CC BY
46
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 631.171:635.61
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МАШИНЫ ДЛЯ РЕЗАНИЯ ОЧИЩЕННОЙ МЯКОТИ ПЛОДОВ БАХЧЕВЫХ
М.Н. Шапров, доктор технических наук, профессор Д.В. Сёмин, кандидат технических наук, доцент М.А. Садовников, ассистент
Волгоградский государственный аграрный университет
В статье рассматриваются теоретические зависимости для определения основных кинематических параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых в зависимости от физико-механических свойств мякоти.
Ключевые слова: бахчевые культуры, цукаты, резание мякоти, скорость резания, отношение скоростей, радиус барабана.
Перспективным источником растительного сырья при производстве различных пищевых продуктов являются бахчевые культуры. Продукцию бахчеводства используют в натуральном и переработанном виде. Так, например, из плодов тыквы получают цукаты, которые в дальнейшем используют в кондитерской промышленности. При этом нарезка сырья на кусочки при приготовлении цукатов выполняется, как правило, вручную или частично механизирована. Использование известных в перерабатывающей промышленности машин для механизации этого процесса затруднено по разным причинам.
Рисунок 1 - Схема к анализу работы машины для резания очищенной мякоти:
1 - ножи, 2 - опорный валец, 3 - мякоть На основе проведенного анализа различных способов и машин, применяемых для резки овощного сырья, мы пришли к выводу, что наиболее оптимально процесс резания мякоти реализуется вращающимся барабаном, у которого ножи выполнены в виде решетки. Исходя из этого, нами была разработана конструкция соответствующей машины [2].
Ножи 1 (рисунок 1) ножевого барабана и опорный валец 2 при вращении со скоростью а захватывают ломоть мякоти 3, затем сжимают и протягивают его, при этом одновременно ножи внедряются в мякоть и разрезают ее, используя в качестве опоры поверхность вальца 2. Продолжая вращаться, ножи удерживают отрезанные кусочки внутри ячейки ножевой решетки.
Рабочее движение лезвий ножей барабана разработанной нами машины для резания очищенной мякоти представляет собой криволинейную поверхность, имеющую в сечении форму части петли циклоиды [3].
Абсолютная траектория движения кромки лезвия в координатах х-у может быть представлена уравнением окружности:
х2 + [у —й ]2 = й2, (1)
где Я - радиус ножа по лезвиям.
Кромка лезвия ножа 1, вращаясь по окружности радиуса Я с угловой скоростью а, имеет окружную скорость \окр. Эта скорость может быть разложена на составляющие V 0Кр х и V 0Кр у.
Ъо кр у = V о кр ' ^ 1 п р д ; (2)
Vо кр х = Ъо кр ' С 0 Б р 0 , (3)
где ф0 - угол поворота ножа от момента соприкосновения лезвия с мякотью до момента, когда нож займет вертикальное положение.
Траектория ножей в слое мякоти представляет собой циклоиду (рисунок 1), уравнение которой для ножа в параметрической форме в неподвижных осях координат Ох и Оу будет:
X = й ' Б 1 п( р 0 — Ш0 — гШt
у = г — И ' С О б( р 0 — Ш 0, ( )
где t - время, за которое барабан повернулся на угол
г = И — к, (5)
где к - толщина разрезаемого слоя.
Скорость перемещения кромки лезвия в материале является скоростью резания урез. Направление скорости урез совпадает с направлением разреза материала и определяется касательной к траектории движения кромки. По величине скорость урез равна производной пути по времени, т.е.
Ърез = 3 х + ЪРе 3 У’ (6)
где ърез х = й ' ш ' с о б( р 0 — ш 0 — г' ш; (7)
Ър ез у = — й ' Ш ' Б 1 п(р 0 — Ш0. (8)
В результате преобразований можно получить выражение:
^рез
= Ш ^й2 — 2 г (г С О Б Ш t + 2 — г2 Б 1 п Ш + г2 =
= ш ^й 2 — г2 ( 2 с о б ш + 2 1 па> г \). (9)
Данное выражение показывает, что с увеличением угловой скорости а, радиуса Я окружности по лезвиям ножа, толщины к разрезаемой мякоти скорость урез увеличивается. Эта скорость меняется вместе с углом поворота ножа аt. Он изменяет свое значение с нуля в момент соприкосновения кромки лезвия с материалом в точке О до фо в момент конца резания в точке А.
