Оборудование для обработки туш убойных животных 3 страница

Процессы разделения на части ре­занием могут происходить без образо­вания стружек или с образованием стружек (опилок). В первом случае в качестве рабочего органа используют ножи, во втором — резцы, пилы и фрезы. Как частный случай резание можно применять для образования стружки (измельчение замороженных блоков).

Разделение на части резанием без образования стружки. Этим способом режут твердые пластичные, упруго-пластичные и твердообразные матери­алы. В качестве инструмента исполь­зуют ножи и пуансоны.

Режущий элемент ножа (рис. 6.22, а) называют режущей кромкой или лезвием 1, которое образуется пе­ресечением наклонных граней (ско­сов) 2. Кроме того, нож имеет боко­вые 3, торцевые 5 грани и обух 4. Угол между скосами 2р называют уг­лом заострения или заточки. Ножи бывают с односторонней (б), двусто­ронней симметричной (в) и несиммет­ричной (г) заточкой. Лезвие ножа (рис. 6.23, а) может быть прямоли­нейным нормальным (1) или наклон­ным (2) по отношению к поверхности материала, с односторонним или дву­сторонним (3) приложением сил. Кро­ме того, лезвие может быть круглым (4) или криволинейным (серповид­ным) с внешним (5) или внутренним (6) заострением. Криволинейные лез­вия профилируют в виде непрерыв­ных или ступенчатых кривых.

Рис. 6.24. Способы резания ножом:

а — скользящее резание; б — рубящее резание

скоростью резания:

Отношение скоростей

Vл/Vп = tg ф = К

называют коэффициентом скольже­ния.

Угол ф (угол скольжения) может меняться от 0 до 90°, а коэффициент К — от 0 до о». Отношение скоростей у_л и v_n и соответственно величины ф и К определяют характер процесса резания, его силовые и энергетичес­кие показатели и качество поверхнос­ти разреза.

При у_л = 0, ф = 0 и К = 0 лезвие ножа подается со скоростью подачи v_n по нормали к поверхности матери­ала (рис. 6.24, б). Подобный процесс называют рубящим резанием. При у_л > 0 процесс называют скользящим или наклонным резанием.

По характеру нагружения процес­сы разделения на части без образова­ния стружки разделяют на статичес­кие и динамические. При статичес­ком режиме скорость v_n и сила Р_а подачи постоянны. Касательные ско­рость у_л и сила Р_л могут быть посто­янными (линейные, окружные) или переменными (колебательные).

К динамическим процессам отно­сятся вибрационное и ударное (им­пульсное) резание. При вибрационном резании (см. рис. 6.24, б) нож дви­жется по нормали к продукту с по­стоянной скоростью подачи v_n и одно­временно в этой же плоскости колеб­лется с переменной скоростью v_K.

При ударном резании нож массой т ударяет по поверхности разделяемого материала с начальной скоростью v_H. При этом кинетическая энергия ножа

------ сосредоточена на лезвии ножа и

создает контактные напряжения, раз­рушающие целостность материала.

Рассмотрим схему резания (рис. 6.25, а) ножом толщиной 2Ъ с двусто­ронней заточкой и углом между ско­сами 2(3, который имеет прямолиней­ное нормальное лезвие и движется с постоянной скоростью v_n (рубящее ре­зание). Материал представляет собой неограниченную пластину с изотроп­ными свойствами.

В начальный момент при касании лезвием ножа поверхности материала в ней создаются концентрированные контактные напряжения. При дости­жении предельных значений напря­жений структура материала разруша­ется и лезвие начинает перемещаться вглубь. Сила Р_к, приведенная к еди­нице длины лезвия (Н/м), при кото­рой разрушается материал,

Р_к = [а_к]5,           (6.1)

где [а_к] - допускаемое контактное напряже­ние, Па; 5 - острота лезвия, м.

