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 [Авторское свидетельство SU №1791020 А1] в виде четырехперьевого ножа к измельчителю пищевых продуктов, преимущественно мяса, содержащий 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, равен 35-50°, то угол заострения при вершине режущего лезвия α=55-40°. Такой угол заострения режущего лезвия, с точки зрения энергозатрат на процесс измельчения, не является оптимальным.
Кроме того, контакт подвижного ножа всей своей торцовой поверхностью с решеткой в плоскости резания (измельчения) не способствует уменьшению энергозатрат. Поверхность пера подвижного ножа, обращенная к решетке, лучше расположить под определенным углом, например, 3…5°, а его конструктивные размеры определить по результатам расчетов на прочность и жесткость.
Известен также патент RU №2184613 С2. Утверждается, что «Режущие кромки лопастей ножа образованы пересечением отверстий, расположенных по тем же концентрическим окружностям, что и сквозные отверстия решетки, и выполненных с диаметром, равным расстоянию между диаметрами этих концентрических окружностей. На одной паре лопастей эти отверстия выполнены под острым углом к рабочей поверхности ножа, а другой - под прямым углом».
Недостатком данного технического решения является, что угол заострения клина режущего лезвия α=90° не может отвечать требованиям энергоэффективности измельчителя пищевых продуктов, а повышенные энергозатраты отрицательно влияют и на качество измельченного продукта.
Известно также авторское свидетельство к изобретению SU №1738353 А1. Из описания к авторскому свидетельству вытекает, что лепестки (перья) подвижного ножа контактирует с неподвижным ножом (решеткой) в плоскости резания (фиг. 4). Вдоль режущей кромки пера подвижного ножа предусмотрена полоса (площадка) определенной ширины.
рп
С целью уменьшения энергозатрат на совершаемую работу силами трения в плоскости резания следует отказаться от наличия такой площадки контакта и заменить на контакт по линии режущей кромки. Угол заострения α=90-γ при вершине клина-лезвия подвижного ножа также не отвечает требованиям энергоэффективности процесса измельчения.
Другими словами, лезвия подвижного ножа не имеют оптимальных характеристик, обеспечивающих, как утверждают авторы «…повышение эффективности измельчения материалов». Например, снижение энергозатрат на процесс измельчения пищевых продуктов, по крайней мере, способствует сохранению качества исходного сырья в измельченном продукте. Мясо должно резаться, а не перетираться и терять сок!
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является патент RU №25430 U1.
Как утверждается в описании полезной модели «Задачей предлагаемого технического решения является повышение режущих свойств двустороннего лопастного ножа и снижение энергозатрат при измельчении продукта.
Поставленная задача решается тем, что в ноже лопастном, содержащем ступицу с посадочным отверстием, на которой размещены лопасти, имеющие в поперечном сечении форму параллелограмма с режущими лезвиями на противоположных поверхностях, согласно предложенного решения, лопасти имеют площадь поперечного сечения, уменьшающуюся от ступицы к периферии».
Далее утверждается, что «Для того, чтобы максимально снизить усилия трения задних поверхностей резания лопастей 3 и 4, лопасти вдоль режущих кромок со стороны поверхностей резания снабжены выступами, имеющими форму параллелограммов (фиг. 5, 20, 24) или трапеций (фиг. 10, 21, 23)».
Патент RU №25430 U1 принят за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатки прототипа заложены в конструкции лопастей подвижного ножа и способе их изготовления.
Лопасти ножа в поперечном сечении имеют форму параллелограмма. Кроме того, эти лопасти могут быть (и должны быть) снабжены вдоль своих режущих кромок выступами, имеющими форму параллелограмма или трапеции.
