АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МЯСО-РЫБНОГО СЫРЬЯ

Автоматизированный аппаратный комплекс для измельчения мясо-рыбного сырья относится к области приготовления кормов для пушных зверей, а именно к машинам и устройствам для механической обработки мясо-рыбного сырья, используемых в технологическом процессе кормоприготовительных кухонь звероводческих ферм и комплексов.
Известно устройство для измельчения - мясорубка [1, 2], состоящее из редуктора, электродвигателя, корпуса и рабочего органа, включающего нажимную гайку, ножи, ножевые решетки, шнек. Принцип работы устройства заключается в следующем: мясо-рыбное сырье загружается в устройство для измельчения, где оно захватывается шнеком и транспортируется к ножам и ножевым решеткам, посредством которых и происходит измельчения сырья, после чего измельченное сырье выгружается.
Недостатками устройства для измельчения являются: высокие энергозатраты и снижение питательной ценности мясо-рыбного сырья, возникающие вследствие трения и генерации тепла в зоне контакта ножей и ножевых решеток. Так, известно [1, 3], что затраты энергии на преодоления трения между ножами и ножевыми решетками могут достигать 90% всей потребляемой на процесс измельчения энергии, а температура нагрева в зоне контакта ножей и ножевых решеток при перерывах в подаче мясо-рыбного сырья уже через минуту может достигать 120°C. Также к недостаткам относится низкая производительность, возникающая вследствие ручной загрузки мясо-рыбного сырья.
Известно устройство для измельчения мясокостного корма [4], состоящее из цилиндрического корпуса с загрузочной горловиной и разгрузочным патрубком и размещенным в нем с возможностью вращения в горизонтальной плоскости вогнутым диском с жестко установленными на его верхней поверхности под острым углом к радиусу окружности диска ножами, вдоль которых выполнены окна. На нижней поверхности диска установлены лопасти. В верхней части корпуса радиально над диском расположены противорежущие пластины. Принцип работы устройства заключается в следующем: мясокостный корм подается в загрузочную горловину и нагнетается на вращающийся диск. Под воздействием центробежных сил корм перемещается от центра диска к его периферии. При этом частицы корма, двигаясь со скоростью вращения диска, подвергаются измельчению. Корм срезается в виде стружки и, проходя через окна, выбрасывается из нижней части корпуса лопастями в разгрузочный патрубок.
Недостатками устройство для измельчения мясокостного корма являются: низкая производительность устройства, возникающая вследствие ручной загрузки мясокостного корма, а также отсутствия на внутренней поверхности цилиндрического корпуса упоров, в связи с чем мясокостный корм, попадая на вращающийся диск, длительное время вращается вместе с ним и начинает измельчаться, только когда создастся естественный упор; также недостатком является неоднородность размеров получаемых частиц, вследствие того, что измельчение производится со снятием стружки, в связи с чем длина скалываемой стружки превосходит в разы толщину.
Известно устройство для измельчения мясо-рыбных кормов [5], состоящее из неподвижного цилиндрического корпуса, сборного из двух частей. Корпус устройства опирается на подпорку. Внутри корпуса на подшипниках расположен вал, в сквозные отверстия вала установлены пальцы, к которым крепятся ножевые элементы. Траектория, по которой установлены пальцы с ножевыми элементами, представляет винтовую линию. Изменение угла поворота ножевых элементов осуществляется регулировочными гайками. Выходной конец вала с помощью муфты соединяется с приводом.
