Визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів процесів виготовлення виробів із тіста з начинкою

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ВИЗНАЧЕННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСІВ ВИГОТОВЛЕННЯ ВИРОБІВ ІЗ ТІСТА З НАЧИНКОЮ

Спеціальність: Процеси та обладнання харчових, мікробіологічних та фармацевтичних виробництв

МІЗНІК ЛАРИСА МИКОЛАЇВНА

Київ, 2006 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний інтенсивний розвиток харчової промисловості України ставить все більш жорсткі вимоги до якості виробів, продуктивності та рівня безвідходності виробництва. В цих умовах для забезпечення населення України якісними і недорогими продуктами доцільно розробляти універсальні технології виготовлення виробів із тіста з начинкою. Розроблення технологічного обладнання, яке дозволяє формувати вироби з різноманітних компонентів матеріалів є перспективним направленням інтенсифікації виробництва.

Проектування такого типу обладнання не можливо без проведення комплексних теоретичних досліджень, що включають промислову перевірку їх результатів. При цьому значно зменшуються витрати на проведення фізичних експериментів. Тому задача по розробленню сучасних інформаційних технологій проектування процесів формування тістового джгута з широким спектром видів начинки і створення відповідного формуючого пристрою є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до плану науково-дослідної роботи Національного університету харчових технологій, за темою „Розробка наукових основ тепломасообмінних та інших робочих процесів харчових виробництв з метою створення нового високоефективного обладнання засобів механізації для харчових галузей”(код науково-технічної діяльності 1.216 за КВНТД).

Окремі розділи дисертації виконані відповідно теми науково-дослідної роботи Черкаського державного технологічного університету „Дослідження механізмів інтенсифіцированного процесу виготовлення виробів із тіста з начинкою”. Автором запропоновано новий методологічний підхід до проектування формуючого пристрою.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці наукових основ дослідження процесів коекструзії при проектуванні технологічного обладнання для формування джгута з начинкою. Експериментальні дослідження проводили на Черкаському підприємстві „Вояш”.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є дослідження та наукове обґрунтування раціональних конструктивно-технологічних параметрів процесу формування тістового джгута з начинкою, з врахуванням реологічних властивостей сировини, а також розробка формуючого пристрою, який забезпечує раціональні технологічні режими формування тістового джгута з начинкою.

У відповідності з поставленою метою були сформульовані такі задачі:

- розробити методику визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів формуючого пристрою;

- створити математичну модель процесу формування тістового джгута з начинкою;

Провести чисельні експерименти з метою дослідження впливу:

- геометричних параметрів формуючого пристрою на величини тисків нагнітання компонентів сировини;

- тисків нагнітання сировини і геометрії формуючих матриць на кінематику об'єкта формування;

- тиску в об'ємі компонентів сировини на якість готових виробів;

- визначити раціональні конструктивно-технологічні параметри формуючого вузла;

- розробити дослідний зразок машини для виготовлення виробів із тіста з начинкою;

- шляхом фізичного моделювання на дослідному зразку машини довести адекватність проведених теоретичних досліджень.

Об'єкт дослідження - ізотермічний процес формування тістової трубки з начинкою, та технологічне обладнання для його реалізації.

Предмет дослідження - режими формування тісто-фаршевого джгута (ТФД), геометричні параметри формуючого пристрою та технологічні характеристики нагнітання компонентів сировини.

Методи дослідження включають в себе теоретичні дослідження з використанням сучасних методів математичного моделювання, які базуються на основних положеннях механіки дисперсних середовищ та чисельних методах (проекційно-сіткових) розв'язання відповідних задач математичної фізики, а також експериментальні дослідження, що спрямовані на перевірку отриманих теоретичних результатів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- створена математична модель процесу формування тістового джгута з начинкою і на її основі запропоновано новий підхід до проектування формуючого пристрою;

- проведено чисельне моделювання різних конструктивних варіантів формування виробів із тіста з начинкою і на його основі досліджено вплив технологічних факторів і конструктивних параметрів формуючого пристрою на закономірності процесу формування;

- з використанням розробленої методики визначенні раціональні конструктивні параметри формуючого пристрою, та співвідношення тисків нагнітання компонентів сировини;

- на основі проведених досліджень розроблена та впроваджена нова конструкція формуючого пристрою, яка дозволяє значно зменшити кількість дефектів ТФД;

- розроблена експериментальна методика по визначенню технологічних параметрів (тиск нагнітання компонентів сировини, швидкість руху ТФД, продуктивність та ін.) машини у виробничих умовах.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблена конструкторська та технологічна документація, за якою Черкаським заводом „Темп” виготовлений дослідно-промисловий зразок машини для автоматизованого виробництва виробів із тіста з начинкою.