Конструкцию такой формы лопасти нельзя признать отвечающей требованиям энергоэффективности и технологичности, предъявляемым к деталям пищевого оборудования, а именно:
- поверхности деталей, соприкасающиеся с пищевым продуктом не должны быть труднодоступными для промывки, очистки и санитарной обработки. В углублениях вдоль выступов на лопастях будет задерживаться измельчаемый продукт;
- обеспечение минимальной (оптимальной) шероховатости поверхностей, соприкасающихся с пищевым продуктом, затруднительно общепринятыми экономичными способами. Повышение шероховатости будет способствовать росту сил трения при вращении подвижного ножа в среде измельчаемого продукта;
- если лезвие лепестка (пера) должно быть выполнено в виде клина, то следует признать неудачной конструкцию лепестка в поперечном сечении в виде параллелограмма. Вращающийся лепесток ножа непрерывно преодолевает сопротивление измельчаемой среды. И это сопротивление тем больше, чем больше площадь максимального продольного сечения лепестка, измеренная в плоскости, нормальной к рабочей поверхности решетки. В работе участвуют не только режущая кромка и лезвие, но и другие поверхности, так как они имеют контакт с измельчаемым продуктом и решеткой (фиг. 1).
тр1
тр2
тр2
тр2
рез
Фиг. 1. Силы, действующие на лепесток в процессе вращения ножа (F - сила трения между лопастью и решеткой; F', Fʺ, Fʺ' - силы трения между лопастью и измельчаемым продуктом; F - сила, необходимая для отрезания кусочка от обрабатываемого продукта; Q - сила, действующая на лопасть в направлении вращения ножа).
Заметим еще раз, что процессы измельчения реализуются в дробилках, мельницах, куттерах, волчках и т.д. Измельчение материалов осуществляется путем раздавливания, раскалывания (разделения), истирания и удара. В рассматриваемом случае мы используем способ измельчения продуктов - раскалыванием (разделением). Другими словами, используем 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.
Следовательно, на основании вышеизложенного, оптимальной, с точки зрения энергоэффективности, является клинообразная форма лопасти во всех поперечных сечениях (фиг. 2).
тр1
тр2
гор
1
2
рез
Фиг. 2. Силы, действующие на лопасть подвижного ножа, выполненного в виде односкосого клина (F - силы трения между лопастью и решеткой; W - сила реакции, образованная в результате совместного действия силы прижатия гайкой решетки к подвижному ножу и давления обрабатываемого продукта со стороны шнека на лопасть; N - равнодействующая равномерно или неравномерно распределенной нагрузки, действующая по нормали к наклонной поверхности; F - сила трения между обрабатываемым продуктом и скосом клина; α - угол при вершине клина; P - горизонтальная составляющая равнодействующей R'; (ϕ - угол трения в плоскости резания; ϕ - угол трения на скосе клина; W' - вертикальная составляющая равнодействующей R' (заметим W'≠W); Q - сила, действующая на лопасть в направлении движения ножа; F - сила резания, приложенная к режущей кромке).
Если рассматривать конструкцию лопасти (пера) как односкосый клин, то на него действуют силы:
тр1
- на поверхности, обращенной к решетке и совмещенной с ее поверхностью резания, действуют силы трения F и сила W, действующая по нормали (она образована в результате давления обрабатываемого продукта со стороны шнека на лопасть (перо) и прижатия гайкой решетки к подвижному ножу);
тр2
- на наклонной поверхности клина действуют силы F и сила N (равнодействующая равномерно или неравномерно распределенной нагрузки), действующая по нормали к наклонной поверхности;
рез
- на режущую кромку действуют силы резания F (разрезания на части продукта, разрушения целостности продукта, измельчения продукта);
- на клин действует сила Q, осуществляющая процесс измельчения. Эта сила толкает лопасть вперед, вращает подвижный нож.
Исходя из условия равновесия клина, можно написать
рез
Величина силы резания F зависит от физико-механических свойств измельчаемого продукта. В данном случае мы не рассматриваем способы изменения физико-механических свойств с целью изменения (уменьшения) потребных сил резания обрабатываемого продукта.
тр1
Сила трения F определяется по формуле
где f - коэффициент трения (сталь по стали - 0,10…0,15);
W - нормальная реакция на основании клина (она складывается из усилий N' давления прижатия зажимной гайкой решетки к подвижному ножу и вертикальной составляющей W').
