Оптимизация формы режущей кромки лезвия ножа для волчка при измельчении охлажденного или дефростированного мясного сырья Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

637.5

ОПТИМИЗАЦИЯ ФОРМЫ РЕЖУЩЕЙ КРОМКИ ЛЕЗВИЯ НОЖА ДЛЯ ВОЛЧКА ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ ОХЛАЖДЕННОГО ИЛИДЕФРОСТИРОВАННОГО МЯСНОГО СЫ!РЬЯ

B.B. ПЕЛЕНКО, B.B. КУЗЬМИН

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий,

191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9; тел./факс: (812) 315-52-34

Многообразие конструктивного исполнения ножей для волчков и формы их режущих кромок свидетельствует об отсутствии единого и общепризнанного подхода к оптимизации формы режущей кромки. Получено уравнение, описывающее взаимосвязь между усилием резания, геометрическими параметрами ножа и физико-механическими свойствами измельчаемого материала, позволяющее оптимизировать параметры процесса резания. Экспериментально установлена взаимосвязь между скоростью резания и усилием резания мясного сырья при квазистатической деформации. По предлагаемой методике сконструирован нож новой конструкции для волчка. Сравнительные испытания показали, что энергоемкость волчка с ножом новой конструкции сокращается на 10%.

Ключевые слова: волчок, нож, форма режущей кромки, усилие резания, мясное сырье.

Различные производители волчков используют ту или иную форму режущей кромки лезвия ножа для измельчения идентичного по своим свойствам сырья. Многообразие конструктивного исполнения ножей для волчков и формы их режущих кромок свидетельствует об отсутствии единого и общепризнанного подхода к оптимизации формы режущей кромки. Углубленный анализ процесса резания позволяет выработать новую концепцию конструирования формы режущей кромки лезвия. В работе [1] сформулировано научное положение о наличии двух характерных критических значений скорости резания и условия оптимизации при каждом из трех формирующихся при этом режимов резания. Оценки показывают, что при измельчении охлажденного или дефростированного мясного сырья на волчке значения скоростей резания (около 1 м/с) меньше 1-й критической. Условие оптимизации формы режущей кромки (по однородности получаемого фарша) при квазистатической деформации измельчаемого материала

Рт cos Р2 П = Pi COS Pi Г2,

где Р\, Р2, рь Р2, П,гг~усилия резания, угол скольжения и радиусы 1-й и 2-й точки режущей кромки соответственно.

Процесс силового взаимодействия режущей кромки и разрезаемого материала в момент начала резания будет описываться уравнением

+ Т + T2,

(1)

стического деформирования, а 15-20% - на преодоление межмолекулярных сил и формирование поверхностной энергии в связи с образованием двух новых свободных поверхностей [2]. Таким образом, можно считать, что усилия резания уменьшаются пропорционально уменьшению предварительной деформации. Предварительная деформация зависит от коэффициента удельной площади контакта лезвия и разрезаемого материала кр, м2/м2, который в свою очередь будет зависеть от угла скольжения лезвия Р по следующим соотношениям:

0 < Р < 45

45° < Р < 90

kF = 1—

tan Р

2 ’ 1

2tanP

Скользящее резание применяется для материалов, отличающихся сложной структурой, сравнительно низкими прочностными характеристиками, выраженными пластичными свойствами. Сокращение энергозатрат происходит вследствие уменьшения предварительной деформации, что также способствует уменьшению отжима мясного сока и повышению качества фарша.

Рассматривая составляющие уравнения (1), получаем

где РрСз, Рсж - сопротивления разрушению материала под кромкой лезвия и слоя сжатию фаской лезвия, Н/м; Т\, Т2 - удельные силы трения на фасках лезвия, Н/м.

