CC BY
75
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ / Измельчение сырья
Измельчение замороженного блочного мяса
методом фрезерования_
А. Б. Лисицын, академик РАСХН, доктор техн. наук, В. И. Ивашов, академик РАСХН, доктор техн. наук, А. Н. Захаров, канд. техн. наук, Б. Р. Каповский, Д. А. Максимов, канд. техн. наук, ГНУ ВНИИМП им. В.М. Горбатова Россельхозакадемии
Замороженное блочное мясо широко используется в производстве колбасных изделий, поэтому измельчение его является важной опера-
^ией, технология которой ощутимо влияет на качество гомогенного >арша и на себестоимость конечной продукции. Изучение механики процесса резания замороженного мяса позволяет найти оптимальную конструкцию режущего инструмента, режимы резания и получить требуемые биофизические свойства измельчённого сырья.
^ Введение
В мясорезательных машинах (волчки, куттеры) режущие кромки ножей проходят по радиусу от оси их вращения. При вращательном движении инструмента измельчение сырья происходит с переменной скоростью: с максимальной скоростью резания на периферии ножа и с минимальной — возле оси вращения [2] (рис.1).
В результате этого структура мясного фарша в сечении получается неоднородной, причем качество фарша выше именно на периферийном участке режущей кромки ножа. Устранить эту неоднородность полностью за счет конструктивных решений (например, изменяя профиль ножа) не представляется возможным по очевидным причинам. В куттерах гомогенный фарш получают путем многократных контактов ножей с
Скорость ножа
Рисунок 1. Изменение скорости вращения ножа в зависимости от радиуса вращения
измельчаемым сырьем и при значительных затратах энергии на процесс измельчения. Известно, что примерно 50% потребляемой технологическим оборудованием электроэнергии на предприятиях мясной промышленности приходится на мясорезательное оборудование. Возникает вопрос: как поддерживать высокое качество получаемого при измельчении колбасного фарша, одновременно снижая издержки на его производство?
В качестве ответа на сформулированный вопрос можно предложить одностадийный процесс измельчения замороженного блочного мяса многолезвийным инструментом (фрезами) разной конструкции. Отличительной чертой такого инструмента является расположение режущей кромки не по радиусу от оси вращения, а по поверхности цилиндра - тела фрезы (рис.2).
Таким образом, в первом приближении скорости резания всех участков режущей кромки фрезы в процессе измельчения можно полагать одинаковыми и максимальными для выбранного режима работы измельчителя. Это способствует однородному измельчению сырья с оптимальной скоростью резания, что повышает качество конечного продукта.
Значительные затраты энергии при измельчении мяса в волчках и куттерах обусловлены потерями на
УДК 637.513.48
Ключевые слова: измельчение, фрезерование, замороженное блочное мясо, колбасное производство, энергозатраты.
трение при многократных контактах боковых поверхностей ножей и сырья. Это приводит к снижению КПД резательной машины и увеличению издержек производства конечного продукта. В итоге мы получаем непроизводительные затраты энергии и более высокую стоимость колбасных изделий и полуфабрикатов на прилавках магазинов. Для одностадийной технологии измельчения характерны, во-первых, однократный контакт режущей кромки с мясом, во-вторых, минимальная площадь контакта лезвия и сырья. Непроизводительные потери энергии в этом случае можно минимизировать, что повысит экономический эффект применения новой технологии переработки мяса.
При выборе рабочего инструмента для одностадийного измельчения замороженного мяса следует учитывать конструктивные особенности фрез, которые могут повлиять на качество конечного продукта. В частности известно, что фрезы с винтовым зубом обес-
Рисунок 2.
Измельчение сырья / ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
Рисунок 3. Фреза с твердосплавными режущими элементами
печивают более спокойное снятие стружки за счёт плавного вхождения режущей кромки лезвия в обрабатываемый материал [5, 6], что повышает качество измельчения мяса и снижает нагрузку на фрезу и подшипниковые опоры резательной машины в рабочем режиме. Следует отметить, что в конструкции измельчителя целесообразно использовать вал с симметричным расположением фрезы относительно двух подшипниковых узлов [3]. Такая компоновка машины позволит значительно снизить нагрузки на подшипники в процессе измельчения сырья в сравнении с традиционным консольным расположением комплекта ножей у куттера.