Чтобы уменьшить силу трения, поверхность клина, контактирующая с поверхностью решетки, следует затачивать под определенным углом (например, 2…3°). Это исключает контакт подвижного ножа (номинально) и решетки по площадкам определенных размеров.
Безусловно, реально исключить контакт между подвижным ножом и решеткой не представляется возможным. Поэтому, с целью уменьшения силы трения между подвижным ножом и решеткой, реальный контакт может быть прямолинейным или криволинейным (по форме режущей кромки на лопасти подвижного ножа).
гор
Горизонтальная составляющая P может быть определена по формуле (для простоты изложения материала опускаем промежуточные расчеты)
или
2
где ϕ - угол трения на скосе клина.
гор
Расчеты показывают, что, например, при прочих равных условиях, только уменьшение угла заострения клина α с 35 до 5° горизонтальная составляющая P уменьшается почти в четыре раза (≈3,7 раза).
Следовательно, с точки зрения энергоэффективности и качества измельчения пищевого продукта лопасть (перо) подвижного ножа во всех поперечных сечениях должна иметь форму клина, причем с углом заострения несколько большем угла трения ϕ (металл по металлу), т.е. α=7…8°.
У прототипа «Для снижения усилий трения со стороны плоскости резания лопасти вдоль режущих кромок снабжены выступами, имеющими в поперечном сечении форму параллелограмма или трапеции. Этим достигается уменьшение площади трения задних поверхностей лопастей ножа об измельчаемый продукт.»
С таким утверждением автора прототипа нельзя согласиться. Задние поверхности лопастей ножа с измельчаемым продуктом не соприкасаются. Задние поверхности лопастей могут соприкасаться только с отрезанными кусочками, находящимися в отверстиях решетки. Но это не измельчаемый продукт, а измельченный продукт. Здесь дело не только в терминах. Измельчаемый продукт оказывает на лопасти подвижного ножа со стороны шнека значительное давление, влияющее на энергоэффективность и условия протекания процесса измельчения.
Отрезанный кусочек остается в отверстии до тех пор, пока он находится под лопастью ножа и давление со стороны измельчаемого продукта воспринимается лопастью ножа. Как только лопасть ножа перемещается в сторону и открывается отверстие решетки, измельчаемый продукт продавливает отрезанный кусочек вдоль отверстия.
Коэффициент трения «пищевые продукты - металл» колеблется в широких пределах. Надо отметить, что это не сухое трение. Измельчаемые продукты всегда содержат влагу в том или ином количестве. Поэтому содержание влаги в измельчаемом продукте сильно влияет на величину коэффициента внешнего трения. Были определены коэффициенты внешнего трения пищевых продуктов (мясо, свекла, яблоко, морковь) по металлу - 0,12…0,36.
Учитывая, что практически нет давления со стороны отрезанных кусочков на лопасти ножа, силой трения между лопастями ножа и отрезанными кусочками из измельчаемого продукта можно пренебречь.
Что же касается сил трения между подвижным ножом и решеткой, то ими пренебречь нельзя.
Для снижения усилий трения автор прототипа предлагает сделать выступы вдоль режущих кромок лопастей, имеющие в поперечном сечении форму параллелограмма или трапеции и этим достигается уменьшение площади трения лопастей.
По закону трения Амонтона нормальная сила N создает силу трения между подвижным ножом и решеткой F=f*N (здесь f - коэффициент трения между подвижным ножом и решеткой). В этой формуле размеры площади контакта не имеют никакого значения.
Задачей изобретения является повышение энергоэффективности измельчения пищевых продуктов (уменьшение энергозатрат) и, как следствие, сохранение качественных показателей исходного сырья в измельченном продукте.
Поставленная задача решается следующим образом.
Теоретически и экспериментально доказано, что лепестки подвижного крестообразного ножа во всех поперечных сечениях, с точки зрения энергоэффективности, должны иметь только форму классического клина (не параллелограмма, трапеции, квадрата, ромба, сегмента). Причем, чем меньше угол α при вершине клина, тем меньше энергозатраты на процесс измельчения.
