close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка технологии и технических средств механической и тепловой обработки плодоовощного сырья

код для вставкиСкачать
1
На правах рукописи
Лебедь Никита Игоревич
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
МЕХАНИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТКИ
ПЛОДООВОЩНОГО СЫРЬЯ
Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации
сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Мичуринск-Наукоград РФ, 2018
2
Работа выполнена на кафедре «Перерабатывающие технологии и продовольственная безопасность» в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Волгоградский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ).
Научный консультант:
Антонов Николай Михайлович,
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Алешкин Алексей Владимирович,
доктор технических наук, профессор / ФГБНУ
ФАНЦ Северо-Востока имени
Н.В. Рудницкого, ВРИО директора
Курочкин Анатолий Алексеевич,
доктор технических наук, профессор /ФГБОУ
ВО «Пензенский государственный технологический университет», кафедра «Пищевые
производства», профессор
Рудик Феликс Яковлевич,
доктор технических наук, профессор/ ФГБОУ
ВО «Саратовский государственный аграрный
университет имени Н.И. Вавилова», кафедра
«Технологии продуктов питания», профессор
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Оренбургский государственный
университет», г. Оренбург.
Защита диссертации состоится «29» июня 2018 г. в 14-00 часов на заседании
объединенного диссертационного совета Д 999.179.03, созданного на базе
ФГБОУ ВО «Мичуринский государственный аграрный университет», ФГБОУ
ВО Тамбовский государственный технический университет, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве» по адресу: 393760, Тамбовская область, г.
Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корпус 1, зал заседаний диссертационных советов, тел./факс (47545) 9-44-12, E-mail: dissov@mgau.ru.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ
ВО МичГАУ и на сайте www.mgau.ru, с авторефератом – на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, с указанием индекса, почтового адреса, телефона, электронной почты и
сайта организации, фамилии, имени, отчества лица, подготовившего отзыв,
просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан «____» _________ 2018 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент
Н.В. Михеев
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Продовольственная безопасность России напрямую связана с уровнем развития сфер и отраслей агропромышленного комплекса: сферы производства промышленных средств для сельского хозяйства, технологий сельского хозяйства и отрасли промышленной переработки, а также
сбыту сельхозсырья и продовольствия. Поэтому неслучайно была принята правительством Российской Федерации и признана приоритетной Государственная
программа развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы.
Наиболее значимыми факторами, оказывающими важнейшее влияние на
отрасль перерабатывающей промышленности, в частности производства продуктов из плодов и овощей, является эффективность применяемых технологий
в совокупности с техническими средствами для их реализации.
При хранении картофеля потери урожая составляет от 20 до 30 %. Транспортировке свежих плодов и овощей с минимальными потерями в отдаленные
регионы страны препятствуют значительные расстояния и плохое качество дорожной сети. В России и за ее рубежом массовое распространение приобрели
продукты, которые употребляют между основными приёмами пищи - «снэки».
В эту группу входят и «чипсы». Комплексная переработка 1 миллиона тонн
картофеля на пищевые продукты с минимальным количеством отходов позволяет уменьшить потери его при хранении на 83 тысячи тонн.
Помимо этого, снижение массовой доли вредных веществ в продуктах
питания, в частности жиров в обжаренной продукции, существенно повышает
пищевую ценность и способствует решению проблемы рационального питания
населения страны. Также решение поставленной проблемы осуществимо расширением ассортимента продуктов на основе нетрадиционного сырья с повышенным содержанием функциональных ингредиентов, что позволит вовлечь в
правильное питание большую часть населения. В связи с этим разработка новой
технологии производства чипсов из яблок и картофеля, обжаренных в масле,
является актуальной.
Переработка картофеля и яблок является многоуровневой системой, характеризующейся взаимосвязью всех звеньев между собой. Поэтому разработка
технологии и технических средств механической и тепловой обработки растительного сырья является комплексным решением проблемы повышения эффективности переработки плодов и овощей путем снижения содержания вредных
ингредиентов в готовой продукции быстрого питания за счет совершенствования технологического процесса, а также минимизации энергетических затрат
применяемого оборудования.
На решение этой проблемы и направлены научные исследования данной
диссертационной работы, которые выполнялись в рамках государственной поддержки Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научнотехнической сфере (Фонда содействия инновациям): (государственный контракт № №8708р/13143, 16804, 11339р/20530) и тематическому плану научных
4
исследований ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный агарный университет».
Степень разработанности темы.
Значительный вклад в систематизацию, а также обоснование устройств и
технологий, реализующих процессы тепловой и механической обработки сельскохозяйственного сырья растительного и животного происхождения, внесен
Курочкиным А.А. Им проведен глубокий анализ средств механизации перерабатывающей промышленности, в результате чего разработан ряд учебников,
описывающих актуальное техническое оснащение и вопросы автоматизации
для подготовки, переработки и получения готовой продукции из сельскохозяйственного сырья. Однако, вопросам процесса обжаривания плодов и овощей, в
частности массобмена материала в жировой среде, уделено недостаточно внимания.
Рудик Ф.Я. и Погосян А.М. провели исследования, направленные на повышение эффективности очистки подсолнечного масла при хранении центробежно-адсорбционным и адсорбционно-ультразвуковым способами. Однако,
разработанные ими устройства центробежной очистки не предназначены для
непрерывной работы в производственных условиях, являясь машинами циклического действия. Кроме этого, высокая металлоёмкость конструкции и цикл
работы ограничивает их применение в качестве отдельной функциональной части устройства для обжаривания плодоовощной продукции. Следует отметить
высокую эффективность разработанных авторами устройств за счет комбинированной системы очистки.
Процессу резания корнеклубнеплодов на ломтики посвящены работы
Алешкина А.В, Савиных П.А., Булатова С.Ю. Разработанные ими измельчители снабжены режущими аппаратами дискового типа, которые имеют ряд недостатков, а именно скольжение материала по поверхности дисков, увеличивающее энергозатраты процесса измельчения, а также низкую однородность гранулометрического состава готовой продукции.
Повышению эффективности технологического процесса и технических
средств резания яблок посвящены исследования С.А. Арнаута, З.В. Ловкиса,
В.В. Якимцова и др. Однако, разработанные ими серия резательных машин
дискового типа имеет ряд недостатков, выраженных в некоторых низких технических характеристиках.
Исследования Ведищева С.М. и Брусенкова А.В. и др., посвященные оптимизации процесса резания корнеклубнеплодов на ломтики, позволили разработать измельчитель, имеющий камеру с радиально расположенными ножами,
через которые рабочий орган путем проталкивания обрабатываемого продукта
реализует технологическую операцию резания. Однако, устройство обладает
рядом недостатков, в том числе отсутствием жесткой фиксации материала в
зоне резания, что приводит к получению продукции низкого качества неоднородной по толщине.
Исследования профессора Антонова Н.М., посвященные созданию энергоресурсоберегающих измельчителей корнеклубнеплодов, положили начало
5
научной школе, целью исследований которой стало разработка и обоснование
высокоэффективных устройств для переработки плодов и корнеклубнеплодов с
пониженными удельными энергозатратами.
Совершенствованию технологического процесса обжаривания клубней
картофеля посвящены работы Барановой Р.В., Климова В.В., Шарова Н.А. Однако, предлагаемые ими устройства имеют ряд недостатков, заключающиеся в
получении готовой продукции с неравномерным содержанием остаточной
влажности, а также повышенным расходом растительного масла при осуществлении технологического процесса.
Масштабный обзор исследований по переработке клубней картофеля, в
том числе зарубежных, проведен российскими учеными Серповой О.С. и Борченковой Л.А. Как видно из обзора, средства механизации для измельчения и
обжаривания, а также режимные параметры технологических процессов нуждаются в дальнейших исследованиях.
Однако известные теоретические и экспериментальные исследования недостаточно учитывают возможности и перспективы ресурсосберегающих технологий переработки клубней картофеля и яблок, их изучение нуждается в дополнительных исследованиях, а именно – моделирования динамики движения и
взаимодействия плодоовощного сырья с рабочими органами измельчителей и
устройств для обжаривания с подбором оптимальных режимноконструктивных параметров.
Цель работы - повышение эффективности измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья для получения продуктов быстрого питания.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи исследования:
1.
С учетом обзора литературных источников, а также существующих и
перспективных технологий, технических средств их реализации разработать и
обосновать технологии измельчения и последующей тепловой обработки ломтиков яблок и клубней картофеля в растительном масле;
2.
Уточнить физико-механические свойства исследуемого сырья: яблок и
клубней картофеля, требуемых для обоснования конструктивных и технологических режимов работы предлагаемых технических средств;
3.
Разработать конструктивные схемы технических средств измельчения
плодоовощного сырья, устройства для обжаривания клубней картофеля и ломтиков яблок;
4.
Провести теоретическое обоснование процессов измельчения и тепловой
обработки плодоовощного сырья с использованием предлагаемых технологии и
технических средств;
5.
Провести экспериментальные исследования технологических процессов
измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья предлагаемыми техническими средствами;
6.
Провести производственную проверку разработанных устройств и рассчитать технико-экономическую эффективность их использования.
6
Объект исследования – технологические процессы измельчения резанием на ломтики яблок и клубней картофеля с последующим обжариванием в
растительном масле и технические средства для их осуществления.
Предмет исследования – закономерности технологических процессов
измельчения резанием на ломтики и тепловой обработки яблок и клубней картофеля и технических средств их реализации.
Научная новизна результатов исследований:
– схема структуризации и декомпозиции проблематики повышения эффективности обработки плодоовощного сырья на основе структурированной
совокупности целей;
– уточненные физико-механические свойства клубней картофеля Импала,
Ред Скарлетт, а также яблок Антоновка обыкновенная, Джонатан, выращиваемых условиях Волгоградской области;
– энергоэффективные процессы и технологические схемы измельчителей
и устройств для тепловой обработки плодоовощного сырья в растительном
масле;
– математическая модель процесса резания плодоовощного сырья ломтиковым измельчителем с зигзагообразной ножевой стенкой, реализованная в
программном обеспечении;
– математическая модель, описывающая динамические режимы движения
клубней картофеля или яблок в направляющей трубе ротора измельчителя плодоовощного сырья, реализованная в программном обеспечении;
– математическая модель, описывающая переход ломтика различной
плотности с загрузочного на выгрузной транспортер обжарочного устройства
путем всплытия в вязкой жидкости высокой температуры, реализованная в программном обеспечении;
– разработаны, на основе экспериментальных исследований, математические модели работы измельчителей плодовоовощного сырья, а также обжарочных устройств, позволяющие оптимизировать их технологические и конструктивно-режимные параметры.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая
значимость заключается в разработке теории измельчения с учетом минимального соковыделения, сохранения формы продукта и снижения энергоемкости
процесса, алгоритмов расчета с программным обеспечением (свид. о рег. прог
ЭВМ №2016660285, 2016660425), позволяющих качественно оценивать динамическое состояние обрабатываемого плодовоовощного сырья, с возможностью
анализировать работу предлагаемых измельчителей и обжарочных устройств с
рациональными конструктивными параметрами и режимами работы.
Практическая значимость заключается в разработке рациональных технологических режимов процессов измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья, а также средств их реализации – измельчителей плодоовощного
сырья (патенты №2369083 РФ, 102175 РФ, 113636РФ, 129845 РФ, 152461 РФ,
163146 РФ) и устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля (патент №163538), позволяющих получать продукцию высокого качества.
7
Кроме этого практическую значимость несет разработанный способ получения
снеков с пониженным содержанием масла.
Методика исследований. Теоретические исследования проводились на
основе теории резания сельскохозяйственного сырья, теории тепломассопереноса, методов теоретической механики, физики, прикладной математики, математической статистики, теории планирования эксперимента. При проведении
экспериментальных исследований применялись общеизвестные методики и
разработанные на их основе – частные. Лабораторные и производственные исследования проводились с использованием современных электронных и механических установок и приборов: санитарно-пищевой экспресс-лаборатории
СПЭЛ, мини-лаборатории Экотест-120-ИП, АЦП/ЦАП E14-140-M и др. и др.
Обоснование полученных данных экспериментальных исследований производилось посредством компьютерных программ Microsoft Excel 2010,
MathCAD, Power Graph, КОМПАС-3D V13
Основные положения, выносимые на защиту:
– технологические и технические решения по разработке измельчителей
яблок и клубней картофеля с последующим их обжариванием в растительном
масле;
– математические модели, описывающие процессы работы ломтикового и
роторного измельчителей плодоовощного сырья, а также обжарочного устройства, позволяющих оптимизировать их конструктивно-режимные параметры;
– аналитическая модель и программное обеспечение, позволяющие проводить математическое моделирование движения материала (яблок или клубней картофеля) в трубе роторного измельчителя;
– математическая модель и программное обеспечение, позволяющие проводить моделирование всплытия ломтика различной плотности в вязкой жидкости высокой температуры;
– результаты экспериментальных исследований разработанного оборудования;
– оценка технико-экономических характеристик предлагаемых технологии и технических средств.
Степень достоверности и апробация работы подтверждается достаточным количеством выполненных экспериментов, использованием современных
общепринятых методик исследований, ГОСТов, приборов и оборудования,
схождением результатов, полученных теоретическими и экспериментальными
исследованиями, совпадением части полученных результатов с данными других
исследователей по соответствующей тематике, внедрением полученных результатов в производство, выступлениями с докладами на международных конференциях с результатами исследований, одобрением и публикацией материалов в
ведущих журналах
Основные результаты исследований диссертационной работы доложены,
обсуждены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО
«Волгоградский ГАУ» (2008-2018 г.г.), региональных конференциях молодых
исследователей Волгоградской области (2008-2012 г.г.), программе
8
«У.М.Н.И.К» (государственный контракт №8708р/13143, государственный контракт №16804, государственный контракт №8899ГУ/2015), «У.М.Н.И.К. на
СТАРТ» (государственный контракт №11339р/20530), Ежегодном Областном
конкурсе инновационных проектов, конкурсе «Молодой инноватор Волгоградской области – 2012», Всероссийской выставке «Золотая Осень 2010», «Золотая
Осень 2014» и др. Основные публикации диссертации опубликованы в 70 печатных работах, в т.ч. монографии, общим объемом 15,62 п. л. (9,47 п.л. принадлежит автору), тринадцать из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ,
получен один патент на изобретение и 13 патентов на полезную модель 2 свидетельства о государственной регистрации программ ЭВМ. Кроме того автором опубликованы в соавторстве две статьи в зарубежном журнале США, входящим в базу SCOPUS и Web of science.
Личный вклад автора состоит в обосновании проблемы, разработке
теоретических проблем исследований, получении результатов экспериментов,
участии в конференциях различного уровня для апробации диссертационной
работы, разработке установок для проведения экспериментов: ломтикового
(Пат. 134471) и роторного измельчителей плодоовощного сырья (Пат. 163146),
испытательного стенда для измерения составляющих сил резания плодоовощной продукции (Пат. 127986), устройства для обжаривания ломтиков яблок и
клубней картофеля (Пат. 163538), публикации результатов исследований, обеспечивающих эффективность отрасли.
Соответствие паспорту специальности. Диссертационные исследования
соответствуют паспорту специальности 05.20.01 «Технологии и средства механизации сельского хозяйства», п. 8 «Разработка технологий и технических
средств для обработки продуктов, отходов и сырья в сельскохозяйственном
производстве», и п. 9 Положения о присуждении ученых степеней.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Объем диссертации составляет 250 страниц основного текста, содержит 140 рисунков, 38 таблиц, список литературы из 234 наименований, из них 5 на иностранных языках
и 9 приложений.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы и представлена общая характеристика работы.
В первой главе «Состояние проблемы. Цели и задачи исследования»
выделены виды механической и тепловой обработки пищевых материалов, ресурсосберегающие технологии переработки плодоовощного сырья, отмечено
перспективное использование обжаривания ломтиков яблок по технологическим принципам «хрустящего картофеля».
Уточнены классификации технических средств измельчения и обжаривания плодоовощного сырья, а также существующих технологий чипсов и перспективных операций получений хрустящего картофеля с пониженным содержанием масла (рис. 1).
9
а
б
а – классификация существующих технологий чипсов, б – перспективные операции получения хрустящего картофеля с пониженным содержанием масла
Рисунок 1 – Классификация существующих технологий чипсов и перспективных
операций получений хрустящего картофеля с пониженным содержанием масла
Общим недостатками измельчителей плодоовощного сырья являются высокие энергозатраты с ограниченной производительностью, а также разрушение структуры обрабатываемого продукта, а вследствие этого значительное соковыделение.
Недостатками обжарочных устройств является высокая травмируемость
ломтиков при перемещении в толще масла, а также повышенный расход масла
с высокой степенью окисляемости.
Недостатком существующих технологий производства чипсов является
пониженная пищевая ценность готовой продукции, выражаемая повышенным
содержанием в них масла. В следствии этого имеет место повышенный расход
масла на изготовление единицы продукции, что в совокупности с необходимостью замены окислившейся рабочей среды (масла), значительно увеличивает
производственные затраты. Перспективные способы производства чипсов в
некоторой степени позволяют снизить указанные недостатки, однако, многоуровневая обработка сырья в случае таких технологий значительно удорожают
производство.
На основе проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследований.
Во второй главе «Физико-механические и технологические показатели яблок и клубней картофеля» представлены результаты исследований и дан
их анализ. Для проведения исследований использованы районированные в
Нижнем Поволжье сорта яблок и картофеля, а именно картофель сортов Импала, Ред Скарлетт, имеющих низкое количество редуцирующих сахаров, подходящий для производства «хрустящего картофеля»; сорта яблок Антоновка
обыкновенная, Джонатан, Ренет Симиренко, подходящие по своим физикохимическим показателям для консервирования методом сушки, а также для
обезвоживания обжариванием в среде растительного масла.
10
Проведен углубленный анализ прочностных свойств клубня картофеля, в
результате которого внутренняя структура клубня поделена на несколько зон,
отличающихся прочностными свойствами, обусловленных видами тканей, клеток, наличием различных клеточных включений и т.д.
По результатам проведенных опытов размеры зон структуры клубня картофеля составили: S1=10 %; S2=29 %; S3=19 %; S4=38 %; S5=4 % для сортов картофеля Импала и Ред Скарлетт (рис. 2).
Оба изучаемых сорта показали подобную закономерность снижения усилия рабочего органа при движении от перидермы к сердцевине, вызванную
уменьшением толщины клеточных оболочек и увеличением количества межклеточного сока, снижающего трения (табл. 1).
Слой
клубня
картофеля
S1
S2
S4
S5
Максимальное
усилие на разрезание, Н
Ред
ИмпаСкарлет ла
19,54
5,04
8,05
7,89
20, 54
6,41
5,95
3,12
В третьей главе «Теоретические исследования процессов измельчения и тепловой обработки плодоовощного сырья» предлагается технологическая схема ресурсосберегающей малоотходной переработки яблок и картофеля на корм скоту, пищевые продукты и технические цели. Представленный анализ операций линии свидетельствует о том, что наиболее затратные и энергоемкие операции измельчения плодоовощного сырья на ломтики и тепловой обработки требуют дальнейшего совершенствования.
Теоретические исследования процессов измельчения яблок и клубней картофеля на ломтики
Для снижения энергетических затрат операции резания яблок и клубней
картофеля на ломтики нами предлагается измельчитель (рис. 3).
Измельчитель работает следующим образом. Обрабатываемый материал через загрузочную горловину 4 поступает в камеру измельчения 3. Посредством передачи крутящего момента приводным валом 8 от мотора-редуктора 7 на кривошип 9, через шатун 11 ножевая стенка 12 перемещается по направляющим (на ри-
11
сунке не показаны) внутри корпуса 2 навстречу неподвижному противорежущему
подпору 18. Плодоовощной материал проникает сквозь ножевую стенку 12, измельчаясь на ломтики необходимой толщины, удаляется через выгрузное окно 5 в
выгрузную емкость 6. При этом выступы противорежущего подпора 18 входят во
впадины ножевой стенки, что приводит к полному измельчению всего материала,
находящегося в камере измельчения 3 и повышению производительности.
а
б
в
г
д
а – ломтиковый измельчитель плодовоовощного сырья, общий вид; б – ломтиковый измельчитель плодовоовощного сырья, вид сверху, в – ножевая стенка, вид сбоку, г – ножевая
стенка, вид сверху А-А, д – ножевая стенка, вид снизу Б-Б
1 – станина, 2 – корпус, 3 – камера измельчения, 4 – загрузочная горловина, 5 – выгрузное
окно, 6 – выгрузная емкость, 7 – мотор-редуктор, 8 – приводной вал, 9 – кривошип, 10 – регулировочная гайка, 11 – шатун, 12 – ножевая стенка, 13 – ножи, 14 – верхняя пластина, 15 –
нижняя пластина, 16 – центральные ножевые блоки, 17 – боковые ножевые блоки,
18 – противорежущий подпор
Рисунок 3 – Ломтиковый измельчитель плодовоовощного сырья
Для снижения энергоемкости процесса резания нами разработана конструкция зигзагообразной ножевой стенки с развернутым расположением ножей, способствующим снижению тангенциальной составляющей скорости резания и рав-
12
номерному распределению усилий на верхнюю и нижнюю пластину ножевой
стенки.
Усилие со стороны привода измельчителя (рис. 4):
 = ∑ ,
(1)
где Px – сила, приложенная со стороны привода установки, Н; Pi,x – силы
взаимодействия плода с блоком ножей, Н.
1 – неподвижный рабочий орган; 2 – подвижный рабочий орган; 3 – разрезаемые плоды или
клубни; через Pi,x условно показаны продольные составляющие сил взаимодействия рабочего
органа с разрезаемым материалом
Рисунок 4 – Схема определения силы, действующей на привод ломтикового измельчителя
плодоовощного сырья
Полагая, что при продавливании материала сквозь блок ножей (рис. 5а),
центр плода или клубня проходит по середине между частями блока, можно
считать, что каждый i-й нож отрезает ломтик радиусом