В настоящее время инструментальная промышленность предлагает широкий спектр современных фрез для резания самых разных материалов. В числе отличительных признаков этих фрез можно отметить материал и конструктивное исполнение режущих кромок. Цельные фрезы, изготовленные из быстрорежущей стали, имеют режущие кромки из этого же материала. Фрезы другой конструкции имеют сменные режущие пластины из твердых сплавов, закрепленных механическим способом (рис.3).
Для эффективного фрезерования блочного замороженного мяса необходимо исследовать процесс резания сырья многолезвийным инструментом с определением режимных параметров фрезерования и оптимальной геометрии применяемых фрез, соответствующих целям разработки процесса одностадийного измельчения. К этим целям можно отнести высокое качество измельчения с тре-
буемой степенью измельчения, энергосбережение, обеспечение заданной производительности процесса, отвечающей потребностям мясоперерабатывающих производств.
Отметим, что под режимными параметрами в теории резания материалов методом фрезерования понимают скорость подачи, скорость резания, глубину резания и ширину фрезерования. Положение режущих кромок на винтовых зубьях, расположенных на наружной окружности цилиндрических фрез, однозначно определяется их конструктивными параметрами — диаметром, числом зубьев, углом наклона винтового зуба [4, 5, 8].
Материалы и методы исследования
Для исследования одностадийного процесса резания блочного замороженного мяса многолезвийным инструментом был проведен эксперимент на испытательном стенде, схема которого представлена на рис.4.
Стенд был собран на базе электромеханической части токарно-винторезного станка. Такой выбор обусловлен возможностью обеспечить установление вполне определенной пары двух режимных параметров - скорости подачи сырья на фрезу 8 (скорости поперечной подачи станка) и скорости резания (скорости вращения шпинделя станка) Ур. Это объясняется особенностью устрой- ства токарно-винторезных станков, в которых с целью обрабатывать винтовые поверхности вращение заготовки кинематически связано с поступательным перемещением инструмента. При поперечной подаче сырья на фрезу, когда прямолинейное движение блока мяса направлено поперек оси вращения фрезы (шпинделя станка), глубина резания однозначно определяется подачей. Тогда при постоянной ширине обработки продукта (ширине фрезерования), заданной нарезанием стандартного блока замороженного мяса на экспериментальные блоки определенных размеров, можно полностью идентифицировать ре- жим резания фиксацией перечисленных
режимных параметров.
Для измельчения был использован блок замороженного мяса промышленного типоразмера (говядина; 80% TRIMMING). Этот блок разрезали на ряд экспериментальных блоков размером 300x90x90 мм. Затем экспериментальные блоки помещали в морозильную камеру с температурой хранения -18 °С. Перед измельчением экспериментальные блоки поочередно извлекали из морозильной камеры и закрепляли на подвижных салазках суппорта 6 станка для поперечной подачи на фрезу. Фрезу 3 закрепляли на валу 2 (шпоночное соединение), а вал устанавливали по линии центров станка.
Измельченный продукт показан на рисунке 5.
Продукты измельчения подвергали микроструктурному анализу в лаборатории «Микроструктурные исследования мясопродуктов» ВНИИМПа. Срезы образца измельченного продукта представлены на рисунке 6.
Образец представляет собой измельченную мясную систему с редкими включениями крупных по размеру частиц мышечных волокон. Размеры частиц: среднее значение 119,25 мкм; мин. 35,15 мкм; макс. 256,72 мкм. Размеры крупных частиц в среднем 1824,42 мкм; макс. 2913,15 мкм.
Результаты и обсуждение
Как видно из фотографического снимка среза измельченного продукта, полученного при первом режиме резания, наряду с преобладающей массой тонко измельченного мяса есть отдельные частицы, значительно превышающие средний размер. Очевидно, что такое превышение размера отдельных частиц над средним размером других частиц тонко из-
1 2 3 4
б
Рисунок 4. Схема испытательного стенда
№ 4 август 2013 ВСЁ О МЯСЕ
43
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ /
Рисунок 5. Мясо, измельченное фрезой
мельченного мяса ухудшает качество измельчения. Для анализа указанной дифференциации размера частиц измельченного продукта рассмотрим схему фрезерования экспериментального замороженного блока мяса цилиндрической фрезой с винтовым зубом (рис.7).