На підприємстві „Вояш” проведенні промислові випробування автомата. За результатами випробувань автомат рекомендовано до серійного виробництва.

Особистий внесок здобувача. Автором особисто: розроблено метод теоретичного дослідження процесу формування трубки з начинкою, проведені чисельні експерименти по дослідженню впливу конструктивно-технологічних параметрів формуючого пристрою на закономірності процесу формування, визначені раціональні конструктивно-технологічні параметри формуючого пристрою, дані рекомендації для конструювання формуючого вузла, які враховують реологічні характеристики компонентів сировини, розроблено та виготовлено конструкторську документацію дослідного зразка машини, розроблено експериментальну методику для оцінки адекватності запропонованих теоретичних розробок, проведено фізичне моделювання на дослідному зразку автомата по визначенню швидкості руху джгута та тисків нагнітання компонентів ТФД. Роботи по розробленню конструкторської та технологічної документації для виготовлення дослідного зразка автомата, проведення промислових випробувань, а також експериментальних досліджень виконані під керівництвом к. т. н., доцента Черкаського державного технологічного університету Титарчука А.О.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції „Розроблення та вдосконалення прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість”, Київ, 1997 рік, на 6-й Міжнародній науково-технічній конференції ”Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”, Київ, 1999 рік, 70-й науковій конференції „Наукові здобутки молоді - вирішенню проблем харчування людства у ХХI столітті”, Київ,2004 рік, ІХ Міжнародній науково-технічній конференції „Нові технології в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи”, Київ, 2005.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 8 друкованих праць, з яких 4 в наукових журналах і збірниках наукових праць і 4 - тези науково-технічних конференцій.

Обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 122 сторінках друкованого тексту, складається з вступу, 4 розділів, висновків, вміщує 8 таблиць, 56 рисунків. Список використаної літератури включає 110 найменування вітчизняних і зарубіжних авторів.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, визначені мета роботи, наукова новизна, практична цінність, викладені основні положення роботи, що виносяться на захист.

У розділі 1 виконано аналіз сучасних харчових технологій виготовлення виробів з начинками. З аналізу визначено, що найбільш перспективною є технологія, що основана на формування джгута з начинкою. Аналіз особливостей технологій виготовлення виробів з начинками методом формування показав, що на якість готових виробів у значній мірі впливає конструкція формуючого пристрою. Конструктивні параметри формуючого пристрою повинні визначатися структурно-механічними та реологічними характеристиками компонентів сировини.

На підставі огляду літературних джерел, приведена характеристика без дріжджового тіста як об'єкта формування оболонки, розглянуто його фізико-хімічні та структурно-механічні властивості.

Розглянуто вплив різноманітних технологічних факторів на структурно-механічні властивості тіста та м'ясного фаршу. Показано, що в процесі виробництва виробів з начинкою напівфабрикати перебувають в умовах складного напруженого стану. Здатність зберігати або змінювати форму під дією зовнішніх зусиль характеризується структурно-механічними властивостями дисперсних харчових матеріалів.

Встановлено, що бездріжджове пшеничне тісто, що використовується в якості оболонки та різноманітні харчові матеріали для начинки, в залежності від величини напружень, часу їх дії, швидкості деформації можуть проявляти пружно-пластичні або в'язко-пластичні властивості. Користуючись кривими кінетики деформації, в умовах незруйнованої структури експериментально визначають модулі пружності, найбільшу пластичну в'язкість, умовну статичну межу текучості. В області зруйнованої структури за допомогою кривих течії додатково можна отримати залежності ефективної в'язкості від напруження зсуву. Тобто повний комплекс реологічних характеристик дисперсних структурованих систем може бути отриманий сукупністю експериментальних методів, серед яких можна виділити два типи методів:

1) статичні методи, які основані на встановлені реологічних характеристик при дуже малих швидкостях деформацій і вузькому діапазоні їх змін;

2) методи з широким діапазоном швидкостей деформацій.

Таким чином, аналіз технології виготовлення виробів із тіста з начинкою та особливостей процесів їх формування призвів до доцільності визначення раціональних конструктивних параметрів формуючого пристрою, які забезпечують необхідні технологічні показники готових виробів.