Лезвие образуется пересечением двух плоскостей и теоретически пред­ставляет собой прямую линию. Одна­ко в реальных условиях лезвие после обработки боковых граней абразивны­ми кругами представляет собой не­ровную поверхность с микрозаусенца­ми, выступами и впадинами. Острота кромки характеризуется диаметром окружности 5, которая может быть вписана в профиль лезвия. После на­чального внедрения лезвия и даль­нейшего движения ножа его наклон­ные грани деформируют материал, раздвигая его в направлении, перпен­дикулярном к оси. Текущая абсолют­ная деформация пропорциональна по­ловине толщины клина dx, а относи­тельная текущая деформация

Суммарная боковая сила (Н) на на­клонной грани

Рис. 6.25. Схемы нагружения ножа при резании:

а — без опережающей трещины; б — с опережающей трещиной

Толщина ножа Ъ невелика по срав­нению с длиной зоны деформации L, поэтому для определения напряжений (Па) можно использовать закон Гука:

Можно видеть, что при постоянном значении b сила Р_кл растет с увеличе­нием угла заострения [3. При р = О получается бесфасковое лезвие с тео­ретической толщиной b = 0, но прак­тически 6 = 5. Увеличение толщины ножа Ъ при Р = const по формуле при­водит к линейному возрастанию силы Р₆, но на самом деле зависимость бо­лее сложная, так как b и hi связаны соотношением b/h_x = tg p.

В связи с этим анализ действия сил на клиновую часть лезвия прово­дят, как правило, экспериментально. Так, по данным А. И. Пелеева, наи­меньшая сила при резании мяса по­лучается при угле заточки ножа 2(5 = 12... 14°. При увеличении угла заточки до 45° сила резания возраста­ет в 1,5...3 раза. Возрастает сила ре­зания и при угле заточки меньше 12° из-за потери лезвием механической прочности (лезвие сминается).

При разработке мясорезательных машин стремятся уменьшить толщи­ну ножа 2Ь, определяя ее из мини­мально необходимой прочности на из­гиб, продольной устойчивости и виб­роустойчивости. С уменьшением тол­щины ножа сокращаются потери на

трение и на боковых гранях ножа. При резании мяса и рыбы сопротив­ление от трения на боковой поверхно­сти составляет 15...20 % общего со­противления.

В рассмотренной схеме исходили из предпосылки, что упругая среда (материал) обладает неограниченной способностью к деформации в попе­речном направлении пропорционально толщине ножа, и поэтому разрезае­мый материал все время контактиру­ет с лезвием и наклонными гранями ножа. При этом напряжения в мате­риале пропорциональны деформаци­ям, а сила бокового давления Р_б опре­деляется из эпюры напряжений и площади контакта боковой грани и ножа и не зависит от силы подачи Р_п. Иначе происходит разрушение мате­риалов с малой упругостью (напри­мер, таких, как сырая кость). В этом случае (рис. 6.25, б) после разруше­ния лезвием молекулярных сил сцеп­ления на поверхности клин проника­ет в глубь материала.

При некоторой глубине проникно­вения клина h материал перестает де­формироваться пропорционально те­кущей толщине клина х, поэтому рез­ко возрастает напряжение <з_х. Кроме того, появляется изгибающий момент, равный М_и = P(,hi. Боковая сила на клине Р_б будет определяться силой подачи Р_п независимо от деформации материала, и на одном скосе Р_б = 0,5P_ntg P"¹. Таким образом, в хрупком малоупругом материале в этот момент перед лезвием возникает опережающая трещина и при даль­нейшем приложении силы Р_п разру­шение на всю глубину Н будет проис­ходить раскалыванием, без контакта с лезвием. Поверхность раздела при этом получается неровной.

Для резания малоупругих прочных материалов применяют ножи значи­тельной толщины с углом заточки р = 30...40°. Толщина ножа определя­ется условиями прочности, а при большом угле заточки повышается прочность клиновой части ножа и со­здаются значительные боковые силы, вызывающие опережающую трещину при небольших продольных переме­щениях ножа. Подобный способ резания

приемлем, когда нет специаль­ных требований к качеству поверхно­сти среза.

Качество поверхности среза, сила подачи и работа резания зависят как от абсолютных значений скоростей подачи и скольжения, так и от их отношения, характеризуемого коэф­фициентом подачи.