На рисунке 7 построена условная эпюра изменения толщины мясной стружки, снимаемой одним лезвием фрезы за один рабочий цикл, отражающая качественную картину процесса резания. В точке 1 лезвие фрезы входит в блок мяса, а в точке 2 — выходит из него. В теории резания материалов методом фрезерования доказано [4, 5], что в рассматриваемом случае толщина мясной стружки в точках 1 и 2 одинакова (это следует из симметрии схемы фрезерования) и определяется как:
az1=az2=az•sinYl=az•sinY2,
где а^ - толщина мясной стружки в точке 1;
а^ - толщина мясной стружки в точке 2;
- подача на зуб фрезы, мм/зуб;
ф1 - угол контакта фрезы в точке 1;
ф2 - угол контакта фрезы в точке 2.
Как видно из приведенного соотношения, толщина мясной стружки вдоль дуги контакта переменна и зависит от подачи мясного блока на фрезу и от текущего значения угла контакта ф. Максимальная толщина стружки достигается в точке 3 ^тфз=1), и равна она подаче на зуб фрезы а^
Ширина слоя мяса (мясной стружки), срезаемого зубом фрезы за время рабочего цикла, опре-
деляется размером дуги контакта фрезы и поверхности обрабатываемого мяса. На рис.8 представлен замороженный блок мяса со следами на нем трёх одновременно режущих лезвий фрезы. В зависимости от геометрических параметров фрезы при данной ширине фрезерования мяса может быть больше или меньше число одновременно режущих лезвий инструмента. На следах Ь1, Ь2, Ьз как на основаниях аналогично тому, как это было показано на рисунке 6, построены условные эпюры толщин срезаемых одновременно слоев мяса в процессе фрезерования. Для единообразия все точки-входа в блок мяса трёх одновременно работающих лезвий помечены номером 1, а все точки выхода лезвий из блока помечены номером 2. Длины отрезков 1-1', 2-2', 3-3' соответствуют толщине срезаемого слоя мяса в пронумерованных точках.
Построим развертку поверхности резания мясного блока на плоскости для рассматриваемого случая (рис.9). Для фрезы с винтовыми зубьями ширина слоя мяса, срезаемого каждым лезвием, является отрезком винтовой линии, причем эти длины следов режущих кромок фрезы на обрабатываемой поверхности блока замороженного мяса (Ь1,Ь2,Ьз) отличаются от ширины фрезерования В. Линии контакта (следы) зубьев фрезы с поверхностью резания, развернутой на плоскости, имеют вид прямых (аЬ, с^ е£), которые образуют с продольной осью симметрии фрезы угол наклона Ш.
На рисунке 8 отмечен торцовой шаг фрезы ^ - расстояние в мм между двумя соседними зубьями, измеренное по окружности
(торцу) фрезы и определяемое как:
где О - диаметр фрезы, мм;
Z - число зубьев фрезы.
Под осевым шагом фрезы tg понимают расстояние в мм между двумя соседними зубьями фрезы, измеренное в направлении оси симметрии инструмента, и определяемое как:
где Ш - угол наклона винтового зуба; ^ - шаг винтовой линии.
Как видно из рисунков 8 и 9 в процессе фрезерования изменяются ширина и толщина слоёв мяса, срезаемых одновременно работающими лезвиями фрезы. Ширина и толщина слоя срезаемого мяса (Ь и а^ определяют площадь поперечного сечения и, следовательно, объём измельченного мяса. Неравномерное фрезерование мяса, то есть изменение во времени суммарной площади поперечного сечения слоёв, срезаемых одновременно работающими зубьями фрезы, приводит к дополнительным динамическим нагрузкам на фрезу и механизм измельчителя. Однако при применении фрез с винтовым зубом можно использовать то обстоятельство, что одновременно режут мясо несколько зубьев фрезы, причём одни зубья только вступают в работу либо выходят из неё (размер следа режущей кромки на поверхности резания минимален), другие же зубья снимают большие по размеру слои мяса. В этом случае можно говорить о решении задачи стабилизации во времени суммарной площади поперечного сечения (суммарного объёма) срезаемых одновременно слоёв мяса. Изменяя режимные параметры и геометрию фрезы, можно создать
Рисунок 6. Образцы измельченного мяса при различном увеличении
/ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ
1
/3
Рисунок 7. Схема фрезерования блока мяса цилиндрической фрезой
1 - блок мяса; 2 - фреза; 3 -эпюра толщины срезаемого слоя. В - ширина фрезерования; Ур - скорость резания; 32 - подача на зуб; ^, ^-углы входа и выхода фрезы
условия для равномерного фрезерования. В теории резания под равномерным фрезерованием понимают такой режим работы измельчителя, когда суммарная толщина срезаемого материала будет постоянной в любой момент времени. Условие такого режима резания можно сформулировать так [4, 5, 6]:
где к —целое число, то есть осевой шаг фрезы с винтовым зубом должен разместиться по ширине фрезерования целое число раз.
