Повышение эффективности шнекового измельчительно-режущего оборудования путем совершенствования конструктивно-технологических параметров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.18.12, кандидат наук Усманов Илхом Ибрагимович

• Усманов Илхом Ибрагимович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Усманов Илхом Ибрагимович

ОГЛАВЛЕНИЕ

РЕФЕРАТ

SINOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ В ВОЛЧКАХ, ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Особенности структуры и конструкции шнековых измельчителей с режущей парой нож-решетка

1.2. Обзор литературных материалов по теме исследований

1.3. Выводы по главе

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ В ВОЛЧКАХ

2.1. Качественная оценка особенностей взаимодействия мясного сырья с элементами измельчительно-режущего оборудования

2.2. Формирование и анализ корректной обобщенной математической модели процесса экструзии мясного сырья

2.3. Величина давления в режущей плоскости

2.4. Разработка математической модели закона формирования давления мясного сырья вдоль винтовой поверхности шнека

2.5. Длина винтовой линии с переменным шагом

2.6. Анализ влияния угла наклона последнего витка шнека на динамические параметры процесса резания и оптимизация величины этого угла

2.6.1. Решение задачи аналитического согласования производительности

волчка и ее режущей способности

2.6.2. Взаимосвязь угла наклона последнего витка шнека и величины

затяжки центральной зажимной гайки волчка

2.6.3. Влияние момента затяжки гайки на процесс измельчения мясного сырья

2

Выводы по главе

142

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ПИЩЕВОГО СЫРЬЯ

3.1. Установка для исследования закона распределения давления сырья

3.1.1. Описание экспериментального стенда

3.1.2. Оснащение экспериментальной установки

3.1.3. Работа на экспериментальной установке

3.2. Результаты исследований распределения давления

3.3. Влияние момента затяжки гайки на температуру продукта и мощность волчка

3.4. Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

ОБОСНОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОЛЧКОВ

4.1. Сравнительная оценка удельной энергоёмкости отечественных и зарубежных мясоизмельчителей

4.2. Оценка ожидаемого экономического эффекта по результатам проведенных исследований

4.3. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

LIST OF PUBLICATIONS ON THE THESIS

ПРИЛОЖЕНИЕ

ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности шнекового измельчительно-режущего оборудования путем совершенствования конструктивно-технологических параметров»

РЕФЕРАТ

Актуальность исследования. В настоящее время мясная промышленность - крупнейшая отрасль пищевой индустрии, в значительной мере определяющая здоровье населения, а также продовольственную безопасность России. При этом перерабатывающая составляющая занимает в ней одно из главенствующих положений, а волчки и мясорубки, являются базовым технологическим видом машин измельчения твердообразных продуктов. Необходимость интенсивного развития отечественного пищевого машиностроения и технического оснащения мясоперерабатывающей отрасли эффективными и экономичными волчками и мясорубками для малых, средних и крупных предприятий обусловлена ростом объёмов производства колбасных изделий в РФ с 1,0 млн. тонн в 2000 году до 2,5 млн. тонн в 2020 году, то есть в 2,5 раза. Углубление теоретических исследований по совершенствованию и оптимизации шнекового измельчительно-режущего оборудования позволит повысить энергоэффективность и производительность процессов переработки, а также качество впускаемого сырья.

В этой связи изучение процессов и дальнейшее развитие теории расчета оборудования для измельчения мяса и других пищевых материалов является актуальным и заслуживает особого внимания.

Степень разработанности темы. Изучению проблемы совершенствования шнекового измельчительно-режущего оборудования посвящено значительное количество работ отечественных и зарубежных исследователей.

Математическое моделирование фрагментарных процессов перемещения и деформации пищевого сырья рассмотрено в трудах Алешкина А.В., Арета В.А., Бермана Г.К. и Мачихина Ю.А., Бессарабова А.А., Горынина Г.Л., Груздева И.Э., Максимова Д.А., Остроух А. С. и Абалдовой В. А., Острикова А.Н., Dolata N.

Вопросам резания посвящены работы Божьева С.В., Вельмесовой Е.В., Горяева В.В., Гурвица В.Г., Даурского А.Н., Дорохова В.П., Познышева А.Н., Фатыхова Ю.А., Хромеенкова В. М., Doll W. Измельчение в волчках изучали Клименко М.Н., Комиссаров С.С., Сидоряк А.Н., Dolata N. Изучением эффективности и особенностей процессов в измельчительном оборудовании и повышением их надежности занимались Андрианов А. С. Антипов С. Т., Бареян А.Г., Беззубцева М.М., Белохвостов Г.И., Искандарян А., М.Ьопст M. Вопросы реологии пищевого сырья рассмотрены в исследованиях Мачихина Ю.А. Горбатова А.В., Косого В.Д., Лимонова Г. Е., Проселкова В.Г., Райкова Е.Ф., Muller H.G., Tixr K., Boger D. Исследованием структурно —

механических и трибологических характеристик пищевых сред занимались Андрющенко А.Г., Спирин Е.Т., Львов Д.Л., Каргина Г.А., Micklisch I., Некоз О.1.