Недостатками данного устройства являются: низкая степень измельчения, возникающая вследствие того, что кромки лезвий ножевых элементов установлены по направлению движения перерабатываемых мясо-рыбных кормов, в связи с чем скорости вращения кромок лезвий ножевых элементов и перерабатываемых мясо-рыбных кормов практически равны и направлены в одну сторону; также недостатком устройства является его низкая производительность, возникающая вследствие ручной загрузки мясо-рыбных кормов, а также вследствие того, что ножевые элементы представляют собой не цельную винтовую поверхность, а лишь множество ее отдельных сегментов, что не позволяет ножевым элементам создавать достаточного давления для эффективного транспортирования мясо-рыбных кормов.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является волчок для замороженного мяса GW-300 / GX-400 (производитель компания «Seydelmann») [6], который состоит из рамы, на которой установлен неподвижный сварной корпус, рабочего органа, включающего нажимную гайку, ножи, ножевые решетки и шнек, конвейерной ленты, электродвигателя. Принцип работы волчка заключается в следующем: мясо-рыбное сырье конвейерной лентой подается к шнеку, который уплотняет его и выталкивает к ножам и ножевым решеткам, осуществляющим измельчение мясо-рыбного сырья, после чего измельченное сырье выгружается из устройства.
Недостатками данного волчка являются: низкая производительность и надежность, возникающие вследствие значительной неравномерности подачи мясо-рыбного сырья конвейерной лентой, также к недостаткам относятся высокие энергозатраты и снижение питательной ценности мясо-рыбного сырья, возникающие вследствие трения и генерации тепла в зоне контакта ножей и ножевых решеток.
Достигаемый технический результат состоит в повышении производительности и надежности аппаратного комплекса, а также в снижении затрат энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматизированный аппаратный комплекс для измельчения мясо-рыбного сырья снабжен программируемым логическим контроллером, тахометром, связанным с электродвигателем режуще-транспортирующего шнека, а выход тахометра соединен с входом программируемого логического контроллера и частотным преобразователем, вход которого соединен с выходом программируемого логического контроллера, а выход соединен с входом электродвигателя приводного барабана, при этом частота вращения электродвигателя приводного барабана, задаваемая программируемым логическим контроллером, равна 0,7-0,8 частоты вращения электродвигателя режуще-транспортирующего шнека, а угол скольжения режущей кромки ножей-лопастей режуще-транспортирующего шнека составляет 30-40°.
На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 изображены главный вид (аксонометрия), вид спереди и разрез (А-А) автоматизированного аппаратного комплекса для измельчения мясо-рыбного сырья. На фиг. 4 и фиг. 5 изображены аксонометрия и вид спереди режуще-транспортирующего шнека автоматизированного аппаратного комплекса для измельчения мясо-рыбного сырья.
Автоматизированный аппаратный комплекс для измельчения мясо-рыбного сырья состоит из рамы 1, на которой установлен неподвижный сварной корпус 2, боковых крышек 3, режуще-транспортирующего шнека 4, состоящего из вала 5 с винтовой поверхностью и ножей-лопастей 6, который на подшипниках установлен внутри неподвижного сварного корпуса 2, приводного 7 и натяжного 8 барабанов, установленных на подшипниках внутри неподвижного сварного корпуса 2, на которые натянута транспортерная лента 9 с закрепленными на ней планками 10. Привод режуще-транспортирующего шнека 4 и приводного барабана 7 осуществляется посредством электродвигателей 11 и 12. Также на неподвижном сварном корпусе 2 закреплены программируемый логический контроллер 13, тахометр 14, связанный с электродвигателя 11 режуще-транспортирующего шнека 4, а выход тахометра 14 соединен с входом программируемого логического контроллера 13, и частотный преобразователь 15, вход которого соединен с выходом программируемого логического контроллера 13, а выход соединен с входом электродвигателя 12 приводного барабана 7, которые являются составными элементами автоматизированной системы управления работой аппаратного комплекса.
Автоматизированный аппаратный комплекс для измельчения мясо-рыбного сырья работает следующим образом.