Однако при резании фрезами замороженного мяса есть существенное отличие от такой же об-
Рисунок 8. Ширина и толщина срезаемого слоя при использовании фрезы с винтовым зубом: 1 -блок мяса; 2 - плоскость резания.
В - ширина фрезерования; Ь1, Ь2, Ьз -длины следов трех лезвий (зубьев) фрезы на плоскости резания
работки традиционных материалов (металлов, древесины, пластиков и др.) — значительная анизотропия свойств замороженного мясного сырья, влияющая на качество измельчения [1]. Различное количество льда (воды) в замороженном мясе при разных температурах хранения, наличие жировой и соединительной тканей — это структурные признаки его анизотропии. При резании замороженных мясных блоков на качество измельчения влияет различная ориентация волокон мышечной ткани в объеме блока продукта относительно лезвий фрезы, что является текстурным признаком анизотропии сырья. Примерная картина анизотропии свойств блока замороженного мяса по структурному и текстурному признакам при ориентации поверхности резания блока относительно фрезы показана на рисунке 10.
Как видно из этого рисунка, след режущей кромки фрезы с винтовым зубом пройдет через волокна мышечной ткани, различно ориентированных относительно него (продольным и поперечным образом), через другие виды тканей, объёмы льда различной формы, величины и ориентации относительно режущей кромки. При расположении продольно пучка волокон мышечной ткани относительно режущего лезвия фрезы ширина срезаемого слоя мяса будет больше в сравнении с поперечным расположением тех же волокон. Именно этим можно объяснить включения частиц сравнительно большого размера в измельченный продукт, полученный в результате эксперимента.
Учитывая анизотропию свойств замороженных мясных блоков, влияющую на качество измельчения, можно предложить фрагмен-тировать на сегменты винтовую режущую кромку фрезы. Тогда ширина режущего сегмента Ц не должна превышатьзаданного размера частицы измельченного продукта для обеспечения требуемой степени измельчения. Толщину срезаемого слоя мяса а^ можно регулировать, изменяя скорость подачи сырья на фрезу.
Как показывают расчёты, производительность первого режима
резания на экспериментальном стенде, при оснащении измельчителя цилиндрической фрезой с винтовым зубом и размерами, соответствующими максимальным размерам параллелепипеда блока замороженного мяса по ГОСТ Р 54704-2011, составляет примерно 10000 кг/час. Очевидно, что при фрагментировании на сегменты режущих кромок фрезы производительность измельчителя будет меньше расчётной. Однако существует резерв повышения производительности измельчения — увеличение частоты вращения фрезы. При увеличении частоты вращения асинхронного электродвигателя привода резания до уровня синхронной (3000 об/мин с учётом скольжения) и выше, можно увеличить подачу сырья на фрезу при сохранении требуемой степени измельчения, повышая тем самым производительность процесса резания замороженного мяса.
Выводы
1. Проведенные стендовые испытания по измельчению замороженного блочного мяса цилиндрической фрезой с винтовым зубом и микроструктурный анализ полученного измельченного продукта позволяют считать целесообразным применение подобных фрез в мясоперерабатывающем производстве. Так как при фрезеровании традиционных материалов
Рисунок 9. Поверхность резания в виде развертки на плоскость
аЬ, сс1, ef - длины следов трех одновременно режущих лезвий (зубьев) фрезы на плоскости резания; ^-осевой шаг фрезы; ^-торцевой шаг фрезы; ы-угол наклона винтового зуба; В - ширина фрезерования
Эг
№ 4 август 2013 Всё О МЯСЕ
45
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ / Измельчение сырья
Рисунок 10. Анизотропия замороженного мясного блока
(металлов, древесины, пластиков и др.) такие фрезы предназначены для обработки поверхностей заготовок, а в случае фрезерования блочного мяса можно ориентировать блок сырья относительно фрезы поверхностью наибольшего размера. Это позволит увеличить производительность процесса измельчения.