Одна поверхность клина, контактирующая с измельчаемым продуктом, должна быть плоской, а не комбинированной (фиг. 1) или фасонной (фиг. 4; фиг. 5). У прототипа она является комбинированной.
Другая поверхность клина, обращенная к решетке, также должна быть плоской. Но, с целью уменьшения величины сил трения между лопастями подвижного ножа и решеткой (металл по металлу), реальный контакт подвижного ножа и решетки предлагается осуществлять только по режущим кромкам лопастей подвижного ножа, т.е. в соответствии с формами режущих кромок - прямолинейный или криволинейный (фиг. 3).
Отметим еще раз, что важной характеристикой (если не единственной) клина, как инструмента, предназначенного для разделения объекта на части, является угол заострения α при его вершине. Чем меньше этот угол и силы трения на «щеках» клина, препятствующие внедрению его в тело объекта, тем меньше потребная сила, необходимая для разделения объекта на части.
1
2
Силы трения на «щеках» клина в основном зависят от коэффициентов трения (со стороны шнека - трение измельчаемого продукта по металлу - f=0,12…0,36; со стороны решетки - трение металла по металлу - f=0,10…0,15).
Определяя величину угла заострения а клина, прежде всего необходимо отталкиваться от условий его работы в измельчителе.
Можно рассматривать лопасть подвижного ножа как односкосый клин с трением на двух поверхностях, на которого со стороны шнека обрабатываемая среда оказывает давление (фиг. 6).
гор
При любом угле скоса α зажатый клин стремится вытолкнуть сила обратного действия P, представляющая собой горизонтальную составляющую нормальной реакции N; W - ее вертикальная составляющая.
Фиг. 6. Схема для выяснения условия самоторможения клина (клин находится в зажатом состоянии и на него действуют силы, стремящиеся вытолкнуть его).
гор
1
Силе P противодействуют сила трения F на основании клина и горизонтальная составляющая F' силы трения F на наклонной поверхности клина.
Условие равновесия клина может быть записано как
Из схемы (фиг. 6) сила трения определяется как
Ее горизонтальная составляющая
Вертикальная составляющая силы трения F, равная F*sinα, суммируется с вертикальной составляющей W нормальной силы N. Соответственно величина нормальной реакции на основании клина
а сила трения на основании клина
1
1
1
F=W'*tgϕ=W*(1+tgα*tgϕ)*tgϕ
Формула (4) для предельного случая наступления равенства сил, удерживающих клин в зажатом состоянии и сил, стремящихся вытолкнуть его в горизонтальном направлении, приобретает вид
гор
1
P=F'+F.
Подставив в эту формулу значение сил, получим
гор
1
P=W*tgα=W*tgϕ+W*(1+tgα*tgϕ)*tgϕ
или
1
1
tgα=tgϕ+tgϕ+tgα*tgϕ*tgϕ.
1
При малых углах α произведение tgα*tgϕ*tgϕ близко к нулю, а величина тангенсов углов близка к величине соответствующих углов в радианах.
Тогда условие предельного равновесия клина выразится равенством
1
α=ϕ+ϕ.
Лопасть подвижного ножа сверху соприкасается с обрабатываемым пищевым продуктом (например, с мясом, овощами, ягодами и другими пищевыми продуктами).
1
Коэффициент трения на поверхности клина, обращенной к шнеку, колеблется в пределах f=0,12…0,36 (пищевой продукт - металл), а на поверхности, обращенной к решетке f=0,10…0,15 (металл по металлу).
1
1
1
1
Если коэффициент трения на одной поверхности будет f=tgϕ=0,12, то ϕ=6°50', а на другой поверхности f=tgϕ=0,10, то ϕ=5°43'. Тогда условие равновесия клина будет соблюдаться при угле α=ϕ+ϕ=6°50'+5°43'=12°33'.