 = �2 − ( − )2
(2)
2
где D – расстояние между осевыми линиями лезвий соседних ножей, м,
нумерация ножей идёт от центра к краям как в одну, так и в другую сторону (на
рисунке 5а условно показаны 3 ножа с правой стороны).
а
б
а – схема разрезания плода на ломтики. Цифрами 1, 2, 3 обозначены ножи, пунктирные линии
– срезы; б – Схема определения длины реза
Рисунок 5 – Схема резания плода или клубня зигзагообразной ножевой стенкой
Глубина внедрения лезвия bi в i сечении (рис. 5б) определяется
выражением:
13
 =  − ( − ) cos 
длина реза по режущей кромке имеет вид:
(3)

 = 2�2 − ( − )2  2 
(4)
 = 2�2 − (( − ) cos  + )2
(5)
а по тыльной стороне ножа:
где H – ширина ножа, м.
Расстояние вдоль оси x между точками Ai и Ai+1 определяет сдвиг ножей и
обозначается через Δ. Если ∆≥ /, то ножи не перекрывают друг друга
(рис. 6а) и практически не оказывают взаимного влияния на процесс резания – в
каждый момент времени отрезаемый ломтик взаимодействует только с одним
ножом. Однако такое расположение значительно увеличивает глубину блока
ножей, что не всегда допустимо.
а – перекрытие ножей отсутствует, б –
перекрытие имеет место
Рисунок 6 – Схема сдвига ножей
При
∆< /,
существуют зоны перекрытия
ножей (рис. 6 б), в которых
ломтик
испытывает
пропорциональное увеличение
деформации, что приводит к
соответствующему увеличению
сил сжатия и трения.
На рисунке 7 приведена расчётная схема определения сил, действующих
на остриё и фаски лезвия со стороны
разрезаемого плода или клубня.
Рисунок 7 – Расчётная схема сил, действующих на лезвие
Силы сжатия под правой и левой фасками:
14
 2
ℎ 
2 

ж, = ℎ2 
(6)
2
где E – модуль упругости материала плода, Па; hr, hl – высота правой и левой
фасок соответственно, мм.
ж, =
Целесообразно рассматривать отдельно силу обжатия, действующую на
ф
п
фаску лезвия обж , и силу обжатия, действующую на полотно лезвия обж
.

ф
обж, =  ℎ2 
2
 2
ф
обж, =  ℎ 
(7)
2
где μ – коэффициент Пуассона.
Нормальные реакции правой и левой фасок лезвия определяются
соответствующими суммами проекций сил сжатия и обжатия на направления
нормалей к фаскам:
ф
 = сж, sin  + обж, cos 
ф
 = сж, sin  + обж, cos 
(8)
Произведение нормальных реакций на коэффициент трения f плода или
клубня о поверхность лезвия получаются соответствующие силы трения
 =  cos 
(9)
 =  cos 

Силы обжатия, действующие на полотно лезвия обж , меняются в
зависимости от глубины проникновения плода в блок ножей. Тогда силы
обжатия справа и слева будут определяться выражениями:


=   ( − ℎ )
обж,


 
обж, =  ( − ℎ )
(10)

где d – толщина ножа, мм.
Соответственно, силы трения по граням:

 = обж,

 = обж,
(11)
Интеграл от суммарной силы по пути движения плода или клубня
определяет механическую работу, затрачиваемую на его резание:

 = ∫   
(12)

Различные составляющие силы вносят разный вклад в суммарную силу.
На рисунке 8 показаны зависимости сил взаимодействия яблока с блоком ножей для следующих параметров измельчителя, которые можно принять за базовые: Δ= 10 мм, θ= 120°, d = 1,00 мм, H=10 мм.
15
1 – суммарная сила, 2 – сила
трения по полотну ножа, 3 –
сила резания, 4 – сила сжатия
ножа, 5 – сила трения по фаске ножа
Рисунок 8 – Изменения
суммарной и составляющих
сил резания в процессе
взаимодействия материала с
блоком ножей
В значительном диапазоне параметров основной вклад в суммарную силу
вносит сила трения по полотну ножей. С увеличением сдвига ножей значения усилий
значительно уменьшаются (рис. 9). Одновременно с этим, сдвиг ножей приводит к
увеличению размеров ножевого блока и к увеличению пути, при движении по
которому плод взаимодействует с лезвиями ножей.
1 – Δ= 5 мм, 2 – Δ= 7
мм, 3 – Δ= 10 мм
Рисунок 9 – Изменение
усилия резания при
различных значениях
сдвига ножей
При достаточно больших значениях сдвига ножей ∆ (10…15 мм) каждый нож
выполняет рез независимо от других, в результате усилие растёт при увеличении угла
защемления (рис. 10), что объясняется влиянием кинетической трансформации
заточки лезвий на силы резания и трения по фаскам. Однако при уменьшении сдвига
ножей ∆ (<10) начинают превалировать силы трения по лезвиям из-за того, что в
блоке ножей ломтики плодов зажимаются между соседними ножами.
1 – Δ= 5 мм, 2 – Δ= 10 мм, 3 – Δ= 15 мм
Рисунок 10 – Зависимость усилия (силы трения продукта по полотну ножей) от угла
защемления для различных значений величины сдвига ножей
Конструктивная особенность роторного измельчителя плодоовощного сырья
(патент №152461РФ) заключается в технической особенности измельчителя, осуществляющего подачу обрабатываемого материала ротором на радиально расположенные ножи. Положительным эффектом от применения измельчителя является пониженная энергоемкость процесса, а также минимальное разрушение структуры обрабатываемого сырья.
16
На рисунке 11а изображен роторный измельчитель плодоовощного сырья, общий вид, на рисунке 11б – роторный измельчитель плодоовощного сырья, разрез А-А,
на рисунке 11в – схема расположения ножей ножевого корпуса, вид А.
а
б
а – роторный измельчитель плодоовощного сырья, общий вид; б –
роторный измельчитель плодоовощного сырья, разрез А-А
1 – опоры, 2 – цилиндрический корпус, 3 – загрузочный бункер, 4 –
вибратор-встряхиватель, 5 – дозатор барабанного типа, 6 – нижняя
горловина, 7 – перекидной клапан, 8 – центробежный ротор, 9 –
направляющие трубы, 10 – электродвигатель, 11 - ножевой корпус,
12 – ножи, 13 – верхний диск, 14 – нижний диск, 15 – стяжные болты, 16 – отражатели, 17 – защитный кожух, 18 – емкость для сбора,
19 – выгрузные отверстия.
в – схема расположения ножей ножевого корпуса, вид А.
1 – ножи первого ряда, 2 – ножи второго ряда
Рисунок 11 – Роторный измельчитель плодоовощного сырья
Устройство работает следующим образом. Перед загрузкой материала запускали электродвигатель 10 устройства, чтобы задать центробежному ротору 8
необходимую частоту вращения. Обрабатываемый материал через загрузочный
бункер 3 и дозатор барабанного типа 5 поступал в центробежный ротор 8. Посредством передачи крутящего момента валом электродвигателя 10 центробежный ротор 8 равномерно распределял плодоовощной материал по трем направляющим трубам 9. В результате центробежной силы материал удалялся в
направлении дугообразных ножей 12 ножевого корпуса 11 с линейной скоростью, необходимой для полного разрезания. При этом плодоовощной материал
проникал сквозь дугообразные ножи 12, измельчался на ломтики необходимой
толщины и далее через отражатели 16 и выгрузное отверстие 19 поступал в емкость для сбора измельченного материала 18.
Клубень или плод представляет собой твёрдое тело массой m, совершающее движение внутри трубы длиной l, которая в свою очередь вращается в горизонтальной плоскости с постоянной угловой скоростью ω. (рис. 12).
17
а) вид сверху; б) вид с конца оси x
Рисунок 12 – Расчётная схема движения
клубня картофеля или яблока в роторном
измельчителе плодоовощного сырья
Введём подвижную систему
отсчёта Oxyz, связанную с вращающейся трубой, ось x совместим с
продольной осью трубы, ось z – с
осью вращения трубы, ось y направим так, чтобы получилась прямоугольная правоориентированная декартова система координат. Промежуточные выражения получения динамической модели движения тела в трубе роторного измельчителя подробно описаны в 3 главе диссертационной работы, после
ряда преобразований в автореферате представлено конечное решение. В результате моделирования движения тела в трубе роторного измельчителя получим:
̈ = 2  − �4 2 ̇ 2 + 2
(13)
где f – эффективный коэффициент трения,  – ускорение свободного падения,
м/с2.
Одним из важных результатов полученной модели является отсутствие
массы в дифференциальном уравнении движения тела (13). Это означает, что
при введённых допущениях масса тела не оказывает влияния на его движение.
На рисунке 13 показан график расчётной зависимости относительной
скорости центра масс тела, движущегося в трубе при следующих исходных
данных: ω = 600 об/мин; f = 0,600; l = 0,400 м; x0 = 0,030 м; ̇ = 0 м/с.
Рисунок 13 –Изменение
скорости тела (клубня картофеля или яблока) в
направляющей трубе роторного измельчителя
Полагая, что движение тела относительно направляющей трубы роторного измельчителя начинается с нулевой начальной скоростью, можно получить
условие для угловой скорости:

