Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет
Исследование параметров процесса резания резательных машин
Методические указания к лабораторной работе
по курсу «Технологическое оборудование отрасли»
для студентов специальности 260601.65, направления 260600.65
дневной и заочной форм обучения
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
Саратов 2010
Цель работы: ознакомление с основными понятиями теории резания пищевых материалов, порядком вычисления основных параметров и экспериментальное изучение влияния режимов резания на качественные и энергетические показатели процесса резания.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
На предприятиях пищевой промышленности значительное место в механической обработке пищевых продуктов занимает процесс резания, используемый при резании пластов и жгутов конфетных масс на отдельные корпуса; отделении куска от тестовой массы; резании туши или большого куска мяса на части; отделении головы и плавников рыбы; порционировании рыбы и мяса; резании овощей и фруктов; отделении гранул при напрессовывании в т. п. В общественном питании приходится разрезать различные продукты: овощи, фрукты, мясо, рыбу, хлебобулочные изделия, гастрономические товары. Резание пищевых материалов производится на специальных резательных машинах и устройствах или при помощи резательных механизмов, являющихся частью технологических машин.
Резание – технологический процесс обработки путем разрушения материала с нарушением его целостности, осуществляемый режущим инструментом с целью придания материалу заданной формы, размеров и качества поверхности. При этом каждый исходный кусок продукта должен быть разделен на более мелкие части без остатка и отходов.
В качестве режущих рабочих инструментов применяют ножи, имеющие различную конфигурацию и форму. Лезвие ножей, как правило, имеет форму двугранного одностороннего или двустороннего клина. Применяют такие режущие инструменты, лезвия которых выполнены в форме клина с явно выраженными зубцами (такие инструменты называют пилами), и режущие инструменты в виде проволоки [1,2].
Основными характеристиками, определяющими резание пищевых материалов, служат: силовые параметры (удельное усилие резания, удельная работа резания, условное напряжение резания); наивыгоднейшие скорости резания и подачи, определяющие производительность процесса резания; качество обрабатываемой поверхности; влияние разрезаемого материала на затупление режущего инструмента [1]. К главным из перечисленных показателей процесса резания относят скорость и усилие резания. Под скоростью резания понимают скорость точки лезвия режущего инструмента по отношению к точке на поверхности среза материала в направлении рабочего движения. При вращательном движении режущего инструмента за скорость резания принимается скорость точек лезвия, наиболее удаленных от оси вращения. Усилие резания – суммарную силу сопротивления резанию продукта – необходимо знать для конструирования машин и устройств. Оно позволяет объективно описать процесс резания и оценить влияние на него различных факторов.
Резание как технологическая операция может осуществляться двояко: при перемещении режущего инструмента только в направлении, нормальном к лезвию, или при перемещении его по двум взаимно перпендикулярным направлениям – нормальному к лезвию и параллельному ему.
В первом случае процесс резания может быть назван статическим резанием или рубкой, во втором – скользящим резанием или резкой.
Статическое резание основано на том, что режущий инструмент, перемещаясь только перпендикулярно лезвию, проникает в толщу продукта. При этом режущая кромка в направлении собственного движения уплотняет слой продукта. По достижении определенного предела уплотнения, зависящего от структуры разрезаемого тела, происходит разрушение и образование поверхности среза. Способ статического резания применяется в тех случаях, когда к качеству поверхности среза обрабатываемых продуктов не предъявляется высоких требований.
При скользящем резании клин инструмента, перемещаясь, как и при рубке, перпендикулярно лезвию, имеет вместе с этим и перемещение вдоль лезвия. При этом уменьшается величина необходимого предварительного уплотнения продукта, поверхность среза получается более гладкой. Резание ножом характеризуется значительно меньшим количеством отходов, меньшей деформацией продукта в процессе резания и более высоким качеством среза, и основано на разрушении материала непосредственно под режущей кромкой. При этом масса продукта деформируется незначительно, что особенно важно для пищевых продуктов, часто имеющих малую прочность [l]. Это позволяет сохранять привлекательный внешний вид продуктов.
Скользящее движение ножа характеризуется отношением скорости движения ножа вдоль направления разреза к скорости внедрения ножа в массу перерезываемого продукта в направлении, нормальном к лезвию. Это отношение называется коэффициентом скольжения.
