CC BY
11
ТЕХНОЛОГИЯ
УдК 664.736
Моделирование процесса динамического измельчения плодов и овощей
на базе нейронной модели
Л. В. Минаева,
аспирант; Т. В. Минаева,
аспирант; Г. В. Алексеев,
д-р техн. наук, профессор Санкт-Петербургский исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики
В области здорового питания в последнее время все чаще рассматривают такой напиток, как «сму-зи». Технология его изготовления включает переработку свежих фруктов, ягод и овощей. Назначение «смузи» — утолять жажду, восстанавливать силы, возбуждать аппетит, повышать тонус организма. Это среднегазированный со-косодержащий напиток с мякотью [1].
Определяющая стадия в производстве фруктового наполнителя — гидромеханическое измельчение основного сырья. Фракционный состав полученной кашицы определяет качество наполнителя.
В производстве фруктового пюре повышения качества готового продукта и снижения отходов можно добиться с помощью выбора оптимальных аппаратурно-технологических параметров проведения процесса и разработки удобной системы управления.
Машины, использующие способ измельчения резанием получили наибольшее распространение, так как резание по сравнению с разрушением материала смятием или ударом является наименее энергоемким [2].
Цель работы — исследование процесса динамического измельчения плодов и овощей, позволяющее целенаправленно рассчитывать конструктивные параметры, определять области применения и допустимые режимы работы проектируемого аппарата. Анализ, экспериментальные и теоретические исследования процесса динамического измельчения позволяют внести предложения по совершенствованию режимов этого процесса.
Анализ параметров режущего органа аппарата указывает на большое значение формы лезвия ножа. Линия лезвия должна обеспечивать наименьший расход энергии на резание материала, минимальную неравномерность нагрузки на вал и защемление материала режущей кромкой по всей рабочей длине лезвия [3].
Проводилось аналитическое исследование аппаратов, реализующих плосковращательное движение различных форм ножей. При этом были выявлены достоинства и недостатки большинства возможных форм ножей и определена целесообразность их применения. Из всех криволинейных форм наиболее предпочтительной для ножей оказалась форма развертки окружности. С производственной точки зрения она несколько сложнее прямолинейной, но значительно проще других криволинейных форм.
В процессе исследований, целью которых была проверка оптимальности работы спроектированного устройства, проанализированы результаты эксперимента, что позволило выработать рекомендации по дальнейшему совершенствованию систем аналогичного типа.
Рассмотрим работу основных узлов системы измельчения плодов и овощей лезвийным режущим инструментом.
Механическая часть экспериментальной установки (рис. 1) выполнена из расчета, что объем готового напитка по рецептуре составляет 500 см3. Установка состоит из рабочего органа, представляющего собой ножевую головку, закрепленную на валу, который в свою очередь находится в полости дежи, закрепленной на опоре и неподвижном
48 ПИВО и НАПИТКИ 2015
основании. Вал режущего органа получает вращающий момент от асинхронного электродвигателя через повышающую клиноременную передачу и муфту.
Вал с помощью зажимного ключевого патрона закрепляется в аппарате и является съемным. Дежа закрыта крышкой, имеющей центральное отверстие, в которое проходит вал, что позволяет проводить процесс гидромеханического измельчения плодов и овощей без потерь. Для фиксирования вала с закрепленным на нем режущим органом на определенной высоте от дна сосуда аппарат снабжен стопорным устройством с удобной рукоятью поднятия и опускания шпинделя с пластиковым наконечником. Ход шпинделя составляет 13 см [4].
Соосность вала рабочего органа и центра чаши обеспечивается за счет того, что в дне по центру выфрезеровано отверстие диаметром 3,2 мм и нарезана левая резьба для крепления опоры вала. Опора вала изготавливается из заготовки цилиндрической формы из материала Бр010Ф1. Трущаяся часть шлифуется до шероховатости Ra 0,16.
Проектируемая установка предназначена для измельчения лимонов с цедрой до размеров, не превышающих 2 мм, с рабочей частотой 2400 мин-1.
Вращающий момент передается от асинхронного двигателя через повышающую клиноременную передачу и приводит в движение вал с закрепленными на нем двумя серповидными ножами разного размера, соответствующего форме чаши, в которой происходит измельчение.
Установка работает только в ручном режиме: оператор сам совершает как загрузку сырья, так и выгрузку измельченного сырья для проведения последующих анализов [5].