 >  = �

0
(14)
при выполнении которого движение реализуется, а в противном случае движение тела не начинается.
Анализ дифференциального уравнения движения (13) и зависимости,
приведённой на рисунке 13, показывает, что скорость быстро растёт при дви-
18
жении клубня, первое слагаемое в подкоренном выражении значительно превышает второе в течение почти всего времени движения, следовательно, вторым слагаемым в ряде случаев можно пренебречь. Тогда уравнение (13) после
преобразований принимает вид:
̈ + 2̇ − 2  = 0
(15)
Такое уравнение имеет аналитическое решение, для нахождения которого
определяются корни характеристического уравнения:
 2 + 2 − 2 = 0
(16)
Подробное решение уравнения (16) представлено в 3 главе диссертационной работы, после ряда преобразований в автореферате представлено конечное
решение.
Окончательно, уравнение движения тела в направляющей трубе роторного измельчителя плодоовощной продукции имеет вид:
 ̇ − 
 ̇ − 
 = �0 − 0 0 1�  1 + 0 0 1  2
(17)
2 −1
2 −1
А закон изменения скорости тела выражается уравнением:
 ̇ − 
 ̇ − 
̇ = �0 − 0 0 1� 1 1 + 0 0 1 2 2
2 −1
2 −1
(18)
В зависимости от параметров измельчителя решения точного уравнения
(13) и упрощённого уравнения (15) могут различаться в широких пределах.
Разница возрастает при уменьшении угловой скорости вращения роторного измельчителя и увеличении эффективного коэффициента трения. На рисунке 14
показаны зависимости скорости движения тела, определённые для параметров:
ω = 200 об/мин; f = 0,600; l = 0,400 м; x0 = 0,030 м; 0̇ = 0 м/с.
1 – решение точного уравнения движения, 2 – решение упрощенного уравнения движения
Рисунок 14 – Изменение
скорости тела
в направляющей трубе роторного измельчителя
При достаточно больших скоростях вращения измельчителя (более 300
об/мин) или при достаточно малых коэффициентах трения (0,2 или менее) относительная погрешность при использовании приближённого расчёта снижается до 5 % или ниже, что позволяет использовать разработанную упрощённую
методику.
Угол, под которым следует располагать ножи измельчителя, определяется
как угол между вектором абсолютной скорости и осью x (рис. 15) – угол атаки
ножей α:

 = 

 = 
(19)
 = ̇
19
а – определение угла между вектором абсолютной скорости и осью x,
б –схема к определению угла α
1 – направляющая труба, 2 – материал, 3 –
нож (согласно положению угла атаки α˃0°),
4 – нож, (согласно положению угла атаки
α=0°)
Рисунок 15 – Схема к определению угла расположения ножей
Зависимости угла α от длины трубы (координаты x при движении тела
внутри трубы) показаны на рисунках 16 и 17.
1 – f = 0,5; 2 – f = 0,3; 3 – f = 0,1.
Рисунок 16 – Зависимости угла атаки ножей от длины направляющей трубы роторного измельчителя при угловой скорости вращения 200 мин-1 для различных коэффициентов трения
f
1 – ω = 100 мин-1; 2 – ω = 200 мин-1; 3 – ω = 300 мин-1
Рисунок 17 – Зависимости угла атаки ножей от длины направляющей трубы роторного
измельчителя плодоовощного сырья при коэффициенте трения f = 0,3
для различных угловых скоростей ω
Как видно, при достаточной длине трубы угол стремится к некоторому
постоянному значению. Угловая скорость вращения направляющей трубы не
оказывает значительного влияния на этот угол (рис. 17). Влияние коэффициента
трения значительно (рис. 16). Однако с практической точки зрения, это влияние
сравнительно не велико: так варьирование коэффициента трения от 0,1 до 0,5
приводит к диапазону изменения угла примерно 48…58°.
Теоретические исследования процессов тепловой обработки
ломтиков яблок и клубней картофеля
На основании материалов, изложенных в работах Н.М. Антонова, Е.И.
Макевниной, О.С. Серповой, Л.А. Борченковой, H.A. Фалендыша, H.H. Левченко, В.Н. Ковбаса, В.А.Терлецкая, а также A. Pandey, R. Moreira, Боуз Джона
Ричарда, Бурнхам Колина Джеффри, Новиковой Г.В., Рудика Ф.Я. которые занимались вопросами тепловой обработки материалов в жировой среде, в том
числе обжарке клубней картофеля и яблок в растительном масле, нами отмечены серийно выпускаемые и перспективные обжарочные устройства конвейерного типа, в результате анализа которых была предложена новая конструктивная схема устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля.
20
Устройство (патент РФ №163538) относится к сельскому хозяйству,
предназначено для обжаривания сельскохозяйственной продукции, в частности
плодов и овощей, может быть использовано в индивидуальных фермерских и
крестьянских хозяйствах, а также в пищевой промышленности и общественном
питании (рис. 18).
Устройство работает следующим образом. Продукт перемещается нижней ветвью загрузочного транспортера. Исходный материал через парубок 4 и нижнюю ветвь
загрузочного ленточного транспортера 2 скребками 16 в перфорированном корпусе 17
подается в емкость 10 с нагретой до определенной температуры жировой средой. Далее продукт за счет всплывания перемещается от загрузочного 2 к верхней ветви выгрузного 3 ленточного транспортера до момента захвата его скребками 16 и выгрузки.
Обжаренный продукт через патрубок 5 отправляется на дальнейшую обработку. Излишки масла стекают через отверстия выгрузной части перфорированного корпуса 17
и посредством лотка 8 направляются в емкость 10 с жировой средой.
1 - корпус, 2 - загрузочный транспортер, 3 - выгрузной транспортер, 4,5 - патрубки. 6,7привода, 8- лоток, 9 - теплоизоляционный слой, 10 емкость с жировой средой, 11- электронагреватели,
12 - масляный насос, 13 - всасывающая масляная
магистраль, 14 - гидроциклон, 15 - магистраль очищенного масла, 16 - скребки из жаростойкого и эластичного материала, 17- перфорированный корпус
Рисунок 18 –Устройство для обжаривания
Для снижения травмируемости ломтиков
обрабатываемого материала в межскребковом
пространстве сетчатого транспортера скребки
выполнены подпружиненными с возможностью отклонения под действием спиральной пружины в сторону движения сетчатой ленты траспортера по оси закрепления
пружины.
Масса и объём ломтика меняются в процессе обжарки по некоторым законам с
течением времени:
 = ()
(20)
 = ()
Характерную скорость движения ломтика при всплывании в масле оценим в 0,1
м/с. Гидравлический диаметр ломтика меняется в зависимости от ориентации ломтика в процессе всплытия, порядок изменения этой величины можно оценить от 0,002
до 0,05 м. При преобразовании получаем оценочные значения критерия Рейнольдса
(рис. 19), из анализа которых следует, что в некоторых режимах будет наблюдаться
сила сопротивления движению пропорциональная первой степени скорости движения
ломтика, в других случаях эта сила
сопротивления оказывается пропорциональна квадрату скорости.
1 – DΓ = 0,002 м, 2 – DΓ = 0,01 м, 3 –
DΓ = 0,02 м,
4 – DΓ = 0,03 м, 5 – DΓ = 0,05 м
Рисунок 19 – Критерий Рейнольдса в
зависимости от температуры для различных значений гидравлического
диаметра ломтика
21
В общем случае сила сопротивления движению ломтика в жидкости может быть записана в виде:
2
 = 0
(21)
2
где S – площадь поперечного сечения ломтика; v – скорость движения ломтика
относительно жидкости; C – коэффициент лобового сопротивления, являющийся функцией числа Рейнольдса, зависящий от скорости и формы тела (ломтика):
[]
, при  < 103

=�
(22)
[], при 103 ≤  < 105
[C] — коэффициент, определяемый формой тела, для плоского ломтика равный
1,1.
Тогда дифференциальное уравнение движения ломтика имеет вид:
()̈ = 0 () − () − ̇
(23)
После преобразований:

()
=
0  − 
(24)
̇ +
()
()
Решение представленного уравнения:
() = 
−∫


()
()
� + ∫ () 0  − � 
−∫


()
)
(25)
где C – постоянная интегрирования.
Рассмотрим процесс массопередачи в системе ломтик-рабочая среда
(масло). В первом приближении предлагается описывать процессы выделения
влаги и поглощения масла экспоненциальными зависимостями от времени,
учитывающими тот факт, что процесс обжарки начинается в момент попадания
ломтика в ёмкость с маслом, а попадание ломтика в зону всплытия происходит
позже. Объём пузырьков пара на поверхности ломтика предлагается считать
постоянным, предполагая в зоне всплытия этот процесс установившимся. Тогда:
 (1+)
−
− (1+)
() = 0 (1 − ∆
)
(26)
� + ∆
 �1 − 
 (1 − 


() = 0 (1 − ∆ �1 −  − (1+) � + ∆ �1 −  − (1+) � + 
где m0 – масса ломтика до обжарки; ∆
 – относительное изменение массы лом
тика за счёт испарения влаги; ∆ – относительное изменение массы ломтика за
счёт впитывания масла; V0 – масса ломтика до обжарки; ∆ – относительное изменение объёма ломтика за счёт испарения влаги; ∆ – относительное изменение объёма ломтика за счёт впитывания масла;  – объём пузырьков пара на
единице площади; S – площадь поверхности ломтика;  – промежуток времени
с начала обжарки до попадания ломтика в зону всплытия;  ,  ,  ,  — коэффициенты, зависящие от интенсивности испарения влаги и впитывания масла
и влияющие на соответствующие изменения массы и объёма ломтика. Значения
указанных коэффициентов определяются эмпирически.
22
Примерный вид законов изменения массы приведён на рисунке 20. Кривые 3 и 4 показывают процесс обжарки с предварительной сушкой и начинаются со значений массы, соответствующих подсушенным ломтикам. Уменьшение
массы при жарке при более высокой температуре (кривые 2 и 4) происходит
быстрее, но конечные значения по завершении процесса выходят на одинаковый уровень. Законы изменения массы при обжарке клубней картофеля и яблок
отличаются незначительно.
1 – без предварительной
сушки при температуре
обжарки 150°C; 2 – без
предварительной сушки
при температуре обжарки
180°C; 3 – с предварительной сушкой при температуре обжарки 150°C; 4 – с
предварительной сушкой при температуре обжарки 180°C
Рисунок 20 – Изменение массы ломтика клубня картофеля при обжарке в процентах от первоначальной массы
Законы изменения объёма ломтиков клубней картофеля (рис. 21а) и яблок
(рис. 21б) носят различный характер. Так, для картофеля характерно, что ломтик сначала уменьшается за счёт выпаривания воды, а затем увеличивается, достигая к концу жарки своих первоначальных размеров. В предварительно подсушенном ломтике с самого начала жарки преобладает процесс увеличения
объёма. Для яблока изменение объёма носит только характер уменьшения. При
более высокой температуре указанные процессы протекают быстрее.
а
б
а –ломтики клубней картофеля, б – ломтики яблок
1 – без предварительной сушки при температуре обжарки 150°C; 2 – без предварительной
сушки при температуре обжарки 180°C; 3 – с предварительной сушкой при температуре обжарки 150°C; 4 – с предварительной сушкой при температуре обжарки 180°C
Рисунок 21 – Изменение объёма материала при обжарке в процентах от первоначального объёма
Выражения (26) могут быть преобразованы к виду:



 −
 −

−  − 
( ) = (0 − 0 ∆

− 0 ∆

 + 0 ∆ ) + 0 ∆ 
 








−

−

−

−
 ( ) = (0 − 0 ∆ + 0 ∆ + ) + 0 ∆     − 0 ∆     
(27)
23
После ряда преобразований, подробно представленных в диссертационной работе, законы изменения массы и объёма ломтика приобретают вид:


