УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗКИ ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
DEVICE FOR CUTTING FOOD PRODUCTS

Изобретение относится к пищевой промышленности, а более конкретно к области автоматизированного оборудования для резки лезвием пищевых продуктов на ломтики, и может найти применение на предприятиях рыбной и мясной отраслей.
В настоящее время в пищевой промышленности при механической обработке сырья наиболее распространенным технологическим процессом является резка лезвием пищевых материалов на порции.
Исходным сырьем при этом являются рыба, мясные полуфабрикаты, овощи, фарш и другие пищевые материалы. Готовым продуктом являются ломтики, предназначенные для дальнейшей упаковки, охлаждения, транспортировки и реализации потребителю. Процесс резки лезвием пищевых продуктов на ломтики оказывает существенное влияние на качество и потребительские достоинства готового продукта. Резка пищевых материалов 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 резки лезвием продуктов питания на ломтики.
Основными проблемами реализации процесса машинной резки на ломтики являются следующие:
- обеспечение высокой точности разрезания лезвием продукта на ломтики, имеющие различную толщину, зависящую от вида сырья, и привлекательный внешний вид;
- обеспечение высокого качества поверхности реза без выхватов мяса и неровностей;
- обеспечение высокой производительности процесса резки.
При обработке пищевых продуктов лезвием возможны два режима резания: нормальное и скользящее. При нормальном резании кромка ножа двигается перпендикулярно поверхности продукта и вначале значительно локально уплотняет материал, а затем разрушает его, причем образуются новые поверхности реза. При этом поверхность продукта получается шероховатой, и зачастую наблюдается образование стружки. При скользящем резании режущая кромка ножа двигается по касательной к поверхности продукта и создает малое уплотнение материала, за счет чего образуется гладкая поверхность реза. Такой режим резания является наиболее предпочтительным при обработке продуктов питания и обеспечивает наилучшее качество готового продукта.
Для обеспечения высокой производительности при резке требуется автоматическая подача сырья к режущему приспособлению и автоматическая регулировка режущего инструмента в зависимости от размеров сырья с целью формирования ломтиков требуемой толщины.
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 пищевой материал косым резом на ломтики заданной толщины.
К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие измерительного блока, позволяющего получать и обрабатывать информацию о размерах сырья. В устройстве резка осуществляется пластинчатым ножом в режиме нормального резания, в результате чего возникают большие силы сопротивления резанию, что отрицательно сказывается на качестве продукта. 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. Поскольку режущий инструмент совершает возвратно-поступательное движение, во время возврата ножа (холостого хода) полезная работа не выполняется, что существенно снижает экономичность устройства. Вследствие этого существенно ограничены возможности устройства для формирования требуемых потребительских качеств продукции, имеются трудности для экономичного использования сырья и энергии.
Известно устройство для разрезки 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 продукта на ломтики только одной заданной толщины. В устройстве выполняются только вертикальные резы, параллельные плоскости расположения дисковых ножей. 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. В устройстве не осуществляется измерение размеров сырья.
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.
Решающим недостатком, ограничивающим применение данного устройства, является отсутствие возможности наклонной резки продукта на ломтики. В устройстве осуществляется нормальное резание, поскольку режущий инструмент перемещается перпендикулярно к плоскости перемещения сырья. Вследствие этого качество готового продукта низкое. Цикл работы режущего инструмента включает холостой ход. Отсутствует измерительное приспособление для получения информации о размерах продукта. Кроме того, устройство обладает невысокой производительностью, что обусловлено конструкцией приводного блока и низким быстродействием пневматических цилиндров.
Наиболее близким техническим решением является устройство для резки пищевых продуктов (RU №1024047, МПК А22С 25/18, опубл. 23.06.1983 г.), содержащее привод, подающее приспособление, режущее приспособление, включающее режущие инструменты, закрепленные на держателях. Режущие инструменты выполнены в виде ножей с фигурными вырезами в режущих кромках, причем один из ножей выполнен подвижным. Ножи размещены один относительно другого с взаимным перекрещиванием выступов из режущих кромок в местах фигурных вырезов. При этом один выступ одного ножа контактирует с нижней стороной, а другой выступ - с верхней стороной соответствующих выступов другого ножа. Подающее приспособление выполнено в виде выталкивателей и кулачков, синхронизированных с работой ножей посредством механической передачи.
