РЕШЕТКА МЕХАНИЗМА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ 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 №2080930. Решетка выполнена в виде диска постоянной толщины со сквозными отверстиями, оси которых нормальны к наружным поверхностям решетки. Угол резания образуется плоскостью резания и касательной к образующей отверстия и составляет менее 90°. В способе изготовления решетки наружные поверхности диска со сквозными отверстиями нагревают до температуры ковки, а затем подвергают осадке до получения меньшей толщины». Безусловно, угол заострения режущего лезвия будет меньше, чем 90°. Но такая технология не отличается устойчивостью и стабильностью. Полученные отверстия после осадки диска будут иметь бочкообразную форму.
Недостатком данного технического решения является то, что отверстия такой формы не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к пищевому оборудованию, а именно:
- поверхности деталей, соприкасающиеся с пищевым продуктом, не должны быть труднодоступными для промывки, чистки и санитарной обработки (в бочкообразном отверстии будет застревать измельчаемый продукт. Сомнительно, что, если в решетке имеются отверстия ∅2,4 мм в количестве до 6000 шт, пользователь каждый раз, по мере необходимости, пинцетом будет извлекать из отверстий остатки измельчаемого продукта!);
- обеспечить минимальную адгезию (прилипаемость) пищевого продукта к поверхности отверстия затруднительно, так как после термической обработки решетки на бочкообразной (труднодоступной) поверхности образуется окалина;
- затраты электроэнергии на проталкивание измельчаемого продукта через бочкообразное отверстие (по сравнению: с цилиндрическими, коническим и отверстиями другой формы) также возрастут, вследствие:уменьшения диаметра отверстия на выходе продукта.
Известна также конструкция по А.с. № 852353. Решетка ножевая к мясорубке выполнена в форме диска 1 с центральным цилиндрическим отверстием 2 для установки ее на шейку шнека мясорубки, с пазом 3 на периферии для фиксации решетки, сквозными отверстиями 4 на торце, выполнены в виде сопел, прогрессивно расширяющихся непосредственно от торцовой поверхности решетки, взаимодействующей с ножом.
Площадь поперечного сечения отверстия определяется выражением:
Определение сечений отверстий производится при М>1, так как при М<1 сечение сужается. Значение М=1 соответствует сечению отверстий на торце, обращенном к ножу.
Образующая рабочего отверстия представляет собой кривую второго; порядка. Недостатком является необходимость изготовления специального инструмента для обработки «… отверстий прогрессивно расширяющихся непосредственно от торцовой поверхности решетки, взаимодействующей с ножом».
Кроме того, как утверждают авторы, «Минимальное сечение отверстий принимается равным сечениям, определяемым по размерам диаметров отверстий, предусмотренным ГОСТ. Так, например, при d=3 мм начальное. сечение отверстия ».
Площадь поперечного сечения рабочего отверстия на выходе получается больше в два и более раз, чем на входе, что не позволяет обеспечить требованием повышенной «прозрачности» (как можно большее число рабочих отверстий) к решетке. С этой точки зрения конструкцию решетки нельзя признать удачной.
В измельчительной решетке патент РФ №2440191 предлагается замена круглых цилиндрических рабочих отверстий на перфорированной части решетки отверстиями в виде правильной усеченной четырехугольной пирамиды.