(28)
( ) =  +   −  −   − 


 ( ) =  +   −  −   − 
И окончательно
̇ +


 
 +  −  −  − 
=


 +  −  −  − 

 
 +  −  −  − 
− 
(29)
Интегрирование этого уравнения в зоне всплытия ломтика приводит к решениям, некоторые примеры которых приведены на рисунке 22.
а
б
а –движение ломтика в зоне всплытия, б – изменение скорости ломтика в зоне всплытия
1 – диаметр ломтика D = 35 мм, 2 – D = 50 мм, 3 – D = 70 мм
Рисунок 22 – Теоретические зависимости движения ломтика в зоне всплытия
Важными факторами, влияющими на динамику всплытия ломтика являются
параметры изменения массы и объёма ломтика, прошедшее от начала обжарки время,
температура обжарки и размеры ломтика. На рисунке 23 показаны зависимости скорости всплытия от диаметра ломтика для различных значений температуры обжарки.
1 – T = 140°С, 2 – T = 160°С, 3 –
T = 180°С
Рисунок 23 – Зависимости скорости всплытия от диаметра
ломтика для различных значений температуры обжарки
Проведённое математическое моделирование,
подтверждённое экспериментальными данными, показывает, что положительные значения скорости
наблюдаются со значительным запасом во всей области определения параметров рассматриваемой системы.
В четвертой главе «Экспериментальные исследования» изложена
программа, методика проведения и результаты экспериментальных исследований.
Для проведения экспериментальных исследований процесса резания плодоовощного сырья были использованы испытательный стенд, ломтиковый и роторный измельчители (рис. 24, 25).
24
а – измельчитель плодоовощного сырья
(общий вид), б – камера измельчения
1 – загрузочная горловина, 2 – редуктор,
3 – станина, 4 – шатун, 5 – ременная передача, 6 – корпус, 7 – ножи, 8 – противорежущий подпор, 9 – кривошип
Рисунок 24 – Ломтиковый
измельчитель плодоовощного сырья
а – роторный измельчитель плодоовощного
сырья (общий вид), б – элемент ножевого корпуса
1 – привод, 2 – станина, 3 – корпус, 4 – направляющая
труба, 5 – балансир, 6 – механизм подачи материала в
направляющую трубу
Рисунок 25 – Роторный измельчитель
плодоовощного сырья
Разработанное устройство для обжаривания (патент № 152461) было использовано при проведении основных исследований обезвоживания ломтиков яблок и клубней картофеля
(рис.26). Корректировка скорости движения транспортеров в
толще растительного масла, а, следовательно, времени обжаривания, осуществляется с помощью регулировки углов наклонов
транспортеров и передаточного числа электропривода. В качестве рабочей среды
для обжаривания использовалось нерафинированное дезодорированное подсолнечное масло.
1 – емкость с рабочей средой, 2 – система рециркуляции и очистки рабочей среды, 3 – приводы сетчатых транспортеров, 4, 5 – загрузочный и выгрузной
сетчатые транспортеры
Рисунок 26– Установка для обжаривания
ломтиков яблок и клубней картофеля
Исследование зигзагообразной ножевой
стенки ломтикового измельчителя плодоовощного сырья были направлены на определение рациональных значений геометрических параметров режущего аппарата для
минимизации затрат энергии.
Для достижения поставленной цели исследовался характер процесса и замерялось максимальное усилие резания плодов яблони при следующих вариантах
расположения ножей для прямого и развернутого расположения ножей (рис. 27).
а – ширина 3 ножа, глубина 2 ножа; б – ширина 5 ножей, глубина 3
ножа; в – ширина 7 ножей, глубина
4 ножа
Рисунок 27 – Варианты резания
при прямом расположении ножей в
зигзагообразной ножевой стенки
Результаты исследований по определению макси-
25
5
4
4,71
4,48
3,18
3
2,91
2,06
2
Удельное усилие резния, кН/м
Удельное усилие наразрезания,
кН/м
мального усилия резания представлены на рисунке 28а.
Установлено, что во всех вариантах резания увеличение геометрических
параметров ширины и глубины зигзага приводит к снижению усилия на 40…51
%, что соответствует следующим значениям усилия резания 2,27...4,18 кН/м
при прямом расположении ножей и 1,9…3,18 кН/м при развернутом.
Кроме этого, развернутое расположение ножей в зигзагообразной ножевой стенки приводит к снижению усилия резания на 16,2…29 % во всех вариантах резания, так при ширине/глубине=3/2 прямое расположение ножей позволяет достичь усилия резания 4,48 кН/м, а при развернутом 3,18 кН/м.
Результаты исследования влияния сдвига ножей по вертикали относительно друг друга на энергетические и качественные показатели резания представлены на рисунке 28б.
В целом, наличие сдвига ножей по вертикали в зигзагообразной ножевой
стенки более 11 мм позволяет снизить суммарное усилие резания на 25…28,7
%, однако, с увеличением значения этого геометрического показателя усилие
не меняется либо уменьшается незначительно, что позволяется сделать вывод о
рациональном значении сдвига в 11…13 мм.
2,27
1,90
1
0
3/2
5/3
7/4
Рядное
Варианты расположение ножей
(ширина/глубина)
Прямое расположение ножей
Развернутое расположение ножей
3
3,08
2,47
2
2,31
1,76
2,31
1,90
1
0
10
11
12
Сдвиг ножей по вертикали, мм
Прямое расположение ножей
Развернутое расположение ножей
а
Угол защемления,
град.
4
б
140
2,4
130
2,2
120
1,9
0
0,5
1
1,5
2
Удельное усилие на разрезание, кН/м
2,5
в
а – результаты исследований влияния взаиморасположения ножей стенки на усилие резания;
б – результаты исследования влияния сдвига ножей по вертикали на усилие резания; в – результаты исследования по определение влияния угла защемления ножами на усилие резания
(при ∆≥11 мм)
Рисунок 28 – Результаты исследований энергетических показателей
ломтикового измельчителя плодоовощного сырья
Для проведения исследований влияния угла защемления на процесс резания фиксировалось максимальное усилие на различных вариантах расположе-
26
ния ножей в центральном и боковом сегменте ножевой стенки, где развернутое
положение образовывало угол защемления. Предварительные исследования
позволили определить наиболее близкие к рациональному значения углов защемления ножами, а именно 120, 130, 140° (рис. 28в), соответствующим углам
резания со скольжением 30, 25, 20°, образованные развернутым расположением
ножей в центральном и боковым сегментах ножевой стенки.
Установлено, что уменьшение угла защемления снижает усилие резания.
Как видно из рисунка 28в, применение угла защемления размером 120° позволяет понизить усилие резания на 13,6…20,8 %. Такой эффект обусловлен
уменьшением сил трения за счет снижения площади контакта ножей различных
сегментов режущего аппарата.
В результате проведения многофакторного эксперимента резания яблок
ломтиковым измельчителем и в дальнейших расчетах получены уравнения регрессии в кодированном виде:
У уд = 2,75 + 0,02 х1 + 0,79 х2 + 1,06 х3 + 0,04 х1 х2 + 0,1х1 х3 +
+ 0,07 х2 х3 + 0,84 х12 + 0,38 х22 + 0,53 х32
,
(30)
В качестве критерия оптимизации на этапе лабораторных исследований было
принято – удельное усилие резания (кН/м).
В соответствии с принятой методикой, для исследования области оптимума
был реализован план Рехтшафнера для 3-х факторного эксперимента.
Адекватность полученных математических моделей проверялась по критерию Фишера. Оптимальные значения факторов представлены в таблице 2.
Уравнение регрессии (30), представленное в канонической форме, имеет
вид:
ΥУуд − 1,87 = 0,85 Х 12 + 0,37 Х 22 + 0,53 Х 32 ,
(31)
Таблица 2 – Оптимальные значения факторов
Оптимальные значения факторов
Фактор
х1 – толщина ножа, мм
0,07/1,27
х2 – угол защемления ножей, град.
-0,96/120,4
х3 – высота ножа, мм
-0,94/10,3
Примечание: в числителе – в кодированном виде, в знаменателе – в раскодированном виде.
Для определения рационального взаиморасположения ножей в ножевом
корпусе роторного измельчителя плодоовощного сырья, удовлетворяющем
условию минимизации энергетических затрат резания материала на ломтики
заданной толщины, проводились экспериментальные исследования, в результате которых определялось максимальное усилие при скользящем и рубящем резании.
Результаты исследования определения максимального усилия резания
представлены на рисунке 29.
Усилие резания, Н
27
300
200
100
Рисунок 29 – Результаты исследований влияния взаиморасположения ножей в ножевом корпусе роторного измельчителя на максимальное усилие резания
Как видно из рисунка
29, радиальное расположение
Картофель Картофель
Яблоко
Яблоко
ножей позволяет снизить
(рубка) (скольжение) (рубка) (скольжение)
Радиально в 1 ряд
Радиально в 2 ряда (1 через 2) усилие резания на 20…30 %
по сравнению с рядным расРадиально в 3 ряда
положением в одной плоскости. Расположение ножей радиально в 2 ряда (1 нож через 2) показало наилучшие результаты, снизив энергоемкость еще на 30 %, что обусловлено уменьшением эффекта стесненного резания. Применение конфигурации в 3 ряда с образованием зигзага увеличивает длину прохождения материала сквозь ножи, следовательно, работу резания.
С целью подтверждения результатов теоретических исследований проведен ряд экспериментов по изучению траектории вылета обрабатываемого материала (клубня картофеля или яблока) из направляющей трубы роторного измельчителя с определением реального угла вылета, соответствующего углу атаки ножей (рис. 30). Для экспериментальных исследований использовалась высокоскоростная видеокамера JVC (120 кадров/сек), позволяющая фиксировать
момент вылета материала и положение направляющей трубы, а также ударный
контакт плода или клубня с внутренней частью корпуса. Совокупность этих
данных позволило экспериментально доказать высокую верифицируемость результатов исследований, где разница между полученными углами атаки ножей
составила не более 5%.
0
1 – начальное положение направляющей трубы (в
момент вылета материала), 2 – конечное положение направляющей трубы, 3 – материал (клубень
картофеля), 4 – механизм подачи материала в
направляющую трубу
Рисунок 30 – Фрагмент выполнения экспериментальных исследований по определению фактического угла атаки ножей:
В результате проведения многофакторного эксперимента резания клубней
картофеля роторным измельчителем на ломтики толщиной 2,1 мм и дальнейших расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде (32). В качестве выходного показателя на этапе лабораторных исследований был принят
выходной фактор – точность соответствия заданной толщине резания М, выраженные в %.
М = 89,9 + 8,1х1 − 2,7 х2 − 7,2 х3 − 0,9 х1 х2 − 1,2 х1 х3 +
+ 0,5 х2 х3 − 5,1х12 − 4,0 х22 − 4,5 х32
,
(32)
28