Решающим недостатком устройства является работа ножей в режиме нормального резания. Кромки ножей двигаются перпендикулярно поверхности материала, что обусловливает значительные локальные уплотнения в мясе и разрывы тканей. Кроме того, в начале резании на поверхности продукта образуются участки, которых не касаются режущие кромки ножей, и в которые выдавливается продукт с деформацией мяса. Это приводит к низкому качеству готового продукта. При резании образуется стружка, возникают потери ценного сырья. Подача сырья к ножам осуществляется под действием собственного веса мяса с использованием вибрации, что существенно ограничивает скорость подачи и производительность устройства. Измерение размеров сырья и автоматическое регулировка толщины ломтиков не осуществляются, в связи с чем, требуется ручная регулировка оператором.
Изобретение решает задачи улучшения качества среза готового продукта за счет обеспечения режима скользящего резания со снижением сил сопротивления резанию и возможности регулирования толщины ломтиков, а также повышения производительности за счет увеличения скорости резки продукта режущим приспособлением с одновременным повышением скорости перемещения сырья подающим приспособлением.
Для достижения необходимого технического результата в устройстве для резки пищевых продуктов, содержащем снабженные приводами подающее приспособление и отводящее приспособление, режущее приспособление, включающее, по меньшей мере, два режущих инструмента серповидной формы, закрепленных с возможностью встречного движения с взаимным перекрещиванием режущих кромок, предлагается подающее и отводящее приспособления выполнить в виде двух линий конвейеров, причем каждую линию составить из двух конвейеров, установленных под углом друг к другу. Между двумя линиями конвейеров предлагается разместить ориентированное вертикально опорное плоское кольцо, на котором закрепить электродвигатель, связанный зубчатой передачей с приводным плоским кольцом, которое предлагается установить концентрично опорному плоскому кольцу. Режущие инструменты предлагается распределить равномерно и установить на торце приводного плоского кольца на втулках с возможностью вращения, а на торце опорного плоского кольца - с возможностью поворота при вращении приводного плоского кольца. Кроме того, устройство предлагается дополнительно снабдить расположенным перед режущими инструментами над линией конвейера измерительным блоком, включающим лазерный источник и фотоприемник, а также вычислительным блоком, причем вычислительный блок связать с приводами конвейеров, лазерным источником, фотоприемником и электродвигателем.
Режущие инструменты выполнены серповидной формы. Перемещение ножей приводным плоским кольцом обеспечивает движение их режущих кромок по окружности. Этим достигается режим скользящего резания. В этом режиме нож одновременно совершает перемещение и в нормальном к его кромке направлении, и в направлении, параллельном кромке. Резание осуществляется нормальной и боковой силами, причем касательная сила вызывает скользящее движение частиц материала вдоль по лезвию. При скользящем резании происходит кинематическая трансформация угла заточки лезвия. Фактический угол раздвижения материала становится значительно меньше конструктивного угла заточки ножа, что приводит к существенному снижению сил трения на кромке и улучшению качества поверхности реза. Также снижается удельная нагрузка на погонную длину лезвия, что обусловливает уменьшение нагруженной длины лезвия и снижение усилия резания. Кроме того, кромка лезвия оказывает пилящее воздействие на материал, что ведет к снижению предельного разрушающего контактного напряжения резания.
Для получения трехмерной цифровой модели обрабатываемого продукта используется триангуляционное лазерное сканирование. Применение лазера с высокой интенсивностью луча позволяет уверенно определять форму лазерной линии в условиях водяного тумана и загрязнения рабочей зоны. Промышленные исследования показывают, что погрешность измерения размеров продукта способом триангуляционного лазерного сканирования составляет не более ±0,5 мм. Излучение лазерного источника формируется в виде вертикальной линии и проецируется на продукт, причем лазерная линия на поверхности продукта соответствует его профилю. При прохождении продукта с постоянной скоростью под лазерным источником фотоприемник формирует и передает набор измеренных профилей продукта в вычислительный блок. Таким образом, в вычислительном блоке устройстве накапливается информация для решения триангуляционной задачи и построения трехмерной цифровой модели продукта.