Силовое взаимодействие при резании
Силовое взаимодействие возникает при резании между режущим инструментом и продуктом. При рубящем резании на нож действуют следующие силы: сопротивление перерезанию волокон или стенок клеток продукта, направленное перпендикулярно режущей кромке лезвия в сторону, обратную его движению; сопротивление отгибанию отрезаемого слоя, направленное перпендикулярно рабочей грани ножа; усилие прижатия продукта, направленное перпендикулярно опорной грани ножа; сила трения между рабочей гранью ножа и продуктом, а также опорной гранью ножа и продуктом, возникающая вследствие движения режущего инструмента относительно продукта.
Провести аналитический расчет полного усилия резания в настоящее время не представляется возможным, так как определение сопротивления чистому резанию связано с физической сущностью процесса разделения материала на части (разрушения), а она до сих пор не познана, особенно для упруго - вязко - пластичных масс, какими являются пищевые материалы.
Для удобства расчетов и сравнимости результатов общее усилие резания обычно относят к длине лезвия, и усилие резания, приходящееся на единицу длины лезвия, называют удельным усилием резания [l] .
Общее усилие, прикладываемое к ножу при резании, Н,
(1)
где р – удельное усилие при резании плоским ножом, Н/м;
в – ширина (высота) слоя продукта, м (вдоль лезвия ножа).
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Описание экспериментального стенда
Экспериментальный стенд для исследования процесса резания пищевых материалов (рис.1) состоит из режущего устройства 1, блока управления устройством 2, системы регистрации усилия резания, включающей тензометрический усилитель 3 и самописец 4. Подключение стенда к электрической сети осуществляется переключателем 5 через регистрирующие приборы 6.
Режущее устройство включает основание 7, на котором установлены скоба 8 для фиксации ножей 9, и привод, состоящий из электродвигателя 10, червячного редуктора 11 и реечной передачи 12, рейка которой расположена во фторопластовых направляющих. На торцевой части рейки закреплена плоская тензометрическая балка 13 с держателем исследуемых образцов 14. Управление возвратно-поступательным движением рейки осуществляется тумблером 15. Режущее устройство позволяет проводить исследования в интервале скорости резания от 0,02 до 1,0 м/с. При
 |
необходимости можно использовать сменные ножи с различными параметрами режущей кромки.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ
1. Включить электропитание экспериментального стенда.
2. Включить тензостанцию, нажав кнопку ВКЛ, при этом должна загореться лампа и раздастся звук высокого тона. Проверить напряжение блока питания. Для этого переключатель тензостанции поставить в положение КОНТРОЛЬ, нажать кнопку СТ и поочередно П1 и П2. Напряжение во всех случаях должно быть 8,8 - 9,2 В. Прогреть прибор в течение 20 мин. Проверить балансировку одного из усилителей, для чего переключатель поставить в положение выбранного канала и потенциометром ←•→ установить стрелку прибора на «0». Нажав кнопку ЦД, провести балансировку выбранного канала потенциометром Б.
3. Самописец подключить к сети, нажав кнопку ВКЛ. Нажимая кнопки 2,5, 5, 10, убедиться в протягивании ленты и хорошем поступлении чернил из пишущего узла самописца. Потенциометром УСТ. 0 установить стрелку самописца на середину шкалы.
4. Провести тарировку тензометрической балки, для чего установить режущее устройство вертикально (двигателем вниз). Включить самописец на минимальную скорость протяжки ленты и установить разновесы на держателе образцов, постепенно увеличивая нагрузку до максимального отклонения стрелки самописца, одновременно фиксируя вес грузов. По окончании тарировки привести устройство в горизонтальное положение.
5. Подготовить образец пищевого материала (по заданию преподавателя) и закрепить его в держателе, предварительно сдвинув рейку в крайнее левое положение. Включить блок управления, при этом загорится сигнальная лампочка, и установить минимальную скорость резания поворотом соответствующей ручки. Затем одновременно включить протяжку ленты самописца и тумблер режущего устройства в направлении движения образца к ножу (вправо). После перерезания образца выключить протяжку самописца и тумблером режущее устройство, снять с держателя разрезанные части и вернуть рейку в исходное положение. Опыт повторить пятикратно, фиксируя скорость ленты самописца.
Далее провести эксперименты для шести-восьми скоростей резания (n=6÷8), увеличивая последние.
6. Провести замеры отклонения стрелки на ленте самописца при проведении тарировки и построить тарировочный график величины усилий (Н) в зависимости от отклонения стрелки самописца (мм).
7. Провести замеры на лепте самописца максимального отключения стрелки записанного процесса резания и его длины. Полученные данные оформить в виде таблицы (приложение), с учетом статистической обработки.
8. Определить с использованием таблицы фактическую скорость резания исследуемых образцов по формуле
(2)
где: L – длина исследуемого образца (путь резания), м;
VА – скорость протяжки лента самописца, мм/с;
l – длина записанного на ленте процесса резания, мм.