1
1
2
2
2
1
1
Куски мясо-рыбного сырья планками 10 транспортерной ленты 9 захватываются с приемного стола и транспортируются со скоростью V (которой соответствует частота вращения n электродвигателя 12 приводного барабана 7) к режуще-транспортирующему шнеку 4, который одновременно осуществляет их транспортирование и поступательное, и многоступенчатое измельчение со скоростью V (которой соответствует частота вращения nэлектродвигателя 11 режуще-транспортирующего шнека 4). Частота вращения n электродвигателя 11 считывается тахометром 14 и передается на программируемый логический контроллер 13, который обрабатывает полученные данные и по записанной в него программе формирует управляющий аналоговый сигнал на частотный преобразователь 15. Частотный преобразователь 15 в соответствии с управляющим аналоговым сигналом регулирует частоту вращения n электродвигателя 12, тем самым регулирует скорость подачи V кусков мясо-рыбного сырья к режуще-транспортирующему шнеку 4.
2
1
1
1
2
Частота вращения n электродвигателя 11 изменяется в зависимости от количества, подаваемого в режуще-транспортирующий шнек 4, мясо-рыбного сырья. Существует оптимальное количество подаваемого мясо-рыбного сырья, при котором величина заполнения режуще-транспортирующего шнека 4 максимальная и при этом не происходит забивания и заклинивания режуще-транспортирующего шнека 4, ведущего к износу и поломкам электродвигателя 11, винтовой поверхности 5 и ножей-лопастей 6 режуще-транспортирующего шнека 4. Этому оптимальному количеству подаваемого мясо-рыбного сырья соответствует определенное значение частоты вращения n электродвигателя 12 (или скорости подачи Vкусков мясо-рыбного сырья к режуще-транспортирующему шнеку 4). Вследствие чего они связаны некой функцией n=ƒ(n), которая задана в программе программируемого логического контроллера 13. Данное техническое решение позволяет повысить производительность (максимальная величина заполнения режуще-транспортирующего шнека 4) и надежность (отсутствие забивания и заклинивания режуще-транспортирующего шнека 4) аппаратного комплекса.
1
1
2
1
1
На основании лабораторных исследований, проведенных автором в ФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет», установлено, что оптимальное значение частоты вращения n электродвигателя 12, при котором достигается максимальная величина заполнения режуще-транспортирующего шнека 4 и не происходит его забивания и заклинивания, соответствует выражению n=(0,7-0,8)⋅n. При значениях частоты вращения n, превышающих данное выражение, происходит чрезмерное заполнение режуще-транспортирующего шнека 4, ведущее к его забиванию и заклиниванию и в конечном итоге к поломкам и снижению надежности аппаратного комплекса. При значениях частоты вращения n менее данного выражения происходит недостаточное для эффективной работы заполнение режуще-транспортирующего шнека 4, ведущее к снижению производительности аппаратного комплекса.
Затраты энергии на процесс измельчения кусков мясо-рыбного сырья зависят от угла скольжения τ режущей кромки ножей-лопастей 6 режуще-транспортирующего шнека 4. Угол скольжения τ заключен между направлением движения рассматриваемой точки режущей кромки ножей-лопастей (например, точки А) и нормалью к режущей кромке. Значения угла скольжения τ варьируются в диапазоне от 0 до 90°. Известно [7, 8], что увеличение угла скольжения τ ведет к возникновению ряда эффектов, некоторые из которых ведут к снижению затрат энергии (такие как падение удельной нагрузки на погонную длину режущей кромки ножей-лопастей, кинематическая трансформация режущей кромки ножей-лопастей, пилящее воздействие режущей кромки ножей-лопастей, кинематическая трансформация угла заточки режущей кромки ножей-лопастей), а другие - к их повышению (кинематическая трансформация толщины перерезаемого материала). Вследствие чего с увеличением этого угла до определенного значения затраты энергии снижаются, а затем повышаются.
На основании лабораторных исследований, проведенных автором в ФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет», установлено, что в интервале значений угла скольжения τ=30-40° затраты энергии на процесс измельчения кусков мясо-рыбного сырья являются наименьшими. При значениях ниже 30° и выше 40° затраты энергии значительно возрастают.
1
2
Для подтверждения технического результата был проведен ряд экспериментов по измельчению мясо-рыбного сырья при различных соотношениях частот вращения n электродвигателя приводного барабана и nэлектродвигателя режуще-транспортирующего шнека и углах скольжения τ.