Вопросами износа и повышения ресурса ножей и решеток волчков занимались Бренч А.А., Бубыренко В.К., Бугаев А.В., Вельмесова Е.В., Воротников И.Л., Горлач Р.В., Гутуев М.Ш., Комиссаров С.С., Пахарев А.В., Полуян В.А. Общих вопросов совершенствования измельчительно-режущего оборудования касаются работы Вышелесского А.Н., Ивашова В.И., Лонцина М., Мерсона Р., Пелеева А.И., Чижиковой Т.В., Schnackel W., Krickmeier J., Rust R.E.

Несмотря на многочисленность исследований, для разработки завершенной теории расчета волчков необходимы дополнительные исследования. Настоящие исследования осуществлялись в рамках зарегистрированного направления (номер Гос. регистрации № 01.2007 03504).

Объекты исследования. Объектами, на которых сконцентрированы исследования, являются процессы перемещения, экструзии и резания пищевого сырья, рассматриваемые с позиций их энергоемкости и обеспечения качества измельчения.

Методы исследования. Реализация формулируемых задач выполнена путем использования методов системного анализа, посредством оценки структуры, а также математического и натурного моделирования изучаемых процессов.

Цель исследования - развитие теоретических основ расчета процессов и конструктивно-технологических характеристик измельчительно-режущего оборудования, заключающееся в разработке обобщенной математической модели производительности шнековых мясоизмельчителей, позволяющей выявить приоритеты влияющих факторов, а также компонентных моделей, определяющих закономерности процесса формирования давления в режущей головке, а также степень влияния момента силы затяжки центральной зажимной гайки и других параметров на энергетические показатели оборудования и качество продукта.

Согласно изложенной цели сформулированы следующие задачи диссертационной работы.

1.Провести структурный и содержательный анализ процессов, реализуемых при функционировании мясорубок и волчков.

2. Осуществить математическое моделирование производительности процесса измельчения.

3.Выявить степень значимости факторов, влияющих на такие выходные параметры мясорубок и волчков, как производительность и энергоёмкость.

4.Разработать математическую модель процесса экструзии материала через отверстия выходной решетки для определения минимально необходимого давления продавливания мясного сырья.

5.Аналитически определить закон возрастания давления пищевого твердообразного материала в направлении внешней образующей винтовой линии шнека.

6. Определить длину винтовой линии шнека с переменным шагом.

7.Теоретически оптимизировать величину угла наклона последнего витка подающего шнека волчка.

8. Осуществить математическое описание момента силы затяжки центральной зажимной гайки для обеспечения качественного процесса резания мясного сырья и минимальные энергопотери на трение в паре нож-решетка.

9.Разработать экспериментальную установку для оценки закона нарастания давления по оси шнека и момента силы затяжки центральной зажимной гайки волчка.

10.Исследовать влияние момента затяжки зажимной гайки на температуру и степень измельчения сырья, а также на удельную мощность процесса.

Научная новизна работы состоит:

-в разработке обобщенной математической модели теоретической производительности процесса измельчения;

-в разработке компонентной математической модели процесса экструзии материала через отверстия выходной решетки в условиях стесненного сжатия с учетом сил трения;

-в теоретическом определении закона возрастания давления твердообразного пищевого сырья вдоль оси корпуса волчка и винтовой линии шнека в условиях стесненного сжатия;

-в аналитическом определении длины винтовой линии шнека волчка переменного шага;

-в разработке математической модели обоснования значения угла наклона винтовой линии последнего витка для шнека переменного шага;

-в теоретическом обосновании оптимального момента силы затяжки зажимной гайки шнекового измельчителя.

Практическая значимость исследования состоит:

-в определении оптимального усилия затяжки зажимной гайки волчка, обеспечивающего минимальную энергоемкость измельчения твердообразного пищевого сырья при гарантированном качестве резания;

-в получении математических моделей, позволяющих оптимизировать конструктивно-технологические параметры волчков и мясорубок;

-в разработке экспериментальной установки для определения закона нарастания давления твердообразного пищевого сырья по длине корпуса волчка;

-в разработке экспериментальной установки для оценки влияния момента силы затяжки зажимной гайки режущего узла на энергоемкость процесса измельчения;

-в университете, с учетом рекомендаций по регулированию и нормированию момента затяжки центральной гайки волчков, ОАО «Ленполиграфмаш» установлен и успешно апробирован модернизированный образец измельчителя типа М8М.