2. Ввиду анизотропии замороженного блочного мяса по структурному и текстурному признакам для поддержания требуемой степени измельчения следует применять цилиндрические фрезы с винтовыми режущими кромками, фрагментированными на сегменты. Ширина сегмента (ширина следа сегмента режущей кромки на поверхности резания блока мяса) не должна превышать заданный характерный размер частицы измельченного продукта.
3. Для увеличения производительности процесса измельчения при применении фрез с винтовыми режущими кромками в виде отдельных сегментов следует повышать частоту вращения рабочего инструмента, что позволит повысить подачу сырья на фрезу при сохранении требуемой степени измельчения.
4. Для гарантированного разрезания соединительной ткани, яв-
ляющейся одним из компонентов блочного мяса, следует применять фрезы с острозаточенной режущей кромкой. Во время проведения стендовых испытаний при всех трех экспериментальных режимах резания, отмеченных выше, с применением фрезы именно с такими режущими кромками не было зафиксировано случаев блокирования лезвий рабочего инструмента неразрезанной соединительной тканью сырья.
Целесообразно рассмотреть возможность применения фрез с твердосплавными пластинами, расположенными по винтовым линиям, для резания замороженного мяса. Механическое крепление пластинок даёт возможность поворота их с целью обновления режущей кромки. После полного износа пластинки она может быть быстро заменена новой. Это приводит к значительному сокращению времени обслуживания рабочего инструмента измельчителя, так как в этом случае оно сводится ко времени замены износившихся пластинок или повороту их на следующую грань, не прибегая к заточным операциям на специальном оборудовании и балансировке всей конструкции [7]. При обосновании применения подобных фрез для измельчения мяса на стадии, соответствующей мелкому измельчению, указанные преимущества повысят технологичность мясорезательной машины и обеспечат высокий экономический эффект применения нового режущего инструмента в мясной промышленности.
5. Для повышения качества измельчения и снижения динамических нагрузок на фрезу и механизм измельчителя в процессе измельчения следует обеспечить условия равномерного фрезерования. Для фрез с лезвиями в виде
сегментов, расположенных по винтовым линиям, условие равномерного фрезерования можно сформулировать так: суммарная площадь слоёв мяса, срезаемых всеми одновременно режущими сегментами ^а^Ц, во времени является величиной постоянной.
6. Для высокоэффективного фрезерования замороженного блочного мяса необходимо установить соответствующие режимные параметры, применить фрезы с заданной геометрией и профилем режущих кромок, обеспечить заданную производительность процесса измельчения и требуемую степень измельчения. Следовательно, возникает оптимизационная задача, целевую функцию которой можно сформулировать следующим образом: режимные параметры процесса измельчения замороженного блочного мяса, геометрия применяемых фрез должны обеспечить условия равномерного фрезерования при заданной производительности резания с требуемой степенью измельчения, при соблюдении температурного режима в зоне резания, исключающем тепловую денатурацию белка мяса, с беспрепятственным отводом мясной стружки из зоны резания. и
Контакты:
Андрей Борисович Лисицын Валентин Иванович Ивашов Александр Николаевич Захаров Борис Романович Каповский Дмитрий Александрович Максимов +7 (495) 676-6751
Литература
1. Лисицын А.Б., Липатов Н.Н., Кудряшов Л.С., Чернуха И.М. Теория и практика переработки мяса. М.: Эдиториал сервис, 2008. 338 с.
2. Ивашов В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 2. Санкт - Петербург: ГИОРД, 2007. 464 с.
3. Максимов Д.А., Каповский Б.Р. Перспективы развития резательных машин для тонкого измельчения мясного сырья //Мясная индустрия. 2012. №6. С. 28-31
4. Армарего И.Дж.А., Браун Р.Х. Обработка металлов резанием. М.: Машиностроение, 1977. 325 с.
5. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985. 304 с.
6. Кряжев Н.А. Фрезерование древесины. М.: Лесная промышленность, 1979. 200 с.
7. Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение, 1976. 278 с.
8. Ящерицын П.И., Фельдштейн Е.Э., Корниевич М.А. Теория резания. Минск, Новое знание, 2007. 511 с.