Наличие вычислительного блока позволяет сформировать трехмерную цифровую модель продукта и определить его размеры, форму 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.
Описание изобретения иллюстрируется прилагаемыми чертежами, где на:
фиг. 1 - предлагаемое устройство для резки пищевых продуктов, общий вид со стороны вычислительного блока;
фиг. 2 - предлагаемое устройство для резки пищевых продуктов, общий вид со стороны режущего приспособления;
фиг. 3 - режущее приспособление в открытом положении, вид спереди;
фиг. 4 - режущее приспособление в промежуточном положении, вид спереди;
фиг. 5 - режущее приспособление в закрытом положении, вид сзади;
фиг. 6 - серповидный нож.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - рама опорная;
2, 3, 4, 5 - конвейер;
6, 7, 8, 9 - привод конвейера;
10 - кронштейн;
11 - блок измерительный;
12 - источник лазерный;
13 - фотоприемник;
14 - кольцо плоское опорное;
15 - кольцо плоское приводное;
16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 - нож серповидный;
23 - электродвигатель;
24 - колесо зубчатое;
25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 - втулка;
32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 - упор плоского опорного кольца;
39 - блок вычислительный;
40 - паз опорной рамы;
41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 - паз серповидного ножа;
48 - луч лазерный;
49 - линия лазерная;
50 - продукт;
51 - ломтик.
В предлагаемом техническом решении введение измерительного блока позволяет передавать видеоинформацию о профилях продукта для построения его трехмерной цифровой модели в вычислительном блоке с целью расчета размеров и формы продукта, а также параметров рациональной резки при заданной толщине ломтиков. Улучшение качества реза готового продукта достигается за счет формы режущих инструментов, режущая кромка которых выполнена в виде части дуги окружности. Режущие кромки серповидных ножей перемещаются по касательным линиям к поверхности материала с одновременным погружением лезвий в мясо. Этим обеспечивается режим скользящего резания материала каждым серповидным ножом, за счет чего исключаются потери сырья на стружку, разрывы мяса и неровности поверхности реза. Линия соприкосновения режущих кромок серповидных ножей с материалом плавно стремится к окружности, диаметр которой сокращается до сквозного прорезания продукта. Ножи при резании воздействуют на продукт со всех его сторон, благодаря чему полностью исключается выдавливание мяса и образование участков деформации. При этом значительно снижаются силы сопротивления резанию, что создает оптимальные условия резания и улучшает качество поверхности среза ломтиков. Применение электродвигателя для поворота приводного плоского кольца обеспечивает высокую скорость перемещения серповидных ножей и увеличивает быстродействие режущего приспособления. Применение конвейеров для подачи сырья к режущему приспособлению позволяет увеличить производительность устройства. Расположение конвейеров попарно под углом друг к другу обеспечивает устойчивое положение продукта при подаче и обработке, что позволяет повысить точность нарезки и увеличить скорость перемещения. Требуемая толщина ломтиков задается моментами приведения серповидных ножей в действие за счет поворота приводного плоского кольца электродвигателем. Использование вычислительного блока, управляющего подающим и режущим приспособлениями, позволяет осуществлять рациональную резку пищевых продуктов на ломтики заданной толщины при различных размерах и форме сырья.