Замена круглых цилиндрических отверстий постоянного сечения вдоль их оси в виде правильной усеченной пирамиды имеет следующие недостатки:
- угол заострения режущего клина в четырехугольной пирамиде стал больше 900 (в цилиндрическом отверстии он равен 900), что будет увеличивать потребные силы перерезания (разрезания, измельчения) продукта;
- утверждение о том, что степень измельчения мяса зависит от размеров выходного отверстия неверно, так как измельчаемое мясо подвергается активному воздействию только на входе отверстия. Поэтому кусочек мяса, отрезанный на входе будет выдавлен из отверстия с теми размерами, которые были получены на входе;
- получение отверстия в виде усеченной пирамиды также сопряжено с технологическими трудностями, связанными с ограниченностью доступных экономичных способов обработки как до, так и после термообработки. Другими словами, полученные отверстия в виде правильной усеченной пирамиды с поверхностями, отвечающими предъявленным требованиям к пищевому оборудованию (низкая шероховатость поверхностей, непосредственно контактирующих с пищевым продуктом, труднодоступные места для промывки, очистки, санитарной обработки и т.д.), нетехнологично.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является изобретение по патенту РФ №2031722. Решетка для мясорубки выполнена с круглыми отверстиями, расположенными с наклоном к плоскости решетки в сторону, противоположную направлению вращения ножа, причем угол наклона отверстия равен 70-80°.
Недостатки предложенной конструкции решетки:
- получение наклонных отверстий в сплошном; диске решетки никогда не отмечалось «простотой изготовления». Получение наклонных отверстий ∅4 является весьма затруднительной задачей, т.к. на входе и на выходе вероятность поломки инструмента чрезвычайно велика, т.е. нетехнологично;
- утверждение, что наклонное расположение рабочих отверстий «… обусловливает лучшую проходимость измельченного мяса через эти отверстия», также ошибочно. При использовании такой решетки, направления движения потока технологического сырья меняется, а. изменение направления движения измельчаемого сырья связано с дополнительными затратами энергии;
- степень измельчения продукта при использовании решеток с наклонными и перпендикулярными отверстиями ∅4 к плоскости резания не будет одинаковой. При наклонном расположении отверстий на решетке, в плоскости резания получается овальная кривая, называемая эллипсом. Площадь этого эллипса значительно больше площади круга, находящегося в плоскости, перпендикулярной к оси отверстия. Размеры измельченных частиц сырья зависят от размеров рабочего отверстия на входе. Только на входе отверстия сырье подвержено активному механическому воздействию. Поэтому кусочек мяса, отрезанный на входе отверстия, имеющий размеры, соответствующие площади эллипса, будет выдавлен из него с теми размерами, которые были получены на входе.
Следует отметить, что степень измельчения таких продуктов как яблоко, свекла, морковь и т.п. будет определяться размерами сечения отверстия, имеющего наименьшую площадь.
Кроме того, при наклонном расположении рабочего отверстия длина пути прохождения измельченного продукта увеличится (от входа к выходу отверстия). Угол заострения режущего лезвия имеет минимальное значение между большой осью эллипса и образующей круглой цилиндрической поверхности отверстия. Следовательно, наклонные отверстия должны быть расположены таким образом, чтобы большая ось эллипса все время была перпендикулярна к режущей кромке подвижного ножа. При вращательном движении подвижного ножа это требование не может быть удовлетворено.
Известно, что угол заострения режущего лезвия на входе круглого цилиндрического отверстия, перпендикулярно расположенного к плоскости резания решетки, имеет угол заострения, равный 90°. И такой угол заострения режущего лезвия не является, с точки зрения энергоэффективности, оптимальным.
Модернизация (улучшение) решеток, предложенная конструкторами продовольственного оборудования, заключается в том, что угол заострения на входе рабочего отверстия, расположенного на решетке, делается меньше, чем 90°. Часто решение такой задачи осуществляется с нарушением требования прозрачности к решетке, т.е. не удается разместить требуемое количество рабочих отверстий на решетке. Другой характерный недостаток, имеющий место при решении вышепоставленной задачи (получение угла заострения на входе рабочего отверстия меньше, чем 90°) - это игнорирование требований технологичности.
В рассматриваемом случае используется способ измельчения продуктов раскалыванием (разделением), используется процесс механичного.. дробления пищевого продукта, с помощью вклинивающегося в него рабочего органа для его измельчения без требований к форме отделившихся частей, при этом лезвия ножей должны отделять куски продукта путем резания, а не отрыва их.