Как видно из рис. 6.26, а, на кото­ром представлены экспериментальные данные, полученные при разрезании говядины, сила подачи Р_п (Н/м), при­веденная к единице длины лезвия, наибольшая при рубящем резании (ф = 0), снижается по мере увеличе­ния угла скольжения, стремясь в пре­деле к 0 при v_n — ¥ 0. Сила Р_л, равная 0 при Уд = 0, растет, достигая макси­мума при ф, принимающем значения от 50 до 70°, и далее вновь уменьша­ется, стремясь к 0 при v_n = 0. Сум­марная сила Р_р также уменьшается, стремясь к 0 при ф = 90°. Численные значения Р_р, Р_п и Р_л, характер их изменения и положение экстремаль­ных значений зависят от конкретных свойств разрезаемых материалов.

Согласно гипотезе Ребиндера, об­щая работа (Дж) резания

А = А, + А₂ + А₃,  (6.10)

где А_х — работа разрушения молекулярных сил сцепления; Аг - работа пластических де­формаций; А₃ — работа внешнего трения меж­ду поверхностью ножа и материалом.

Р • 10 ~\ Н/м

Соотношение составляющих в этой формуле зависит от свойств материа­ла и вида резания, определяемого уг­лом ф. При измельчении хрупких твердых материалов основная часть работы падает на А\. При резании пластичных материалов, в том числе и мяса (по данным А. И. Пелеева), до 80...85 % энергии расходуется на пластические деформации и внешнее трение и переходит в теплоту. Как следует из рис. 6.26, б, с увеличением коэффициента скольжения Я несколь­ко уменьшаются работа разрушения молекулярных сил сцепления А_г и работа пластических деформаций А₂- Работа трения А₃ инструмента о про­дукт растет из-за значительного уве­личения пути резания. Суммарная удельная работа А также уменьшает­ся вначале при увеличении коэффи­циента К, достигая минимума в пре­делах значения К от 1 до 2, т. е. угла ф от 45 до 60°, и далее вновь увеличи­вается, стремясь к оо при К —» °° (ф —> 90°). В реальных машинах К = 10...600, т. е. ф = 84...89°50', при этом скорость лезвия у_л составляет 1...100 м/с, а скорость подачи v_n = (0,1...0,17)у_л. При этих значени­ях получаются удовлетворительные показатели по энергозатратам и обес­печивается хорошее качество вновь полученных поверхностей.

Уменьшение усилия при скользящем

А-ю~³,Дж/м²

Рис. 6.26. Экспериментальные зависимости, полученные при резании говядины (по М. Н. Клименко):

а — зависимость сил резания от угла скольжения <р; б — зависимость удельной работы резания от коэффициента скольжения К

резании связано с эффектом перепиливания микронеровностей и за­усенцов на лезвии, что особенно за­метно при резании сложных анизо­тропных материалов, к которым от­носится и мясо. Так, волокно соединительной ткани, входящее в со­став мышц, имеет предел прочности 8... 12 МПа, а мышечная ткань — 0,15...0,9 МПа. Влияние эффекта перепиливания на уменьшение сил от­мечается многими исследователями, но численно оно не установлено. Кро­ме того, сила резания уменьшается из-за кинематической трансформации угла и радиуса заострения лезвия. Представим нож (рис. 6.27) в виде клина с односторонней заточкой и уг­лом при вершине (3. Если провести плоскость, перпендикулярную основа­нию и проходящую в направлении вектора суммарной скорости v_p, то тангенс угла (З_к при вершине треу­гольника АБ'С будет равен

Коэффициент трансформации ост­роты лезвия

Рис. 6.27. Схема определения кинетической трансформации угла заострения ножа

Рис. 6.28. Процесс резания ножом с прямым лезвием при переменной скорости сколь­жения:

а - схема: 1 - нож; 2 - шатун; 3 - кривошип; 4 -разрезаемый материал; б - зависимость удельной мощности резания N_v от максимальной скорости лез­вия У_л

угол заострения и радиус кромки ножа также претерпевают изменения

от Р при у_л = 0 до р"™ при v™. Скорость лезвия, амплитуда и часто­та колебаний существенно сказыва­ются на значениях сил и мощностей резания. Экспериментально установ­лена (Т. В. Чижикова) зависимость удельной мощности резания шпика Ы_уд (Вт/м), приведенной к единице длины лезвия, от максимальной скорости ко­леблющегося лезвия Vj, (рис. 6.28, б). Толщина полотна ножа 1 мм, ампли­туда колебаний 0,01 м, скорость пода­чи 6,2 ■ 10~² м/с, температура шпика -2 °С. Наибольшая мощность N_p = = 132 Вт/м получена при рубящем ре­зании. Дальнейшее изменение удель­ной мощности (Вт/м) описывается за­висимостью

N_yA=N_K+(N_p-fi

где N_K - удельная мощность при у_л = 0,35 м/с, Вт/м; JV_K = 50 Вт/м; К - коэффициент, с²/м²; К = 18,7 с²/м².