В предлагаемом устройстве для резки пищевых продуктов на опорной раме 1 попарно под углом друг к другу с возможностью поступательного движения установлены конвейеры 2, 3, 4, 5, соединенные с приводами 6, 7, 8, 9. На опорной раме 1 закреплен кронштейн 10, на котором установлен измерительный блок 11, включающий лазерный источник 12 и фотоприемник 13. В опорной раме 1 выполнен паз 40, в котором неподвижно закреплено ориентированное вертикально опорное плоское кольцо 14. Рядом с опорным плоским кольцом 14 установлено с возможностью вращения приводное плоское кольцо 15. На приводном плоском кольце 15 посредством втулок 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 установлены с возможностью вращения серповидные ножи 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, выполненные с пазами 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47. Опорное плоское кольцо 14 снабжено упорами 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 под пазы 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47. Электродвигатель 23 закреплен на опорном плоском кольце 14 и связан зубчатой передачей посредством зубчатого колеса 24 с приводным плоским кольцом 15. Упоры 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 находятся в пазах 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 серповидных ножей 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. На опорной раме 1 закреплен вычислительный блок 39, соединенный с приводами 6, 7, 8, 9 конвейеров 2, 3, 4, 5, лазерным источником 12 и фотоприемником 13 измерительного блока 11, электродвигателем 23. Измерительный блок 11 расположен перед режущими инструментами над линией конвейера.
Описание работы устройства для резки пищевых продуктов
Оператор включает вычислительный блок 39 и задает требуемую толщину нарезки продукта 50, например, жгута рыбного фарша, на ломтики. Вычислительный блок 39 подает команды включения на приводы 6, 7, 8, 9 конвейеров 2, 3, 4, 5 и лазерный источник 12. Оператор укладывает продукт 50 в углубление, образованное конвейерами 2 и 3. Конвейеры 2 и 3 перемещают продукт 50 под измерительным блоком 11. Лазерный источник 12 проецирует на продукт 50 плоский лазерный луч 48, образующий на поверхности продукта 50 лазерную линию 49, которая находится в поле зрения фотоприемника 13. Информация о координатах лазерной линии 49 из фотоприемника 13 передается в вычислительный блок 39, который по набору координат лазерной линии 49 формирует трехмерную цифровую модель продукта. Вычислительный блок 39 рассчитывает размеры и форму продукта 50, а также моменты включения электродвигателя 23. Продукт 50 подходит к серповидным ножам 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, которые разведены в открытое положение. В момент прохождения продукта 50 плоскости резания, вычислительный блок 39 подает команду поворота на электродвигатель 23. Электродвигатель 23 вращает зубчатое колесо 24, которое поворачивает приводное плоское кольцо 15 с закрепленными на нем серповидными ножами 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. Поскольку упоры 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38 находятся в пазах серповидных ножей 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, то серповидные ножи 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 при повороте приводного плоского кольца 15 поворачиваются на втулках 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 и сводятся к поверхности продукта 50. При этом серповидные ножи 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 погружаются в продукт 50, перерезая его насквозь со всех сторон в режиме скользящего резания. После отрезания одного ломтика 51 от продукта 50, когда серповидные ножи 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 достигают закрытого положения, вычислительный блок 39 подает команду возврата на электродвигатель 23, который вращается в обратную сторону, и посредством зубчатого колеса 24 поворачивает приводное плоское кольцо 15 в исходное состояние. Серповидные ножи 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 разводятся в стороны и возвращаются в открытое положение. Поскольку движение серповидных ножей 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 осуществляется с высокой скоростью, отрезание ломтика 51 происходит без остановки конвейеров 2, 3, 4, 5. Отрезанный ломтик 51 попадает на конвейеры 3 и 4 и отводится ими. Циклы включения электродвигателя 23 и поворотов серповидных ножей 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 повторяются до полной нарезки продукта 50 на ломтики 51.
Таким образом, при использовании предлагаемого устройства, по сравнению с устройством, описанным в ближайшем аналоге, обеспечиваются улучшение качества срезов ломтиков и повышение производительности нарезки пищевых продуктов. Как показывают промышленные исследования, производительность при нарезке увеличивается в 3 раза, расход электроэнергии сокращается на 25%. Количество брака сокращается на 60%. Это позволяет обеспечить ресурсосбережение на производстве.
Устройство обеспечивает качественную нарезку пищевых продуктов на ломтики без образования стружки, что позволяет исключить трудоемкие операции ручной обработки, улучшить потребительские качества готового продукта, а также сократить количество персонала на производстве.