Введение к работе
Актуальность работы. Важной составляющей конкурентоспособного агропромышленного комплекса является развитая плодоовощная отрасль. В настоящее время Россия имеет достаточный ресурсный потенциал в данной области.
Именно при переработке плодов и овощей, можно наблюдать их существенные потери. В первую очередь это можно объяснить неэффективной технологией, где доля отходов может составлять более половины от исходной массы сырья. При этом теряется множество ценных компонентов и наносится ощутимый вред окружающей среде. Так, доля сырья, подвергающегося вторичной переработке составляет лишь 20%.
Поэтому совершенно необходимо широкое применение ресурсосбережения и комплексной переработки, с помощью которой из сырья максимально извлекаются все составляющие, превращая готовый продукт в биологически полезный. Целесообразно при переработке овощей и плодов внедрять безотходную технологию - принцип организации технологического производства, при котором будет обеспечено рациональное и комплексное использование все компонентов сырья, не нанося ущерб окружающей среде. Таким образом, кроме получения дополнительных объемов сырья (повышение экономической эффективности), будут решаться экологические проблемы.
Степень разработанности темы исследования. Многим актуальным вопросам процесса лезвийного резания посвящены труды В. П. Горячкина, В. А. Желиговского, И. И. Капустина, Н. В. Сабликова, Г. И. Бремера, А. А. Ивашко, Т. И. Егоровой, В. А. Зяблова и других исследователей. Большинство исследований направлено на выработку рекомендаций по повышению качества, сохранения свойств готового продукта, надежности в эксплуатации используемых деталей при снижении удельных затрат на измельчение плодоовощного сырья.
В упомянутых выше и многих других трудах по теории резания лезвием имеется ряд разногласий, противоречий и погрешностей. Часть из них, несомненно, возникла вследствие заимствования некоторых положений из теории резания металлов и древесины без достаточного учета особенностей процесса резания лезвием.
До сих пор не была в полной мере показана физическая сущность сокращения энергозатрат и повышения степени ресурсосбережения и качества полуфабриката при динамическом измельчении плодоовощного сырья. В настоящее время мало изучены реологические, физико-механические свойства сокосодер-жащих продуктов, подвергающихся динамическому измельчению, нет четкой картины изменения усилий резания, не достаточно полно решены задачи выбора рациональной геометрии и долговечности применяемого режущего инструмента. Интенсификации процесса динамического измельчения ведет к успешному решению задач повышения эффективности производства плодоовощной продукции, и к возможности увеличения выхода готовой продукции при минимальных затратах на оборудование.
Цель и задачи исследования. Работа посвящена исследованию процесса динамического измельчения плодоовощного сырья с упруговязкими свойствами, на примере цитрусовых плодов, посредством определения рациональных режимов работы, технологических параметров и конструктивных особенностей режущего органа, позволяющих интенсифицировать процесс, минимизировать энергозатраты и отходы при сохранении нормированных качественных показателей готовой продукции.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Сформулировать физическую модель процесса динамического измельчения плодоовощного сырья с упруговязкими свойствами для вращательного движения рабочего органа.
Разработать методику экспериментального исследования процесса динамического измельчения плодов вращательным движением рабочего органа.
Создать экспериментальную лабораторную установку для моделирования процесса динамического измельчения.
Исследовать закономерности процесса динамического измельчения для разных характеристик перерабатываемого сырья и параметров рабочего органа.
Спроектировать аппарат для измельчения плодоовощной продукции с помощью вращательного движения рабочего органа.
Усовершенствовать рабочий орган аппарата для производства лимонного напитка с мякотью.
Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:
Определены физико-механические и структурные свойства пищевых продуктов, влияющие на ход процесса измельчения;
Выявлены режимы проведения процесса измельчения в зависимости от начальных условий и изменяющихся режимах работы, влияющих на процесс;
Выбрана форма лезвийного инструмента, для которой экспериментально показано, что эффективность процесса динамического измельчения плодоовощного сырья зависит от формы, способа заточки и других свойств лезвийного рабочего органа;
Определены параметры измельчения, позволяющие выбрать рациональные конструктивные характеристики устройства для реализации процесса;
На созданном испытательном стенде экспериментально получены значения критических режимов процесса резания для предложенного устройства при щадящем сминающем воздействии на продукт.
Практическая значимость работы:
- По результатам научных исследований предложен малогабаритный
ресурсосберегающий аппарат.
На основе сделанных предложений разработан вариант исполнения машины для измельчения, наиболее всего подходящий для измельчения пищевых продуктов со свойствами упруговязких материалов;
Разработанная конструкция измельчительного устройства функционирует с приводом, существенно снижающим его стоимость, за счет отсутствия
сложных механизмов передачи, что позволяет повысить общую надежность и эксплуатационные характеристики системы;
Разработанные модели позволяют применить обоснованный подход при проектировании лезвийных измельчающих аппаратов и дают возможность выбрать квалитет при изготовлении деталей аппарата;
Разработанная конструкция режущего устройства позволяет переоснащать любые измельчители на переработку пищевых продуктов со свойствами упруговязких материалов.
Эксперименты по измельчению цитрусовых плодов проведены на установке, выполненной на уровне изобретения, которая позволила изменить качественные показатели процесса.
Методология и методы исследования.
Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований с использованием классических положений механики. В работе применены основные подходы механики упруговязкого тела, системного анализа и математического моделирования. При экспериментальных исследованиях применялись общепринятые поверенные приборы. Моделирование процесса взаимодействия инструмента с материалом проводили в компьютерных программах: NeuroShell 2, Kompas3D. Обработка результатов, полученных данных производилась в программах Excel и Mathcad.
Положения, выносимые на защиту:
Взаимосвязь режимов работы измельчающей машины с физико-механическими и технологическими свойствами растительного сырья, обрабатываемых резанием с помощью лезвия. Реологическая модель для описания процесса резания цитрусовых плодов.
Результаты исследований, выявившие соотношения, позволяющие на основании свойств измельчаемого продукта, а также конструктивных параметров машины для измельчения, найти основные геометрические параметры рабочего органа.
Результаты экспериментальных исследований конструируемого аппарата для измельчения цитрусовых плодов, доказывающие правомерность принятых при разработке моделей допущений.
Рациональные параметры измельчения, позволяющие определить влияние конструктивных и технологических параметров на характеристики процесса измельчения. Лимитирующие факторы, оказывающие наибольшее влияние на результат процесса измельчения.
Достоверность результатов исследования. Предложенное техническое решение защищено охранным документом ФИПС "Устройство для резки на части плодов и овощей" (Патент РФ № 138201от 12.06.2013), "Устройство для измельчения фруктов и овощей" (Патент РФ №131996 от 10.09.13).
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненные автором, представлены в докладах на тринадцати Международных и Всероссийских научных конференциях: победитель 6 Международной научно-технической конференции «Низкотемпературные и пищевые технологии в 21»;
Всероссийский конгресс молодых ученых. НИУ ИТМО - 2014-2016; 6-ая Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» - 2013, г. Бийск, 22.05.13-22.05.13; Международная выставка изобретений и инноваций (бронзовая медаль) Воронеж - 2016, 26.05.2016- 26.05.2016; Победитель конкурса 2014 на "Лучшую научно-исследовательскую выпускную квалификационную работу магистров Университета ИТМО"; Победитель конкурса грантов студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга 2015, 2017 г.
Публикации: Опубликовано 32 научные работы по материалам диссертации, в их числе 4 работ, входящих в перечень ВАК РФ, а также получено 3 патента на полезную модель РФ.
Структура и объем работы. Работа выполнена на 131 печатном листе и состоит из введения, 4 глав, списка литературы из 127 источников, включая 28 иностранных и приложения, содержит 19 таблиц и 57 иллюстраций и приложения.