Качество резания мякоти в значительной мере зависит от скорости ее подачи \',юо. Анализируя процесс резания, можно увидеть, что если скорость подачи меньше
ненную циклоиду, что приводит к отрыву кусочков мякоти от ломтя. Если скорость по-
ножа представляет собой укороченную циклоиду [1]. В этом случае мякоть будет упираться в грани ножа, что приведет к дополнительному её сжатию и возможному разрушению куска. Казалось бы, наилучшее качество резания будет при равенстве скорости подачи и составляющей voi:/!Л-, т.е. = i-W*-, но при этом траектория ножей в мякоти будет представлять кривую ОА (рисунок 1), а объем мякоти, заключенный в сечении в область ОАК, будет теряться из-за смятия.
Для того чтобы не происходила значительная потеря мякоти, необходима такая траектория ножа в материале, которая была бы наиболее близка к прямой параллельной оси Оу. Этого можно добиться при А>1, и при этом нож должен проходить ниже границы куска мякоти (рисунок 2). В таком случае ножи будут прорезать мякоть полностью, а резание заканчиваться при юКфо.
Определим максимальную толщину ломтя мякоти, который можно разрезать. При выполнении условия А>1 горизонтальная составляющая скорости постоянно будет уменьшаться и при некотором угле фА=юи (рисунок 3) поворота барабана станет равной нулю, а потом приобретет обратный знак.
составляющей vOKp х, т.е.
, то траектория ножа представляет удли-
дачи будет значительно больше составляющей vOKp х,
т.е.
, то траектория
У
So
/ / \ \
I I
СО
Рисунок 2 - Траектория движения ножей в материале при А>1
Синус угла (рА, соответствующего точке /4, определяется отношением
(Ю)
Таким образом, точка А является точкой начала резания. Точкой конца резания является точка В, в которой нож займет нижнее свое положение. Находя разность ор-
динат этих точек, определим максимальную толщину разрезаемой мякоти:
Кпах=н-« = п(1 1
я *)■ <П)
Определяя разность абсцисс этих точек определим величину максимальной деформации Ах разрезаемого куска мякоти.
Выразим из выражений (11) и (12) величину Я
Приравнивая эти выражения, получим зависимость величины деформации Дх от толщины куска разрезаемой мякоти ЬП1ах и отношения Я [4]:
Ах — hfm
• 1 . ГГ?—7 71 arc sin-+VAz-l—
_______А_________2.
Л-1
(14)
Рисунок 3 - Схема к определению максимальной толщины и максимальной деформации куска
Решение уравнений (13) и (14) проводилось с использованием пакета MS Excel, при различных значениях hmax и Ax, фактические значения которых получены в результате измерения геометрических и физико-механических свойств мякоти бахчевых [5]. По полученным данным были построены графические зависимости, позволяющие определить необходимое отношение скоростей X (рисунок 4) и радиус барабана R (рисунок 5).
Таким образом, полученные аналитические и графические зависимости позволяют определить основные кинематические параметры машины для резания очищенной мякоти, исходя из её физико-механических свойств.
И=0,01 м И=0,03 м И=0,05 м Рисунок 4 - Зависимость величины деформации Дх от отношения скоростей Я
И=0,01 м И=0,03 м И=0,05 м Рисунок 5- Зависимость величины радиуса /? от отношения скоростей Я
Библиографический список
1. Листопад, Г.Е. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины [Текст]/ Г.Е. Листопад [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1986. - 688 с.
2. Машина для резания очищенной мякоти плодов бахчевых культур [Текст] : пат. 2426463 Российская Федерация, МПК7 А23Ш5/00, B26D3/26. / М.Н. Шапров, В.Г. Абезин, Д.в. Сёмин, М.А. Садовников; заявитель и патентообладатель Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия - №2010107532/13; заявл. 01.03.10; опубл. 20.08.2011, Бюл. №23. - 2 с.
3. Резник, Н.Е. Теория резания лезвием и основы расчета режущих аппаратов [Текст]/ Н.Е. Резник. - М.: Машиностроение, 1975. - 311 с.
4. Садовников, М.А. Обоснование конструктивно-технологических параметров машины для резания очищенной мякоти плодов бахчевых при переработке на цукаты [Текст]: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Садовников Михаил Алексеевич. - Волгоград, 2012. - 24 с.
5. Садовников, М.А. Определение физико-механических свойств мякоти бахчевых культур [Текст]/ М.А. Садовников // Материалы XVI региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области: науч. изд. - Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2012. - С. 213-215.
E-mail: [email protected]