Для изготовления аппарата, необходимого для процесса резания, рассмотрим конструкцию следующего типа. Питание привода осуществляется от асинхронного электродвигателя мощностью 1,1 кВт. Для изменения частоты вращения рабочего органа в широких пределах (максимальное значение по ступеням 580-2650 мин-1) привод имеет вариатор гибкой связи, представляющий собой клиноременную передачу, состоящую из двух ремней сечением А, и комплекта шкивов, имеющих разные диаметры. Для регулирования максимального числа оборотов режущего органа перед процессом измельчения ремни ставят в необходимое положение ни шкивах вариатора, при котором обеспечивается требуемая частота. Муфта — самоцентрующая
Рис. 2. Показатели важности входных параметров на среднюю массу частицы
быстрозажимная, типа патрона, диаметр 10 мм.
Регулирование частоты вращения вала в узких пределах осуществляется с помощью ПВЧ (преобразователь частоты векторный) фирмы «ОВЕН», подключенного в аппарату [6]. Управление процессом измельчения, задание входных сигналов частоты вращения, переключение режимов работы и наблюдение параметров изменения частоты вращения также осуществляются на панели ПВЧ.
Конструкция вала разработана с целью минимизации расстояния между нижним ножом и дном чаши, пара ножей располагается на расстоянии 10 мм друг от друга, которое поддерживается благодаря распорной втулке, и зажата гайкой М10 с левой резьбой для предотвращения нарушения соединения при развинчивании.
Вал вытачивается из стальной заготовки (марки 45) цилиндрической формы. Его шлифуют до шероховатости Ra 1,25 и для защиты от коррозии в пищевой среде покрывают хромом (толщина слоя 0,5 мкм).
Ножи изготавливают вырезанием из листа заготовки нержавеющей стали марки 65Х13 толщиной 3 мм. Полученный полуфабрикат шлифуют до шероховатости Ra 1,25 для получения гладкой поверхности и снижения коэффициента трения. Затем производят заточку ножевой кромки с двух сторон, угол заточки должен быть равен 200, что предпочтительнее при резке плодов. Размеры серповидных ножей рассчитаны таким образом, чтобы рас-
стояние от стенок чаши до ножей было минимальным для предотвращения процесса проскальзывания или задержки между рабочими поверхностями кусочков измельчаемого материала [7].
Чаша для измельчения выполнена из нержавеющей стали марки 10Х18Н9Т, толщиной 0,5 мм. Ее форма — цилиндр с закругленным днищем, для того чтобы продукт не задерживался в углах сосуда.
Первоначально для измельчения плодов и овощей лезвийными ножами необходимо определить, при каком режиме проведения экспериментов будут получены наиболее рациональные выходные параметры. Опыты показали существенное влияние на показатели измельчения количества добавляемой в процессе воды и времени ее добавления. В процессе исследований изучалась методика измельчения плодов для производства лимонного напитка с мякотью («смузи»). В качестве целевой функции выбирались дисперсность измельченного продукта и однородность состава полученного напитка [8].
Помимо определения режимов проведения экспериментов, необходимо было рассмотреть влияние изменения частоты вращения ножевой головки, геометрических размеров чаши аппарата для измельчения и количества ножей режущей головки.
Так, при оценке важности входных параметров на выходной параметр — среднюю массу частицы, получаемую в процессе измельчения на верхнем сите, представлены следующие результаты (рис. 2).
2015 ПИВО и НАПИТКИ 49
технология'
Для выявления входных параметров, оказывающих наибольшее влияние на выходные параметры процесса, было проведено построение нейронной модели экспериментальных исследований процесса измельчения плодов и овощей лезвийным ножевым органом [4]. Нейронные сети — исключительно мощный метод моделирования, позволяющий воспроизводить чрезвычайно сложные зависимости. В частности, нейронные сети эффективны при изучении процессов, нелинейных по своей природе.
Способность нейронной сети делать точный прогноз на основе данных, не принадлежащих исходному обучающему множеству (но взятых из того же источника), является обобщением. Обычно это качество сети достигается разбиением имеющихся данных на три подмножества: первое используется для обучения сети, второе — для кросс-проверки алгоритма обучения во время его работы, и третье — для окончательного независимого тестирования [5].
Разработка модели производилась с помощью программного комплекса №ш^е11 2.
Из рис. 2 видно, что наибольшее влияние на величину средней массы частицы оказывают время гидромеханического измельчения и количество воды, добавляемой в процессе измельчения. Высота дежи аппарата — наи-
менее значимый параметр для средней массы частицы [6-7].
Эти выводы очень важны при переходе к планированию эксперимента, поскольку позволяют исключить из всего множества влияющих параметров заведомо несущественные [9].
