлять предварительное измельчение продукта, но и обеспечивает …».
Другими словами, авторы попытались совместить в конструкции ножа предварительное измельчение продукта с окончательным. Но в канавках цилиндрической формы, даже если они выполнены по спирали Архимеда, как может происходить измельчение продукта, особенно мяса.
Кроме того, если лезвие лопасти должно быть выполнено в виде клина с учетом заострения α не более 6…8°, то следует признать неудачной ее конструкцию в поперечном сечении в виде прямоугольника. Вращающаяся лопасть ножа непрерывно преодолевает сопротивление измельчаемой среды. И это сопротивление тем больше, чем больше площадь максимального продольного сечения лопасти, измеренная в плоскости, нормальной к рабочей поверхности решетки.
Отметим, что в рассматриваемом случае используется способ измельчения продуктов раскалыванием (разделением). Другими словами, используется процесс механического расчленения продукта, с помощью вклинивающегося в него рабочего органа для измельчения продукта без предъявления требований к форме отделившихся частей, при этом лезвия ножей должны отделять куски продукта путем резания, а не отрыва их.
Если бы конструкция лопасти ножа соответствовала требованиям энергоэффективности, то бы она имела в любом поперечном сечении форму классического клина, у которого нет передней поверхности, и на которой не могут быть треугольные канавки или канавки любой другой формы.
Не случайно, что лезвия почти всех ручных инструментов, предназначенных для разделения материалов (продуктов), имеют форму клина (бытовой нож, хозяйственные ножницы, скальпель хирурга, секатор садовода и т.д.). Нельзя игнорировать многотысячелетний опыт, подкрепленный расчетами.
Известно, что, почти все продукты, подлежащие измельчению, подвергаются предварительной обработке, т.е. предварительно разделяются на куски определенных размеров. Чем меньше размеры этих кусков, тем меньшему механическому (внешнему) воздействию подвергается измельчаемый продукт в зоне окончательного измельчения.
Традиционно в конструкциях подвижных ножей предусматриваются элементы, предназначенные только для окончательного измельчения. Можно попытаться так сконструировать подвижный нож, чтобы предварительное измельчение продукта было совмещено с окончательным.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение энергоэффективности измельчения пищевых продуктов (уменьшение энергозатрат) и, как следствие, сохранение качественных показателей исходного сырья в измельченном виде.
Для решения поставленной задачи был, сконструирован подвижный нож с лопастями, на задних поверхностях которых имеются режущие лезвия, расположенные по дугам концентричных окружностей. Для предварительного измельчения продукта здесь используется так называемый в технике «эффект пилы». Режущая кромка лезвия, даже самого ровного и острозаточенного, всегда имеет микрозазубрины (это легко заметить под микроскопом). Не случайно, что серп, ручное орудие в виде изогнутого полукругом конструкция, имеет мелко зазубренный профиль для срезывания хлебных злаков с корня.
Если лезвие будет совершать вращательное движение, а измельчаемый продукт (например, мясо) будет надвигаться на него под давлением вдоль шнека, то разделение продукта на части будет происходить с меньшими энергозатратами, нежели при неподвижном лезвии.
Раскрытие полезной модели. Техническое решение, предлагаемое в полезной модели, заложено в конструкции подвижного ножа, которая показана на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Крестообразный нож для измельчения пищевых продуктов содержит ступицу 1, с посадочным отверстием 2, на которой размещены лопасти 3, на задних поверхностях которых имеются лезвия 4 с режущими кромками 5 и 8, кроме того, лопасти имеют режущие кромки 6 (для окончательного измельчения) и передние поверхности 7.
Осуществление полезной модели. Исследования, выполненные с подвижными ножами предложенной конструкции, установленными на измельчителях с электрическим приводом, подтвердили их энергоэффективность.
Подвижные ножи были изготовлены из рессорно-пружинной стали (по ГОСТ 2052-53) марки 65Г, отожжены при температуре около ~810°С, закалены при температуре 830°С, охлаждены в масле, отпущены при температуре 480°С.
Были также изготовлены ножи из углеродистой высококачественной стали марки У13А (по ГОСТ 1435-74), которая отличается от качественной стали более низким содержанием серы, фосфора и марганца и большей чистотой по неметаллическим включениям, меньше выкрашивается в тонкой режущей кромке при шлифовании (заточке) и эксплуатации.
Испытания проводились как с закаленными, так и с незакаленными ножами (при этом температура закалки - ~800°С, охлаждающая среда - масло, твердость после закалки ~HRC62).
Следует отметить, что ножи, изготовленные из стали марки У13А, оказались более энергоэффективными по сравнению с ножами, изготовленными из стали 65Г.
Для сравнительных испытаний были изготовлены и испытаны ножи предлагаемой конструкции, т.е. с режущими лезвиями на задних поверхностях лопастей и без таких лезвий.
Другими словами, ножи отличались друг от друга только наличием или отсутствием режущих лезвий на задних поверхностях лопастей.
В процессе испытания ножей встал вопрос об оптимальном количестве режущих лезвий на задних поверхностях лопастей (на единицу длины в радиальном направлении).
Испытания показали, что чем плотнее расположены лезвия (чем их больше на единице длины), тем энергоэффективность ножа выше.