Результаты выполненных расчетов свидетельствуют о том, что с точки зрения энергоэффективности процесса измельчения пищевого продукта, лопасти подвижного ножа должны иметь форму классического клина во всех поперечных сечениях. Причем угол заострения α при вершине клина должен быть не более 6…12°.
С целью уменьшения затрат энергии на работу, совершаемую силами трения, возникающими между лопастями подвижного ножа и решеткой, необходимо исключить наличие контактных площадок между ними и реальный контакт осуществлять только по режущим кромкам подвижного ножа. Конструктивные размеры клина должны быть определены на основании расчетов на прочность и жесткость. Кроме того, подвижные ножи в промышленных измельчителях перетачиваются не менее трех-четырех раз за период их эксплуатации и это обстоятельство должно быть учтено при разработке чертежа.
Техническое решение, предлагаемое в изобретении, заложено в конструкции подвижного ножа, показанная на фиг. 3.
В подвижном крестообразном ноже, содержащем ступицу 1 с посадочным квадратным отверстием 2, на которой размещены лопасти 3, имеющие во всех поперечных сечениях форму классического клина с углом заострения 6…12° при вершине клина. Между нижней поверхностью клина и рабочей поверхностью решетки образуется угол β=2…3°. Реальный контакт лопастей подвижного ножа с рабочей поверхностью решетки осуществляется только по режущим кромкам 4.
Исследования, выполненные с подвижными ножами бытовых измельчителей с электрическим приводом, подтвердили энергоэффективность подвижных ножей предложенной конструкции.
э
Подвижные крестообразные ножи были изготовлены из стали 65Г, отожжены при температуре 790…815°С, закалены при температуре 800…815°С до твердости 60…62HRC, охлаждены в масле, отпущены при температуре 160…175°С. Энергозатраты на процесс измельчения мяса при использовании подвижных ножей предложенной конструкции на 30…32% ниже, по сравнению с энергозатратами на процесс измельчения с подвижными ножами конструкции, предлагаемой в прототипе.
Кроме того, сравнительным испытаниям на энергоэффективность были подвергнуты также подвижные ножи, поставляемые к бытовым электрическим измельчителям с α=75°; β=0° и прямолинейными режущими кромками и переточенные (модифицированные) подвижные ножи с α=6° и β=2°, т.е. с такими характеристиками, которыми обладает предложенная конструкция ножа. И в этом случае энергозатраты с подвижным ножом, предложенной конструкции, оказались на 35% ниже.
На первый взгляд может показаться, что такая экономия энергии не представляет большого практического интереса. Однако следует отметить, что в настоящее время наметился рост цен на металлы, электроэнергию, воду, практически на все расходные материалы. Поэтому следует изыскать возможности снижения удельных затрат любых ресурсов на единицу производимой продукции. Исключением не является и эксплуатация измельчителей пищевых продуктов.
Например, волчок К7-ФВП-160-1, предназначенный для среднего и мелкого измельчения мясного сырья, имеет электродвигатель мощностью 32,2 кВт, а куттер Л5-ФКМ, предназначенный окончательного тонкого измельчения мяса и приготовления фарша при производстве варено-копченых, полукопченых, сырокопченых, вареных, ливерных колбас, сосисок, сарделек, имеет электродвигатель мощностью 30,6 кВт. Машина Б9-ФДМ-01, используемая для измельчения блоков замороженного мяса, имеет электродвигатель мощностью 55 кВт. Эти примеры свидетельствуют о чрезвычайно большой энергоемкости процесса измельчения мяса и мясных продуктов. К примеру, установленная мощность электродвигателей на металлорежущих станках, в среднем, не превышает 8…10кВт.