Энергозатраты, согласно закону П.А. Ребиндера, слагаются из затрат на преодоление межмолекулярных сил 5[, на процесс упругого и пластического деформирования 52, на трение лезвия и ножа «^з. При рубящем резании мяса 80-85% от общего расхода энергии расходуется на осуществление процесса упругого и пла-

p

= 5cJ„P +

k

Г

1+-

п

, 1+":

x(tanp+ /(ц + sin2 a + |j.cos2 a)) +

fpu(x і + A) cosp

где Е - модуль упругости, Па; п - степенной коэффициент; к - высота перерезаемого слоя, м; апр-предел прочности разрезаемого материала, Па; 5 - острота лезвия, м; а - угол заточки лезвия, град; /- ис-

ш

тинный коэффициент трения массы о материал лезвия; ц - коэффициент Пуассона; °о - адгезия мясного сырья к фаскам ножа, Па.

Для процесса измельчения охлажденного или дефростированного мясного сырья на волчке получаем выражение для критических усилий резания

р*Р = 5ст1ф +

k

п ІН—

h" :

x(tan а+ /(ц + sin2 a + |j.cos2 а)) +

(2)

fpu(x t+A) xjr

COS P COS P

(p, +P,oX

где °Г - истинный коэффициент трения ножа о решетку; + - ширина лезвия ножа, м; рг - давление, создаваемое прижимной гайкой, Па; °го - адгезия ножа к решетке, Па.

Формулу (2) упрощенно можно представить в виде

Р.... =Р,

уд2

S

S cosP

где Руд, Руд2 -удельное усилие скользящего и рубящего резания, Н/м.

Усилие резания зависит от скорости резания, поэтому экспериментально определена зависимость усилий резания от скорости резания V При измельчении котлетной говядины (2-го сорта) нами получено

р = 4507 lg — +3265 при 0,4 < V< 1,1 м/с,

К

где V,, = 1 м/с.

Оптимальный начальный угол скольжения находится из уравнения, полученного путем приравнивания к нулю производной по углу скольжения от функции (2). При принятых значениях влияющих факторов для котлетной говядины оптимальный начальный угол скольжения равен 58,6°. Из условия оптимизации формы режущей кромки при квазистатической деформации измельчаемого материала, приведенного выше, рассчитываем форму режущей кромки. По расчетным данным был сконструирован нож новой конструкции (рисунок, а).

Сравнительные испытания показали, что потребляемая мощность волчка (п = 300 об/мин) при работе с ножами новой конструкции сокращается на 10% при измельчении говядины высшего сорта и на 25% при измельчении говядины 2-го сорта (по сравнению с традиционными ножами с прямолинейной режущей кромкой (рисунок, б)). По сравнению с аналогами (т.е.с ножами, режущая кромка которых выполнена в форме логарифмической спирали, спирали Архимеда, эксцентрической окружности) при измельчении говядины 2-го сорта, энергозатраты сокращаются на 10%. Оптимизация угла скольжения лезвия по усилию резания позволяет не только сократить энергоемкость процесса, но и улучшает качество получаемого фарша.

ЛИТЕРАТУРА

1. Пеленко В.В., Кузьмин В.В. Фундаментальные особенности процесса резания пищевык продуктов лезвийным инструментом // Теория и практика разработки и эксплуатации пищевого оборудования: Межвуз. сб. науч. тр. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2007. -

С. 56-58.

2. Пелеев А.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. - М.: Пищевая пром-сть, 1963. -685 с.

Поступила 16.09.08 г.

а

n

OPTIMIZATION OF FORM OF CUTTING EDGES OF EDGE OF KNIFE FOR TOP AT CRUSHING OF COOLED OR DEFROSTED MEATY RAW MATERIAL

V.V. PELENKO, V.V. KUZMIN

Saint-Petersburg State University of Cold and Food Technologies,

9, Lomonosov st., St.-Petersburg, 191002; ph./fax: (812) 315-52-34

Variety of constructive execution of knives for tops and form of their cutting edges witnesses about absence of uniform and received approach to optimization of form of cutting edges. The equation, describing interrelation between cutting force, geometrical parameters of knife and physic mechanical properties of reduced material, allowing to optimize parameters of cutting process is got. Interrelation is experimentally established between cutting speed and effort of cutting of meaty raw material at quasi-static deformation. On offered method knife of new design for top is designed. Comparison testing showed that power consumption of top with knife of new design is reduced on 10%.

Key words: top, knife, form of cutting edges, cutting force, meaty raw material.