При понижении температуры шпи­ка мощность резания увеличивается. Так, при тех же условиях и скорости

лезвия 0,2 м/с удельная мощность, соответствующая температуре шпика 10°С, равна 25 Вт/м, при 0°С — 52 и при -10 °С — 180 Вт/м.

Схема резания дисковым ножом внешним радиусом г при частоте вра­щения ножа со показана на рис. 6.29. Нож вращается с постоянной окруж­ной скоростью v_0K = юг, и на него по­дается материал толщиной Н со ско­ростью подачи v_n. Внешнюю окруж­ность ножа можно представить как многоугольник с числом сторон, стре­мящимся к бесконечности. Толщина материала ограничивается длиной дуги БГ окружности и центральным углом ф_к. Примем, что в точке Г ф_к = 0. Характерная особенность дис­кового ножа - неизменность скорос­тей v_n и v_0K, но последняя меняет свое направление. Если взять любую точку А на лезвии, определяемую уг­лом ф, то можно построить паралле­лограмм скоростей и найти скорость

резания v_p=v_n+v_0K. Направление этой скорости определим через угол у между нормалью п — п к скорости v_p и v_0K. По В. Н. Карпову, косинус это­го угла

Рис. 6.29. Схема процесса резания диско­вым ножом

Рис. 6.31. Схема процесса вибрационного резания одним (а, б, в) и двумя (г) ножами

Таким образом, к статическим си­лам на лезвии ножа и наклонных по­верхностях добавляются динамичес­кие силы от колебаний ножа

Р_д = — mx_aco²cos(coT — ф), (6.25) где т — масса колеблющихся частей.

Процесс резания вибрирующим но­жом физически сложный и до настоя­щего времени полностью не изучен. Считается, что микроудары ножа с высокой скоростью и частотой и не­большими амплитудами создают эф­фект усталостного разрушения. При каждом ударе в материале возникают упругие и пластические деформации. Упругие возникают и исчезают со скоростью распространения звука в материале, а пластические остаются и продолжают развиваться даже после удара. Таким образом, после удара материал полностью не разгружается, а остается в состоянии напряжения, которое последовательно нарастает. Кроме того, вибрация ножа изменяет характер трения на поверхности кон­такта с материалом, уменьшая коэф­фициент «сухого» трения. Однако до настоящего времени нет надежных аналитических решений процесса, а для проектирования и расчета обору­дования используют эксперименталь­ные данные.

При внедрении ножа в материал (рис. 6.31) наблюдаются две фазы:

активная (а) и пассивная (б, в). При активной фазе лезвие контактирует с материалом, сила подачи Р_п и вибра­ции Р_д совпадают по направлению, преодолевая сопротивление разруше­ния Р_к. Происходит процесс резания, и при этом за счет сил N и Р_б возни­кают силы трения F и F'.

При изменении направления дви­жения ножа (рис. 6.31, б) лезвие те­ряет контакт с материалом, так как скорость вибрации много больше ско­рости подачи (x»v_n). Вторая часть пассивной фазы (рис. 6.31, в) наблю­дается при новом изменении направ­ления движения ножа, когда совпада­ют векторы скоростей х' и v_n, но лез­вие еще не достигло поверхности ма­териала.

Применение механизма с двумя ножами (рис. 6.31, г), колеблющими­ся в противофазе, практически лик­видирует период, когда материал те­ряет контакт с ножом и когда возни­кают релаксации напряжений. Подоб­ный механизм сложнее по устройству, но более эффективен.