Краткое описание чертежей:
тр1
тр2
тр2
тр2
рез
на фиг. 1 - изображены силы, действующие на лопасть вращающегося ножа, у которого лопасти имеют в поперечном сечении форму параллелограмма (F - сила трения между лопастью и решеткой; F', Fʺ, Fʺ' - силы трения между измельчаемым продуктом и лопастью; F - сила, необходимая для отрезания кусочка от обрабатываемого продукта; Q- сила, действующая на лопасть в направлении вращения ножа);
тр1
на фиг. 2 - силы, действующие на лопасть подвижного ножа, выполненного в виде односкосого клина (F - сила трения между лопастью и решеткой;
W - сила реакции, образованная в результате совместного действия силы прижатия гайкой решетки к подвижному ножу и давления обрабатываемого продукта со стороны шнека на лопасть;
тр
R - равнодействующая F и W;
1
ϕ - угол трения в плоскости резания;
N - равнодействующая равномерно или неравномерно распределенной нагрузки, действующая по нормали к наклонной поверхности;
тр2
F - сила трения между обрабатываемым продуктом и скосом клина;
тр2
R' - равнодействующая N и F;
2
ϕ - угол трения на скосе клина;
W' -вертикальная составляющая равнодействующей R';
α - угол при вершине клина;
гор
P - горизонтальная составляющая равнодействующей R';
Q - сила, действующая на лопасть в направлении вращения ножа;
рез
F - сила резания, приложенная к режущей кромке (к вершине клина));
на фиг. 3 - схема взаимодействия крестообразного ножа и решетки (1 - ступица; 2 - квадратное отверстие; 3 - лопасть ножа; 4 - режущая кромка лопасти; α - угол заострения клина; β - угол между нижней поверхностью лопасти и поверхностью резания решетки);
на фиг. 4 - схема взаимодействия подвижного крестообразного ножа с лопастями, имеющими прямолинейные режущие кромки (1 - режущая кромка; 2 - фасонная поверхность лопасти, обращенная к шнеку);
на фиг. 5 - схема взаимодействия подвижного крестообразного ножа с лопастями, имеющими криволинейные режущие кромки (1 - режущая кромка; 2 - фасонная поверхность лопасти, обращенная к шнеку);
на фиг. 6 - схема для выяснения условий нахождения клина в равновесии (клин находится в зажатом состоянии и на него действуют силы, стремящиеся вытолкнуть его)
1
F - сила трения на основании клина;
W' - сила нормальной реакции;
1
R' - равнодействующая F и W';
1
ϕ - угол трения на основании клина;
N - равнодействующая равномерно или неравномерно распределенной нагрузки, действующая по нормали к наклонной поверхности;
F - сила трения на скосе клина;
R - равнодействующая на N и F;
ϕ - угол трения на скосе клина;
W - вертикальная составляющая N;
гор
P - горизонтальная составляющая N;
F' - горизонтальная составляющая силы трения F;
F*sinα - вертикальная составляющая силы трения F;
α - угол заострения клина.
Техническим результатом является подвижный крестообразный подвижный (вращающийся) нож с лопастями, имеющими в любом поперечном сечении форму классического клина с углом заострения при его вершине α не более 6…12°, и контактирующими с поверхностью (поверхностью резания) решетки только режущими кромками лопастей.
Изобретение позволяет упростить конструкцию подвижного ножа, в более полной мере удовлетворить требования технологичности, так как нет более простого механизма, чем классический клин. Снижение энергозатрат свидетельствует о том, что у ножа повысились режущие свойства и, как следствие, вероятность ухудшения качественных показателей исходного сырья после измельчения резко уменьшается. Важно сохранить химические и биологические свойства измельчаемого сырья в измельченном продукте. При повышенных энергозатратах на процесс резания имеет место чрезмерный нагрев деталей механизма измельчения, что ухудшает качество исходных продуктов после измельчения.
Кроме того, бережное отношение к используемым ресурсам становится глобальной задачей: «Если бы весь мир при его нынешней численности жил так же, как жители Северной Америки, потребовалось бы три планеты Земля, чтобы обеспечить подобный уровень жизни населению всего земного шара» [Слак Найджел и др. Организация, планирование и проектирование производства. Операционный менеджмент. Пер. с 5-го англ. изд. - М.: ИНФРА-М, 2010. - XXVI, 790 с.]