У розділі 2 розроблена методика теоретичного визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів відповідного формуючого пристрою.

В основу цієї методики покладено математична модель процесів деформування дисперсних матеріалів, що складається з трьох основних частин аналітичної, алгоритмічної і цифрової. Аналітична модель основана на рівняннях механіки дисперсних матеріалів у формі крайової задачі пружно-в'язко-пластичності.

В основу побудови алгоритмічної моделі покладено:

- розв'язання сформульованої задачі проекційно-сітковими методами: скінченних елементів (МСЕ) за просторовими змінними та скінченних різниць (МСР) за часовим аргументом;

- обчислювальні алгоритми, що реалізують реологічні процеси при формуванні;

- обчислювальні алгоритми, які реалізують кінематичні особливості процесу формування трубки з начинкою.

Розглянуто приклад процесу формування джгута з таких компонентів: оболонка джгута - тісто, начинка - м'ясний фарш.

Мета проведення чисельних експериментів полягає у визначенні технологічних показників процесу формування ТФД (експлуатаційного тиску, продуктивності роботи машини, якості готового виробу та ін.) в залежності від конструктивних параметрів формуючого пристрою та реологічних властивостей компонентів сировини. Однією з основних характеристик процесу формування ТФД є залежність зміни тиску нагнітання матеріалу оболонки від довжини джгута.

Слід відмітити, що експериментальне отримання такої залежності пов'язано з певними технічними труднощами. На основі результатів проведених обчислювальних експериментів отримано залежності “тиск-довжина” для прийнятих варіантів формування ТФД.

Результати проведених обчислювальних експериментів по дослідженню процесів формування дозволили для всіх конструктивних варіантів формуючого пристрою визначити раціональні співвідношення тисків нагнітання на компоненти ТФД.

Відмітимо, що швидкість руху ТФД на виході з формуючого пристрою різних конструктивних параметрів при раціональних значеннях відношення Ро/Рн визначається рухом компонента начинки. Тому цілком зрозуміло, що при зменшенні площі перерізу кільцевого прохідного зазору для компонента оболонки виникає необхідність у збільшенні тиску його нагнітання. При цьому швидкість руху ТФД при різних конструктивних варіантах формуючого пристрою суттєво не змінюється, а середнє значення швидкостей дорівнює 0,0328 м/с.

Виконано дослідження впливу конструктивних параметрів формуючого пристрою на величини та співвідношення робочих тисків нагнітання компонентів ТФД.

У розділі 3 представлено основні результати теоретичних досліджень, які були покладені в основу конструювання машини по автоматизованому виготовленню виробів із тіста з начинкою.

Розроблена конструкторська документація і на її основі виготовлений дослідно-промисловий зразок автомата.

Основними елементами автомата є бункер для начинки 1 і тіста 2, лопатний насос 3, матриці формування джгута з начинкою 4, вузол штампування виробів. В корпусі 1 і 2 встановлені валки 6 і 7 та нагнітаючі шнеки 8, 9. Валки і шнек подачі тіста одержують рух від привода 10 через зубчаті передачі 11, 12 і 13. Валки і шнек подачі начинки, рухаються від привода 14 через зубчаті передачі 15, 16 і 17. Лопатний насос 3 нагнітання начинки одержує рух від одного із подаючих валків.

Вузол штампування виробів складається з двох барабанів 18, 19, які обертаються назустріч один одному. По периферії цих барабанів встановлені пережимні елементи 20. Між пережимними елементами розташовані гравітаційні витискувачі. Барабанам передається рух від електродвигуна через зубчасті передачі.

Промислові випробування автомата проводилися на Черкаському підприємстві напівфабрикатів „Вояш”.

Економічна ефективність проведених досліджень полягає у зниженні вартості теоретично виконаних проектувальних робіт в зрівнянні з експериментальним методом, зниженні відходів виробництва, та енергетичних витрат при експлуатації розробленого автомата, а також зменшенні його металомісткості. Термін експлуатації 7 років. Економічний ефект за весь термін роботи складає 1707 тис. гривень (в цінах 2005 р.). Період окупності капітальних витрат 2,0 роки.

У розділі 4 представлено експериментальні дослідження процесу формування виробів із тіста з начинкою, що спрямовані на перевірку адекватності запропонованих методів теоретичного дослідження процесу формування ТФД. Експериментальні дослідження проводили на підприємстві „Вояш” м. Черкаси. Фізичні експерименти проводили на дослідному зразку автомата, доповненому спеціальною оснасткою для вимірювання тисків нагнітання матеріалів начинки та тістової оболонки.