Экспериментальные исследования показали, что виброножами можно резать практически все материалы в мясной промышленности: мясо в ох­лажденном и замороженном виде, мясо с костью, кости, в том числе и трубчатые. Сила резания мяса, наи­большая при рубящем статическом резании, уменьшается при наложении вибрации. При частоте вибрации 20 Гц сила уменьшается в 2...2,8 раза, при 50 Гц — в 3,5...4 раза. При

постоянной частоте сила уменьшается при увеличении амплитуды колеба­ний. При резании замороженного мяса возникает опережающая трещи­на. Использование вибрационного процесса перспективно при резании целого ряда мясопродуктов, особенно прочных, таких, как мясокостное сырье при разделении туш на полуту­ши и при нарезке полуфабрикатов, поскольку исключаются потери в виде опилок.

Ударное резание можно предста­вить как предельный случай вибраци­онного при величине амплитуды х_я _> оо и числе циклов, равном еди­нице. В этом случае нож с гладким лезвием встречается с поверхностью материала с начальной скоростью, ко­торая составляет 20...60 м/с. За счет кинетической энергии ножа лезвие за микросекунды проникает в поверх­ность материала, преодолевая его со­противление, и одновременно вызыва­ет ударную волну, которая (по А. Я. Сагомоняну) распадается на уп­ругую и пластическую. Пластическая затухает, а упругая распространяется на всю толщину материала, создавая сложное напряженное состояние. При высокой скорости приложения внеш­ней нагрузки скорость развития де­формаций становится меньше скорос­ти развития внутренних давлений. При этом наблюдается повышение внутреннего сопротивления материа­ла, сопровождаемое увеличением хрупкости.

Процесс разрушения твердых мате­риалов при ударной нагрузке склады­вается из начального внедрения в не­разрушенную среду на глубину обра­зования опережающей трещины и дальнейшего раскалывания материала без контакта с лезвием на глубину Л_н. Причем отношение скорости развития трещины к скорости распространения звука в материале лежит в пределах от 0,5 до 1.

Таким образом, если общая толщи­на материала Я, то при импульсном разрушении Н = Л_н + Л_тр.

Для осуществления ударного реза­ния могут быть использованы приво­ды: механический (с поступательным или вращательным движением ножа),

гидравлический, электроимпульсный, взрывной (за счет преобразования энергии расширяющихся газов). Наи­более просто технически осуществим способ с вращательным движением ножа (рис. 6.32, а). Рассмотрим кине­тику процесса импульсного разруше­ния материала (Б. В. Кулишев). Нож 1 вращается с угловой скоростью со на оси 2 и ударяет по материалу 3 с на­чальной скоростью v_H = юг и кинетической энергией А= ^д, где т —

масса активной части ножа. Нож, ударяя по поверхности, преодолевает сопротивление материала и проникает на некоторую глубину х. Уравнение движения ножа в начальный момент внедрения

Рис. 6.32. Схема ударного резания гладким лезвием:

а - общая схема: 1 - нож; 2 - ось; 3 - разрезаемый материал; 4 - подложка; б - схема нагружения ножа

199

при внедрении его в материал на расстояние х, рад; х — время, с; Р_п — приведенная сила сопротивления внедрению, Н.

Приведенная сила учитывает со­противление материала силам нор­мального давления Р_н на наклонных гранях и силе трения F = Р_нц. Сила нормального давления равна произве­дению площади контакта и напряже­ния а:

v_M, которая меньше v_B0JI. Ударные волны могут превосходить предел прочности материала, и тогда образу­ется опережающая трещина. Рассмот­рим процесс движения лезвия за пе­риод dx (рис. 6.32, б). Приведенная сила на грани АБ

Среднее значение статических раз­рушающих напряжений на разрыв [а_р] равны для костей (МПа): трубча­той 112,6, реберной 44,8, позвонко­вой 4,7. При динамическом нагружении предельные напряжения на раз­рыв [ар] увеличиваются. При возрас­тании скорости нагружения до 8 м/с их величину (МПа) можно найти по формуле