Традиционно в конструкциях решеток предусматриваются круглые цилиндрические отверстия с углом заострения режущего лезвия на входе отверстия 90°. Такой угол не является оптимальным с точки зрения энергоэффективности процесса измельчения и сохранения; качества измельчаемого сырья в измельченном продукте. Поэтому, решая эту задачу, конструкторы делают рабочие отверстия, расширяющимися к выходу. Такие отверстия могут оказаться на выходе такими большими, что требуемое количество их не представляется возможным разместить на решетке. Кроме того, часто эти отверстия бывают нетехнологичными, т.е их нельзя получить общедоступными, экономичными способами.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение энергоэффективности измельчения пищевых продуктов (уменьшение энергозатрат на процесс измельчения пищевых продуктов), сохранение качественных показателей исходного сырья в измельченном продукте, при учете требований прозрачности и технологичности к решеткам.
Для решения поставленной задачи была сконструирована решетка. Она выполнена не в виде сплошного диска, а в форме «стакана». Высота «стакана определяется размером, обеспечивающим плотный контакт подвижного ножа с поверхностью резания решетки. Рабочие отверстия решетки располагаются на днище стакана. Толщина днища стакана должна быть минимальной (с учетом одного-двух переточек за период эксплуатации решетки; исключения видимой деформации днища станка (решетки) под действием фронтальных нагрузок технологического сырья со стороны шнека). Имея минимальную толщину днища, на нем можно будет разместить рабочие отверстия, расширяющиеся от входа к выходу, не нарушая принципы прозрачности и технологичности производства решеток. Рабочее отверстие на входе будет иметь размеры, необходимые для измельчения технологического сырья (измельчение крупное, среднее или мелкое). Отверстие имеет форму круглого конуса с прямолинейной образующей. Такая форма отверстия позволяет получить на входе режущее лезвие с углом заострения значительно меньше, чем 90°, а минимальная толщина днища позволяет разместить требуемое количество отверстий на решетке, не нарушая принципа прозрачности.
Техническое решение, предлагаемое в изобретении заложено в конструкции решетки, которая показана на фиг. 1, 2, 3.
Стаканообразная решетка для измельчения пищевых продуктов; выполнена не в виде сплошного диска (как это делается традиционно), а в форме стакана и содержит ступицу 1 с центральным круглым цилиндрическим отверстием 2 для установки ее на шейку шнека, с пазом 3 на периферии для фиксации решетки, сквозными круглыми коническими рабочими отверстиями 4 на днище 5 стакана.
Исследования, выполненные с решетками предложенной конструкции, установленными на измельчителях с электрическими приводом, подтвердили. их энергоэффективность.
:
Решетки были изготовлены из рессорно-пружинной стали ГОСТ 14959-2016 марки 65 Г, отожжены при температуре около ~810°С, закалены при температуре 830°, охлаждены в масле, отпущены при температуре 480°С. Более энергоэффективными оказались решетки из углеродистой высококачественной стали марки У13А ГОСТ 1435-99, которая отличается от качественной стали более низким содержанием серы, фосфора, марганца и большей чистотой по неметаллическим включениям, меньше выкрашивается в тонкой режущей кромке при шлифовании (заточке) и эксплуатации.
Испытания проводились как с закаленными, так с незакаленными решетками (при этом температура закалки - ~ 800°С, охлаждающая среда -масло, твердость после закалки ~ HRC62).
Для сравнительных испытаний были изготовлены и испытаны решетки предлагаемой конструкции и решетки с наклонно расположенными круглыми цилиндрическими рабочими отверстиями. Отметим, что заготовки для решеток могут быть получены из круглого проката и подвергнуты механической обработке резанием лезвийным и нелезвийным инструментом:или штамповкой листового проката с последующей механической обработкой. В нашем случае заготовки были получены из круглого проката с последующей механической обработкой.
Энергозатраты на процесс измельчения, например, мяса, при использовании решеток предложенной конструкции, оказались на 30…35% ниже, по сравнению с энергозатратами на процесс измельчения с решетками, предлагаемыми в патенте РФ №2031722.