Нейронные модели могут быть использованы для анализа процессов, имеющих чрезвычайно сложные зависимости нелинейного характера, в частности при создании ресурсосберегающих процессов и аппаратов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Минаева, Л. В. Интенсификация процесса измельчения плодов при производстве налитков типа смузи / Л. В. Минаева, Т. В. Минаева // I Студенческий инновационный форум с международным участием «Потенциал». — 2013. — Вып. 1, 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 // III Международная научно-техническая конференция «Новое в технологии и технике функциональных продуктов питания на основе медико-биологических воззрений». — 2013. — № 1 (13). — С. 295-298.
3. Алексеев, Г.В. Некоторые направления повышения эффективности технологического оборудования для переработки пищевого сырья / Г В. Алексеев, Г А. Головацкий, И. В. Краснов
// Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. — 2007. — №3. — С. 52.
4. Алексеев, Г. В. Невозможности применения мембранных процессов для производства продуктов функционального назначения / Г. В. Алексеев, Е. Н. Хрушкова, В. Н. Красиль-ников // Вестник Международной академии холода. — 2010. — № 3. — С. 32-37.
5. Изучение режимов кавитационного разрушения пищевого сырья как элемента нано-технологий / В. А. Арет [и др.] // Известия Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий. — 2007. — № 3. — С. 29.
6. Алексеев, Г. В. Возможности моделирования измельчения пищевых добавок для продуктов функционального питания // Вестник Международной академии холода. — 2011. — № 2. — С. 16-18.
7. Алексеев, Г. В. Основы теории решения изобретательских задач: учеб. пособие / Г. В. Алексеев, Н. Б. Жарикова; СПб.: Федер. агентство по образованию, Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования Санкт-Петерб. гос. университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2004.
8. Алексеев, Г.В. Математические методы в пищевой инженерии: учеб. пособие / Г. В. Алексеев, Б.А. Вороненко, Н.И. Лукин. — СПб., 2012.
9. Алексеев, Г. В. Виртуальный лабораторный практикум по курсу «механика жидкости и газа»: учеб. пособие / Г. В. Алексеев, И. И. Бри-денко. — Саратов, 2013. <&
Моделирование процесса динамического измельчения плодов и овощей на базе нейронной модели
Ключевые слова
динамическое измельчение; лезвийный ножевой орган; лимон; нейронная модель.
Реферат
В статье проанализирован процесс динамического измельчения плодов и овощей лезвийным инструментом, дано описание спроектированного аппарата для измельчения плодов и овощей с помощью вращательного движения ножевого органа. Помимо этого изложен процесс моделирования измельчения плодов лимона лезвийным ножевым органом с помощью нейронной модели на основе экспериментальных данных, полученных в процессе измельчения. Рассмотрены физико-механические и структурные свойства пищевых продуктов, влияющие на ход процесса измельчения, режимы проведения процесса измельчения в зависимости от начальных условий и изменяющихся режимов работы, влияющих на процесс. Определены оптимальные параметры измельчения, позволяющие определить влияние конструктивных и технологических параметров на характеристики процесса измельчения и выявить наиболее значимые из них.
Авторы
Минаева Лидия Викторовна, аспирант;
Минаева Татьяна Викторовна, аспирант;
Алексеев Геннадий Валентинович, д-р техн. наук, профессор
Санкт-Петербургский исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики,
191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, д. 9, minaeva_tanya@list.ru
Simulation of Dynamic Crushing
of Fruits and Vegetables Based on Neural Model
Key words
dynamic milling; the knife blade body; lemon: neural model.
Abstract
The analysis were carried out in the study of the process of dynamic crushing fruits and vegetables blade tool, described apparatus designed for chopping fruits and vegetables with the help of the rotational motion of knife body. Besides modeling process described grinding lemon fruit knife blade body with neural models based on experimental data obtained in the grinding process. The physical, mechanical and structural properties of food products, influencing the course of the grinding process, the grinding process of the modes depending on the initial conditions and changing modes affecting the process. The optimum grinding parameters allow to determine the effect of structural and technological parameters on the performance of the grinding process and to identify the most significant of them.
Authors
Minaeva Lidija Viktorovna, Post-graduate Student; Minaeva Tatiana Viktorovna, Post-graduate Student; Alekseev Gennadiy Valentinovich, Doctor of Technical Science, Professor St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics,
9 Lomonosova st, St. Petersburg, 191002, Russia, minaeva_tanya@list.ru
50 ПИВО и НАПИТКИ 2015