Но плотное размещение режущих лезвий на задней поверхности лопасти не в полной мере отвечает требованиям, предъявленным к пищевым машинам и аппаратам, а именно: «… не должно быть щелей, раковин, впадин, …, труднодоступных для промывки, очистки и санитарной обработки».
В узких впадинах между режущими лезвиями измельчаемый продукт задерживается, что затрудняет процесс очистки ножа.
Оптимальным, по результатам наших испытаний, следует считать, наличие одного режущего лезвия на длине 7…10 мм. Энергозатраты на процесс измельчения мяса при использовании подвижных ножей предложенной конструкции оказались на 35…37% ниже, по сравнению с энергозатратами на процесс измельчения с подвижными ножами конструкции, предлагаемыми в [Патент РФ №2297282, классы В02С 18/36 ножи или перфорированные диски].
И этому имеется очень простое объяснение. Наличие на задней поверхности лопасти ножа цилиндрической канавки (одной), выполненной по спирали Архимеда, как утверждают авторы патента-прототипа, позволяет осуществлять измельчение продукта. Никакого измельчения продукта эти канавки не могут осуществлять, потому что не имеют режущих кромок. Измельчение осуществляется только всеми режущими кромками, имеющимися на лопастях подвижного ножа и режущими кромками рабочих отверстий решетки.
Безусловно, что на измельчение продукта режущими лезвиями, расположенными на задних поверхностях лопастей ножа, расходуется энергия. Энергия также расходуется на окончательное измельчение продукта режущими кромками лопастей совместно с режущими кромками отверстий решетки. Суммарные затраты энергии на измельчение продукта ножами предложенной конструкции оказались меньше, нежели затраты энергии на окончательное измельчение продукта без его предварительного измельчения. Такое положение можно объяснить с позиций закона синергии. Закон синергии гласит, что сумма свойств системы не равна сумме свойств ее компонентов. Разность между суммой свойств системы и суммой свойств ее компонентов и есть синергический эффект.
Следует отметить, что трудоемкость изготовления ножа, предложенной конструкции, повышается на 10…12%. Поэтому может показаться, что такая экономия не представляет большого практического интереса.
При этом не надо забывать, что энергоемкие процессы затратны не только из-за чрезмерного потребления энергии, но и оборудование, на котором реализуются эти процессы, является более материалоемким и затратным в эксплуатации. Кроме того, наметился рост цен на металлы, электроэнергию, газ, практически на все расходные материалы и поэтому изыскание путей снижения удельных затрат на единицу производимой продукции является актуальной задачей.
Замечено, что процессы измельчения пищевых продуктов являются чрезвычайно энергоемкими. Например, промышленные измельчители парного мяса, в том числе и блоков замороженного, имеют электродвигатели мощностью 30…55 кВт, тогда как установленная мощность электродвигателей на металлорежущих станках, в среднем, не превышает 8…10 кВт.
Краткое описание чертежей:
на фиг. 1 изображена конструкция вращающегося ножа (вид со стороны шнека):
1 - ступица ножа;
2 - посадочное отверстие;
3 - лопасть ножа;
4 - режущее лезвие;
5 - режущая кромка;
на фиг. 2 показаны конструктивные элементы лезвия, расположенного на задней поверхности лопасти:
3 - лопасть ножа;
4 - режущее лезвие;
5 - режущая кромка;
9 - направление вращения лопасти;
на фиг. 3 показано поперечное сечение лезвия, расположенного на задней поверхности лопасти:
4 - режущее лезвие;
5 - режущая кромка;
α - угол заострения при вершине режущего клина;
на фиг. 4 показан вид лопасти со стороны передней поверхности:
4 - режущее лезвие на задней поверхности лопасти;
5 - режущая кромка на стороне лезвия, обращенной к шнеку;
6 - режущая кромка на поверхности лопасти, обращенной к решетке;
7 - передняя поверхность лопасти;
на фиг. 5 показан продольный разрез лопасти:
4 - режущее лезвие.
Техническим результатом полезной модели является крестообразный подвижный (вращающийся) нож с лопастями, имеющими на задних поверхностях дополнительные режущие лезвия, с помощью которых осуществляется предварительное измельчение продукта резанием (разрезанием).
Полезная модель позволяет создать конструкцию ножа, который, за счет наличия большей суммарной длины режущих кромок (по сравнению с ножом традиционной конструкции), обеспечивает повышение производительности труда и качества измельчения продукта. Если измельчению подвергается, например, мясо, то оно не должно перетираться до пастообразного состояния. Для измельчения продукта до пастообразного состояния существуют мельницы.
Снижение энергозатрат на процесс измельчения свидетельствует о том, что у ножа повысились режущие свойства и, как следствие, уменьшилась вероятность ухудшения качественных показателей сырья после измельчения.
Повышенные энергозатраты на процесс измельчения говорят о том, что продукт перетирается, имеет место чрезмерный нагрев деталей механизма измельчения, а это может резко ухудшить качественные показатели измельченного продукта. Важно сохранить химические и биологические свойства измельчаемого сырья в измельченном продукте. Механическим измельчением исходного сырья не удается улучшить химические и биологические свойства в измельченном продукте, но при неудачном конструктивном и эксплуатационном (при чрезмерно изношенных ножах) сочетании подвижного ножа и решетки измельченный продукт может оказаться непригодным к использованию.