Уравнение регрессии (32), представленное в канонической форме, имеет
вид:
(33)
Υ − 97,8 = −5,5 х − 3,6 х − 4,5 х ,
С помощью предложенной программы были определены оптимальные
значения факторов, таблица 3.
Таблица 3 – Оптимальные значения факторов
2
1
М
Фактор
х1 – угол атаки ножей, град
х2 – ширина ножа, мм
х3 – диаметр трубы ротора, мм
2
2
2
3
Оптимальные значения факторов
0,95/59,8
– 0,51/9,9
– 0,95 /70,5
Рекомендуем для производства обжаренных яблочных ломтиков использовать плоды с меньшим количеством редуцирующих сахаров – кислые сорта
яблок, в частности Ренет Симиренко. При этом, карамелизация сахаров такого
обрабатываемого материала при воздействий высоких температур будет оптимальна по органолептическим характеристикам. Результаты исследования обжаривания ломтиков яблок на разных временных и температурных режимах
представлены на рисунке 31.
Количество впитанного масла
ломтиком, % к массе
обжаренного ломтика
75
65
55
45
35
3
4
Время обжарки, мин
140
180
5
160
а
б
а – зависимость количества впитанного ломтиком масла в % к массе обжаренного ломтика от
времени обжарки при разных временных режимах; б – ломтики яблок, обжаренные на различных режимах
Рисунок 31 – Результаты исследований обжаривания ломтиков яблок
Влажность W, %
Исследования предварительной сушки плодоовощного сырья перед обжариванием были направлены на определение характера процесса массообмена
у яблок и картофеля различных сортов с последующим получением рациональных температурно-временных ре100
91,73
жимов (рис. 33).
80
Рисунок 32 – Кривая сушки образца картофеля сорта Импала
60
40
В результате сушки всех об7,28
разцов удалось извлечь свободную
0
влагу до достижения равновесной
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
влажности. Так, у картофеля сорта
Время сушки τ, мин.
Импала конечная влажность образца
составила 7,28 %, а у Ред Скарлетт – 6,58 %); у яблок сорта Антоновка обыкновенная – 7,86 %. Однако, образец яблока сорта Ренет Симиренко нарушает об20
20,04
29
100
100
100
59,38
56,52
0
1
2
30,43
28,13
3
1-до высушивния, 2-после высушивания, 3-после
обжаривания
Яблоко "Ренет Симиренко"
Процент масла в
обжаренном ломтике,
% к массе обж.
ломтика
Картофель "Ред Скарлетт"
60
40
Яблоко "Ренет
Симиренко"
20
0
1
2
4
2
0
2,1 2,1
1,6 1,5
1
2
1,5
2,1
3
1 - до высушивания, 2-после высушивания,
3 - после обжаривания
Яблоко "Ренет Симиренко"
Картофель "Ред Скарлетт"
50
46,15
33,33
28,57
Толщина ломтика,
мм
Масса, в % к
начальной
щую градацию остаточной влажности, неблагоприятной для жизнедеятельности микроорганизмов, с показателем W= 10,97 %. Такой характер обусловлен
более высоким содержанием связанной влаги, удерживаемой макромолекулярной матрицей структуры плода.
Анализ графических данных процесса сушки показал высокую корреляционную зависимость как между сортами плодов или клубней, так и между видами плодоовощного сырья, что в целом подтверждает принадлежность сырья к
капиллярно-пористым материалам, имеющим характерные кривые изменения
влажности и скорости сушки. Так, при определении взаимосвязи изменения
влажности между сортами плодов яблони коэффициент корреляции Пирсона
составил 0,993, а между сортами картофеля – 0,996; при сравнении сорта яблок
Антоновка обыкновенная и сорта картофеля Импала – 0,977, для сортов яблок
Ренет Симиренко и картофеля Ред Скарлетт – 0,996.
С учетом анализа литературных источников и собственных наблюдений
исследовано влияние фактора предварительной сушки перед обжариванием на
размерно-массовые параметры и количестве масла в готовой продукции (рис.
33, 34).
Картофель "Ред
Скарлетт"
1-с предварительным высушиванием, 2-без
предварительного высушивания
а - изменение массы ломтиков
при тепловой обработке (для опытов
с предварительным высушиванием),
в %; б – изменения толщины ломтиков в процессе тепловой обработки;
в – содержание масла в обжаренных
ломтика
Рисунок 33 – Результаты исследований процессов тепловой обработки
При этом количество испаренной влаги замещается некоторым количеством масла, пропорциональным количеству влаги, находящейся в этот момент
в материале. В случае материла, предварительно высушенного и далее обжаренного – количество масла будет значительно ниже, чем у материала, поступившего на обжарку без предварительной сушки, а именно в 1,5…1,8 раза.
Нами рекомендуется следующие технологические режимы тепловой обработки плодоовощного сырья: предварительная сушка материала при 125°С в
30
течение 20 мин., далее обжаривание при температуре 170°С 30..35 с для картофеля и 35…45 с яблок.
а – ломтики яблок, б – ломтики картофеля
Рисунок 34– Обжаренные ломтики клубней картофеля и яблок
Данные технологические режимы позволяют достичь минимального значения количества впитанного масла продуктом – 28…40 %.
Для оценки качественных характеристик процесса обжаривания производился анализ состояния готовой продукции, где отмечалось количество ломтиков, травмируемых в результате перемещения транспортерами в рабочей среде:
наличие ломки, крошимости и др.
В результате проведения многофакторного эксперимента обжаривания яблок и клубней картофеля и дальнейших расчетов получены уравнения регрессии в кодированном виде:
Тм = 3,19 + 0,63Х1 + 0,35Х2 − 1,71Х3 − 0,08Х1 Х2 + 0,11Х1 Х3 +
+0,16Х2 Х3 + +0,75Х12 + 1,35Х22 + 0,94Х23
(34)
Определены оптимальные значения факторов, представленные в
таблице 4.
Таблица 4 – Оптимальные значения факторов
Оптимальные значения факторов
Фактор
х1 –расстояние между скребками транспортера, м
х2 – высота зоны всплытия, м
х3 – угол подачи материала, град.
– 0,5/0,155
– 0,2/0,08
0,96 /125
Уравнения регрессии (34), представленное в канонической форме, имеют вид
(35)
Υ − 2,18 = 0,73 х + 1,37 х + 0,94 х ,
В пятой главе «Экономическая эффективность и внедрение результатов исследования» проведен сравнительный анализ экономической эффективности ломтикового измельчителя, а также роторного измельчителя плодоовощного сырья с серийной резательной машиной малой мощности при использовании его на поточно-технологической линии производства сухофруктов и фруктовых порошков, а также линии производства хрустящего картофеля в условиях ряда хозяйств Волгоградской области. Производительность ломтикового измельчителя плодоовощного сырья составила порядка 4,5 т/ч, потребляемая
мощность 1,5 кВт при высоких качественных показателях процесса резания.
Производительность роторного измельчителя плодоовощного сырья составила
5 т/ч, потребляемая мощность 1,1 кВт при толщине среза ломтика 2,1 мм.
Технико-экономические показатели применения предлагаемых технических решений представлены в таблице 5, предлагаемой технологии в таблице 6.
Тм
2
1
2
2
2
3
31
Таблица 5 – Технико-экономические показатели применения
предлагаемых технических решений
Показатель
Годовой экономический эффект,
руб.
Срок окупаемости, лет
Стоимость конструкции, руб.
Ломтиковый измельчитель плодоовощного
сырья
120753,4
Роторный измельчитель
плодоовощного сырья
120861,5
Устройство
для обжаривания
более 7 млн.
0,31
0,28
0,1
33995,7
33128,9
41717,6
Таблица 6 – Технико-экономические показатели применения
предлагаемой технологии получения плодоовощных чипсов
Технико-экономические
Базовая технология с применеПроектная технология
показатели (наименованием устройства для обжарива- с применением предлагаемого
ние и единицы измерения Normit Oil Deep
устройства для обжаривания
ния)
Количество масла к массе единицы готовой про50…55
28…40
дукции, %
Потребляемая мощность
линии, кВт
Травмируемость готовой
продукции, %
Производительность линии, кг/ч
Себестоимость готовой
продукции (чипсов),
руб./ кг
75
26
10..12
2,2..2,5
100
200
75,6
56,4 /
84,5(картофельные/яблочные)
Заключение
1.
Анализ существующих и перспективных технологий производства снэков
свидетельствует о том, что наиболее затратные и энергоемкие операции измельчения плодоовощного сырья на ломтики и тепловой обработки требуют
дальнейшего изучения и совершенствования.
2.
В результате теоретических и экспериментальных исследований в клубнях картофеля выделено 5 зон, имеющих различное строение тканей, определены их численные значения, максимальное удельное усилие резания каждого
слоя: S1 (10%) – 2054 Н/м (Импала) и 1954 Н/м (Ред Скарлетт); S2 (29 %) – 641,9
и 504,7 Н/м; S3 (19 %); S4 (38 %) – 595,8 и 805,6 Н/м; S5 (4%) – 312,6 и 789,9
Н/м.
3.
Проведенные теоретические исследования процесса резания плодоовощного сырья ломтиковым и роторным измельчителями позволяют смоделировать
технологические процессы для разработки и обоснования предлагаемых технических средств:
32
– анализ зависимостей, составляющих силы взаимодействия при механическом
резании ломтиковым измельчителем, показал, что в значительном диапазоне параметров основной вклад в суммарную силу резания вносит сила трения продукта по полотну ножей (до 90 % от суммарной силы), которая зависит от того
какая часть плода или клубня и насколько сильно зажимается между соседними
ножами. Так, при больших расстояниях между ножами (более 10 мм) разрезаемые ломтики почти не сжимаются и сила P многократно уменьшается, а при достаточно большом значении сдвига ножей ∆ эта сила (P) становится тождественно равной нулю поскольку зажимания ломтиков между лезвиями не происходит вовсе. С другой стороны, при малых расстояниях между ножами и небольших величинах сдвига ∆ сила Р может достигать очень больших значений,
в сравнении с которыми остальные слагаемые будут пренебрежимо малы;
– с увеличением сдвига ножей (5…10 мм) сила трения продукта по полотну
ножей Pmax значительно уменьшается (1050…200 Н). Одновременно с этим,
сдвиг ножей приводит к увеличению размеров ножевого блока и к увеличению
пути (0,14…0,22 м), при движении по которому плод или клубень
взаимодействует с лезвиями ножей;
– изменение угла защемления ножей θ (для различных значений величины
сдвига ножей ∆) оказывает различный характер на силу трения продукта по
полотну ножей Pmax.. Так при достаточно больших значениях сдвига ножей ∆
(∆≥11 мм) каждый нож выполняет резание независимо от других, в результате
максимальное усилие растёт при увеличении угла защемления (36…38 Н для
∆=13 мм). Однако при уменьшении сдвига ножей ∆ (∆<10) мм начинают
превалировать силы трения по лезвиям из-за того, что в блоке ножей ломтики
плодов зажимаются между соседними ножами. Это приводит к резкому