- проведены испытания модернизированного образца волчка М8М в ОАО «Ленполиграфмаш» г. Санкт-Петербург. Результаты исследований внедрены в ООО ТПК «ИБРАЙ».

Основные положения, выносимые на защиту: -результаты теоретических исследований, полученные при разработке обобщенной математической модели производительности процесса измельчения;

-математическая модель зависимости минимального давления процесса экструзии материала через отверстия выходной решетки от ее конструктивных параметров в условиях стесненного сжатия с учетом сил трения;

-аналитически полученный закон роста давления твердообразного пищевого материала вдоль оси корпуса волчка и винтовой линии шнека в условиях стесненного сжатия;

-соотношение для оценки зависимости длины шнековой винтовой линии шнека переменного шага от начального и конечного углов ее наклона;

-оптимизационное соотношение для оценки величины угла наклона винтовой линии последнего витка шнека;

-соотношение для оптимального значения силового момента затяжки центральной гайки режущего узла волчка;

-результаты экспериментальных исследований закона нарастания давления по оси шнека и влияния момента затяжки зажимной гайки на качество измельчения и энергетические характеристики волчка.

Публикации. По результатам наших исследований опубликовано 21

научных работ, объемом свыше 20 п.л., при этом 2 статьи в изданиях Web of Sciences, 1 статья в издании SCOPUS, 14 статей, входящих в перечень ВАК РФ объемом 6,5 п.л., а также 1 учебное пособие объемом 8,6 п.л. и 1 обобщающая монография объемом более 5 п.л.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 198 страницах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 199 наименований источников, включая 28 иностранных, и содержит 29 рисунков, 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты пищевых производств», Усманов Илхом Ибрагимович

Выводы

Как следует из полученного уравнения (22), величина требуемого давления определяется удельным усилием резания, характеризующим прочностные характеристики мясного сырья; коэффициентом Пуассона, характеризующим его деформационные свойства; коэффициентом трения мясного сырья, характеризующим характер взаимодействия мясной ткани с цилиндрической поверхностью отверстия; а также такими геометрическими параметрами отверстия, как его диаметр, толщина измельчительной решетки и законом распределения давления внутри отверстия решетки по длине отверстия. Количественная оценка зависимости требуемого минимального давления в зоне резания от коэффициента трения скольжения показывает, что увеличение трения скольжения на 50% вызывает необходимость повышать значение требуемого минимального давления на 10%.

Таким образом, задачами дальнейших исследований является статистическое экспериментальное определение удельного усилия резания Руд пищевых материалов, коэффициентов трения скольжения пищевого сырья / при перемещении по материалу конструктивных элементов волчка, коэффициента бокового давления р, а также закона распределения давления внутри отверстия решетки по длине отверстия p(z) .

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Усманов Илхом Ибрагимович, 2021 год

Литература

1. Ивашов В.И. Технологическое оборудование предприятий мясной промышленности. Часть 2. Оборудование для переработки мяса. СПб.: ГИОРД, 2007. 464 с.

2. Арет ВА., Верболоз Е.И., Пеленко Ф.В., Пеленко В.В. Внешнее трение в моделировании работы червячного экструдера // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. 2012. № 1.

3. Krickmeier J., Schnackel D., Pongjanyanukul W., Schnackel W., Micklisch I. Untersuchungen zur Optimierung des Wolfprozesses. Teil 2: Verteilung der notwendigen Arbeiten beim Scheren in Abhängigkeit von maschinen-und rohstoffbedingten Einflüssen. Fleischwirtschaft. 2012, no. 1, pp. 88-92.

4. Некоз О.1., Осипенко В.1., Фтмонова Н.В., Батраченко О.В. Гiдравлiчний отр рiзального вузла вовчюв // Вюник Хмельницького нацюнального ушверситету. 2015. № 6. С. 13-19.

5. Андрющенко А.Г. Исследование эксплуатационных и конструктивных параметров волчков малой производительности с целью их совершенствования: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 1979. 23 с.

6. Сидоряк А.Н. Совершенствование процесса измельчения мяса: автореф. дис. ... канд. техн. наук. М., 2007.