Это можно объяснить следующим образом:
- решетка является основным препятствием на пути потока технологического сырья, поэтому не следует менять направление движения этого потока, (наклонно расположенные рабочие отверстия меняют направление движения этого потока);
- угол заострения режущего лезвия на входе рабочего отверстия в предлагаемой конструкции решетки имеет постоянное значение и не зависит от положения режущей кромки подвижного ножа. При наклонном расположении рабочего отверстия на решетке угол заострения режущего лезвия по периметру эллипса не имеет постоянного значения (может быть меньше или больше 90°). Если бы в процессе измельчения происходило непрерывное взаимодействие режущей кромки подвижного ножа с той частью эллипса, где угол заострения имеет минимальное значение, то и энергозатраты были бы меньше. Это бы было возможно при прямолинейном движении подвижного ножа, а при вращательном - нет.
Следует отметить, что рабочие отверстия были обработаны, стандартными инструментами (спиральными сверлами и коническими зенкерами). Ранее было отмечено, что получение наклонно расположенных отверстий сопряжено с большими технологическими трудностями, что такие отверстия являются нетехнологичными.
Решетки предложенной конструкции были подвергнуты сравнительным испытаниям не только с решетками, имеющими наклонно расположенные рабочие отверстия, но т с решетками с круглыми цилиндрическими отверстиями, перпендикулярными к поверхности резания решетки. И в том, и в другом случае энергоэффективность решеток предложенной конструкции оказалась более 30%.
Может показаться, что такая экономия энергии не представляет большого практического интереса. Но не следует 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, воду, практически на все расходные материалы и поэтому изыскание путей снижения удельных затрат на единицу производимой продукции является актуальной задачей. Борьба за экономное расходование имеющихся ресурсов в ближайшее время будет обостряться «Если бы весь мир при 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. Пер. с 5-го англ. изд. М.: ИНФРА-М, 2010. - XXVI, 790 с].
Замечено, что процессы измельчения пищевых продуктов являются, чрезвычайно энергоемкими. Например, промышленные измельчители парного мяса, в том числе блоков замороженного, имеют электродвигатели мощностью 30…55 кВт, тогда как установленная мощность электродвигателей на металлорежущих станках, в среднем, не превышает 8…10 кВт.
Изобретение позволяет создать конструкцию решетки, которая, за счет уменьшения угла заострения режущего лезвия на входе рабочего отверстия, обеспечивает меньшие потребные усилия на перерезание (разделения на части) продукта, обеспечивает повышение производительности труда и качества измельчения продукта. Если измельчению подвергается, например мясо, то оно не должно перетираться до пастообразного стояния. Для измельчения продукта до пастообразного состояния существуют мельницы.
Снижение энергоэффективности на процесс измельчения свидетельствует о том, что у решетки повысились режущие свойства и, как следствие, уменьшилась вероятность ухудшения качественных показателей исходного сырья после измельчения.
Повышенные энергозатраты на процесс измельчения говорят и 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 измельчаемом 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 и решетках) сочетании подвижного ножа и решетки измельченный продукт может оказаться непригодным к использованию.
На фиг. 1 изображена конструкция решетки (вид с выходной стороны решетки с примерным расположением рабочих отверстий, центральным круглым цилиндрическим отверстием для установки на шейку шнека):
3 - паз на периферии решетки для ее фиксации; на фиг. 2 показаны конструктивные элементы решетки:
1 - ступица;
2 - центральное круглое отверстие для установки решетки на шейку шнека;
5 - элемент решетки (днище стакана), на котором размещены рабочие отверстия;
На фиг. 2 чертеж детали в разрезе с секущей плоскостью А-А
На фиг. 3 показан разрез решетки по двум рабочим отверстиям:
4 - конусное рабочее отверстие.
Техническим результатом предполагаемого изобретения является стаканообразная решетка, на днище которой расположены рабочие отверстия круглой конусной формы, перпендикулярные к поверхности резания. Толщина днища не более 0,15…0,20 от ее высоты.