изменению характера зависимостей усилий Pmax от угла защемления. Усилие
Pmax начинаются снижаться (1050…950 Н при ∆=5 мм) с увеличением угла
защемления θ (120…140°), что объясняется уменьшением площади тех участков
ломтиков, которые зажаты между перекрывающимися участками лезвий;
– в результате теоретических исследований движения тела в трубе роторного
измельчителя получена математическая модель, важной особенностью которой,
при введенных допущениях, является отсутствие массы в дифференциальном
уравнении движения обрабатываемого материала (13), что исключает влияние
масса тела на скорость движения;
– угловая скорость вращения направляющей трубы ротора не оказывает значительного влияния на угол атаки ножей. При больших значениях угловой скорости угол атаки становится постоянным при меньших значениях координаты x,
при малых значениях угловой скорости клубню требуется пройти большее расстояние. Представленная в диссертационной работе зависимость минимальной
длины трубы от угловой скорости вращения ротора (200 мин-1), показывает, что
влиянием угловой скорости ротора на угол расположения ножей измельчителя
можно пренебрегать даже при малых угловых скоростях;
– влияние коэффициента трения на угол атаки ножей значительное. Так варьирование эффективного коэффициента трения в пределах от 0,2 до 0,8 приводит
33
к диапазону изменения угла примерно 50…65°. Полученная зависимость позволяет сделать вывод о необходимости разработки конструкции измельчителя с
регулируемыми или заменяемыми ножами для каждого типа продуктов, имеющих различные значения эффективного коэффициента трения;
4.
На основе многофакторного эксперимента оптимизированы параметры
разработанных экспериментальных образцов ломтикового и роторного измельчителя плодоовощного сырья:
– получена математическая модель резания яблок измельчителем плодоовощного сырья на ломтики толщиной 2 мм и определены оптимальные значения
конструктивных параметров, влияющих на энергоемкость процесса резания.
Для сортов яблок Антоновка обыкновенная и Ренет Симиренко: толщина ножа
– 1,27 мм; угол защемления ножей – 120,4 град.; высота ножа – 10,3 мм;
– получена математическая модель резания клубней картофеля роторным измельчителем на ломтики толщиной 2 мм и определены оптимальные значения
конструктивных параметров. Для сортов картофеля Импала и Ред Скарлетт:
угол атаки ножей – 59,8°; ширина ножа – 9,9 мм; диаметр трубы ротора – 70,5
мм;
– увеличение ширины и глубины зигзага в режущем аппарате ломтикового измельчителя плодоовощного сырья приводит к снижению энергозатрат на
40…51 %, что соответствует следующим значениям усилия резания 2,27...4,18
кН/м при прямом расположении ножей и 1,9…3,18 кН/м при развернутом;
– развернутое расположение ножей в зигзагообразной ножевой стенки приводит к снижению усилия резания на 16,2…29 % во всех вариантах резания, так
при ширине/глубине=3/2 с прямым расположением ножей удельное усилие резания составляет 4,48 кН/м, а при развернутом 3,18 кН/м. Положительный эффект достигается снижением силы трения продукта по полотну ножей за счет
уменьшения площади контакта ножей различных плоскостей и сегментов режущего аппарата. Кроме этого, развернутое положение ножей исключает крутящий момент и принудительное движение обрабатываемого материла в
направлении стенки рабочей камеры, снижая силу трения и, следовательно,
усилие резание.
5.
В результате теоретических исследований обжаривания ломтиков яблок
и клубней картофеля в среде нагретого растительного масла, в частности диффузионных процессов испарения влаги и впитывания масла ломтиком, получена математическая модель (29), которое в полной мере характеризует представленный процесс массобмена. Испаряющаяся влага выделяется на поверхности
ломтика в виде пузырьков водяного пара, которые создают дополнительный
объём и увеличивают тем самым величину выталкивающей силы. Скорость
движения ломтика является основным показателем, характеризующим интенсивность всплытия. При этом положительные значения скорости наблюдаются
во всей области определения параметров рассматриваемой системы.
6.
На основании экспериментальных исследований разработанного образца
устройства для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля оптимизированы его конструктивно-режимные параметры:
34
– с увеличением времени обжаривания (3, 4, 5 мин) ломтиков количество впитанного ими масла возрастает почти линейно (55,6; 57,9; 66,7 % при температуре 140°С для яблок). При этом влага, выходя в виде пара из толщи ломтика,
разрывает его структуру, увеличивая площадь его поверхности, что способствует повышенному впитыванию масла. Увеличение температуры обжаривания (140, 160, 180°С) на одном и том же временном режиме снижает количество впитанного ломтиком масла (66,7; 61,5; 55,6%) (для времени обжаривании
5 мин). При обжаривании влага из внутренних слоев ломтика подводится к поверхности. Толщина поверхностного слоя масла в продукте зависит от температуры масла, чем выше температура – тем меньше масса впитанного масла. С
учетом того, что ломтик имеет незначительную толщину, то он будет уже обезвожен по всему объему;
– предварительная конвективная сушка ломтиков яблок и клубней картофеля
сокращает время обжаривания, следовательно, и количество впитанного масла
(для температуры 170 °С – время обжарки сократилось в 4 раза и составило
30…45 с). При предварительной сушке происходит снижение влажности и увеличение содержания сухих веществ. В случае предварительно высушенного материала с дальнейшим обжариванием – количество впитанного масла в 1,5…1,8
раза ниже, чем у материала, поступившего на обжарку без предварительной
сушки;
– проведенные экспериментальные исследования позволили получить рациональные технологические режимы обезвоживания ломтиков тепловой обработкой: предварительная сушка материала при 125°С в течение 20 мин., далее обжаривание при температуре 170°С 30..35 с для картофеля и 35…45 с яблок.
Данные технологические режимы позволяют достичь минимального значения
количества впитанного масла продуктом – 28...40 %.
– получена математическая модель обжаривания ломтиков яблок и клубней
картофеля и определены оптимальные значения конструктивных параметров:
расстояние между скребками транспортера – 0,155 м; высота зоны всплытия –
0,08 м; угол подачи материала – 125°;
7. В результате проведенных исследований разработаны методы, алгоритмы
расчета, реализованные в программном обеспечении (свид. о гос. рег. прог.
ЭВМ №2016660285, 2016660425), позволяющие качественно оценивать динамическое состояние обрабатываемого материала, что дает возможность анализировать состояние предлагаемого оборудования и достичь рациональных конструктивных параметров и режимов работы.
8.
Производственная проверка разработанных технологии и технических
средств обработки плодоовощного сырья для производства снэков показала,
что:
– ломтиковый и роторные измельчители плодоовощного сырья обеспечивают
высокую производительность в 4…4,5 т/ч при минимальных затратах энергии с
потребляемой мощностью привода в 1,5 кВт;
– устройство для обжаривания ломтиков яблок и клубней картофеля позволяет
получать обжаренную продукцию в виде ломтиков с минимальной травмиро-
35
ванностью не более 2,2 % от общего количества при производительности 200
кг/ч и суммарной потребляемой мощностью 15 кВт;
– полученная, с применением разработанной технологии и технических
средств, готовая продукция (чипсы) имеет пониженное содержание масла
28…40 % при допустимых значениях других показателей качества.
9. Результаты технико-экономической оценки показали, что применение предлагаемых технологических и технических решений при производстве чипсов из
яблок и картофеля способствуют снижению энергетических затрат резания материала на ломтики на 20…35 %, а также уменьшению окисляемости и расхода
рабочей среды (растительного масла) на 10…15 % при последующем обжаривании. При этом срок окупаемости технологических и технических решений
составляет менее 1 года с годовым экономическим эффектом более 7 млн. руб.
при годовом объеме производства 144 т.
Рекомендации производству
Результаты научных исследований могут быть использованы на перерабатывающих предприятиях различной мощности при производстве снэков, в
общественном питании для кулинарной обработки плодоовощного сырья, модернизации кормозаводов в животноводстве, при разработки и создании подобного оборудования в конструкторских бюро предприятий.
Перспективы дальнейшей разработки темы.
С целью дальнейшего снижения энергозатрат процесса резания целесообразно роторный измельчитель плодоовощного сырья оснастить зигзагообразной
ножевой стенкой с развернутым расположением ножей и провести теоретические исследования ударного взаимодействия сырья с режущим аппаратом.
Кроме этого актуальны исследования, направленные на дальнейшее снижение
содержания вредных ингредиентов в снеках путем сокращения времени контакта сырья с растительным маслом при обжаривании и использование альтернативных способов удаления влаги из сырья и готовой продукции. Целесообразна, для расширения ассортимента функциональных продуктов, разработка
ряда технологий производства снеков с высокими органолептическими показателями из плодов различных культур.
Основные положения опубликованы в следующих работах
Scopus / Web of science:
1. Lebed, N. I. INFLUENCE OF A ZIGZAGGING LO-CATION OF THE KNIVES IN
THE CUTTING UNIT ON THE ENERGY CON-SUMPTION DUR-ING THE CUTTING
PROCESS OF HORTICULTURAL PRODUCE / N.I. Lebed, N.M. Antonov, A.M.
Makarov. – Электронный периодический научный журнал «Journal of Food Process Engineering».
2015.
№3
С.
262-270.URL:
http://authorservices.wiley.com/bauthor/onlineLibraryTPS.asp?DOI=10.1111/jfpe.12162&
ArticleID=1420272 (дата обращения 19.04.2015).
2. Lebed, N. I. ENERGETIC CALCULATION OF AN APPLE CHOPPER WITH ZIGZAGGING KNIFE LOCATION IN THE CUTTING UNIT / N.I. Lebed, N.M. Antonov,
A.M. Makarov. – Электронный периодический научный журнал «Journal of Food Pro-
36
cess
Engineering».
2016.
doi:10.1111/jfpe.12352
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jfpe.12352/full
-
URL:
Монография:
3. Лебедь, Н.И. Процессы измельчения плодоовощных материалов в общественном