На основі зрівняння результатів розрахунків з даними експериментів підрахована розбіжність відповідних результатів. По швидкостям руху погрішність не перевищує 16%, а по визначенню тиску не перевищує 12%.

ВИСНОВКИ

1. Здійснено перехід від традиційних аналітично - емпіричних методик проектування формуючих вузлів машин для виробництва виробів з начинкою до сучасних інформаційних технологій проектування, які основані на методах імітаційного математичного моделювання;

2. Розроблена математична модель процесу формування двох компонентного суцільного джгута, яка основана на розв'язанні крайової задачі деформування дисперсних матеріалів в режимі пружно-в'язко-пластичної течії твердої фази;

3. Розроблено методологічний підхід до визначення раціональних конструктивно-технологічних параметрів формуючого вузла машини для виробництва виробів з начинкою. Для підвищення ефективності проведення проектувальних робіт використані сучасні комп'ютерні методи обчислень. Методика рекомендована для розроблення нових та удосконалення існуючих технологій формування тістової трубки з різноманітними начинками;

4. Проведено комплекс обчислювальних експериментів по дослідженню процесів формування ТФД для різних конструктивних параметрів формуючого пристрою, вивчено закономірності руху компонентів ТФД, вплив геометричних параметрів формуючих матриць на рівень тисків нагнітання компонентів сировини, визначені силові режими формування ТФД в залежності від структурно-механічних характеристик сировини та конструктивних особливостей обладнання, досліджено кінетику розповсюдження зони пружно-пластичних деформацій сировини;

5. Розроблена експериментальна методика, яка спрямована на перевірку адекватності отриманих результатів досліджень по визначенню швидкостей руху ТФД та тисків нагнітання компонентів сировини. На основі зрівняння результатів розрахунків з даними експериментів підрахована розбіжність відповідних результатів: по швидкостям руху ТФД не перевищує 16%, по визначенню тисків нагнітання - 12%;

6. Результати проведених досліджень рекомендовані та використанні для конструювання і виготовлення формуючого вузла дослідного зразка пельменного автомата. Економічний ефект від впровадження складає 1707 тис. грн.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Таран В.М., Титарчук А.О., Мізнік Л.М. Вдосконалення виробництва виробів із тіста з начинкою // Харчова промисловість - 2000. - Вип. 45. - С. 65-68.

2. Титарчук А.О., Мізнік Л.М. Пошук оптимального профілю різальної кромки ножа подрібнювача пластично в'язких матеріалів // Вісник ЧІТІ. - 1999. - №2. - С. 76-79. конструювання автоматизація пристрій

3. Штефан Є.В., Мізнік Л.М. Математичне моделювання процесів коекструзії при виготовленні трубчастих виробів з начинкою // Наукові вісті НТУУ „КПІ” - 2005. - №6. - С. 82-85.

4. Штефан Є.В., Мізнік Л.М. Тістові вироби з начинками, виготовлені методом коекструзії // Хлібопекарська і кондитерська промисловість України. - 2006. - №3. - С. 16-20.

5. Мізнік Л.М., Титарчук А.О., Таран В.М. Інтенсифікований метод виробництва пельменів // Тези доповідей Міжнародної наукової конференції. - Київ: УДУХТ. - 1997. - С. 30.

6. Титарчук А.О., Мізнік Л.М., Таран В.М. Пошук оптимального профіля різальної кромки ножа подрібнювача м'ясних продуктів // Шоста міжнар. наук. - техн. конф. „Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”. - Ч1. - К.: УДУХТ - 2000. - С. 66-67.

7. Штефан Є.В., Мізнік Л.М. Математичне моделювання процесу екструзії виробів із тіста з начинкою // Тези доповідей 70-та наук. конф. молодих вчених і студентів. - Наук. пр. НУХТ. - 2004. - С. 104.

8. Штефан Є.В., Мізнік Л.М. Оброблення харчових матеріалів екструзією при виготовленні виробів із тіста з начинкою // Матеріали ІХ Між нар. наук. - техн. конф. „Нові технології та технічні рішення в харчовій та переробній промисловості: сьогодення і перспективи”. - К.:НУХТ - 2005. - С. 63-64.

Размещено на Allbest.ru