1
2
Куски мясо-рыбного сырья загружались в лабораторную установку предлагаемого автоматизированного аппаратного комплекса для измельчения мясо-рыбного сырья и перерабатывались. Производительность установки определялась методом взвешивания кусков мясо-рыбного сырья и хронометрирования длительности процесса его переработки, возникновение забивания или заклинивания режуще-транспортирующего шнека определялось визуальным методом контроля, затраты энергии в виде мощности определяли посредством счетчика электрической энергии трехфазного «Нева МТ 323» подключенного к персональному компьютеру (счетчик измеряет и передает значения мощности суммарно и пофазно на персональный компьютер). В ходе экспериментов варьировались соотношения частот вращения n электродвигателя приводного барабана и nэлектродвигателя режуще-транспортирующего шнека в пределах от 0,1 до 1,0 с шагом 0,1 и угол скольжения τ от 0 до 80° с шагом 10°. Повторность экспериментов - пятикратная. По результатам экспериментов была получена выборка данных производительности и мощности. Для полученных данных произведена статистическая обработка общепринятыми методами математической статистики для 5%-го уровня значимости. Результаты сведены в таблицу 1 и таблицу 2.
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
По данным таблицы 1 видно, что с увеличением соотношения частот вращения n электродвигателя приводного барабана и n электродвигателя режуще-транспортирующего шнека от 0,1⋅n до 1,0⋅n происходит увеличение производительности. Причем в интервале от 0,1⋅n до 0,6⋅nпроизводительность увеличивается плавно, а в интервале от 0,6⋅n до 1,0⋅nотмечается резкое увеличение производительности. Максимального значения производительность достигает при значении 1,0⋅n. При этом в интервале от 0,9⋅n до 1,0⋅n обнаружено возникновение забивания и заклинивания режуще-транспортирующего шнека кусками мясо-рыбного сырья, что не допустимо для надежной и эффективной работы аппаратного комплекса.
По данным таблицы 2 видно, что с увеличением угла скольжения т в интервале от 0 до 30° происходит снижение мощности, затрачиваемой на измельчение кусков мясо-рыбного сырья с 1,22 до 0,85 кВт, а в интервале от 40 до 80° происходит увеличение мощности от 0,93 до 1,47 кВт. В интервале угла скольжения τ от 30 до 40° значения мощности наименьшие.
Полученные результаты подтверждают заявленный технический результат полезной модели.
Источники
1. Измельчение органических материалов / Т.А. Гаврилов, Т.Н. Колесников; М-во образования и науки Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет, образоват. учреждение  высш. проф. образования Петрозавод. гос. ун-т. Петрозаводск: Издательство ПетрГУ, 2015. 127 с.
2. Описание изобретения к патенту RU 2070093 «Мясорубка» (Заплетников И.Н., Лебедев И.Н., Дмитриев В.П., Павлов М.Я., Дорош Д.Е., Кобилецкий А.В. Опубл.: 10.12.1996).
3. Комиссаров С.С. Исследование процесса измельчения мясного сырья в волчках и разработка ножевых головок: дис. … канд. техн. наук: 05.18.12 / Комиссаров Сергей Сергеевич. Воронеж, 2003. 159 с.
4. Описание изобретения к патенту RU 2136370 «Устройство для измельчения мясокостного корма» (Барсов Н.А., Акмалходжаев И.И. Опубл.: 10.09.1999).
5. Описание полезной модели к патенту RU 129844 «Устройство для измельчения мясо-рыбных кормов» (Малинов Г.И., Кондрашов В.Ф., Тихонов Е.А, Гаврилов Т.А. Опубл.: 10.07.2013).
6. Официальный сайт компании «Seydelmann»: [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.seydelmann.com/ru/, свободный. Загл. с экрана. Яз. рус.
7. Резник Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов / Н.Е. Резник. М.: Машиностроение, 1975. 311 с.
8. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. Л.: Колос, 1978. 560 с.