питании: монография / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов – Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2014. – 172 с.
в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
4. Лебедь, Н.И. Результаты экспериментальных исследований по определению
усилий резания плодов и корнеплодов / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, Ю.В. Искуснов //
Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. ВолГАУ. – Волгоград, 2012. – №2 (26).– С. 137-141.
5. Лебедь, Н.И. Оптимизация режимов и параметров ломтикового измельчителя
яблок / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, Ю.В. Искуснов // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование.
ВолГАУ. – Волгоград, 2012. – №4 (28).– С. 160-164.
6. Лебедь, Н.И. Ломтиковый измельчитель плодов / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов,
Ю.В. Искуснов // Научно-производственный журнал «Сельский механизатор». –
Москва, 2013.– №3.–С.12-14.
7. Лебедь, Н.И. Результаты исследований размерно-массовых показателей плодов
яблок / Н. И. Лебедь, Н.М. Антонов, Ю.В. Искуснов // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование.
ВолГАУ. – Волгоград, 2013. – №1 (26).– С. 137-141.
8. Лебедь, Н.И. Определение некоторых энергетических параметров статическго
резания плодов яблок / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование.
ВолГАУ. – Волгоград, 2014. – №2 (34).– С. 143-148.
9. Лебедь, Н.И. Определение фрикционных характеристик корнеклубнеплодов /
Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, А.С. Венецианский, А.К. Мамахай // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. ВолГАУ. – Волгоград, 2015. – №4 (40). – С. 162-168.
10. Лебедь, Н.И. Измельчитель плодов и корнеплодов / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов,
А.К. Мамахай, Л.С. Цыганкова // Научно-производственный журнал «Сельский механизатор». – Москва, 2016.– №4.–С.13-16.
11. Лебедь, Н.И. Оценка и ранжирование режимных параметров автоматизированного устройства для обжаривания сельскохозяйственной продукции / Н.И. Лебедь,
Н.М. Антонов, А.К. Мамахай, А.М. Макаров // Известия ВолгГТУ. Сер. Прогрессивные технологии в машиностроении. - Волгоград, 2016. - № 8 (187). - C. 65-69.
12. Лебедь, Н.И. Получение оптимальных режимов процесса обжаривания ломтиков
плодов яблок и корнеплодов картофеля / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов // Известия нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное
образование. ВолГАУ. – Волгоград, 2016. – №3 (43). – С. 185-192.
13. Лебедь Н.И. Оптимизация конструктивных параметров измельчителя плодов и
корнеплодов / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, А.К. Мамахай // Известия нижневолжского
агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование.
ВолГАУ. – Волгоград, 2016. – №3 (43). – С. 231-238.
37
14. Лебедь, Н.И. Влияние процесса обжаривания на свойства чипсов / Н.И. Лебедь,
Н.М. Антонов, //Техника и оборудование для села. ФГБНУ «Росинформагротех». –
Москва, 2016. – №7.– С.34-38
15. Лебедь, Н.И. Обоснование движения материала в роторном измельчителе плодоовощной продукции / Н.И. Лебедь // Научно-производственный журнал «Сельский
механизатор». – Москва, 2017.– №6.–С.17-19
16. Лебедь, Н.И. Результаты исследований автоматизированного роторного измельчителя плодоовощного сырья / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, А.М. Макаров, А.Е.
Новиков // Известия ВолгГТУ. Сер. Автоматизированные технологии контроля и
сборки машин. - Волгоград, 2017. - № 9 (204). - C. 125-128.
Программах ЭВМ:
17. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2016660425 от 15 сентября 2016
г. РФ, МПК (нет). Автоматизированная система расчёта динамических режимов движения тел в роторе центробежного измельчителя/ Малолетов А.В., Антонов Н.М., Лебедь Н.И., Мамахай А.К..; ВолгГТУ. - 2016.
18. Свид. о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2016660285 от 12 сентября 2016
г. РФ, МПК (нет). Автоматизированная система расчёта динамики движения тела с
переменными параметрами в вязкой среде/ Малолетов А.В., Антонов Н.М., Лебедь
Н.И.; ВолгГТУ. - 2016.
патентах РФ:
19. Патент на изобретение РФ №2369083, А01F29/08, B02C18/02; Измельчитель
корнеплодов / Н.М. Антонов, Ю.В. Искуснов, Н.И. Лебедь, В.В. Никифоров, Н.В.
Мордвинцев (Россия). – №2008113269/12; заявл. 04.04.2008; опубл. 10.10.2009. 2с.
20. Патент на полезную модель РФ №102175, А01F29/00; Измельчитель ломтиковый
/ Н.М. Антонов, Ю.В. Искуснов, Г.И. Ивко, М.В. Каплюжников, С.С. Кузнецов, Н.И.
Лебедь, Е.И. Макевнина (Россия). – №2010132533/21; заявл. 02.08.2010; опубл.
20.02.2011. 2 с.
21. Патент на полезную модель РФ №118519, А23N15/00, А01F29/08; Устройство
для определения прочностных свойств плодов, овощей и корнплодов/ Н.М. Антонов,
Ю.В. Искуснов, С.С. Кузнецов, Н.И. Лебедь, М.Н. Шапров (Россия). –
№2011148831/13; заявл. 30.11.2011; опубл. 27.02.2012. 2 с.
22. Патент на полезную модель РФ №127986, А23N15/00, G09B25/00; Испытательный стенд для измерения составляющих сил резания плодоовощной продукции/ Н.М.
Антонов, Ю.В. Искуснов, Н.И. Лебедь (Россия). – №2012149203/12; заявл. 19.11.2012;
опубл. 10.05.2013.
23. Патент на полезную модель РФ №129845, B02C18/02; Измельчитель плодоовощной продукции/ Н.М. Антонов, Ю.В. Искуснов, Н.И. Лебедь (Россия). – №
2013108423/13; заявл. 26.02.2013; опубл. 10.07.13.
24. Патент на полезную модель РФ №134741, А01F29/08; Измельчитель фермерский
/ Н.М. Антонов, Н.И. Лебедь (Россия). - № 2013120183/13; заявл. 06.05.2013; опубл.
27.11.2013. 2 с.
25. Патент на полезную модель РФ №135242, A47J 42/00; Измельчитель бытовой /
Н.М. Антонов, Н.И. Лебедь, (Россия). - № 2013120182/12; заявл. 06.05.2013; опубл.
10.12.2013. 2 с.
38
26. Патент на полезную модель РФ № 141014, B02C18/14; Измельчитель плодов и
корнеплодов / Н.М. Антонов, Н.И. Лебедь, А.К. Мамахай, А.С. Венецианский (Россия). – № 2014100716/13; заявл. 09.01.2014; опубл. 27.05.2014. 2 с.
27. Патент на полезную модель РФ № 152461, B02C18/14; Измельчитель плодов и
корнеплодов / Н.М. Антонов, Н.И. Лебедь (Россия). – № 2014151300/13; заявл.
17.12.2014; опубл.27.05.2015. 2 с.
28. Патент на полезную модель РФ № 163538, A47J 37/12; Устройство для обжаривания сельскохозяйственных материалов/ Н.М. Антонов, Н.И. Лебедь, Малолетов
А.В., Русакова Г.Г., Мазина Л.В., Мамахай А.К., Цыганкова Л.С. (Россия). – №
2016113196/12; заявл. 06.04.2016; опубл. 20.07.2016. 2 с.
29. Патент на полезную модель РФ № 1631461, B02С18/00; Измельчитель плодов и
корнеплодов / Н.М. Антонов, Н.И. Лебедь, Минаков В.А., Линев Н.А., Цыганкова
Л.С. (Россия). – № 2014151300/13; заявл. 26.01.2016; опубл.10.07.2016. 2 с.
30. Патент РФ на полезную модель №174962, МПК B02C 18/06 (2006.01).
Измельчитель плодоовощной продукции / Н.М. Антонов, Н.И. Лебедь, А.В.
Малолетов, А.К. Мамахай (Россия).– №2017116509; заявл. 11.05.2017; опубл.
13.11.2017. 2 с
в других изданиях:
31. Лебедь, Н.И. Измельчитель плодов и корнеплодов / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов,
А.К. Мамахай// Научные основы стратегии развития АПК и сельских территорий в
условиях ВТО. Материалы Международной научно-практической конференции ,
Волгоград, 28-30 января 2014 г.– Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ. – Том
III. – С. 73-76.
32. Лебедь, Н.И. Разработка методики изучения некоторых динамических параметров центробежного измельчителя плодов и корнеплодов: Стратегическое развитие
АПК и сельских территорий РФ в современных международных условиях: материалы
Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Победы
в Великой Отечественной войне 1941-1945 г.г./ Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов // Волгоград, 03-05 февраля 2015 г. – Волгоград: ФГБОУ ВПО Волгоградский ГАУ, 2015 –
Том 2. – С.49-52.
33. Лебедь, Н.И. Предварительные исследования динамических параметров центробежного измельчителя корнеплодов / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, А.К. Мамахай //
Материалы XX региональной конференции молодых исследователей Волгоградской
области, 8-11 декабря 2015 г., г. Волгоград. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский
ГАУ, 2016. – С.84-87.
34. Лебедь, Н.И. Результаты экспериментальных исследований резания корнеплодов картофеля/ Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, А.С. Лапшенкова, А. Мамедова // Материалы X Международной научно-практической конференции молодых исследователей, г Волгоград, 15-17 марта 2016 г. Часть III. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ ИПК «Нива», 2016 – С.470-472.
35. Лебедь, Н.И. Модернизация технологической линии производства картофельных чипсов / Н.И. Лебедь, Н.М. Антонов, А.К. Мамахай // Материалы X Международной научно-практической конференции молодых исследователей, г Волгоград, 1517 марта 2016 г. Часть III. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ ИПК «Нива»,
2016 – С.472-475
39
36. Лебедь, Н.И. Совершенствование технологии технических средств сохранности
сельскохозяйственного сырья методом консервирования нагревом / Н.И. Лебедь, Н.М.
Антонов // Стратегические ориентиры инновационного развития АПК в современных
экономических условиях: материалы Международной научно-практической конференции, Волгоград, 26-28 января 2016 г. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский
ГАУ, 2016. – Том 2. – С.159-164.
37. Лебедь, Н.И. Теоретическое обоснование прочностных свойств клубней картофеля с учетом их клеточной структуры / Н.И. Лебедь, М.А. Раптанов, Л.С. Цыганкова,
Н.М. Антонов // Материалы XXI региональной конференции молодых исследователей
Волгоградской области. Волгоград, 8-11 декабря 2016 г. – Волгоград: ФГБОУ ВО
Волгоградский ГАУ, 2017. –С. 38-40
38. Лебедь, Н.И. Моделирование процесса резания плодоовощного сырья на ломтики путем подачи обрабатываемого материала ротором на радиально расположенные ножи / Н.И. Лебедь // Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн. Материалы IV Международной научно-практической конференции. 2017 – г. Тамбов: ФГБОУ ВО Тамбовский государственный технический университет, 2017 – С. 367-371.
40
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
2 289 Кб
Теги
разработка, технология, технические, плодоовощного, средств, механической, сырье, тепловой, обработка
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа