Оптимальная форма лезвийного рабочего органа для динамического измельчения цитрусовых плодов

УДК 664.736

Оптимальная форма лезвийного рабочего органа для динамического измельчения цитрусовых плодов

ческого измельчения цитрусовых плодов для производства смузи. В задачи работы входили:

1) проработка теории процесса резания, на основе которой повысится эффективность процесса;

2) исследование машин, аппаратов и способов измельчения сырья, которые могут быть использованы при производстве смузи;

3) исходя из анализа процесса резания, экспериментальных и теоретических исследований сформулировать рекомендации по усовершенствованию процесса измельчения цитрусовых плодов, его режимов и определить оптимальную форму лезвийного рабочего органа измельчителя. В настоящее время в пищевой

промышленности процесс измельчения плодов, овощей и фруктов для достижения необходимой степени дисперсности и формы частиц, в основном, осуществляют с помощью дробилок, соковыжималок, блендеров, неподвижных решеток и ножей, вращающихся с относительно невысокой скоростью при непрерывной подаче сырья [3].

Преимущественно широкое распространение получило резание фруктов, плодов и овощей лезвийным инструментом. Принцип такого резания строится на базе относительного перемещения режущего инструмента и продукта. Направление перемещения позволяет

Л. В. Минаева,

аспирант;

Т. В. Минаева,

аспирант; Е. В. Кравцова,

аспирант

Санкт-Петербургский исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Введение. В последнее время питание человека не сбалансировано. Потребление продуктов, прошедших термическую обработку и рафинирование, в результате которых теряются полезные вещества, приводит к недостатку поступления витаминов в организм человека. В этой связи, у людей наблюдается витаминная недостаточность, ухудшается самочувствие, что становится причиной многочисленных заболеваний и недомоганий.

Смузи — диетическая густая масса, при приготовлении которой сохраняются все витамины и волокна ингредиентов, входящих в состав смузи, что и отличает ее от соков. Смузи — источник большого количества энергии, способствующий укреплению иммунитета [1]. Волокна и клетчатка, содержащиеся в напитке, благоприятно влияют на желудок. Выведение шлаков и токсинов также относят к достоинствам употребления смузи. Кроме того, он стимулирует снижение веса и поддержание благоприятного состояния организма.

При производстве соков, вод, морсов и газированных напитков широкое применение получили процессы измельчения, дробления и резания, которые существенно влияют на качество как сырья, так и готовой продукции [2].

Цель работы — исследование и оптимизация процесса динами-

36 ПИВО и НАПИТКИ

6•2017

0 ОБОРУДОВАНИЕ

подразделить процесс на рубящее и скользящее резание.

При рубящем резании лезвие рабочего органа скользит перпендикулярно режущей кромке, в результате чего происходит уплотнение поверхностного слоя обрабатываемого объекта, обуславливающее деформацию данного объекта. Наряду с этим, в продукте появляются контактные напряжения. Рассматривая величины напряжений, выявлено, что наивысшее значение приходится в области контакта продукта с режущей кромкой ножевого органа. При увеличении силы ножевого органа, воздействующей на разрезаемый продукт, повышается деформирование данного продукта, и также увеличиваются контактные напряжения. Деструкция продукта под действием режущей кромки ножевого органа происходит в момент, когда значение контактных напряжений достигает определенной величины, которую называют предельной.

Анализируя скользящее резание, выделяем, что в случае передвижения ножевого органа перпендикулярно острой кромке нож входит в толщу слоя продукта, а вследствие хода ножевого органа вдоль острой кромки происходит разрезание стенок и волокон продукта в результате воздействия на них мельчайших микрозубчиков лезвия. При скользящем резании перепиливание продукта совершается влиянием отдельных микрозубчиков, при этом следует уточнить, что общая длина микрозубчиков, единовременно участвующих в перепиливании продукта, меньше длины режущей кромки лезвия. При скользящем резании для перерезания продукта требуется применять меньшее усилие и уплотнение, тогда как при рубящем резании данные показатели выше. Следовательно, при скользящем резании для перерезания продукта требуемые усилия и контактные напряжения заметно ниже, чем в процессе рубящего резания. В процессе скользящего резания для разрезания продукта нет необходимости того, чтобы все микрозубчики лезвия проникали на полную глубину в толщу продукта. В отличие от скользящего резания, поверхности слоев, где был сделан срез при помощи рубящего резания, получаются более шероховатыми и

неравномерными. Это происходит вследствие того, что при рубящем резании силовое воздействие со стороны режущего инструмента на продукт имеет большее значение [4].

Не следует применять рубящее резание для перерезания продуктов, у которых величина разрушающих контактных напряжений, необходимая для начала процесса разрезания, достигается лишь после того, как продукт перенес, наравне с упругой, также и пластическую деформацию. Такое воздействие деформации приводит к потере части сока из волокон таких сочных продуктов, как помидоры, рыба, лимоны, сырое мясо, фрукты и др., за счет чего уменьшается их полезность при потреблении. Решение данной проблемы заключается в применении скользящего резания, при котором сокращается уровень деформации продукта, что приводит к снижению потерь сока. Также данное воздействие предотвращает разваливание ломтиков продукта [5].

В зависимости от структурно-механических свойств, а также от вида продукта, подвергающегося резанию, и необходимой степени измельчения разработаны ножи, отличающиеся по конструкции и форме, оптимально подходящей под определенные параметры процесса.

Общая черта, объединяющая ножи всех видов — это его лезвие или режущая сторона, форма которой исполнена наподобие одностороннего или двустороннего клина.

Основная задача, которую ставят при выборе формы линии лезвия, — возможность минимизации энергетических затрат при измельчении материала, сокращение усилия резания, устранение неравномерности распределения нагрузки на вал и защемление материала режущей кромкой по всей рабочей длине лезвия.

С этой целью в разработку конструкции рабочего органа положены следующие принципы:

• измельчение материала выполнять резанием лезвием, как наименее энергоемким способом измельчения;

• измельчение выполнять резанием со скольжением, при котором усилие резания минимальное.

Был проведен анализ схем плосковращательных режущих аппаратов с ножами прямолинейной формы, формы эксцентрической окружности и др.

На практике чаще всего применяют ножи прямолинейной формы, реже — ножи, лезвия которых имеют другие формы. Ножи с лезвием прямолинейной формы просты в изготовлении, монтаже и заточке, вследствие чего их использование широко распространено.

Лезвия ножей в форме эксцентрической окружности наиболее предпочтительны среди всех лезвий криволинейных форм. Данная форма несколько сложнее прямолинейной при производстве ножей, однако проще других криволинейных форм.

Для разработки конструкции лезвийного рабочего органа аппарата для динамического измельчения лимонов ниже описаны основные значения и формулы, с помощью которых он был спроектирован: • уравнение окружности с радиусом Я и эксцентриситетом е

Я2 = /2 + г2 + 2ег^ 0;

• оптимальный угол скольжения т = 60°;

• трансформированный угол заточки р1 = 7° 38';

• формула усилия резания

Р = 75-10-°'00129у 22 + 40;

рез.ср рез ' у 7

• частота вращения рабочего органа п = 336° мин1;

• скорость резания V = 10,14 м/с;

• критическое усилие резания:

Е И2ж

Р = 8ст +--—ж х

43 р 2 И

х ^ р + Мп2р + ц(/+ ^2Р)].

Полученные значения и соотношения позволили на основании свойств измельчаемого продукта (лимон), а также конструктивных параметров машины для измельчения определить угол наклона лезвия, его угол заточки, форму линии лезвия аппарата, а также проверить прочность выбранной конструкции режущего устройства [6].

Для проведения эксперимента по изготовлению смузи спроектирован основной рабочий орган. Он представляет собой комплект

6•2017

ПИВО и НАПИТКИ 37

ОБОРУДОВАНИЕ1

серповидных ножей, которые расположены друг относительно друга со смещением плоскостей на 90°. Ножи геометрически подобны друг другу и расположены с некоторым зазором между собой. Эта конструкция позволяет интенсифицировать процесс измельчения, предотвратить проскальзывание и застревание продукта между самими ножами, а также между ножами и стенкой.

Выводы. Найдены оптимальные параметры процесса динамического измельчения плодов лимона для производства смузи. Спроектирован основной рабочий орган, определены оптимальная форма и основные параметры лезвия рабочего органа измельчителя, проведена проверка его прочностных показателей.

На основании проведенных и планируемых экспериментов пред-

полагается усовершенствовать конструкцию ножа, добиться увеличения экономической выгоды, повысить качество готового продукта и снизить энергозатраты на осуществление процесса измельчения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Минаева, Л. В. Интенсификация процесса измельчения плодов при производстве напитков типа смузи / Л. В. Минаева, Т. В. Минаева // I студенческий инновационный форум с международным участием «Потенциал»: материалы работы форума. — СПб.: НИУ ИТМО; ИХиБТ, 2013. — С. 88-90.

2. Минаева, Л.В. Интенсификация процесса измельчения плодов и овощей при производстве напитков с мякотью / Л. В. Минаева, Т. В. Минаева, Ю. В. Синявский // Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззре-

ний. — Воронеж: ВГУИТ, 2013. — С. 295297.

3. Минаева, Л. В. Совершенствование процесса измельчения плодов при производстве напитков с мякотью / Л. В. Минаева, Т. В. Минаева, Ю. В. Синявский // Энергетика, информатика, инновации. — Смоленск: Универсум, 2013. — С. 228-231.

4. Ботов, М.И. Тепловое и механическое оборудование предприятий общественного питания / М. И. Ботов, В. Д. Елхина, О. М. Голованов. — М.: Издательский центр «Академия», 2002. — 496 с.

5. Елхина, В. Д. Механическое оборудование предприятий торговли и общественного питания. Учебник. / Елхина В. Д. [и др.]. — 2-е изд., перераб. — М.: Экономика, 1987. — 447 с.

6. Резник, Н. Е. Исследование кромки лезвия путем растровой электронной микроскопии /Н. Е. Резник // Механизация и электрификация социалистического сельского хозяйства. — 1955. — № 5. — С. 9-12. &

Оптимальная форма лезвийного рабочего органа для динамического измельчения цитрусовых плодов

Ключевые слова

динамическое измельчение; скользящее резание; лимон; цитрусовые плоды; смузи; лезвийный рабочий орган.

Реферат

При изготовлении сокосодержащих напитков широкое распространение получили процессы измельчения, оказывающие определяющее воздействие на качество как сырья, так и готового напитка. В данной статье приведен анализ, основанный на изучении теоретических основ процесса резания, в частности, процесса динамического измельчения цитрусовых плодов с использованием лезвийного инструмента. Проведен обзор видов измельчения при различном относительном перемещении режущего инструмента и продукта (рубящее и скользящее резание). В результате изучения физико-механических и структурных свойств пищевого продукта (лимона), оказывающих влияние на процесс измельчения, подобраны оптимальные параметры процесса, на основании которых возможно установить воздействие на основные характеристики процесса конструктивных и технологических параметров. Исходя из анализа процесса резания, экспериментальных и теоретических исследований, выдвинуты рекомендации по усовершенствованию процесса измельчения цитрусовых плодов, его режимов и определению оптимальной формы лезвийного рабочего органа измельчителя.

Авторы

Минаева Лидия Викторовна, аспирант; Минаева Татьяна Викторовна, аспирант; Кравцова Евгения Владимировна, аспирант Санкт-Петербургский исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49,

linya99@rambler.ru, minaeva_tanya@list.ru, kev90@bk.ru

The Optimal Shape of the Blade Working Body for the Dynamic Grinding of Citrus Fruits

Key words

dynamic crushing; moving the cutting; a lemon; citrus fruits; a smoothie; blade working body.

Abstract

In the manufacture of juice drinks, are widespread grinding processes that have a decisive impact on the quality of both raw materials and finished beverage. This article provides an analysis based on the study of the theoretical foundations of the cutting process and in particular the process of dynamic crushing of citrus fruit using the blade tool. An overview of types of grinding at different relative movement of the cutting tool and the product (chopping and moving the cutting). A study of physical-mechanical and structural properties of a food product (lemon), influencing the grinding process, the optimum process parameters on the basis of which it is possible to establish the impact on the main characteristics of the process of constructive and technological parameters. Based on the analysis of cutting process experimental and theoretical research, put forward recommendations for improving the grinding process of citrus fruit, of its modes and to determine the optimal shape of the blade of the working body of the chopper.

Authors

Minaeva Lidiya Viktorovna, Post-graduate Student; Minaeva Tatiana Viktorovna, Post-graduate Student; Kravcova Evgeniya Vladimirovna, Post-graduate Student Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics, 49 Kronverksky pr., Saint-Petersburg, 197101, Russia, linya99@rambler.ru, minaeva_tanya@list.ru, kev90@bk.ru

38 ПИВО и НАПИТКИ 6•2017