По полученным формулам рассчи­тывают процесс резания материала, лежащего на неподвижном твердом основании, одним ножом с двусторон­ней симметричной заточкой (рис. 6.33, а). Такая схема пригодна для резания костей с большим объемом губчатой ткани, например позвонков. Для резания поперек плоских костей (типа ребер) целесообразно применять схему с двумя ножами, имеющими одностороннюю заточку и смещающи­мися навстречу один другому со ско­ростями v_0K = cor (рис. 6.33, б). В этом случае наибольшая необходимая угловая скорость ножей

Рис. 6.33. Схемы ударного резания:

а — одним ножом на подложке; б — двумя прямоли­нейными ножами; в — двумя ножами с V-образным лезвием

Резание на части с образованием стружки. Его используют для разре­зания костей, туш на полутуши и четвертины, нарезания мясо-костных полуфабрикатов, мездрения шкур, из­мельчения замороженных мясных блоков. Процесс осуществляют инст­рументом с гладкой режущей кром­кой — резцом или несколькими резца­ми, собранными на общем основании (пилы, фрезы).

Резец (рис. 6.34, а) состоит из кро­мок (передней АБ, передних боковых АД и БЕ, задних боковых АГ и БВ), граней (передней АБЕД, задней АБВГ, боковых АДГ и БВЕ), углов (переднего у, заточки р, заднего а, ре­зания 5). При этом а + (3 + у = 90° и 5 = а+ р.

Схема процесса резания резцом с прямолинейной передней кромкой (лезвием) показана на рис. 6.34, б. Резец за один проход снимает струж­ку толщиной h при общей толщине материала Н. На лезвии создается разрушающая сила Р_к, после чего от­деляется стружка, которая изгибается и скользит по передней грани. Нор­мальная сила (Н), возникающая при отгибании стружки,

Рис. 6.34. Резание резцом:

а — схема резца; б — схема процесса резания

Величина угла заточки р в значи­тельной степени влияет на механичес­кую прочность резца, стойкость лез­вия и условия отвода теплоты, обра­зующейся при резании. Оптимальное значение его определяют с учетом свойств измельчаемого материала и требований, предъявляемых к свой­ствам получаемой стружки. При больших углах Р резание хрупких материалов происходит с опережаю­щей трещиной, а стружка значитель­но деформируется и может ломаться. Это нежелательно, например, при ре­зании замороженных блоков на плас­тины.

Сила прижатия Р_н зависит от кон­струкции машины и может быть рав­на силе тяжести продукта или силе механических (гидравлических) тол­кателей.

Режущая часть пильных рабочих

Рис. 6.35. Виды зубьев пильного полотна:

а — треугольный заостренный; б, в, г — с прямой ре­жущей кромкой, соответственно треугольный, со ско­сом, закругленный

органов состоит из зубьев, конфигу­рация которых определяется свой­ствами разрезаемого материала (рис. 6.35). Треугольные зубья (рис. 6.35, а) с заостренными боковыми сторонами прорезают в материале две параллельные канавки, а боковые скосы скалывают материал между ка­навками и удаляют его из прорези в виде опилок. При разрезании твердых материалов, которые могут заклини­вать пилу, вершины зубьев разводят в стороны на ширину, равную 1,2... 1,3 толщины полотна.

Зубья, показанные на рис. 6.35, б, в, г, имеют прямолинейную режущую кромку и работают как резцы. Благо­даря наличию переднего угла, а они создают силу, затягивающую матери­ал в зону резания. Подобные «само­вклинивающиеся» пилы могут рабо­тать без принудительной подачи мате­риалов. Пример конкретной заточки самовклинивающихся треугольных зубьев дискового полотна пилы для распиливания туш крупного рогатого скота показан на рис. 6.36,в. Пила не имеет развода зубьев, более того, режущая часть диска выполнена ко­нической. Для уменьшения трения на этих пилах в зону резания подают воду. Дисковые пильные полотна имеют крупную (см. рис. 6.36, а) и треугольную (рис. 6.36, б) заточку. Первые применяют для отрезания ро­гов, вторые имеют шаг зубьев от 3,5

до 13 мм и используются на всех опе­рациях. В пластинчатых пилах, со­вершающих возвратно-поступательное движение (рис. 6.36, г), используют треугольные зубья с разводами.

Основные расчетные зави­симости. При расчете мясорезательных машин находят их произво­дительность и мощность электродви­гателя.