7. Пеленко В.В., Малявко Д.П., Усманов И.И., Екимов В.Г., Крысин А.Г. Оптимизация процесса измельчения пищевых материалов в волчках // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Процессы и аппараты пищевых производств. 2016. № 2. C. 32-39.

8. Пеленко В.В., Зуев НА, Ольшевский Р.Г., Иваненко В.П., Крысин А.Г. Оценка зависимости производительности измельчителей мяса от их конструкции и физико-механических свойств сырья // Вестник Международной академии холода. 2015. № 1. С. 9-15.

9. Фатыхов Ю., Канопка Л. Экструзионные технологии пищевых производств. Вильнюс: Вильнюсский технический университет. 2007. 88 с.

10. Припоров И.Е. Обоснование винтовой поверхности шнека переменного шага пресс-экструдера // Известия Оренбург. гос. аграрн. ун-та. 2017. № 1(63). С. 67-70.

11. Остроух А.С., Абалдова ВА. Расчет производительности шнековых прессов механической обвалки с учетом противодавления //Теория и практика переработки мяса. 2016. № 3. с. 66-80.

References

1. Ivashov V.I. Tekhnologicheskoe oborudovanie predpriyatii myasnoi promyshlennosti [Technological equipment of meat industry enterprises]. Part 2. Meat Processing Equipment. St. Petersburg, GIORD Publ., 2007, 464 p.

2. Aret V.A., Verboloz E.I., Pelenko F.V., Pelenko V.V. Vneshnee trenie v modelirovanii raboty chervyachnogo ekstrudera [External Friction in the Simulation of the Screw Extruder]. Processes and Food Production Equipment. 2012, no. 1.

3. Krickmeier J., Schnackel D., Pongjanyanukul W., Schnackel W., Micklisch I. Untersuchungen zur Optimierung des Wolfprozesses. Teil 2: Verteilung der notwendigen Arbeiten beim Scheren in Abhängigkeit von maschinen-und rohstoffbedingten Einflüssen. Fleischwirtschaft. 2012, no. 1, pp. 88-92.

4. Nekoz A.I., Osipenko V.I., Filimonova N., Batrachenko A.V. Gidravlicheskoe soprotivlenie rezhushchego uzla volchkov [Hydraulic resistance of the cutting node of tops]. Vestnik of the Khmelnitsky National University. 2015, no. 6, pp. 13-19.

5. Andryushchenko A.G. Issledovanie ekspluatatsionnykh i konstruktivnykh parametrov volchkov maloi proizvoditel'nosti s tsel'yu ikh sovershenstvovaniya [Investigation of operational and design parameters of small-capacity tops for the purpose of their improvement]. Extended abstract of candidate's thesis. Moscow, 1979, 23 p.

6. Sidoryak A.N. Sovershchenstvovanie protsessa izmel'cheniya myasa [Improving the process of grinding meat]. Extended abstract of candidate's thesis. Moscow, 2007.

7. Pelenko V.V., Malyavko D.P., Usmanov I.I., Ekimov V.G., Krysin A.G. Optimizatsiya protsessa izmel'cheniya pishchevykh materialov v volchkakh [Optimization of Food Grinding Process in Grinders]. Processes and Food Production Equipment. 2016, no. 2, pp. 32-39.

8. Pelenko V.V., Zuev N.A., Ol'shevskii R.G., Ivanenko V.P., Krysin A.G. Otsenka zavisimosti proizvoditel'nosti izmel'chitelei myasa ot ikh konstruktsii i fiziko-mekhanicheskikh svoistv syr'ya [Evaluation of meat grinder performance depending on their design and physical and mechanical properties of raw-material]. Vestnik of International Academy of Refrigeration. 2015, no. 1, pp. 9-15.

9. Fatykhov Yu., Kanopka L. Ekstruzionnye tekhnologii pishchevykh proizvodstv [Extrusion technology of food production]. Vilnius: Vilnius Technical University Publ., 2007, 88 p.

10. Priporov I.E. Obosnovanie vintovoi poverkhnosti shneka peremennogo shaga press-ekstrudera [Substantiation of the Helical Surface of the Variable Pitch Screw of the Press-extruder]. Izvestia Orenburg State Agrarian Universityi. 2017, no. 1(63), pp. 67-70.

11. Ostroukh A.S., Abaldova V.A. Raschet proizvoditel'nosti shnekovykh pressov mekhanicheskoi obvalki s uchetom protivodavleniya [Calculation of Performance for Mechanical Deboning Screw Presses Considering Counterpressure]. Theory and practice of meat processing. 2016, no. 3, pp. 66-80.