9. Определить с использованием таблицы и тарировочного графика максимальное усилие резания исследуемых образцов и рассчитать по формуле (1) удельное усилие резания. Полученные в п. 8 и 9 результаты внести в таблицы.
10. Используя данные таблицы и с помощью программы "ОЭР" получить уравнение изменения удельного усилия резания от скорости резания. Получить по полученному уравнению график изменения удельных усилий резания и нанести на него экспериментальные результаты из таблицы.
11. Сделать заключительные выводы по результатам проведенных экспериментальных исследований.
ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА
1.К выполнению лабораторной работа допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности, изучившие руководство и получившие допуск к работе.
2.Перед включением экспериментального стенда убедиться, что вращающиеся части привода закрыты кожухом.
3.Включить лабораторную установку только после проверки исправности всех токоведущих элементов и заземления.
4. Во время выполнения работы следить, чтобы посторонние предметы не препятствовали движению рейки режущего устройства.
5. При обнаружении неисправности немедленно сообщить об этом преподавателю или лаборанту.
6. Рабочее место должно содержаться в чистоте и порядке и быть свободным от посторонних предметов.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве характеристики степени варьирования отклонений отдельных измерений от среднеарифметической используется среднее квадратическое отклонение, определяемое из выражения (3):
(3)
где pср – среднее значение измерений;
pi – независимое случайное измерение;
n – количество измерений.
Для оценки относительной степени рассеяния полученных результатов применяется коэффициент вариации:
. (4)
Степень варьирования результатов опытов оценивается значением точности опыта:
(5)
где 
– погрешность средней арифметической.
СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА О РАБОТЕ
Отчет о лабораторной работе оформляется каждым студентом. Текст пишется темными чернилами, эскизы могут выполняться карандашом, графики результатов экспериментов строятся в масштабе.
Содержание отчета излагается в порядке, указанном в работе и должно включать:
- название работы, цель работы, краткое содержание;
- схему экспериментального стенда с характеристиками основных приборов и устройств;
- таблицу результатов исследований и часть ленты самописца с полученными кривыми процесса резания;
- расчетные формулы с числовым решением;
- тарировочный график и график изменения удельного усилия резания от скорости резания;
- краткие выводы по работе.
Законченные и оформленные отчеты студенты предъявляют преподавателю, до начала выполнения следующей работы.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1. Какую форму имеют лезвия режущих инструментов?
2. Назовите основные параметры процесса резания.
3. В чем различие между скользящим и рубящим резанием?
4. Что такое коэффициент скольжения?
5. Какие силы действуют на нож при рубящем резании?
6. Что выражает удельное усилие резания?
7. Каковы устройство и принцип работы экспериментального стенда?
8. Назовите порядок выполнения работы.
9. Для чего проводят тарировку тензометрической балки?
ПРИЛОЖЕНИЕ | Расчетные значения | Усилие резания удельное р, Н/м | |
Усилие резания максимальное Р, Н | |||
Скорость резания, фактическая Vр, м/с | |||
Результаты эксперимента | Характеристики процесса | Высота h, мм | |
Длина l, мм | |||
Исходные данные | Размеры исследуемого образца | Ширина B, м | |
Высота H, м | |||
Длина L, м | |||
Скорость ленты самописца Vл, мм/с | |||
Скорость резания, установленная V, м/с | |||
№ опыта | 1 2 3 . . . n |
СПИСОК ЛитературЫ
1. Расчет и конструирование машин и аппаратов пищевых производств: учебник для вузов / , , . 2-е изд. доп. и перераб. СПб.:
Изд-во РАПП, 20с.
2. Драгилев оборудование предприятий кондитерского производства: учеб. пособие для вузов /
, . М.: Колосс, 20с. (Учебник и учеб. пособия для студентов высших учебных заведений).
3. Каримов экспериментальной информации,: учеб. пособие для студентов спец. 220200 / . 2-е изд., перераб. и доп. Саратов: СГТУ, 20с.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ
РЕЗАТЕЛЬНЫХ МАШИН
Методические указания к выполнению
лабораторной работы
Составили: НИКОНОРОВ Сергей Николаевич
СТАРШОВ Геннадий Иванович
ПОЗДЕЕВА Марина Геннадьевна
Рецензент
Корректор
Подписано в печать Формат 60×84 1/16
Бум. офсет. Усл. печ. л. Уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно
Саратовский государственный технический университет
Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в Издательстве СГТУ. Саратов, Политехническая ул., 77
Тел.: , E-mail: *****@***ru
